鐵基變形高溫合金簡介

中文名稱

鐵基變形高溫合金

英文名稱

iron-based wrought superalloy

定　　義

以鐵為基體元素，含一定量鉻和鎳的奧氏體高溫合金。在600~800℃條件下具有一定強(qiáng)度和抗氧化、抗燃?xì)飧g的能力。

應(yīng)用學(xué)科

材料科學(xué)技術(shù)（一級學(xué)科），金屬材料（二級學(xué)科），特殊用途金屬材料（三級學(xué)科），高溫合金（四級學(xué)科）

中國的固溶強(qiáng)化鐵基變形高溫合金可以成功地在700～900℃(最高到950℃)溫度范圍內(nèi)使用，這在國際高溫合金的應(yīng)用上是獨(dú)具特色的。中國典型的固溶強(qiáng)化鐵基變形高溫合金列于表中。根據(jù)使用溫度區(qū)分，基本上有3大類

(1)在700℃以下使用的合金有GH13和GH139。GH139以6%錳代替一部分鎳，并輔以氮進(jìn)行固溶強(qiáng)化。這是成分簡單，最經(jīng)濟(jì)的合金。

(2)在800℃以下使用的GH1040合金以20Cr35Ni-40Fe為基，加入適量鎢、鉬作為固溶強(qiáng)化的主要手段，再輔以少量鋁和鈦增強(qiáng)固溶強(qiáng)化而獲得成功。由于GH1040合金的良好綜合性能和一種合金能有多種用途，因此它在中國800℃以下應(yīng)用的鐵基板材高溫合金中占有統(tǒng)治地位。

(3)在900℃下使用的有GH1131、GH138、GH1015和GH1016等多種合金。這類合金主要用大量的鎢、鉬和鈮(總量高達(dá)10%)進(jìn)行固溶強(qiáng)化，有的合金還添加少量氮(<0.30%)來增強(qiáng)固溶強(qiáng)化效果。為了發(fā)展更高使用溫度的鐵基板材合金，如950℃使用的GH14合金，將固溶強(qiáng)化元素鎢、鉬和鈮的總量提高到12%。這類合金的鎳含量都不超過40%，鉻含量高達(dá)20%，又加入了大量鎢、鉬和鈮，這就促使高溫下組織不穩(wěn)定，容易析出富鎢、鉬和鈮的金屬間化合物如AB2型的Laves相、μ相，甚至還會析出AB型的σ相(見高溫合金材料的金屬間化合物相)，使材料性能大大惡化，限制了這類合金在高溫下長期使用。為了提高組織穩(wěn)定性，從合金成分設(shè)計的角度，可以增加鎳含量，這樣就向鎳基變形高溫合金趨近，失去了經(jīng)濟(jì)型鐵基變形高溫合金的特色。

除了以上三類之外，GH167合金是為適應(yīng)高強(qiáng)板材合金的要求，除了加入大量鎢、鉬固溶強(qiáng)化之外，還加入了相當(dāng)數(shù)量的鋁和鈦進(jìn)行時效強(qiáng)化。該合金可以在800～850℃范圍內(nèi)使用。

考慮到這類合金使用溫度高，需要有良好的抗氧化、耐腐蝕性能，把鉻含量提高到20%左右，同時相應(yīng)地把鎳含量提高到25%甚至35%～40%來穩(wěn)定基體組織。為了產(chǎn)生有效的固溶強(qiáng)化，加入相當(dāng)量的高熔點(diǎn)元素鎢、鉬和鈮等，其最大總量高達(dá)10%～12%。中國發(fā)展的一些固溶強(qiáng)化鐵基變形高溫合金中，加入少量氮后獲得相當(dāng)強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效應(yīng)，取得了滿意的效果。此外，在有些合金中再加入少量鋁、鈦，以增強(qiáng)固溶強(qiáng)化效果，但加入量不超過1%～1.2%。有些板材合金需要較高的強(qiáng)度，因此除固溶強(qiáng)化外，還加入適量鋁、鈦并輔之以時效強(qiáng)化。加入微量硼、鈰、鋯，以獲取良好的晶界強(qiáng)化效果。

主要用來生產(chǎn)各種板材，尤其是冷軋薄板，因此也常稱之為鎳基板材高溫合金。除了板材以外，還可制成棒材、餅材以及冷拔絲材等，廣泛用于燃燒室、機(jī)匣、隔熱板、調(diào)節(jié)片和其他高溫部件，是一類重要的鎳基變形高溫合金材料。中國常用的固溶強(qiáng)化鎳基變形高溫合金列于表中。

GH3030合金是中國試制生產(chǎn)的第一個鎳基變形高溫合金，在國際上也是最早研制成功的高溫合金。該合金在英國為Nimonic75，在美國為。Inconel600，在前蘇聯(lián)稱為Й435。它是由Ni-20Cr電阻絲材料發(fā)展而來的。在Ni-20Cr合金中加入少量鋁、鈦，使其強(qiáng)度提高很多，成為高溫合金。為了進(jìn)一步提高強(qiáng)度以滿足航空工業(yè)的需要，在GH3030合金基礎(chǔ)上不斷添加固溶強(qiáng)化元素鎢、鉬、鈷等，同時配合鈰、硼、鋯、鑭等晶界強(qiáng)化元素，結(jié)果形成了中國固溶強(qiáng)化鎳基變形高溫合金系列，最高使用溫度達(dá)950～1000 ℃，100h的持久強(qiáng)度。

特點(diǎn) 固溶強(qiáng)化鎳基變形高溫合金有如下特點(diǎn)：(1)高的鉻含量，達(dá)20%以上，因此具有良好的抗氧化耐腐蝕性能，適合在高溫燃?xì)鈿夥障麻L期工作。(2)合金為單相奧氏體組織，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，時效傾向很小，具有優(yōu)良的加工工藝性能和滿意的焊接性能。(3)具有高的塑性和相對較低的強(qiáng)度，容易進(jìn)行塑性變形，能軋成薄板材，可以深沖冷加工。(4)熱處理簡單，只需很短時間退火便消除應(yīng)力，并可控制晶粒度。

應(yīng)用 固溶強(qiáng)化鎳基變形高溫合金在使用過程中可能會有一些碳化物相析出，略有一些硬化作用。因此合金中的碳含量不宜過高，以免降低塑性。GH141合金除固溶強(qiáng)化外，還有γ’相時效強(qiáng)化(見高溫合金時效強(qiáng)化)，加工塑性差些，適合用作在高溫下要求強(qiáng)度較高的板材合金。合金化程度高的GH3044、GH3128、GH141和GH170等合金，在長期使用中會析出σ,μ等相(見高溫合金材料的金屬間化合物相)，影響合金性能。