电机护环是紧固发电机转子绕组端部线圈的箍圈,是发电机中承受应力最高的部件之一,护环的完整性是保证电机正常工作的关键所在。电机护环作为机车电机的重要部件,因其特殊的工作环境,要求很高的屈服极限及较高的综合力学性能。长期以来,护环失效都是引发电机转子失效的主要原因,现有的电机护环所用材料及其生产工艺技术已影响了我国新型内燃机车的发展进程。目前国内外电机护环用钢基本采用Mn-Cr系或Mn-Ni-Cr系不锈钢,而本文采用高温合金GH2132作为电机护环用材料。GH2132合金为Fe25Ni-15Cr基高温合金,加入Mo 、 Ti、Al、V及微量P,主要通过时效析出y'-Nis( Ti,Al)相进行强化[13]同时由于Cr的存在,有良好的抗腐蚀性能。该合金在650℃以下具有高的屈服强度和持久,蠕变强度,并且具有较好的加工塑性及满意的焊接性能,因此常被用作航空紧固件等。本文研究了热处理对优质高强CH2132合金组织、性能影响,以获得最佳综合性能指标,满足电机护环的使用要求。

试验材料及方法

试验所用材料GH2132的主要化学成分如表1所示。试样经线切割加工成b10 mm 的棒材,对试样进行编号,分别使用不同的热处理方法(见表2)。按照GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》将试样加工成标准拉伸试样,在 Instron8501电液伺服力学拉伸试验机上进行拉伸试验,测试其力学性能。用220HBS-300 数显布氏硬度计测量硬度。试样机械抛光后,用1.5 g CuSO4+20 mL HCl +20 mLCH,OH腐蚀液腐蚀30 ~40 s ,用台式BX41光学显微镜、SUPRA40场发射扫描电镜观察显微组织及晶粒度,y'相的大小和分布。用 MPD 型X-射线衍射仪进行物相分析。

试验结果及分析

图1是不同工艺热处理后试样的显微组织。可以看出,与固溶后未时效组织相比,合金经固溶时效处理后,组织晶界清晰,晶粒均匀完整,且呈等轴状,并伴有少量固溶处理后再结晶过程中通过堆垛层错生长而形成的孪晶(见图1( c)中插图)。经时效处理后,晶粒变得均匀细小,718℃时效的晶粒尺寸较700℃时效时的晶粒尺寸更加细小,分布更为均匀。

表3为合金不同工艺热处理后的力学性能。可见，固溶后未时效处理试样具有较低的强度和较高塑性,抗拉强度和屈服强度分别只有566.3 MPa和 343.5 MPa,断后伸长率和断面收缩率达到33.8%和38.4%。由于CH2132合金主要是通过析出y'-Nis(Ti，Al)相的沉淀强化作用来提高其强度,而未经时效处理的合金没有y'-Nis(Ti，Al)析出相,因此强度相对较低,而塑性较高。

合金固溶处理后经700℃和718 ℃时效处理,强度和硬度明显提高,其中抗拉强度分别提高到853.7 MPa和1055.0 MPa ,与未经时效处理的试样相比,分别提高了51%和86% ,屈服强度也分别提高了41%和89% ,硬度分别提高了26%和37%。经过700℃时效后,合金塑性比没有时效情况下有所下降,断后伸长率和断面收缩率分别降到23.3%和23.9% ;经718℃时效后,断后伸长率和断面收缩率分别降到24.7%和26.9%。经时效处理后,合金强度提高而塑性下降,这是由于时效使得固溶态的奥氏体析出y'相,起沉淀强化作用,同时析出相以切割机制阻止变形时位错的运动,有利于强度的提高,但也会降低塑性,因此合金经时效后出现强度升高,塑性下降的现象。

对25Ni15CrFe基高温合金GH2132采用了3种不同热处理制度,以研究时效及时效温度对合金力学性能的影响。700℃时效能将固溶后的CH2132的抗拉强度提高51 % ,达到853.7 MPa,屈服强度提高了41 % ,达到485.6 MPa,伸长率和断面收缩率有所下降,分别为23.3%和23.9%。这是由于在时效过程中析出了细小且弥散分布于基体的y'-Nis (Ti，Al)相起到了沉淀强化的作用。将时效温度提高到718 ℃,y'相析出数量增加,合金的抗拉强度进一步提高,达到1055 MPa和647.3 MPa ,伸长率和断面收缩率与700℃时效相比略有回升,达到24.7%和26.9%。因此,982℃固溶＋718℃时效能使合金获得较好的综合力学性能。