钒微合金化对4J32合金显微组织调控与性能优化的

作者：admin 发布时间：2024-10-24 15:21点击：

超因瓦(4J32)合金性能优化及钒微合金化影响研究
超因瓦(4J32)合金，作为因瓦合金的衍生品种，通过钴(Co)替代镍(Ni)的创新方法，成功获得了卓越的热膨胀系数特性。该合金不仅展现出良好的塑性，还在低温环境下具备组织稳定性和力学性能的稳定优势，尤为突出的是，在-60~80℃的环境温度范围内，其热膨胀系数极低。鉴于空间光学遥感器对光机结构的温度与力学稳定性有着严苛的要求，4J32合金凭借其独特的性能优势，在空间光学遥感器的多个关键部位，如主镜支撑、嵌套、次镜支撑及低温结构支撑等，实现了广泛应用。因此，进一步提升4J32合金的性能，已成为空间遥感技术领域亟待攻克的重要课题。
热处理工艺对4J32合金显微组织与性能的影响探究
钒元素在奥氏体中具有显著的溶解度，且作为强碳化物和强氮化物形成元素，它通过形成稳定的V(C,N)金属间化合物，即便在高温下长时间保温，也能保持细小尺寸，有效抑制晶粒长大，从而对材料的显微组织和物理性能产生深远影响。本研究中，微量元素V的添加，一方面固溶于合金基体中，另一方面则形成大量细小、弥散分布的碳化物颗粒。固溶处理进一步促进了VC的溶解与扩散，使得合金组织更加均匀。对比发现，采用真空感应熔炼+电渣重熔工艺制备的合金5~8，相较于仅采用真空感应熔炼的合金1~4，其组织更为均匀，混晶现象显著减少。因此，本研究优选了合金5~8进行热处理试验。
通过不同热处理温度下的保温与水冷处理，观察发现，随着固溶温度的升高，合金晶粒度逐渐增大，晶粒度等级从7~8级降低至4~6级。在终锻温度为850℃的条件下，经过真空感应熔炼+电渣重熔的试样，在800~850℃固溶后，组织均匀无混晶；而终锻温度为650℃的试样，则需经1000~1100℃固溶，才能确保组织均匀，但晶粒尺寸相对粗大。因此，4J32合金的固溶温度选择在800~850℃之间较为适宜。此外，当微量元素V的添加量为0.1%（即合金8）时，合金中的夹杂物含量相对较低，且经不同热处理后，夹杂物含量保持稳定。
基于上述结果，合金8因其显微组织最优而被选为研究对象，进一步测试其在不同固溶处理状态下的性能。结果显示，硬度与晶粒尺寸之间并无明确的对应关系，即使晶粒尺寸发生显著变化，试样硬度也保持稳定。将合金8与未添加钒元素且未经电渣重熔的合金1进行对比分析发现，合金8的抗拉强度显著提高。这得益于微量元素V与合金中的C元素形成细小、弥散分布的VC，从而细化了合金的晶粒尺寸，增强了材料的强度。
钒微合金化对4J32合金热膨胀系数的影响分析
将合金8经850℃固溶处理和315℃时效热处理后的试样与产业化生产的试样进行热膨胀系数对比发现，经过时效热处理后，合金8的热膨胀系数远低于常规产业化合金。这主要归因于合金热膨胀系数的大小受组成相的性质和相含量的共同影响。碳氮化物的热膨胀系数远高于基体相，虽然固溶处理后碳氮化物的含量降低，但C、V等合金元素溶解到基体中会导致热膨胀系数迅速升高。然而，时效热处理后，VC从合金基体中析出，使得合金的热膨胀系数相应降低。
结论
本研究通过探究不同冶炼工艺、终锻温度和热处理温度对4J32合金显微组织和部分物理性能的影响，发现向4J32合金中添加0.1%的微合金元素V，并采用真空感应熔炼+电渣重熔的冶炼工艺，将终锻温度控制在850℃，经过800~850℃固溶处理后，合金组织均匀，强度高且热膨胀系数低。按此工艺生产的4J32材料能够更好地满足航天光学遥感器光机结构的力、热稳定性需求，在航天光学遥感器反射镜高稳定性支撑以及低温光学组件无热化支撑等方面展现出巨大的应用潜力。

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