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高溫合金GH4220是什么材料

發(fā)布時(shí)間: 2022-09-28  點(diǎn)擊次數(shù): 482次

GH4220 合 金 是 我 國 仿 制 前 蘇 聯(lián) 的ХН51ВМТЮКФРВД 鎳 基 時(shí) 效 沉 淀 硬 化 型 高 溫 合金 。 合金以 Ni 為基體, 添加約( 質(zhì)量分?jǐn)?shù), 下同)11% Cr、15% Co、6% W、6% Mo、0. 5% V 作為固溶強(qiáng)化元素,4. 5% Al、2. 5% Ti 作為時(shí)效強(qiáng)化元素, 同時(shí)加入C、B、Ce、Mg 作為微合金化元素。 Cr 是高溫合金中的合金化元素,除了低膨脹高溫合金外,幾乎所有高溫合金中都含有金屬元素 Cr。 Cr 溶入 γ 固溶體,引起晶格畸變, 起到固溶強(qiáng)化作用, 提高 γ 固溶體的強(qiáng)度,此外 Cr 的另 一個(gè)十分重要的作用, 就是形成Cr 2 O 3 氧化膜, 使高溫合金具有良好的抗氧化和抗腐蝕性能,且 Cr含量越高,抗氧化性越好;鎳基合金中加入 Co,引起固溶強(qiáng)化, 提高基體的強(qiáng)度, 同時(shí)使合金的蠕變速率降低,從而提高合金的高溫力學(xué)性能。 另外,Co 在高溫合金中具有優(yōu)異的抗熱腐蝕性能和抗熱疲勞性能,使合金的使用溫度及高溫性能得以進(jìn)一步提高;W、Mo 也是高溫合金中常用的固溶強(qiáng)化元素, 由于W、Mo 的原子半徑大于 Ni, 添加 W、Mo 會(huì)引起晶格明顯膨脹,形成較大的長程應(yīng)力場, 阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng), 使合金屈服強(qiáng)度明顯提高。 另外 W 加入高溫合金后, 除了約有一半溶于 γ 固溶體引起固溶強(qiáng)化外, 另一半溶入了γ′強(qiáng)化相,起時(shí)效強(qiáng)化作用;V 的原子半徑比 Ni 大,所以加入 V 后同樣能提高基體的強(qiáng)度, 同時(shí) V 具有細(xì)化合金晶粒的作用, 改善了合金的熱加工工藝塑性。GH4220 合金中加入高溫合金中常用而價(jià)格又便宜的Al、Ti 作為時(shí)效強(qiáng)化元素, 形成 γ′強(qiáng)化相, 提高合金的強(qiáng)度;C、B、Ce、Mg 作為微合金化元素, 提高了晶界的結(jié)合力,起強(qiáng)化晶界的作用。 通過提高晶界的結(jié)合力,可提高合金在高溫條件下的力學(xué)性能。

GH4220 合金成分的優(yōu)異,決定了合金具有較高的使用溫度以及在高溫條件下具備優(yōu)異的力學(xué)性能。所以,該材料成為制造在 950 ℃以下工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片、緊固件等零部件的優(yōu)先選用材料。 以航空發(fā)動(dòng)機(jī)用 GH4220 合金螺栓為例,其技術(shù)要求為:950 ℃高溫抗拉強(qiáng)度≥490 MPa; 應(yīng)力持久性能保持 40 h 不斷(940 ℃ 加載 215 MPa) ;室溫抗拉強(qiáng)度≥1000 MPa。

但是,在 GH4220 合金螺栓的生產(chǎn)過程中, 因存在合金在冶煉過程中爐批次間的成分含量波動(dòng), 合金元素偏析,雜質(zhì)元素的數(shù)量、種類、大小、形狀不同, 以及合金熱變形工藝等因素的不同, 導(dǎo)致螺栓按標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度進(jìn)行熱處理后,室溫抗拉強(qiáng)度、高溫抗拉強(qiáng)度和應(yīng)力持久性能往往不能滿足螺栓技術(shù)條件的要求。

對(duì) GH4220 高溫合金的組織演變至關(guān)重要的熱處理工藝被研究者廣泛關(guān)注, 相比于標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度后獲得的平直晶界形態(tài), 研究者發(fā)現(xiàn)可以通過熱處

理獲得 GH4220 合金的彎曲晶界, 并且對(duì)合金的性能有較大的改善作用。 本文以 GH4220 合金螺栓為研究對(duì)象,在保持 GH4220 合金的標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度即固溶和時(shí)效的溫度、時(shí)間參數(shù)不變的情況下,在生產(chǎn)實(shí)際中,反復(fù)摸索,通過調(diào)整 1220 ℃固溶處理冷卻階段的冷方式, 將 標(biāo)準(zhǔn)熱 處理制 度 的 空 冷 改 為 緩 慢 冷 卻(24 min冷卻至 1100 ℃ 保溫 1 min,之后空冷) ,將晶界形態(tài)由平直晶界變?yōu)閺澢Ы纾?從而提高 GH4220 合金螺栓的力學(xué)性能。

試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)原材料按照 GJB 1953A—2008《航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)件用高溫合金熱軋棒材規(guī)范》 執(zhí)行, GH4220合金化學(xué)成分見表 1。

GH4220是Ni-Co-Cr基沉淀硬化型變形高溫合金,使用溫度900℃~950℃。合金中加入較多的鋁、鈦元素形成y ‘沉淀強(qiáng)化相,w(y)可達(dá)到40%以上。同時(shí)加入鉆、鉻、鎢和鉬元素進(jìn)行固溶強(qiáng)化,并加入微量缽、硼和鎂元素進(jìn)行晶界強(qiáng)化。合金具有較高的高溫強(qiáng)度和高溫塑性,綜合性能良好。適于制造工作溫度在900℃~950℃的燃?xì)鉁u輪工作葉片。主要產(chǎn)品有轉(zhuǎn)動(dòng)部件用熱軋棒材、模鍛渦輪葉片。


合金用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)的1級(jí)渦輪工作葉片,批產(chǎn)和使用情況良好。


合金通過特殊的彎晶熱處理工藝,達(dá)到控制晶界上第二相的析出種類及其形態(tài),使之形成彎曲的晶界。使晶界與晶內(nèi)強(qiáng)度匹配性好,降低了晶界脆性,從而顯著地提高合金的高溫塑性和持久強(qiáng)度



材料牌號(hào)



GH4220(GH220)。



相近牌號(hào)



31220BⅡ、XH51BMTIOKP-BⅡ(俄)。



材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)



熔煉工藝



采用真空感應(yīng)爐+真空電弧重熔、或真空感應(yīng)爐+電渣重熔熔煉工藝。


化學(xué)成分

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熔化溫度范圍


1330℃~1360℃[8]。

密度

2.8p=8.36g/cm

磁性能

合金無磁性。


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