变形高温合金的特性、分类及用途

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+ w& z3 v  v+ d# O5 ?1 i变形高温合金的特性、分类及用途

, }6 I& d6 M" m  U( T* x6 }  高温合金是根据航空喷气发动机的需要而发展起来的一种金属材料，它可在600～1100℃的高温氧化和燃气腐蚀条件下，承受复杂应力，并长期可靠地工作。主要用于航空发动机的热端部件，也是航天火箭发动机、工业燃气轮机、能源和化工等工业的重要材料。在先进的航空发动机中，高温合金的用量占金属材料总用量的40%～60%。在先进工业国家，如美国，航空航天用高温合金占其总用量的85%左右。
' H+ [1 n) o4 |; F1 s& {5 w" @  高温合金是一种兼有热稳定性和热强性的合金。热稳定性是指金属材料在高温下抗氧化或抗气体腐蚀的能力；而热强性是指金属材料在高温下抵抗塑性变形和断裂的能力。金属的热稳定性常用称重法来评定，在高温下金属单位时间、单位面积上的失重或增重越大，表示抗氧化性越差，即热稳定性越差。热强性的评定指标包括蠕变极限、持久强度、高温瞬时强度、高温疲劳强度等。蠕变极限表征在高温、长期载荷作用下，材料抵抗塑性变形的能力；持久强度表征在高温、长期载荷作用下，材料抵抗断裂的能力；高温瞬时强度（σb和σ0.2）表征高温下材料在瞬时过载时抵抗塑性变形和断裂的能力；高温疲劳强度是指在规定循环次数下（一般为107次）不引起断裂的应力。
  高温合金分为变形高温合金和铸造高温合金。变形合金按基体元素的不同，可分为铁基变形高温合金、镍基变形高温合金和钴基变形高温合金，按合金的高温性能、成形特点及用途的不同，变形高温合金又可分为热稳定变形高温合金和热强变形高温合金。热稳定变形高温合金的特点是热稳定性很高，通常在固溶状态下使用，强度虽不高，但塑性很好，可顺利地进行深冲压，主要用于受力不大而工作温度很高的零件，例如燃烧室火焰筒及加力燃烧室等。热强变形高温合金的特点是热强度较高，通常在淬火、时效状态下使用，主要用于高温下承受大载荷及复杂应力的零件，例如涡轮叶片、涡轮盘等。
  我国的新标准规定，变形高温合金的牌号以汉语拼音字母“GH”后接四位阿拉伯数字来表示。“GH”后第一位数字表示分类号，其中1表示固溶强化型铁基合金；2表示时效强化型铁基合金；3表示固溶强化型镍基合金；4表示时效强化型镍基合金。“GH”后第二、三、四位数字表示合金的编号。例如GH2036，GH4033等，其相应的旧牌号为GH36，GH33等。
/ f5 m' H! ]6 _0 W9 {; p, R  我国于20世纪50年代开始研制高温合金，到目前已有40多种变形高温合金。航空工业中常用的铁基、镍基变形高温合金的牌号、化学成分及使用温度，见表1和表2。
  燃烧室用合金主要有GH3030、GH3039、GH1140、GH3044、GH1015、GH1016、GH22、GH163、GH2302、GH170等。涡轮工作叶片大多采用时效强化型变形合金，如GH4033、GH4037、GH4043、GH4049、GH151、GH143、GH2130、GH2302、GH738、GH118、GH220、GH710等。涡轮盘材料大多采用铁-镍基沉淀强化合金（750℃以下），如温度更高，则采用镍基合金或粉末涡轮盘材料。涡轮盘常用合金有GH2036、GH4033、GH2132、GH2135、GH901、GH4133、GH761、GH698、GH710等。

表1 常用铁基变形高温合金的牌号、化学成分及使用温度
, D" |5 {) y# I7 z- @! n4 e' ^/ x  `3 k' R合金牌号   化学成分/（%）   使用温度
9 f! T) p# E' y0 v+ }- X  C   Cr   Ni   Mn   W   Mo   Al   Ti   V   B   其他   Al+Ti+Nb   ℃
GH1015   ≤0.08   19～22   34～39   ≤1.5   4.8～5.8   2.5～3.2             ≤0.01   Nb1.1～1.6   ～1.6   950

+ a, ~" Y& E2 WGH1016   ≤0.08   19～22   32～36   ≤1.8   5～6   2.6～3.3         0.1～0.3   ≤0.01   Nb0.9～1.4   ～1.4   950

% N. X: _) ?. L) T& I7 J$ G+ x% JGH1040   ≤0.12   15～17.5   24～27   1～2       5.5～7.5                 Nb0.1～0.2       600
- ^- p5 F- B( e9 Z9 R
GH2036   0.34～0.4   11.5～13.5   7～9   7.5～8.5       1.1～1.4       ≤0.12   1.25～1.55       Nb0.25～0.5   ～1.4   650

GH2132   ≤0.08   13.5～16   24～27   1～2       1～1.5   ≤0.4   1.75～2.3   1.25～1.55   0.001～0.01       ～2.2   700

GH2136   ≤0.06   13～16   24.5～28.5   ≤0.35       1.0～1.75   ≤0.35   2.4～3.2   0.01～0.1   0.005～0.025       ～3.0   700

4 D; Z; y. g: L$ m! \GH2135   ≤0.06   14～16   33～36   ≤0.4   1.7～2.2   1.7～2.2   2.0～2.8   2.1～2.5       ≤0.015   Ce≤0.03   ～4.7   700～750
& B5 Z, [$ S; a/ W0 z' b
# F8 F8 i/ G2 KGH901   0.02～0.06   11～14   40～45   ≤0.4       5～6.5   ≤0.3   2.8～3.1       0.001～0.02       ～3.2   750
! Q. A0 }/ A1 K8 C
GH2130   ≤0.8   12～16   35～40   ≤0.5   5～6.5       1.4～2.2   2.4～3.2       ≤0.02   Ce≤0.02   ～4.6   800
: \9 N6 x' f& Y
GH2302   ≤0.08   12～16   38～42   ≤0.6   3.5～4.5   1.2～2.5   1.8～2.3   2.3～2.8       ≤0.01   Zr≤0.05   ～4.6   800

GH1140   0.06～0.12   20～23   35～40   0.7   0.4～1.8   2.0～2.5   0.2～0.6   0.7～1.2         Ce≤0.05       850
: T0 Q2 o+ F# ]; }) @& Z  ~# O/ [
GH761   0.02～0.07   12～14   42～45       2.8～3.2   1.4～1.9   1.4～1.85   3.25～3.65       ≤0.01   Ce≤0.03   ～5.0   750
. q1 F( f) C4 w- a7 m! V
4 v8 y* |- s9 @$ e/ j% CGH907   0.01～0.02       37.6   0.05         ＜0.2   1.53       0.006   Co13.4,Nb4.89       650

表2 常用镍镍变形高温合金的牌号、化学成分及使用温度
合金牌号   化学成分/（%）   使用温度
# i0 [' V) I2 L; x  C   Cr   Co   W   Mo   Al   Ti   Fe   Nb   B   其他   ℃
9 H2 R7 `+ _8 p* w* c, I8 M$ rGH3030   ≤0.12   19.0～22.0             ≤0.15   0.15～0.35   ≤1.0             800

GH4169   ≤0.08   17.0～21.0         2.8～3.3   0.2～0.8   0.65～1.15   17.0～20.0   4.75～5.55   ≤0.01       -253～703

( l9 {. d1 A- T) OGH3039   ≤0.08   19.0～22.0         1.8～2.3   0.35～0.75   0.35～0.37   ≤3.0   0.9～1.3         850
+ `' W+ C+ f) K
+ Q' _1 ]7 W, f% D* y$ YGH3044   ≤0.1   23.5～26.5       13.0～16.0   ＜1.5   ≤0.5   0.3～0.7   ≤4.0             900

GH3128   ≤0.05   19.0～22.0       7.5～9.0   7.5～9.0   0.4～0.8   0.4～0.8   ≤1.0       0.005   Zr0.04 Ce0.05   950

$ w" i' c4 q+ i, _1 }GH4033   ≤0.06   19.0～22.0             0.55～0.95   2.2～2.7   ≤1.0       ≤0.01   Ce≤0.01   700～750

' J7 N9 m. F- c3 {( A/ rGH4133   ≤0.07   19.0～22.0             0.7～1.2   2.5～3.0   ≤1.5   1.15～1.65   ≤0.01       700～750
: r+ L& M6 W9 d- {
GH4037   ≤0.1   13.0～16.0       5.0～7.0   2.0～4.0   1.7～2.3   1.8～2.3   ≤0.5       ≤0.02   V0.01～0.2 Ce0.02   800～850
2 ]0 i+ V$ {* Y" Q5 |
GH4049   ≤0.07   9.5～11.0   1.40～16.0   5.0～6.0   4.5～5.5   3.7～4.4   1.4～1.9   ≤1.5       0.015   V0.2～0.5 Ce0.02   900
0 Z* \8 K0 _0 `, P6 `! ?2 _4 q+ Q
" E4 p# E8 p* ]) n" K6 pGH141   0.06～0.12   18.0～20.0   10.0～12.0       9.0～10.5   1.4～1.8   3.0～3.5   ≤5.0       0.003～0.01       900

GH151   0.05～0.11   9.5～10.0   15.0～16.5   6.0～7.5   2.5～3.1   5.7～6.2       0.7   1.95～2.35   0.012～0.02   Zr0.03～0.05
Ce0.02   950

9 \9 M, d0 e" Z# M5 b% u( U4 c& ]9 zGH118   ≤0.20   14.0～16.0   13.5～15.5       3.0～5.0   4.5～5.0   3.5～4.5   ≤1.0       0.01～0.2   Zr≤0.15   950

/ q8 V* o5 K2 \% X% u) SGH738   0.03～0.1   18.0～21.0   12.0～15.0       3.5～5.0   1.2～1.6   2.75～3.25   ≤2.0       0.003～0.03   Zr0.02～0.08   815

7 F( T: U" j, n; W' O" L$ M( FGH698   ≤0.08   13.0～16.0         2.8～3.2   1.3～1.7   2.35～2.75   ≤2.0   1.8～2.2   ≤0.005   Ce≤0.005   550～800

GH220   ≤0.08   9.0～12.0   14.0～15.0   5.0～6.5   5.0～7.0   3.9～4.8   2.2～2.9   ≤3.0       ≤0.02   V0.2～0.8   900～950
; J  L* u. {0 m2 A
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