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Alloy41
一、Alloy41概述
Alloy41是是沉淀硬化型鎳基變形高溫合金，在650～950℃范圍內(nèi)，具有高的拉伸和持久蠕變強(qiáng)度和良好的耐氧化性能。由于合金中鋁、鈦、鉬含量較高，鑄錠開(kāi)坯比較困難，但變形后的材料具有較好的塑性，在退火狀態(tài)下可以冷成形，也可進(jìn)行焊接，焊接部件熱處理時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效裂紋。合金的品種有薄板、帶、絲、盤(pán)件、環(huán)形件、鍛件、棒材、和精密鑄件等，適合于制造在870℃以下要求有高強(qiáng)度和980℃以下要求耐氧化的航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)高溫零部件。
1.1 Alloy41化學(xué)成分 見(jiàn)表1-1
表1-1
| C |
Cr |
Ni |
Co |
Mo |
Al |
Ti |
B |
Fe |
Zr |
Mn |
Si |
P |
S |
Cu |
| 不大于 |
| 0.06～0.12 |
18.0～20.0 |
余 |
10.0～12.0 |
9.00～10.50 |
1.40～1.80 |
3.00～3.50 |
0.003～0.010 |
5.00 |
0.07 |
0.50 |
0.50 |
0.015 |
0.015 |
0.50 |
|
注：航天用材可加入ω（Mg)<0.05%和ω(La)<0.035%。
1.2 Alloy41熱處理制度 見(jiàn)表1-2。
表1-2
| 品種 |
熱處理制度 |
| （航空）圓餅、環(huán)坯、環(huán)形件、棒、板材 |
規(guī)范Ⅰ:1080℃±10℃,快淬+1120℃±10℃，0.5h,空冷+900℃±10℃,1-4h,空冷 |
| （航天）棒、盤(pán)件 |
規(guī)范Ⅱ:1080℃,4h,油冷+760℃，16h,空冷 |
| 規(guī)范Ⅲ:1065℃,4h,空冷+760℃，16h,空冷 |
| 板材 |
規(guī)范Ⅳ:1180℃,30min，空冷+900℃，4h,空冷 |
| 規(guī)范Ⅴ:1080℃,保溫不小于2.4min/mm,空冷+760℃，16h,空冷 |
1.3 Alloy41品種規(guī)格與供應(yīng)狀態(tài) 可提供各種規(guī)格的圓餅、環(huán)坯、環(huán)形件、薄板、帶材、棒材、鍛件和精密鑄件等。板材于固溶狀態(tài)交貨，棒材和鍛件不經(jīng)熱處理交貨。
1.4 Alloy41熔煉與鑄造工藝 合金采用真空感應(yīng)熔煉、真空感應(yīng)熔煉加電渣重熔或真空電弧重熔工藝。
1.5 Alloy41應(yīng)用概況與特殊要求 該合金廣泛用于制造航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)高溫承力零部件，如導(dǎo)向葉片、燃燒室、渦輪、導(dǎo)向器高溫承力件、軸、盤(pán)、葉片和緊固件等，板材焊接件熱處理時(shí)的應(yīng)變時(shí)效裂紋，可采用焊前過(guò)時(shí)效處理或在焊前控制固溶處理后的冷卻速度的方法來(lái)解決，焊后再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理。
二、Alloy41物理及化學(xué)性能
2.1 Alloy41熱性能
2.1.1 Alloy41熔化溫度范圍 1316～1371℃[2]。
2.1.2 Alloy41熱導(dǎo)率 見(jiàn)圖2-1。
表2-1[2]
| θ/℃ |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
| λ/(W/(m·℃)) |
8.37 |
10.47 |
12.56 |
15.07 |
17.17 |
19.56 |
21.35 |
23.45 |
25.96 |
2.1.3 Alloy41線膨脹系數(shù) 見(jiàn)圖2-2。
表2-2[2]
| θ/℃ |
20～100 |
20～200 |
20～300 |
20～400 |
20～500 |
20～600 |
20～700 |
20～800 |
20～900 |
| α1/10-6℃-1 |
10.54 |
11.69 |
12.24 |
12.78 |
13.08 |
13.48 |
14.21 |
14.97 |
15.91 |
2.2 Alloy41密度 ρ=8.27g/cm3。
2
.3 Alloy41電性能 δ2mm板材的室溫電阻率見(jiàn)表2-3。
表2-3[3]
| 狀態(tài) |
ρ/(10-6Ω.m) |
狀態(tài) |
ρ/(10-6Ω.m) |
| 熱軋 |
1.31 |
1175℃,0.5h,空冷 |
1.33 |
| 1065℃,4h,空冷 |
1.25 |
1175℃,0.5h,空冷+900℃,4h,空冷 |
1.34 |
| 1065℃,4h,空冷+760℃,16h,空冷 |
1.27 |
|
|
2.4 Alloy41磁性能 見(jiàn)表2-4。
表2-4[4]
| 狀態(tài) |
20℃下300Οe時(shí)的磁導(dǎo)率/(H/m) |
| 1065℃,4h,空冷+760℃,16h,空冷 |
＜1.002 |
| 1175℃,0.5h,空冷+900℃,4h,空冷 |
＜1.002 |
2.5 Alloy41化學(xué)性能
2.5.1 Alloy41耐氧化性能 在空氣介質(zhì)中的氧化速率見(jiàn)表2-5。
表2-5[9]
| 表面狀態(tài) |
θ/℃ |
不同時(shí)間氧化速率/(g/(m2·h)) |
表面狀態(tài) |
θ/℃ |
不同時(shí)間氧化速率/(g/(m2·h)) |
| 25h |
50h |
75h |
100h |
200h |
25h |
50h |
75h |
100h |
200h |
| 磨光 |
900 |
0.240 |
0.150 |
0.120 |
0.095 |
0.066 |
磨光 |
1100 |
1.360 |
0.870 |
0.750 |
0.680 |
0.490 |
| 磨光 |
1000 |
0.610 |
0.410 |
0.320 |
0.260 |
0.182 |
W-2涂層 |
1100 |
0.496 |
0.494 |
0.413 |
0.356 |
--- |
三、Alloy41力學(xué)性能
3.1 Alloy41技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能
3.1.1 Alloy41圓餅、環(huán)坯、環(huán)形件、大棒材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能見(jiàn)表3-1。
表3-1
| 材料標(biāo)準(zhǔn) |
品種 |
熱處理制度 |
拉伸性能 |
HBS |
持久性能 |
| θ/℃ |
σb/MPa |
σP0.2/MPa |
δ5/% |
φ/% |
θ/℃ |
σ/MPa |
t/h |
δ/% |
Q/5B 4027-1992
Q/3B 4060-1992 |
圓餅、環(huán)坯、環(huán)形件、大棒材 |
1080℃±10℃，快淬＋1120℃±10℃，30min，空冷＋900℃±10℃，4h，空冷 |
760 |
≥835 |
≥620 |
≥12 |
≥15 |
≥283 |
900 |
172 |
≥20 |
- |
注：1 環(huán)形件經(jīng)退火處理后的室溫硬度HBS≤363。
2 經(jīng)固件和時(shí)效處理后的室溫硬度HRC≥30(HBS≥283)。
3.1.2 Alloy41緊固件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能見(jiàn)表3-2。
表3-2
| 材料標(biāo)準(zhǔn) |
品種 |
熱處理制度 |
拉伸性能 |
持久性能 |
| θ/℃ |
σb/MPa |
σP0.2/MPa |
δ5/% |
φ/% |
θ/℃ |
σ/MPa |
t/h |
| Q/6S 1033-1992 |
緊固件 |
冷拉后1080℃±10℃，快淬＋1120℃±10℃，30min，空冷＋900℃±10℃，4h，空冷 |
20 |
≥1070 |
- |
≥8 |
≥10 |
730 |
586 |
≥30 |
| 760 |
≥870 |
- |
≥8 |
≥10 |
|
|
|
3.1.3 Alloy41d90mm棒材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能見(jiàn)表3-3。
表3-3
| 熱處理狀態(tài) |
θ/℃ |
拉伸性能 |
HBS |
沖擊韌性 |
持久性能 |
| σb/MPa |
σP0.2/MPa |
δ5/% |
φ/% |
aKV/(kJ/m2) |
σ/MPa |
t/min |
| 不小于 |
| 1065～1080℃,4h,油冷或空冷＋760℃,16h,空冷 |
20 |
1175 |
880 |
12 |
12 |
340 |
147 |
|
|
| 800 |
735 |
635 |
15 |
20 |
- |
|
588 |
90 |
3.1.4 Alloy41板材、帶材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能見(jiàn)表3-4。
表3-4
| 熱處理制度 |
厚度/mm |
θ/℃ |
拉伸性能 |
HRC |
| σb/MPa |
σP0.2/MPa |
δ5/% |
| 1080℃，保溫不小于2.4min/mm,空冷 |
0.4～2.9 |
20 |
≤1170 |
≤690 |
≥30 |
≤30 |
| ≥2.9～4.0 |
20 |
≤1240 |
≤795 |
≥30 |
≤30 |
| 固溶處理＋760℃，16h，空冷 |
≤0.50 |
20 |
≥1105 |
≥825 |
≥6 |
≥35 |
| 760 |
≥895 |
≥760 |
≥3 |
- |
| >0.50 |
20 |
≥1170 |
≥895 |
≥10 |
≥35 |
| 760 |
≥965 |
≥760 |
≥3 |
- |
四、Alloy41組織結(jié)構(gòu)
4.1 Alloy41相變溫度 合金熱處理后，組織中析出相的相變溫度范圍見(jiàn)表4-1。
表4-1[13]
| 析出相 |
γ′ |
M6C |
M23C6 |
MC |
μ |
σ |
| 相變溫度范圍/℃ |
<1052 |
760～1149 |
760～901/982 |
796～1149 |
870～980 |
760～982/1038 |
4.2 Alloy41時(shí)間-溫度-組織轉(zhuǎn)變曲線
4.2.1 Alloy41鑄態(tài)試樣經(jīng)1180℃,6h,水冷淬火后，再在不同溫度保濕1h，析出相數(shù)量和溫度的關(guān)系見(jiàn)圖4-2。
4.2.2 Alloy41經(jīng)1200℃,2h固溶處理后，再在760～1200℃時(shí)效2～96h,析出相數(shù)量和時(shí)效溫度的關(guān)系見(jiàn)圖4-2。
4.2.3 Alloy41 5000h長(zhǎng)期時(shí)效后，合金中析出相數(shù)量的變化見(jiàn)圖4-3。
4.3 Alloy41合金組織結(jié)構(gòu) 合金在標(biāo)準(zhǔn)熱處理狀態(tài)的組織除γ基體外，還存在γ′、M6C、M23C6、MC，長(zhǎng)期時(shí)效后有μ相析出。
五、Alloy41工藝性能與要求
5.1 Alloy41成形性能
5.1.1 Alloy41鋼錠鍛造前應(yīng)進(jìn)行高溫均勻化處理，鍛造加熱溫度為1160～1180℃，終鍛溫度不低于1000℃。板坯軋制加熱溫度為1140～1160℃，終軋溫度不低于1060℃。薄板軋制加熱溫度為1140～1160℃，終軋溫度不低于800℃。
5.1.2 Alloy41冷軋薄板固溶狀態(tài)的反復(fù)彎曲和杯突性能見(jiàn)表5-1。
表5-1[9]
| 品種 |
熱處理制度 |
反復(fù)彎曲次數(shù) |
杯突深度/mm |
| δ1.5mm冷軋薄板 |
1180℃，30min，空冷 |
12 |
10.1 |
| 1180℃，30min，空冷 |
20 |
12.4 |
5.1.3 Alloy41旋壓性能 板材在保持細(xì)晶和較低的硬度時(shí)具有很好的可旋性。根據(jù)室溫拉伸斷面收縮率φ(%)算出減薄率φmax(%)=φ(%)/[0.17＋φ(%)]，各種形狀減薄率φmax(%)見(jiàn)表5-2。
表5-2[15]
| |
圓錐形件 |
半球形件 |
筒形件 |
曲母線 |
| φmax/% |
40 |
35 |
60 |
35 |
5.1.4 Alloy41熱塑性能
5.1.4.1 Alloy41d22mm軋材熱頂鍛塑性見(jiàn)表5-3，塑性圖見(jiàn)圖5-1。
表5-3[2]
| 試驗(yàn)溫度/℃ |
900 |
950 |
970 |
980 |
1000 |
1050 |
1100 |
1150 |
1170 |
1200 |
| ε限度max/% |
14.6 |
29.3 |
43 |
43.8 |
75.3 |
81.8 |
78.2 |
70 |
75.5 |
36 |
| ε裂紋min/% |
23.4 |
44 |
51 |
61.5 |
>75.3 |
>81.8 |
80.6 |
78.3 |
76 |
41 |
5.1.4.2 Alloy41d22mm軋材的熱模擬塑性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5-4。
5.1.4.3 Alloy41d90mm棒材經(jīng)1065℃,4h,空冷＋760℃,16h,空冷熱處理后進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，其高溫拉伸塑性見(jiàn)表5-5。
5.1.5 Alloy41合金再結(jié)晶圖
5.1.5.1 Alloy41加工再結(jié)晶圖見(jiàn)圖5-2。
5.1.5.2 Alloy41固溶再結(jié)晶圖見(jiàn)圖5-3。
表5-4[5]
| 類(lèi)型 |
θ/℃ |
900 |
950 |
975 |
1000 |
1050 |
1100 |
1150 |
1160 |
1200 |
| 冷卻曲線 |
σ/MPa |
749 |
404 |
- |
227 |
206 |
156 |
- |
102 |
- |
| φ/% |
19.9 |
23.6 |
55.4 |
67.4 |
83.1 |
81.1 |
- |
53.1 |
- |
| 加熱曲線 |
σ/MPa |
739 |
688 |
599 |
484 |
255 |
229 |
191 |
- |
0 |
| φ/% |
34.9 |
49.6 |
68.3 |
82.7 |
91.7 |
86.4 |
62.9 |
- |
0 |
注：1 冷卻曲線 以100℃/s加熱到1160℃保溫處理后，隨爐冷卻到規(guī)定溫度再保溫100s，以100m/s速度拉斷。
2 加熱曲線 以100℃/s加熱到規(guī)定溫度保溫100s，以100m/s速度拉斷。
表5-5[2]
| 試驗(yàn)溫度/℃ |
950 |
1000 |
1050 |
1100 |
1150 |
1200 |
| 高溫拉伸塑性δ/% |
21.8 |
31.8 |
66.6 |
102 |
117 |
108.2 |
5.2 Alloy41焊接性能
5.2.1 Alloy41合金可熔焊、擴(kuò)散焊、釬焊、摩擦焊。熔焊既可用電子束焊接，也可用氬弧焊焊接。熔焊縫在熱處理時(shí)有產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效裂紋傾向，為將這種傾向減小，應(yīng)在焊接前固溶緩慢退火，即1080℃，隨后以22℃/min冷卻到650℃；另一辦法是在焊接前進(jìn)行過(guò)時(shí)效處理，即1080℃，30min，以1.7～4.4℃/min冷卻到980，4h，以1.7～4.4℃/min冷卻到870℃，4h,再以1.7～4.4℃/min冷卻到760℃，16h,空冷[1,16～19]。焊后在消除焊接應(yīng)力和恢復(fù)性能時(shí)，應(yīng)快速加熱通過(guò)時(shí)效硬化溫度區(qū)間，這樣可消除應(yīng)變時(shí)效開(kāi)裂傾向。使用細(xì)晶、低雜質(zhì)含量母材，消除機(jī)械加工硬化，低的焊接線能量也可以降低應(yīng)變時(shí)效開(kāi)裂傾向
5.3 Alloy41零件熱處理工藝
5.3.1 Alloy41在較低溫度下工作，要求零件具有高的拉伸強(qiáng)度和疲勞性能時(shí)，推薦采用1080℃，空冷＋760℃，16h，空冷。
5.3.2 Alloy41對(duì)在高溫下工作，又要求材料具有高的熱強(qiáng)性時(shí)，適宜的熱處理規(guī)范為1180℃，空冷＋900℃，4h，空冷。
5.3.3 Alloy41對(duì)要求焊接的環(huán)形件等零部件，推薦采用1120℃，30min，空冷＋900℃，4h，空冷。
17701821919周一至周五 | 8:00 - 18:00
