GH159鈷基變形高溫合金
材料牌號(hào)：GH159美國(guó)牌號(hào)：MP159
一、GH159概述
GH159合金是在國(guó)外多相鈷基高溫合金（MP合金）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(lái)阻止位錯(cuò)的長(zhǎng)程運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生強(qiáng)化，再經(jīng)過(guò)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(dòng)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(hào) GH159。
1.2 GH159相近牌號(hào) MP159(美國(guó))。
1.3 GH159材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
1.4 GH159化學(xué)成分 見(jiàn)表1-1。
表1-1%
| C | Cr | Ni | Co | Mo | Fe | Ti | Al | Nb | B | Mn | Si | P | S |
| 不大于 | |||||||||||||
| ≤0.04 | 18～20 | 余 | 34～38 | 6～8 | 8～10 | 2.5～3.25 | 0.1～0.3 | 0.25～0.75 | 0.03 | 0.20 | 0.20 | 0.02 | 0.01 |
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(dòng)機(jī)的緊固件，在600℃下性能穩(wěn)定，可長(zhǎng)期使用。是目前綜合性能最好的航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件材料。
合金主要是經(jīng)過(guò)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(duì)冷拔變形的工藝參數(shù)要嚴(yán)格控制。變形量過(guò)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
2.1.1 GH159熔化溫度范圍 熔點(diǎn)1318℃。
2.1.2 GH159熱導(dǎo)率 見(jiàn)表2-1。
表2-1
| 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 | - | |
表2-2
| 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 |
2.3 GH159電性能 合金的電阻率見(jiàn)表2-3。
表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 |
2.5 GH159化學(xué)性能
2.5.1 GH159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(kāi)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(kāi)裂的能力。
三、GH159力學(xué)性能
GH159技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能 見(jiàn)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 | - | |||||||
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(cè)定。試樣不應(yīng)在23h內(nèi)斷裂。試樣光滑部分拉斷后，其伸長(zhǎng)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(cè)定伸長(zhǎng)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(guò)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。
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(guò)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(guò)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
5.1.1 GH159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(kāi)坯裝爐溫度不高于600℃，加熱溫度為1120℃±10℃，時(shí)間不小于4h。開(kāi)鍛溫度不低于1050℃，終鍛溫度不低于950℃.合金熱軋開(kāi)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(guò)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。
5.1.2 GH159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。
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。可在冷加工強(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(jiàn)表5-1。
表5-1
| 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 |
