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GH4065A鎳基變形高溫合金（化學(xué)成分）的組織控制與力學(xué)性能
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時(shí)間：2015-09-25
基于對(duì)GH4065A合金鍛態(tài)組織特點(diǎn)的分析，探討沉淀強(qiáng)化型高合金化變形高溫合金的組織控制原理，并測(cè)試力學(xué)性能以評(píng)述該合金的應(yīng)用前景。
?渦輪盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的4大關(guān)鍵熱端部件之一，服役環(huán)境極為苛刻，新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪盤的工作溫度已超過700℃。目前使用最廣泛的鐵鎳基變形高溫合金GH4169（美國(guó)牌號(hào)IN718）渦輪盤（工作溫度小于650℃）不能滿足其使用需求，而性能更為優(yōu)異的鎳基粉末高溫渦輪盤（工作溫度大于750℃）成本過高。因此，如何采用變形高溫合金的鑄-鍛工藝，制備出700℃以上使用的力學(xué)性能與粉末渦輪盤相當(dāng)?shù)牡统杀緶u輪盤，是近年來(lái)國(guó)際變形高溫合金領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。例如，美國(guó)ATI與GE公司在第2代粉末合金Rene88DT的基礎(chǔ)上發(fā)展的Rene65合金，法國(guó)A&D公司在U720Li基礎(chǔ)上發(fā)展的AD730合金等，能夠填補(bǔ)700℃以上使用的低成本、高性能渦輪盤材料的空白，可應(yīng)用于下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
2012年，中國(guó)在“大尺寸高溫合金結(jié)構(gòu)件材料研制及熱加工技術(shù)”（863計(jì)劃）與“高溫合金材料設(shè)計(jì)與制備的基礎(chǔ)研究”（973計(jì)劃）項(xiàng)目的支撐下，與歐美幾乎同步開展了700℃以上使用的高合金化高溫合金GH4065A渦輪盤的基礎(chǔ)研究與渦輪盤制備技術(shù)的開發(fā)。該研究基于損傷容限設(shè)計(jì)原則，通過成分調(diào)整與工藝優(yōu)化開發(fā)出GH4065A合金，并采用先進(jìn)的鑄-鍛工藝制備直徑600mm以上的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用全尺寸高壓渦輪盤。至今，已取得了突出進(jìn)展，GH4065A合金全尺寸渦輪盤的制備可行性已得到驗(yàn)證，組織與性能控制成為下一步研制的關(guān)鍵。
GH4065A合金的合金化水平與粉末高溫合金相當(dāng)，強(qiáng)化相γ'相的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到43.0%，突破了變形工藝生產(chǎn)高溫合金渦輪盤鍛件的瓶頸。然而，這類高γ'相含量的變形高溫合金，γ'相在組織演化中的作用更為重要，其組織控制原理顯著區(qū)別于傳統(tǒng)變形高溫合金或粉末高溫合金，因此有必要進(jìn)行系統(tǒng)研究。鑒于此，研究人員基于對(duì)GH4065A合金鍛態(tài)組織特點(diǎn)的分析，探討沉淀強(qiáng)化型高合金化變形高溫合金的組織控制原理，并測(cè)試力學(xué)性能以評(píng)述該合金的應(yīng)用前景。
GH4065A合金與美國(guó)Rene65合金相近，是在Rene88DT合金成分的基礎(chǔ)上優(yōu)化而來(lái)，成分調(diào)整的目的在于：改變?chǔ)?相的成分、降低其溶解溫度、影響其析出動(dòng)力學(xué)，進(jìn)而增大合金的熱加工窗口，以適應(yīng)變形高溫合金鍛件生產(chǎn)的鑄-鍛工藝。研究用GH4065A合金的名義成分為C0.03%，Cr16.0%，Co13.0%，F(xiàn)e1.0%，Ti3.7%，Al2.1%，Nb0.7%，Mo4.0%，W4.0%，Ni余量。采用“真空感應(yīng)+真空自耗”雙真空冶煉工藝制備出自耗錠，經(jīng)多段均勻化處理后，再利用快鍛機(jī)開坯制備出細(xì)晶棒材，最終利用油壓機(jī)經(jīng)特殊熱模鍛造技術(shù)制備出Φ630mm的盤形鍛件。
利用線切割解剖GH4065A合金的盤形鍛件，在輪緣處沿徑向切取金相與力學(xué)性能試樣，經(jīng)不同工藝熱處理后，觀察合金的顯微組織，并測(cè)試力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：
（1）GH4065A合金的鍛件組織是一種不完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒被大尺寸γ'相限制長(zhǎng)大，同時(shí)這些γ'相因晶界短路擴(kuò)散而粗化，未動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒內(nèi)彌散分布的小尺寸γ'相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而形成大量由位錯(cuò)胞壁構(gòu)成的亞結(jié)構(gòu)。
（2）根據(jù)GH4065A合金γ'相的固溶溫度，可將熱處理制度分為亞固溶處理與過固溶處理2種。經(jīng)亞固溶處理的GH4065A合金晶粒度為8.0級(jí)，室溫屈服強(qiáng)度超過1250MPa，650℃屈服強(qiáng)度達(dá)到1100MPa以上，650℃/970MPa持久壽命大于200h，750℃/590MPa持久壽命可達(dá)50h。經(jīng)過固溶處理的GH4065A合金晶粒度為4.0級(jí)，對(duì)比亞固溶處理的合金，拉伸強(qiáng)度有所降低但750℃持久壽命有所提高。
????（3）亞固溶處理后GH4065A合金渦輪盤鍛件的力學(xué)性能達(dá)到了第2代粉末渦輪盤的水平，能夠滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。
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