GH141是是沉淀硬化型鎳基變形高溫合金，在650～950℃范圍內(nèi)，具有高的拉伸和持久蠕變強(qiáng)度和良好的抗氧化性能。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(jìn)行焊接，焊接部件熱處理時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)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(qiáng)度和980℃以下要求抗氧化的航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)高溫零部件。
GH141(GH4141)鎳基變形高溫合金
中國牌號(hào)：GH141/GH4141、GH141 (GH4141)
美國牌號(hào)：UNS N07041/Rene′41/R41/
Carpenter41/PYROMET41/UNITEMP41/
HynessalloyR41/J1610
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(nèi)，具有高的拉伸和持久蠕變強(qiáng)度和良好的抗氧化性能。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(jìn)行焊接，焊接部件熱處理時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)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(qiáng)度和980℃以下要求抗氧化的航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)高溫零部件。
1.1 GH141材料牌號(hào) GH141(GH4141)。
1.2 GH141相近牌號(hào) UNS N07041，Rene′41，R41，Carpenter41，PYROMET41，UNITEMP41，HynessalloyR41，J1610(美國）。
1.3 GH141材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
1.4 GH141化學(xué)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%。1.5 GH141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 |
1.6 GH141品種規(guī)格與供應(yīng)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(jīng)熱處理交貨。
1.7 GH141熔煉與鑄造工藝 合金采用真空感應(yīng)熔煉、真空感應(yīng)熔煉加電渣重熔或真空電弧重熔工藝。
1.8 GH141應(yīng)用概況與特殊要求 該合金廣泛用于制造航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)高溫承力零部件，如導(dǎo)向葉片、燃燒室、渦輪、導(dǎo)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(shí)的應(yīng)變時(shí)效裂紋，可采用焊前過時(shí)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理。
二、GH141物理及化學(xué)性能
2.1 GH141熱性能
2.1.1 GH141熔化溫度范圍 1316～1371℃[2]。
2.1.2 GH141熱導(dǎo)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 |
2.1.3 GH141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 |
2.2 GH141密度 ρ=8.27g/cm3。
2.3 GH141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 |
|
|
2.4 GH141磁性能 見表2-4。
表2-4[4]
|
狀態(tài) |
20℃下300Οe時(shí)的磁導(dǎo)率/(H/m) |
|
1065℃,4h,空冷+760℃,16h,空冷 |
＜1.002 |
|
1175℃,0.5h,空冷+900℃,4h,空冷 |
＜1.002 |
2.5 GH141化學(xué)性能
2.5.1 GH141抗氧化性能 在空氣介質(zhì)中的氧化速率見表2-5。
表2-5[9]
|
表面狀態(tài) |
θ/℃ |
不同時(shí)間氧化速率/(g/(m2·h)) |
表面狀態(tài) |
θ/℃ |
不同時(shí)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(xué)性能
3.1 GH141技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能
3.1.1 GH141圓餅、環(huán)坯、環(huán)形件、大棒材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能見表3-1。
表3-1
|
材料標(biāo)準(zhǔn) |
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/5B 4027-1992 Q/3B 4060-1992 |
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(jīng)退火處理后的室溫硬度HBS≤363。
2 經(jīng)固件和時(shí)效處理后的室溫硬度HRC≥30(HBS≥283)。
3.1.2 GH141緊固件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能見表3-2。
表3-2
|
材料標(biāo)準(zhǔn) |
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/6S 1033-1992 |
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 |
|
|
|
|||
3.1.3 GH141d90mm棒材標(biāo)準(zhǔn)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 |
|
3.1.4 GH141板材、帶材標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)
4.1 GH141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 |
4.2 GH141時(shí)間-溫度-組織轉(zhuǎn)變曲線
4.2.1 GH141鑄態(tài)試樣經(jīng)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(guān)系見圖4-2。
4.2.2 GH141經(jīng)1200℃,2h固溶處理后，再在760～1200℃時(shí)效2～96h,析出相數(shù)量和時(shí)效溫度的關(guān)系見圖4-2。
4.2.3 GH1415000h長期時(shí)效后，合金中析出相數(shù)量的變化見圖4-3。
4.3 GH141合金組織結(jié)構(gòu) 合金在標(biāo)準(zhǔn)熱處理狀態(tài)的組織除γ基體外，還存在γ′、M6C、M23C6、MC，長期時(shí)效后有μ相析出。
五、GH141工藝性能與要求
5.1 GH141成形性能
5.1.1 GH141鋼錠鍛造前應(yīng)進(jìn)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℃。
5.1.2 GH141冷軋薄板固溶狀態(tài)的反復(fù)彎曲和杯突性能見表5-1。
表5-1[9]
|
品種 |
熱處理制度 |
反復(fù)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 |
5.1.3 GH141旋壓性能 板材在保持細(xì)晶和較低的硬度時(shí)具有很好的可旋性。根據(jù)室溫拉伸斷面收縮率φ(%)算出極限減薄率φmax(%)=φ(%)/[0.17＋φ(%)]，各種形狀極限減薄率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 |
5.1.4 GH141熱塑性能
5.1.4.1 GH141d22mm軋材熱頂鍛塑性見表5-3，塑性圖見圖5-1。
表5-3[2]
|
試驗(yàn)溫度/℃ |
900 |
950 |
970 |
980 |
1000 |
1050 |
1100 |
1150 |
1170 |
1200 |
|
ε極限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 |
5.1.4.2 GH141d22mm軋材的熱模擬塑性試驗(yàn)結(jié)果見表5-4。
5.1.4.3 GH141d90mm棒材經(jīng)1065℃,4h,空冷＋760℃,16h,空冷熱處理后進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，其高溫拉伸塑性見表5-5。
5.1.5 GH141合金再結(jié)晶圖
5.1.5.1 GH141加工再結(jié)晶圖見圖5-2。
5.1.5.2 GH141固溶再結(jié)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(yàn)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 |
5.2 GH141焊接性能
5.2.1 GH141合金可熔焊、擴(kuò)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(shí)有產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效裂紋傾向，為將這種傾向減到最小，應(yīng)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(jìn)行過時(shí)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(yīng)力和恢復(fù)性能時(shí)，應(yīng)快速加熱通過時(shí)效硬化溫度區(qū)間，這樣可消除應(yīng)變時(shí)效開裂傾向。使用細(xì)晶、低雜質(zhì)含量母材，消除機(jī)械加工硬化，低的焊接線能量也可以降低應(yīng)變時(shí)效開裂傾向
5.3 GH141零件熱處理工藝
5.3.1 GH141在較低溫度下工作，要求零件具有高的拉伸強(qiáng)度和疲勞性能時(shí)，推薦采用1080℃，空冷＋760℃，16h，空冷。
5.3.2 GH141對(duì)在高溫下工作，又要求材料具有高的熱強(qiáng)性時(shí)，適宜的熱處理規(guī)范為1180℃，空冷＋900℃，4h，空冷。
5.3.3 GH141對(duì)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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