镍基变形高温合金简介：美国牌号：InconelX-中国牌号：GH/GH4德国牌号：NiCr15Fe7TiAl法国牌号：NC15FeTNbA日本牌号：NCF一、InconelX-概述InconelX-合金主要是以γ′[Ni3(Al、Ti、Nb)]相进行时效强化的镍基高温合金，在℃以下具有良好的耐腐蚀和抗氧化性能，℃以下具有较高的强度，℃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。该合金主要用于制造航空发动机在℃以下工作并要求强度较高的耐腐蚀的环形件、结构件和螺栓等零件、在℃以下工作的具有中等或较低应力并要求耐松弛的平面弹簧和螺旋弹簧。还可用于制造气轮机涡轮叶片等零件。可供应的品种有板材、带材、棒材、锻件、环形件、丝材和管材。1.1InconelX-材料牌号InconelX-1.2InconelX-相近牌号GH/GH4(中国),NiCr15Fe7TiAl(德国),NC15FeTNbA(法国),NCF（日本）1.3InconelX-材料的技术标准1.4InconelX-化学成分见表1-1。表1-1%
注：表中Mn、Si为棒、锻件、环形件和丝材含量，板材、带材和管材为：ω(Mn)≤0.35%,ω(Si)≤0.35%。1.5InconelX-热处理制度板、带、管材供应状态的固溶热处理制度℃±15℃，空冷。材料及零件的中间热处理制度，可分别选择下列工艺进行热处理。退火：～℃，水冷。焊接件焊接前退火：℃，1h。焊接件消除应力退火：℃,保湿2h。消除应力退火：℃±15℃，24h,空冷。1.6InconelX-品种规格与供应状态可以供应各种规格的棒材、锻件、环形件、热轧板、冷轧板、带材、管材和丝材。板材和带材一般于热轧或冷轧、退火或固溶、酸洗抛光后供应。棒材、锻件和环形件可于锻态或热轧状态供应；也可于锻后固溶处理供应；棒材可于固溶后磨光或车光供应，当订单有要求时，可于冷拉状态就位。管材于固溶处理并清除氧化皮后供应。丝材可于固溶状态供应；对于标称直径或厚度在6.35mm以下的丝材，可固溶后并以50%～65%的冷拉变形供应；标称直径或边长大于6.35mm的丝材，固溶处理后以不小于30%的冷拉变形供应。对于标称直径或边长不大于0.65mm的丝材，根据要求固溶处理后以不小于15%的冷拉变形供应。1.7InconelX-熔炼与铸造工艺合金采用电弧炉加真空自耗重熔、真空感应加电渣、电渣加真空自耗重熔或真空感应加真空自耗重熔。1.8InconelX-应用概况与特殊要求该合金主要用于制造航空发动机工作温度在℃以下的耐腐蚀的平面波形弹簧、周向螺旋弹簧、螺旋压簧、弹簧卡圈和密封圈等零件。二、InconelX-物理及化学性能2.1InconelX-热性能2.1.1InconelX-熔化温度范围～℃。2.1.2InconelX-热导率见表2-1。表2-1[1]
2.1.3InconelX-线膨胀系数见表2-2。表2-2[2]
2.2InconelX-密度ρ=8.25g/cm3[7]。2.3InconelX-电性能50℃时的电阻率ρ=1.22×10-6Ω.m[6]。三、InconelX-组织结构
4.1InconelX-相变温度γ′相开始析出温度约为℃，析出峰约为℃，℃开始回溶，到℃时几乎全部溶解。4.2InconelX-时间-温度-组织转变曲线4.3InconelX-合金组织结构合金经标准热处理后，其组织由γ基体、Ti(C、N)、Nb(C、N)、M23C6碳化物和γ′[Ni3(Al、Ti、Nb)]相组成，γ′含量大约为14.5%，是合金的主要强化相。
四、InconelX-工艺性能与要求5.1InconelX-成形性能合金的锻造温度在～℃之间均易成形。钢锭开坯锻造，其加热温度可在℃，为了使锻件或棒材获得良好的组织和性能，随后的锻造加热温度应在相应较低的温度下进行。终锻温度应不低于℃。该合金在剧烈成形工序后应进行固溶处理。5.2InconelX-焊接性能合金具有较好的焊接性能，可进行各种焊接，但对大截面的零件较难进行熔焊，而对小截面零件和薄板焊接性能较好。焊接必须在退火或固溶处理后进行，焊后应进行消除应力处理，采用℃，保湿0.5h或℃保湿2h。焊接组合件随后进行时效处理，可获得近似完全热处理状态的强度。5.3InconelX-零件热处理工艺零件的热处理应在无硫的中性或还原性气氛中进行，以免发生硫化。零件应避免在～℃之间进行“热-冷”处理，对于大截面的零件，为了防止裂纹，固溶处理后应在空气中冷却。成品零件热处理：对于在℃以上工作、要求持久蠕变性能的零部件：固溶：℃±15℃,保温2～4h,空冷；时效：℃±15℃，保温24h，空冷+℃±15℃,保温24h,空冷。对于在℃以下工作、要求室温和高温拉伸性能的零部件：固溶：℃±15℃,保温1h,空冷；时效：℃±15℃，保温8h，以50℃/h炉冷到℃±10℃,保温8h,空冷。环形件一般采用下述热处理制度：固溶：℃±15℃,保温2-4h,空冷；时效：℃±15℃，保温24h，空或炉冷到+℃±15℃,保温20h,空冷。棒材和锻件在℃以下温度使用时，采用下述制度进行热处理：均匀化：℃±15℃,保温24h,空冷；时效：℃±15℃，保温20±1h,空冷。退火状态的板材和带材及做弹簧用的板带和丝材可采用下述制度进行热处理：时效：1）℃±15℃,保温22h,空冷；2）℃±10℃，保温1h,空冷。固溶：℃±15℃,保温1h,空冷；时效：℃±10℃，保温8h，以50℃/h炉冷到+℃±10℃,保温8h,空冷。5.4InconelX-表面处理工艺5.5InconelX-切削加工与磨削性能合金可以在各种状态下进行机械加工，退火或固溶状态下机械加工性能良好。
研究了微量元素对InconelX-改型合金高温时效硬度及其变化规律的影响，测试了试验合金在℃、℃、℃、℃及℃下，经不同时间时效后合金显微硬度值的变化。
研究表明，微量元素可以延缓合金高温长期使用时的硬度下降，提高合金的高温硬度值，尤其在℃以下使用时，微量元素的作用效果更明显。
比较用Nb和Ta的强化效果发现，含Nb合金的高温使用性能比含同等量Ta合金的好，硬度下降缓慢，硬度值较高。合金高温时效后的硬度值及其变化规律表明，InconelX-改型合金在热处理后的硬度可达40HRC以上，即使在℃下长时间时效，合金的硬度值下降不显著，因而可用作高温精密模具材料。
简介
InconelX-改型合金常在燃气轮机或沸水核反应堆中用作弹性件或紧固件，如螺栓、铆钉、弹簧等。然而在使用过程中，该合金存在许多问题［1］。
首先，在℃～℃温度下，该合金的热疲劳性有待进一步提高。其次，在沸水反应堆的高压过饱和水蒸汽中，工件的工作温度为℃～℃，此时，环境氢分压较高，易发生氢脆失效。
再次，当合金作为高温受力件使用时，要求合金具有更高的硬度和强度。针对上述问题，作者通过添加Zr、B、Ta、RE等微量元素，研制了不同成分的InconelX-改型合金，并研究了合金元素对InconelX-合金性能的影响，以探讨提高InconelX-合金高温性能的途径。
此外，作者还分析了用InconelX-合金制作精密高温模具的可行性。若工件的工作环境温度达℃以上，铁素体-珠光体型耐热钢或马氏体耐热钢将不能满足要求，简单的奥氏体耐热钢及固溶强化奥氏体耐热钢的强度也明显下降。由于工作条件复杂，对材料的热稳定性、耐热疲劳性及高温下的强度、韧性、硬度、耐磨性、抗氧化性和耐蚀性等［2］有高的要求。
InconelX-合金是一种成本相对较低的Ni基高温合金。考虑到精密模具的原材料成本一般只占模具总成本的1／10或更少，因而，尽管InconelX-合金原材料成本较高，但若综合考虑模具的加工费、原材料成本及模具使用寿命，可以考虑用InconelX-改型合金制作精密高温模具。
2试验材料及热处理工艺
InconelX-合金的标准成分范围［3］及本试验涉及的3种改型合金的名义成分及样品编号如表1所示。
表中“微量”均指该元素的含量小于0.5％。
试验合金采用真空冶炼，真空度达0.1Pa，原材料纯度如下：C＞99.5％，Cr＞99.6％，Al＞99.7％，Ti＞99.9％，Fe＞99.5％，Zr＞99.8％，Ni＞99.95％，Nb＞99.8％，Ta＞99.9％；B和Mg采用中间合金，其成分为16.5％B-Fe及20％Mg-Ni。
冶炼前先用金属Ni洗炉，再抽真空。加入Ni通电约15min熔化后，过10min再依次加入C、Al、Ti，稍后加入B、Zr。
5min后充氩气保护，加Mg-Ni中间合金。H3和H4合金加混合稀土。
搅拌均匀后浇铸。钢锭重量为5kg。
合金熔炼后进行锻造。锻造工艺为：将合金随炉升温至℃，保温2h，终锻温度高于℃，锻后空冷。
锻后样品进行热处理：固溶温度℃，时间1.5h；两次时效温度分别为℃和℃，时效时间均为24h。
将3种不同成分的InconelX-合金分别在℃、℃、℃、℃和℃温度下进行时效，当等温时间分别为0.5、1、5、10和20h时，将试样取出，清除氧化膜后，在3个不同位置测量合金显微硬度值（载荷g），并将3点的平均值作为合金的最后硬度，通过作图考察不同成分合金在不同温度等温后，其硬度变化规律。
3试验结果及讨论
3.1稀土元素对合金耐热性能的影响
在℃等温时效不同时间后，H3、H4和G样品的硬度变化曲线如图1所示。由图知，经固溶＋两次时效后，3种样品的显微硬度值基本一致，均为HV左右，相当于42HRC。
InconelX-为典型γ｀析出强化合金，γ｀一般在γ基体上均匀原位形核，且与γ间维持共格型界面，合金的强化效果直接取决于γ｀相的形态、数量、分布和尺寸，相同的强化效果表明，微量元素对γ｀的形核、长大过程影响不显著。
从图中还可看出，经20h时效后，H3合金的硬度变化最小，仅下降27HV左右，H4合金开始下降较快，等温1h时，下降至HV，随后稳定在（～）HV左右，并保持不变。而G合金性能较差，等温20h后，硬度降至HV，下降幅度达85HV。
H3和G合金在℃和℃时效后的硬度变化情况如图2、3所示。
由于时效温度均低于二次时效温度（℃），因而合金硬度变化规律基本相同，即在时效初期，合金硬度值缓慢下降，最终趋于一个稳定值。但比较后可知，H3合金在℃和℃硬度分别下降23HV和40HV，而在相同条件下，G合金的下降幅度达71HV和HV。从表1知，合金H3、H4与G的主要区别是合金中所含的微量元素不同。
可见，加入微量稀土元素，可有效改善合金的高温力学性能，延缓合金高温长期使用时硬度下降的趋势，因而可望有效提高材料的使用寿命。
关于稀土元素的作用机理，可以认为：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相晶粒内部原位形核，微量元素对γ｀相的析出不产生显著影响，因而，固溶、甚至二次时效后，3种样品的硬度值基本接近，但是，为降低γ／γ｀相界面能量，γ｀相析出后，微量元素将向γ／γ｀相界面偏聚，偏聚后产生如下效果：首先，偏聚本身对界面起钉扎作用，阻碍界面迁移，其次，偏聚后的相界面能量下降，界面迁移驱动力下降，以上两个因素均降低γ｀相的长大速度，从而使之在较高的温度下，仍能保持细小的形态，从而保持较好的强化效果。
若将合金在二次时效温度以上时效时，样品硬度值在等温初期急剧下降，图4为℃时效不同时间后，样品硬度的变化曲线。
由图知，尽管3种不同样品的硬度下降幅度不同，但其变化趋势几乎一致：即在等温的开始阶段，如0.5h，样品硬度显著下降，随后硬度值逐渐趋于稳定。
图中结果还显示，H3和H4合金的硬度值远高于G合金，其差值达80HV左右。
还可以看出，在同一温度下保温时，加了稀土元素的H3合金的硬度值下降非常缓慢，而且下降的幅度很小，在高温长时间保温后的硬度值，比不加稀土元素的G合金的高。
合金H3和G在℃的时效时间－硬度变化规律如图5所示。
其硬度值变化规律与℃一致。图示结果表明，由于时效温度升高，两种合金的硬度下降均很明显。如经20h时效后，H3合金的硬度降至HV，G合金降至HV，但二者的差值仍高达54HV，显然，即使在℃等温，微量元素的作用仍十分明显。
表明在℃以下等温时，微量元素在晶界的偏聚不消失。
3.2Ta元素对合金性能的影响由表1知，H3合金和H4合金的化学成分比较接近，唯一不同的是在H4合金中，用等量的Ta替代Nb。H4合金中Nb和Ta的含量均为0.5％。Nb和Ta都是高温合金中的强化元素，能形成强化相Ni3Nb和Ni3Ta。
用部分Ta替代Nb的主要目的是Ta可望有效改善合金的抗氢脆性能。
由图1～5可看出，除合金初始硬度外，在℃和℃等温时效时，H4合金的硬度值下降幅度均大于H3。表明，用部分Ta元素替代Nb后，合金在高温下长时间使用的稳定性下降。此外，合金在不同温度下长时间时效过程中，设计的几种改型合金的硬度值均达到（35～40）HRC左右。
而且在℃以下时效时，合金的硬度基本保持不变。
深入研究还发现，若在析出强化的同时，对合金进行形变强化，则H3和H4合金的硬度值可达到（45～50）HRC（有关结果将另文发表），而且，在℃以下时效时，形变强化作用保持不变。
需指出，用InconelX-改型合金作高温模具材料使用的其它优点包括：第一通过调整时效温度，该合金可获得不同的硬度值，因而可根据加工要求，选择合适热处理，得到合适的硬度；第二该合金采用时效强化，时效强化温度为℃左右，时效温度低，时效后可采用炉冷，免除淬火变形。
上述结果表明，可用InconelX-改型合金制作高温精密模具。
4结论
（1）微量元素可以延缓合金高温长期使用时的硬度下降，提高合金的高温硬度值，合金在℃以下使用时，微量元素的作用效果更明显。
（2）比较用Nb和Ta强化效果发现，含Nb合金的高温使用性能比含同等量Ta合金的好，硬度下降缓慢，硬度值较高。
（3）合金高温时效后的硬度值及其变化规律表明，InconelX-改型合金可用作高温精密模具材料。
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