GH4141(GH141)鎳基變形高溫合金

中國牌號：GH141/GH4141

美國牌號：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，焊接部件熱處理時易產(chǎn)生應(yīng)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(qiáng)度和980℃以下要求抗氧化的航空、航天發(fā)動機(jī)高溫零部件。

1.1 GH141材料牌號 GH141(GH4141)。

1.2 GH141相近牌號 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)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的應(yīng)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(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(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)固件和時效處理后的室溫硬度HRC30(HBS283)。

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/℃ 4.2 GH141時間-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℃時效2～96h,析出相數(shù)量和時效溫度的關(guān)系見圖4-2。

4.2.3 GH1415000h長期時效后，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。熔焊縫在熱處理時有產(chǎn)生應(yīng)變時效裂紋傾向，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，應(yīng)快速加熱通過時效硬化溫度區(qū)間，這樣可消除應(yīng)變時效開裂傾向。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，推薦采用1080℃，空冷＋760℃，16h，空冷。

5.3.2 GH141對在高溫下工作，又要求材料具有高的熱強(qiáng)性時，適宜的熱處理規(guī)范為1180℃，空冷＋900℃，4h，空冷。

5.3.3 GH141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。