CN113774255A

CN113774255A - 一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的gh4169高温合金及制备方法

Info

Publication number: CN113774255A
Application number: CN202111036117.1A
Authority: CN
Inventors: 李言成; 王清; 董闯; 赵亚军; 邹存磊; 张爽
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2021-09-06
Filing date: 2021-09-06
Publication date: 2021-12-10

Abstract

一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金及制备方法。该方法将GH4169高温合金化元素分为进入团簇式内的类Ni元素：含Ni、Fe、Co、Cu；类Cr元素：含Cr、Mo、Mn、Si；类Nb元素：含Nb、Al、Ti；以及不进入团簇式内的微量元素：含C、P、S、B、Mg、Ca；各个元素的协同变化关系为：68.93≤Ni+1.02Fe+Co+Cu≤72.68，19.84≤Cr+0.64Mo+Mn+1.67Si≤22.78，8.67≤Nb+3.22Al+1.85Ti≤9.81。本发明新成分的协同变化关系简单有效，将彻底改革高温合金的成分标准化方式，推动高温合金的发展。

Description

一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金及制备方法

技术领域

本发明属于高温合金领域，特别是一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金及相应制备方法。

背景技术

高温合金是指以铁、钴、镍为基，能在600℃以上高温服役而言之的一类金属材料。高温合金为单一的奥氏体基体组织，拥有较高的高温强度、抗氧化和抗腐蚀性能，具有良好的组织稳定性和使用可靠性，国外常称之为超合金。镍基高温合金相较于钴基高温合金拥有更加优异的强塑性，相较于铁基高温合金拥有更优异的承温能力，GH4169高温合金作为镍基高温合金中的代表性合金，属于应用最为广泛的变形高温合金。但是其合金化复杂，合金性能对成分和工艺敏感，导致强韧性匹配出现较大波动，质量难以控制。

经过对现有文献与专利检索发现，现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)，规定GH4169合金固溶态延伸率≥30％，要求抗拉强度≤965MPa，屈服强度≤550MPa，对于这种难加工的合金，有限的塑性和稍高的强度影响了其可加工性；胡仁民等在《宝钢技术》(Nb含量对GH4169合金组织和拉伸性能的影响，2020年210卷35-38页)以及刘芳等在《金属学报》(Al含量对GH4169镍基合金组织及其稳定性的影响，2008年第7期25-32页)发表的文章均显示出，目前的研究仅限于讨论单一元素对于合金性能的影响，由于模型的缺失，无法从机理上揭示这类复杂合金中元素之间的相互作用。

现行的GH4169高温合金成分标准(GB/T 14992-2005)也只限于单个元素的成分区间的确定，忽略了元素间的相互作用，同时各种元素的区间范围较大。GB/T 14992-2005规定元素质量百分比为：50.0≤Ni≤55.0，Fe余量，Co≤1.0，Cu≤0.30，17.0≤Cr≤21.0，2.80≤Mo≤3.30，Mn≤0.35，Si≤0.35，4.75≤Nb≤5.50，0.30≤Al≤0.70，0.75≤Ti≤1.15，C≤0.08，P≤0.015，S≤0.015，B≤0.006，Mg≤0.01，Ca≤0.01。如图1所示，正三角形框定的成分区为GB/T 14992-2005工业标准区间，现有文献中报道的GH4169成分点(加号表示)均落在宽泛的成分区间内，说明固定的元素的成分区间与现在研究合金成分偏差大。马军等在《金属热处理》(化学成分对GH4169合金组织与力学性能的影响，2020年第45卷197-204页)中研究了Nb、Al、Ti三种元素，虽然单个元素成分范围都在国家标准规定范围内，但是各批次性能出现显著差异，元素范围不精确导致合金性能下降，合金延伸率仅为15％左右，屈服强度也仅为1000MPa左右；在微量调整Nb、Al、Ti含量之后，合金延伸率可达到22％左右，屈服强度在1200MPa左右。由此说明宽泛的单个元素区间或者不考虑元素间相互作用，会造成合金性能变动范围较大，无法获得优异性能合金，并且在实际工业生产中技术人员通常按照经验成分进行合金制造，加上制备工艺的复杂性，无法进行合理性的合金成分设计与制备。

现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)合金制备工艺复杂，均匀化处理采用1160℃/24h+1190℃/72h，空冷至室温；一般固溶处理有(1010-1065℃)±10℃/1h，空冷至室温和(950-980℃)±10℃/1h，空冷至室温两种制度，固溶时间与冷却时间长不利于实际生产加工，浪费能源；时效处理720±5℃/8h，炉冷50℃/h至620±5℃/8h后，空冷至室温，此时效处理空冷的冷却时间长，效率低。根据专利：一种镍基合金GH4169的时效强化热处理方法(公开号：CN110747417A)提高了合金的室温抗拉强度和屈服强度，但是热处理工艺复杂，也不适宜工业生产，缺少效率高、节约能源的制备工艺。

鉴于此，本发明通过引入描述化学近程序结构的团簇式成分设计方法(全文简称团簇式方法)，解析了GH4169高温合金的成分规格，给出了合金的理想成分式，尤其考虑了合金中元素的协同作用，提供了一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金，严格按照成分协同变化关系，对国家标准范围内GH4169各成分区间实现了精修，明确了各种元素的成分区间和类似元素的组合区间，按照成分协同变化关系实施合金成分设计以及相应的制备工艺，能确保性能提升。该合金设计简单有效，将彻底改革高温合金的成分标准化方式，颠覆性推动高温合金的发展与进步。该协同变化关系同时具有示范作用，其意义覆盖任何工业合金体系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金及相应制备工艺，该方法源自的申请人提出的团簇加连接原子模型，根据该模型，任何合金的成分载体为一个局域结构单元，覆盖第一近邻团簇加上若干个次近邻连接原子，表述为团簇式：[团簇中心-团簇第一近邻壳层](次近邻连接原子)，由此，合金中的元素只分为位于中心、壳层、连接的三类，再加上不进入团簇式的间隙型和微量元素，高温合金因此只需要四个元素分类，可以简化高温合金的复杂合金化，本专利据此得出GH4169高温合金中各个元素以及元素之间的成分范围与协同变化关系，提出一种全新的合金设计方法，能够解决现有GH4169高温合金元素难以调控的问题，为本领域技术人员降低合金设计难度。并且可以通过本专利中的相应制备工艺，可以得到不同状态下样品，制备效率高，节约能源并且性能优异，可以满足不同的加工需求。

本发明的技术方案是：

一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金，其特征在于将GH4169合金化元素分为进入团簇式内的类Ni(含Ni、Fe、Co、Cu)、类Cr(含Cr、Mo、Mn、Si)、类Nb(含Nb、Al、Ti)元素以及不进入团簇式内的微量(含C、P、S、B、Mg、Ca)元素。

本发明的特征在于明确规范了各个元素的协同变化关系，68.93≤Ni+1.02Fe+Co+Cu≤72.68，19.84≤Cr+0.64Mo+Mn+1.67Si≤22.78，8.67≤Nb+3.22Al+1.85Ti≤9.81，在上述协同关系中，系数的引入源自元素质量的不同，方便了设计者使用。这样进一步规范了国标GB/T 14992-2005范围内合金元素的选择，避免了在满足国标GB/T 14992-2005标准要求下，仍有产品性能不合格产品的弊端。

本发明的特征还在于精确给出每种元素在团簇式中的质量百分比范围：49.22≤Ni≤55.00，17.37≤Fe≤19.48，0≤Co≤0.71，0≤Cu≤0.38，17.67≤Cr≤20.93，2.87≤Mo≤3.46，0≤Mn≤0.33,0≤Si≤0.34，4.99≤Nb≤5.60，0.32≤Al≤0.65，0.85≤Ti≤1.15，其中对于GB/T 14992-2005中的GH4169高温合金元素质量百分比区间(50.0≤Ni≤55.0，Fe余量，Co≤1.0，Cu≤0.30，17.0≤Cr≤21.0，2.80≤Mo≤3.30，Mn≤0.35，Si≤0.35，4.75≤Nb≤5.50，0.30≤Al≤0.70，0.75≤Ti≤1.15，C≤0.08，P≤0.015，S≤0.015，B≤0.006，Mg≤0.01，Ca≤0.01)精修。不进入团簇式中的元素按照国标GB/T 14992-2005规定，C≤0.08，P≤0.015，S≤0.015，B≤0.006，Mg≤0.01，Ca≤0.01。

本发明的特征更在于所述的合金通过本发明规定的制备工艺，固溶态(1050±10℃/0.5h，水冷或油冷)合金室温抗拉强度≤850MPa，屈服强度≤380MPa，延伸率≥68％，得到的低强度、高塑性的材料性能，延伸率远超于现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)的规定，有利于在此状态下进行部件加工；时效态(720±10℃/8h+620±10℃/8h，水冷或油冷，总时效时间不低于18h)合金室温抗拉强度≥1350MPa，屈服强度≥1150MPa，延伸率≥20％，得到高强高韧性合金，强度与塑性均高于现行标准规定的GH4169合金时效态延伸率≥12％、抗拉强度≥1240MPa、屈服强度≥1040MPa。在650℃时，时效态合金抗拉强度≥1050MPa，屈服强度≥950MPa，延伸率≥8％，HV≥360kgf·mm^-2，承温能力强，优于现行标准室温抗拉强度≥1240MPa，屈服强度≥1040MPa，延伸率≥12％，650℃时抗拉强度≥965MPa，屈服强度≥795MPa，延伸率≥5％。

实现上述技术方案的构思是：利用申请人的团簇式方法进行GH4169高温合金的成分设计。该模型认为元素按照相互作用模式构成团簇式结构单元，可以表示成一个简单的团簇成分式[团簇](连接原子)_x，即一个团簇与x个连接原子相匹配。对于面心立方合金，连接原子个数x＝1～5，通过团簇模型能够计算，在接近等径情形下，连接原子个数x＝3，在Nb、Ti等大原子存在情况下，连接原子个数x＝5。这种团簇式成分设计方法已经成功应用到高温用奥氏体不锈钢、低弹β-Ti合金、钴基高温合金等多种工程合金的设计中，为高性能工程合金的成分设计提供了新的思路和方法。

在GH4169高温合金中，可以将元素分为类Ni(含Ni、Fe、Co、Cu)、类Cr(含Cr、Mo、Mn、Si)、类Nb(含Nb、Al、Ti)以及微量(含C、P、S、B、Mg、Ca)等四类元素。后面为简化表述，进入团簇式的三种元素写成

根据申请人前期工作，按照团簇式计算方法，当以

元素作为团簇中心原子，可以计算得出团簇式含有18原子，即

为

元素的平均；当以

元素为中心，可计算得出团簇式含有16原子，即

这说明在该合金中同时存在16和18原子的两种团簇式。由此推断，GH4169高温合金成分的结构载体必然含有16*18＝288原子。将进入团簇式的元素成分换算成16及18原子个数，结合元素成分区间与性能指标，得到合金成分通式

由此得出合金成分协同变化关系下GH4169高温合金的质量百分比(wt.％)：在满足68.93≤Ni+1.02Fe+Co+Cu≤72.68，19.84≤Cr+0.64Mo+Mn+1.67Si≤22.78，8.67≤Nb+3.22Al+1.85Ti≤9.81前提下，49.22≤Ni≤55.00，17.37≤Fe≤19.48，0≤Co≤0.71，0≤Cu≤0.38，17.67≤Cr≤20.93，2.87≤Mo≤3.46，0≤Mn≤0.33,0≤Si≤0.34，4.99≤Nb≤5.60，0.32≤Al≤0.65，0.85≤Ti≤1.15。不进入团簇式中的元素则按照GB/T 14992-2005规定，C≤0.08，P≤0.015，S≤0.015，B≤0.006，Mg≤0.01，Ca≤0.01。

本发明的合金制备工艺如下述：采用高纯度金属料，按照质量百分比进行配料。采用真空非自耗电弧熔炼炉在氩气气氛保护下对配料进行至少反复四次的熔炼，以得到成分均匀的质量约为120g的合金锭，在熔炼过程中质量损失不超过0.1％。采用马弗炉对合金锭进行均匀化处理，均匀化处理温度为1200±10℃，处理时间为24h，水冷或油冷。随后进行多道次冷轧，得到1.5-2.0mm的板材样品。在1050±10℃条件下固溶处理0.5h，水冷或油冷至室温，可得到本发明设计的固溶态合金材料；将固溶态合金在720±10℃保温8h，随后以50℃/h炉冷至620±10℃后保温8h，总时效处理时间不低于18h，水冷或油冷后，可得到本发明设计的时效态合金材料。利用金相显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪(Cu靶K_α辐射，波长0.15406nm)检测合金组织和结构；用HVS-1000维氏硬度计进行系列合金不同热处理状态下的硬度测试；利用UTM5504电子万能拉伸试验机进行室温与高温拉伸力学性能测试；用ZD-HVZHT-10高温维氏硬度测试***进行系列合金时效态下的高温硬度测试。由此确定上述新成分协同变化关系下的GH4169高温合金，其性能稳定，且优于现有标准。其合金成分的质量百分比(wt.％)如下：在满足68.93≤Ni+1.02Fe+Co+Cu≤72.68，19.84≤Cr+0.64Mo+Mn+1.67Si≤22.78，8.67≤Nb+3.22Al+1.85Ti≤9.81前提下，49.22≤Ni≤55.00，17.37≤Fe≤19.48，0≤Co≤0.71，0≤Cu≤0.38，17.67≤Cr≤20.93，2.87≤Mo≤3.46，0≤Mn≤0.33,0≤Si≤0.34，4.99≤Nb≤5.60，0.32≤Al≤0.65，0.85≤Ti≤1.15，C≤0.08，P≤0.015，S≤0.015，B≤0.006，Mg≤0.01，Ca≤0.01。合金的性能指标为：合金固溶态的室温硬度HV≤210kgf·mm^-2，时效态室温硬度HV≥420kgf·mm^-2，固溶态合金室温抗拉强度≤850MPa，屈服强度≤380MPa，延伸率≥68％；时效态合金室温抗拉强度≥1350MPa，屈服强度≥1150MPa，延伸率≥20％，固溶态合金塑性超过现行标准127％，强度更低，可满足不同零件的加工需求；时效态合金强塑性优异，优于现行标准，可以适应更高强度的工况条件。在650℃时，时效态合金抗拉强度≥1050MPa，屈服强度≥950MPa，延伸率≥8％，HV≥360kgf·mm^-2，承温能力更强，可应该对更加严苛的服役条件。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

采用全新的团簇式方法，严格规定了合金成分协同变化关系以及单个合金元素成分区间，从根本上克服了传统的成分区带来的成分不确定性的缺点并且了改良了现有制备工艺，效率高、性能优。具体有：

(1)对传统工业标准下的GH4169合金成分进行了成分精修，考虑了多种元素的协同变化关系，使得合金成分与性能达到良好匹配；

(2)严格按照团簇式方法设计了双层次规范，即在满足68.93≤Ni+1.02Fe+Co+Cu≤72.68，19.84≤Cr+0.64Mo+Mn+1.67Si≤22.78，8.67≤Nb+3.22Al+1.85Ti≤9.81前提下，49.22≤Ni≤55.00，17.37≤Fe≤19.48，0≤Co≤0.71，0≤Cu≤0.38，17.67≤Cr≤20.93，2.87≤Mo≤3.46，0≤Mn≤0.33,0≤Si≤0.34，4.99≤Nb≤5.60，0.32≤Al≤0.65，0.85≤Ti≤1.15，C≤0.08，P≤0.015，S≤0.015，B≤0.006，Mg≤0.01，Ca≤0.01。

(3)采用成分协同变化关系设计的GH4169高温合金具备优异性能，固溶态合金室温抗拉强度≤850MPa，屈服强度≤380MPa，延伸率≥68％；时效态合金室温抗拉强度≥1350MPa，屈服强度≥1150MPa，延伸率≥20％。优于现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)，固溶态室温抗拉强度≤965MPa，屈服强度≤550MPa，延伸率≥30％，优异的强塑性保证合金可加工性；时效态室温抗拉强度≥1350MPa，屈服强度≥1150MPa，延伸率≥20％，优于现行标准室温抗拉强度≥1240MPa，屈服强度≥1040MPa，延伸率≥12％，在650℃时，合金抗拉强度≥1050MPa，屈服强度≥950MPa，延伸率≥8％，HV≥360kgf·mm^-2，优于现行标准抗拉强度≥965MPa，屈服强度≥795MPa，延伸率≥5％，时效态下高强韧与强的承温能力可应对更加严苛的服役条件。

(4)合金制备工艺简单有效，均匀化处理(1200±10℃/24h，水冷或油冷)，固溶处理(1050±10℃/0.5h，水冷或油冷)，时效处理(720±10℃/8h+620±10℃/8h，水冷或油冷，总时效时间不低于18h)，制备效率高并且节约能源，可得到不同状态下合金材料，应用不同的需求场景。

附图说明

图1为根据本发明的新标准下GH4169高温合金成分的

伪三元成分图，虚线框内为成分区间，其中

包括：Ni、Fe、Co、Cu，

包括：Cr、Mo、Mn、Si，

包括：Nb、Al、Ti。倒三角符号表示成分式

菱形符号表示成分式

正方形符号表示18原子成分式为

六边形符号表示成分式

正三角符号框定的区间表示GB/T 14992-2005下合金的成分区间，加号表示若干文献报道的成分点。由四个团簇式，框出具有成分协同变化关系GH4169合金的成分区间。

图2为实施例1中的时效态扫描电镜组织形貌图，可以看到短棒状γ″相与球形γ′相在基体上析出。

具体实施方式

以下结合技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

实施例1：合金的质量百分比为：

50.7Ni-20.93Cr-17.37Fe-0.70Co-0.38Cu-2.87Mo-5.48Nb-0.51Al-1.01Ti-0.05C(wt％)。

步骤一：合金制备

采用高纯度金属料，按照质量百分比进行配料。采用真空非自耗电弧熔炼炉在氩气气氛保护下对配料进行至少反复四次的熔炼，以得到成分均匀的质量约为120g的合金锭，在熔炼过程中质量损失不超过0.1％。采用马弗炉对合金锭进行均匀化处理，均匀化处理温度为1200℃，处理时间为24h。随后进行多道次冷轧，得到1.5-2.0mm的板材样品。之后在1050℃条件下固溶处理0.5h，水冷或油冷至室温可得到本发明设计的固溶态合金材料；将固溶态合金在720℃保温8h，随后以50℃/h炉冷至620℃后保温8h，总时效处理时间不低于18h，可得到本发明设计的时效态合金材料。

步骤二：合金的组织结构和力学性能测试

利用金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射检测固溶处理与时效处理后合金组织和结构，结果显示，固溶状态下无强化相析出，时效态下细小的γ″与γ′相共同析出，见附图2；利用维氏硬度计进行硬度测试，固溶状态：HV＝199±3kgf·mm^-2，时效状态：HV＝453±6kgf·mm^-2；利用UTM5504电子万能拉伸试验机测得室温和高温下力学性能参数，固溶状态下：屈服强度σ_s＝363MPa、抗拉强度σ_b＝825MPa、延伸率δ＝70.3％，优于现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)，固溶态室温抗拉强度≤965MPa，屈服强度≤550MPa，延伸率≥30％，优异的强塑性保证合金可加工性，时效状态下：抗拉强度σ_b＝1396MPa、屈服强度σ_s＝1171MPa、延伸率δ＝23.7％，优于现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)室温抗拉强度≥1240MPa，屈服强度≥1040MPa，延伸率≥12％，在650℃下，测得时效态合金高温性能：抗拉强度σ_b＝1100MPa、屈服强度σ_s＝973MPa、延伸率δ＝10.2％，优于现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)650℃抗拉强度≥965MPa，屈服强度≥795MPa，延伸率≥5％，时效态下高强韧与强的承温能力可应对更加严苛的服役条件；用ZD-HVZHT-10高温维氏硬度测试***测得时效态合金高温硬度，300℃：HV＝423±1kgf·mm^-2，500℃：HV＝395±5kgf·mm^-2，650℃：HV＝376±2kgf·mm^-2，800℃：HV＝295±3kgf·mm^-2。随着温度的不断升高，当温度≤650℃时，合金硬度没有发生较大变化，说明该合金的承温能力较为稳定。

实施例2：合金的质量百分比为：

52.58Ni-17.67Cr-18.05Fe-0.3Mn-0.65Co-0.2Cu-2.88Mo-5.49Nb-0.65Al-1.15Ti-0.33Si-0.05C(wt％)。

步骤一：合金制备

步骤二：合金的组织结构和力学性能测试

利用金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射检测固溶处理与时效处理后合金组织和结构，结果显示本发明的合金固溶状态下无强化相析出，时效态下细小的γ″与γ′相共同析出，与实施例1类似；利用维氏硬度计进行硬度测试，固溶状态：HV＝198±7kgf·mm^-2，时效状态：HV＝453±5kgf·mm^-2；利用UTM5504电子万能拉伸试验机测得室温和高温下力学性能参数，固溶状态下：抗拉强度σ_b＝824MPa、屈服强度σ_s＝364MPa、延伸率δ＝70.0％，优于现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)，固溶态室温抗拉强度≤965MPa，屈服强度≤550MPa，延伸率≥30％，优异的强塑性保证合金可加工性；时效状态下：抗拉强度σ_b＝1393MPa、屈服强度σ_s＝1170MPa、延伸率δ＝23.4％，优于现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)室温抗拉强度≥1240MPa，屈服强度≥1040MPa，延伸率≥12％，在650℃下，测得时效态合金高温性能：抗拉强度σ_b＝1052MPa、屈服强度σ_s＝954MPa、延伸率δ＝8.2％，优于现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)650℃抗拉强度≥965MPa，屈服强度≥795MPa，延伸率≥5％，时效态下高强韧与强的承温能力可应对更加严苛的服役条件；；用ZD-HVZHT-10高温维氏硬度测试***测得时效态合金高温硬度，300℃：HV＝414±6kgf·mm^-2，500℃：HV＝375±5kgf·mm^-2，650℃：HV＝363±3kgf·mm^-2，800℃：HV＝291±4kgf·mm^-2。随着温度的不断升高，当温度≤650℃时，合金硬度没有发生较大变化，说明该合金的承温能力较为稳定。

实施例3：合金的质量百分比为：

54.41Ni-17.7Cr-17.37Fe-3.46Mo-5.59Nb-0.32Al-1.15Ti(wt％)。

步骤一：合金制备

采用高纯度金属料，按照质量百分比进行配料。采用真空非自耗电弧熔炼炉在氩气气氛保护下对配料进行至少反复四次的熔炼，以得到成分均匀的质量约为120g的合金锭，在熔炼过程中质量损失不超过0.1％。采用马弗炉对合金锭进行均匀化处理，均匀化处理温度为1200℃，处理时间为24h。随后进行多道次冷轧，得到1.5-2.0mm的板材样品。之后在1040℃条件下固溶处理0.5h，水冷或油冷至室温可得到本发明设计的固溶态合金材料；将固溶态合金在710℃保温8h，随后以50℃/h炉冷至630℃后保温8h，总时效处理时间不低于18h，可得到本发明设计的时效态合金材料。

步骤二：合金的组织结构和力学性能测试

利用金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射检测固溶处理与时效处理后合金组织和结构，结果显示本发明的合金固溶状态下无强化相析出，时效态下细小的γ″与γ′相共同析出，与实施例1类似；利用维氏硬度计进行硬度测试，固溶状态：HV＝200±7kgf·mm^-2，时效状态：HV＝445±5kgf·mm^-2；利用UTM5504电子万能拉伸试验机测得室温和高温下力学性能参数，固溶状态下：抗拉强度σ_b＝810MPa、屈服强度σ_s＝352MPa、延伸率δ＝72.0％，优于现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)，固溶态室温抗拉强度≤965MPa，屈服强度≤550MPa，延伸率≥30％，优异的强塑性保证合金可加工性；时效状态下：抗拉强度σ_b＝1400MPa、屈服强度σ_s＝1180MPa、延伸率δ＝24.0％，优于现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)室温抗拉强度≥1240MPa，屈服强度≥1040MPa，延伸率≥12％，在650℃下，测得时效态合金高温性能：抗拉强度σ_b＝1060MPa、屈服强度σ_s＝960MPa、延伸率δ＝8.0％，优于现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)650℃抗拉强度≥965MPa，屈服强度≥795MPa，延伸率≥5％，时效态下高强韧与强的承温能力可应对更加严苛的服役条件；；用ZD-HVZHT-10高温维氏硬度测试***测得时效态合金高温硬度，300℃：HV＝420±6kgf·mm^-2，500℃：HV＝380±4kgf·mm^-2，650℃：HV＝370±4kgf·mm^-2，800℃：HV＝296±5kgf·mm^-2。随着温度的不断升高，当温度≤650℃时，合金硬度没有发生较大变化，说明该合金的承温能力较为稳定。

实施例4：合金的质量百分比为：

52.25Ni-20.9Cr-17.37Fe-2.87Mo-5.02Nb-0.65Al-0.85Ti-0.08C-0.005P-0.005B(wt％)。

步骤一：合金制备

采用高纯度金属料，按照质量百分比进行配料。采用真空非自耗电弧熔炼炉在氩气气氛保护下对配料进行至少反复四次的熔炼，以得到成分均匀的质量约为120g的合金锭，在熔炼过程中质量损失不超过0.1％。采用马弗炉对合金锭进行均匀化处理，均匀化处理温度为1200℃，处理时间为24h。随后进行多道次冷轧，得到1.5-2.0mm的板材样品。之后在1060℃条件下固溶处理0.5h，水冷或油冷至室温可得到本发明设计的固溶态合金材料；将固溶态合金在730℃保温8h，随后以50℃/h炉冷至610℃后保温8h，总时效处理时间不低于18h，可得到本发明设计的时效态合金材料。

步骤二：合金的组织结构和力学性能测试

利用金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射检测固溶处理与时效处理后合金组织和结构，结果显示本发明的合金固溶状态下无强化相析出，时效态下细小的γ″与γ′相共同析出，与实施例1类似；利用维氏硬度计进行硬度测试，固溶状态：HV＝190±4kgf·mm^-2，时效状态：HV＝430±8kgf·mm^-2；利用UTM5504电子万能拉伸试验机测得室温和高温下力学性能参数，固溶状态下：抗拉强度σ_b＝790MPa、屈服强度σ_s＝345MPa、延伸率δ＝71.3％，优于现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)，固溶态室温抗拉强度≤965MPa，屈服强度≤550MPa，延伸率≥30％，优异的强塑性保证合金可加工性；时效状态下：抗拉强度σ_b＝1350MPa、屈服强度σ_s＝1155MPa、延伸率δ＝20％，优于现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)室温抗拉强度≥1240MPa，屈服强度≥1040MPa，延伸率≥12％，在650℃下，测得时效态合金高温性能：抗拉强度σ_b＝1050MPa、屈服强度σ_s＝950MPa、延伸率δ＝8.5％，优于现行技术标准下(Q/3B 4050—1993《GH4169合金板材》,C3S 213—1988《GH169合金冷轧板材技术条件》)650℃抗拉强度≥965MPa，屈服强度≥795MPa，延伸率≥5％，时效态下高强韧与强的承温能力可应对更加严苛的服役条件；；用ZD-HVZHT-10高温维氏硬度测试***测得时效态合金高温硬度，300℃：HV＝415±6kgf·mm^-2，500℃：HV＝370±4kgf·mm^-2，650℃：HV＝367±6kgf·mm^-2，800℃：HV＝290±8kgf·mm^-2。随着温度的不断升高，当温度≤650℃时，合金硬度没有发生较大变化，说明该合金的承温能力较为稳定。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金，其特征在于，将GH4169高温合金化元素分为进入团簇式内的类Ni元素：含Ni、Fe、Co、Cu；类Cr元素：含Cr、Mo、Mn、Si；类Nb元素：含Nb、Al、Ti；以及不进入团簇式内的微量元素：含C、P、S、B、Mg、Ca；

各个元素的协同变化关系为：68.93≤Ni+1.02Fe+Co+Cu≤72.68，19.84≤Cr+0.64Mo+Mn+1.67Si≤22.78，8.67≤Nb+3.22Al+1.85Ti≤9.81。

2.根据权利要求1所述的一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金，其特征在于，在各个元素的协同变化关系的基础上，每种元素在团簇式中的质量百分比范围：49.22≤Ni≤55.00，17.37≤Fe≤19.48，0≤Co≤0.71，0≤Cu≤0.38，17.67≤Cr≤20.93，2.87≤Mo≤3.46，0≤Mn≤0.33,0≤Si≤0.34，4.99≤Nb≤5.60，0.32≤Al≤0.65，0.85≤Ti≤1.15，C≤0.08，P≤0.015，S≤0.015，B≤0.006，Mg≤0.01，Ca≤0.01。

3.权利要求1-2任一所述的一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金的制备方法，其特征在于，具体为：

固溶态：在1050±10℃条件下固溶处理0.5h，水冷或油冷至室温；

时效态：在720±10℃保温8h，随后以50℃/h炉冷至620±10℃后保温8h，总时效处理时间不低于18h，水冷或油冷。

4.根据权利要求3所述的一种基于团簇式方法确立成分协同变化关系的GH4169高温合金的制备方法，其特征在于，合金的性能指标为：合金固溶态的室温硬度HV≤210kgf·mm^-2，时效态室温硬度HV≥420kgf·mm^-2，固溶态合金室温抗拉强度≤850MPa，屈服强度≤380MPa，延伸率≥68％；时效态合金室温抗拉强度≥1350MPa，屈服强度≥1150MPa，延伸率达到≥20％，在650℃时，时效态合金抗拉强度≥1050MPa，屈服强度≥950MPa，延伸率≥8％，HV≥360kgf·mm^-2。