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GH4169
一、GH4169概述
GH4169合金是以體心四方的γ"和面心立方的γ′相沉淀強化的鎳基高溫合金,在-253~700℃溫度范圍內(nèi)具有良好的,650℃以下的屈服強度居變形高溫合金的*,并具有良好的、抗輻射、、耐腐蝕性能,以及良好的加工性能、焊接性能和組織穩(wěn)定性,能夠制造各種形狀復雜的零部件,在宇航、核能、石油工業(yè)中,在上述溫度范圍內(nèi)獲得了為廣泛的應用。
該合金的另一特點是合金組織對熱加工工藝特別敏感,掌握合金中相析出和溶解規(guī)律及組織與工藝、性能間的相互關(guān)系,可針對不同的使用要求制定合理、可行的工藝規(guī)程,就能獲得可滿足不同強度級別和使用要求的各種零件。供應的品種有鍛件、鍛棒、軋棒、冷軋棒、圓餅、環(huán)件、板、帶、絲、管等??芍瞥杀P、環(huán)、葉片、軸、緊固件和彈性元件、板材結(jié)構(gòu)件、機匣等零部件在航空上使用。
1.1GH4169材料牌號GH4169(GH169)
1.2GH4169相近牌號Inconel718(),NC19FeNb(法 國)
1.3GH4169材料的技術(shù)標準
GJB2612-1996《焊接用高溫合金冷拉絲材規(guī)范》
HB6702-1993《WZ8系列用GH4169合金棒材》
GJB3165 《航空承力件用高溫合金熱軋和鍛制棒材規(guī)范》
GJB1952 《航空用高溫合金冷軋薄板規(guī)范》
GJB1953《 航空發(fā)動機轉(zhuǎn)動件用高溫合金熱軋棒材規(guī)范》
GJB2612 《焊接用高溫合金冷拉絲材規(guī)范》
GJB3317《 航空用高溫合金熱軋板材規(guī)范》
GJB2297 《航空用高溫合金冷拔(軋)無縫管規(guī)范》
GJB3020 《航空用高溫合金環(huán)坯規(guī)范》
GJB3167 《冷鐓用高溫合金冷拉絲材規(guī)范》
GJB3318 《航空用高溫合金冷軋帶材規(guī)范》
GJB2611《 航空用高溫合金冷拉棒材規(guī)范》
YB/T5247 《焊接用高溫合金冷拉絲》
YB/T5249 《冷鐓用高溫合金冷拉絲》
YB/T5245 《普通承力件用高溫合金熱軋和鍛制棒材》
GB/T14993《 轉(zhuǎn)動部件用高溫合金熱軋棒材》
GB/T14994 《高溫合金冷拉棒材》
GB/T14995 《高溫合金熱軋板》
GB/T14996 《高溫合金冷軋薄板》
GB/T14997 《高溫合金鍛制圓餅》
GB/T14998 《高溫合金坯件毛壞》
GB/T14992 《高溫合金和金屬間化合物高溫材料的分類和牌號》
HB5199《 航空用高溫合金冷軋薄板》
HB5198 《航空葉片用變形高溫合金棒材》
HB5189 《航空葉片用變形高溫合金棒材》
HB6072 《WZ8系列用GH4169合金棒材》
1.4GH4169化學成分該合金的化學成分分為3類:標準成分、優(yōu)質(zhì)成分、高純成分,見表1-1。優(yōu)質(zhì)成分的在標準成分的基礎(chǔ)上降碳增鈮,從而減少碳化鈮的數(shù)量,減少疲勞源和增加強化相的數(shù)量,提高性能和材料強度。同時減少有害雜質(zhì)和氣體含量。高純成分是在優(yōu)質(zhì)標準基礎(chǔ)上降低和有害雜質(zhì)的含量,提高材料純度和。
核能應用的GH4169合金,需控制硼含量(元素成分不變),具體含量由供需雙方協(xié)商確定。當ω(B)≤0.002%時,為與宇航工業(yè)用的GH4169合金加以區(qū)別,合號為GH4169A。
表1-1[1] %
類別 | C | Cr | Ni | Co | Mo | Al | Ti | Fe | |||||
標準 | ≤0.08 | 17.0~21.0 | 50.0~55.0 | ≤1.0 | 2.80~3.30 | 0.30~0.70 | 0.75~1.15 | 余 | |||||
優(yōu)質(zhì) | 0.02~0.06 | 17.0~21.0 | 50.0~55.0 | ≤1.0 | 2.80~3.30 | 0.30~0.70 | 0.75~1.15 | 余 | |||||
高純 | 0.02~0.06 | 17.0~21.0 | 50.0~55.0 | ≤1.0 | 2.80~3.30 | 0.30~0.70 | 0.75~1.15 | 余 | |||||
類別 | Nb | B | Mg | Mn | Si | P | S | Cu | Ca | ||||
不大于 | |||||||||||||
標準 | 4.75~5.50 | 0.006 | 0.01 | 0.35 | 0.35 | 0.015 | 0.015 | 0.30 | 0.01 | ||||
優(yōu)質(zhì) | 5.00~5.50 | 0.006 | 0.01 | 0.35 | 0.35 | 0.015 | 0.015 | 0.30 | 0.01 | ||||
高純 | 5.00~5.50 | 0.006 | 0.005 | 0.35 | 0.35 | 0.015 | 0.002 | 0.30 | 0.005 |
續(xù)表1-1%
類別 | Bi | Sn | Pb | Ag | Se | Te | Tl | N | O |
不大于 | |||||||||
標準 | --- | --- | 0.0005 | --- | 0.0003 | --- | --- | --- | --- |
優(yōu)質(zhì) | 0.001 | 0.005 | 0.001 | 0.001 | 0.0003 | --- | --- | 0.01 | 0.01 |
高純 | 0.00003 | 0.005 | 0.001 | 0.001 | 0.0003 | 0.00005 | 0.0001 | 0.01 | 0.005 |
1.5GH4169熱處理制度合金具有不同的熱處理制度,以控制晶粒度、控制δ相形貌、分布和數(shù)量,從而獲得不同級別的力學性能。合金熱處理制度分3類:
Ⅰ:(1010~1065)℃?10℃,1h,油冷、空冷或水冷 720℃?5℃,8h,以50℃/h爐冷至620℃?5℃,8h,空冷。
經(jīng)此制度處理的材料晶粒粗化,晶界和晶內(nèi)均無δ相,存在缺口敏感性,但對提高沖擊性能和抵抗低溫氫脆有利。
Ⅱ:(950~980)℃?10℃,1h,油冷、空冷或水冷 720℃?5℃,8h,以50℃/h爐冷至620℃?5℃,8h,空冷。
經(jīng)此制度處理的材料有δ相,有利于消除缺口敏感性,是常用的熱處理制度,也稱為標準熱處理制度。
Ⅲ:720℃?5℃,8h,以50℃/h爐冷至620℃?5℃,8h,空冷。
經(jīng)此制度處理后,材料中的δ相較少,能提高材料的強度和沖擊性能。該制度也稱為直接時效熱處理制度。
1.6GH4169品種規(guī)格和供應狀態(tài)可以供應模鍛件(盤、整體鍛件)、餅、環(huán)、棒(鍛棒、軋棒、冷拉棒)、板、絲、帶、管、不同形狀和尺寸的緊固件、彈性元件等、交貨狀態(tài)由供需雙方商定。絲材以商定的交貨狀態(tài)成盤狀交貨。
1.7GH4169熔煉和鑄造工藝合金的冶煉工藝分為3類:真空感應加電渣重熔;真空感應加真空電弧重熔;真空感應加電渣重熔加真空電弧重熔??筛鶕?jù)零件的使用要求,選擇所需的冶煉工藝,滿足應用要求。
1.8GH4169應用概況與特殊要求制造航空和航天發(fā)動機中的各種靜止件和轉(zhuǎn)動件,如盤、環(huán)件、機匣、軸、葉片、緊固件、彈性元件、燃氣導管、密封元件等和焊接結(jié)構(gòu)件;制造核能工業(yè)應用的各種彈性元件和格架;制造石油和化工領(lǐng)域應用的零件及零件。
近年來,在對該合金研究不斷深化和對該合金應用不斷擴大的基礎(chǔ)上,為提高質(zhì)量和降低,發(fā)展了很多新工藝:真空電弧重熔是采用氦氣冷卻工藝,有效減輕鈮偏析;采用噴射成型工藝,生產(chǎn)環(huán)件,降低生產(chǎn)和縮短生產(chǎn)周期;采用超塑成型工藝,擴大產(chǎn)品的生產(chǎn)范圍。
二、GH4169物理及化學性能
2.1GH4169熱性能
2.1.1GH4169熔化溫度范圍1260~1320℃。
2.1.2GH4169熱導率見表2-1。
表2-1[2]
θ/℃ | 11 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 |
λ/(W/(m?℃)) | 13.4 | 14.7 | 15.9 | 17.8 | 18.3 | 19.6 | 21.2 | 22.8 | 23.6 | 7.6 | 30.4 |
2.1.3GH4169比熱容見表2-2。
2.1.4GH4169線膨脹系數(shù)見表2-3;
2.2GH4169密度ρ=8.24g/cm3。
2.3GH4169電性能
表2-2[2]
θ/℃ | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 |
c/(J/(kg?℃)) | 481.4 | 493.9 | 514.8 | 539.0 | 573.4 | 615.4 | 657.2 | 707.4 |
表2-3[2]
θ/℃ | 20~100 | 20~200 | 20~300 | 20~400 | 20~500 | 20~600 | 20~700 | 20~800 | 20~900 | 20~1000 |
α/10-6℃-1 | 11.8 | 13.0 | 13.5 | 14.1 | 14.4 | 14.8 | 15.4 | 17.0 | 18.4 | 18.7 |
2.4GH4169磁性能合金無磁性。
2.5GH4169化學性能
2.5.1GH4169性能在空氣介質(zhì)中試驗100h后的氧化速率見表2-4。
表2-4
θ/℃ | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 |
氧化速率/(g/(m2?h)) | 0.0176 | 0.0277 | 0.0351 | 0.0961 | 0.1620 |
三、GH4169力學性能
優(yōu)質(zhì)棒材技術(shù)標準規(guī)定的性能見表3-1。
表3-1[1]
規(guī)格 d/mm | 取樣方向 | θ/℃ | 拉伸性能不小于 | HBS | 持久性能 | |||||
σP0.2/MPa | σb/MPa | δ5/% | ψ/% | σ/MPa | t/h | δ5/% | ||||
≤125 | 縱向 | 20 650 | 1030 860 | 1280 1000 | 12 12 | 15 15 | ≥346 --- | --- 690 | --- ≥25 | --- ≥5 |
126~200 | 橫向 | 20 650 | 1030 860 | 1240 965 | 6 6 | 8 8 | --- --- | --- 690 | --- ≥25 | --- --- |
>200 | 橫向 | 20 650 | 1020 800 | 1230 900 | 6 6 | 8 8 | --- --- | --- 690 | --- ≥25 | --- --- |
注:熱處理制度:Ⅱ。
四、GH4169組織結(jié)構(gòu)
4.1相變溫度γ"相是該合金的主要強化相,其高穩(wěn)定溫度是650℃,開始固熔溫度為840~870℃,*固熔溫度是950℃,γ′相也是該合金的強化相,但數(shù)量少于γ"相,其析出溫度是600℃,*熔解溫度是840℃;δ相的開始析出溫度是700℃,析出峰溫度是940℃,980℃開始熔解,*熔解溫度是1020℃。
4.2時間-溫度-組織轉(zhuǎn)變曲線見圖4-1。
4.3合金組織結(jié)構(gòu)
4.3.1合金標準熱處理狀態(tài)的組織由γ基體、γ′、γ"、δ、NbC相組成。γ"(Ni3Nb)相是主要強化相,為體心四方有序結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)定相,呈圓盤狀在基體中彌散共格析出,在時效或應用期間,有向δ相轉(zhuǎn)變的趨勢,使強度下降。γ′(Ni3(Al、Ti))相的數(shù)量次于γ"相,呈球狀彌散析出,對合金起一部分強化作用。δ相主要在晶界析出,其形貌與鍛造期間的終鍛溫度有關(guān),終鍛溫度在900℃,形成針狀,在晶界和晶內(nèi)析出;終鍛溫度達930℃,δ相呈顆粒狀,均勻分布;終鍛溫度達950℃,δ相呈短棒狀,分布于晶界為主;終鍛溫度達980℃,在晶界析出少量針狀δ相,鍛件出現(xiàn)持久缺口敏感性。終鍛溫度達到1020℃或更高,鍛件中無δ相析出,晶粒隨之粗化,鍛件有持久缺口敏感性。鍛造過程中,δ相在晶界析出,能起到釘扎作用,阻礙晶粒粗化。
4.3.2L相是變形GH4169合金中不允許存在的相,該相富鈮,存在于鑄錠枝晶間,降低鑄錠初熔點,鑄錠中L相固溶溫度和均勻化時間的關(guān)系見圖4-2。
4.3.3晶粒度
4.3.3.1合金在高溫固熔(保溫2h)時的晶粒長大傾向見圖4-3。
4.3.3.2棒材(原始晶粒9~9.5級)經(jīng)不同溫度加熱并以不同變形量鍛造變形后,再經(jīng)過標準熱處理(固溶溫度965℃,1h),其晶粒度的變化見表4-1。
4.3.3.3鍛件技術(shù)標準規(guī)定,普通鍛件平均晶粒度為4級,允許個別2級,高強鍛件平均晶粒度為8級,允許個別2級;直接時效鍛件平均晶粒度應為10級或更細。
4.3.4直接時效的鍛件在600~700℃時效500h后,析出相數(shù)量的變化見表4-2。
表4-1[19]
鍛造加熱溫度/℃ | 以下變形程度的晶粒度/級 | 鍛造加熱溫度/℃ | 以下變形程度的晶粒度/級 | ||||||||||
15% | 25% | 35% | 55% | 65% | 80% | 15% | 25% | 35% | 55% | 65% | 80% | ||
1050 1030 1020 | 6 7 7 | 7 8 7~8 | 8 8~9 7 | 8~9 8~7 8~9 | 9~8 8~9 9 | 9(7) 8~9 9 | 1000 980 | 8 8 | 9 9~10 | 8~9 10 | 10 9~10 | 10~9 10~11 | 10 11 |
表4-2[11]
時效規(guī)范 | 析出相數(shù)量/% | ||
θ/℃ | t/h | δ-Ni3Nb+MC | γ"-Ni3Nb, γ′-Ni3(Al,Ti,Nb) |
直接時效狀態(tài) | 6.45 | 19.21 | |
600 650 700 | 500 500 500 | 6.30 7.48 10.31 | 20.62 18.68 15.18 |
五、GH4169工藝性能與要求
5.1成型性能
5.1.1因GH4169合金中鈮含量高,合金中的鈮偏析程度與冶金工藝直接相關(guān)。電渣重熔和真空電弧熔煉的熔煉速度和電棒的質(zhì)量狀態(tài)直接影響材質(zhì)的優(yōu)劣。熔速快,易形成富鈮的黑斑;熔速慢,會形成貧鈮的白斑;電棒表面質(zhì)量差和電棒內(nèi)部有裂紋,均易導致白斑的形成,所以,提高電棒質(zhì)量和控制熔速及提高鋼錠的凝固速率是冶煉工藝的關(guān)鍵因素。為避免鋼錠中的元素偏析過重,至今采用的鋼錠直徑不大于508mm。
均勻化工藝必須確保鋼錠中的L相*熔解。鋼錠兩階段均勻化和中間坯二次均勻化處理的時間,根據(jù)鋼錠和中間坯的直徑而定。均勻化工藝的控制與材料中的鈮偏析程度直接相關(guān)。
目前生產(chǎn)中采用的1160℃,20h?1180℃,44h的均勻化工藝,尚不足以消除鋼錠中心的偏析,因此建議采用以下均勻化工藝:
1.1150~1160℃,20~30h+1180~1190℃,110~130h;
2.1160℃,24h+1200℃,70h[20]。
5.1.2經(jīng)均勻化處理的合金具有良好的熱加工性能,鋼錠的開坯加熱溫度不得超過1120℃。鍛件的鍛造工藝應根據(jù)鍛件使用狀況和應用要求,結(jié)合生產(chǎn)廠的生產(chǎn)條件而定。開坯和生產(chǎn)鍛件是,中間退火溫度和終鍛溫度必須根據(jù)零件所要求的組織狀態(tài)和性能來確定,一般情況下,鍛造的終鍛溫度控制在930~950℃之間為宜。各類鍛件的鍛造溫度和變形程度見表5-1。
表5-1[17]
鍛造類別 | 次鍛造 | 第二次鍛造 | 第三次鍛造 | |||
加熱溫度/℃ | 變形量/% | 加熱溫度/℃ | 變形量/% | 加熱溫度/℃ | 變形量/% | |
普通 高強 直接時效 | 1065~1090 1040~1065 995~1025 | - - >50 | 1040~1065 1010~1040 970~995 | - 30~50 >50 | 4~6 8 10 | 允許 ≥2 ≥2 |
5.1.3與板材冷成形有關(guān)的性能見表5-2。
5.1.4鍛件的變形程度、終鍛溫度和晶粒尺寸之間的關(guān)系見圖5-1。
5.1.5合金動態(tài)再結(jié)晶見圖5-2。
5.1.6發(fā)動機葉片模鍛件由頂鍛和終鍛二道工序模鍛而成,不同的鍛造加熱溫度對葉片的影響見表5-3,以1020℃頂鍛和終鍛的葉片組織性能為。
5.1.7合金在高溫下的變形抗力曲線見圖5-3。
5.2焊接性能合金具有滿意的焊接性能,可用氬弧焊、電子束焊、縫焊、點焊等方法進行焊接。
對直接時效狀態(tài)的零部件,推薦采用慣性摩擦焊以保持其強化效果,選用合適的摩擦焊工藝參數(shù),在保留細晶組織的同時,焊縫邊緣及熱影響區(qū)還可以保留強化相γ′和γ"以及δ相,因此對接頭性能無明顯影響,對直接時效的鍛件,可在鍛造狀態(tài)進行摩擦焊,焊后再進行直接時效處理(制度Ⅲ),可獲得持久強度很高的焊接接頭[21]。
表5-2
熔煉工藝 | 板厚/mm | 狀態(tài) | 杯突深度/mm | 反復彎曲次數(shù) | 限深沖系數(shù) |
真空感應加電渣 | 1.5 | 950℃固溶 | 11.5 | 17.5 | 1.96 |
表5-3[19]
鍛造加熱溫度/℃ | 20℃拉伸性能 | 650℃拉伸性能 | 650℃,690MPa持久性能 | ||||||||
頂鍛 | 終鍛 | σb/MPa | σP0.2/MPa | δ5/% | φ/% | σb/MPa | σP0.2/MPa | δ5/% | φ/% | t/h | δ5/% |
1050 1020 1020 1020 | 1000 980 1000 1020 | 1340 1405 1375 1420 | 1040 1100 1035 1150 | 22.5 20.5 23.5 23.2 | 52.2 44.7 51.5 42.7 | 1115 1130 1125 1128 | 957 955 920 965 | 18.8 22.4 17.2 18.6 | 22.2 29.5 21.5 25.5 | 48 52 57 43 | 5.2 11.2 5.5 12.8 |
5.3零件熱處理工藝航空零件的熱處理通常按1.5條規(guī)定的Ⅱ、Ⅲ兩種制度,即標準熱處理制度和直接時效熱處理制度進行。再有技術(shù)依據(jù)的條件下,也可采用制度熱處理。按標準制度熱處理時,固溶處理可在950~980℃范圍內(nèi),在選定的溫度?10℃下進行。
5.4表面處理工藝必要時可對零件表面局面進行噴丸強化、孔擠壓強化或螺紋滾壓強化工序,使零件在交變載荷條件下工作的壽命成倍增長。
對要求噴涂耐磨封嚴涂層的零件,可采用等離子噴涂或噴涂工藝,以噴涂為佳,噴涂涂層與基體結(jié)合強度高,涂層致密、硬度高、孔隙率低,耐磨性好。
5.5切削加工與磨削性能合金可滿意地進行切削加工。
機械加工時必須確保圓弧達到設計要求和平滑過渡,不允許在機械加工、裝配或運輸中出現(xiàn)尖角、坑與劃傷缺口,因為在這些缺陷出,可形成過量的應力集中,在使用中會導致事故的發(fā)生。
六、GH4169(GH169)低溫抗拉及屈服性能(含熱處理工藝)
表6-1—溫度對熱軋棒材的拉伸性能影響
表6-1
溫度/℃ | 抗拉強度σb/MPa | 屈服強度σP0.2/MPa | 伸長率/% | 收縮率/% |
-195.5 | 1634.4 | 1196.5 | 26.0 | 27.0 |
-51.1 | 1389.6 | 1089.6 | 23.0 | 33.5 |
26.6 | 1313.7 | 1058.6 | 22.0 | 32.5 |
648.8 | 1134.4 | 999.9 | 28.0 | 59.2 |
704.4 | 1003.4 | 917.2 | 22.0 | 34.0 |
注:以上樣品熱處理工藝:980℃?5℃退火,1小時 720℃?5℃時效,8小時,空冷至620℃?5℃,在620℃?5℃保溫到總時效時間達到18小時, 空冷
表6-2—鍛件(短橫向?qū)嶒灒┑牡蜏匦阅?
表6-2
溫度/℃ | 抗拉強度σb/MPa | 屈服強度σP0.2/MPa | 伸長率/% | 收縮率/% |
980℃?5℃固溶退火,水冷 720℃?5℃,8小時沉淀硬化,爐冷至620℃?5℃保溫 到總時效時間達到18小時 空冷 | ||||
RT | 1290 | 1144.0 | 17.0 | 23.0 |
-79 | 1371.6 | 1202.6 | 17.2 | 20.0 |
-195.5 | 1579 | 1288.0 | 14.0 | 14.0 |
-253 | 1635.7 | 1344.0 | 13.5 | 11.5 |
溫度/℃ | 抗拉強度σb/MPa | 屈服強度σP0.2/MPa | 伸長率/% | 收縮率/% |
1065℃?5℃,45min,水冷 760℃?5℃,10小時沉淀硬化,爐冷至650℃?5℃保溫 到總時效時間達到20小時 空冷 | ||||
RT | 1251.6 | 1018.5 | 19.0 | 24.5 |
-79 | 1351.0 | 1090.0 | 15.0 | 18.5 |
-195.5 | 1577.0 | 1218.5 | 17.5 | 19.5 |
-253 | 1684.0 | 1288.0 | 16.5 | 18.0 |
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