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摘要：GH3044螺栓扩口时常出现批量性裂纹，本文通过对裂纹件本身和多批次螺栓的金相组织观察和试验验证，得出结果：GH3044螺栓扩口时出现裂纹与螺栓碳化物析出数量、尺寸和分布方式存在极大关系；控制GH3044螺栓热处理保温温度、保温时间和冷却速度，能控制MC和WCr、M23C6等相的析出，达到有效防止螺栓扩口裂纹产生的目的。
关键词：GH3044螺栓；扩口裂纹；热处理
Keywords： GH3044 bolt；flaring crack；heat treatment
0 引言
GH3044是固溶强化镍基抗氧化合金，在900℃以下具有高塑性和中等热强性，并具有优良的抗氧化性和良好的冲压、焊接工艺性能，适宜制造在900℃以下长期工作的航空发动机主燃烧室和加力燃烧室零部件以及隔热屏、导向叶片等。
某型航空发动机装配在加力燃烧室内的GH3044螺栓为修理必换件，其主要用作加力燃油总管及稳定器的连接螺栓，起固定作用。该螺栓装配后要对螺栓螺纹端扩口，起到限制螺帽在工作中松动的作用。此种扩口螺栓在扩口过程中均有不同比例的裂纹现象，通常在20%左右，偶有批次扩口裂纹量超过20%，甚至超过60%，装配时返工量很大，也给飞行带来安全隐患。我公司生产的GH3044扩口螺栓也存在裂纹现象。
采用φ14mm的GH3044圆钢加工螺栓，螺栓的螺纹端φ4.5mm内孔需扩口，零件的加工工序为：机加成型→热处理→成检并入库→领用扩口。其中，热处理工艺为：800℃以上入炉，升温至1150℃以下，保温80min以上，空冷。
本文通过对比分析裂纹件、正常件和热处理工艺优化件的力学性能、金相组织，主要探讨了造成扩口破裂的主要影响因素，从而为解决此类质量问题提供参考。
1 试验过程与结果
1.1 化学成分分析
入厂复验合格的四个批次GH3044棒材化学成分分析结果见表1。材料中合金元素均符合标准要求。四个批次材料分别为两个螺栓扩口裂纹材料1629和0249，另外两个是作对比的试验材料批次0028和0029，材料供货标准为Q/3B1190-2000，直径14mm，供货状态：热轧后不经热处理。
1.2 力学性能及低倍组织
4个批次的GH3044钢棒力学性能及低倍组织入厂复验结果见表2，高温力学性能按Q/3B1190-2000规定的热处理制度处理（1150℃保温50min后空冷），试验温度为900℃。因该螺栓是在室温下装配并出现扩口裂纹，为了说明问题，参照GJB3165-98的要求，补充测试了室温力学性能试验，试验结果均符合标准要求（见表3），试样热处理制度为1150℃保温50min后空冷。
1.3 金相组织观察和硬度测试
对两个批次的扩口裂纹件和同批次的正常件（见图1）以及进口原装产品实物（无扩口裂纹）的金相组织进行观察和硬度测试，结果见表4。
1.4螺栓热处理工艺优化试验
根据GH3044材料的冶金特性和组织转变机理，对螺栓固溶处理制度进行优化，优化后热处理制度为：加热到1150℃以上，保温时间少于30min，特殊冷却。因螺栓形状尺寸原因，按制造工艺要求，采用了随炉试样进行室温力学性能测试，4批次力学性能测试结果未见明显差异，见表5。
2 试验验证
2.1 优化热处理工艺处理的螺栓扩口试验
采用以上四个批次φ14mm的GH3044棒材加工螺栓，机加成型后，按优化热处理工艺对零件进行热处理，零件数量各50件，共200件。200件螺栓在发动机螺栓装配专用工装上装配并扩口，目视和体视显微镜放大20倍检查，未发现裂纹。螺栓金相组织为奥氏体+碳化物，MC和WCr、M23C6弥散分布，较多聚集，数量较多、尺寸较小，TiN夹杂较细小，数量少，金相组织如图8～图11所示。
2.2 原热处理工艺处理的螺栓扩口试验
采用0028、0029两个批次φ14mm棒材加工螺栓，机加成型后，按原热处理工艺热处理零件，零件数量各50件，共100件。100件螺栓在发动机螺栓装配专用工装上装配螺栓并扩口，目视和体视显微镜放大20倍检查，发现存在扩口裂纹的0028批次12件，占24%；0029批次11件，占22%。螺栓金相组织为奥氏体+碳化物，MC和WCr、M23C6细小、弥散分布，数量多；TiN夹杂细小，数量多。金相组织如图12、图13所示。
3 分析与讨论
1629、0249两个批次螺栓原材料化學成分、力学性能和低倍组织等均符合标准要求，检查两个批次螺栓热处理工艺，保温温度及保温时间均符合工艺要求。
1629、0249两个批次裂纹件、同批次未裂件与进口原装螺栓的金相组织对比、分析结果表明，所有螺栓基体组织均是MC和WCr固溶体，并且含有少量TiN夹杂、沿晶界分布的M23C6型碳化物等析出物，MC和WCr固溶体弥散分布在晶内和晶界处。1629批次与0249批次裂纹件、正常件相比，金相组织无明显差异；1629批次、0249批次与进口原装螺栓实物相比，金相组织差异明显，主要表现为1629批次和0249批次的MC和WCr固溶体、M23C6等析出相数量明显多且尺寸小、TiN夹杂少且尺寸小。 从三个批次的金相组织对比中可以发现，0249和1629批次螺栓较进口原装螺栓析出物的尺寸小且数量多，析出物增多会引起材料强度升高，塑性降低，当析出相沿晶界析出、呈网状分布时，塑性降低效果尤为明显，从而导致螺栓在扩口时容易出现裂纹。硬度测试结果也从另外一个角度证明了细小、弥散分布的析出相能显著提高螺栓硬度，从而造成材料塑性的降低。
相关资料显示，GH3044材料及其制品经1200℃固溶后，基本上是单奥氏體和少量的MC和M23C6型碳化物，经700℃～900℃长期时效后，MC变化不大，M23C6呈链状分布在晶界，随时效时间的增加，析出量增多，颗粒长大；同时在晶界和晶内又有WCr固溶体补充析出，呈颗粒状，随时效时间的增加，数量逐渐增加，尺寸不断长大；材料的冶金质量越好，杂质含量就越少，冷却过程中碳化物等析出相也越少。从某种意义上说，保温结束后出炉冷却过程也是一个短暂的时效过程，冷却速度越慢，时效时间就越长，析出相就越多。因此，从原理上说明，控制冷却速度能够实现减少碳化物析出相产生的可能。
GH3044螺栓扩口时出现裂纹破裂的影响因素较多，与原材料质量、热处理工艺、扩口工艺、扩口操作者水平均有关系，但出现批次性纵向破裂必与原材料和热处理工艺有关。四个批次的原材料均按标准复验合格，按原热处理工艺进行热处理的螺栓扩口时均出现批量裂纹，优化热处理后，四个批次材料制造的螺栓扩口时均未出现裂纹，表明可以通过调整GH3044材料及螺栓固溶热处理温度、保温时间以及采取特殊冷却方式来控制MC和WCr、M23C6等相的析出，有效防止螺栓扩口裂纹的产生。
4 结论与建议
1）GH3044螺栓扩口时出现裂纹与钢的冶金质量存在关联关系。
2）GH3044螺栓扩口时出现裂纹与螺栓碳化物析出数量、尺寸和分布方式存在极大关系。
3）控制GH3044螺栓热处理保温温度、保温时间和冷却速度，能控制MC和WCr、M23C6等相析出，达到有效防止螺栓扩口裂纹产生的目的。
参考文献
[1]《中国航空材料手册》编辑委员会. 中国航空材料手册 第二版 第2卷变形高温合金 铸造高温合金[M]. 北京：中国标准出版社，2001.
[2] GJB 3165 航空承力件用高温合金热轧和锻制棒材规范[S].
[3] Q/3B1190 GH3044热轧棒材[Z].
[4] 吴承建，陈国良，强文江编著.金属材料学[M].北京：冶金工业出版社，2000.
关键词：GH3044螺栓；扩口裂纹；热处理
Keywords： GH3044 bolt；flaring crack；heat treatment
0 引言
GH3044是固溶强化镍基抗氧化合金，在900℃以下具有高塑性和中等热强性，并具有优良的抗氧化性和良好的冲压、焊接工艺性能，适宜制造在900℃以下长期工作的航空发动机主燃烧室和加力燃烧室零部件以及隔热屏、导向叶片等。
某型航空发动机装配在加力燃烧室内的GH3044螺栓为修理必换件，其主要用作加力燃油总管及稳定器的连接螺栓，起固定作用。该螺栓装配后要对螺栓螺纹端扩口，起到限制螺帽在工作中松动的作用。此种扩口螺栓在扩口过程中均有不同比例的裂纹现象，通常在20%左右，偶有批次扩口裂纹量超过20%，甚至超过60%，装配时返工量很大，也给飞行带来安全隐患。我公司生产的GH3044扩口螺栓也存在裂纹现象。
采用φ14mm的GH3044圆钢加工螺栓，螺栓的螺纹端φ4.5mm内孔需扩口，零件的加工工序为：机加成型→热处理→成检并入库→领用扩口。其中，热处理工艺为：800℃以上入炉，升温至1150℃以下，保温80min以上，空冷。
本文通过对比分析裂纹件、正常件和热处理工艺优化件的力学性能、金相组织，主要探讨了造成扩口破裂的主要影响因素，从而为解决此类质量问题提供参考。
1 试验过程与结果
1.1 化学成分分析
入厂复验合格的四个批次GH3044棒材化学成分分析结果见表1。材料中合金元素均符合标准要求。四个批次材料分别为两个螺栓扩口裂纹材料1629和0249，另外两个是作对比的试验材料批次0028和0029，材料供货标准为Q/3B1190-2000，直径14mm，供货状态：热轧后不经热处理。
1.2 力学性能及低倍组织
4个批次的GH3044钢棒力学性能及低倍组织入厂复验结果见表2，高温力学性能按Q/3B1190-2000规定的热处理制度处理（1150℃保温50min后空冷），试验温度为900℃。因该螺栓是在室温下装配并出现扩口裂纹，为了说明问题，参照GJB3165-98的要求，补充测试了室温力学性能试验，试验结果均符合标准要求（见表3），试样热处理制度为1150℃保温50min后空冷。
1.3 金相组织观察和硬度测试
对两个批次的扩口裂纹件和同批次的正常件（见图1）以及进口原装产品实物（无扩口裂纹）的金相组织进行观察和硬度测试，结果见表4。
1.4螺栓热处理工艺优化试验
根据GH3044材料的冶金特性和组织转变机理，对螺栓固溶处理制度进行优化，优化后热处理制度为：加热到1150℃以上，保温时间少于30min，特殊冷却。因螺栓形状尺寸原因，按制造工艺要求，采用了随炉试样进行室温力学性能测试，4批次力学性能测试结果未见明显差异，见表5。
2 试验验证
2.1 优化热处理工艺处理的螺栓扩口试验
采用以上四个批次φ14mm的GH3044棒材加工螺栓，机加成型后，按优化热处理工艺对零件进行热处理，零件数量各50件，共200件。200件螺栓在发动机螺栓装配专用工装上装配并扩口，目视和体视显微镜放大20倍检查，未发现裂纹。螺栓金相组织为奥氏体+碳化物，MC和WCr、M23C6弥散分布，较多聚集，数量较多、尺寸较小，TiN夹杂较细小，数量少，金相组织如图8～图11所示。
2.2 原热处理工艺处理的螺栓扩口试验
采用0028、0029两个批次φ14mm棒材加工螺栓，机加成型后，按原热处理工艺热处理零件，零件数量各50件，共100件。100件螺栓在发动机螺栓装配专用工装上装配螺栓并扩口，目视和体视显微镜放大20倍检查，发现存在扩口裂纹的0028批次12件，占24%；0029批次11件，占22%。螺栓金相组织为奥氏体+碳化物，MC和WCr、M23C6细小、弥散分布，数量多；TiN夹杂细小，数量多。金相组织如图12、图13所示。
3 分析与讨论
1629、0249两个批次螺栓原材料化學成分、力学性能和低倍组织等均符合标准要求，检查两个批次螺栓热处理工艺，保温温度及保温时间均符合工艺要求。
1629、0249两个批次裂纹件、同批次未裂件与进口原装螺栓的金相组织对比、分析结果表明，所有螺栓基体组织均是MC和WCr固溶体，并且含有少量TiN夹杂、沿晶界分布的M23C6型碳化物等析出物，MC和WCr固溶体弥散分布在晶内和晶界处。1629批次与0249批次裂纹件、正常件相比，金相组织无明显差异；1629批次、0249批次与进口原装螺栓实物相比，金相组织差异明显，主要表现为1629批次和0249批次的MC和WCr固溶体、M23C6等析出相数量明显多且尺寸小、TiN夹杂少且尺寸小。 从三个批次的金相组织对比中可以发现，0249和1629批次螺栓较进口原装螺栓析出物的尺寸小且数量多，析出物增多会引起材料强度升高，塑性降低，当析出相沿晶界析出、呈网状分布时，塑性降低效果尤为明显，从而导致螺栓在扩口时容易出现裂纹。硬度测试结果也从另外一个角度证明了细小、弥散分布的析出相能显著提高螺栓硬度，从而造成材料塑性的降低。
相关资料显示，GH3044材料及其制品经1200℃固溶后，基本上是单奥氏體和少量的MC和M23C6型碳化物，经700℃～900℃长期时效后，MC变化不大，M23C6呈链状分布在晶界，随时效时间的增加，析出量增多，颗粒长大；同时在晶界和晶内又有WCr固溶体补充析出，呈颗粒状，随时效时间的增加，数量逐渐增加，尺寸不断长大；材料的冶金质量越好，杂质含量就越少，冷却过程中碳化物等析出相也越少。从某种意义上说，保温结束后出炉冷却过程也是一个短暂的时效过程，冷却速度越慢，时效时间就越长，析出相就越多。因此，从原理上说明，控制冷却速度能够实现减少碳化物析出相产生的可能。
GH3044螺栓扩口时出现裂纹破裂的影响因素较多，与原材料质量、热处理工艺、扩口工艺、扩口操作者水平均有关系，但出现批次性纵向破裂必与原材料和热处理工艺有关。四个批次的原材料均按标准复验合格，按原热处理工艺进行热处理的螺栓扩口时均出现批量裂纹，优化热处理后，四个批次材料制造的螺栓扩口时均未出现裂纹，表明可以通过调整GH3044材料及螺栓固溶热处理温度、保温时间以及采取特殊冷却方式来控制MC和WCr、M23C6等相的析出，有效防止螺栓扩口裂纹的产生。
4 结论与建议
1）GH3044螺栓扩口时出现裂纹与钢的冶金质量存在关联关系。
2）GH3044螺栓扩口时出现裂纹与螺栓碳化物析出数量、尺寸和分布方式存在极大关系。
3）控制GH3044螺栓热处理保温温度、保温时间和冷却速度，能控制MC和WCr、M23C6等相析出，达到有效防止螺栓扩口裂纹产生的目的。
参考文献
[1]《中国航空材料手册》编辑委员会. 中国航空材料手册 第二版 第2卷变形高温合金 铸造高温合金[M]. 北京：中国标准出版社，2001.
[2] GJB 3165 航空承力件用高温合金热轧和锻制棒材规范[S].
[3] Q/3B1190 GH3044热轧棒材[Z].
[4] 吴承建，陈国良，强文江编著.金属材料学[M].北京：冶金工业出版社，2000.