GH3128是一种高性能镍基固溶强化型高温合金,是我国自主研发的重要材料。其冷轧板形态凭借优异的综合性能,成为极端高温环境(特别是航空航天领域)关键部件的理想选择。
一、 核心化学组成
基体: 镍 (Ni) 是主要成分(余量),提供稳定的奥氏体基体和良好的高温基础。
核心强化元素:
钨 (W) 和钼 (Mo): 固溶强化主力军,显著提升合金高温强度和抗蠕变能力。
铬 (Cr): 提供卓越的抗氧化和抗热腐蚀性能,形成保护性氧化膜。
微量强化/稳定元素:
铝 (Al) 和钛 (Ti): 形成强化相γ' (Ni3(Al, Ti)),贡献部分强度,尤其在中等温度范围。
铈 (Ce): 微量添加,有效净化晶界,改善热加工塑性和持久强度。
碳 (C): 含量严格控制,主要形成碳化物强化晶界,过量则可能损害塑性。
硼 (B) 和镁 (Mg): 极微量添加,进一步强化晶界,提升持久和蠕变性能。
二、 关键制造工艺 - 冷轧成型
冷轧板的生产是精密控制的过程:
熔炼与铸锭: 采用真空感应熔炼 (VIM) 或 VIM + 真空自耗重熔 (VAR) 获得高纯净度、成分均匀的铸锭。
热加工开坯: 铸锭经锻造或热轧开坯,破碎铸造组织,形成初步板坯。
热轧: 板坯在高温下轧制至中间厚度。
冷轧 (核心): 在室温或较低温度下进行多道次轧制。此过程:
显著提高板材的尺寸精度、表面光洁度和平直度。
大幅增加材料强度和硬度(加工硬化效应)。
需要严格控制每道次变形量和中间退火工艺,以消除加工硬化,恢复塑性,防止开裂。
固溶处理: 冷轧至最终尺寸后,板材需进行高温固溶处理 (通常1200-1250°C范围),然后快速冷却(水淬或空冷)。目的是:
溶解加工过程中析出的碳化物等第二相。
获得均匀的过饱和固溶体单相奥氏体组织。
消除冷轧应力,优化综合性能(强度、塑性、韧性、持久/蠕变性能的平衡)。
精整与检验: 进行矫直、表面处理(如酸洗、喷砂)、切割,并通过严格的尺寸、表面、力学性能和无损检测(超声、渗透等)。
三、 卓越的材料特性
出众的高温强度与抗蠕变性: 在950-1000°C高温下仍能保持较高的瞬时强度和优异的抗蠕变能力,是高温承力结构件的关键性能。
极佳的抗氧化性: Cr和Al共同作用,在高温下形成致密、粘附性好的Cr2O3和Al2O3保护膜,使其在空气环境中可使用到1100°C。在更高温度或特定气氛下需评估。
良好的抗疲劳性能: 在高温循环载荷下表现出较好的抵抗能力。
优秀的冷热加工塑性 (相对其他高温合金): 虽然高温合金普遍难变形,但GH3128在固溶态下具有相对较好的塑性,便于冷轧成型和后续的冲压、弯曲等制造工序。
满意的焊接性: 可采用氩弧焊 (TIG/GTAW)、电子束焊 (EBW) 等方法焊接,焊后通常需要进行适当的固溶处理以恢复性能。需注意防止焊接热裂纹。
四、 典型应用领域 (聚焦高温环境)
GH3128冷轧板主要用于制造承受极高温度、中等应力、要求优异抗氧化性的关键部件:
航空航天发动机:
燃烧室火焰筒、过渡段、导向器叶片、密封环、加力燃烧室部件。
涡轮外环、隔热屏、喷口调节片。
燃气轮机: 燃烧室衬套、过渡段、火焰稳定器。
高温热处理设备: 炉辊、辐射管、马弗罐、高温夹具。
能源与化工: 核工业高温部件、高温阀门部件。
五、 选用与加工注意事项
加工参数控制: 冷加工(冲压、剪切、弯曲)需考虑材料的加工硬化特性,可能需要中间退火。切削加工建议使用硬质合金刀具,低速大进给。
热处理制度: 固溶处理是关键,必须严格控制温度、时间和冷却速度。消除应力退火温度通常在850-950°C左右。
焊接工艺: 选择合适的焊接方法和参数(小线能量),使用匹配焊材,焊后热处理至关重要。
表面保护: 精密部件加工和存放过程中需注意表面防护,避免划伤。必要时进行酸洗、钝化或喷涂层(如抗氧化涂层)。
总结:
GH3128高温合金冷轧板是我国高温材料领域的重要成就,其核心价值在于优异的综合高温性能(强度、抗氧化、工艺性) 与精密的板材形态相结合。它满足了航空发动机等尖端装备对轻量化、高可靠性、极端耐热薄壁结构件的严苛需求。理解其成分设计、精密冷轧制造工艺、卓越性能特点及适用场景,对于该材料在高温领域的正确选材和成功应用至关重要。
以下是上海商虎集团一些常见且重要的GH高温合金牌号,按基体元素分类:
一、 镍基高温合金
这是应用最广泛、牌号最多的一类。
GH3030 (GH30): 固溶强化型。具有良好的热疲劳性能和抗氧化性,用于800℃以下工作的燃烧室、加力燃烧室等板材部件。
GH3039 (GH39): 固溶强化型。综合性能优于GH3030,抗氧化性更好,用于900℃以下的燃烧室等高温部件。
GH3044 (GH44): 固溶强化型。具有高的塑性和中等的热强性,优良的抗氧化性,用于950℃以下工作的燃烧室、加力燃烧室等板材部件。
GH3128 (GH128): 固溶强化型。具有高的塑性、良好的抗氧化性和冲压性能,用于950℃以下工作的火焰筒、加力燃烧室等板材部件。
GH3600 (GH600): 固溶强化型。对应国外Inconel 600。优良的高温耐腐蚀和抗氧化性能,用于化工、核工业等高温耐蚀环境。
GH3625 (GH625): 固溶强化型。对应国外Inconel 625。具有优异的耐腐蚀性(尤其是耐点蚀、缝隙腐蚀)、抗氧化性和良好的综合力学性能,用于航空航天、海洋工程、化工等领域。
GH4033 (GH33): 时效强化型。用于700-750℃工作的涡轮叶片等。
GH4037 (GH37): 时效强化型。用于750-800℃工作的涡轮叶片。
GH4049 (GH49): 时效强化型。具有较高的高温强度和良好的综合性能,用于850℃以下工作的涡轮叶片。
GH4080A (GH80A): 时效强化型。对应国外Nimonic 80A。用于700-800℃工作的涡轮叶片、螺栓等。
GH4090 (GH90): 时效强化型。对应国外Nimonic 90。用于850℃以下工作的涡轮叶片、导向叶片。
GH4093 (GH93): 时效强化型。用于750℃以下工作的涡轮盘。
GH4098 (GH98): 时效强化型。用于800-850℃工作的涡轮叶片。
GH4105 (GH105): 时效强化型。用于900℃以下工作的涡轮叶片。
GH4133 (GH33B): 时效强化型。GH4033的改进型,主要用于涡轮盘。
GH4141 (GH141): 时效强化型。对应国外Inconel X-750。具有优良的高温强度和抗氧化性,用于700℃以下工作的弹簧、紧固件、涡轮叶片等。
GH4163 (GH163): 时效强化型。用于850℃以下工作的燃烧室部件。
GH4169 (GH169): 最重要和应用最广泛的镍基高温合金之一。时效强化型。对应国外Inconel 718。具有优异的综合性能(高强度、良好的抗疲劳、抗氧化、耐腐蚀性),工艺性能好(可锻、可焊),用于650℃以下工作的航空发动机涡轮盘、压气机盘、环件、轴、紧固件、机匣、结构件等,也用于火箭发动机、核反应堆、石油化工等领域。
GH4202 (GH202): 时效强化型。用于900℃以下工作的导向叶片等。
GH4738 (GH738): 时效强化型。对应国外Waspaloy。具有高的蠕变强度和良好的抗氧化性,用于815℃以下工作的涡轮盘、叶片、紧固件等。
GH5188 (GH188): 固溶强化钴基合金。具有优异的抗氧化性和抗热腐蚀性,良好的冷热疲劳性能,用于980℃以下工作的导向叶片、燃烧室等。
二、 铁镍基高温合金
基体以铁镍为主(通常Ni含量≥25%)。
GH2036 (GH36): 时效强化型。用于650-700℃工作的涡轮盘、紧固件等。
GH2130 (GH130): 时效强化型。用于700-750℃工作的涡轮盘、叶片等。
GH2132 (GH132): 时效强化型。对应国外A286。具有较好的综合性能,用于650℃以下工作的涡轮盘、紧固件、承力构件等。
GH2135 (GH135): 时效强化型。GH2132的改进型,性能更高,用于700-750℃工作的涡轮盘。
GH2302 (GH302): 时效强化型。用于700℃以下工作的涡轮叶片。
GH2706 (GH706): 时效强化型。类似Inconel 718但含铁量更高,用于650℃以下工作的涡轮盘等。
GH2747 (GH747): 时效强化型。具有优良的抗氧化性和抗渗碳性,用于高温化工设备、热处理炉构件等。
GH2901 (GH901): 时效强化型。对应国外Incoloy 901。具有高的屈服强度和抗松弛能力,用于650℃以下工作的涡轮盘、轴、紧固件等。
GH2903 (GH903): 低膨胀高温合金。对应国外Incoloy 903。在较宽温度范围内具有低的热膨胀系数和恒弹性模量,用于航空发动机的环形件、机匣等需要控制间隙的部件。
GH2907 (GH907): 低膨胀高温合金。对应国外Incoloy 907。性能与GH2903类似,但抗拉强度更高。
GH2984 (GH984): 时效强化型。具有优良的抗热腐蚀性能,用于舰船和工业燃气轮机叶片等。
三、 钴基高温合金
GH5188 (GH188): 如前所述,固溶强化钴基合金。优异的抗氧化性、抗热腐蚀性和热疲劳性,用于导向叶片、燃烧室等。
GH5605 (GH605): 固溶强化钴基合金。对应国外L605 / Haynes 25。具有高的高温强度和优异的抗氧化性,用于燃烧室、导向叶片、航天器部件等。
GH6159 (GH159): 时效强化钴基合金(含Ni高)。对应国外MP35N / Co-35Ni-20Cr-10Mo。具有极高的强度、韧性和优异的耐腐蚀性(尤其耐海水、H2S环境),用于航空紧固件、弹簧、医疗器械等。
重要说明
牌号众多: 以上仅列举了部分常见和重要的牌号,实际GH牌号远不止这些(如GH2025, GH3039, GH3044, GH3128, GH4037, GH4043, GH4049, GH4090, GH4093, GH4098, GH4105, GH4133, GH4145, GH4163, GH4169, GH4199, GH4202, GH4220, GH4413, GH4500, GH4586, GH4698, GH4708, GH4710, GH4720Li, GH4738, GH4742, GH5188, GH5605, GH5941, GH6159, GH6783, GH738等等)。
对应关系: 很多GH牌号有对应的国外牌号(如Inconel, Nimonic, Waspaloy, Haynes, Incoloy等),但成分和性能指标可能存在细微差异,需查阅具体标准。
命名规则: GH后四位数字有其分类逻辑(例如前两位数字常代表不同的合金系列或强化方式),但作为使用者,主要依据标准规定的牌号来识别。
标准依据: 具体成分、性能要求、热处理制度等详细信息必须查阅最新的国家标准(GB/T 14992, GB/T 14993, GB/T 14994, GB/T 14995, GB/T 14996等)或相关行业、企业标准。
应用选择: 选择哪种GH合金取决于具体的工作温度、应力状态、环境(氧化、腐蚀)、寿命要求、工艺要求(铸造、锻造、焊接)和成本等因素。
总结: GH高温合金是一个庞大的体系,涵盖了从相对低端到顶尖性能的各类合金。了解具体牌号的特性需要查阅相应的国家标准或材料手册。在实际应用中,工程师会根据零件的服役条件和设计要求,从GH系列中挑选最合适的牌号。