GH159
GH159概述
GH159合金是在國外多相鈷基高溫合金（MP合金）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型高強(qiáng)度多相鈷基高溫合金。它的主要特點(diǎn)是：利用冷變形首先在面心立方基體中誘發(fā)產(chǎn)生交叉網(wǎng)狀分布的片狀ε相來阻止位錯的長程運(yùn)動而產(chǎn)生強(qiáng)化，再經(jīng)過時(shí)效處理析出彌散的Ni3X相補(bǔ)充強(qiáng)化。該合多金具有超高強(qiáng)度、良好的塑韌性和高的應(yīng)力腐蝕抗力等綜合性能，并且在650℃的高溫下仍能保持其高強(qiáng)度的特性。該合金不僅可廣泛用于航空發(fā)動機(jī)的高溫緊固螺栓等零件，也可用于應(yīng)力腐蝕環(huán)境下（如海洋大氣環(huán)境）服役的飛機(jī)用超高強(qiáng)度緊固件。供應(yīng)的主要品種是冷拉棒材。
1.1 GH159材料牌號 GH159。
1.2 GH159相近牌號 MP159(美國)。
1.3 GH159材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
Q/6S 992-1992《高溫緊固件用GH159合金冷拉棒材》(北京航空材料研究所)
C3S 284-1993《高溫緊固件GH159合金冷拉棒材》
協(xié)上五高28-1993《高溫緊固件GH159合金冷拉棒材》
1.4 GH159化學(xué)成分 見表1-1。 表1-1 %
| C |
Cr |
Ni |
Co |
Mo |
Fe |
Ti |
| ≤0.04 |
18～20 |
余 |
34～38 |
6～8 |
8～10 |
2.5～3.25 |
| Al |
Nb |
B |
Mn |
Si |
P |
S |
| 不大于 |
| 0.1～0.3 |
0.25～0.75 |
0.03 |
0.20 |
0.20 |
0.02 |
0.01 |
1.5 GH159熱處理制度 固溶處理1040～1055℃,4～8h,水冷+在室溫進(jìn)行48%±1%的冷拔變形＋時(shí)效處理650～675℃，4～4.5h，空冷。
1.6 GH159品種規(guī)格與供應(yīng)狀態(tài) 可以供應(yīng)d5～25mm的冷拉棒材，供應(yīng)狀態(tài)為冷拔態(tài)。
1.7 GH159熔煉與鑄造工藝 采用真空感應(yīng)加真空電弧重熔的雙聯(lián)生產(chǎn)工藝。
1.8 GH159應(yīng)用概況與特殊要求 該合金主要用于航空發(fā)動機(jī)的緊固件，在600℃下性能穩(wěn)定，可長期使用。是目前綜合性能蕞好的航空發(fā)動機(jī)緊固件材料。
合金主要是經(jīng)過冷變形誘發(fā)產(chǎn)生大量網(wǎng)狀分布的ε相進(jìn)行強(qiáng)化。因此，對冷拔變形的工藝參數(shù)要嚴(yán)格控制。變形量過小，強(qiáng)度不足；變形量太大，強(qiáng)度升高，但塑性降低。實(shí)踐證明，當(dāng)冷變形量控制在下限時(shí)合金具有較好的綜合性能。
二、GH159物理及化學(xué)性能
2.1 GH159熱性能
2.1.1GH159熔化溫度范圍 熔點(diǎn)1318℃[1]。
2.1.2GH159熱導(dǎo)率 見表2-1。
表2-1[1]
| θ/℃ |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
| λ/(W/m·℃) |
冷拔狀態(tài) |
11.3 |
14.1 |
15.6 |
17.4 |
19.1 |
21.0 |
23.0 |
24.6 |
| 冷拔＋時(shí)效狀態(tài) |
11.0 |
13.8 |
15.3 |
17.1 |
18.6 |
20.5 |
21.0 |
- |
2.1.3GH159線膨脹系數(shù) 見表2-2(冷拔＋時(shí)效狀態(tài))。
表2-2[3]
| θ/℃ |
25～100 |
25～200 |
25～300 |
25～400 |
25～500 |
25～600 |
25～700 |
25～800 |
| α/10-6℃-1 |
14.3 |
14.2 |
14.2 |
14.6 |
14.9 |
15.1 |
16.0 |
18.2 |
2.2 GH159密度 ρ=8.33g/cm3[2]。
2.3 GH159電性能 合金的電阻率見表2-3。
表2-3[1]
| θ/℃ |
25 |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
| ρ/(10-6Ω·m) |
冷拔狀態(tài) |
1.033 |
1.059 |
1.086 |
1.118 |
1.151 |
1.201 |
1.236 |
| 冷拔＋時(shí)效狀態(tài) |
1.096 |
1.102 |
1.135 |
1.162 |
1.181 |
1.210 |
1.231 |
2.4 GH159磁性能 合金在25℃時(shí)的磁導(dǎo)率為1.00265[2]。
2.5 GH159化學(xué)性能
2.5.1GH159耐腐蝕性能 該合金具有極好的抗縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂的能力。在典型的氯化鐵實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)縫隙腐蝕和點(diǎn)蝕。在擦鹽試驗(yàn)中未發(fā)生損壞。交替浸漬證明該合金具有良好的抗氫脆和應(yīng)力腐蝕開裂的能力。
GH159力學(xué)性能
3.1 GH159技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能 見表3-1。
表3-1
| 品種 |
狀態(tài) |
取樣方向 |
拉伸性能 |
HRC |
持久性能 |
| θ/℃ |
σb/MPa |
σP0.2/MPa |
δ5/% |
φ/% |
θ/℃ |
σ/MPa |
t/h |
δ5/% |
| 不小于 |
| 冷拉棒材 |
冷拔＋時(shí)效 |
縱向 |
室溫 |
1795 |
1725 |
6 |
22 |
44 |
650 |
965 |
≥23 |
≥5 |
| 595 |
1415 |
1310 |
5 |
15 |
- |
注：1 供應(yīng)狀態(tài)的棒材硬度要求HRC≥23。
2 供應(yīng)狀態(tài)的棒材經(jīng)時(shí)效處理后，其拉伸、持久性能和硬度應(yīng)符合表中規(guī)定的要求。當(dāng)棒材的拉伸性能符合要求時(shí)，硬度實(shí)
驗(yàn)結(jié)果不作為判廢依據(jù)。
3 持久性能可在光滑-缺口組合試驗(yàn)上測定。試樣不應(yīng)在23h內(nèi)斷裂。試樣光滑部分拉斷后，其伸長率應(yīng)符合表中規(guī)定的要求。
4 可在棒材相鄰部位取樣并分別加工的光滑和缺口持久試樣上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。試樣不應(yīng)在23h內(nèi)斷裂；光滑試樣斷裂后，應(yīng)測定
伸長率；缺口試樣可不拉斷。
5 持久實(shí)驗(yàn)可在高于965MPa的應(yīng)力下進(jìn)行，但實(shí)驗(yàn)過程中不能改變應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合表中規(guī)定的要求。
6 經(jīng)需方同意，在965MPa的應(yīng)力下進(jìn)行持久實(shí)驗(yàn)至23h后，可每隔8～10h遞增應(yīng)力35MPa，直至試樣拉斷。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合表中規(guī)定的要求。
3.2 GH159室溫及各種溫度下的力學(xué)性能
3.2.1GH159硬度 固溶狀態(tài)室溫硬度HRC≤20[3]；冷拔狀態(tài)室溫硬度HRC≥38[3]；冷拔＋時(shí)效狀態(tài)室溫硬度HRC≥44。
3.2.1.1 GH159時(shí)效前后冷拔棒材硬度隨溫度的變化見表3-2。
3.2.1.2 GH159時(shí)效前后冷拔棒材橫截面不同半徑處的硬度見表3-3。
3.2.2GH159拉伸性能
3.2.2.1 GH159合金的典型室溫拉伸性能見表3-4。
表3-2[1] 表3-3[1]
| θ/℃ |
室溫 |
200 |
400 |
550 |
600 |
|
距表面的距離/mm |
0.2 |
1.1 |
2.0 |
2.7 |
4.0 |
5.0 |
| HV |
冷拔狀態(tài) |
405 |
370 |
354 |
342 |
333 |
HV |
48%冷拔 |
496 |
483 |
475 |
467 |
457 |
448 |
| 冷拔＋時(shí)效狀態(tài) |
437 |
409 |
383 |
368 |
357 |
冷拔＋時(shí)效 |
548 |
- |
- |
- |
- |
518 |
表3-4[2]
| 狀態(tài) |
σb/MPa |
σP0.2/MPa |
δ5/% |
φ/% |
| 固溶 |
850 |
400 |
60 |
69 |
| 冷拔 |
1585 |
1415 |
12 |
46 |
| 冷拔＋時(shí)效 |
1895 |
1825 |
8 |
35 |
3.2.2.2 GH159合金在不同溫度下的拉伸性能見表3-5。
表3-5[1]
| θ/℃ |
25 |
260 |
370 |
480 |
595 |
705 |
815 |
θ/℃ |
25 |
260 |
370 |
480 |
595 |
705 |
815 |
| σb/MPa |
1917 |
1724 |
1641 |
1586 |
1565 |
1407 |
896 |
δ5/% |
9 |
8 |
8 |
9 |
8 |
15 |
34 |
| σP0.2/MPa |
1882 |
1655 |
1551 |
1503 |
1482 |
1282 |
690 |
φ/% |
35 |
31 |
27 |
22 |
20 |
46 |
65 |
3.2.2.3 GH159不同溫度的缺口拉伸性能見表3-6。
表3-6[1]
| θ/℃ |
25 |
260 |
370 |
480 |
595 |
650 |
705 |
| Kt |
6.1 |
6.0 |
6.1 |
6.1 |
5.8 |
6.1 |
5.8 |
| σbH/MPa |
2572 |
2372 |
2255 |
2186 |
2103 |
1993 |
1958 |
| σbH/σb |
1.32 |
1.40 |
1.38 |
1.37 |
1.37 |
1.31 |
1.38 |
3.3 GH159持久和蠕變性能
3.3.1GH159高溫持久性能見表3-7。
表3-7[1,2]
| 項(xiàng)目 |
光滑持久 |
光滑-缺口聯(lián)合持久① |
| θ/℃ |
650 |
650 |
675 |
| σ/MPa |
690 |
862 |
1034 |
965 |
1034 |
862 |
| t/h |
815.0 |
23.9 |
8.3 |
156.4 |
39.2 |
52.4 |
| δ5/% |
- |
- |
22.5 |
18.4 |
16.2 |
27.5 |
| φ/% |
- |
- |
27.9 |
26.9 |
45.8 |
48.6 |
① 缺口試樣Kt=3.8。
3.3.2GH159高溫松弛性能 應(yīng)力松弛性能見圖3-1。
3.4 GH159疲勞性能
3.4.1GH159高周疲勞 棒材于48%冷拔＋時(shí)效狀態(tài)的拉-拉疲勞性能見表3-8。
表3-8[1]
| θ/℃ |
σmax/MPa |
N/周 |
| 室溫 |
931
833 |
4.5×105
3.22×106 |
| 400 |
784
774
736
716 |
9.6×106
>1.0×107
>6.08×105
>1.0×107 |
| 550 |
736 |
>1.007×107 |
注：應(yīng)力比R=0.1，頻率f=85Hz。
3.5 GH159彈性性能
3.5.1GH159彈性模量 見表3-9。
表3-9[1,2]
| θ/℃ |
室溫 |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
| ED/GPa |
固溶 |
222 |
209.5 |
203.6 |
195.9 |
188.0 |
182.4 |
177.2 |
| 冷拔＋時(shí)效 |
243 |
230.3 |
223.4 |
217.7 |
210.1 |
204.0 |
192.7 |
3.5.2GH159切變模量 見表3-10。
表3-10[1]
| θ/℃ |
室溫 |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
| G/GPa |
固溶 |
81.3 |
78.9 |
76.5 |
73.8 |
71.2 |
68.8 |
66.0 |
| 冷拔＋時(shí)效 |
89.8 |
87.9 |
85.5 |
82.1 |
79.2 |
77.1 |
74.0 |
3.5.3GH159泊松比 見表3-11。
表3-11[1]
| θ/℃ |
室溫 |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
| μ |
固溶 |
0.32 |
0.33 |
0.33 |
0.33 |
0.32 |
0.32 |
0.34 |
| 冷拔＋時(shí)效 |
0.32 |
0.31 |
0.31 |
0.33 |
0.33 |
0.32 |
0.30 |
四、GH159組織結(jié)構(gòu)
4.1 GH159相變溫度 γ＋ε兩相區(qū)溫度范圍為540～700℃，540℃以下的γ相為亞穩(wěn)態(tài)。
4.2 GH159時(shí)間-溫度-組織轉(zhuǎn)變曲線
4.3 GH159合金組織結(jié)構(gòu) 合金在上臨界溫度（約700℃）以上為穩(wěn)定的面心立方γ相，在下臨界溫度以下（約540℃）為穩(wěn)定的密排六方ε相；兩溫度之間為γ＋ε的兩相區(qū)。當(dāng)合金從上臨界溫度冷卻到室溫時(shí)可保持亞穩(wěn)定態(tài)的γ相。當(dāng)在室溫下進(jìn)行冷變形時(shí)可誘發(fā)γ相到ε相的馬氏體型轉(zhuǎn)變。因此，合金經(jīng)固溶處理后全部為亞穩(wěn)定的γ相，在冷變形過程中部分γ相發(fā)生馬氏體相變轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的ε相。所生成的ε相為薄片狀，在面心立方的γ相晶粒內(nèi)呈交叉網(wǎng)狀分布。在隨后的時(shí)效過程中又在亞穩(wěn)定的γ相中析出Ni3X相[4～7]。
五、GH159工藝性能與要求
5.1 GH159成形性能
5.1.1GH159合金鋼錠首先在1125～1180℃保溫18～36h進(jìn)行均勻化處理以減小組織偏析和脆性σ相形成。合金鍛造開坯裝爐溫度不高于600℃，加熱溫度為1120℃±10℃，時(shí)間不小于4h。開鍛溫度不低于1050℃，終鍛溫度不低于950℃.合金熱軋開坯裝爐溫度不高于700℃，加熱溫度為1130℃±10℃，保溫30～60min。道次最大變形量不能超過20%。終軋溫度不低于950℃。熱軋后合金在1050～1070℃退火1h以得到均勻晶粒，便于后續(xù)冷變形加工。
5.1.2GH159軋制棒材經(jīng)固溶處理后，經(jīng)堿、酸洗去氧化皮，再經(jīng)表面涂層處理后，進(jìn)行冷拔變形。冷拔變形量為48%±1%。
5.2 GH159焊接性能 焊接性能同18-8型不銹鋼，可用氬弧焊工藝[2]。
焊接速度 0.14m/min
電流 100～160A
電壓 10V
GH159焊絲進(jìn)給 0.36～0.56m/min
氬氣流量 5～7L/min
5.3 GH159零件熱處理工藝 螺栓的熱處理工藝為650～675℃，4h時(shí)效處理，空冷。
5.4 GH159表面處理工藝 合金經(jīng)局部感應(yīng)加熱熱鐓成螺帽后，表面再經(jīng)冷搓絲加工螺紋。
5.5 GH159切削加工與磨削性能 合金的機(jī)加工性能類似于GH738鎳-鈷-鉻合金?？稍诶浼庸?qiáng)化和時(shí)效材料上進(jìn)行機(jī)加工。冷拔態(tài)的GH159合金的機(jī)加工工藝參數(shù)見表5-1。
表5-1[1]
| 操作 |
工具材料 |
工具幾何形狀 |
工具類型 |
切削深度/mm |
走刀量 |
切削速度/(mm/min) |
磨削厚度/mm |
切削液 |
| 車削 |
M24高速鋼 |
縱向前角：0°
副偏角：15°
副后角：10°
后角：5°
旁諷緣角：15° |
5"～8"方形刀具 |
1.27 |
0.254
mm/轉(zhuǎn) |
7620 |
0.508 |
浮化油(1：20) |
| 圓周銑和端銑 |
M2高速鋼 |
螺旋角：30°
RR：10°
后角：45°
外周余角：7° |
直徑1"的四出屑槽端銑刀 |
3.17 |
0.051mm/轉(zhuǎn) |
19050 |
0.127 |
含硫礦物油 |
| 鉆孔 |
T15高速鋼 |
鉆頭角：118
螺旋角：29°
間隙：7° |
直徑1/4"二槽鉆頭 |
12.7 |
0.127mm/轉(zhuǎn) |
6350 |
0.305 |
氯化物礦物油 |
| 鉸孔 |
M2高速鋼 |
直出屑槽
倒棱角：45°
后角：7° |
六槽高速鋼鉸刀 |
12.7 |
0.229mm/轉(zhuǎn) |
15240 |
0.1524 |
氯化物礦物油 |
| 攻絲 |
M1高速鋼 |
2個(gè)出屑槽，螺絲尖75%螺紋 |
5/16-24表面硬化絲錐 |
12.7 |
- |
1270 |
- |
氯化物礦物油 |
全國熱線：18017243533 021-57888107
