镍基合金热处理校对资料docWord下载.docx

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）及应力松弛率（

）见表8-5｡由该表中数据可知,在320℃下夹持150h后,3J-1片簧的挠度变化值为0.084mm,3J-3比3J-1好,是其81%,GH2I32（A286）合金者更好,是其51%｡如在400℃试验时,三种材料的挠度均相应减小,但更显出GH2132合金优于3J-3,以3J-1合金最差｡某厂用3J-1合金制成的上述尺寸的刮

片簧在装车试验时失效｡

失效的3J-1合金片簧由均匀弓形的一段变成近似平直,其余部分仍然完好｡平直的部分表面发黑｡在发黑（平直）部分､完好部位和介于两者之间的过渡部位分别取样,进行金相组织观察｡结果是:

完好部位仍为3J-1合金时效后组织;

过渡部位已开始了局部再结晶,但仍只留了部分

′相;

而发黑部位几乎是全部再结晶,但其再结晶过程并未完成｡

3J-1合金的再结晶开始温度在800℃左右,由金相组织分析表月,发黑部位的实际温度决非们400℃,而接近800℃｡造成刮片弹簧局部温度升高的原因比较复杂,主要有刮片簧､刮片和刮片槽之间的间隙在槽的两端不等（因加工精度不高）,间隙较大的一端受到高温燃气的

冲刷作用较强,此时刮片簧部分受热大,故温升过高,导致组织和性能发生急剧变化而失效｡从表8-5中对比可知,3J-3的抗松弛性能优于3J-1合金,但劣于GH2132（A286）合金｡调整时效工艺可以改善松弛性能,例如3J-3合金的刮片簧分别在时效温度600℃､650℃､700℃及750℃×

4h进行时效处理,在400℃×

400h的条件下进行夹持试验后的松弛率相应为10.65%､7.8%､6.53%和15.3%,表明时效工艺不同对片簧的高温抗立力松弛性能的影响相当显著｡但是,3J-3合金的最高工作温度不超过400℃,用它制作该刮片弹簧仍不能满足设计要求｡

如选用GH2132（A286）合金制作该刮片簧,它在650℃的屈服强度（

）､弹性极限（

）及疲劳强度（

）都下降很少,但高温持久强度在600℃以上时下降较快（图8-2）｡它在538℃时的松弛特性参看表8-3,如在140h后的负荷损失率已达10%（试验应力为549MPa）｡从表8-5可看出,它的抗应力松弛性能明显优于3J-3合金,也只能在550℃以下长期工作｡

8.3.2高温合金GH4169（InconeI7I8合金）的应力松弛

从铁基高温合金3J-1刮片簧的失效分析可知,该材料的耐热稳定性（如抗氧化等）和热强性不够好,不能满足刮片簧的使用要求｡镍基高温高弹性合金的特点是热强性更好､抗氧化和耐蚀性高｡选用GH4169（7I8）合金制作刮片簧,在某厂TZ2120型转子发动机上通过了600h的装机试验｡为此,必须对镍基高温合金的合金化原理､热处理工艺及处理后的高温力学性能等有一个扼要的了解｡

镍基高温高弹性合金的合金化原理与铁基大体相似,目的都是为了满足热稳定性和热强性更高､更好的技术要求｡耐热（高温）稳定性主要包括抗氧化性､组织结构稳定性和力学性能等｡铁的熔点比镍稍高,但镍的抗氧化能力大｡镍是面心立方结构（即奥氏体）,其结构稳定性比钢（奥氏体钢）要高｡因此,镍基合金比铁基合金具有更好的耐热稳定性｡热强性是指镍基（或铁基）固溶体的强度,固溶强化是研制高温合金的重要指导思想｡这类合金命名为GH3×

×

其中3代表固溶强化的镍基合金｡另一条思路就是固溶后必须通过时效处理方能达到强化效果,这就是时效硬化型镍基高温合金,相应牌号为GH4×

其中4代表时效强化的镍基合金｡为了提高合金的耐热稳定性,加人20%左右的Cr,如另加人Mo､Co､W等元素,则含铬量可减少到10%~I3%｡为了提高时效硬化效果,应适量添加（Ti+Al）等合金元素,并且两者的含量为2:

1（Ti:

Al）时具有良好的高温强度和抗热腐蚀性能｡由于这类合金进行高温固溶处理后一般需经过热或冷塑性变形,获得线材或板材或加工成所需形状的弹性元件,再通过时效处理达到所需的强韧性配合｡由以上对3J-1型铁基耐热合金制成的刮片簧的失效分析可知,再结晶温度是另一个重要指标｡如果元件工作温度过高,达到了合金的再结晶温度时将发生再结晶,甚至是聚集再结晶现象,使材料几乎完全丧失高强硬性和高弹性（失效）｡为了提高这类合金的再结晶温度几,必须选用高熔点金属元素（因Tr≈0.4

）和适量加人那些能阻碍其再结晶过程的合金元素,例如Ti､Nb､Zr及B等｡

所以,镍基高温高弹合金是Ni-Cr系和Ni-Cr-Co系合金,基体是奥氏体,另加人Mo､W､Nb､Ti､Al､B等元素形成强化相｡但（Mo+W）含量不得大于10%,（Ti+Al）`总含量不得大于5%,否则,热加工性能变坏｡

镍基高温高弹合金的力学性能与其组织结构密切相关,如晶粒大小､碳化物及金属间化物（

′）的形态､大小和分布等都是通过热处理工艺来控制的｡这类合金的热处理一般由固溶处理､中间处理和时效处理组成｡固溶处理的目的是为了溶人较多的碳化物和γ′相而获得过饱和的固溶体（即合金奥氏体）;

其次是为了得到适当的晶粒度在高温下长期工作的元件,晶粒度以3~4级为好,这样可得到较高的抗蠕变性能｡固溶温度一般在1040~1230℃范围内选择｡此类合金经高呈固溶处理后再加低温时效便可得到足够好的拉伸和短期的持久性能,但由于组织仍不够稳定,不适于制造长期服役的弹性元件｡为此,需在时效前进行850~1100℃的中间处理,主要作用是改变在奥氏体晶界上析出碳化物的形态､数量和分布,也使γ′相的分布更为合理｡时效处理的目的是更充分而均匀地析出γ′强化相质点,一般选700~1000℃为宜（含Al､Ti较多时取高限）,有些合金采用多次热处理规范（如两次固溶+两次时效）可提高它的蠕变性能和长期使用的稳定性能｡

镍基高温高弹性合金经过热处理后的高温力学性能见表8-6｡该表中前两个牌号属于Ni-Cr系,后两个牌号属于Ni-Cr-Co系｡看来,含Co的镍基高温合金具有更高的持久耐热性能｡

GH4169（Inconel718）合金是以

相

析出强化的Ni-Cr-Fe合金｡它除有良好的抗氧化性和耐蚀性外,在700℃以下的组织稳定性和热强性也相当不错｡它的高温力学性能见图8-6同温度下的弹性模量（E和G）见图8-7,不同温度下的持久强度见图8-8｡

由图8-6及8-7可知,温度升高时,强度指标（

､

）和弹性模量（E和G）都逐渐降低,塑性（

）几乎不变｡当温庋超过650℃时,上述各项性能指标均急剧下降｡从图8-8中各曲线变化趋势可知,540℃的持久强度随时间延长而下降的趋势较小,而目.偏离直线不大,到700℃的持久强度随时间延续而下降的趋势明显加快,而且偏离直线也明显提前｡曲此可见,GH4169（718）合金只能在600℃可使用1万小时以上｡

GH4169（718）合金板材经过不同的冷变形加工后制成上述刮片弹簧在550℃作静态夹持试验,发现弹力和挠度的下降率均随冷变形量的减小而减小（图8-9）,当冷变形量达30%时,片簧的负荷（弹力）损失率增大5倍｡试验结果表明,工作温度比较高时,该合金片材不进行冷

变形加工｡只进行过固溶处理（为1000℃）及时效处理后的刮片簧具有最好的抗应力松弛性能（图8-9中曲线1）｡如簧片必须减薄时,变形量宜相应减小｡对于高温合金制成的片簧或其他弹性元件,工作温度越高,冷变形量宜越小｡两者大致存在如下关系:

使用温度范围150~320℃､320~480℃及大于500℃时对应的冷变形量为30%､30%-15%和小于15%｡

总之,温度对各种弹性材料应力松弛的影响非常显著｡通过前述各章表明,无论是碳素弹簧钢`低合金弹簧钢或各种不锈钢,还是耐热钢或高温合金,只要是通过冷塑性变形（如冷拔或冷轧等）得到时型材,在退火､时效或加热强压处理中的温度一旦超过其再结晶温度,就会使材料的弹惟､微塑性变形抗力指标及元件的抗应力松弛性能严重恶化｡所以,各种弹簧或弹性元件的工作温度不应超过选用材料的再结晶温度｡由此可推论出一条思路,即选择高熔点金属元素为基,如铁基､镍基及铌基合金作为高温合金的主要原因就是这些金属元素再结

晶温度比较高的缘故｡影响再结晶温度的其他因素有二｡一是适当加入一些强碳化物形成元素,如W､Mo､Ⅴ､Zr､Nb等及微量的硼（B）,通过时效析出金属间化合物或碳化物和硼化物并分布在奥氏体晶界附近,阻碍其再结晶过程,

同时也非常有效地提高微塑性变形的抗力指标因而有利于改善合金的抗松弛性能｡二是冷塑性变形程度对材料的再结晶过程有重要影响｡众所周知,泠变形程度越大,再结晶温度越低｡也可以说,冷变形程度越大,材料组织的稳定性越差,越容易发生再结晶现象和应力松弛现象｡这对对高温高弹合金尤为重要｡

GH4169合金制成的刮片弹簧进行热强弯处理（即用夹板将压平､于500℃保持8h）和未进竹的弹簧比较,经450℃x600h的动态模拟实验（和工况条件类似）后测量挠度的变化,结果见表8-7｡

由该表可知,热强弯处理能有效提高GH4169（718）合金刮片抗应力松弛性能｡

3.3,3NiCr15Fe7NbTi2Al（InconelX-750）

美国早期研制的镍基高温合金:

Incone1X-750}是以Al､Ti､Nb强化制成的Ni-Cr-Fe系合金｡它的持点是:

在816℃以下有良好的抗腐蚀和抗氧化性能,也有良好的蠕变性能和高温持久强度,又能耐低温（-253℃）,成型性能亦较好｡它主要用于制造宇航工业中的高温高

弹性元仵｡该合金的典型热处理工艺如下｡

①退火,955~1010℃,水冷｡

②完全热处理,固溶处理+时效处理｡前者的工艺参数为1135~1165℃×

2~4h,空冷;

后者的工艺参数为830~855℃×

24h,空冷,690~720℃×

20h,空冷｡

③特殊热处理｡板材和带材的具体工艺为退火（600~700℃）×

20h,空冷;

棒材相应为970~995℃×

1h,空冷的固溶处理+分级时效725~740℃×

8h,炉冷,冷速55℃/h,冷却到615~630℃时保温,总时效时问为18h,空冷｡

热处理时应在无硫的中性或还原性气氛中进行｡薄带材（厚度<

0.5mm）应在氩气或干燥的氢气中退火,以免损失表面强化元素｡用硬带材或线材制成的弹簧必须进行回火处理,如在635~665℃时效4h后空冷,可获得最好的室温强度｡为了在480~650℃工作时具有最好的抗松弛性能,对于已进行65%冷变形的线材应选择完全热处理工艺｡Ⅹ-750合金经热处理后在不同温度下的力学性能见图8-10由该图可看出,温度超过6000℃时,它的强度（

）迅速下降｡因此,以该合金制成的弹性元件也只能在650℃以下使用｡x-750合金在不同温度下的持久强度见图8-11｡由该组曲线可知,温度越高,持续的时间越长,其强度越低｡从540℃到730℃范围内,其持久强度几乎按比例降低,下降的速率大体相同;

当温度在760:

~815℃时,其持久强度以更快的速率降低｡

Ⅹ-750合金不同温度下的弹性模量见图8-12｡该图和图8-7基本类似,说明InconelX-750和718合金的弹性模量均随温度升高而降低｡并且,动态测定的E､G高于静态时测定值,温度越高时差值也越大｡用Ⅹ-750合金丝冷卷成簧,经730℃×

16h,室冷时效后在应力=69-491MPa､温度为430~595℃条件下的应力松弛曲线见图8-13｡比较这些曲线可知,松弛过程均可分为两个阶段:

瞬态松弛和稳态松弛｡图中实线为时效硬化弹簧测得的松弛曲线｡由此可见,提高松弛试验温度或增大试验应力水平均使弹簧的变形量（ε,%）增加｡例如,当试验应力为412MPa时,该簧在430℃松弛20天后,变形量小于4%;

如在595℃松弛同样长的时间,变形量超过了14%（增大3.5倍）｡从图8-13c还可看出,如果经过65%的冷变形的硬材制成的同样的弹簧也在430℃松弛不同时间,其松弛变形量也显著增大（如虚线所示）｡这再一次证明,冷塑性变形程度过大时将降低合金的抗应力松弛性能｡

8.3.4Ni-Cr-Co系镍基高温合金的应力松弛

Ni-Cr-Co系镍基高温合金是Ni-Cr~W（Mo）-Co沉淀硬化型材料｡常用牌号有NiCr19Co6W10Ti3AlB（3N578）､NiCr19Co11-Mo10Ti3AlB（GH141）及NiCr19Co13Mo4Ti3AlB（美Wapaloy）等｡上述合金中的Ni､Cr､Ti､Al及B的含量基本相同,主要差别是Co及W（Mo代）的含量稍有不同｡其性能特点是:

强度､弹性和塑性在-196~600℃范围内优于3J型合金,在热带海洋性大气或某些腐蚀性介质中具有很高的稳定性,适于制造在500~600℃工作的仪表弹性元件｡弹性合金的主要力学性能指标是σe､σp､σs及弹性模量E､G与温度的关系｡抗松弛（或抗蠕变）性能是否良好,对弹性元件的品质具有决定性意义｡首先介绍EN578合金的性能特点｡图8-14为该合金在不同温度下的弹性模量和强度指标｡从该图可看出,固溶处理后进行30%的冷变形将提高强度指标（特别是σp提高更显著）,但使塑性（

）降低｡这种趋势可维持到600℃｡该合金0.38mm厚的带材常在弯曲条件下工作,抗弯性能见图8-15｡由该图可知,冷轧带材的各向（纵向和横向）同性良好｡该种材料的应力松弛性能见图8-16｡由该图可见,

松弛过程明显分为两个阶段｡瞬态松弛只经历50~100h后便进人稳态松弛阶段,此时的松弛速率很小并趋于一恒定值,即应力降低10%之后,合金的性能趋向稳定｡另一方面,它的纵向比横向具有更好的抗松弛性能｡

其次分析GH141合金｡它经1080℃固溶处理和760℃×

16h时

GH141合金的弹性模量E和G也随试验温度的升高而下降｡图8-17可见,E在650℃左右时下降趋势较快,G值随温度升高呈线性缓慢降低｡

该合金经不同处理制成的弹簧在不同温度､应力及时间（5h-140h）条件下的负荷损失率如表8-10所列｡仔细分析该表中的数据可知可知,固溶后制作的弹簧经时效后在相同的松弛温度（538℃）下､于不同试验应力时､松弛5~140h范围内的负荷损失率变化不大（6%~10%）,但进行过冷变形（15%~30%）的材料制成的弹簧经相同时效处理的负荷损失率（松弛试验条件相同）将增大91倍左右｡并且,冷变形量越大,松弛率越大｡如果提高试验温度（由538℃提高到704℃）,弹簧的负荷损失率更是成倍增长（不过,应注意,此组合金的时效工艺是816℃×

16h,雨不是上一组那样的732℃×

16h）｡上述试验结果表明,冷变形量增大时将使弹簧的松弛迟缓增大,固溶状态材料比冷变形大的材料制成的簧具有较好的抗应力松弛性能｡该合金在700℃以上时由于松弛量过大不宜使用｡

8.3.5Ni-Cr-Nb系高温高弹性合全的应力松弛

这种镍基合金中含10%~25%Cr和8%~13%Nb｡因为铌（Nb）是形成化合物很强的元素,在时效处理时可得到最大的沉淀硬化效果,使合金的热强性迸一步提高并且耐磨性､抗松弛性能均好｡它的主要牌号有:

NiCr15Nb10Mo5Al､NiCr15Nb9Mo3W2Al和NiCr25Nb8Mo3W2Al三种｡其最佳热处理工艺为:

固溶温度1100-1150℃,时效工艺为750℃五小时｡热处理后的硬度达HRC46~48｡时效后三种合金有几乎相同的弹性极限

=1079~1117MPa｡该系合金的短时高温力学性能如图8-18所示｡由此图可知,在500-600℃以下时它的

几乎不变｡该系含金的热稳定性能好坏可由长期的高温松弛试验进行评定｡

上述三种牌号的Ni-Cr-Nb系合金的应力松弛曲线见图8-19｡由该图可见,在500℃时三种合金具有近似的良好的抗松弛性能｡在保持200h后,应力降低I0%-13%｡这种降低主要是在松弛I阶段（5~10h）造成的（图8-19a）,由于NiCr25Nb8Mo3W2Al中含有更多的难熔合金元素,在550℃x200h松弛后的应力降低仅14%,而另外两种合金降低达19.5%-23%（图8-19b）｡如在600℃作松弛试验时,上述两种合金的应力松弛达32%和36%｡由此可见,第三种合金的抗应力松弛性能最好（见图8-19c）

总之,上述几种Ni-Cr~Nb系高温合金,可供制造550℃下长期工作的弹性元件,其综合力学性能和物理性能均优于3J-2和3J-3合金这些合金在硝酸为基的腐蚀介质中有良好的耐蚀性｡Ni-Cr-Nb系合金经固溶处理后的金相组织为γ固溶体和少量过剩相:

:

Ni3Nb､M6C及Nb（C､N）等｡在750℃×

5~10h时效后从γ固溶体中析出近20%的Ni3Nb相,此时可获得最大沉淀强化效果｡如时效温度过高（如达800℃以上）时将开始形成珠光体类组织（粗片状）,导致合金强度下降｡