InconelX-750鎳基合金

鎳基變形高溫合金 簡(jiǎn)介：

美國(guó)牌號(hào)：InconelX-750

中國(guó)牌號(hào)：GH145/GH4145

德國(guó)牌號(hào)：NiCr15Fe7TiAl

法國(guó)牌號(hào)：NC15FeTNbA

日本牌號(hào)：NCF750

一、InconelX-750 概述

InconelX-750合金主要是以γ′[Ni3(Al、Ti、Nb)]相進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化的鎳基高溫合金，在980℃以下具有良好的耐腐蝕和抗氧化性能，800℃以下具有較高的強(qiáng)度，540℃以下具有較好的耐松弛性能，同時(shí)還具有良好的成形性能和焊接性能。該合金主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)在800℃以下工作并要求強(qiáng)度較高的耐腐蝕的環(huán)形件、結(jié)構(gòu)件和螺栓等零件、在540℃以下工作的具有中等或較低應(yīng)力并要求耐松弛的平面彈簧和螺旋彈簧。還可用于制造氣輪機(jī)渦輪葉片等零件。可供應(yīng)的品種有板材、帶材、棒材、鍛件、環(huán)形件、絲材和管材。

1.1 InconelX-750 材料牌號(hào) InconelX-750

1.2 InconelX-750 相近牌號(hào) GH145/GH4145(中國(guó)),NiCr15Fe7TiAl(德 國(guó)),NC15FeTNbA(法國(guó)),NCF750（日 本）

1.3 InconelX-750 材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 InconelX-750 化學(xué)成分 見表1-1。

表1-1 %

注：表中Mn、Si為棒、鍛件、環(huán)形件和絲材含量，板材、帶材和管材為：ω(Mn)≤0.35%,ω(Si)≤0.35%。

1.5 InconelX-750 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(jìn)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。

1.6 InconelX-750 品種規(guī)格與供應(yīng)狀態(tài) 可以供應(yīng)各種規(guī)格的棒材、鍛件、環(huán)形件、熱軋板、冷軋板、帶材、管材和絲材。

板材和帶材一般于熱軋或冷軋、退火或固溶、酸洗拋光后供應(yīng)。

棒材、鍛件和環(huán)形件可于鍛態(tài)或熱軋狀態(tài)供應(yīng)；也可于鍛后固溶處理供應(yīng)；棒材可于固溶后磨光或車光供應(yīng)，當(dāng)訂單有要求時(shí)，可于冷拉狀態(tài)就位。

管材于固溶處理并清除氧化皮后供應(yīng)。

絲材可于固溶狀態(tài)供應(yīng)；對(duì)于標(biāo)稱直徑或厚度在6.35mm以下的絲材，可固溶后并以50%～65%的冷拉變形供應(yīng)；標(biāo)稱直徑或邊長(zhǎng)大于6.35mm的絲材，固溶處理后以不小于30%的冷拉變形供應(yīng)。對(duì)于標(biāo)稱直徑或邊長(zhǎng)不大于0.65mm的絲材，根據(jù)要求固溶處理后以不小于15%的冷拉變形供應(yīng)。

1.7 InconelX-750 熔煉與鑄造工藝 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。

1.8 InconelX-750 應(yīng)用概況與特殊要求 該合金主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)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。

二、Inconel X-750 物理及化學(xué)性能

2.1 Inconel X-750 熱性能

2.1.1 Inconel X-750 熔化溫度范圍 1395～1425℃。

2.1.2 Inconel X-750 熱導(dǎo)率 見表2-1。

表2-1[1]

2.2 Inconel X-750密度 ρ=8.25g/cm3[7]。

2.3 Inconel X-750電性能 50℃時(shí)的電阻率ρ=1.22×10-6Ω.m[6]。

三、Inconel X-750 組織結(jié)構(gòu)

4.1 Inconel X-750相變溫度 γ′相開始析出溫度約為600℃，析出峰約為800℃，900℃開始回溶，到970℃時(shí)幾乎全部溶解。

4.2 Inconel X-750時(shí)間-溫度-組織轉(zhuǎn)變曲線

4.3 Inconel X-750合金組織結(jié)構(gòu) 合金經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后，其組織由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(qiáng)化相。

四、 InconelX-750工藝性能與要求

5.1 InconelX-750成形性能 合金的鍛造溫度在1220～950℃之間均易成形。鋼錠開坯鍛造，其加熱溫度可在1200℃，為了使鍛件或棒材獲得良好的組織和性能，隨后的鍛造加熱溫度應(yīng)在相應(yīng)較低的溫度下進(jìn)行。終鍛溫度應(yīng)不低于950℃。該合金在劇烈成形工序后應(yīng)進(jìn)行固溶處理。

5.2 InconelX-750焊接性能 合金具有較好的焊接性能，可進(jìn)行各種焊接，但對(duì)大截面的零件較難進(jìn)行熔焊，而對(duì)小截面零件和薄板焊接性能較好。焊接必須在退火或固溶處理后進(jìn)行，焊后應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力處理，采用980℃，保濕0.5h或900℃保濕2h。焊接組合件隨后進(jìn)行時(shí)效處理，可獲得近似完全熱處理狀態(tài)的強(qiáng)度。

5.3 InconelX-750零件熱處理工藝 零件的熱處理應(yīng)在無硫的中性或還原性氣氛中進(jìn)行，以免發(fā)生硫化。零件應(yīng)避免在870～650℃之間進(jìn)行“熱-冷”處理，對(duì)于大截面的零件，為了防止裂紋，固溶處理后應(yīng)在空氣中冷卻。

成品零件熱處理：

對(duì)于在600℃以上工作、要求持久蠕變性能的零部件：

固溶：1150℃±15℃,保溫2～4h,空冷；

時(shí)效：845℃±15℃，保溫24h，空冷+705℃±15℃,保溫24h,空冷。

對(duì)于在600℃以下工作、要求室溫和高溫拉伸性能的零部件：

固溶：980℃±15℃,保溫1h,空冷；

時(shí)效：730℃±15℃，保溫8h，以50℃/h爐冷到620℃±10℃,保溫8h,空冷。

環(huán)形件一般采用下述熱處理制度：

固溶：1095℃±15℃,保溫2-4h,空冷；

時(shí)效：845℃±15℃，保溫24h，空或爐冷到+705℃±15℃,保溫20h,空冷。

棒材和鍛件在600℃以下溫度使用時(shí)，采用下述制度進(jìn)行熱處理：

均勻化：885℃±15℃,保溫24h,空冷；

時(shí)效：705℃±15℃，保溫20±1h,空冷。

退火狀態(tài)的板材和帶材及做彈簧用的板帶和絲材可采用下述制度進(jìn)行熱處理：

時(shí)效：1）705℃±15℃,保溫22h,空冷；

2）760℃±10℃，保溫1h,空冷。

固溶：980℃±15℃,保溫1h,空冷；

時(shí)效：730℃±10℃，保溫8h，以50℃/h爐冷到+620℃±10℃,保溫8h,空冷。

5.4 InconelX-750表面處理工藝

5.5 InconelX-750切削加工與磨削性能 合金可以在各種狀態(tài)下進(jìn)行機(jī)械加工，退火或固溶狀態(tài)下機(jī)械加工性能良好。

研究了微量元素對(duì) Inconel X-750改型合金高溫時(shí)效硬度及其變化規(guī)律的影響，測(cè)試了試驗(yàn)合金在500℃、600℃、700℃、800℃及900℃下，經(jīng)不同時(shí)間時(shí)效后合金顯微硬度值的變化。

研究表明，微量元素可以延緩合金高溫長(zhǎng)期使用時(shí)的硬度下降，提高合金的高溫硬度值，尤其在700℃以下使用時(shí)，微量元素的作用效果更明顯。

比較用 Nb 和 T a 的強(qiáng)化效果發(fā)現(xiàn)，含 Nb 合金的高溫使用性能比含同等量 T a 合金的好，硬度下降緩慢，硬度值較高。合金高溫時(shí)效后的硬度值及其變化規(guī)律表明，Inconel X-750改型合金在熱處理后的硬度可達(dá)40HRC 以上，即使在700℃下長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效，合金的硬度值下降不顯著，因而可用作高溫精密模具材料。

簡(jiǎn)介

Inconel X-750改型合金常在燃?xì)廨啓C(jī)或沸水核反應(yīng)堆中用作彈性件或緊固件，如螺栓、鉚釘、彈簧等。然而在使用過程中，該合金存在許多問題［1］。

首先，在600℃～800℃溫度下，該合金的熱疲勞性有待進(jìn)一步提高。其次，在沸水反應(yīng)堆的高壓過飽和水蒸汽中，工件的工作溫度為500℃～600℃，此時(shí)，環(huán)境氫分壓較高，易發(fā)生氫脆失效。

再次，當(dāng)合金作為高溫受力件使用時(shí)，要求合金具有更高的硬度和強(qiáng)度。針對(duì)上述問題，作者通過添加 Zr、B、T a、RE 等微量元素，研制了不同成分的 Inconel X-750改型合金，并研究了合金元素對(duì) Inconel X-750合金性能的影響，以探討提高 InconelX-750合金高溫性能的途徑。

此外，作者還分析了用 Inconel X-750合金制作精密高溫模具的可行性。若工件的工作環(huán)境溫度達(dá)650℃以上，鐵素體-珠光體型耐熱鋼或馬氏體耐熱鋼將不能滿足要求，簡(jiǎn)單的奧氏體耐熱鋼及固溶強(qiáng)化奧氏體耐熱鋼的強(qiáng)度也明顯下降。由于工作條件復(fù)雜，對(duì)材料的熱穩(wěn)定性、耐熱疲勞性及高溫下的強(qiáng)度、韌性、硬度、耐磨性、抗氧化性和耐蝕性等［2］有高的要求。

Inconel X-750合金是一種成本相對(duì)較低的 Ni 基高溫合金。考慮到精密模具的原材料成本一般只占模具總成本的1／10或更少，因而，盡管 Inconel X-750合金原材料成本較高，但若綜合考慮模具的加工費(fèi)、原材料成本及模具使用壽命，可以考慮用 Inconel X-750改型合金制作精密高溫模具。

2 試驗(yàn)材料及熱處理工藝

Inconel X-750合金的標(biāo)準(zhǔn)成分范圍［3］及本試驗(yàn)涉及的3種改型合金的名義成分及樣品編號(hào)如表1所示。

表中“微量”均指該元素的含量小于0.5％。

試驗(yàn)合金采用真空冶煉，真空度達(dá)0.1Pa，原材料純度如下：C＞99.5％，Cr＞99.6％，Al＞99.7％，T i＞99.9％，F(xiàn)e＞99.5％，Zr＞99.8％，Ni＞99.95％，Nb＞99.8％，T a＞99.9％；B 和 M g 采用中間合金，其成分為16.5％B-Fe 及20％M g-Ni。

冶煉前先用金屬 Ni 洗爐，再抽真空。加入 Ni 通電約15min 熔化后，過10min再依次加入 C、Al、T i，稍后加入 B、Zr。

5min 后充氬氣保護(hù)，加 M g-Ni 中間合金。H3和 H4合金加混合稀土。

攪拌均勻后澆鑄。鋼錠重量為5kg。

合金熔煉后進(jìn)行鍛造。鍛造工藝為：將合金隨爐升溫至1150℃，保溫2h，終鍛溫度高于950℃，鍛后空冷。

鍛后樣品進(jìn)行熱處理：固溶溫度1080℃，時(shí)間1.5h；兩次時(shí)效溫度分別為850℃和700℃，時(shí)效時(shí)間均為24h。

將3種 不 同 成 分 的 Inconel X-750合 金 分 別 在500℃、600℃、700℃、800℃和900℃溫度下進(jìn)行時(shí)效，當(dāng)?shù)葴貢r(shí)間分別為0.5、1、5、10和20h 時(shí)，將試樣取出，清除氧化膜后，在3個(gè)不同位置測(cè)量合金顯微硬度值（ 載荷100g ） ，并將3點(diǎn)的平均值作為合金的最后硬度，通過作圖考察不同成分合金在不同溫度等溫后，其硬度變化規(guī)律。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 稀土元素對(duì)合金耐熱性能的影響

在600℃等溫時(shí)效不同時(shí)間后，H3、H4和 G 樣品的硬度變化曲線如圖1所示。由圖知，經(jīng)固溶＋兩次時(shí)效后，3種樣品的顯微硬度值基本一致，均為410HV 左右，相當(dāng)于42HRC。

Inconel X-750為典型 γ｀析出強(qiáng)化合金，γ｀一般在 γ基體上均勻原位形核，且與 γ間維持共格型界面，合金的強(qiáng)化效果直接取決于 γ｀相的形態(tài)、數(shù)量、分布和尺寸，相同的強(qiáng)化效果表明，微量元素對(duì) γ｀的形核、長(zhǎng)大過程影響不顯著。

從圖中還可看出，經(jīng)20h 時(shí)效后，H3合金的硬度變化最小，僅下降27HV 左右，H4合金開始下降較快，等溫1h 時(shí)，下降至373HV，隨后穩(wěn)定在（365～370） HV 左右，并保持不變。而 G 合金性能較差，等溫20h 后，硬度降至325HV，下降幅度達(dá)85HV。

H3和 G 合金在500℃和700℃時(shí)效后的硬度變化情況如圖2、3所示。

由于時(shí)效溫度均低于二次時(shí)效溫度（700℃） ，因而合金硬度變化規(guī)律基本相同，即在時(shí)效初期，合金硬度值緩慢下降，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值。但比較后可知，H3合金在500℃和700℃硬度分別下降23HV 和40HV，而在相同條件下，G 合金的下降幅度達(dá)71HV 和127HV。 從表1知，合金 H3、H4與 G 的主要區(qū)別是合金中所含的微量元素不同。

可見，加入微量稀土元素，可有效改善合金的高溫力學(xué)性能，延緩合金高溫長(zhǎng)期使用時(shí)硬度下降的趨勢(shì)，因而可望有效提高材料的使用壽命。

關(guān)于稀土元素的作用機(jī)理，可以認(rèn)為：稀土元素加入后，首先在 γ相晶界偏聚，降低了界面能。

由于 γ｀相一般在 γ相晶粒內(nèi)部原位形核，微量元素對(duì) γ｀相的析出不產(chǎn)生顯著影響，因而，固溶、甚至二次時(shí)效后，3種樣品的硬度值基本接近，但是，為降低 γ／γ｀相界面能量，γ｀相析出后，微量元素將向 γ／γ｀相界面偏聚，偏聚后產(chǎn)生如下效果：首先，偏聚本身對(duì)界面起釘扎作用，阻礙界面遷移，其次，偏聚后的相界面能量下降，界面遷移驅(qū)動(dòng)力下降，以上兩個(gè)因素均降低 γ｀相的長(zhǎng)大速度，從而使之在較高的溫度下，仍能保持細(xì)小的形態(tài)，從而保持較好的強(qiáng)化效果。

若將合金在二次時(shí)效溫度以上時(shí)效時(shí)，樣品硬度值在等溫初期急劇下降，圖4為800℃時(shí)效不同時(shí)間后，樣品硬度的變化曲線。

由圖知，盡管3種不同樣品的硬度下降幅度不同，但其變化趨勢(shì)幾乎一致：即在等溫的開始階段，如0.5h，樣品硬度顯著下降，隨后硬度值逐漸趨于穩(wěn)定。

圖中結(jié)果還顯示，H3和 H4合金的硬度值遠(yuǎn)高于 G 合金，其差值達(dá)80HV 左右。

還可以看出，在同一溫度下保溫時(shí)，加了稀土元素的 H3合金的硬度值下降非常緩慢，而且下降的幅度很小，在高溫長(zhǎng)時(shí)間保溫后的硬度值，比不加稀土元素的 G 合金的高。

合金 H3和 G 在900℃的時(shí)效時(shí)間－硬度變化規(guī)律如圖5所示。

其硬度值變化規(guī)律與800℃一致。圖示結(jié)果表明，由于時(shí)效溫度升高，兩種合金的硬度下降均很明顯。如經(jīng)20h 時(shí)效后，H3合金的硬度降至292HV，G合金降至238HV，但二者的差值仍高達(dá)54HV，顯然，即使在900℃等溫，微量元素的作用仍十分明顯。

表明在900℃以下等溫時(shí)，微量元素在晶界的偏聚不消失。

3.2 Ta 元素對(duì)合金性能的影響由表1知，H3合金和 H4合金的化學(xué)成分比較接近，唯一不同的是在 H4合金中，用等量的 T a 替代 Nb。H4合金中 Nb 和 T a 的含量均為0.5％。Nb 和 T a 都是高 溫 合 金 中 的 強(qiáng) 化 元 素，能 形 成 強(qiáng) 化 相 Ni3Nb 和Ni3T a。

用部分 T a 替代 Nb 的主要目的是 T a 可望有效改善合金的抗氫脆性能。

由圖1～5可看出，除合金初始硬度外，在600℃和800℃等溫時(shí)效時(shí)，H4合金的硬度值下降幅度均大于H3。表明，用部分 T a 元素替代 Nb 后，合金在高溫下長(zhǎng)時(shí)間使用的穩(wěn)定性下降。 此外，合金在不同溫度下長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效過程中，設(shè)計(jì)的幾種改型合金的硬度值均達(dá)到（35～40） HRC 左右。

而且在700℃以下時(shí)效時(shí)，合金的硬度基本保持不變。

深入研究還發(fā)現(xiàn)，若在析出強(qiáng)化的同時(shí)，對(duì)合金進(jìn)行形變 強(qiáng)化，則 H3和 H4合金的硬度值可達(dá)到（45～50）HRC（ 有關(guān)結(jié)果將另文發(fā)表） ，而且，在700℃以下時(shí)效時(shí)，形變強(qiáng)化作用保持不變。

需指出，用 Inconel X-750改型合金作高溫模具材料使用的其它優(yōu)點(diǎn)包括：第一通過調(diào)整時(shí)效溫度，該合金可獲得不同的硬度值，因而可根據(jù)加工要求，選擇合適熱處理，得到合適的硬度；第二該合金采用時(shí)效強(qiáng)化，時(shí)效強(qiáng)化溫度為700℃左右，時(shí)效溫度低，時(shí)效后可采用爐冷，免除淬火變形。

上述結(jié)果表明，可用 InconelX-750改型合金制作高溫精密模具。

4 結(jié)論

（1） 微量元素可以延緩合金高溫長(zhǎng)期使用時(shí)的硬度下降，提高合金的高溫硬度值，合金在700℃以下使用時(shí)，微量元素的作用效果更明顯。

（2） 比較用 Nb 和 T a 強(qiáng)化效果發(fā)現(xiàn)，含 Nb 合金的高溫使用性能比含同等量 T a 合金的好，硬度下降緩慢，硬度值較高。

（3） 合金高溫時(shí)效后的硬度值及其變化規(guī)律表明，Inconel X-750改型合金可用作高溫精密模具材料。