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Nimonic90螺栓Nimonic90耐熱合金
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Nimonic90
鎳基變形高溫合金
英國(guó)牌號(hào)：Nimonic90
中國(guó)牌號(hào)：GH90
一、Nimonic90概述
Nimonic90為時(shí)效強(qiáng)化型鎳基變形高溫合金，含有較高量的鈷及多種強(qiáng)化元素。該合金在815～870℃有較高的抗拉強(qiáng)度和抗蠕變能力、良好的kangyang化性和耐腐蝕性、在冷熱反復(fù)交替作用下有較高的疲勞強(qiáng)度以及良好的成形性和焊接性。主要供應(yīng)熱軋和冷拉棒材、冷軋板材、帶材及冷拉絲材。用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦lunpan、葉片、高溫緊固件、卡箍、密封圈及彈性元件等。
1.1 Nimonic90材料牌號(hào) Nimonic90。
1.2 Nimonic90相近牌號(hào) GH90(中國(guó))。
1.3 Nimonic90材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
1.4 Nimonic90化學(xué)成分 見表1-1。
表1-1%
C
Cr
Ni
Co
Al
Ti
Mn
Si
P
S
Ag
Pb
Bi
B
Cu
Fe
Zr
不大于
≤0.13
18.0～21.0
余量
15.0～21.0
1.0～2.0
2.0～3.0
0.4
0.8
0.020
0.015
0.0005
0.0020
0.0001
0.020
0.2
1.5
0.15
注：絲材規(guī)定ω(pb)≤0.0010%。
1.5 Nimonic90熱處理制度
1.5.1 Nimonic90冷拉棒材：1080℃±10℃,保溫時(shí)間見表1-2，空冷或水冷+750℃±10℃,4h,空冷。
表1-2
直徑或較小截面尺寸mm
≤3
3～6
6～12.5
12.5～25
th
1
2
4
8
1.5.2 Nimonic90薄板和帶材（軟態(tài)）：軟化處理1100～1150℃，1～10min，適當(dāng)介質(zhì)中冷卻＋750℃±10℃,4h,空冷。
1.5.3 Nimonic90薄板和帶材（硬態(tài)）：700～725℃,4h,空冷。
1.5.4 Nimonic90彈簧用冷拉絲材：600℃±10℃，16h，空冷或650℃±10℃，4h，空冷。
1.5.5 Nimonic90冷拉和固溶處理的彈簧絲材：1080℃±10℃,8h,空冷＋700～750℃，4h，空冷。
1.6 Nimonic90品種規(guī)格與供應(yīng)狀態(tài) 供應(yīng)直徑或內(nèi)切圓直徑不大于25mm的冷拉棒材或冷拉六角棒材；厚度不大于4mm的冷軋薄板和厚度不大于0.8mm的冷軋帶材；直徑不大于8mm的彈簧用冷拉絲材。冷拉棒材的供應(yīng)狀態(tài)按用途分為：鐓鍛用棒以冷拉磨光狀態(tài)交貨（當(dāng)需方需求以固溶狀態(tài)交貨時(shí)，應(yīng)在合同中注明）；機(jī)加工用棒材經(jīng)固溶并除氧化皮狀態(tài)交貨。冷軋薄板和帶材（軟態(tài)）經(jīng)軟化處理、堿酸洗、切邊后交貨；冷軋薄板和帶材（硬態(tài)）以冷軋、切邊后交貨。彈簧用絲材以冷拉狀態(tài)或冷拉后固溶處理狀態(tài)交貨。
1.7 Nimonic90熔煉與鑄造工藝 合金采用下列四種工藝之一進(jìn)行熔煉：(1)感應(yīng)熔煉加電渣重熔；(2)真空感應(yīng)熔煉加電渣重熔；(3)真空感應(yīng)熔煉加真空電弧重熔；(4)真空感應(yīng)熔煉。
1.8 Nimonic90應(yīng)用概況與特殊要求 該合金在發(fā)動(dòng)機(jī)上用作高溫彈簧元件、高溫緊固件、燃燒室卡圈、止動(dòng)銷等零部件。在國(guó)外還用作渦輪工作葉片、渦等零部件。
二、Nimonic90物理及化學(xué)性能
2.1 Nimonic90熱性能
2.1.1 Nimonic90熔化溫度范圍 熔點(diǎn)1400℃[1]。
2.1.2 Nimonic90熱導(dǎo)率 見表2-1。
表2-1[1]
θ℃
600
700
800
λ(W(m·℃))
21.76
23.93
25.57
2.1.3 Nimonic90線膨脹系數(shù) 見表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
α110-6℃-1
12.71
13.09
13.51
14.04
14.52
15.03
15.58
16.36
17.38
2.2 Nimonic90密度 ρ=8.20gcm3。
2.3 Nimonic90電性能
2.4 Nimonic90磁性能 合金無磁性。
2.5 Nimonic90化學(xué)性能 合金在1040℃以下具有良好的化性和耐腐蝕性能；在1040℃以上時(shí)易產(chǎn)生晶間氧化。
三、Nimonic90力學(xué)性能
3.1 Nimonic90技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能
3.1.1 Nimonic90冷拉棒材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能見表3-1。
表3-1
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
θ℃
拉伸性能
持久性能
σbMPa
σP0.2MPa
δ5%
σMPa
th
不小于
WS9 7016-1996
650
820
590
8
-
-
870
-
-
-
140
≥30
注：固溶狀態(tài)供應(yīng)的棒材，力學(xué)性能試樣只進(jìn)行時(shí)效處理。
3.1.2 Nimonic90冷軋薄板和帶材（軟態(tài)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能見表3-2。
表3-2
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) θ℃ 成品厚度mm 拉伸性能 硬度HV 持久性能
σbMPa σP0.2MPa δ5% σMPa th
不小于
WS9 7087-1996 室溫 0.25～0.35 1080 695 15 ≥280 - -
0.35～0.45 1080 695 20
0.45 1080 695 25
870 所有 - - - - 140 ≥30
注：持久試驗(yàn)的試樣熱處理制度：供應(yīng)狀態(tài)＋1080℃±10℃,8h,空冷＋700℃±10℃,16h,空冷。
3.1.3 Nimonic90冷軋薄板和帶材（硬態(tài)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能見表3-3。
表3-3
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
θ℃
拉伸性能
σbMPa
σP0.2MPa
WS9 7086-1996
室溫
1390～1620
≥1030
3.1.4 Nimonic90彈簧用絲材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能見表3-4。
表3-4
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
θ℃
成品厚度mm
拉伸性能
持久性能
σbMPa
σP0.2MPa
δ5%
σMPa
th
不小于
WS9 7014-1996
室溫
≤1.0
1540
-
-
-
-
1.0～5.0
1390
1160
-
5.0～8.0
1310
1000
10
-
-
870
坯料
-
-
-
140
≥30
WS9 7015.1-1996
室溫
0.44～0.99
1080
-
15
-
-
0.99～8.0
1080
-
15
-
-
870
坯料
-
-
-
140
≥30
注：進(jìn)行持久試驗(yàn)的坯料熱處理制度：1080℃±10℃,8h,空冷＋700℃±10℃,16h,空冷。
3.1.5 Nimonic90生產(chǎn)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)
3.1.5.1 Nimonic90冷拉棒材650℃拉伸性能的統(tǒng)計(jì)處理結(jié)果見表3-5。
表3-5
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
冶煉工藝
650℃拉伸性能
σbMPa
σP0.2MPa
δ50mm%
WS9 7016-1996
真空感應(yīng)加電渣
975
670
24
3.1.5.2 Nimonic90彈簧用絲材室溫拉伸性能的統(tǒng)計(jì)處理結(jié)果見表3-6。
表3-6
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
冶煉工藝
絲材直徑mm
室溫拉伸性能
σbMPa
σP0.2MPa
δ50mm%
WS9 7014-1996
真空感應(yīng)熔煉
≤1.0
1800
-
-
1.0～5.0
1515
1260
-
WS9 7015.1-1996
0.99～8.0
1180
690
27
四、Nimonic90組織結(jié)構(gòu)
4.1 Nimonic90相變溫度
4.2 Nimonic90時(shí)間-溫度-組織轉(zhuǎn)變曲線
4.3 Nimonic90合金組織結(jié)構(gòu) 合金的主要強(qiáng)化相是γ′-Ni3(Al、Ti)，在晶內(nèi)以大小不同的方形顆粒狀析出，在晶界上也可見到這種形狀的γ′相。碳化物在晶界上呈不連續(xù)的鏈狀析出[2]。
五、Nimonic90工藝性能與要求
5.1 Nimonic90成形性能 合金在鍛造時(shí)易產(chǎn)生內(nèi)裂，不允許重錘打擊，不允許低溫倒棱。鋼錠裝爐溫度不高于700℃，終加熱溫度1150℃±10℃，開鍛溫度不低于1060℃，終鍛溫度不低于950℃。軋制加熱溫度1160℃，終軋溫度不低于950℃。冷拔材在終中間退火后應(yīng)進(jìn)行8%～12%的冷變形。
5.2 Nimonic90焊接性能 合金在固溶狀態(tài)可進(jìn)行惰性氣體保護(hù)鎢極電弧焊及閃光對(duì)焊。
5.3 Nimonic90零件熱處理工藝 零件的熱處理工藝按相應(yīng)的材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的熱處理制度進(jìn)行。
5.4 Nimonic90表面處理工藝
5.5 Nimonic90切削加工與磨削性能 Nimonic90在固溶處理狀態(tài)有良好的機(jī)械加工性能，在時(shí)效處理后使用堅(jiān)硬刀具按規(guī)定進(jìn)刀量慢速加工。
鑄造高溫合金葉輪：發(fā)動(dòng)機(jī)中,高溫合金葉輪位于燃燒室和導(dǎo)向器之后,葉片必須工作于高溫腐蝕性燃?xì)猸h(huán)境中,承受高溫腐蝕性氣體的直接沖擊和因此帶來的*的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力,容易發(fā)生蠕變斷裂。此外,葉輪工作時(shí),轉(zhuǎn)數(shù)*,導(dǎo)致lunpan部位遭受巨大的機(jī)械應(yīng) 力,lunpan容易開裂。 早期,葉輪的制造方法是將鍛造盤和鑄造葉片通過機(jī)械加工然后裝配在一起。這種制造方法周期長(zhǎng),成本高,裝配精度不易保證。為了降低葉輪的制造成本,20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)了將葉片和lunpan連在一起整體鑄造的技術(shù),當(dāng)時(shí)主要用作地面渦輪增壓器葉輪。隨著鑄造工藝水平的提高,整鑄技術(shù)擴(kuò)大應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。目前1500kW以下的小型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用軸向和徑向整體鑄造葉輪。這不僅降低了葉輪的制造成本,而且避免了榫頭裝配的應(yīng)力 。隨著鑄造技術(shù)和高溫合金材料 的飛速發(fā)展,人們已經(jīng)可以獲得所期望的特定顯微 組織的整鑄葉輪.
隨著航空科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能不斷日益完善和提高,正朝著高推重比、高推力和低油耗、長(zhǎng)使用壽命的方向發(fā)展。與十年前相比,航空發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提高了25%,推重比達(dá)到(12~15),燃油消耗降低了30%~50%,渦輪進(jìn)口溫度超過了2000??。做為航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心部分的渦輪(工作葉片與渦lunpan),它的工作條件是相當(dāng)惡劣,各種發(fā)動(dòng)機(jī)用整體鑄造葉輪,,其渦輪工作葉片同時(shí)承受高溫、燃?xì)飧g、離心力、彎曲應(yīng)力、熱應(yīng)力、振動(dòng)和熱疲勞的作用,因此要求葉片除了應(yīng)具有良好的kangyang化性、耐腐蝕能力和足夠高的強(qiáng)度外,還應(yīng)具有良好的機(jī)械疲勞、熱疲勞性能以及足夠的塑性和沖擊韌性。而渦lunpan部分雖然工作溫度比工作葉片低,但其應(yīng)力條件異常復(fù)雜,輪轂和輻板等各部位所受應(yīng)力、溫度、介質(zhì)作用程度不同,因此對(duì)渦lunpan的基本性能要求為:高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和塑性,足夠的持久、蠕變強(qiáng)度和低循環(huán)疲勞強(qiáng)度,良好的耐蝕性能和組織穩(wěn)定性?；趯?duì)渦輪的工作葉片和渦lunpan的不同性能要求,大中型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪制造方法是將渦lunpan和工作葉片分別單獨(dú)制造,然后機(jī)械加工裝配在一起形成渦輪。這種制造方法可以有針對(duì)性的將工作葉片和渦lunpan選用不同的合金材料。一般采用GH高溫合金系列和K高溫合金系列精鑄而成。
