GH4145合金弹性性能的研究.docx

张十庆1 ,2 ,李方1 ,2 ,王宏1 ,2(1 . 国家仪表功能材料工程中心 ,重庆 400700 ;2 . 重庆仪表材料研究所 ,重庆 400700)摘要 :研究了 GH4145 合金 的抗 拉强 度 、弹 性模松驰的平面弹簧和螺旋弹簧 ; 传感器 ; 热空气管道系统 ;压力容器 。GH4145 在 980 以下具有良好的耐腐 蚀和抗氧化性能 ,800 以下具有较高的强度 ,540 以下具有较好的耐松弛性能 ,同时还具有良好的成形性能和焊接性能 ,在低温环境中有优异的机械性能 5 。 在过去的几十年里 ,学术界对 GH4145 等镍基合金的力学行为 ,包括不同温度下的单调拉伸性能 、蠕变 持久 强 度 和 持 久 塑 性 等 已 进 行 了 广 泛 深 入 的 研 究 69 。但对 GH4145 弹性性能的研究报道甚少 , 针对某 工 程 用 弹 簧 元 件 所 需 材 料 的 要 求 , 我 们 对GH4145 的弹性性能进行了研究 。量 、扭转试验 、弯曲试验 、缠绕试验等 , 分 析了 合 金元素 、热处理工艺对弹性性能的影响 。GH4145 合金经 过变形加时效处理 ,抗拉强度 Rm 达到 1650 M Pa 。扭转次数达到正负各 3 圈 ,弯曲次数达到 7 次 ,时效态绕簧缠绕 7 圈不发生折叠 、起刺 、裂纹等缺陷 。关键词 :扭转 ;弯曲 ;缠绕 ;弹性模量 ;热处理 ;合金元 素中图分类号 :文献标识码 : AT G133文章编号 :100129731 (2009) 1222018204引言1实验2高温合金 GH4145 是 20 世纪 80 年代中期开发的以 Ni3 ( Al , Ti ,N b) 为主要强化相的镍基时效硬化 型合金 13 。主要应用 :航空发动机的环形件 4 、结构 件和螺栓等 ;核反应堆 ;气轮机涡轮叶片 、砂轮 ;要求耐用天平按表 1 配料 ,进行真空感应熔炼合金 ,再进行真空电弧重熔 。表 1合金化学成分表 ( % ,质量分数)Ta ble 1 Che mical co mpo sitio n of allo y ( wt %)该实验是在 OL YM PU SPM E3 金相显微镜下对合金固溶态显微组织进行观察和分析 ,使用材料曲折试 验机对弯曲性能进行测试 ,同时使用 N X23A 扭转试验机对弹性扭转性能进行测试 ,并在 W E230 (706) 拉力实 验机上对特种合金的力学性能进行测试 ,使用 D TM2X动态弹性模量分析仪对该合金的室温和高温弹性模量 进行分析 。3实验结果与讨论图 1晶粒度与温度关系Fi g 1 Relatio n of grai n size a nd t e mp erat ure3 . 1晶粒度与温度关系将 GH4145 试样在箱式电阻炉内进行固溶处理 ,调整固溶处理的温度 , 观察晶粒度如图 1 所示 。经过 试验得知 950 1020 晶粒度均在 8 级 ,超过 1020 晶粒度开始下降比较明显 ,在 1140 以上晶粒度急剧变化 ,变得比较粗大 。3 . 2室温和高温弹性模量试验中 GH4145 在室温 800 均保持较高的弹 性模量 ,弹性模量随温度的变化稍平缓 ,超过 800 弹性模量下降趋势增大 ,到了 1000 以上弹性模量 E 接近 130 GPa ,见图 2 。图 2GH4145 合金室温和高温弹性模量 EFi g 2 Ela stic mo dul u s of GH4145 i n roo m2t e mp era2t ure a nd hi gh t e mp erat ure收到初稿日期 :2009206223收到修改稿日期 :2009208213通讯作者 :张十庆3作者简介 :张十庆 (1974 - ) ,男 ,四川资阳人 ,高级工程师 ,主要从事金属功能材料及器件的研究 。CCrNiFeTiAlM nNiMg 0 . 11516余量6 . 02 . 8 1 . 2 1 . 0 1 . 0微量张十庆 等 : GH4145 合金弹性性能的研究20193 . 3时效后的抗拉强度GH4145 合金在适当变形后经过不同温度时效后 的抗拉强度如图 3 所示 。时效温度从 670745 ,时效时间 16 h 。抗拉强度的峰值出现在温度 720 ,达到1650M Pa 。此后随着时效温度的升高 , 抗拉强度逐渐 下降 。没有裂纹和折断 。图 4缠绕试验Fi g 4 Wi ndi ng t e st3 . 7合金元素分析3 . 7 . 1C 的影响 高温合金中晶界碳化物是必不可少的 , 它对高温持久强度起着重要而有利的作用 。碳化物的形态会影响合金的性能 ,尤其是塑性 ;并且碳化物通过反应元素 的作用还会影响基体的化学稳定性 。镍基合金中的主要碳化物类型也是 M C 、M6 C 、M23 C6 和 M7 C3 等 。3 . 7 . 2Cr 的影响 铬是镍基高温合金中提高热稳定性元素 ,加入 Cr可形成 Cr2 O3 层 ,它有低的阳离子空位 ,能阻止金属元 素向外扩散和 O 、N 、S 及其它有害元素向内扩散 ,能防止合金的氧化和热腐蚀 10 。3 . 7 . 3Ni 、Ti 、Al 的影响 镍是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区的元素 ,同时提高钢的热力学稳定性 ,随着镍含量的增加可 降低甚至消 除 铁 素 体 , 并 显 著 降 低 相 形 成 的 倾 向 。Ni 、Ti 是相的主要形成元素 。通过相在基体中弥 散分布 ,阻碍位错运动 ,以强化合金 。镍基合金的高温性能主要取决于 Al 、Ti 加入量 ,增加 Al 、Ti 总量可明 显地提高相的固溶温度和相的体积分数 11 。3 . 7 . 4B 、Zr 、M g 的影响加入适量的 B 、Zr 、M g 能显著提高合金的持久寿 命 ,降低蠕变速率 ,并显著改善持久缺口敏感性 ,提高合金的塑 性 和 加 工 性 能 。加 入 的 镁 的 量 在 0 . 005 0 . 05 %时 ,可显著减少晶界碳化物 、硼化物和硫化物的 数量 ,提高 晶间结合力 12 。图 3不同温度时效后的抗拉强度Fi g 3 Te n sile st re ngt h af t e r diff ere nt a gei ng t e mp era2t ure3 . 4扭转试验按 GB/ T23921999 金属 线 材扭 转试 验 方法 , 在 扭 转试验机上对 GH4145 合金丝材进行扭转试验 。国家某电站用弹簧技术要求是正反各转 3 圈 ,在满足使用要求的测试后 ,继续进行了破坏性扭转试验 。弹簧能 达到 4 . 5 圈的扭转 ,也就是经过 16420的扭转 。扭转试验结果见表 2 。表 2扭转实验结果Ta ble 2 Re sult s of to r sio n2t e st3 . 5弯曲试验按 GB/ T23822002 金属 线 材弯 曲试 验 方法 , 对 两 炉号两种规格 (2 . 0 、0 . 9) 的 GH4145 丝材进行弯曲试验 ,某电站工程用弹簧要求的技术指标是弯曲 6 次而不出现表面无开裂 、折叠 、毛刺等现象 。弯曲试验结 果见表 3 。表 3弯曲试验结果Ta ble 3 Re sult s be ndi ng t e st4结论(1)GH4145 在高温下保持较高的弹性模量 ,在800 时动态弹性模量仍然能达到 170 GPa 。(2)GH4145 丝材变形后加 时效 的最 佳 温度 为720 16 h ,抗拉强度能达到 1650M Pa 。开 裂 、 折(3)GH4145 合金丝扭转次数达到正负各 3 圈 ,弯曲次数达到 7 次 ,时效态绕簧缠绕 7 圈不发生折叠 、起刺 、裂纹等缺陷 。(下转第 2022 页)3 . 6缠绕试验丝材 ( 冷 拉 经 时 效 ) 缠 绕 试 验 按 GB/ T297622004 中的规定进 行 , 丝 材 绕 芯 棒 直 径 为 丝 材 直 径 的 3 倍 。 如图 4 (a) 、( b) 缠绕试验所示 ,缠绕 7 圈以上丝材表面材料编号表面无损伤 弯曲次数破坏性弯曲试 验次数 (折断)备注( A11322 . 0) 21 ( A11322 . 0) 22 ( A11322 . 023( A11220 . 9) 21 ( A11220 . 9) 22 ( A11220 . 9) 23798111415151413292332无 损 伤 弯 曲 试 验 为 弯 曲 N 次 后 , 表 面 无叠 、毛 刺 等 现象 。扭转圈数 样品编号12344 . 5A11322 . 0A11220 . 9无折叠 无折叠无折叠 无折叠无折叠 无折叠出现折痕 出现折痕折断 折断 2022 2009 年第 12 期 ( 40) 卷3 . 5 比表面分析表 1 中为采用氮吸附多点 B E T 法得到的 3 种样 品的比表面积 ,超声化学法得到的聚苯胺比表面积明显要大得多 ,搅拌法得到的聚苯胺比表面积与市售的 比较接近 ,这与扫描电子显微镜得到的结果是一致的 , 表明在超声作用下能够得到颗粒更为精细的聚苯胺 。表 1聚苯胺的比表面积Ta ble 1 Sp ecific surf ace a rea of PA n参考文献 : 1 L i Xingwei , Chen Wei , Bia n Chao qing , et al . J . Ap2plied Surf ace Science ,2003 , 217 : 16222 .Kha nna P K , Kul ka r ni M V , Singh N , et al . J . Mate2rial s Chemi st r y a nd Phys ,2006 , 95 : 24228 .Su Shijia n , Kuramo to N . J . Synt hetic Metal s , 2000 ,114 : 1472153 .Cho S J , So ng K S , Ki m J W , et al . Fuel Chemi st r y Divi2 sio n C . A merican : 224t h Natio nal Meeting of t he A mer2 ican Chemical Societ y 47 , 2002 .任 丽 ,张雪峰 . J . 精细化工 ,2008 ,25 (4) : 3212323 .Ser gei I N , Yuri K , Yitzha k M , et al . J . The Europ e2a n J o ur nal of Neuro science ,2002 , 12 : 145021452 .Kuma r R V , Palchik O , Kolt ypin Y , et al . J . Ult ra so nSo nochem ,2002 , 9 : 65270 .付志兵 ,邱龙会 ,刘德斌 ,等 . J . 强激光与粒子束 ,2006 ,18 (9) : 149121494 .Suslick K S. Ult ra so und , It s Chemical , Physical a nd Bio2lo gical Eff ect s M . New Yo r k : V C H Publi sher s , 1988 . 2 3 4 5 6 结论4 7 采用超声化学法 ,在没有任何模版的条件下合成了产物纯净 、尺寸单一的纳米棒状聚苯胺 ,采用 S EM 、XRD 、T G 和 B E T 等方法对产物进行了表征 。研究表 明 ,氧化剂过硫酸铵的用量与产率存在较大关联 ,氧化剂和苯胺单体的物质的量比 1 1 时可以达到最大产 率 ;盐酸浓度对产物形貌有较大影响 ,只有盐酸浓度达 到一定程度才可以得到纳米棒状聚苯胺 。 8 9 10 马利 , 卢苇 , 甘 孟 瑜 , 等 . J . 化 学 学 报 , 2008 , 66(10) :125921264 .Synthesis via sono2chemical and characterization of polyan il ineFU Zhi2bi ng , TA N G Yo ng2jia n , WA N G Chao2ya ng( Re sea rc h Ce nt er of L a se r Fu sio n , CA EP , Mia nya ng 621900 , Chi na)Abstract :Pure pol ya nili ne w hich shap e i s na no2stick i s synt he sized via so no2che mical wit ho ut a ny surf act a nt ac2tivit y a nd it wa s c ha ract erized by S EM , XRD , T G , B E T , et al . The o xi da nt do sa ge p lay a key role i n t he p ro2ducito n to mat erial ratio a nd t he be st ratio of o xi da nt to a nlili ne mo no me r i s 1 1 . hydroc hlo ric aci d co nce nt ra2tio n ca n aff ect t he pol ya nli ne shap e . The sp ecific surf ace a rea of pol ya nli ne w hich i s f a bricat ed by so no2c he mical i s bi gger t ha n t he sp ecific surf ace a rea of pol ya nli ne i s bo ught o r i s synt he size d via o t he r app ro ac he s a nd it i s29 . 5 m2 / g.Key words : sono2chemical ; polyan il ine ; nano2st ickFer reno D , Go r rochategui I , Sa nchez L , et al . J . Engi2neering Fail ure A nalysi s ,2004 ,11 :7992810 .del Valle J A , Ro mero R , Pica sso A C. J . Material s Sci2ence a nd Engineering ,2001 ,A311 :1002107 .金泽光 . J . 特钢技术 ,1995 ,2 :25229 .del Valle J A , Pica sso A C , Alvarez I , et al . J . Scrip taMaterialia ,1999 ,41 : (3) :2372243 .(上接第 2019 页)参考文献 : 6 7 1 陈国良 . 高温合 金学 M . 北京 : 冶 金工业出版社 , 1988 .1662198 .陈复民等 . 弹 性合金 . M . 上 海 : 上海科 学技术出版社 ,1986 . 4222455 .李成功 ,等 . 航天航空 材料 M . 北京 : 国 防工业出版社 ,2002 . 87288 .师昌绪 ,等 . 中国高温合金 40 年 M . 北京 :中国科学技术出版社 ,1996 .陈复民 ,等 . 弹性合金 M . 上 海 : 上海科 学技术出版社 ,1986 . 4222455 . 8 9 2 10 肖纪美 . 不锈钢的金属学问题 M . 北京 : 冶金工业出版社 ,1983 . 79284 . 3 11 黄乾尧 ,李汉康 ,等 . 高温合金 M . 北京 : 冶金工业出版社 ,2000 . 1229 .朱日彰 ,卢亚轩 . 耐热钢和高温合金 M . 北京 :化学工业出版社 ,1996 . 168 . 4 12 5 Study of GH4145 alloy a bout ela stic propertiesZ H A N G Shi2qi ng1 ,2 ,L I Fa ng1 ,2 , WA N G Ho ng1 ,2(1 . Natio nal Engi neeri ng Re sea rch Ce nt e r fo r In st r u me nt Functio nal ,Cho ngqi ng 400700 ,Chi na ;2 . Cho ngqi ng In st r u me nt Mat e rial Re sea rc h In stit ut e ,Cho ngqi ng 400700 ,Chi na)Abstract : GH4145 allo ys p rop e rit y i ncl ude t e n sile st