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GH159

GH159概述
    GH159合金是在國外多相鈷基高溫合金（MP合金）的基礎上發展起來的一種新型高強度多相鈷基高溫合金。它的主要特點是：利用冷變形首先在面心立方基體中誘發產生交叉網狀分布的片狀ε相來阻止位錯的長程運動而產生強化，再經過時效處理析出彌散的Ni3X相補充強化。該合多金具有超高強度、良好的塑韌性和高的應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度的特性。該合金不僅可廣泛用于航空發動機的高溫緊固螺栓等零件，也可用于應力腐蝕環境下（如海洋大氣環境）服役的飛機用超高強度緊固件。供應的主要品種是冷拉棒材。
    1.1 GH159材料牌號 GH159。
    1.2 GH159相近牌號 MP159(美國)。
    1.3 GH159材料的技術標準   
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》
    協上五高28-1993《高溫緊固件GH159合金冷拉棒材》
    1.4 GH159化學成分  見表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+在室溫進行48%±1%的冷拔變形＋時效處理650～675℃，4～4.5h，空冷。
    1.6 GH159品種規格與供應狀態 可以供應d5～25mm的冷拉棒材，供應狀態為冷拔態。
    1.7 GH159熔煉與鑄造工藝 采用真空感應加真空電弧重熔的雙聯生產工藝。
    1.8 GH159應用概況與特殊要求 該合金主要用于航空發動機的緊固件，在600℃下性能穩定，可長期使用。是目前綜合性能蕞好的航空發動機緊固件材料。
    合金主要是經過冷變形誘發產生大量網狀分布的ε相進行強化。因此，對冷拔變形的工藝參數要嚴格控制。變形量過小，強度不足；變形量太大，強度升高，但塑性降低。實踐證明，當冷變形量控制在下限時合金具有較好的綜合性能。
二、GH159物理及化學性能   
    2.1 GH159熱性能                                        
   2.1.1GH159熔化溫度范圍  熔點1318℃[1]。
2.1.2GH159熱導率  見表2-1。
表2-1[1]

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

2.1.3GH159線膨脹系數 見表2-2(冷拔＋時效狀態)。
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 合金的電阻率見表2-3。
 
表2-3[1]

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

2.4 GH159磁性能 合金在25℃時的磁導率為1.00265[2]。
2.5 GH159化學性能
   2.5.1GH159耐腐蝕性能 該合金具有極好的抗縫隙腐蝕和應力腐蝕開裂的能力。在典型的氯化鐵實驗中未發現縫隙腐蝕和點蝕。在擦鹽試驗中未發生損壞。交替浸漬證明該合金具有良好的抗氫脆和應力腐蝕開裂的能力。
GH159力學性能
3.1 GH159技術標準規定的性能 見表3-1。
表3-1

品種

狀態

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＋時效

縱向

室溫

1795

1725

6

22

44

650

965

≥23

≥5

595

1415

1310

5

15

-

注：1 供應狀態的棒材硬度要求HRC≥23。
    2 供應狀態的棒材經時效處理后，其拉伸、持久性能和硬度應符合表中規定的要求。當棒材的拉伸性能符合要求時，硬度實
      驗結果不作為判廢依據。
    3 持久性能可在光滑-缺口組合試驗上測定。試樣不應在23h內斷裂。試樣光滑部分拉斷后，其伸長率應符合表中規定的要求。
    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行實驗。試樣不應在23h內斷裂；光滑試樣斷裂后，應測定
      伸長率；缺口試樣可不拉斷。
    5 持久實驗可在高于965MPa的應力下進行，但實驗過程中不能改變應力。實驗結果應符合表中規定的要求。
    6 經需方同意，在965MPa的應力下進行持久實驗至23h后，可每隔8～10h遞增應力35MPa，直至試樣拉斷。
      實驗結果應符合表中規定的要求。 
3.2 GH159室溫及各種溫度下的力學性能
3.2.1GH159硬度 固溶狀態室溫硬度HRC≤20[3]；冷拔狀態室溫硬度HRC≥38[3]；冷拔＋時效狀態室溫硬度HRC≥44。
3.2.1.1 GH159時效前后冷拔棒材硬度隨溫度的變化見表3-2。
3.2.1.2 GH159時效前后冷拔棒材橫截面不同半徑處的硬度見表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	405	370	354	342	333		HV	48%冷拔	496	483	475	467	457	448
	冷拔＋時效狀態	437	409	383	368	357			冷拔＋時效	548	-	-	-	-	518

 
表3-4[2]

狀態	σb/MPa	σP0.2/MPa	δ5/%	φ/%
固溶	850	400	60	69
冷拔	1585	1415	12	46
冷拔＋時效	1895	1825	8	35

3.2.2.2 GH159合金在不同溫度下的拉伸性能見表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高溫持久性能見表3-7。
表3-7[1,2]

項目	光滑持久			光滑-缺口聯合持久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 應力松弛性能見圖3-1。

3.4 GH159疲勞性能
3.4.1GH159高周疲勞 棒材于48%冷拔＋時效狀態的拉-拉疲勞性能見表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：應力比R=0.1，頻率f=85Hz。
    3.5 GH159彈性性能
3.5.1GH159彈性模量 見表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＋時效	243	230.3	223.4	217.7	210.1	204.0	192.7

3.5.2GH159切變模量 見表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＋時效	89.8	87.9	85.5	82.1	79.2	77.1	74.0

3.5.3GH159泊松比 見表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＋時效	0.32	0.31	0.31	0.33	0.33	0.32	0.30

四、GH159組織結構
4.1 GH159相變溫度 γ＋ε兩相區溫度范圍為540～700℃，540℃以下的γ相為亞穩態。                                     
4.2 GH159時間-溫度-組織轉變曲線
 
4.3 GH159合金組織結構 合金在上臨界溫度（約700℃）以上為穩定的面心立方γ相，在下臨界溫度以下（約540℃）為穩定的密排六方ε相；兩溫度之間為γ＋ε的兩相區。當合金從上臨界溫度冷卻到室溫時可保持亞穩定態的γ相。當在室溫下進行冷變形時可誘發γ相到ε相的馬氏體型轉變。因此，合金經固溶處理后全部為亞穩定的γ相，在冷變形過程中部分γ相發生馬氏體相變轉變為穩定的ε相。所生成的ε相為薄片狀，在面心立方的γ相晶粒內呈交叉網狀分布。在隨后的時效過程中又在亞穩定的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。合金鍛造開坯裝爐溫度不高于600℃，加熱溫度為1120℃±10℃，時間不小于4h。開鍛溫度不低于1050℃，終鍛溫度不低于950℃.合金熱軋開坯裝爐溫度不高于700℃，加熱溫度為1130℃±10℃，保溫30～60min。道次最大變形量不能超過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，便于后續冷變形加工。
5.1.2GH159軋制棒材經固溶處理后，經堿、酸洗去氧化皮，再經表面涂層處理后，進行冷拔變形。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時效處理，空冷。
5.4 GH159表面處理工藝 合金經局部感應加熱熱鐓成螺帽后，表面再經冷搓絲加工螺紋。
5.5 GH159切削加工與磨削性能 合金的機加工性能類似于GH738鎳-鈷-鉻合金?？稍诶浼庸娀蜁r效材料上進行機加工。冷拔態的GH159合金的機加工工藝參數見表5-1。
表5-1[1]

操作	工具材料	工具幾何形狀	工具類型	切削深度/mm	走刀量	切削速度/(mm/min)	磨削厚度/mm	切削液
車削	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	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	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	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	15240	0.1524	氯化物礦物油
攻絲	M1高速鋼	2個出屑槽，螺絲尖75%螺紋	5/16-24表面硬化絲錐	12.7	-	1270	-	氯化物礦物油