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GH4145（GH145）沉淀強化鎳基高溫合金材料分析與研究

發布時間： 2023-03-10　　點擊次數： 504次

采用光滑缺口組合試樣 , 進行高溫持久強度試驗 , 考核持久強度和缺口敏感性兩個指標 , 并采用了變載的方法 , 既節約了能源 , 又縮短了試驗周期。對二百多根試樣的持久壽命做了統計分析 , 論證了它們的對數服從正態分布。

GH4145/SQ合金大量用于制造引進型汽輪機的高溫螺栓、密封環、汽封彈簧片等零件。STC于1983年11月向上鋼五廠提出共同研制引進30萬千瓦汽輪機螺栓鋼 GH4145,并于1984年9月正式投入了棒材的試制工作，經過3年的努力，取代了 R26 合金螺栓材料。按GH4145訂貨技術規范，要求每爐材料都要進行短時持久強度試驗。如果按正常的試驗方法，每根試樣一般需要 1000-10000小時，現在采用光滑一缺口組合試樣，并改變了以往常規持久試驗強度預測概念，采用570C溫度、604MPa應力條件，壽命大于108小時后，每隔12小時增加應力 34.3MPa,第七次加荷至試驗機的最大承受力29400N,直至試樣斷裂。迄今為止，我們已做了三百多根試樣的快速持久試驗，并對其中任取的二百多根試樣的壽命的分布規律進行統計分析。繪圖后，發現它們的斷裂時表間一般是有差別的，但這種離散具有一定規律性,并服從對數正態分布，本文就上述工作進行分析研究與探討。

2材料概況

GH4145合金是以鋁鈦鴕強化的棵基合金，在INCNELX-750基礎上進行改進，添加了微量元素而研制成的。該合金提高了持久塑性，降低了缺口敏感性，具有較高的高溫性能、高抗應力松弛性、抗應力腐蝕性、低熱膨脹系數等優點，從而取代了引進的大型火電機組中作為螺栓材料使用的R26合金，用于300MW汽輪機高溫緊固件;而且,在提高汽輪機高溫緊固件工作可靠性、節省戰略資源鉆、節約外匯以及降低生產成本方面都比 R26合金略勝。

GH4145簡介：

GH4145合金主要是以γ"[Ni3(Al、Ti、Nb)]相進行時效強化的鎳基高溫合金，在980℃以下具有良好的耐腐蝕和耐氧化性能，800℃以下具有高的強度，540℃以下具有好的耐松弛性能，同時還具有良好的成形性能和焊接性能。該合金主要用于制造發動機在800℃以下工作并要求強度高的耐松弛的平面彈簧和螺旋彈簧。還可用于制造氣輪機渦輪葉片等零件。

材料牌號

GH4145（GH145）

相近牌號

Inconel X-750(美國）,NiCr15Fe7TiAl(德國),NC15FeTNbA(法國),NCF750（日本）

GH4145化學成分：

金相組織結構:

合金標準熱處理狀態的組織由γ基體、Ti(C、N)、Nb(C、N)、M23C6碳化物和γ'[Ni3(Al、Ti、Nb)]相組成，γ'含量大約為14.5%，是合金的主要強化相。

工藝性能與要求

1.合金的鍛造溫度在1220～950℃之間均易成形。該合金在劇烈成形工序后就進行固溶處理。

2.該合金的晶粒度平均尺寸與鍛件的變形程度、終鍛溫度密切相關。

3.合金具有好的焊接性能，可進行各種焊接。焊接后進行時效處理可獲得近似熱處理狀態的強度。

4.零件熱處理就在無硫的中性或還原性氣氛中進行，以免發生硫化。

熱處理制度

板、帶、管材供應狀態的固溶熱處理制度980℃±15℃，空冷。材料及零件的中間熱處理制度，可分別選擇下列工藝進行熱處理。

退火：955～1010℃，水冷。

焊接件焊接前退火：980℃，1h。

焊接件消除應力退火：900℃,保濕2h。

消除應力退火：885℃±15℃，24h,空冷。

合金采用電弧爐加真空自耗重熔、真空感應加電渣、電渣加真空自耗重熔或真空感應加真空自耗重熔。

應用概況與特殊要求

該合金主要用于制造發動機工作溫度在540℃以下的耐腐蝕的平面波形彈簧、周向螺旋彈簧、螺旋壓簧、彈簧卡圈和密封圈等零件。

2. 技術條件

(1) 化學成份(表1)

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（2）冶煉方法:真空感應+電渣

（3）熱處理規范：11001140C

10C2A 空冷 + 845 ± 10C24/1 詩 705 10C20A空冷

⑷金相組織：奧氏體基體"相（Ni3Al 和Ni3Ti）以及MC和M23G型碳化物。

（5）持久強度（表2）

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3試驗條件的確定

1.試驗機:RL - 3/4型持久試驗機或 RD2-3型蠕變持久試驗機。

2.試樣：采用光滑缺口組合試樣，考核其缺口敏感性和持久性能，并且節約試材。

試驗方法：試驗在規定應力604MPa 和規定溫度570X：下持續108小時后，每隔 12小時增加應力34.3MPa,采用直徑為 6.45mm的3.試樣時，

△P =NS = 34.3 7t/4 （6.45）2 ell21N

考慮試驗機最大載荷為29400N,故第七次加荷至29400N直到試樣斷裂。

試驗周期：108小時（4.5天）+變載加荷（4天）=8.5天可做完一根試樣。

4持久強度參考值

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5等溫變載下持久強度斷裂時間的分布規律

GH4145合金持久試驗的原材料，采用相同的熱處理規范,試樣尺寸相同，均采用光滑-缺口持久試樣，溫度控制：波動W±3C, 梯度＜3X2,負荷精度＜ 1%，在570C、 604MPa試驗條件下，任取205個變載持久壽命（以下簡稱持久壽命）數據。

趣茹自又哄態母體, 験判假醐可靠度。

1.正態概率紙檢驗

對205個持久壽命數據減去180小時（因每根試樣壽命均大于180小時）后逐一取對數，并按數值大小適當分組。表4中各列分別是它們的數組（X）、區間（T）與落在各區間范圍內的頻數（N）、累計頻數（M）、累計頻率（P）。圖1為頻數波形圖。考慮到試驗機試驗時外界條件的影響和材質處理等諸方面的因素，刪除前面2個數組的數據，得到表5 和圖2;并以表5數據中區間（T1）的下限值為橫座標，以累計頻率（P1）為縱座標，在正態概率紙上描點,得到圖3。用概率紙檢驗, 如果呈直線則不拒絕原假設，由圖3可見，不能否定對數母體的正態性假設。

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2.X2-檢驗

如果假設H。：持久壽命的對數服從正態分布。根據皮爾遜定理：當子樣數足夠大時，不管母體是什么分布，統計量D = 弋=(N* - nPkY/nPk 一定服從X2(m - 1) 分布(其中"，：子樣分組數；N*落在第K組的子樣數;R：子樣落在第K組內的概率。K =l,2,3,4,--)o根據X2分布，在給定顯著水平a下，有相應的臨界值，而當D < Da 時，假設成立；當Dn>Da時，可以拒絕原假設H。。經計算：D" = 8.1046,取顯著水平 a = 0.1,Db = 10.6o顯然，有 D < Da,因此，不能拒絕原假設H。。持久壽命的對數服從正態分布。