GH4169

一、GH4169概述 

GH4169合金是以體心四方的γ"和面心立方的γ′相沉淀強(qiáng)化的鎳基高溫合金，在-253～700℃溫度范圍內(nèi)具有良好的,650℃以下的屈服強(qiáng)度居變形高溫合金的*,并具有良好的、抗輻射、、耐腐蝕性能,以及良好的加工性能、焊接性能和組織穩(wěn)定性，能夠制造各種形狀復(fù)雜的零部件，在宇航、核能、石油工業(yè)中，在上述溫度范圍內(nèi)獲得了為廣泛的應(yīng)用。

該合金的另一特點(diǎn)是合金組織對(duì)熱加工工藝特別敏感，掌握合金中相析出和溶解規(guī)律及組織與工藝、性能間的相互關(guān)系，可針對(duì)不同的使用要求制定合理、可行的工藝規(guī)程，就能獲得可滿足不同強(qiáng)度級(jí)別和使用要求的各種零件。供應(yīng)的品種有鍛件、鍛棒、軋棒、冷軋棒、圓餅、環(huán)件、板、帶、絲、管等。可制成盤、環(huán)、葉片、軸、緊固件和彈性元件、板材結(jié)構(gòu)件、機(jī)匣等零部件在航空上使用。

1.1GH4169材料牌號(hào)GH4169(GH169)

1.2GH4169相近牌號(hào)Inconel718(),NC19FeNb(法 國)

1.3GH4169材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

GJB2612-1996《焊接用高溫合金冷拉絲材規(guī)范》

HB6702-1993《WZ8系列用GH4169合金棒材》

GJB3165 《航空承力件用高溫合金熱軋和鍛制棒材規(guī)范》

GJB1952 《航空用高溫合金冷軋薄板規(guī)范》

GJB1953《 航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)件用高溫合金熱軋棒材規(guī)范》

GJB2612 《焊接用高溫合金冷拉絲材規(guī)范》

GJB3317《 航空用高溫合金熱軋板材規(guī)范》

GJB2297 《航空用高溫合金冷拔（軋）無縫管規(guī)范》

GJB3020 《航空用高溫合金環(huán)坯規(guī)范》

GJB3167 《冷鐓用高溫合金冷拉絲材規(guī)范》

GJB3318 《航空用高溫合金冷軋帶材規(guī)范》

GJB2611《 航空用高溫合金冷拉棒材規(guī)范》

YB/T5247 《焊接用高溫合金冷拉絲》

YB/T5249 《冷鐓用高溫合金冷拉絲》

YB/T5245 《普通承力件用高溫合金熱軋和鍛制棒材》

GB/T14993《 轉(zhuǎn)動(dòng)部件用高溫合金熱軋棒材》

GB/T14994 《高溫合金冷拉棒材》

GB/T14995 《高溫合金熱軋板》

GB/T14996 《高溫合金冷軋薄板》

GB/T14997 《高溫合金鍛制圓餅》

GB/T14998 《高溫合金坯件毛壞》

GB/T14992 《高溫合金和金屬間化合物高溫材料的分類和牌號(hào)》

HB5199《 航空用高溫合金冷軋薄板》

HB5198 《航空葉片用變形高溫合金棒材》

HB5189 《航空葉片用變形高溫合金棒材》

HB6072 《WZ8系列用GH4169合金棒材》

1.4GH4169化學(xué)成分該合金的化學(xué)成分分為3類：標(biāo)準(zhǔn)成分、優(yōu)質(zhì)成分、高純成分，見表1-1。優(yōu)質(zhì)成分的在標(biāo)準(zhǔn)成分的基礎(chǔ)上降碳增鈮，從而減少碳化鈮的數(shù)量，減少疲勞源和增加強(qiáng)化相的數(shù)量，提高性能和材料強(qiáng)度。同時(shí)減少有害雜質(zhì)和氣體含量。高純成分是在優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上降低和有害雜質(zhì)的含量，提高材料純度和。

核能應(yīng)用的GH4169合金，需控制硼含量（元素成分不變），具體含量由供需雙方協(xié)商確定。當(dāng)ω（B）≤0.002%時(shí)，為與宇航工業(yè)用的GH4169合金加以區(qū)別，合號(hào)為GH4169A。

表1-1[1] % 

續(xù)表1-1% 

1.5GH4169熱處理制度合金具有不同的熱處理制度，以控制晶粒度、控制δ相形貌、分布和數(shù)量，從而獲得不同級(jí)別的力學(xué)性能。合金熱處理制度分3類：

Ⅰ：(1010～1065)℃?10℃，1h，油冷、空冷或水冷 720℃?5℃，8h，以50℃/h爐冷至620℃?5℃，8h，空冷。

經(jīng)此制度處理的材料晶粒粗化，晶界和晶內(nèi)均無δ相，存在缺口敏感性，但對(duì)提高沖擊性能和抵抗低溫氫脆有利。

Ⅱ：(950～980)℃?10℃，1h，油冷、空冷或水冷 720℃?5℃，8h，以50℃/h爐冷至620℃?5℃，8h，空冷。

經(jīng)此制度處理的材料有δ相，有利于消除缺口敏感性，是常用的熱處理制度，也稱為標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度。

Ⅲ：720℃?5℃，8h,以50℃/h爐冷至620℃?5℃，8h，空冷。

經(jīng)此制度處理后，材料中的δ相較少，能提高材料的強(qiáng)度和沖擊性能。該制度也稱為直接時(shí)效熱處理制度。

1.6GH4169品種規(guī)格和供應(yīng)狀態(tài)可以供應(yīng)模鍛件（盤、整體鍛件）、餅、環(huán)、棒（鍛棒、軋棒、冷拉棒）、板、絲、帶、管、不同形狀和尺寸的緊固件、彈性元件等、交貨狀態(tài)由供需雙方商定。絲材以商定的交貨狀態(tài)成盤狀交貨。

1.7GH4169熔煉和鑄造工藝合金的冶煉工藝分為3類：真空感應(yīng)加電渣重熔；真空感應(yīng)加真空電弧重熔；真空感應(yīng)加電渣重熔加真空電弧重熔。可根據(jù)零件的使用要求，選擇所需的冶煉工藝，滿足應(yīng)用要求。

1.8GH4169應(yīng)用概況與特殊要求制造航空和航天發(fā)動(dòng)機(jī)中的各種靜止件和轉(zhuǎn)動(dòng)件，如盤、環(huán)件、機(jī)匣、軸、葉片、緊固件、彈性元件、燃?xì)鈱?dǎo)管、密封元件等和焊接結(jié)構(gòu)件；制造核能工業(yè)應(yīng)用的各種彈性元件和格架；制造石油和化工領(lǐng)域應(yīng)用的零件及零件。

近年來，在對(duì)該合金研究不斷深化和對(duì)該合金應(yīng)用不斷擴(kuò)大的基礎(chǔ)上，為提高質(zhì)量和降低，發(fā)展了很多新工藝：真空電弧重熔是采用氦氣冷卻工藝，有效減輕鈮偏析；采用噴射成型工藝，生產(chǎn)環(huán)件，降低生產(chǎn)和縮短生產(chǎn)周期；采用超塑成型工藝，擴(kuò)大產(chǎn)品的生產(chǎn)范圍。

二、GH4169物理及化學(xué)性能 

2.1GH4169熱性能

2.1.1GH4169熔化溫度范圍1260～1320℃。

2.1.2GH4169熱導(dǎo)率見表2-1。

表2-1[2] 

2.1.3GH4169比熱容見表2-2。

2.1.4GH4169線膨脹系數(shù)見表2-3；

2.2GH4169密度ρ=8.24g/cm3。

2.3GH4169電性能

表2-2[2] 

表2-3[2] 

2.4GH4169磁性能合金無磁性。

2.5GH4169化學(xué)性能

2.5.1GH4169性能在空氣介質(zhì)中試驗(yàn)100h后的氧化速率見表2-4。

表2-4 

三、GH4169力學(xué)性能 

優(yōu)質(zhì)棒材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能見表3-1。

表3-1[1] 

注：熱處理制度：Ⅱ。

四、GH4169組織結(jié)構(gòu) 

4.1相變溫度γ"相是該合金的主要強(qiáng)化相，其高穩(wěn)定溫度是650℃，開始固熔溫度為840～870℃，*固熔溫度是950℃，γ′相也是該合金的強(qiáng)化相，但數(shù)量少于γ"相，其析出溫度是600℃，*熔解溫度是840℃；δ相的開始析出溫度是700℃，析出峰溫度是940℃，980℃開始熔解，*熔解溫度是1020℃。

4.2時(shí)間-溫度-組織轉(zhuǎn)變曲線見圖4-1。

4.3合金組織結(jié)構(gòu)

4.3.1合金標(biāo)準(zhǔn)熱處理狀態(tài)的組織由γ基體、γ′、γ"、δ、NbC相組成。γ"(Ni3Nb)相是主要強(qiáng)化相，為體心四方有序結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)定相，呈圓盤狀在基體中彌散共格析出，在時(shí)效或應(yīng)用期間，有向δ相轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，使強(qiáng)度下降。γ′(Ni3(Al、Ti))相的數(shù)量次于γ"相，呈球狀彌散析出，對(duì)合金起一部分強(qiáng)化作用。δ相主要在晶界析出，其形貌與鍛造期間的終鍛溫度有關(guān)，終鍛溫度在900℃，形成針狀，在晶界和晶內(nèi)析出；終鍛溫度達(dá)930℃，δ相呈顆粒狀，均勻分布；終鍛溫度達(dá)950℃，δ相呈短棒狀，分布于晶界為主；終鍛溫度達(dá)980℃，在晶界析出少量針狀δ相，鍛件出現(xiàn)持久缺口敏感性。終鍛溫度達(dá)到1020℃或更高，鍛件中無δ相析出，晶粒隨之粗化，鍛件有持久缺口敏感性。鍛造過程中，δ相在晶界析出，能起到釘扎作用，阻礙晶粒粗化。

4.3.2L相是變形GH4169合金中不允許存在的相，該相富鈮，存在于鑄錠枝晶間，降低鑄錠初熔點(diǎn)，鑄錠中L相固溶溫度和均勻化時(shí)間的關(guān)系見圖4-2。

4.3.3晶粒度

4.3.3.1合金在高溫固熔（保溫2h）時(shí)的晶粒長(zhǎng)大傾向見圖4-3。

4.3.3.2棒材（原始晶粒9～9.5級(jí)）經(jīng)不同溫度加熱并以不同變形量鍛造變形后，再經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)熱處理（固溶溫度965℃，1h），其晶粒度的變化見表4-1。

4.3.3.3鍛件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，普通鍛件平均晶粒度為4級(jí)，允許個(gè)別2級(jí)，高強(qiáng)鍛件平均晶粒度為8級(jí)，允許個(gè)別2級(jí)；直接時(shí)效鍛件平均晶粒度應(yīng)為10級(jí)或更細(xì)。

4.3.4直接時(shí)效的鍛件在600～700℃時(shí)效500h后，析出相數(shù)量的變化見表4-2。

表4-1[19] 

表4-2[11] 

五、GH4169工藝性能與要求 

5.1成型性能

5.1.1因GH4169合金中鈮含量高，合金中的鈮偏析程度與冶金工藝直接相關(guān)。電渣重熔和真空電弧熔煉的熔煉速度和電棒的質(zhì)量狀態(tài)直接影響材質(zhì)的優(yōu)劣。熔速快，易形成富鈮的黑斑；熔速慢，會(huì)形成貧鈮的白斑；電棒表面質(zhì)量差和電棒內(nèi)部有裂紋，均易導(dǎo)致白斑的形成，所以，提高電棒質(zhì)量和控制熔速及提高鋼錠的凝固速率是冶煉工藝的關(guān)鍵因素。為避免鋼錠中的元素偏析過重，至今采用的鋼錠直徑不大于508mm。

均勻化工藝必須確保鋼錠中的L相*熔解。鋼錠兩階段均勻化和中間坯二次均勻化處理的時(shí)間，根據(jù)鋼錠和中間坯的直徑而定。均勻化工藝的控制與材料中的鈮偏析程度直接相關(guān)。

目前生產(chǎn)中采用的1160℃，20h?1180℃，44h的均勻化工藝，尚不足以消除鋼錠中心的偏析，因此建議采用以下均勻化工藝：

1.1150～1160℃，20～30h＋1180～1190℃，110～130h；

2.1160℃，24h＋1200℃，70h[20]。

5.1.2經(jīng)均勻化處理的合金具有良好的熱加工性能，鋼錠的開坯加熱溫度不得超過1120℃。鍛件的鍛造工藝應(yīng)根據(jù)鍛件使用狀況和應(yīng)用要求，結(jié)合生產(chǎn)廠的生產(chǎn)條件而定。開坯和生產(chǎn)鍛件是，中間退火溫度和終鍛溫度必須根據(jù)零件所要求的組織狀態(tài)和性能來確定，一般情況下，鍛造的終鍛溫度控制在930～950℃之間為宜。各類鍛件的鍛造溫度和變形程度見表5-1。

表5-1[17] 

5.1.3與板材冷成形有關(guān)的性能見表5-2。

5.1.4鍛件的變形程度、終鍛溫度和晶粒尺寸之間的關(guān)系見圖5-1。

5.1.5合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶見圖5-2。

5.1.6發(fā)動(dòng)機(jī)葉片模鍛件由頂鍛和終鍛二道工序模鍛而成，不同的鍛造加熱溫度對(duì)葉片的影響見表5-3，以1020℃頂鍛和終鍛的葉片組織性能為。

5.1.7合金在高溫下的變形抗力曲線見圖5-3。

5.2焊接性能合金具有滿意的焊接性能，可用氬弧焊、電子束焊、縫焊、點(diǎn)焊等方法進(jìn)行焊接。

對(duì)直接時(shí)效狀態(tài)的零部件，推薦采用慣性摩擦焊以保持其強(qiáng)化效果，選用合適的摩擦焊工藝參數(shù)，在保留細(xì)晶組織的同時(shí)，焊縫邊緣及熱影響區(qū)還可以保留強(qiáng)化相γ′和γ"以及δ相，因此對(duì)接頭性能無明顯影響，對(duì)直接時(shí)效的鍛件，可在鍛造狀態(tài)進(jìn)行摩擦焊，焊后再進(jìn)行直接時(shí)效處理（制度Ⅲ），可獲得持久強(qiáng)度很高的焊接接頭[21]。

表5-2 

表5-3[19] 

5.3零件熱處理工藝航空零件的熱處理通常按1.5條規(guī)定的Ⅱ、Ⅲ兩種制度，即標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度和直接時(shí)效熱處理制度進(jìn)行。再有技術(shù)依據(jù)的條件下，也可采用制度熱處理。按標(biāo)準(zhǔn)制度熱處理時(shí)，固溶處理可在950～980℃范圍內(nèi)，在選定的溫度?10℃下進(jìn)行。

5.4表面處理工藝必要時(shí)可對(duì)零件表面局面進(jìn)行噴丸強(qiáng)化、孔擠壓強(qiáng)化或螺紋滾壓強(qiáng)化工序，使零件在交變載荷條件下工作的壽命成倍增長(zhǎng)。

對(duì)要求噴涂耐磨封嚴(yán)涂層的零件，可采用等離子噴涂或噴涂工藝，以噴涂為佳，噴涂涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，涂層致密、硬度高、孔隙率低，耐磨性好。

5.5切削加工與磨削性能合金可滿意地進(jìn)行切削加工。

機(jī)械加工時(shí)必須確保圓弧達(dá)到設(shè)計(jì)要求和平滑過渡，不允許在機(jī)械加工、裝配或運(yùn)輸中出現(xiàn)尖角、坑與劃傷缺口，因?yàn)樵谶@些缺陷出，可形成過量的應(yīng)力集中，在使用中會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生。

六、GH4169(GH169)低溫抗拉及屈服性能（含熱處理工藝） 

表6-1—溫度對(duì)熱軋棒材的拉伸性能影響

表6-1 

注：以上樣品熱處理工藝：980℃?5℃退火，1小時(shí) 720℃?5℃時(shí)效，8小時(shí)，空冷至620℃?5℃，在620℃?5℃保溫到總時(shí)效時(shí)間達(dá)到18小時(shí)， 空冷

表6-2—鍛件（短橫向?qū)嶒?yàn)）的低溫性能

表6-2