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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(fā)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(xué)成分：

金相組織結(jié)構(gòu):

合金標準熱處理狀態(tài)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(guān)。

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完全熱處理狀態(tài)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(fā)生硫化。

熱處理制度

板、帶、管材供應(yīng)狀態(tài)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(yīng)力退火：900℃,保濕2h。

消除應(yīng)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(yīng)加電渣、電渣加真空自耗重熔或真空感應(yīng)加真空自耗重熔。

應(yīng)用概況與特殊要求

該合金主要用于制造發(fā)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。

恢復(fù)熱處理對 GH4145/SQ 螺栓組織性能的影響

隨著新建超臨界(超超臨界)機組的數(shù)量不斷增加，汽輪機大量使用了具有較好高溫綜合性能的鎳基螺栓。

鎳基合金是高溫合金中應(yīng)用最廣、高溫強度最高的一類合金，此種材質(zhì)具有很高的蠕變和持久性能、較強的抗應(yīng)力松弛和抗氧化性能力。

高溫合金 GH4145/SQ即是 20 世紀 80 年代中期開發(fā)的以 γ' [Ni3(Al，Ti，Nb)]

為主要強化相的鎳基時效硬化型合金[1]，主要用于300 MW 或 600 MW 汽 輪機高中壓 內(nèi)缸法蘭螺 栓。

此種材質(zhì)螺栓經(jīng)過高溫運行后， 會發(fā)生顯微組織及位錯組態(tài)變化，強化相析出等，導(dǎo)致材料的蠕變和持久性能下降，在宏觀上表現(xiàn)為硬度指標升高，超出標準規(guī)定的硬度范圍必須提前退役， 否則將對機組安全運行造成威脅，由于此種螺栓價格昂貴，造成很大的經(jīng)濟損失。

目前尚未見對運行后硬 度值超標的GH4145/SQ 材質(zhì)螺栓進行恢復(fù)熱處理的研究，本文研究了一種恢復(fù)熱處理工藝對運行后硬度值超標的GH4145/SQ 螺栓進行處理后其組織和性能的影響。

本 文 以 某 電 廠 600 MW 亞 臨 界 機 組 材 質(zhì) 為GH4145/SQ 的中壓主汽門螺栓作為研究對象，該批螺栓在機組檢修中經(jīng)布氏硬度試驗，發(fā)現(xiàn)其中有 31根(共 68 根)布氏硬度值大于 DL/T439-2006 要求的上限 (331 HBW)。

取運行后硬度值為 333 HBW 的螺栓對其進行恢復(fù)熱處理， 熱處理工藝為固溶 + 兩次時效， 固溶工藝為 1130 ℃，保溫 1 h，油冷； 首 次時效溫度為 845 ℃、時效時間 24 h，第二次時效溫度707℃、時效時間 20 h，空冷。

1 化學(xué)成分分析

采用定量直讀光譜儀對硬度值超標的 GH4145/SQ 螺栓材料進行了化學(xué)成分分析， 結(jié)果如表 1 所示。 可看出，其化學(xué)成分符合標準 DL/T439-2006 對GH4145 的要求。

2 顯微組織觀察

對恢復(fù)熱處理前后的 GH4145/SQ 螺栓材料采用光學(xué)金相顯微鏡及掃描電鏡進行顯微組織觀察，其組織均為孿晶奧氏體，晶界上分布有碳化物顆粒，分別如圖 1、2 所示。

GH4145/SQ 屬于疲勞循環(huán)硬化型合金，隨固溶溫度的升高或者運行中的高溫影響， 其合金晶粒呈長大趨勢，過大的晶粒會明顯降低合金的塑韌性。隨疲勞循環(huán)周次的增加，應(yīng)力呈上升趨勢。在同等應(yīng)變水平下，晶粒粗大，低周疲勞壽命短，即其抗疲勞性能差。

由微觀組織照片可以看出，雖然熱處理前后金相組織均為孿晶奧氏體， 但熱處理后的試樣其晶粒度明顯較熱處理前細化。

熱處理前硬度值偏高的試樣晶粒相對較大，不僅減小了晶界面積，更加劇了碳化物在晶界的聚集，使得晶界脆化傾向加劇，因此其塑韌性指標值較低。

而經(jīng)過熱處理后的螺栓其塑韌性指標的明顯改善部分即得益于其晶粒在恢復(fù)熱處理后得到了細化。

高溫合金塑性同時受晶界碳化物影響[2]。

熱處理前螺栓晶界為連續(xù)的網(wǎng)狀碳化物 M23C6和 M6C，這種分布容易引起應(yīng) 力集中，可能 造成晶界的早期斷裂。 熱處理后的螺栓材料晶界碳化物連續(xù)性減少了， 從而提高了合金的塑性和長期使用的組織穩(wěn)定性。

3 恢復(fù)熱處理對力學(xué)性能的影響

對恢復(fù)熱處理前后的螺栓材料分別進行常溫拉伸試驗、沖擊試驗、布氏硬度試驗，結(jié)果見表 2。

使用 HV-1000 型顯微硬度計對恢 復(fù)熱處理前后的螺栓試樣進行顯微硬度檢驗， 每個試樣分別隨機取 5 個視場的奧氏體基體進行檢驗，結(jié)果見表 3。

采用掃描電鏡對熱處理前后沖擊試樣斷口進行微觀形貌觀察，結(jié)果如圖 3 所示。 可見熱處理前硬度值超標螺栓的沖擊斷口為典型的沿晶斷裂，可見沿晶二次裂紋，脆性斷口特征明顯；熱處理后螺栓沖擊斷口中存在

大量韌窩及撕裂棱，相對熱處理前韌性特征明顯。由以上試驗結(jié)果可看出， 硬度值超標的GH4145/SQ螺栓各項常溫力學(xué)性能指標雖然合格，但其塑性指標(斷后伸長率、斷面收縮率)僅略高于標準要求下限值。

標準對韌性指標(沖擊吸收功)雖無具體要求，但試驗結(jié)果顯示其沖擊吸收功較低，螺栓韌性較差。 可見，經(jīng)高溫運行后硬度值升高的 GH4145/SQ 螺栓材料其強度值升高，但其塑性及韌性指標均明顯變差。

恢復(fù)熱處理后螺栓材料硬度值降至標準要求范圍內(nèi)，抗拉強度下降 13%，屈服強度下降 27%，強度值仍高于標準要求下限值； 斷后伸長率及斷面收縮率此兩項塑性指標分別增長 42%、24%； 韌性指標(沖擊吸收功)增長 68%。 可見恢復(fù)熱處理后螺栓材料強度值有一定程度下降， 塑韌性指標相對熱處理前有大幅提升。

4 分析及結(jié)語

火力發(fā)電廠汽輪機螺栓，特別是調(diào)速汽門、主汽門螺栓，在機組長期運行中承受蠕變、疲勞及其交互作用的影響，高溫螺栓常見失效包括蠕變、脆性斷裂及疲勞，因此高溫螺栓必須具備高的蠕變強度、延展性、韌性及抗疲勞性能。

對超臨界機組 GH4145／SQ螺栓用鋼，應(yīng)重點考慮塑韌性，硬度值偏高的螺栓塑韌性明顯下降，抗疲勞性能差，容易發(fā)生脆斷及低周疲勞斷裂。

硬度偏高的原因主要有以下幾方面： ①在螺栓制做時， 螺栓坯料在冶煉鍛造及后續(xù)熱處理工藝控制不當(dāng)；②GH4145／SQ 鎳基合金在螺栓機加工時有硬化現(xiàn)象； ③螺栓安裝時預(yù)緊力過大及在高溫運行中螺栓蠕變變形引起材料硬化[3]。

針對運行后鎳基合金螺栓硬度值超標的情況， 利用本文采用的熱處理工藝對硬度值超標螺栓進行恢復(fù)熱處理后， 其硬度值降至標準要求范圍內(nèi)， 強度值有一定程度的下降，隨之而來的是塑性及韌性的顯著提升，證明此種恢復(fù)熱處理工藝的有效性。