GH605簡介：
GH605是Co-Cr-Ni基固溶強化型變形高溫合金，以加入鎳、鉻和鎢元素進行固溶強化，使用溫度在650℃以下。合金具有較高的強度和高溫抗氧化性能。同時具 有良好的彈性模量、耐磨性和焊接性能。合金中加入的微量稀土元素釔，提高了熱加工塑性和冷成形工藝性能。主要產(chǎn)品有冷拉絲材。

1?研究目的、意義和背景

1.1國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)

GH605合金是一種高溫合金，用于高性能發(fā)動機。它的發(fā)展始于美國。相應(yīng)的品牌是Nickelvac-L605，也稱為Haynes25合金。它是一種用于10000的耐腐蝕鈷基耐熱合金～1900°F(538～中等應(yīng)力部件在1035℃之間工作[1]。伴隨著我國高性能飛機發(fā)動機的研發(fā)，其材料的國產(chǎn)化研究亟待解決。20世紀(jì)80年代，中國開始了合金棒材和板材的研究，能夠為斯貝發(fā)動機制備棒材和板材。20世紀(jì)90年代中期，隨著高性能發(fā)動機發(fā)展步伐的加快，我院根據(jù)相關(guān)項目要求開始了GH605帶材的定位研究，其小批量試驗材料已達到國家先進類似產(chǎn)品的水平。本文總結(jié)討論了相關(guān)工藝研究問題，旨在促進材料應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化進程，以使試驗結(jié)果產(chǎn)業(yè)化，批量生產(chǎn)，開展相關(guān)工藝研究。

1.2研究目的和意義

帶材的生產(chǎn)需要冷加工變形，GH605合金在固溶處理狀態(tài)具有優(yōu)異的延展性并易冷成形。由于易加工硬化，故要求較高的成形壓力并進行多次退火，該合金鍛件在2250～1900°F(1232～1035℃)之間退火狀態(tài)具有優(yōu)異的室溫成形性。如何在該退火溫度區(qū)間選擇一個確定的合適加熱溫度和保溫時間是本文所要討論的問題。

另外，高溫合金所需要的較長的退火保溫時間對設(shè)備的需求也是苛刻的，為了減少專用設(shè)備的巨大投資，挖掘企業(yè)現(xiàn)有熱處理設(shè)備的潛力，使設(shè)備多能化，就需要探索熱處理工藝參數(shù)的變化規(guī)律。高溫合金薄帶的批量生產(chǎn)除對軋制設(shè)備要求提供較高的成型壓力和精度外，另一關(guān)鍵設(shè)備就是溫度≥1200℃、帶材能在均溫區(qū)保溫較長時間的連續(xù)光亮退火爐，然而，這仍然不能解決熱軋成形的冷帶坯(厚度7.0mm左右)與能夠使用連續(xù)退火設(shè)備的帶材厚度(厚度≤2.0mm)之間的幾次退火問題。工業(yè)生產(chǎn)中，7.0～2.0mm厚度帶材的中間退火往往采用卷狀，在罩式爐中退火，設(shè)備條件不能滿足時，成品薄帶也往往需要在真空罩式爐中退火，該種退火方式在保溫后的冷卻過程中會隨設(shè)備冷卻能力、冷卻方式和裝入量的多少而冷卻速度差別很大。那么，在合適的熱處理溫度和保溫時間確定之后，冷卻速度的不同會對GH605合金組織和性能產(chǎn)生怎樣的影響，這也是本文所要討論的另一個問題，其結(jié)果用于指導(dǎo)帶材工業(yè)生產(chǎn)中半成品的中間退火和成品的固溶處理操作。

2熱處理溫度對GH605合金組織和力學(xué)性能的影響

2.1?試驗條件

試驗樣品：試驗樣品為0.2mm厚度的帶材，其化學(xué)成分見表1。

試驗樣品的制備：非真空感應(yīng)爐+電渣重熔雙聯(lián)工藝冶煉，經(jīng)熱變形、冷變形(中間多道退火),終軋變形量30%。

試驗設(shè)備：熱處理試驗設(shè)備為箱式熱處理爐。

試驗方法：試樣在大氣條件下分別在1050℃～1250℃溫度區(qū)間保溫30min后水冷，觀察金相組織變化、測試硬度、分析硬度與冷軋變形量之間的關(guān)系。

2.2試驗結(jié)果與討論

試樣在1050℃?！珗D1顯示了1250℃保溫30min后水冷金相組織的照片。由圖1(a)、(b)、(c)可知，在1050℃～在1150℃溫度范圍內(nèi)冷卻樣品后，其金相組織為10級或10級以上的細(xì)小奧氏體晶粒，在此溫度范圍內(nèi)晶粒度變化不明顯。

在1200℃～冷卻1250℃保溫樣品后，晶粒度分別為4.5級和4級，如圖1所示(d)、(e)表明，隨著溫度的升高，晶粒開始生長，個別大尺寸晶粒將在1250℃下長時間保溫時出現(xiàn)。由此可推斷出，晶粒在溫度進一步升高時將繼續(xù)長大。冷處理前的熱處理軟化效果是提高冷處理性能的關(guān)鍵，圖1(d)、(e)與圖1相比，顯示的奧氏體組織顯示了奧氏體組織(a)、(b)、(c)奧氏體組織的極小晶粒具有良好的冷加工性能，前者具有較低的強度和HV≤實驗室試驗的最大變形量為45%，硬度較低，為260。

(2)經(jīng)1230℃和1180℃熱處理后，對3.0毫米厚的帶坯進行冷軋，熱處理后硬度Hv 255，284，冷軋試驗結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，冷加工材料硬化快，硬度增加與冷變形量增加相似，即冷變形量增加10%，硬度Hv增加60%左右。此外，由于初始硬度較低(Hv255)，最大變形量可達45%，而最大變形量僅達到35%，而最大變形量僅達到35%，而最大變形量僅達到35%，而最大變形量僅達到35%，軟化程度較好的冷加工可獲得較大的變形量，當(dāng)冷變形后硬度達到Hv530時，前者變形量已達45%，后者僅為30%。在實驗室試驗中，小批量工藝試驗所產(chǎn)生的最大變形量也存在差異，前者最大變形量為35%，后者僅為24.2%。

(3)帶材成品終熱處理溫度對帶材成品性能有重要影響，在450℃～1250℃范圍內(nèi)，每個制度溫度間隔50℃,保溫30min后水淬的成品終熱處理工藝的試驗結(jié)果表明，成品熱處理溫度為1200℃時具有較好的綜合機械性能。

然而，我院的帶材連續(xù)退火爐不能滿足成品帶材的終熱處理所需的1200℃高溫，因此制定了帶卷在真空罩式爐中經(jīng)1200℃保溫30min后噴氬氣冷卻的終熱處理工藝。該熱處理工藝滿足了高溫加熱、保溫的需要，冷卻時用氬氣噴吹又能達到保溫后快速冷卻的要求，經(jīng)試驗獲得了較好的綜合力學(xué)性能，見表2。

由此可以認(rèn)為，我們的研究工藝能夠保證GH605合金帶材具有較好的半成品冷加工變形性和成品的綜合力學(xué)性能。

3冷卻速度對GH605合金組織和力學(xué)性能的影響

3.1試驗條件

試驗樣品為0.5mm厚度的帶材，其化學(xué)

成分見表1。

試驗方法：試樣在大氣條件下經(jīng)1200℃保溫20min后，以爐冷、空冷和水冷三種不同速度冷卻，觀察其組織中第二相的溶解、析出情況以及通過與力學(xué)性能的對應(yīng)關(guān)系，分析、掌握其不同冷卻速度對力學(xué)性能的影響。

3.2?試驗結(jié)果與討論

3.2.1?冷卻速度對力學(xué)性能的影響

從表3可以看出，在1200℃溫度下，經(jīng)20min保溫后冷卻，隨著冷卻速度的加快(爐冷、空冷、水冷),強度和硬度有升高的趨勢。

3.2.2?冷卻速度對金相組織的影響

1#爐冷、2#空冷和3#水冷試樣的金相

組織見圖3,其晶粒度分別為3級、3.5級和3.5級，未出現(xiàn)明顯的晶粒長大現(xiàn)象，而1#試樣緩慢冷卻后其晶粒的等軸化更充分一些，這是強度、硬度略有下降的原因之一。

本實驗旨在通過透射電鏡分析，確定冷軋帶在1200℃保溫20分鐘后，經(jīng)過三種不同速度冷卻后的析出相。圖4(a)、(b)、(c)分別展示了三種冷卻速度下的組織形貌。從三張圖片中可以看出，組織結(jié)構(gòu)中均存在薄片狀相。這種相具有薄和長的空間特征，并且具有一定的寬度。我們關(guān)注的是這些相的具體種類，結(jié)構(gòu)特點及其數(shù)量對合金性能的影響。有研究人員認(rèn)為，在鈷基高溫合金中通常存在Laves相。這種相會導(dǎo)致合金在使用溫度下的強度和塑性明顯降低，并且嚴(yán)重影響室溫塑性。此外，資料顯示，含鎢約為5%（原子，約為15%重量）的L-605鈷基合金中形成的碳化物為M[gf]2086[/gf]C型(2)。

本研究使用X-射線萃取相分析方法對片層相進行了定性分析。首先將試樣置于陽極溶解的萃取裝置中，然后采用10%鹽酸和90%甲醇的混合液作為萃取液。此時，基體相會溶解于溶液中，而其它相則會產(chǎn)生灰色粉末沉淀。接下來，將沉淀分離并烘干，最終使用X射線相分析儀進行分析。通過此方法，可以較為準(zhǔn)確地鑒定合金中可能存在的碳化物類型以及TCP的化合物類型，如α、μ和Laves相。

當(dāng)鈷基合金中難溶金屬元素的含量較高時，往往會形成M6C型碳化物。有研究數(shù)據(jù)顯示，GH605合金中，鎢元素的含量達到15%時，會容易形成M[gf]2086[/gf]C型碳化物。M[gf]2086[/gf]C型碳化物在中溫范圍內(nèi)開始形成，其組成為(Wo.70Cro.1Coo.1sNio.037)[gf]2086[/gf]C。它主要在鈷基高溫合金中起到第二相強化的作用。M[gf]2086[/gf]C型碳化物具備較高的穩(wěn)定溫度，因此，在合金的熱加工變形過程中，M6C型碳化物能夠有效地阻止晶粒的生長。圖3顯示，晶粒在緩慢冷卻條件下沒有增長的原因之一也在于此。

根據(jù)第四張透射電鏡圖片，可以發(fā)現(xiàn)M[gf]2086[/gf]C碳化物片的間隔呈現(xiàn)出按照(c)、(b)、(a)的順序增加的趨勢，也就是說，隨著冷卻速度的減緩，M[gf]2086[/gf]C碳化物片的間隔會增加。這種組織結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致M[gf]2086[/gf]C型碳化物的強化效果減弱，因此會出現(xiàn)強度和硬度下降的現(xiàn)象，具體情況見表3。

GH605合金的主要強化機制為固溶強化，同時還具有一定的由第二相碳化物強化的作用。其中，約15%的鎢和約20%的鉻對這兩種強化作用都起著重要的作用。該合金形成的M[gf]2086[/gf]C型碳化物在高溫下穩(wěn)定，其分解溫度為1400℃(3)。在考慮高溫強度時，防止擴散性形變是一個非常重要的因素。限制擴散現(xiàn)象的自擴散系數(shù)也是其中一個關(guān)鍵因素。根據(jù)文獻[4]圖6所示，不同金屬的自擴散系數(shù)與溫度存在一定的相關(guān)性。在相同的溫度下，自擴散系數(shù)按照以下順序從低到高，依次為W、Mo、Ta、Nb、Cr、Ni、Co、Fe、Ti、Al。在保持1200℃的恒溫條件下，W的自擴散系數(shù)D約為10-20cm[gf]b2[/gf]/s左右，而Cr的自擴散系數(shù)D約為10-[gf]b9[/gf]cm[gf]b2[/gf]/s。這兩種材料具有較低的自擴散系數(shù)，有利于提高高溫下的熱強性能，尤其是在高溫蠕變（超過0.5倍材料的熔點溫度）情況下發(fā)揮了良好的作用。這也是為什么緩慢冷卻的爐冷方式相對于快速水冷方式能夠延長材料的使用壽命的原因之一。

4?結(jié) 論

(1)GH605合金是一種高溫合金，主要采用固溶強化工藝。因為該合金的固溶元素W含量高達15％，且原子直徑大于基體原子的直徑。因此，在熱處理過程中，原子擴散速度緩慢，需要較長的保溫時間。

(2)GH605合金帶材熱處理溫度1200℃時具有較好的半成品冷加工變形性和成品的綜合力學(xué)性能。

(3)GH605合金在1200℃保溫后以任何速度冷卻都不會發(fā)生相變和晶粒長大。