CN115786775A - 一种金属封严环用改进型gh4169金带材及其热处理工艺 - Google Patents
一种金属封严环用改进型gh4169金带材及其热处理工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种金属封严环用改进型GH4169金带材，由以下质量百分比的成分组成：C 0.02％～0.04％，Cr 17.0％～19.0％，Ni 51.0％～54.0％，Co≤1.0％，Mo 2.9％～3.1％，Al 0.45％～0.65％，Ti 0.9％～1.1％，Nb 5.0％～5.5％，B≤0.006％，Mg≤0.01％，Mn≤0.2％，Si≤0.15％，P≤0.015％，S≤0.001％，Cu≤0.15％，Ta≤0.05％，余量为Fe；本实施例将合金带材在连续退火炉中固溶后送入真空炉中时效。本发明控制合金中各组分配比，获得厚度精度高、组织均匀、力学性能优异稳定的合金带材，满足金属封严环用要求。
Description
技术领域
本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种金属封严环用改进型GH4169金带材及其热处理工艺。
背景技术
高温合金是航空发动机、舰艇燃气轮机及某些火箭发动机所必须的重要金属材料，其中镍基高温合金的用量在发动机材料中约占40％。因此，研究镍基高温合金对于我国航天航空事业的发展具有重要意义。
自上世纪50年代至今，高温合金在国外航空发动机上得到了广泛应用，其典型牌号为In718合金(即国内GH4169合金)。GH4169合金在-253℃～650℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能，能够制造各种形状复杂的零部件，在宇航、核能、石油工业及挤压模具中，在上述温度范围内获得了极为广泛的应用。
在航空领域中，GH4169高温合金主要用于制造航空发动机中650℃以下工作的各种盘件、环件和叶片等部件。其中，GH4169合金带材是航空发动机金属封严环的首选材料。由于金属封严环的服役环境十分复杂，为了保证封严环的可靠性，对GH4169高温合金带材的组织均匀性、性能一致性提出了更高的要求。但现有GH4169带材组织和性能的均匀性不够一致，无法充分满足航空发动机金属封严环的使用要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种金属封严环用改进型GH4169金带材。该GH4169合金带材中通过控制各组分元素的配比，获得厚度精度高、组织均匀、力学性能包括强度和塑性优异且稳定的改进型GH4169合金带材，完全满足金属封严环成型及高温高压腐蚀环境下密封性及弹性变形/恢复能力等使用要求，解决现有GH4169带材组织和性能的均匀性不够一致、无法充分满足航空发动机金属封严环的使用要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种金属封严环用改进型GH4169金带材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：C0.02％～0.04％，Cr 17.0％～19.0％，Ni 51.0％～54.0％，Co≤1.0％，Mo2.9％～3.1％，Al 0.45％～0.65％，Ti0.9％～1.1％，Nb 5.0％～5.5％，B≤0.006％，Mg≤0.01％，Mn≤0.2％，Si≤0.15％，P≤0.015％，S≤0.001％，Cu≤0.15％，Ta≤0.05％，余量为Fe。
本发明通过控制GH4169合金带材中各组分元素的配比，尤其是控制C、Nb和B元素配比，以有效控制强化相析出，利用晶界偏聚有效抑制晶界扩散，进而提高GH4169合金带材强度而不降低其塑性，有利于改善GH4169合金带材的韧性，降低其缺口敏感性，提高其持久性能。
上述的一种金属封严环用改进型GH4169金带材，其特征在于，所述改进型GH4169金带材的厚度为0.2mm～0.3mm，厚度公差为目标厚度±5％以内，表面光亮呈金属本色。
上述的一种金属封严环用改进型GH4169金带材，其特征在于，所述改进型GH4169金带材的组织均匀，平均晶粒度为6～8级。
上述的一种金属封严环用改进型GH4169金带材，其特征在于，所述改进型GH4169金带材的时效硬度HV不低于450，且性能满足GJB3318A-2006《航空用高温合金冷轧带材规范》标准要求。
本发明的改进型GH4169金带材整体性能优异且稳定，能够完全满足金属封严环成型及高温高压腐蚀环境下密封性及弹性变形/恢复能力等使用要求。具体地，金属封严环的密封性、弹性指标要求如表1所示。
表1金属封严环密封性、弹性指标要求
另外，本发明还公开了一种如上述的金属封严环用改进型GH4169金带材的热处理工艺，其特征在于，该热处理工艺为：将改进型GH4169金带材置于气体保护连续退火炉中，在990℃～1050℃温度下固溶处理3min～20min，然后以高速风冷方式冷却至室温后出炉，得到固溶态改进型GH4169合金带材；将固溶态改进型GH4169合金带材送入真空炉中加热至720℃并保温8h，然后以50℃/h的冷却速度冷却至620℃并保温8h，再充气冷却，得到时效态改进型GH4169合金带材。本发明采用高温短时连续退火实现改进型GH4169金带材的固溶处理，提高了改进型GH4169金带材的受热均匀性，避免了真空整卷退火存在内外圈性能差异，提高了改进型GH4169金带材的组织均匀性和性能一致性，改善了带材的板形，过程简单、灵活，且高温短时连续退火过程中改进型GH4169金带材受到张力矫直作用，保证了其板形平直，而较短的退火时间利于提高热处理效率。
上述的热处理工艺，其特征在于，所述气体保护连续退火炉中的保护气氛为质量纯度不低于99.99％的高纯氢气，且连续退火炉的露点不高于-50℃。本发明通过限定保护气氛和连续退火炉的露点以保护热处理过程中带材表面不受污染。
上述的热处理工艺，其特征在于，所述真空炉的真空度不大于5×10-3MPa，充气冷却的气氛为质量纯度不低于99.99％的氩气。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过控制GH4169合金带材中各组分元素的配比，获得厚度精度高、组织均匀、力学性能包括强度和塑性优异且稳定的改进型GH4169合金带材，完全满足金属封严环成型及高温高压腐蚀环境下密封性及弹性变形/恢复能力等使用要求。
2、本发明的改进型GH4169合金带材采用高温短时连续退火实现改进型GH4169金带材的固溶处理，提高了改进型GH4169金带材的组织均匀性和性能一致性，改善了带材的板形，过程简单、灵活，不提高了带材的热处理效率。
3、本发明的热处理工艺后的改进型GH4169合金带材表面光亮呈金属本色，优于国标GJB 3318A-2016航空用高温合金冷带材规范的银灰色或暗色，达到同类进口带材水平。
4、本发明的热处理工艺后的改进型GH4169合金带材成分纯净度更高、组织更均匀，平均晶粒度6～8级，各项性能指标均能满足国军标GJB3318A-2016《航空用高温合金冷带材规范》的要求，特别是时效硬度HV不低于450，完全满足金属封严环成型及高温高压腐蚀环境下密封性及弹性变形/恢复能力等使用要求，可以替代现有进口GH4169合金带材产品，具有广阔的市场空间和发展前景。
5、本发明的改进型GH4169合金带材成分、组织及性能的批次稳定性更高性，有效提高了金属封严环用GH4169合金带材的成品率及金属封严环的使用寿命，节省能源，降低成本。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1中厚度为0.3mm的改进型GH4169金带材显微组织图。
图2为本发明实施例1中厚度为0.25mm的改进型GH4169金带材显微组织图。
图3为本发明实施例1中厚度为0.2mm的改进型GH4169金带材显微组织图。
图4为本发明实施例2中厚度为0.3mm的改进型GH4169金带材显微组织图。
图5为本发明实施例2中厚度为0.2mm的改进型GH4169金带材显微组织图。
图6为本发明实施例3中厚度为0.2mm的改进型GH4169金带材显微组织图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的金属封严环用改进型GH4169金带材由以下质量百分比的成分组成：C0.02％，Cr 17.95％，Ni 53.51％，Co 0.0032％，Mo 3.06％，Al 0.53％，Ti 1.05％，Nb5.43％，B 0.0053％，Mg＜0.001％，Mn＜0.005％，Si 0.022％，P 0.014％，S 0.0003％，Cu≤0.0014％，Ta≤0.05％，余量为Fe。
本实施例的金属封严环用改进型GH4169金带材的热处理工艺为：将厚度为0.3mm、0.25mm或0.2mm、宽度为105mm的改进型GH4169金带材置于气体保护连续退火炉中，在1050℃温度下固溶处理3min，然后以高速风冷方式冷却至室温后出炉，得到固溶态改进型GH4169合金带材；将固溶态改进型GH4169合金带材送入真空炉中加热至720℃并保温8h，然后以50℃/h的冷却速度冷却至620℃并保温8h，再充气冷却，得到时效态改进型GH4169合金带材；
所述气体保护连续退火炉中的保护气氛为质量纯度99.99％的高纯氢气，且连续退火炉的露点为-50℃；所述真空炉的真空度为3.2×10-3MPa，充气冷却的气氛为质量纯度99.99％的氩气。
参照国军标GJB/T 3318A-2016《航空用高温合金冷带材规范》对热处理工艺后不同厚度的GH4169合金带材的表面质量及性能进行检验，结果如下： (1)厚度为 0.3mm的改进型GH4169金带材的厚度公差为±0.015mm以内，且组织均匀、板形平整，表面光亮呈金属本色，表面质量优于国军标的银灰色或暗色，平均晶粒度为6级，如图1所示； 同时，该改进型GH4169金带材的时效硬度HV为453， 其他性能如表2和表3所示，均满足GJB3318A-2006《航空用高温合金冷带材规范》要求，用于金属封严环的泄漏量0.065m3/h～0.122m3/h， 平均塑性变形量0～0.02mm。
表2
表3
(2)厚度为0.25mm的改进型GH4169金带材的厚度公差为±0.01mm以内，且板形平整，表面光亮呈金属本色，表面质量优于国军标的银灰色或暗色，且组织均匀、平均晶粒度为7级，如图2所示； 同时，该改进型GH4169金带材的时效硬度HV为483，其他性能满足GJB3318A-2006《航空用高温合金冷带材规范》 要求， 用于金属封严环的泄漏量0.035m3/h～0.078m3/h， 平均塑性变形量0～0.02mm。
(3)厚度为0.25mm的改进型GH4169金带材的厚度公差为±0.01mm以内，且组织均匀、平均晶粒度为8级，如图3所示；同时，该改进型GH4169金带材的时效硬度HV为504，其他性能满足GJB3318A-2006《航空用高温合金冷带材规范》要求，用于金属封严环的泄漏量0～0.02m3/h，平均塑性变形量0～0.15mm。
实施例2
本实施例的金属封严环用改进型GH4169金带材由以下质量百分比的成分组成：C0.036％，Cr 17.96％，Ni 53.61％，Co 0.24％，Mo 3.05％，Al0.62％，Ti 0.98％，Nb5.05％，B＜0.0053％，Mg≤0.003％，Mn 0.098％，Si 0.018％，P＜0.005％，S 0.0007％，Cu0.002％，Ta＜0.01％，余量为Fe。
本实施例的金属封严环用改进型GH4169金带材的热处理工艺为：将厚度为0.3mm或0.2mm、宽度为105mm的改进型GH4169金带材置于气体保护连续退火炉中，在1020℃温度下固溶处理10min，然后以高速风冷方式冷却至室温后出炉，得到固溶态改进型GH4169合金带材；将固溶态改进型GH4169合金带材送入真空炉中加热至720℃并保温8h，然后以50℃/h的冷却速度冷却至620℃并保温8h，再充气冷却，得到时效态改进型GH4169合金带材；
所述气体保护连续退火炉中的保护气氛为质量纯度99.99％的氢气，且连续退火炉的露点为-50℃；所述真空炉的真空度为2.4×10-3MPa，充气冷却的气氛为质量纯度99.99％的氩气。
参照国军标GJB/T 3318A-2016《航空用高温合金冷带材规范》对热处理工艺后不同厚度的GH4169合金带材的表面质量及性能进行检验，结果如下：(1)厚度为0.3mm的改进型GH4169金带材的厚度公差为±0.015mm以内，且板形平整，表面光亮呈金属本色，表面质量优于国军标的银灰色或暗色，且组织均匀、平均晶粒度为8级，如图4所示；同时，该改进型GH4169金带材的时效硬度HV为484，其他性能如表4和表5所示，均满足GJB3318A-2006《航空用高温合金冷带材规范》要求，用于金属封严环的泄漏量0.02m3/h～0.05m3/h，平均塑性变形量0～0.03mm。
(2)厚度为0.2mm的改进型GH4169金带材的厚度公差为±0.01mm以内，且板形平整，表面光亮呈金属本色，表面质量优于国军标的银灰色或暗色，且组织均匀、平均晶粒度为8级，如图5所示；同时，该改进型GH4169金带材的时效硬度HV为491，其他性能如表4和表5所示，均满足GJB3318A-2006《航空用高温合金冷带材规范》要求，用于金属封严环的泄漏量0.02m3/h～0.07m3/h，平均塑性变形量0.01mm～0.02mm。
表4
表5
实施例3
本实施例的金属封严环用改进型GH4169金带材由以下质量百分比的成分组成：C0.025％，Cr 17.80％，Ni 53.78％，Co 0.20％，Mo 3.05％，Al0.55％，Ti 1.03％，Nb5.39％，B 0.0054％，Mg＜0.003％，Mn＜0.001％，Si 0.011％，P 0.011％，S 0.001％，Cu＜0.001％，Ta 0.011％，余量为Fe。
本实施例的金属封严环用改进型GH4169金带材的热处理工艺为：将厚度为0.2mm、宽度为105mm的改进型GH4169金带材置于气体保护连续退火炉中，在990℃温度下固溶处理20min，然后以高速风冷方式冷却至室温后出炉，得到固溶态改进型GH4169合金带材；将固溶态改进型GH4169合金带材送入真空炉中加热至720℃并保温8h，然后以50℃/h的冷却速度冷却至620℃并保温8h，再充气冷却，得到时效态改进型GH4169合金带材；
所述气体保护连续退火炉中的保护气氛为质量纯度99.99％的氢气，且连续退火炉的露点为-50℃；所述真空炉的真空度为1.3×10-3MPa，充气冷却的气氛为质量纯度99.99％的氩气。
参照国军标GJB/T 3318A-2016《航空用高温合金冷带材规范》对热处理工艺后GH4169合金带材的表面质量及性能进行检验，结果如下：厚度为0.2mm的改进型GH4169金带材的厚度公差为±0.01mm以内，且板形平整，表面光亮呈金属本色，表面质量优于国军标的银灰色或暗色，且组织均匀、平均晶粒度为8级，如图6所示；同时，该改进型GH4169金带材的时效硬度HV为503，其他性能如表6和表7所示，均满足GJB3318A-2006《航空用高温合金冷带材规范》要求，用于金属封严环的泄漏量0.01m3/h～0.04m3/h，平均塑性变形量0～0.015mm。
表6
表7
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种金属封严环用改进型GH4169金带材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：C 0.02％～0.04％，Cr 17.0％～19.0％，Ni51.0％～54.0％，Co≤1.0％，Mo 2.9％～3.1％，Al 0.45％～0.65％，Ti 0.9％～1.1％，Nb 5.0％～5.5％，B≤0.006％，Mg≤0.01％，Mn≤0.2％，Si≤0.15％，P≤0.015％，S≤0.001％，Cu≤0.15％，Ta≤0.05％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种金属封严环用改进型GH4169金带材，其特征在于，所述改进型GH4169金带材的厚度为0.2mm～0.3mm，厚度公差为目标厚度±5％以内，表面光亮呈金属本色。
3.根据权利要求1所述的一种金属封严环用改进型GH4169金带材，其特征在于，所述改进型GH4169金带材的组织均匀，平均晶粒度为6～8级。
4.根据权利要求1所述的一种金属封严环用改进型GH4169金带材，其特征在于，所述改进型GH4169金带材的时效硬度HV不低于450，且性能满足GJB3318A-2006《航空用高温合金冷轧带材规范》标准要求。
5.一种如权利要求1～4中任一权利要求所述的金属封严环用改进型GH4169金带材的热处理工艺，其特征在于，该热处理工艺为：将改进型GH4169金带材置于气体保护连续退火炉中，在990℃～1050℃温度下固溶处理3min～20min，然后以高速风冷方式冷却至室温后出炉，得到固溶态改进型GH4169合金带材；将固溶态改进型GH4169合金带材送入真空炉中加热至720℃并保温8h，然后以50℃/h的冷却速度冷却至620℃并保温8h，再充气冷却，得到时效态改进型GH4169合金带材。
6.根据权利要求5所述的热处理工艺，其特征在于，所述气体保护连续退火炉中的保护气氛为质量纯度不低于99.99％的高纯氢气，且连续退火炉的露点不高于-50℃。
7.根据权利要求5所述的热处理工艺，其特征在于，所述真空炉的真空度不大于5×10- 3MPa，充气冷却的气氛为质量纯度不低于99.99％的氩气。
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