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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(fù)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(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)
GJB 2612-1996 《焊接用高溫合金冷拉絲材規(guī)范》
HB 6702-1993 《WZ8系列用GH4169合金棒材》
GJB 3165 《航空承力件用高溫合金熱軋和鍛制棒材規(guī)范》
GJB 1952 《航空用高溫合金冷軋薄板規(guī)范》
GJB 1953《 航空發(fā)動機轉(zhuǎn)動件用高溫合金熱軋棒材規(guī)范》
GJB 2612 《焊接用高溫合金冷拉絲材規(guī)范》
GJB 3317《 航空用高溫合金熱軋板材規(guī)范》
GJB 2297 《航空用高溫合金冷拔（軋）無縫管規(guī)范》
GJB 3020 《航空用高溫合金環(huán)坯規(guī)范》
GJB 3167 《冷鐓用高溫合金冷拉絲材規(guī)范》
GJB 3318 《航空用高溫合金冷軋帶材規(guī)范》
GJB 2611《 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》
HB 5199《 航空用高溫合金冷軋薄板》
HB 5198 《航空葉片用變形高溫合金棒材》
HB 5189 《航空葉片用變形高溫合金棒材》
HB 6072 《WZ8系列用GH4169合金棒材》
1.4 GH4169 化學(xué)成分 該合金的化學(xué)成分分為3類：標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)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(yīng)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(dāng)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[1] %
|
類別 |
C |
Cr |
Ni |
Co |
Mo |
Al |
Ti |
Fe |
|
|
標(biāo)準(zhǔn) |
≤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(biāo)準(zhǔn) |
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(biāo)準(zhǔn) |
--- |
--- |
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 |
1.5 GH4169 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(xué)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，是最常用的熱處理制度，也稱為標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)狀態(tài) 可以供應(yīng)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(yīng)加電渣重熔；真空感應(yīng)加真空電弧重熔；真空感應(yīng)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(yīng)用要求。
1.8 GH4169 應(yīng)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?xì)鈱?dǎo)管、密封元件等和焊接結(jié)構(gòu)件；制造核能工業(yè)應(yīng)用的各種彈性元件和格架；制造石油和化工領(lǐng)域應(yīng)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(yīng)用不斷擴大的基礎(chǔ)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(xué)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(dǎo)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 |
2.1.3 GH4169 比熱容 見表2-2。
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[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 |
2.4 GH4169磁性能 合金無磁性。
2.5 GH4169化學(xué)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 |
三、GH4169力學(xué)性能
優(yōu)質(zhì)棒材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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 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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(dá)930℃，δ相呈顆粒狀，均勻分布；終鍛溫度達(dá)950℃，δ相呈短棒狀，分布于晶界為主；終鍛溫度達(dá)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(dá)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 L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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)為10級或更細(xì)。
4.3.4 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[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(dǎo)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(yīng)根據(jù)鍛件使用狀況和應(yīng)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 |
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 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 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(xì)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(fù)彎曲次數(shù) |
極限深沖系數(shù) |
|
真空感應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(yán)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 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(dá)到設(shè)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(yīng)力集中，在使用中會導(dǎo)致嚴(yán)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(dá)到18小時，+空冷
表6-2—鍛件（短橫向?qū)嶒灒┑牡蜏匦阅?span>
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(dá)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(dá)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 |