GH80A鎳基變形高溫合金
材料牌號：GH80A (GH4080A)
英國牌號：Nimonic80A
一、GH80A概述
GH80A是以鎳-鉻為基體，添加鋁、鈦形成γ′相彌散強化的高溫合金，除鋁含量略高外，其他與GH4033相近，使用溫度700～800℃，在650～850℃具有良好的抗蠕變性能和抗氧化性能。該合金冷、熱加工性能良好，供應熱軋棒材、冷拉棒材、熱軋板材、冷軋板材、帶材以及環(huán)形件等，用于制造發(fā)動機轉子葉片、導向葉片支座、螺栓、葉片鎖板等零件。
1.1 GH80A材料牌號 GH80A。
1.2 GH80A相近牌號 Nimonic80A(英國)。
1.3 GH80A材料的技術標準
1.4 GH80A化學成分 見表1-1。
表1-1%
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C |
Cr |
Ni |
Al |
Ti |
||||||||||
|
0.04～0.10 |
18.0～21.0 |
余 |
1.00～1.80 |
1.8～2.7 |
||||||||||
|
Co |
Fe |
B |
Mn |
Si |
P |
S |
Ag |
Bi |
Cu |
Pb |
||||
|
不大于 |
||||||||||||||
|
2.0 |
1.50 |
0.008 |
0.40 |
0.80 |
0.020 |
0.015 |
0.0005 |
0.0001 |
0.20 |
0.002 |
||||
注：B按計算量加入，允許加入微量的Ce、Zr、Mg元素。
1.5 GH80A熱處理制度 葉片用棒材為：1080℃±10℃,8h,空冷＋700℃±5℃,16h,空冷。熱軋、鍛制及冷拉棒材：按表1-2的規(guī)定進行。軋制環(huán)件：(1050～1080℃)±10℃，不大于2h，水冷＋750℃±5℃(或+700℃±5℃),4h(或16h),空冷。熱軋板材、冷軋薄板和帶材為：供應狀態(tài)＋750℃±10℃，4h，空冷。
表1-2
|
材料類型 |
固溶處理制度 |
時效制度 |
|
熱加工用熱軋（或鍛制）棒材 |
1080℃±10℃，8h，空冷 |
700℃±5℃,16h,空冷或750℃±5℃,4h,空冷 |
|
熱加工用熱軋 |
按制度①或②進行 |
|
|
冷拉棒材 |
1080℃±10℃,保溫時間按表1-4規(guī)定，水冷或空冷。 |
表1-3
|
直徑/mm |
保溫時間/h |
直徑/mm |
保溫時間/h |
|
≤3 |
1 |
>6～12.5 |
4 |
|
>3～6 |
2 |
>12.5 |
8 |
表1-4
|
直徑或較小截面尺寸/mm |
保溫時間/min |
直徑或較小截面尺寸/mm |
保溫時間/min |
|
≤15 |
15～30 |
>15～25 |
30～45 |
1.6 GH80A品種規(guī)格與供應狀態(tài) 供應直徑d20～55mm的葉片用熱軋棒材、直徑不大于300mm的熱軋或鍛制棒材。冷拉棒材供應直徑8～45mm圓棒及內(nèi)切圓直徑d8～36mm的六角形棒材。供應外徑1000mm、內(nèi)徑900mm、高度130mm的軋制形件。供應厚度不大于9.5mm的熱軋板材、厚度不大于4.0mm的冷軋薄板材，厚度不大于0.8mm的冷軋帶材。葉片用熱軋棒材不經(jīng)熱處理供應，其表面應全部磨光或車光。機加工用熱軋棒材經(jīng)固溶處理并除氧化皮狀態(tài)供應。鐓鍛用冷拉棒材以冷拉并磨光狀態(tài)供應，機加工用冷拉棒材以冷拉經(jīng)固溶處理并除氧化皮狀態(tài)供應，熱加工用棒材以制造狀態(tài)并除氧化皮供應（對鍛造廠用棒材應車光后供應，其表面粗糙度應不小于3.2μm）。軋制環(huán)形件以固溶處理和粗加工狀態(tài)供應。熱軋板材、冷軋板材和帶材經(jīng)軟化處理、堿酸洗、切邊和平整或矯直后供應。
1.7 GH80A熔煉與鑄造工藝 葉片用棒材和板材采用真空感應熔煉加電渣重熔工藝。軋制環(huán)形件與熱軋、鍛制及冷拉棒材采用感應熔煉加電渣重熔，或真空感應熔煉加真空電弧重熔，或真空感應熔煉加電渣重熔工藝。
1.8 GH80A應用概況與特殊要求 該合金主要用作發(fā)動機轉子葉片、導向葉片支座、扇形件安裝環(huán)、螺栓、葉片鎖板等零件。卓伊實業(yè)，專業(yè)的合金供應商。
二、GH80A物理及化學性能
2.1 GH80A熱性能
2.1.1 GH80A熔化溫度范圍 熔點1405℃。
2.1.2 GH80A熱導率 見表2-1。
表2-1
|
θ/℃ |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
|
λ/(W/(m·℃)) |
12.11 |
13.83 |
15.48 |
16.75 |
18.39 |
20.93 |
23.48 |
25.57 |
27.66 |
2.1.3 GH80A線膨脹系數(shù) 見表2-2。
2.2 GH80A密度 ρ=8.15g/cm3。
表2-2
|
θ/℃ |
16～100 |
16～200 |
16～300 |
16～400 |
16～500 |
16～600 |
16～700 |
|
α/10-6℃-1 |
12.18 |
12.86 |
13.69 |
14.08 |
14.50 |
14.94 |
15.36 |
2.3 GH80A電性能 室溫ρ=1.23×10-6Ω.m。
2.4 GH80A磁性能 無磁性。
2.5 GH80A化學性能
2.5.1 GH80A抗氧化性能 在空氣介質中試驗100h的氧化速率見表2-3。
表2-3
|
θ/℃ |
700 |
750 |
800 |
|
氧化速率/(g/(m2·h)) |
0.037 |
0.041 |
0.047 |
三、GH80A力學性能
GH80A渦輪葉片用棒材規(guī)定性能見表3-1。
表3-1
|
技術標準（卓伊實業(yè)） |
試樣串聯(lián)對數(shù) |
持久性能 |
||||
|
θ/℃ |
σ/MPa |
斷裂時間/h |
||||
|
單個值 |
平均值 |
范圍值(Rmax)=(F)·() |
||||
|
WS9-7009-1996 |
3 |
750 |
340 |
≥23 |
≥32 |
≤0.6×實際平均值 |
四、GH80A組織結構
4.1 GH80A相變溫度
4.2 GH80A時間-溫度-組織轉變曲線
4.3 GH80A合金組織結構 葉片毛坯按不同熱處理規(guī)范處理的組織特征：1080℃±10℃,8h,空冷處理：在1080℃時基體中的γ′相和一些M7C3及M23C6型晶界碳化物溶入固溶體。在冷卻過程中晶界形成M7C3和M23C6型富鉻碳化物。M7C3大約在1000℃以上沉淀出來，并在較低溫度下轉變?yōu)镸23C6。M23C6在750～1000℃析出，也能獨立成核，生成晶界碳化物。所以在1080℃±10℃,8h,空冷處理后，晶界上呈現(xiàn)出不連續(xù)狀態(tài)的M7C3和M23C6，晶內(nèi)有γ′相和MC。
1080℃±10℃,8h,空冷＋700℃±5℃,16h,空冷處理：合金在固溶組織的基礎上經(jīng)700℃±5℃,16h時效，晶界上的M7C3繼續(xù)轉變?yōu)镸23C6，所以在晶界上沉淀出叫連續(xù)的M23C6，晶內(nèi)的γ′相也長大成球形質點。
五、GH80A工藝性能與要求
5.1 GH80A成形性能
5.1.1 GH80A鍛造 合金具有良好的鍛造性能。鋼錠加熱溫度1120～1150℃，開鍛溫度不低于1000℃。停鍛溫度不低于950℃。
5.1.2 GH80A熱軋板 軋制加熱溫度1120～1150℃，停軋溫度不低于930℃。
5.1.3 GH80A渦輪葉片的鍛造 渦輪葉片用毛坯應按規(guī)定的工序要求噴涂防護潤滑劑，待烘干后方可入爐加熱。零件毛坯在電爐中加熱，裝爐溫度800℃±20℃，保溫60min，加熱溫度1090℃±10℃，保溫35min，開鍛溫度1090℃，停鍛溫度950℃，在臥鍛機上頂鍛，鍛前用二硫化鉬潤滑模膛。零件毛坯鍛造中間工序應進行固溶處理，加熱溫度1130℃±10℃，保溫60min，空冷。吹砂后，再按規(guī)定的工序要求噴涂防護潤滑劑，烘干后入爐加熱。零件毛坯再按上述規(guī)定進行裝爐、加熱、保溫，并在曲柄壓力機上進行終鍛，鍛前用二硫化鉬潤滑模膛。
5.3 GH80A零件熱處理工藝 零件的熱處理工藝按相應的材料技術標準的熱處理制度進行。對于板材、帶材的沖壓成形件，在每成形一次后需進行中間真空退火，1060℃±10℃,10min,氬氣風扇冷卻，零件的最終熱處理是在真空爐中進行時效處理，750℃±10℃,4h,氬氣風扇冷卻。對于葉片在固溶后（時效前）制造過程中產(chǎn)生的局部加工硬化應按規(guī)定的要求進行氬氣或氫氣保護表面退火，退火溫度1070～1090℃。
5.4 GH80A表面處理工藝
5.5 GH80A切削加工與磨削性能 GH80A具有良好的機加工性能，完全熱處理狀態(tài)具有好的機加工性能。
類別
變形高溫合金
變形高溫合金是指可以進行熱、冷變形加工，工作溫度范圍-253～1320℃，具有良好的力學性能和綜合的強、韌性指標，具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金。按其熱處理工藝可分為固溶強化型合金和時效強化型合金。
固溶強化型合金
使用溫度范圍為900～1300℃，抗氧化溫度達1320℃。例如GH128合金，室溫拉伸強度為850MPa、屈服強度為350MPa；1000℃拉伸強度為140MPa、延伸率為85%,1000℃、30MPa應力的持久壽命為200小時、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天發(fā)動機燃燒室、機匣等部件。
時效強化型合金
使用溫度為-253～950℃，一般用于制作航空、航天發(fā)動機的渦與葉片等結構件。制作渦的合金工作溫度為-253～700℃,要求具有良好的高低溫強度和抗疲勞性能。例如：GH4169合金，在650℃的屈服強度達1000MPa；制作葉片的合金溫度可達950℃，例如：GH220合金，950℃的拉伸強度為490MPa，940℃、200MPa的持久壽命大于40小時。
變形高溫合金主要為航天、航空、核能、石油民用工業(yè)提供結構鍛件、餅材、環(huán)件、棒材、板材、管材、帶材和絲材。
鑄造高溫合金
鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型零件的一類高溫合金。
主要特點
1.具有更寬的成分范圍由于可不必兼顧其變形加工性能，合金的設計可以集慮優(yōu)化其使用性能。如對于鎳基高溫合金，可通過調整成分使γ’含量達60%或更高，從而在高達合金熔點85%的溫度下，合金仍能保持優(yōu)良性能。
2.具有更廣闊的應用領域由于鑄造方法具有的特殊優(yōu)點，可根據(jù)零件的使用需要，設計、制造出近終形或無余量的具有任意復雜結構和形狀的高溫合金鑄件。
根據(jù)鑄造合金的使用溫度，可以分為以下三類：
第一類：在-253～650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在很大的范圍溫度內(nèi)具有良好的綜合性能，特別是在低溫下能保持強度和塑性均不下降。如在航空、航天發(fā)動機上用量較大的K4169合金，其650℃拉伸強度為1000MPa、屈服強度850MPa、拉伸塑性15%；650℃，620MPa應力下的持久壽命為200小時。已用于制作航空發(fā)動機中的擴壓器機匣及航天發(fā)動機中各種泵用復雜結構件等。
第二類：在650～950℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在高溫下有較高的力學性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金，950℃時，拉伸強度大于700MPa、拉伸塑性大于6%；950℃，200小時的持久強度極限大于230MPa。這類合金適于用做航空發(fā)動機渦輪葉片、導向葉片及整鑄渦輪。
第三類：在950～1100℃使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金這類合金在此溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。例如DD402單晶合金，1100℃、130MPa的應力下持久壽命大于100小時。這是國內(nèi)使用溫度的渦輪葉片材料，適用于制作新型高性能發(fā)動機的一級渦輪葉片。
隨著精密鑄造工藝技術的不斷提高，新的特殊工藝也不斷出現(xiàn)。細晶鑄造技術、定向凝固技術、復雜薄壁結構件的CA技術等都使鑄造高溫合金水平大大提高，應用范圍不斷提高。
粉末冶金高溫合金
采用霧化高溫合金粉末，經(jīng)熱等靜壓成型或熱等靜壓后再經(jīng)鍛造成型的生產(chǎn)工藝制造出高溫合金粉末的產(chǎn)品。采用粉末冶金工藝，由于粉末顆粒細小，冷卻速度快，從而成分均勻，無宏觀偏析，而且晶粒細小，熱加工性能好，金屬利用率高，成本低，尤其是合金的屈服強度和疲勞性能有較大的提高。
FGH95粉末冶金高溫合金，650℃拉伸強度1500MPa；1034MPa應力下持久壽命大于50小時，是當前在650℃工作條件下強度水平的一種盤件粉末冶金高溫合金。粉末冶金高溫合金可以滿足應力水平較高的發(fā)動機的使用要求,是高推重比發(fā)動機渦、壓氣機盤和渦輪擋板等高溫部件的選擇材料。
氧化物彌散強化(ODS)合金
是采用獨特的機械合金化(MA)工藝，超細的(小于50nm)在高溫下具有超穩(wěn)定的氧化物彌散強化相均勻地分散于合金基體中，而形成的一種特殊的高溫合金。其合金強度在接近合金本身熔點的條件下仍可維持，具有優(yōu)良的高溫蠕變性能、優(yōu)越的高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能。
目前已實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的主要有三種ODS合金：
MA956合金在氧化氣氛下使用溫度可達1350℃，居高溫合金抗氧化、抗碳、硫腐蝕之首位?？捎糜诤娇瞻l(fā)動機燃燒室內(nèi)襯。
MA754合金在氧化氣氛下使用溫度可達1250℃并保持相當高的高溫強度、耐中堿玻璃腐蝕。現(xiàn)已用于制作航空發(fā)動機導向器蓖齒環(huán)和導向葉片。
MA6000合金在1100℃拉伸強度為222MPa、屈服強度為192MPa；1100℃，1000小時持久強度為127MPa，居高溫合金之首位，可用于航空發(fā)動機葉片。
金屬間化合物高溫材料
金屬間化合物高溫材料是近期研究開發(fā)的一類有重要應用前景的、輕比重高溫材料。十幾年來，對金屬間化合物的基礎性研究、合金設計、工藝流程的開發(fā)以及應用研究已經(jīng)成熟，尤其在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al系材料的制備加工技術、韌化和強化、力學性能以及應用研究方面取得了令人矚目的成就。
Ti3Al基合金(TAC-1)，TiAl基合金(TAC-2)以及Ti2AlNb基合金具有低密度(3.8～5.8g/cm3)、高溫高強度、高鋼度以及優(yōu)異的抗氧化、抗蠕變等優(yōu)點，可以使結構件減重35～50%。Ni3Al基合金，MX-246具有很好的耐腐蝕、耐磨損和耐氣蝕性能，展示出極好的應用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蝕性能，在中溫(小于600℃)有較高強度，成本低，是一種可以部分取代不銹鋼的新材料。
環(huán)境高溫合金
在民用工業(yè)的很多領域，服役的構件材料都處于高溫的腐蝕環(huán)境中。為滿足市場需要，根據(jù)材料的使用環(huán)境，歸類出系列高溫合金。
1.高溫合金母合金系列
2.抗腐蝕高溫合金板、棒、絲、帶、管及鍛件
3.高強度、耐腐蝕高溫合金棒材、彈簧絲、焊絲、板、帶材、鍛件
4.耐玻璃腐蝕系列產(chǎn)品
5.環(huán)境耐蝕、硬表面耐磨高溫合金系列
6.特種精密鑄造零件(葉片、增壓渦輪、渦輪轉子、導向器、儀表接頭)
7.玻棉生產(chǎn)用離心器、高溫軸及輔件8、鋼坯加熱爐用鈷基合金耐熱墊塊和滑軌
8.閥門座圈
9.鑄造“U”形電阻帶
10.離心鑄管系列
11.納米材料系列產(chǎn)品
12.輕比重高溫結構材料
13.功能材料(膨脹合金、高溫高彈性合金、恒彈性合金系列)
14.生物醫(yī)學材料系列產(chǎn)品
15.電子工程用靶材系列產(chǎn)品
16.動力裝置噴嘴系列產(chǎn)品
17.司太立合金耐磨片
18.超高溫抗氧化腐蝕爐輥、輻射管。
成分和性能
鎳基合金是高溫合金中應用最廣、高溫強度的一類合金。其主要原因，一是鎳基合金中可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩(wěn)定性；二是可以形成共格有序的 A3B型金屬間化合物γ'[Ni3(Al，Ti)]相作為強化相，使合金得到有效的強化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度；三是含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃氣腐蝕能力。鎳基合金含有十多種元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素主要起強化作用。根據(jù)它們的強化作用方式可分為：固溶強化元素，如鎢、鉬、鈷、鉻和釩等；沉淀強化元素，如鋁、鈦、鈮和鉭；晶界強化元素，如硼、鋯、鎂和稀土元素等。
鎳基高溫合金按強化方式有固溶強化型合金和沉淀強化型合金。
固溶強化型合金
具有一定的高溫強度，良好的抗氧化，抗熱腐蝕，抗冷、熱疲勞性能，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作溫度較高、承受應力不大(每平方毫米幾公斤力)的部件，如燃氣輪機的燃燒室。
沉淀強化型合金
通常綜合采用固溶強化、沉淀強化和晶界強化三種強化方式，因而具有良好的高溫蠕變強度、抗疲勞性能、抗氧化和抗熱腐蝕性能，可用于制作高溫下承受應力較高(每平方毫米十幾公斤力以上) 的部件，如燃氣輪機的渦輪葉片、等。
組織
鎳基合金的顯微組織特點及其發(fā)展情況，合金中除奧氏體基體外，還有在基體中弭散分布的γ'相，在晶界上的二次碳化物和在凝固時析出的一次碳化物和硼化物等。隨著合金化程度的提高，其顯微組織的變化有如下趨勢：γ'相數(shù)量逐漸增多，尺寸逐漸增大，并由球狀變成立方體，同一合金中出現(xiàn)尺寸和形態(tài)不相同的γ'相。在鑄造合金中還出現(xiàn)在凝固過程中形成的γ+γ'共晶，晶界析出不連續(xù)的顆粒狀碳化物并被γ'相薄膜所包圍，組織的這些變化改善了合金的性能。
現(xiàn)代鎳基合金的化學成分十分復雜，合金的飽和度很高，因此要求對每個合金元素(尤其是主要強化元素)的含量嚴加控制，否則會在使用過程中容易析出有害相，如σ、μ相，損害合金的強度和韌性。在鎳基鑄造高溫合金中發(fā)展出了定向結晶渦輪葉片和單晶渦輪葉片。
定向結晶葉片消除了對空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應力軸方向，從而改善了合金的使用性能。單晶葉片消除了全部晶界，不必加入晶界強化元素，使合金的初熔溫度相對升高，從而提高了合金的高溫強度，并進一步改善了合金的綜合性能。
生產(chǎn)工藝
鎳基合金，特別是沉淀強化型合金含有較高的鋁、鈦等合金元素。通常采用真空感應爐熔煉，并經(jīng)真空自耗爐或電渣爐重熔。熱加工采用鍛造、軋制工藝，對于高合金化合金，由于熱塑性差，則采用擠壓開坯后軋制或用軟鋼(或不銹鋼)包套直接擠壓工藝。鑄造合金通常用真空感應爐熔煉母合金，并用真空重熔-精密鑄造法制成零件。
變形合金和部分鑄造合金需進行熱處理，包括固溶處理、中間處理和時效處理，以Udmet 500合金為例，它的熱處理制度分為四段：固溶處理，1175℃，2小時，空冷；中間處理，1080℃，4小時，空冷；一次時效處理，843℃，24小時，空冷；二次時效處理，760℃，16小時，空冷。以獲得所要求的組織狀態(tài)和良好的綜合性能。
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