GH141镍基变形高温合金
一、GH141概述
GH141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。卓伊实业合金的品种有薄板、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 GH141材料牌号 GH141(GH4141)。
1.2 GH141相近牌号 UNS N07041，Rene′41，R41，Carpenter41，PYROMET41，UNITEMP41，HynessalloyR41，J1610(美国）。
1.3 GH141材料的技术标准
1.4 GH141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)
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 |
1.6 GH141品种规格与供应状态 上海卓伊实业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。
1.7 GH141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。
1.8 GH141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、GH141物理及化学性能
2.1 GH141热性能
2.1.1 GH141熔化温度范围 1316～1371℃。
2.1.2 GH141热导率 见图2-1。
表2-1
| 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 GH141线膨胀系数 见图2-2。
表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 GH141密度 ρ=8.27g/cm3。
2.3 GH141电性能 δ2mm板材的室温电阻率见表2-3。
表2-3
| 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 | | |
2.4 GH141磁性能 见表2-4。
表2-4
| 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 |
2.5 GH141化学性能
2.5.1 GH141抗氧化性能 在空气介质中的氧化速率见表2-5。
表2-5
| 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、GH141力学性能
3.1 GH141技术标准规定的性能
3.1.1 卓伊实业GH141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/5B 4027-1992Q/3B 4060-1992 | 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)。
3.1.2 GH141紧固件标准规定的性能见表3-2。
表3-2
| 卓伊实业 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/6S 1033-1992 | 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 | | | |
3.1.3 GH141d90mm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 |
3.1.4 GH141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、GH141组织结构
4.1 GH141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
| 析出相 | γ′ | M6C | M23C6 | MC | μ | σ |
| 相变温度范围/℃ | | 760～1149 | 760～901/982 | 796～1149 | 870～980 | 760～982/1038 |
4.2 GH141时间-温度-组织转变曲线
4.2.1 GH141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 GH141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。
4.3 GH141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、GH141工艺性能与要求
5.1 GH141成形性能
5.1.1 GH141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 GH141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
| 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 |
5.1.3 GH141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。