固溶強化變形鈷基高溫合金鈷合金GH5188/HS-188合金

2021-01-18 專注高溫合金哈氏合金鈷合金30年



鈷資源缺乏,而且價格昂貴,我國一般不希望使用鈷基高溫合金,中國沒有自己獨創的鈷基高溫合金。只是由於少數幾個從西方引進的航空發動機上要使用,才試製了相應牌號的鈷基合金。


GH5188就是其中的一個固溶強化變形鈷基高溫合金。



合金的成分特點,GH5188合金中含有22%Ni穩定奧氏體組織,抑制它在較低溫度下向密排六方結構轉變,而且還可降低變形抗力,改善熱加工性能。加入大量的難溶金屬元素W(14.5%)進行固溶強化是GH5188合金的一個特點。溶入γ基體的W原子可以降低堆層錯能和擴散係數,並能提高彈性模量,因而可以提高合金的高溫蠕變抗力。


高鎢含量還促進M6C碳化物析出。合金成分的另一特點是加入了大量的Cr(22%),以形成穩定Cr2O3氧化膜,改善合金的抗氧化性和抗熱腐蝕性能,同時也產生適度的固溶強化效果。但是W和Cr含量偏上限,合金中有形成Co2W型Laves的傾向。


國外HS-188合金(與GH5188成分類似)是由L-605合金經電子空穴數計算而發展的,應該是組織穩定的合金。但由於GH5188合金成分範圍較寬,如果Cr和W都按上限控制,就會使合金基體的平均電子空穴數超過形成 Laves 相的臨界值,而析出 Laves相。只要在現有合金的成分範圍內,用相計算方法(PHACOMP)精心設計,通過嚴格的冶煉工藝進行熔煉,使Ni、Cr、W和Si含量很好匹配,就能達到無Laves析出的良好效果。


合金成分的第三個特點是利用稀土元素La進行微合金化。GH5188合金中加入的La雖然只有0.03%~0.12%,但對力學性能特別是塑性影響很大,改善塑性的效果非常明顯,同時,也有效改善抗氧化性能。加入合金中的La形成富La的化合物,它與MC結合成La,M,相,作為一種夾雜物相存在於γ奧氏體,其餘的La主要富集在晶界。對沿晶斷口小平面進行俄歇能譜分析的結果諮詢13961767712.可見隨著剝離時間的增加,鑭的濃度逐漸降低,直到與晶內濃度平衡,可見鑭原子明顯偏聚於晶界。而電渣重熔前,鑭的偏析程度大於電渣重溶後,這與電渣重溶過程中鑭的燒損有關。偏聚於晶界的鑭原子影響其他元素在晶界偏聚,影響碳化物的析出,減緩了碳化物的析出速度,同時增加晶界結合力,使合金塑性明顯改善。


稀土元素La加入GH5188合金中,由於其原子大於Co原子半徑,使基體造成晶格畸變,降低Cr*3的擴散激活能,增大Cr*3的擴散係數,促進Cr2O3快速而大量生成,從而起良好保護作用。鑭的表面層內氧化物,可以提高氧化膜與基體的結合力,使氧化膜緊密的附著在基體表面,從而進一步改善抗氧化性能[13961767712).


熱加工和熱處理


GH5188合金中由於含有大量固溶強化元素W,使其熱加工性能變壞。實際鍛造熱加工過程,時常發生鍛裂等現象。鈷基合金GH5188 熱模擬工藝性能的研究結果表明,在變形速率恆定為20/s時,不同變形溫度下合金的最大允許變形量cmx諮詢13961767712.可見GH5188合金最佳熱變形溫度範圍在1100~1200℃,此時合金的允許最大變形量達到峰值且εmax-T曲線出現平臺,變形抗力在中等變形量範圍內均保持在較低水平,而且變形樣品表面光滑,無皺皮和裂口產生,剖面處形變組織均勻,無應力集中和形變不均導致的異常組織和微裂紋產生。


另外,在相同溫度和變形量下,不同的形變速率對合金的熱加工性能及再結晶組織狀況存在一定的影響。該合金在最佳熱變形溫度範圍內和中等壓下率下,採用10-1/8~10/s的形變速率時,合金的形變組織及再結晶組織均勻,內部無微裂紋,外表面光滑無裂口。因此,在實際生產如鍛造等熱加工中,控制好始鍛與終鍛溫度,在正常鍛造速率與形變量下,該合金將有較好的可鍛性[13961767712].


工業生產 GH5188 合金時,採用鍛造加熱溫度 1180℃,終鍛溫度不低於980℃1.環形件採用 1150±20℃油爐加熱制坯,1160~1180℃電爐加熱軋環,軋制變形量大於20%的鍛造工和1180℃固溶熱處理可以獲得滿意的組織與性能[13961767712].


GH5188合金的熱處理制度均為固溶處理,對於熱軋板材為1170~1190℃,空冷;對於冷軋帶材和板材為1165~1230℃,快速空冷;對於棒材和鍛件為 1180℃±10℃,快速空冷。固溶狀態組織除γ奧氏體外,有M.C一次碳化物和少量MC與富鑭化合物結合為一體的La,M,相,還有少量MB2和MC相。高溫長期時效,M6C分解為M23C6.某些爐號的GH5188合金還可能析出 Laves相,在1180℃固溶或在870~980℃長期時效後重溶於γ基體。


抗氧化性


作為技術條件要求的指標高溫合金在實際生產時,技術條件非常重要,供需雙方都應嚴格執行,一般高溫合金都不把抗氧化性列入技術條件,然而 GH5188 合金的技術條件中則要求氧化滲透層深度作為檢驗指標,這是GH5188合金的獨道特點。研究工作指出,冶金質量對 GH5188 合金抗氧化性能有明顯影響,GH5188合金氧化前若組織均勻、顯微偏析很小,晶內彌散分布著細小M,C顆粒,當擴散和貧化等過程發生時,各區域的微觀成分差別不會太大,氧化會緩慢、均勻地向內擴展,如GH5188帶材;如果合金氧化前組織不均勻,晶內和晶界碳化物顆粒特大並形成嚴重顯微偏析,這時微觀成分差別很大,當擴散和氧化等過程發生時,高濃度區(大塊碳化物集中區)中Cr等金屬元素首先向外擴散,在大塊碳化物邊界形成貧Cr、Al等金屬元素的「貧化區」,氧化滲透迅速先沿這些區域擴展,形成不均勻的氧化層,如 GH5188 鍛件。


因此,GH5188合金的抗氧化性能與合金的冶金質量密切相關。碳化物尺寸及分布和顯微偏析對抗氧化性能的影響要大於晶粒尺寸的影響,氧化易沿碳化物邊界進行;當晶粒細小,La,My、MC、M6C、M23C6尺寸細小並彌散分布時,GH5188合金的抗氧化性能最好。由於合金的冶金質量對合金的抗氧化性能十分敏感,所以AMS技術條件規定,GH5188合金每一爐號、每一組批均必須檢驗抗氧化性能。ASM5608D 具體規定為:


1.試樣的試驗表面(不包括夾持部分)不得少於9.7c㎡.試驗表面用120號或更細的碳化矽砂紙手工拋光,並去除油脂。在試驗過程中,試樣可插入情性陶瓷磚內或懸吊於情性陶瓷棒上。試樣不得放在坩堝中。


2.試樣應經歷4個循環,每1個循環包括加熱至(1095~1150)±14℃,在保持25±1h,空冷至150℃或更低。加熱應在能提供自然通風、空氣流動、試樣表面得到均勻暴露的爐內進行。


3. 用不低於 500 倍放大率的儀器檢查拋光的橫截面,每側面不得有大於平均0.04mm的受損金屬(金屬轉換的氧化皮加上任何連續的晶間氧化物)。


4. 如果試樣局部出現直徑大於 1.5mm 的受損金屬區域,而且不是由於與陶瓷支點的接觸所致,則該試樣應認為無效,應重新進行試驗,重新試驗後仍出現此種狀態,則產品應予拒收。


合金應用


GH5188合金薄板、環形件等用於製作我國推比為7~8的渦輪風扇發動機、功重比小於3.5的渦輪螺槳發動機和功重比為4.5~6的渦輪軸發動機的火焰筒筒體等零部件,使用溫度1000℃以下。其薄板還用於製造先進渦軸發動機的一級導向器葉片,工作溫度低於1100℃.







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