高性能合金/创新合金/未来合金

1 概述

气阀材料是制造汽油发动机和柴油发动机进、排气阀的必用材料，也是整个发动机中的关键材料。为了满足不同类型内燃机的需求，世界发达国家在不断开发各类新型气阀材料。

气阀在高温燃气腐蚀、高负荷及高应力作用等恶劣环境下工作，排气阀承受的温度高达600-800℃。常用的气阀合金有两种，一种是Alloy 80A，一种是Alloy 751，随着Alloy 80A的大量使用，其高温性能得到越来越多的关注。经对Alloy 80A合金组织性能进行了研究发现，Ti/Al比的增加显著提高室温力学性能，当 Ti/Al比较低时，晶内有β-NiAl相析出，会导致材料高温断裂。

Alloy LF2是钢铁研究总院研制的节镍的经济型Fe-Ni基时效强化型合金,其抗高温燃气腐蚀性能和耐高温性能优异。与国外广泛应用的镍基气阀合金Alloy 80A和Alloy 751合金高温性能相当,由于Ni含量由70%下降至30%,成本大幅度降低。由该合金制成的气阀已大量应用于东风4B机车，大连机车车辆厂、天津机车机辆配件厂的240B型机车等高负荷重型柴油机上，运行情况良好，在重型商用车、重型载重汽车上也得到了大量应用。LF2合金是一种潜力十分巨大的气阀合金。但随着内燃机参数的不断增加，所产生的排气温度上升、排气净化率标准提高，都对气阀合金的性能提出了更加严格的要求。

2 应用

ALLOY LF2主要用作高功率内燃机如重型柴油机的排气阀材料。

3 化学成份(wt%)

表1

4 金相

LF2合金是奥氏体为基体，时效后主要存在γ′相、MC相、Laves相和σ相。

表2为合金经过990℃ x 1h, 水冷 + 760℃ x 10h, 空冷处理后的相分析结果。可以看出，γ'相的析出量最多，其次是Laves相，3种析出相中Nb和Ti为主要构成元素。除此以外，γ'相中Al的含量较高，Laves相中含有少量的Cr元素，MC相中含有微量的C元素。

图1所示合金经不同温度保温1h进行固溶处理+760℃ x 10h, 空冷后的微观组织。

γ'相是长程有序的面心立方结构，LF2合金中γ' 相的质量分数最高。γ'相以近球形在晶内弥散析出,从析出相的析出量、析出颗粒数量和颗粒大小及形态综合分析,γ'相对合金的强化效果是占最大权重,是合金中最主要的强化相。

Alloy LF2中的Laves相是(Fe,Ni,Cr)(Nb,Ti,Zr)2型金属间化合物，呈六方结构。在时效过程中，Laves相也未聚集长大，呈粒状和片层状分布在晶界及晶界周边，晶内有少量分布。

MC相是(Nb, Ti, Zr)C型碳化物相，是面心立方结构。在时效过程中，MC相并未发生聚集长大，呈粒状和块状，主要分布在晶界及附近，晶内数量较少且呈粒状。

σ相是四方晶体结构的Fe(Cr,Ni)型金属间化合物。σ相的特征是由晶界向晶内生长和发展，并且在晶界内存在形成应力集中区的针状σ 相，其在拉应力作用下首先萌生裂纹，而σ相向晶内发展，这就使得萌生的裂纹沿着σ相向晶内发展，形成裂纹扩展的通道，因此σ相的形成和发展对合金强度的下降起主要作用。

表2 试验合金化学相分析(质量分数%)

Table 2 Chemical phase analysis of the tested alloys ( mass fraction %)

图1 不同固溶温度下LF2合金的显微组织

Fig.1 Microstructure of Alloy LF2 under different solution temperatures (a，d) 950℃; (b，e) 990℃; (c，f) 1070℃

5 热处理

固溶温度

LF2合金在不同温度(950,970,990,1020,1050和1070℃)下固溶1h后水冷，再经过760℃时效10h后进行室温拉伸和硬度试验，得到的合金性能曲线如图2所示。可以看出，固溶温度对合金性能的影响较大，固溶温度较低时，合金的强度基本不变，当固溶温度达到1020℃时，合金的屈服强度开始迅速下降，1050℃时，合金的抗拉强度也迅速下降，1070℃时合金强度达到最低值。断后伸长率从950℃开始逐渐升高，970℃ 后开始保持平稳，断面收缩率先降低，到970℃又开始缓慢增加。合金硬度随固溶温度的变化趋势和屈服强度基本相同，固溶温度在950～1020℃范围内，合金的硬度基本不变，1020℃时合金的硬度开始下降。

当固溶温度较低时，合金的晶粒比较小，晶内和晶界上的析出相较多，晶内的γ'相和颗粒状的MC相不断析出，再加上晶界上纤维状和块状Laves相的增多，都对合金起到强化的作用。因此固溶温度低于1020℃时，合金的强度较高。随着固溶温度的升高，合金的晶粒尺寸逐渐变大，并出现混晶现象，晶内和晶界上 的析出相逐渐减少，晶内MC相和晶界上Laves相的减少使其对合金的强化作用效果减弱，再加上晶粒的长大使晶界的总面积较少，对裂纹扩展的阻力减小，从而导致合金强度的下降。固溶温度过低时，合金内部在加工过程中产生的热应力难以消除，影响合金的性能，当固溶温度为990℃时，晶粒已达到基本均匀的程度。因此，选取适合LF2合金的最佳固溶温度为990℃。

时效温度

合金经过990℃ x 1 h固溶处理后，分别在680, 720, 760和800℃时效10h，进行试验得到的性能曲线如图3所示。可以看出，随着时效温度的增加，合金的强度先逐渐增加，抗拉强度在时效温度为720℃时达到最大值，屈服强度在760℃时达到最大值后开始降低。在选取的时效温度中，时效温度在720-760℃时，都能获得较好的强度，760℃时合金的屈服强度最高。合金的塑性从680℃开始逐渐下降，在720-760℃时基本保持平稳，760℃开始，断后伸长率逐渐升高，断面收缩率逐渐降低。合金的硬度在720-760℃之间较高，680-720℃范围内硬度逐渐增加，760-800℃逐渐降低。

不同时效温度下合金的微观组织如图4所示，从图6中可以看出，时效温度为680℃时，合金晶界上的析出相很少，难以观察到清晰的晶界形貌，颗粒状的MC 相和块状Laves相弥散分布在组织内部。随着时效温度的升高，晶界上块状的Laves相和MC相逐渐增多，连续性增加，纤维状的Laves相不断析出，γ'相颗粒也逐渐增加，对合金起到强化作用，合金的强度提高。当时效温度升高到760℃时，晶界碳化物进一步长大，并明显的发生聚集，形状开始发生变化，晶界碳化物的尖角处，容易造成应力集中，如果受外应力时在尖角处受到的应力大于MC相与晶界的结合力，则容易萌生裂纹，再加上γ'相的长大和聚集可能导致γ'相的应力场弱化，γ'相的强化效果开始减弱，从而导致材料强度的下降。综合合金的力学性能以及微观组织，最终选择 760℃为LF2合金的最佳时效温度。

时效时间

锻态LF2合金经过990℃ x 1h，WQ的固溶处理后，在760℃分别时效5, 10, 15和20h，得到的性能结果如图5所示。从图7中可以看出，时效时间对合金性能的影响不大，随着时效时间的增加，合金的抗拉强度基本不发生变化，而屈服强度逐渐升高，15h后开始趋于平稳，时效时间在10-15h范围内，合金的强度较高; 合金的塑性从5h开始逐渐降低，时效时间达到10h后又开始升高; 合金的硬度随着时效时间的增加缓慢升高。

不同时效时间合金的微观组织如图8所示，从图中可以看出，时效时间对组织形貌和晶粒大小的影响不大。时效时间为10h时，组织内部的晶界轮廓已经十分清晰，颗粒状MC相和块状的Laves相连续分布在晶界上，与密集分布的纤维状Laves相交织在一起，随着时效时间的增加，晶界上的MC相和Laves相不断长大，纤维状Laves相不断析出，团簇在晶界上，再加上γ'相颗粒的不断增加，对合金起到了强化的作用，使合金的强度提高。结合力学性能与微观组织，以及考虑到实际应用中能源消耗等因素，选取时效时间为10 h。

实验表明，采用固溶退火990℃ x 1h，水冷,时效温度760℃ x 10h，空冷的热处理制度,合金可以获得最佳的性能。

图2  不同固溶温度下 LF2 合金的力学性能 ( a) 强度; ( b) 塑性; ( c) 硬度

图3 不同时效温度下LF2合金的力学性能(990 ℃ x 1 h固溶处理)(a)强度; (b)塑性; (c)硬度

图4 不同时效温度下LF2合金的显微组织(990℃ x 1 h固溶处理)

图5 不同时效时间下LF2合金的力学性能 (a)强度; (b)塑性; (c) 硬度

6 力学性能

热处理制度： 固溶退火990℃ x 1h，水冷,时效温度760℃ x 10h，空冷。

7 产品

棒材和条杆：交货状态有轧制、热处理、氧化、除鳞、车光、磨光、抛光。

其它：盘件、无缝管、筒件、锻件、锻坯等。