GH141-GH4141
一、GH141概述
GH141是是沉淀硬化型鎳基變形高溫合金，在650～950℃范圍內，具有高的拉伸和持久蠕變強度和良好的性能。由于合金中鋁、鈦、鉬含量較高，鑄錠開坯比較困難，但變形后的材料具有較好的塑性，在退火狀態(tài)下可以冷成形，也可進行焊接，焊接部件熱處理時易產生應變時效裂紋。合金的品種有薄板、帶、絲、盤件、環(huán)形件、鍛件、棒材、和精密鑄件等，適合于制造在870℃以下要求有高強度和980℃以下要求的航空、航天發(fā)動機高溫零部件。
1.1GH141材料牌號GH141(GH4141)。
1.2GH141相近牌號UNSN07041，Rene′41，R41，Carpenter41，PYROMET41，UNITEMP41， HynessalloyR41，J1610(）。
1.3GH141材料的技術標準
Q/3B4060-1992《GH141合金棒材》
Q/3B4063-1992《GH141合金冷軋帶材》
Q/5B4027-1992《GH141合金圓餅、環(huán)坯、環(huán)形件》
Q/6S1033-1992《高溫緊固件用GH141合金棒材》
撫84-13《航天用GH141合金棒材技術條件》
1.4GH141化學成分見表1-1。
表1-1%
C | Cr | Ni | Co | Mo | Al | Ti | B | Fe | Zr | Mn | Si | P | S | Cu | |
不大于 | |||||||||||||||
0.06～0.12 | 18.0～20.0 | 余 | 10.0～12.0 | 9.00～10.50 | 1.40～1.80 | 3.00～3.50 | 0.003～0.010 | 5.00 | 0.07 | 0.50 | 0.50 | 0.015 | 0.015 | 0.50 | |
注：航天用材可加入ω（Mg)<0.05%和ω(La)<0.035%。
1.5GH141熱處理制度見表1-2。
表1-2
品種 | 熱處理制度 |
（航空）圓餅、環(huán)坯、環(huán)形件、棒、板材 | 規(guī)范Ⅰ:1080℃?10℃,快淬 1120℃?10℃，0.5h,空冷 900℃?10℃,1-4h,空冷 |
（航天）棒、盤件 | 規(guī)范Ⅱ:1080℃,4h,油冷 760℃，16h,空冷 |
規(guī)范Ⅲ:1065℃,4h,空冷 760℃，16h,空冷 | |
板材 | 規(guī)范Ⅳ:1180℃,30min，空冷 900℃，4h,空冷 |
規(guī)范Ⅴ:1080℃,保溫不小于2.4min/mm,空冷 760℃，16h,空冷 |
1.6GH141品種規(guī)格與供應狀態(tài)可提供各種規(guī)格的圓餅、環(huán)坯、環(huán)形件、薄板、帶材、棒材、鍛件和精密鑄件等。板材于固溶狀態(tài)交貨，棒材和鍛件不經熱處理交貨。
1.7GH141熔煉與鑄造工藝合金采用真空感應熔煉、真空感應熔煉加電渣重熔或真空電弧重熔工藝。
1.8GH141應用概況與特殊要求該合金廣泛用于制造航空、航天發(fā)動機高溫承力零部件，如導向葉片、燃燒室、渦輪、導向器高溫承力件、軸、盤、葉片和緊固件等，板材焊接件熱處理時的應變時效裂紋，可采用焊前過時效處理或在焊前控制固溶處理后的冷卻速度的方法來解決，焊后再進行標準熱處理。
二、GH141物理及化學性能
2.1GH141熱性能
2.1.1GH141熔化溫度范圍1316～1371℃[2]。
2.1.2GH141熱導率見圖2-1。
表2-1[2]
θ/℃ | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 |
λ/(W/(m?℃)) | 8.37 | 10.47 | 12.56 | 15.07 | 17.17 | 19.56 | 21.35 | 23.45 | 25.96 |
2.1.3GH141線膨脹系數(shù)見圖2-2。
表2-2[2]
θ/℃ | 20～100 | 20～200 | 20～300 | 20～400 | 20～500 | 20～600 | 20～700 | 20～800 | 20～900 |
α1/10-6℃-1 | 10.54 | 11.69 | 12.24 | 12.78 | 13.08 | 13.48 | 14.21 | 14.97 | 15.91 |
2.2GH141密度ρ=8.27g/cm3。
2.3GH141電性能δ2mm板材的室溫電阻率見表2-3。
表2-3[3]
狀態(tài) | ρ/(10-6Ω.m) | 狀態(tài) | ρ/(10-6Ω.m) |
熱軋 | 1.31 | 1175℃,0.5h,空冷 | 1.33 |
1065℃,4h,空冷 | 1.25 | 1175℃,0.5h,空冷 900℃,4h,空冷 | 1.34 |
1065℃,4h,空冷 760℃,16h,空冷 | 1.27 |
2.4GH141磁性能見表2-4。
表2-4[4]
狀態(tài) | 20℃下300Οe時的磁導率/(H/m) |
1065℃,4h,空冷 760℃,16h,空冷 | ＜1.002 |
1175℃,0.5h,空冷 900℃,4h,空冷 | ＜1.002 |
2.5GH141化學性能
2.5.1GH141性能在空氣介質中的氧化速率見表2-5。
表2-5[9]
表面狀態(tài) | θ/℃ | 不同時間氧化速率/(g/(m2?h)) | 表面狀態(tài) | θ/℃ | 不同時間氧化速率/(g/(m2?h)) | ||||||||
25h | 50h | 75h | 100h | 200h | 25h | 50h | 75h | 100h | 200h | ||||
磨光 | 900 | 0.240 | 0.150 | 0.120 | 0.095 | 0.066 | 磨光 | 1100 | 1.360 | 0.870 | 0.750 | 0.680 | 0.490 |
磨光 | 1000 | 0.610 | 0.410 | 0.320 | 0.260 | 0.182 | W-2涂層 | 1100 | 0.496 | 0.494 | 0.413 | 0.356 | --- |
三、GH141力學性能
3.1GH141技術標準規(guī)定的性能
3.1.1GH141圓餅、環(huán)坯、環(huán)形件、大棒材標準規(guī)定的性能見表3-1。
表3-1
材料標準 | 品種 | 熱處理制度 | 拉伸性能 | HBS | 持久性能 | |||||||
θ/℃ | σb/MPa | σP0.2/MPa | δ5/% | φ/% | θ/℃ | σ/MPa | t/h | δ/% | ||||
Q/5B4027-1992 Q/3B4060-1992 | 圓餅、環(huán)坯、環(huán)形件、大棒材 | 1080℃?10℃，快淬＋1120℃?10℃，30min，空冷＋900℃?10℃，4h，空冷 | 760 | ≥835 | ≥620 | ≥12 | ≥15 | ≥283 | 900 | 172 | ≥20 | - |
注：1環(huán)形件經退火處理后的室溫硬度HBS≤363。
2經固件和時效處理后的室溫硬度HRC≥30(HBS≥283)。
3.1.2GH141緊固件標準規(guī)定的性能見表3-2。
表3-2
材料標準 | 品種 | 熱處理制度 | 拉伸性能 | 持久性能 | ||||||
θ/℃ | σb/MPa | σP0.2/MPa | δ5/% | φ/% | θ/℃ | σ/MPa | t/h | |||
Q/6S1033-1992 | 緊固件 | 冷拉后1080℃?10℃，快淬＋1120℃?10℃，30min，空冷＋900℃?10℃，4h，空冷 | 20 | ≥1070 | - | ≥8 | ≥10 | 730 | 586 | ≥30 |
760 | ≥870 | - | ≥8 | ≥10 | ||||||
3.1.3GH141d90mm棒材標準規(guī)定的性能見表3-3。
表3-3
熱處理狀態(tài) | θ/℃ | 拉伸性能 | HBS | 沖擊韌性 | 持久性能 | ||||
σb/MPa | σP0.2/MPa | δ5/% | φ/% | aKV/(kJ/m2) | σ/MPa | t/min | |||
不小于 | |||||||||
1065～1080℃,4h,油冷或空冷＋760℃,16h,空冷 | 20 | 1175 | 880 | 12 | 12 | 340 | 147 | ||
800 | 735 | 635 | 15 | 20 | - | 588 | 90 | ||
3.1.4GH141板材、帶材標準規(guī)定的性能見表3-4。
表3-4
熱處理制度 | 厚度/mm | θ/℃ | 拉伸性能 | HRC | ||
σb/MPa | σP0.2/MPa | δ5/% | ||||
1080℃，保溫不小于2.4min/mm,空冷 | 0.4～2.9 | 20 | ≤1170 | ≤690 | ≥30 | ≤30 |
≥2.9～4.0 | 20 | ≤1240 | ≤795 | ≥30 | ≤30 | |
固溶處理＋760℃，16h，空冷 | ≤0.50 | 20 | ≥1105 | ≥825 | ≥6 | ≥35 |
760 | ≥895 | ≥760 | ≥3 | - | ||
>0.50 | 20 | ≥1170 | ≥895 | ≥10 | ≥35 | |
760 | ≥965 | ≥760 | ≥3 | - | ||
四、GH141組織結構
4.1GH141相變溫度合金熱處理后，組織中析出相的相變溫度范圍見表4-1。
表4-1[13]
析出相 | γ′ | M6C | M23C6 | MC | μ | σ |
相變溫度范圍/℃ | <1052 | 760～1149 | 760～901/982 | 796～1149 | 870～980 | 760～982/1038 |
4.2GH141時間-溫度-組織轉變曲線
4.2.1GH141鑄態(tài)試樣經1180℃,6h,水冷淬火后，
再在不同溫度保濕1h，析出相數(shù)量和溫度的關系見圖
4-2。
4.2.2GH141經1200℃,2h固溶處理后，再在760
～1200℃時效2～96h,析出相數(shù)量和時效溫度的關系
見圖4-2。
4.2.3GH1415000h時效后，合金中析出相
數(shù)量的變化見圖4-3。
4.3GH141合金組織結構合金在標準熱處理狀態(tài)的組織除γ基體外，還存在γ′、M6C、M23C6、MC，時效后有μ相析出。
五、GH141工藝性能與要求
5.1GH141成形性能
5.1.1GH141鋼錠鍛造前應進行高溫均勻化處理，鍛造加熱溫度為1160～1180℃，終鍛溫度不低于1000℃。板坯軋制加熱溫度為1140～1160℃，終軋溫度不低于1060℃。薄板軋制加熱溫度為1140～1160℃，終軋溫度不低于800℃。
5.1.2GH141冷軋薄板固溶狀態(tài)的反復彎曲和杯突性能見表5-1。
表5-1[9]
品種 | 熱處理制度 | 反復彎曲次數(shù) | 杯突深度/mm |
δ1.5mm冷軋薄板 | 1180℃，30min，空冷 | 12 | 10.1 |
1180℃，30min，空冷 | 20 | 12.4 |
5.1.3GH141旋壓性能板材在保持細晶和較低的硬度時具有很好的可旋性。根據室溫拉伸斷面收縮率φ(%)算出限減薄率φmax(%)=φ(%)/[0.17＋φ(%)]，各種形狀限減薄率φmax(%)見表5-2。
表5-2[15]
圓錐形件 | 半球形件 | 筒形件 | 曲母線 | |
φmax/% | 40 | 35 | 60 | 35 |
5.1.4GH141熱塑性能
5.1.4.1GH141d22mm軋材熱頂鍛塑性見表5-3，塑性圖見圖5-1。
表5-3[2]
試驗溫度/℃ | 900 | 950 | 970 | 980 | 1000 | 1050 | 1100 | 1150 | 1170 | 1200 |
ε限max/% | 14.6 | 29.3 | 43 | 43.8 | 75.3 | 81.8 | 78.2 | 70 | 75.5 | 36 |
ε裂紋min/% | 23.4 | 44 | 51 | 61.5 | >75.3 | >81.8 | 80.6 | 78.3 | 76 | 41 |
5.1.4.2GH141d22mm軋材的熱模擬塑性試驗結果見表5-4。
5.1.4.3GH141d90mm棒材經1065℃,4h,空冷＋760℃,16h,空冷熱處理后進行高溫拉伸試驗，其高溫拉伸塑性見表5-5。
5.1.5GH141合金再結晶圖
5.1.5.1GH141加工再結晶圖見圖5-2。
5.1.5.2GH141固溶再結晶圖見圖5-3。
表5-4[5]
類型 | θ/℃ | 900 | 950 | 975 | 1000 | 1050 | 1100 | 1150 | 1160 | 1200 |
冷卻曲線 | σ/MPa | 749 | 404 | - | 227 | 206 | 156 | - | 102 | - |
φ/% | 19.9 | 23.6 | 55.4 | 67.4 | 83.1 | 81.1 | - | 53.1 | - | |
加熱曲線 | σ/MPa | 739 | 688 | 599 | 484 | 255 | 229 | 191 | - | 0 |
φ/% | 34.9 | 49.6 | 68.3 | 82.7 | 91.7 | 86.4 | 62.9 | - | 0 |
注：1冷卻曲線以100℃/s加熱到1160℃保溫處理后，隨爐冷卻到規(guī)定溫度再保溫100s，以100m/s速度拉斷。
2加熱曲線以100℃/s加熱到規(guī)定溫度保溫100s，以100m/s速度拉斷。
表5-5[2]
試驗溫度/℃ | 950 | 1000 | 1050 | 1100 | 1150 | 1200 |
高溫拉伸塑性δ/% | 21.8 | 31.8 | 66.6 | 102 | 117 | 108.2 |
5.2GH141焊接性能
5.2.1GH141合金可熔焊、擴散焊、釬焊、摩擦焊。熔焊既可用電子束焊接，也可用氬弧焊焊接。熔焊縫在熱處理時有產生應變時效裂紋傾向，為將這種傾向減到小，應在焊接前固溶緩慢退火，即1080℃，隨后以22℃/min冷卻到650℃；另一辦法是在焊接前進行過時效處理，即1080℃，30min，以1.7～4.4℃/min冷卻到980，4h，以1.7～4.4℃/min冷卻到870℃，4h,再以1.7～4.4℃/min冷卻到760℃，16h,空冷[1,16～19]。焊后在消除焊接應力和恢復性能時，應快速加熱通過時效硬化溫度區(qū)間，這樣可消除應變時效開裂傾向。使用細晶、低雜質含量母材，消除機械加工硬化，低的焊接線能量也可以降低應變時效開裂傾向
5.3GH141零件熱處理工藝
5.3.1GH141在較低溫度下工作，要求零件具有高的拉伸強度和疲勞性能時，推薦采用1080℃，空冷＋760℃，16h，空冷。
5.3.2GH141對在高溫下工作，又要求材料具有高的熱強性時，適宜的熱處理規(guī)范為1180℃，空冷＋900℃，4h，空冷。
5.3.3GH141對要求焊接的環(huán)形件等零部件，推薦采用1120℃，30min，空冷＋900℃，4h，空冷。
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