材料論文Inconel 鎳基高溫合金分析與研究午虎特種合金技術(shù)部

1、【材料論文】Inconel 718鎳基高溫合金分析與研究-午虎特種合金技術(shù)部一、Inconel 718 概述     Inconel 718合金是以體心四方的"和面心立方的相沉淀強(qiáng)化的鎳基高溫合金，在-253700溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能,650以下的屈服強(qiáng)度居變形高溫合金的首位,并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能,以及良好的加工性能、焊接性能和長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性，能夠制造各種形狀復(fù)雜的零部件，在宇航、核能、石油工業(yè)中，在上述溫度范圍內(nèi)獲得了極為廣泛的應(yīng)用。  &

2、#160; 該合金的另一特點(diǎn)是合金組織對(duì)熱加工工藝特別敏感，掌握合金中相析出和溶解規(guī)律及組織與工藝、性能間的相互關(guān)系，可針對(duì)不同的使用要求制定合理、可行的工藝規(guī)程，就能獲得可滿足不同強(qiáng)度級(jí)別和使用要求的各種零件。供應(yīng)的品種有鍛件、鍛棒、軋棒、冷軋棒、圓餅、環(huán)件、板、帶、絲、管等?？芍瞥杀P、環(huán)、葉片、軸、緊固件和彈性元件、板材結(jié)構(gòu)件、機(jī)匣等零部件在航空上長(zhǎng)期使用。    1.1 Inconel 718 材料牌號(hào)  Inconel 7181.2 Inconel 718&

3、#160;相近牌號(hào)  Inconel 718(美國(guó)),NC19FeNb(法 國(guó))1.3 Inconel 718 材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GJB 2612-1996 焊接用高溫合金冷拉絲材規(guī)范HB 6702-1993 WZ8系列用Inconel 718合金棒材GJB 3165  航空承力件用高溫合金熱軋和鍛制棒材規(guī)范GJB 1952 航空用高溫合金冷軋薄板規(guī)范GJB 1953 航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)件用高溫合金熱軋棒材規(guī)范GJ

4、B 2612 焊接用高溫合金冷拉絲材規(guī)范GJB 3317 航空用高溫合金熱軋板材規(guī)范GJB 2297 航空用高溫合金冷拔（軋）無縫管規(guī)范GJB 3020 航空用高溫合金環(huán)坯規(guī)范GJB 3167 冷鐓用高溫合金冷拉絲材規(guī)范GJB 3318 航空用高溫合金冷軋帶材規(guī)范GJB 2611 航空用高溫合金冷拉棒材規(guī)范YB/T5247 焊接用高溫合金冷拉絲YB/T5249 冷鐓用高溫合金冷拉絲YB/T5245 普通承力件用高溫合金熱軋和鍛

5、制棒材GB/T14993 轉(zhuǎn)動(dòng)部件用高溫合金熱軋棒材GB/T14994 高溫合金冷拉棒材GB/T14995 高溫合金熱軋板GB/T14996 高溫合金冷軋薄板GB/T14997 高溫合金鍛制圓餅GB/T14998 高溫合金坯件毛壞GB/T14992 高溫合金和金屬間化合物高溫材料的分類和牌號(hào)HB 5199 航空用高溫合金冷軋薄板HB 5198 航空葉片用變形高溫合金棒材HB 5189 航空葉片用變形高溫合金棒材HB 6072 WZ8系列用Inco

6、nel 718合金棒材1.4 Inconel 718 化學(xué)成分  該合金的化學(xué)成分分為3類：標(biāo)準(zhǔn)成分、優(yōu)質(zhì)成分、高純成分，見表1-1。優(yōu)質(zhì)成分的在標(biāo)準(zhǔn)成分的基礎(chǔ)上降碳增鈮，從而減少碳化鈮的數(shù)量，減少疲勞源和增加強(qiáng)化相的數(shù)量，提高抗疲勞性能和材料強(qiáng)度。同時(shí)減少有害雜質(zhì)和氣體含量。高純成分是在優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上降低硫和有害雜質(zhì)的含量，提高材料純度和綜合性能。核能應(yīng)用的Inconel 718合金，需控制硼含量（其他元素成分不變），具體含量由供需雙方協(xié)商確定。當(dāng)（B）0.002%時(shí)，為與宇航工業(yè)用的Inconel 718合金加

7、以區(qū)別，合金牌號(hào)為Inconel 718A。表1-11%類別C  Cr  Ni  Co  Mo Al  Ti  Fe標(biāo)準(zhǔn)0.08 17.021.0 50.055.0 1.02.803.30 0.300.70 0.751.15 余優(yōu)質(zhì)0.020.06 17.021.0 50.055.0 1.0 2.803.30 0.300.70 0.751

8、.15 余高純0.020.06 17.021.0 50.055.0 1.0 2.803.30 0.300.70 0.751.15 余類別NbB Mg Mn Si P S CuCa不大于標(biāo)準(zhǔn)4.755.500.0060.010.350.350.0150.0150.300.01優(yōu)質(zhì)5.005.500.006 0.010.350.350.0150.0150.300.01高純5.005.500.0060.0050.350.350.0150.0020.30

9、0.005續(xù)表1-1%類別BiSnPbAg SeTeTlN O不大于標(biāo)準(zhǔn)-0.5-0.3-優(yōu)質(zhì)0.0010.0050.0010.0010.3-0.010.01高純0.030.0050.0010.0010.30.050.10.010.005                            

10、60;        1.5 Inconel 718 熱處理制度 合金具有不同的熱處理制度，以控制晶粒度、控制相形貌、分布和數(shù)量，從而獲得不同級(jí)別的力學(xué)性能。合金熱處理制度分3類：(10101065)±10，1h，油冷、空冷或水冷+720±5，8h，以50/h 爐冷至620±5，8h，空冷。經(jīng)此制度處理的材料晶粒粗化，晶界和晶內(nèi)均無相，存在缺口敏感性，但對(duì)提高沖擊性能和抵抗低溫氫脆有利。：(950980)±10，1h，油冷、空

11、冷或水冷+720±5，8h，以50/h 爐冷至620±5，8h，空冷。經(jīng)此制度處理的材料有相，有利于消除缺口敏感性，是最常用的熱處理制度，也稱為標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度。：720±5，8h,以50/h爐冷至620±5，8h，空冷。經(jīng)此制度處理后，材料中的相較少，能提高材料的強(qiáng)度和沖擊性能。該制度也稱為直接時(shí)效熱處理制度。1.6 Inconel 718 品種規(guī)格和供應(yīng)狀態(tài) 可以供應(yīng)模鍛件（盤、整體鍛件）、餅、環(huán)、棒（鍛棒、軋棒、冷拉棒）、板、絲、帶、管、不同形狀和尺寸的緊固件、彈性元件等、交貨狀態(tài)由供需雙方商定。絲材

12、以商定的交貨狀態(tài)成盤狀交貨。1.7 Inconel 718 熔煉和鑄造工藝 合金的冶煉工藝分為3類：真空感應(yīng)加電渣重熔；真空感應(yīng)加真空電弧重熔；真空感應(yīng)加電渣重熔加真空電弧重熔?？筛鶕?jù)零件的使用要求，選擇所需的冶煉工藝，滿足應(yīng)用要求。1.8 Inconel 718 應(yīng)用概況與特殊要求 制造航空和航天發(fā)動(dòng)機(jī)中的各種靜止件和轉(zhuǎn)動(dòng)件，如盤、環(huán)件、機(jī)匣、軸、葉片、緊固件、彈性元件、燃?xì)鈱?dǎo)管、密封元件等和焊接結(jié)構(gòu)件；制造核能工業(yè)應(yīng)用的各種彈性元件和格架；制造石油和化工領(lǐng)域應(yīng)用的零件及其他零件。近年來，在對(duì)該合金研究不斷深化和

13、對(duì)該合金應(yīng)用不斷擴(kuò)大的基礎(chǔ)上，為提高質(zhì)量和降低成本，發(fā)展了很多新工藝：真空電弧重熔是采用氦氣冷卻工藝，有效減輕鈮偏析；采用噴射成型工藝，生產(chǎn)環(huán)件，降低生產(chǎn)成本和縮短生產(chǎn)周期；采用超塑成型工藝，擴(kuò)大產(chǎn)品的生產(chǎn)范圍。  二、Inconel 718 物理及化學(xué)性能 2.1 Inconel 718 熱性能 Inconel 718 熔化溫度范圍  12601320。 Inconel 718 熱導(dǎo)率  見表2-1。表2-12/1

14、11002003004005006007008009001/（W/（m·）13.414.715.917.818.319.621.222.823.67.630.4 Inconel 718 比熱容 見表2-2。 Inconel 718線膨脹系數(shù) 見表2-3；2.2 Inconel 718密度  =8.24g/cm3。2.3 Inconel 718電性能  表2-22/3004005006007008009001c/（J/（kg·）

15、481.4493.9514.8539.0573.4615.4657.2707.4表2-32/201002020020300204002050020600207002080020900201/10-6-111.813.013.514.114.414.815.417.018.418.72.4 Inconel 718磁性能  合金無磁性。2.5 Inconel 718化學(xué)性能 Inconel 718抗氧化性能 在空氣介質(zhì)中試驗(yàn)100h后的氧化速率見表 2-4。表2-4/6007008009001氧化速

16、率/(g/(m2·h)0.01760.02770.03510.09610.1620  三、Inconel 718力學(xué)性能 優(yōu)質(zhì)棒材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能見表3-1。表3-11規(guī)格d/mm取樣方向/拉伸性能   不小于HBS持久性能P0.2/MPab/MPa 5/%/% /MPat/h 5/%125縱向2065010308601280112121515346-690-25-5126200橫向20650103086012409656688-690-25-200 橫向206501020

17、80012309006688-690-25-注：熱處理制度：。  四、Inconel 718組織結(jié)構(gòu) 4.1 相變溫度 "相是該合金的主要強(qiáng)化相，其最高穩(wěn)定溫度是650，開始固熔溫度為840870，完全固熔溫度是950，相也是該合金的強(qiáng)化相，但數(shù)量少于"相，其析出溫度是600，完全熔解溫度是840；相的開始析出溫度是700，析出峰溫度是940，980開始熔解，完全熔解溫度是1020。    4.2 時(shí)間-溫度-組織轉(zhuǎn)變曲線 見圖4-1。4.3 合

18、金組織結(jié)構(gòu) 合金標(biāo)準(zhǔn)熱處理狀態(tài)的組織由基體、"、NbC相組成。"(Ni3Nb)相是主要強(qiáng)化相，為體心四方有序結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)定相，呈圓盤狀在基體中彌散共格析出，在長(zhǎng)期時(shí)效或長(zhǎng)期應(yīng)用期間，有向相轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，使強(qiáng)度下降。(Ni3(Al、Ti)相的數(shù)量次于"相，呈球狀彌散析出，對(duì)合金起一部分強(qiáng)化作用。相主要在晶界析出，其形貌與鍛造期間的終鍛溫度有關(guān)，終鍛溫度在900，形成針狀，在晶界和晶內(nèi)析出；終鍛溫度達(dá)930，相呈顆粒狀，均勻分布；終鍛溫度達(dá)950，相呈短棒狀，分布于晶界為主；終鍛溫度達(dá)980，在晶界析出少量針狀相，鍛件出現(xiàn)持久缺口敏感性。終鍛溫度達(dá)到1020或更

19、高，鍛件中無相析出，晶粒隨之粗化，鍛件有持久缺口敏感性。鍛造過程中，相在晶界析出，能起到釘扎作用，阻礙晶粒粗化。 L相是變形Inconel 718合金中不允許存在的相，該相富鈮，存在于鑄錠枝晶間，降低鑄錠初熔點(diǎn)，鑄錠中L相固溶溫度和均勻化時(shí)間的關(guān)系見圖4-2。 晶粒度.1 合金在高溫固熔（保溫2h）時(shí)的晶粒長(zhǎng)大傾向見圖4-3。.2 棒材（原始晶粒99.5級(jí)）經(jīng)不同溫度加熱并以不同變形量鍛造變形后，再經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)熱處理（固溶溫度965，1h），其晶粒度的變化見表4-1。.3 鍛件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，普通鍛件平均晶粒度為4級(jí)，允許個(gè)別2級(jí)，高強(qiáng)鍛件

20、平均晶粒度為8級(jí)，允許個(gè)別2級(jí)；直接時(shí)效鍛件平均晶粒度應(yīng)為10級(jí)或更細(xì)。 直接時(shí)效的鍛件在600700長(zhǎng)期時(shí)效500h后，析出相數(shù)量的變化見表4-2。表4-119鍛造加熱溫度/以下變形程度的晶粒度/級(jí)鍛造加熱溫度/以下變形程度的晶粒度/級(jí)15%25%35%55%65%80%15%25%35%55%65%80%10501030102067778788897898789988999(7)8991980 88 9910 8910 10910 1091011 1011 表4-211時(shí)效規(guī)范析出相數(shù)量/%/t/h-Ni3Nb

21、MC"-Ni3Nb，-Ni3(Al，Ti，Nb)直接時(shí)效狀態(tài)6.4519.216006507005005005006.307.4810.3120.6218.6815.18  五、Inconel 718工藝性能與要求 5.1 成型性能 因Inconel 718合金中鈮含量高，合金中的鈮偏析程度與冶金工藝直接相關(guān)。電渣重熔和真空電弧熔煉的熔煉速度和電極棒的質(zhì)量狀態(tài)直接影響材質(zhì)的優(yōu)劣。熔速快，易形成富鈮的黑斑；熔速慢，會(huì)形成貧鈮的白斑；電極棒表面質(zhì)量差和電極棒內(nèi)部有裂紋，均易導(dǎo)致白斑的形成，所以，提高電極棒質(zhì)量和控制熔速

22、及提高鋼錠的凝固速率是冶煉工藝的關(guān)鍵因素。為避免鋼錠中的元素偏析過重，至今采用的鋼錠直徑不大于508mm。均勻化工藝必須確保鋼錠中的L相完全熔解。鋼錠兩階段均勻化和中間坯二次均勻化處理的時(shí)間，根據(jù)鋼錠和中間坯的直徑而定。均勻化工藝的控制與材料中的鈮偏析程度直接相關(guān)。目前生產(chǎn)中采用的1160，20h±1180，44h的均勻化工藝，尚不足以消除鋼錠中心的偏析，因此建議采用以下均勻化工藝：1. 11501160，2030h11801190，110130h；2. 1160，24h1200，70h20。 經(jīng)均勻化處理的合金具有良好的熱加工性能，鋼錠的開坯加熱溫度不

23、得超過1120。鍛件的鍛造工藝應(yīng)根據(jù)鍛件使用狀況和應(yīng)用要求，結(jié)合生產(chǎn)廠的生產(chǎn)條件而定。開坯和生產(chǎn)鍛件是，中間退火溫度和終鍛溫度必須根據(jù)零件所要求的組織狀態(tài)和性能來確定，一般情況下，鍛造的終鍛溫度控制在930950之間為宜。各類鍛件的鍛造溫度和變形程度見表5-1。表5-117鍛造類別第一次鍛造第二次鍛造第三次鍛造加熱溫度/變形量/%加熱溫度/變形量/%加熱溫度/變形量/%普通高強(qiáng)直接時(shí)效10651090104010659951025->501040106510101040970995-3050>5046810允許22 與板材冷成形有關(guān)的性能見表5-2。 鍛件的變形

24、程度、終鍛溫度和晶粒尺寸之間的關(guān)系見圖5-1。 合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶見圖5-2。 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片模鍛件由頂鍛和終鍛二道工序模鍛而成，不同的鍛造加熱溫度對(duì)葉片綜合性能的影響見表5-3，以1020頂鍛和終鍛的葉片組織性能為最佳。 合金在高溫下的變形抗力曲線見圖5-3。    5.2 焊接性能 合金具有滿意的焊接性能，可用氬弧焊、電子束焊、縫焊、點(diǎn)焊等方法進(jìn)行焊接。對(duì)直接時(shí)效狀態(tài)的零部件，推薦采用慣性摩擦焊以保持其強(qiáng)化效果，選用合適的摩擦焊工藝參數(shù)，在保留細(xì)晶組織的同時(shí)，焊縫邊緣及熱影響區(qū)還可以保留強(qiáng)化相和"以

25、及相，因此對(duì)接頭性能無明顯影響，對(duì)直接時(shí)效的鍛件，可在鍛造狀態(tài)進(jìn)行摩擦焊，焊后再進(jìn)行直接時(shí)效處理（制度），可獲得持久強(qiáng)度很高的焊接接頭21。                  表5-2熔煉工藝板厚/mm狀態(tài)杯突深度/mm反復(fù)彎曲次數(shù)極限深沖系數(shù)真空感應(yīng)加電渣1.5950固溶11.517.51.96 表5-319鍛造加熱溫度/20拉伸性能650拉伸性能650，690MPa持久性能頂鍛終鍛b/MPaP0.2/M

26、Pa5/%/%b/MPaP0.2/MPa5/%/%t/h5/%10501020102010201980110201340140513751420104011001035115022.520.523.523.252.244.751.542.7111511301125112895795592096518.822.417.218.622.229.521.525.5485257435.211.25.512.85.3 零件熱處理工藝 航空零件的熱處理通常按1.5條規(guī)定的、兩種制度，即標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度和直接時(shí)效熱處理制度進(jìn)行。再有技術(shù)依據(jù)的條件下，也可采用其他制度熱處理。按標(biāo)準(zhǔn)制度熱處理

27、時(shí)，固溶處理可在950980范圍內(nèi)，在選定的溫度±10下進(jìn)行。5.4 表面處理工藝 必要時(shí)可對(duì)零件表面局面進(jìn)行噴丸強(qiáng)化、孔擠壓強(qiáng)化或螺紋滾壓強(qiáng)化工序，使零件在交變載荷條件下工作的壽命成倍增長(zhǎng)。對(duì)要求噴涂耐磨封嚴(yán)涂層的零件，可采用等離子噴涂或爆炸噴涂工藝，以爆炸噴涂為佳，爆炸噴涂涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，涂層致密、硬度高、孔隙率低，耐磨性好。5.5 切削加工與磨削性能 合金可滿意地進(jìn)行切削加工。機(jī)械加工時(shí)必須確保圓弧達(dá)到設(shè)計(jì)要求和平滑過渡，不允許在機(jī)械加工、裝配或運(yùn)輸中出現(xiàn)尖角、坑與劃傷缺口，因?yàn)樵谶@些缺陷出，可形成過量的應(yīng)力集中，在使用中會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故的發(fā)生。   六、Inconel 718(GH169) 低溫抗拉及屈服性能（含熱處理工藝）&#