１
ＧＨ２１３２合金组织和性能的研究
１．２高温合金的分类及其塑性成型特点
１．Ｚ１高温合金的分类 我国高温合金的发展已有快５０年的历史了，形成了我国自己的高温合金系列， 中国高温合金有将近２００个牌号，可基本满足飞机和发动机生产及研制的需要，合金
的性能水平和最高使用温度与美、英、苏等国大致相同。可按如下几种方式分类１５］： 按基体可分为铁基，镍基和钴基合金；
冷拔进一步细化晶粒，还可以产生一定程度的加工硬化，冷变形后通过热处理制
度来改善组织均匀性与综合性能，分别对两种热处理制度进行了研究：一是固溶＋时 效热处理制度，优化的热处理制度为：９００℃固溶２．５ｈ，油冷，７２０℃，１６ｈ＋６６０℃， １６ｈ空冷，能保证６＞２０％时，将ＧＨ２１３２合金的抗拉强度提高到１２５０ＭＰａ；二是直接 时效热处理制度，优化的热处理制度为：６８０℃直接时效，能保证６＞１３％时，将ＧＨ２１３２ 合金的抗拉强度提高到１４００ＭＰａ。
ｅｎｇｉｎｅｓ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｎ垂ｈ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｔｏ ａｂｏＶｅ １ｌ ００ＭＰａ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｔｔａｉｎ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｗａｓ ｔａｋｅｎ
ｏｎ
ｔｈｅ ｔ、ｖｏ ａｓｐｅｃｔｓ：ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ａｔ ｔｈｅ
关键词：紧固件：抗拉强度；热轧；冷拔；热处理
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｓｔｕｄｙ
ｏｎ
ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ＧＨ２１３２ ａＵｏｙ
Ｑｉ Ｃｈｅｎ（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）
ＳｕｐｅｒＶｉｓｅｄ ｂｙ Ｐｒｏｆ．Ｆａｎｙａ Ｋｏｎｇ
ＧＨ２ １ ３２ ａｌｌｏｙ ｉｓ
ｃｏ
ｌｄ ｄｒａｗｉｎｇ，ｂｙ ｔｈｅ ｍｅａｎ ｏｆ ｄｅ南ｒｍａｔｉｏｎ，ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｒｅｑｕｉｒｅｄ
ｄｉａｍｅｔｅｒ ｓｉｚｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｈａｄ ｔｗｏ ｅｆＩ’ｅｃｔｓ ａＲｅｒ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．ｏｎｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅｆ．ｍｅ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｔｏ ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅ ｔｈｅ ａｌｌｏ ｙ，ｏｎ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ，ＧＨ２ １ ３２ ａｌｌｏｙ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｈａｒｄｅｎｅｄ ｂｙ ａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ １，７
由于高温合金的合金成份和微观组织结构比较复杂，因此其热加工成形工艺与其 它普通钢铁材料有着不同的特点，具体如下【６］： （１）加工塑性低。高温合金一般含有较多的合金元素，因此工艺塑性较差。特别是 晶粒边界在高温下是薄弱环节，晶界处的Ｓ、Ｐｂ、Ｓｎ等杂质元素往往会降低晶粒间的 结合力而使塑性降低。 （２）变形抗力大。高温合金的变形温度往往比其再结晶温度低，主要由于高温合 金所含的合金元素成分比较复杂，导致再结晶温度比一般钢铁材料高，当变形温度低 于再结晶温度时，很容易引起加工硬化现象，从而使变形抗力提高。与普通结构钢相
ａ
２５Ｎｉ－ｌ ５Ｃｒ－Ｆｅ ｂａｓｅ ｓｕｐｅｒ ａｌｌｏ ｙ，ｆｏｒ ｉｔｓ ｇｏｏｄ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ
ａｒｅａ
ｓｐｅｃｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ａｎｔｉ－ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｆａｓｔｅｎｉｎｇ ｐｉｅｃｅｓ ｍ ｔｈｅ ａｖｉａｔｉｏｎ．
ｂｅ
ｏｖｅｒ
ｌ ４００ＭＰａ ｗｈｉｌｅ ６
＞１３％．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：
ＦａＳｔｅｒｓ；１ｂｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎ舒ｈ；Ｈｏｔ ｒｏｌｌｉｎｇ；Ｃｏｌｄ ｄｒａｗｉｎｇ；Ｈｅ ａ１Ｉ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
ＩＶ
第一章绪论
弟一早珀记 第一章绪论
１．１引言
高温合金也称耐热合金、热强合金或超合金，是２０世纪４０年代随现代航空技术 的发展需要而发展起来的一种新型金属材料，是能够在６００℃以上高温，承受较大复 杂应力，并具有表面稳定性的高合金化铁基、镍基和钴基的奥氏体金属材料。高温合 金不仅需要具有良好的热稳定性、热强性和耐热腐蚀性能，同时还要有良好的耐疲劳 性能、抗高温蠕变性能、断裂韧性、塑性和组织稳定性，通常用于工作温度在５４０℃ 以上的涡轮部件和紧固件。目前，高温合金广泛应用于涡轮、导向叶片、压气机盘、 燃烧室和其他高温部件，但是用量最大的还是应用在燃气涡轮发动机上的铁基高温合 金，现代航空发动机中，高温合金的重量占发动机的７０％以上，一般用铁基或镍基合 金来制造涡轮盘，几乎全部用镍基合金来制造涡轮叶片［１］。此外，高温合金在航天工 业、能源工业［２】、交通运输和化工等部门也得到了广泛应用，甚至还可以作低温钢和 耐腐蚀材料使用。 由于ＧＨ２１３２合金具有突出的抗松弛能力和耐腐蚀性能，在航空领域里被广泛用 作发动机的紧固件［３】，但随着航空科技的发展，对航空材料各个方面的要求越来越高， 迫切需要提高性能来满足工作条件和保证航空安全。但目前ＧＨ２１３２合金棒材室温拉 伸性能仍然使用ＧＢｌ７７．８２，其中ａｂ＝９３０ＭＰａ，６＝２０％，ｖ＝４０％【４１，世界上先进国家，
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｅｒｅ
ｔｈｅ ｕｌｔｒａ ａｉｍ ｔｏ ｍｅｌｉｏｒａｔｅ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ
Ｈｏｔ ｒｏｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｌｄ ｄｒａｗｉｎｇ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｎｄ Ｈｏｔ ｒｏｌｌｉｌｌｇ ｗａｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ
ａｍｅａｌｅｄ
ａｔ
９００℃ｆｏｒ ２．５
ｈｏｕｒｓ，ｏｉｌ ｑｕｅｎｃｈｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ａｇｅｄ ａｔ ７ ｌ ０℃ｆｏｒ ｌ ６ ｈｏｕｒｓ，ａｉｒ ｃｏｏｌｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎ垂ｈ， ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｔｒｅａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｂｏｔｈ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｂｏＶｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ，ｃｏｕｌｄ ａｔｔａｉｎ ｔｏ １１ ２０ＭＰａ
按基本成型工艺可分为变形、铸造、粉末冶金： 按强化方式可分为固溶强化合金、沉淀强化合金、弥散强化合金； 按合金的使用特性可分为抗热腐蚀高温合金、低膨胀高温合金、高屈服强度高温 合金、抗松弛合金； 按合金用途可分为涡轮叶片用高温合金、涡轮导向叶片用高温合金、燃烧室用高 温合金。
１．２．２高温合金的热加工特点
ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ａｎｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｈａＶｅ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｑ ｂｙ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｔｍｃｔｕｒｅｓ，ａｎｄ ｃｈｅｃｋｅｄ
ａｓ
ｏｎ
ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ｔｏ
ｓｅｅ
ｗｈａｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｂｅｎｅｍｅｄ ｔｈｅ ｈｏｔ－ｒｏｌｌｉｎｇ ａｎｄ
ｃｏｌｄ－ｄｒａｗｎ ａｌｌｏｙ ｓｉｇｎｉ６ｃａｎｔｌｙ
ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅＩｙ．
Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｓｉＺｅ ｏｆ ＧＨ２ １ ３２ ａｌｌｏｙ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅｆｉｎｅｄ ｔｏ ｕｐ ｌ ０ ｇｒａｄｅ ａＲｅｒ ｔｈｅ ｈｏｔ ｒｏｌｌｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗａｓ
ｏｆ ｏｆ
Ｗｉｔｈ
ｒａｐｉｄ ｄｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆ ｉｎｄｕｓｔ拶
ｏｆ ａＶｉａｔｉｏｎ，
如ｒｔｈｅｒ
ｉｍｐｒｏＶｅｍｅｎｔ
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｓ
ｈｉ曲ｌｙ
ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆａｓｔｅｒｓ ｓｅｒＶｉｎｇ ｔｏ ｌｉｎｋ ａ１１ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｐｉｅｃｅｓ ｉｎ
中国科学院研究生院 硕士学位论文 GH2132合金组织和性能的研究 姓名：陈琪 申请学位级别：硕士 专业：材料工程 指导教师：孔凡亚 2012-05
摘要
摘要
ＧＨ２１３２合金是一种２５Ｎｉ一１５Ｃｒ—Ｆｅ基变形高温合金，它以优良的耐腐蚀和抗松弛 能力被广泛应用于航空紧固件。随着我国航空工业的飞速发展，由于使用需要，对用 于连接各种零件的紧固件性能要求越来越高，迫切需要１１００ＭＰａ强度级别的ＧＨ２１３２ 合金紧固件。因此，为了提高ＧＨ２１３２合金的抗拉强度，本文重点从调整变形和热处 理这两个工艺参数出发，同时采用光学显微镜和扫描电镜对组织作机理分析，以性能 测试作鉴定手段来获得一套优化的生产工艺。 变形采用热轧和冷拔两种方式，其中冷拔是在热轧的基础上进行的，通过变形可 以控制合金的晶粒大小和所需要的尺寸，变形后的热处理制度一方面用来改善变形后 的组织缺陷，获得均匀细小的晶粒度，另一方面通过控制析出相ｖ ７来获得沉淀强化， 以保证细小弥散析出相ｖ ７的同时，防止晶粒度长大。此研究重点从固溶和时效两方面 来研究热处理制度，选取不同固溶、时效的温度和时间来观察其对机械性能的影响， 最终分别得到优化的热加工和冷加工后的热处理工艺。 研究结果表明，热轧可以使晶粒细化到１０级以上，热轧后优化的热处理制度为： ９００℃固溶２．５ｈ，油冷：７１０℃时效１６ｈ，空冷。通过这两种工艺的结合能将ＧＨ２１３２ 合金的抗拉强度提高到１１２０ＭＰａ，屈服强度到８００ＭＰａ，并保持良好的塑性。
ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｄ
ｐｈａｓｅ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｄｉＶｉｄｅｄ ｔｏ ｔｗｏ ａｓｐｅｃｔｓ：ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ａｇｉｎｇ，ｄｉ仃ｅｒｅｎｔ ｔｊｍｅ ａｎｄ ｔｅｎｌｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏ ｔａｋｅｎ
ａｓ
６６０℃ｆｏｒ １６ ｈｏｕｒｓ，ａｉｒ ｃｏｏｌｅｄ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｎ甜ｈ ｏｆＧＨ２１３２ ６＞２０％，ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｗａｓ ｄｉｒｅｃｔ ａｇｉｎｇ，ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ