GH4169_鎳基變形高溫合金資料
中國牌號：GH4169/GH169
美國牌號：Inconel 718/UNS NO7718
法國牌號：NC19FeNb
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)具有良好的綜合性能,650℃以下的屈服強度居變形高溫合金的首位,并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能,以及良好的加工性能、焊接性能和長期組織穩(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)獲得了極為廣泛的應用。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。可制成盤、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長期使用。
1.1 GH4169 材料牌號 GH4169(GH169)
1.2 GH4169 相近牌號 Inconel 718(美國),NC19FeNb(法 國)
1.3 GH4169 材料的技術(shù)標準
1.4 GH4169 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，提高抗疲勞性能和材料強度。同時減少有害雜質(zhì)和氣體含量。高純成分是在優(yōu)質(zhì)標準基礎上降低硫和有害雜質(zhì)的含量，提高材料純度和綜合性能。
核能應用的GH4169合金，需控制硼含量（其他元素成分不變），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，合金牌號為GH4169A。
表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 |
|||||||
|
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 |
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，是最常用的熱處理制度，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。
1.6 GH4169 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。
1.7 GH4169 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。可根據(jù)零件的使用要求，選擇所需的冶煉工藝，滿足應用要求。
1.8 GH4169 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)域應用的零件及其他零件。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上，為提高質(zhì)量和降低成本，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)成本和縮短生產(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
2.1 GH4169 熱性能
2.1.1 GH4169 熔化溫度范圍 1260～1320℃。
2.1.2 GH4169 熱導率 見表2-1。
表2-1
|
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 |
2.1.4 GH4169線膨脹系數(shù) 見表2-3；
2.2 GH4169密度 ρ=8.24g/cm3。
2.3 GH4169電性能
表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 |
|
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 |
2.5 GH4169化學性能
2.5.1 GH4169抗氧化性能 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 |
GH4169優(yōu)質(zhì)棒材技術(shù)標準規(guī)定的性能見表3-1。
表3-1
|
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 |
--- --- |
四、GH4169組織結(jié)構(gòu)
4.1 GH4169相變溫度 γ"相是該合金的主要強化相，其最高穩(wěn)定溫度是650℃，開始固熔溫度為840～870℃，完全固熔溫度是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℃，完全熔解溫度是840℃；δ相的開始析出溫度是700℃，析出峰溫度是940℃，980℃開始熔解，完全熔解溫度是1020℃。
4.2 GH4169時間-溫度-組織轉(zhuǎn)變曲線 見圖4-1。
4.3 GH4169合金組織結(jié)構(gòu)
4.3.1 GH4169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，在長期時效或長期應用期間，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。
4.3.2 GH4169L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 GH4169晶粒度
4.3.3.1 GH4169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 GH4169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 GH4169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 GH4169直接時效的鍛件在600～700℃長期時效500h后，析出相數(shù)量的變化見表4-2。
表4-1
|
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
|
|
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 |
5.1 GH4169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極棒的質(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；電極棒表面質(zhì)量差和電極棒內(nèi)部有裂紋，均易導致白斑的形成，所以，提高電極棒質(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相完全熔解。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
|
鍛造類別 |
第一次鍛造 |
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 GH4169與板材冷成形有關(guān)的性能見表5-2。
5.1.4 GH4169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 GH4169合金動態(tài)再結(jié)晶見圖5-2。
5.1.6 GH4169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綜合性能的影響見表5-3，以1020℃頂鍛和終鍛的葉片組織性能為最佳。
5.1.7 GH4169合金在高溫下的變形抗力曲線見圖5-3。
5.2 GH4169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。
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) |
極限深沖系數(shù) |
|
真空感應加電渣 |
1.5 |
950℃固溶 |
11.5 |
17.5 |
1.96 |
表5-3
|
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 GH4169零件熱處理工藝 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，也可采用其他制度熱處理。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 GH4169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爆炸噴涂工藝，以爆炸噴涂為佳，爆炸噴涂涂層與基體結(jié)合強度高，涂層致密、硬度高、孔隙率低，耐磨性好。
5.5 GH4169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，在使用中會導致嚴重事故的發(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?br />
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 |