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Nimonic90螺栓Nimonic90耐熱合金
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Nimonic90
鎳基變形高溫合金
英國牌號：Nimonic90
中國牌號：GH90
一、Nimonic90概述
Nimonic90為時效強化型鎳基變形高溫合金，含有較高量的鈷及多種強化元素。該合金在815～870℃有較高的抗拉強度和抗蠕變能力、良好的kangyang化性和耐腐蝕性、在冷熱反復(fù)交替作用下有較高的疲勞強度以及良好的成形性和焊接性。主要供應(yīng)熱軋和冷拉棒材、冷軋板材、帶材及冷拉絲材。用于渦輪發(fā)動機渦lunpan、葉片、高溫緊固件、卡箍、密封圈及彈性元件等。
1.1 Nimonic90材料牌號 Nimonic90。
1.2 Nimonic90相近牌號 GH90(中國)。
1.3 Nimonic90材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
1.4 Nimonic90化學(xué)成分 見表1-1。
表1-1%
C
Cr
Ni
Co
Al
Ti
Mn
Si
P
S
Ag
Pb
Bi
B
Cu
Fe
Zr
不大于
≤0.13
18.0～21.0
余量
15.0～21.0
1.0～2.0
2.0～3.0
0.4
0.8
0.020
0.015
0.0005
0.0020
0.0001
0.020
0.2
1.5
0.15
注：絲材規(guī)定ω(pb)≤0.0010%。
1.5 Nimonic90熱處理制度
1.5.1 Nimonic90冷拉棒材：1080℃±10℃,保溫時間見表1-2，空冷或水冷+750℃±10℃,4h,空冷。
表1-2
直徑或較小截面尺寸mm
≤3
3～6
6～12.5
12.5～25
th
1
2
4
8
1.5.2 Nimonic90薄板和帶材（軟態(tài)）：軟化處理1100～1150℃，1～10min，適當(dāng)介質(zhì)中冷卻＋750℃±10℃,4h,空冷。
1.5.3 Nimonic90薄板和帶材（硬態(tài)）：700～725℃,4h,空冷。
1.5.4 Nimonic90彈簧用冷拉絲材：600℃±10℃，16h，空冷或650℃±10℃，4h，空冷。
1.5.5 Nimonic90冷拉和固溶處理的彈簧絲材：1080℃±10℃,8h,空冷＋700～750℃，4h，空冷。
1.6 Nimonic90品種規(guī)格與供應(yīng)狀態(tài) 供應(yīng)直徑或內(nèi)切圓直徑不大于25mm的冷拉棒材或冷拉六角棒材；厚度不大于4mm的冷軋薄板和厚度不大于0.8mm的冷軋帶材；直徑不大于8mm的彈簧用冷拉絲材。冷拉棒材的供應(yīng)狀態(tài)按用途分為：鐓鍛用棒以冷拉磨光狀態(tài)交貨（當(dāng)需方需求以固溶狀態(tài)交貨時，應(yīng)在合同中注明）；機加工用棒材經(jīng)固溶并除氧化皮狀態(tài)交貨。冷軋薄板和帶材（軟態(tài)）經(jīng)軟化處理、堿酸洗、切邊后交貨；冷軋薄板和帶材（硬態(tài)）以冷軋、切邊后交貨。彈簧用絲材以冷拉狀態(tài)或冷拉后固溶處理狀態(tài)交貨。
1.7 Nimonic90熔煉與鑄造工藝 合金采用下列四種工藝之一進行熔煉：(1)感應(yīng)熔煉加電渣重熔；(2)真空感應(yīng)熔煉加電渣重熔；(3)真空感應(yīng)熔煉加真空電弧重熔；(4)真空感應(yīng)熔煉。
1.8 Nimonic90應(yīng)用概況與特殊要求 該合金在發(fā)動機上用作高溫彈簧元件、高溫緊固件、燃燒室卡圈、止動銷等零部件。在國外還用作渦輪工作葉片、渦等零部件。
二、Nimonic90物理及化學(xué)性能
2.1 Nimonic90熱性能
2.1.1 Nimonic90熔化溫度范圍 熔點1400℃[1]。
2.1.2 Nimonic90熱導(dǎo)率 見表2-1。
表2-1[1]
θ℃
600
700
800
λ(W(m·℃))
21.76
23.93
25.57
2.1.3 Nimonic90線膨脹系數(shù) 見表2-2。
表2-2[2]
θ℃
20～100
20～200
20～300
20～400
20～500
20～600
20～700
20～800
20～900
α110-6℃-1
12.71
13.09
13.51
14.04
14.52
15.03
15.58
16.36
17.38
2.2 Nimonic90密度 ρ=8.20gcm3。
2.3 Nimonic90電性能
2.4 Nimonic90磁性能 合金無磁性。
2.5 Nimonic90化學(xué)性能 合金在1040℃以下具有良好的化性和耐腐蝕性能；在1040℃以上時易產(chǎn)生晶間氧化。
三、Nimonic90力學(xué)性能
3.1 Nimonic90技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能
3.1.1 Nimonic90冷拉棒材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能見表3-1。
表3-1
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
θ℃
拉伸性能
持久性能
σbMPa
σP0.2MPa
δ5%
σMPa
th
不小于
WS9 7016-1996
650
820
590
8
-
-
870
-
-
-
140
≥30
注：固溶狀態(tài)供應(yīng)的棒材，力學(xué)性能試樣只進行時效處理。
3.1.2 Nimonic90冷軋薄板和帶材（軟態(tài)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能見表3-2。
表3-2
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) θ℃ 成品厚度mm 拉伸性能 硬度HV 持久性能
σbMPa σP0.2MPa δ5% σMPa th
不小于
WS9 7087-1996 室溫 0.25～0.35 1080 695 15 ≥280 - -
0.35～0.45 1080 695 20
0.45 1080 695 25
870 所有 - - - - 140 ≥30
注：持久試驗的試樣熱處理制度：供應(yīng)狀態(tài)＋1080℃±10℃,8h,空冷＋700℃±10℃,16h,空冷。
3.1.3 Nimonic90冷軋薄板和帶材（硬態(tài)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能見表3-3。
表3-3
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
θ℃
拉伸性能
σbMPa
σP0.2MPa
WS9 7086-1996
室溫
1390～1620
≥1030
3.1.4 Nimonic90彈簧用絲材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能見表3-4。
表3-4
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
θ℃
成品厚度mm
拉伸性能
持久性能
σbMPa
σP0.2MPa
δ5%
σMPa
th
不小于
WS9 7014-1996
室溫
≤1.0
1540
-
-
-
-
1.0～5.0
1390
1160
-
5.0～8.0
1310
1000
10
-
-
870
坯料
-
-
-
140
≥30
WS9 7015.1-1996
室溫
0.44～0.99
1080
-
15
-
-
0.99～8.0
1080
-
15
-
-
870
坯料
-
-
-
140
≥30
注：進行持久試驗的坯料熱處理制度：1080℃±10℃,8h,空冷＋700℃±10℃,16h,空冷。
3.1.5 Nimonic90生產(chǎn)檢驗數(shù)據(jù)
3.1.5.1 Nimonic90冷拉棒材650℃拉伸性能的統(tǒng)計處理結(jié)果見表3-5。
表3-5
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
冶煉工藝
650℃拉伸性能
σbMPa
σP0.2MPa
δ50mm%
WS9 7016-1996
真空感應(yīng)加電渣
975
670
24
3.1.5.2 Nimonic90彈簧用絲材室溫拉伸性能的統(tǒng)計處理結(jié)果見表3-6。
表3-6
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
冶煉工藝
絲材直徑mm
室溫拉伸性能
σbMPa
σP0.2MPa
δ50mm%
WS9 7014-1996
真空感應(yīng)熔煉
≤1.0
1800
-
-
1.0～5.0
1515
1260
-
WS9 7015.1-1996
0.99～8.0
1180
690
27
四、Nimonic90組織結(jié)構(gòu)
4.1 Nimonic90相變溫度
4.2 Nimonic90時間-溫度-組織轉(zhuǎn)變曲線
4.3 Nimonic90合金組織結(jié)構(gòu) 合金的主要強化相是γ′-Ni3(Al、Ti)，在晶內(nèi)以大小不同的方形顆粒狀析出，在晶界上也可見到這種形狀的γ′相。碳化物在晶界上呈不連續(xù)的鏈狀析出[2]。
五、Nimonic90工藝性能與要求
5.1 Nimonic90成形性能 合金在鍛造時易產(chǎn)生內(nèi)裂，不允許重錘打擊，不允許低溫倒棱。鋼錠裝爐溫度不高于700℃，終加熱溫度1150℃±10℃，開鍛溫度不低于1060℃，終鍛溫度不低于950℃。軋制加熱溫度1160℃，終軋溫度不低于950℃。冷拔材在終中間退火后應(yīng)進行8%～12%的冷變形。
5.2 Nimonic90焊接性能 合金在固溶狀態(tài)可進行惰性氣體保護鎢極電弧焊及閃光對焊。
5.3 Nimonic90零件熱處理工藝 零件的熱處理工藝按相應(yīng)的材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的熱處理制度進行。
5.4 Nimonic90表面處理工藝
5.5 Nimonic90切削加工與磨削性能 Nimonic90在固溶處理狀態(tài)有良好的機械加工性能，在時效處理后使用堅硬刀具按規(guī)定進刀量慢速加工。
鑄造高溫合金葉輪：發(fā)動機中,高溫合金葉輪位于燃燒室和導(dǎo)向器之后,葉片必須工作于高溫腐蝕性燃氣環(huán)境中,承受高溫腐蝕性氣體的直接沖擊和因此帶來的*的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力,容易發(fā)生蠕變斷裂。此外,葉輪工作時,轉(zhuǎn)數(shù)*,導(dǎo)致lunpan部位遭受巨大的機械應(yīng) 力,lunpan容易開裂。 早期,葉輪的制造方法是將鍛造盤和鑄造葉片通過機械加工然后裝配在一起。這種制造方法周期長,成本高,裝配精度不易保證。為了降低葉輪的制造成本,20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)了將葉片和lunpan連在一起整體鑄造的技術(shù),當(dāng)時主要用作地面渦輪增壓器葉輪。隨著鑄造工藝水平的提高,整鑄技術(shù)擴大應(yīng)用到航空發(fā)動機上。目前1500kW以下的小型渦軸發(fā)動機廣泛采用軸向和徑向整體鑄造葉輪。這不僅降低了葉輪的制造成本,而且避免了榫頭裝配的應(yīng)力 。隨著鑄造技術(shù)和高溫合金材料 的飛速發(fā)展,人們已經(jīng)可以獲得所期望的特定顯微 組織的整鑄葉輪.
隨著航空科學(xué)技術(shù)的進步和發(fā)展,航空發(fā)動機的性能不斷日益完善和提高,正朝著高推重比、高推力和低油耗、長使用壽命的方向發(fā)展。與十年前相比,航空發(fā)動機的功率提高了25%,推重比達到(12~15),燃油消耗降低了30%~50%,渦輪進口溫度超過了2000??。做為航空發(fā)動機核心部分的渦輪(工作葉片與渦lunpan),它的工作條件是相當(dāng)惡劣,各種發(fā)動機用整體鑄造葉輪,,其渦輪工作葉片同時承受高溫、燃氣腐蝕、離心力、彎曲應(yīng)力、熱應(yīng)力、振動和熱疲勞的作用,因此要求葉片除了應(yīng)具有良好的kangyang化性、耐腐蝕能力和足夠高的強度外,還應(yīng)具有良好的機械疲勞、熱疲勞性能以及足夠的塑性和沖擊韌性。而渦lunpan部分雖然工作溫度比工作葉片低,但其應(yīng)力條件異常復(fù)雜,輪轂和輻板等各部位所受應(yīng)力、溫度、介質(zhì)作用程度不同,因此對渦lunpan的基本性能要求為:高的屈服強度、抗拉強度和塑性,足夠的持久、蠕變強度和低循環(huán)疲勞強度,良好的耐蝕性能和組織穩(wěn)定性?；趯u輪的工作葉片和渦lunpan的不同性能要求,大中型航空發(fā)動機的渦輪制造方法是將渦lunpan和工作葉片分別單獨制造,然后機械加工裝配在一起形成渦輪。這種制造方法可以有針對性的將工作葉片和渦lunpan選用不同的合金材料。一般采用GH高溫合金系列和K高溫合金系列精鑄而成。
