GH159

GH159概述
    GH159合金是在國(guó)外多相鈷基高溫合金（MP合金）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型高強(qiáng)度多相鈷基高溫合金。它的主要特點(diǎn)是：利用冷變形首先在面心立方基體中誘發(fā)產(chǎn)生交叉網(wǎng)狀分布的片狀ε相來(lái)阻止位錯(cuò)的長(zhǎng)程運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生強(qiáng)化，再經(jīng)過(guò)時(shí)效處理析出彌散的Ni3X相補(bǔ)充強(qiáng)化。該合多金具有超高強(qiáng)度、良好的塑韌性和高的應(yīng)力腐蝕抗力等綜合性能，并且在650℃的高溫下仍能保持其高強(qiáng)度的特性。該合金不僅可廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫緊固螺栓等零件，也可用于應(yīng)力腐蝕環(huán)境下（如海洋大氣環(huán)境）服役的飛機(jī)用超高強(qiáng)度緊固件。供應(yīng)的主要品種是冷拉棒材。
    1.1 GH159材料牌號(hào) GH159。
    1.2 GH159相近牌號(hào) MP159(美國(guó))。
    1.3 GH159材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)   
Q/6S 992-1992《高溫緊固件用GH159合金冷拉棒材》(北京航空材料研究所)
C3S 284-1993《高溫緊固件GH159合金冷拉棒材》
    協(xié)上五高28-1993《高溫緊固件GH159合金冷拉棒材》
    1.4 GH159化學(xué)成分  見(jiàn)表1-1。                                                                                                     表1-1                                      %

C	Cr	Ni	Co	Mo	Fe	Ti
≤0.04	18～20	余	34～38	6～8	8～10	2.5～3.25
Al	Nb	B	Mn	Si	P	S
		不大于
0.1～0.3	0.25～0.75	0.03	0.20	0.20	0.02	0.01

    1.5 GH159熱處理制度 固溶處理1040～1055℃,4～8h,水冷+在室溫進(jìn)行48%±1%的冷拔變形＋時(shí)效處理650～675℃，4～4.5h，空冷。
    1.6 GH159品種規(guī)格與供應(yīng)狀態(tài) 可以供應(yīng)d5～25mm的冷拉棒材，供應(yīng)狀態(tài)為冷拔態(tài)。
    1.7 GH159熔煉與鑄造工藝 采用真空感應(yīng)加真空電弧重熔的雙聯(lián)生產(chǎn)工藝。
    1.8 GH159應(yīng)用概況與特殊要求 該合金主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的緊固件，在600℃下性能穩(wěn)定，可長(zhǎng)期使用。是目前綜合性能好的航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件材料。
    合金主要是經(jīng)過(guò)冷變形誘發(fā)產(chǎn)生大量網(wǎng)狀分布的ε相進(jìn)行強(qiáng)化。因此，對(duì)冷拔變形的工藝參數(shù)要嚴(yán)格控制。變形量過(guò)小，強(qiáng)度不足；變形量太大，強(qiáng)度升高，但塑性降低。實(shí)踐證明，當(dāng)冷變形量控制在下限時(shí)合金具有較好的綜合性能。
二、GH159物理及化學(xué)性能   
    2.1 GH159熱性能                                        
   2.1.1GH159熔化溫度范圍  熔點(diǎn)1318℃[1]。
2.1.2GH159熱導(dǎo)率  見(jiàn)表2-1。
表2-1[1]

θ/℃		100	200	300	400	500	600	700	800
λ/(W/m·℃)	冷拔狀態(tài)	11.3	14.1	15.6	17.4	19.1	21.0	23.0	24.6
	冷拔＋時(shí)效狀態(tài)	11.0	13.8	15.3	17.1	18.6	20.5	21.0	-

2.1.3GH159線(xiàn)膨脹系數(shù) 見(jiàn)表2-2(冷拔＋時(shí)效狀態(tài))。
表2-2[3]

θ/℃	25～100	25～200	25～300	25～400	25～500	25～600	25～700	25～800
α/10-6℃-1	14.3	14.2	14.2	14.6	14.9	15.1	16.0	18.2

    2.2 GH159密度 ρ=8.33g/cm3[2]。
2.3 GH159電性能 合金的電阻率見(jiàn)表2-3。
 
表2-3[1]

θ/℃		25	100	200	300	400	500	600
ρ/(10-6Ω·m)	冷拔狀態(tài)	1.033	1.059	1.086	1.118	1.151	1.201	1.236
	冷拔＋時(shí)效狀態(tài)	1.096	1.102	1.135	1.162	1.181	1.210	1.231

2.4 GH159磁性能 合金在25℃時(shí)的磁導(dǎo)率為1.00265[2]。
2.5 GH159化學(xué)性能
   2.5.1GH159耐腐蝕性能 該合金具有良好的抗縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的能力。在典型的氯化鐵實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)縫隙腐蝕和點(diǎn)蝕。在擦鹽試驗(yàn)中未發(fā)生損壞。交替浸漬證明該合金具有良好的抗氫脆和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的能力。
GH159力學(xué)性能
3.1 GH159技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能 見(jiàn)表3-1。
表3-1

品種

狀態(tài)

取樣方向

拉伸性能

HRC

持久性能

θ/℃

σb/MPa

σP0.2/MPa

δ5/%

φ/%

θ/℃

σ/MPa

t/h

δ5/%

不小于

冷拉棒材

冷拔＋時(shí)效

縱向

室溫

1795

1725

6

22

44

650

965

≥23

≥5

595

1415

1310

5

15

-

注：1 供應(yīng)狀態(tài)的棒材硬度要求HRC≥23。
    2 供應(yīng)狀態(tài)的棒材經(jīng)時(shí)效處理后，其拉伸、持久性能和硬度應(yīng)符合表中規(guī)定的要求。當(dāng)棒材的拉伸性能符合要求時(shí)，硬度實(shí)
      驗(yàn)結(jié)果不作為判廢依據(jù)。
    3 持久性能可在光滑-缺口組合試驗(yàn)上測(cè)定。試樣不應(yīng)在23h內(nèi)斷裂。試樣光滑部分拉斷后，其伸長(zhǎng)率應(yīng)符合表中規(guī)定的要求。
    4 可在棒材相鄰部位取樣并分別加工的光滑和缺口持久試樣上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。試樣不應(yīng)在23h內(nèi)斷裂；光滑試樣斷裂后，應(yīng)測(cè)定
      伸長(zhǎng)率；缺口試樣可不拉斷。
    5 持久實(shí)驗(yàn)可在高于965MPa的應(yīng)力下進(jìn)行，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不能改變應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合表中規(guī)定的要求。
    6 經(jīng)需方同意，在965MPa的應(yīng)力下進(jìn)行持久實(shí)驗(yàn)至23h后，可每隔8～10h遞增應(yīng)力35MPa，直至試樣拉斷。
      實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合表中規(guī)定的要求。 
3.2 GH159室溫及各種溫度下的力學(xué)性能
3.2.1GH159硬度 固溶狀態(tài)室溫硬度HRC≤20[3]；冷拔狀態(tài)室溫硬度HRC≥38[3]；冷拔＋時(shí)效狀態(tài)室溫硬度HRC≥44。
3.2.1.1 GH159時(shí)效前后冷拔棒材硬度隨溫度的變化見(jiàn)表3-2。
3.2.1.2 GH159時(shí)效前后冷拔棒材橫截面不同半徑處的硬度見(jiàn)表3-3。
3.2.2GH159拉伸性能
3.2.2.1 GH159合金的典型室溫拉伸性能見(jiàn)表3-4。
                表3-2[1]                                                                           表3-3[1]

θ/℃		室溫	200	400	550	600		距表面的距離/mm		0.2	1.1	2.0	2.7	4.0	5.0
HV	冷拔狀態(tài)	405	370	354	342	333		HV	48%冷拔	496	483	475	467	457	448
	冷拔＋時(shí)效狀態(tài)	437	409	383	368	357			冷拔＋時(shí)效	548	-	-	-	-	518

 
表3-4[2]

狀態(tài)	σb/MPa	σP0.2/MPa	δ5/%	φ/%
固溶	850	400	60	69
冷拔	1585	1415	12	46
冷拔＋時(shí)效	1895	1825	8	35

3.2.2.2 GH159合金在不同溫度下的拉伸性能見(jiàn)表3-5。
 
表3-5[1]

θ/℃	25	260	370	480	595	705	815	θ/℃	25	260	370	480	595	705	815
σb/MPa	1917	1724	1641	1586	1565	1407	896	δ5/%	9	8	8	9	8	15	34
σP0.2/MPa	1882	1655	1551	1503	1482	1282	690	φ/%	35	31	27	22	20	46	65

3.2.2.3 GH159不同溫度的缺口拉伸性能見(jiàn)表3-6。
 
表3-6[1]

θ/℃	25	260	370	480	595	650	705
Kt	6.1	6.0	6.1	6.1	5.8	6.1	5.8
σbH/MPa	2572	2372	2255	2186	2103	1993	1958
σbH/σb	1.32	1.40	1.38	1.37	1.37	1.31	1.38

3.3 GH159持久和蠕變性能
3.3.1GH159高溫持久性能見(jiàn)表3-7。
表3-7[1,2]

項(xiàng)目	光滑持久			光滑-缺口聯(lián)合持久①
θ/℃	650			650		675
σ/MPa	690	862	1034	965	1034	862
t/h	815.0	23.9	8.3	156.4	39.2	52.4
δ5/%	-	-	22.5	18.4	16.2	27.5
φ/%	-	-	27.9	26.9	45.8	48.6

    ① 缺口試樣Kt=3.8。
3.3.2GH159高溫松弛性能 應(yīng)力松弛性能見(jiàn)圖3-1。

3.4 GH159疲勞性能
3.4.1GH159高周疲勞 棒材于48%冷拔＋時(shí)效狀態(tài)的拉-拉疲勞性能見(jiàn)表3-8。
                                                       表3-8[1]

θ/℃	σmax/MPa	N/周
室溫	931 833	4.5×105 3.22×106
400	784 774 736 716	9.6×106 >1.0×107 >6.08×105 >1.0×107
550	736	>1.007×107

                                           注：應(yīng)力比R=0.1，頻率f=85Hz。
    3.5 GH159彈性性能
3.5.1GH159彈性模量 見(jiàn)表3-9。
表3-9[1,2]

θ/℃		室溫	100	200	300	400	500	600
ED/GPa	固溶	222	209.5	203.6	195.9	188.0	182.4	177.2
	冷拔＋時(shí)效	243	230.3	223.4	217.7	210.1	204.0	192.7

3.5.2GH159切變模量 見(jiàn)表3-10。
表3-10[1]

θ/℃		室溫	100	200	300	400	500	600
G/GPa	固溶	81.3	78.9	76.5	73.8	71.2	68.8	66.0
	冷拔＋時(shí)效	89.8	87.9	85.5	82.1	79.2	77.1	74.0

3.5.3GH159泊松比 見(jiàn)表3-11。
表3-11[1]

θ/℃		室溫	100	200	300	400	500	600
μ	固溶	0.32	0.33	0.33	0.33	0.32	0.32	0.34
	冷拔＋時(shí)效	0.32	0.31	0.31	0.33	0.33	0.32	0.30

四、GH159組織結(jié)構(gòu)
4.1 GH159相變溫度 γ＋ε兩相區(qū)溫度范圍為540～700℃，540℃以下的γ相為亞穩(wěn)態(tài)。                                     
4.2 GH159時(shí)間-溫度-組織轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)
 
4.3 GH159合金組織結(jié)構(gòu) 合金在上臨界溫度（約700℃）以上為穩(wěn)定的面心立方γ相，在下臨界溫度以下（約540℃）為穩(wěn)定的密排六方ε相；兩溫度之間為γ＋ε的兩相區(qū)。當(dāng)合金從上臨界溫度冷卻到室溫時(shí)可保持亞穩(wěn)定態(tài)的γ相。當(dāng)在室溫下進(jìn)行冷變形時(shí)可誘發(fā)γ相到ε相的馬氏體型轉(zhuǎn)變。因此，合金經(jīng)固溶處理后全部為亞穩(wěn)定的γ相，在冷變形過(guò)程中部分γ相發(fā)生馬氏體相變轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的ε相。所生成的ε相為薄片狀，在面心立方的γ相晶粒內(nèi)呈交叉網(wǎng)狀分布。在隨后的時(shí)效過(guò)程中又在亞穩(wěn)定的γ相中析出Ni3X相[4～7]。
五、GH159工藝性能與要求
5.1 GH159成形性能
5.1.1GH159合金鋼錠首先在1125～1180℃保溫18～36h進(jìn)行均勻化處理以減小組織偏析和脆性σ相形成。合金鍛造開(kāi)坯裝爐溫度不高于600℃，加熱溫度為1120℃±10℃，時(shí)間不小于4h。開(kāi)鍛溫度不低于1050℃，終鍛溫度不低于950℃.合金熱軋開(kāi)坯裝爐溫度不高于700℃，加熱溫度為1130℃±10℃，保溫30～60min。道次大變形量不能超過(guò)20%。終軋溫度不低于950℃。熱軋后合金在1050～1070℃退火1h以得到均勻晶粒，便于后續(xù)冷變形加工。
5.1.2GH159軋制棒材經(jīng)固溶處理后，經(jīng)堿、酸洗去氧化皮，再經(jīng)表面涂層處理后，進(jìn)行冷拔變形。冷拔變形量為48%±1%。 
5.2 GH159焊接性能 焊接性能同18-8型不銹鋼，可用氬弧焊工藝[2]。
焊接速度       0.14m/min
電流           100～160A
電壓           10V
GH159焊絲進(jìn)給 0.36～0.56m/min
氬氣流量       5～7L/min
5.3 GH159零件熱處理工藝 螺栓的熱處理工藝為650～675℃，4h時(shí)效處理，空冷。
5.4 GH159表面處理工藝 合金經(jīng)局部感應(yīng)加熱熱鐓成螺帽后，表面再經(jīng)冷搓絲加工螺紋。
5.5 GH159切削加工與磨削性能 合金的機(jī)加工性能類(lèi)似于GH738鎳-鈷-鉻合金?？稍诶浼庸?qiáng)化和時(shí)效材料上進(jìn)行機(jī)加工。冷拔態(tài)的GH159合金的機(jī)加工工藝參數(shù)見(jiàn)表5-1。
表5-1[1]

操作	工具材料	工具幾何形狀	工具類(lèi)型	切削深度/mm	走刀量	切削速度/(mm/min)	磨削厚度/mm	切削液
車(chē)削	M24高速鋼	縱向前角：0° 副偏角：15° 副后角：10° 后角：5° 旁諷緣角：15°	5"～8"方形刀具	1.27	0.254 mm/轉(zhuǎn)	7620	0.508	浮化油(1：20)
圓周銑和端銑	M2高速鋼	螺旋角：30° RR：10° 后角：45° 外周余角：7°	直徑1"的四出屑槽端銑刀	3.17	0.051mm/轉(zhuǎn)	19050	0.127	含硫礦物油
鉆孔	T15高速鋼	鉆頭角：118 螺旋角：29° 間隙：7°	直徑1/4"二槽鉆頭	12.7	0.127mm/轉(zhuǎn)	6350	0.305	氯化物礦物油
鉸孔	M2高速鋼	直出屑槽 倒棱角：45° 后角：7°	六槽高速鋼鉸刀	12.7	0.229mm/轉(zhuǎn)	15240	0.1524	氯化物礦物油
攻絲	M1高速鋼	2個(gè)出屑槽，螺絲尖75%螺紋	5/16-24表面硬化絲錐	12.7	-	1270	-	氯化物礦物油