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一、Alloy41概述
Alloy41是是沉淀硬化型镍基变形高温合金，在650～950℃范围内，具有高的拉伸和持久蠕变强度和良好的抗氧化性能。由于合金中铝、钛、钼含量较高，铸锭开坯比较困难，但变形后的材料具有较好的塑性，在退火状态下可以冷成形，也可进行焊接，焊接部件热处理时易产生应变时效裂纹。合金的品种有薄板、带、丝、盘件、环形件、锻件、棒材、和精密铸件等，适合于制造在870℃以下要求有高强度和980℃以下要求抗氧化的航空、航天发动机高温零部件。
1.1 Alloy41化学成分见表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热处理制度见表1-2。
表1-2
品种 | 热处理制度 |
（航空）圆饼、环坯、环形件、棒、板材 | 规范Ⅰ:1080℃±10℃,快淬+1120℃±10℃，0.5h,空冷+900℃±10℃,1-4h,空冷 |
（航天）棒、盘件 | 规范Ⅱ:1080℃,4h,油冷+760℃，16h,空冷 |
规范Ⅲ:1065℃,4h,空冷+760℃，16h,空冷 | |
板材 | 规范Ⅳ:1180℃,30min，空冷+900℃，4h,空冷 |
规范Ⅴ:1080℃,保温不小于2.4min/mm,空冷+760℃，16h,空冷 |
1.3 Alloy41品种规格与供应状态可提供各种规格的圆饼、环坯、环形件、薄板、带材、棒材、锻件和精密铸件等。板材于固溶状态交货，棒材和锻件不经热处理交货。
1.4 Alloy41熔炼与铸造工艺合金采用真空感应熔炼、真空感应熔炼加电渣重熔或真空电弧重熔工艺。
1.5 Alloy41应用概况与特殊要求该合金广泛用于制造航空、航天发动机高温承力零部件，如导向叶片、燃烧室、涡轮、导向器高温承力件、轴、盘、叶片和紧固件等，板材焊接件热处理时的应变时效裂纹，可采用焊前过时效处理或在焊前控制固溶处理后的冷却速度的方法来解决，焊后再进行标准热处理。
二、Alloy41物理及化学性能
2.1 Alloy41热性能
2.1.1 Alloy41熔化温度范围 1316～1371℃[2]。
2.1.2 Alloy41热导率 见图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 |
2.1.3Alloy41线膨胀系数见图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电性能δ2mm板材的室温电阻率见表2-3。
表2-3[3]
状态 | ρ/(10-6Ω.m) | 状态 | ρ/(10-6Ω.m) |
热轧 | 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 |
|
|
2.4Alloy41磁性能见表2-4。
表2-4[4]
状态 | 20℃下300Οe时的磁导率/(H/m) |
1065℃,4h,空冷+760℃,16h,空冷 | ＜1.002 |
1175℃,0.5h,空冷+900℃,4h,空冷 | ＜1.002 |
2.5Alloy41化学性能
2.5.1Alloy41抗氧化性能在空气介质中的氧化速率见表2-5。
表2-5[9]
表面状态 | θ/℃ | 不同时间氧化速率/(g/(m2·h)) | 表面状态 | θ/℃ | 不同时间氧化速率/(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涂层 | 1100 | 0.496 | 0.494 | 0.413 | 0.356 | --- |
三、Alloy41力学性能
3.1 Alloy41技术标准规定的性能
3.1.1 Alloy41圆饼、环坯、环形件、大棒材标准规定的性能见表3-1。
表3-1
材料标准 | 品种 | 热处理制度 | 拉伸性能 | HBS | 持久性能 | |||||||
θ/℃ | σb/MPa | σP0.2/MPa | δ5/% | φ/% | θ/℃ | σ/MPa | t/h | δ/% | ||||
Q/5B4027-1992 Q/3B4060-1992 | 圆饼、环坯、环形件、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环形件经退火处理后的室温硬度HBS≤363。
2经固件和时效处理后的室温硬度HRC≥30(HBS≥283)。
3.1.2Alloy41紧固件标准规定的性能见表3-2。
表3-2
材料标准 | 品种 | 热处理制度 | 拉伸性能 | 持久性能 | ||||||
θ/℃ | σb/MPa | σP0.2/MPa | δ5/% | φ/% | θ/℃ | σ/MPa | t/h | |||
Q/6S1033-1992 | 紧固件 | 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 | ||||||
3.1.3Alloy41d90mm棒材标准规定的性能见表3-3。
表3-3
热处理状态 | θ/℃ | 拉伸性能 | HBS | 冲击韧性 | 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 | ||
3.1.4Alloy41板材、带材标准规定的性能见表3-4。
表3-4
热处理制度 | 厚度/mm | θ/℃ | 拉伸性能 | HRC | ||
σb/MPa | σP0.2/MPa | δ5/% | ||||
1080℃，保温不小于2.4min/mm,空冷 | 0.4～2.9 | 20 | ≤1170 | ≤690 | ≥30 | ≤30 |
≥2.9～4.0 | 20 | ≤1240 | ≤795 | ≥30 | ≤30 | |
固溶处理＋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组织结构
4.1 Alloy41相变温度合金热处理后，组织中析出相的相变温度范围见表4-1。
表4-1[13]
析出相 | γ′ | M6C | M23C6 | MC | μ | σ |
相变温度范围/℃ | <1052 | 760～1149 | 760～901/982 | 796～1149 | 870～980 | 760～982/1038 |
4.2 Alloy41时间-温度-组织转变曲线
4.2.1 Alloy41铸态试样经1180℃,6h,水冷淬火后，再在不同温度保湿1h，析出相数量和温度的关系见图4-2。
4.2.2 Alloy41经1200℃,2h固溶处理后，再在760～1200℃时效2～96h,析出相数量和时效温度的关系见图4-2。
4.2.3 Alloy41 5000h长期时效后，合金中析出相数量的变化见图4-3。
4.3 Alloy41合金组织结构合金在标准热处理状态的组织除γ基体外，还存在γ′、M6C、M23C6、MC，长期时效后有μ相析出。
五、Alloy41工艺性能与要求
5.1 Alloy41成形性能
5.1.1 Alloy41钢锭锻造前应进行高温均匀化处理，锻造加热温度为1160～1180℃，终锻温度不低于1000℃。板坯轧制加热温度为1140～1160℃，终轧温度不低于1060℃。薄板轧制加热温度为1140～1160℃，终轧温度不低于800℃。
5.1.2 Alloy41冷轧薄板固溶状态的反复弯曲和杯突性能见表5-1。
表5-1[9]
品种 | 热处理制度 | 反复弯曲次数 | 杯突深度/mm |
δ1.5mm冷轧薄板 | 1180℃，30min，空冷 | 12 | 10.1 |
1180℃，30min，空冷 | 20 | 12.4 |
5.1.3Alloy41旋压性能板材在保持细晶和较低的硬度时具有很好的可旋性。根据室温拉伸断面收缩率φ(%)算出极限减薄率φmax(%)=φ(%)/[0.17＋φ(%)]，各种形状极限减薄率φmax(%)见表5-2。
表5-2[15]
圆锥形件 | 半球形件 | 筒形件 | 曲母线 | |
φmax/% | 40 | 35 | 60 | 35 |
5.1.4Alloy41热塑性能
5.1.4.1Alloy41d22mm轧材热顶锻塑性见表5-3，塑性图见图5-1。
表5-3[2]
试验温度/℃ | 900 | 950 | 970 | 980 | 1000 | 1050 | 1100 | 1150 | 1170 | 1200 |
ε极限max/% | 14.6 | 29.3 | 43 | 43.8 | 75.3 | 81.8 | 78.2 | 70 | 75.5 | 36 |
ε裂纹min/% | 23.4 | 44 | 51 | 61.5 | >75.3 | >81.8 | 80.6 | 78.3 | 76 | 41 |
5.1.4.2Alloy41d22mm轧材的热模拟塑性试验结果见表5-4。
5.1.4.3Alloy41d90mm棒材经1065℃,4h,空冷＋760℃,16h,空冷热处理后进行高温拉伸试验，其高温拉伸塑性见表5-5。
5.1.5Alloy41合金再结晶图
5.1.5.1Alloy41加工再结晶图见图5-2。
5.1.5.2Alloy41固溶再结晶图见图5-3。
表5-4[5]
类型 | θ/℃ | 900 | 950 | 975 | 1000 | 1050 | 1100 | 1150 | 1160 | 1200 |
冷却曲线 | σ/MPa | 749 | 404 | - | 227 | 206 | 156 | - | 102 | - |
φ/% | 19.9 | 23.6 | 55.4 | 67.4 | 83.1 | 81.1 | - | 53.1 | - | |
加热曲线 | 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冷却曲线以100℃/s加热到1160℃保温处理后，随炉冷却到规定温度再保温100s，以100m/s速度拉断。
2加热曲线以100℃/s加热到规定温度保温100s，以100m/s速度拉断。
表5-5[2]
试验温度/℃ | 950 | 1000 | 1050 | 1100 | 1150 | 1200 |
高温拉伸塑性δ/% | 21.8 | 31.8 | 66.6 | 102 | 117 | 108.2 |
5.2 Alloy41焊接性能
5.2.1Alloy41合金可熔焊、扩散焊、钎焊、摩擦焊。熔焊既可用电子束焊接，也可用氩弧焊焊接。熔焊缝在热处理时有产生应变时效裂纹倾向，为将这种倾向减到X小，应在焊接前固溶缓慢退火，即1080℃，随后以22℃/min冷却到650℃；另一办法是在焊接前进行过时效处理，即1080℃，30min，以1.7～4.4℃/min冷却到980，4h，以1.7～4.4℃/min冷却到870℃，4h,再以1.7～4.4℃/min冷却到760℃，16h,空冷[1,16～19]。焊后在消除焊接应力和恢复性能时，应快速加热通过时效硬化温度区间，这样可消除应变时效开裂倾向。使用细晶、低杂质含量母材，消除机械加工硬化，低的焊接线能量也可以降低应变时效开裂倾向
5.3 Alloy41零件热处理工艺
5.3.1Alloy41在较低温度下工作，要求零件具有高的拉伸强度和疲劳性能时，推荐采用1080℃，空冷＋760℃，16h，空冷。
5.3.2Alloy41对在高温下工作，又要求材料具有高的热强性时，适宜的热处理规范为1180℃，空冷＋900℃，4h，空冷。
5.3.3Alloy41对要求焊接的环形件等零部件，推荐采用1120℃，30min，空冷＋900℃，4h，空冷。
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