• • • GH3039 概述

       

          GH3039为单相奥氏体型固溶强化合金，在800℃以下具有中等的热强性和良好的热疲劳性能，1000℃以下抗氧化性能良好。长期使用组织稳定，还具有良好的冷成形性和焊接性能。适宜于850℃以下长期使用的航空发动机燃烧室和加力燃烧室零部件。该合金可以生产板材、棒材、丝材、管材和锻件。

      1.1 GH3039 材料牌号  GH3039(GH39)

      1.2 GH3039 相近牌号  ЭИ602，ХН75МБГЮ(俄罗斯）

      1.3 GH3039 材料的技术标准

          GJB 1952-1994《航空用高温合金冷轧薄板规范》

          GJB 2297-1995《航空用高温合金冷拔（轧）无缝管规范》

          GJB 2612-1996《航空用高温合金冷拉丝材规范》

          GJB 3165-1998《航空承力件用高温合金热轧和锻制棒材规范》

          GJB 3317-1998《航空用高温合金热轧板规范》

          GJB 3318-1998《航空用高温合金冷轧带材规范》

          GB/T15062-1994《一般用途高温合金管》

      1.4 GH3039 化学成分  见表1-1。                                                                                               

      表1-1 %

      C	Cr	Ni	Mo	Al	Ti	Nb	Fe	Mn	Si	P	S
      不大于
      ≤0.08	19.0～22.0	余	1.80～2.30	0.35～0.75	0.35～0.75	0.90～1.30	3.00	0.40	0.80	0.020	0.012

       

          注：1.合金中允许有Ce存在。

              2.合金中ω(Cu)=0.20%。                                     

      1.5 GH3039 热处理制度 热轧及冷轧板材和带材固溶处理：1050～1090℃，空冷。棒材及管材固溶处理：1050～1080℃，空冷或水冷。

      1.6 GH3039 品种规格和供应状态 可以供应各种规格的热轧板、冷轧板、带材、棒材、丝材、管材、和锻件。板材、带材和管材固溶处理和酸洗后交货。丝材于冷加工状态或固溶状态供应棒材不热处理交货。

      1.7 GH3039 熔炼和铸造工艺 合金采用电弧炉熔炼、电弧炉或非真空感应炉加电渣重熔或真空电弧重熔以及真空感应炉加电渣或真空电弧重熔工艺。

      1.8 GH3039 应用概况与特殊要求 用该合金材制作的航空发动机燃烧室及加力燃烧室零部件，经过长期的生产和使用考验，使用性能良好。

       

       

      二、GH3039 物理及化学性能

       

      2.1 GH3039 热性能

      2.1.1 GH3039 热导率 见表2-1。

      表2-1[1]

      θ/℃	100	200	300	400	500	600	700	800	900
      λ/（W/（m·℃））	13.8	15.5	17.2	18.8	20.5	21.8	23.4	25.1	26.8

      2.1.2 GH3039 比热容 见表2-2。  

      2.1.3 GH3039 线膨胀系数 见表2-3。

      表2-2[1]

      θ/℃	150	200	300	400	500	600	700	800
      c/(J/(kg.K))	544	574	636	645	762	779	921	1047

       

      表2-3[1]

      θ/℃	20～100	20～200	20～300	20～400	20～500	20～600	20～700	20～800	20～900	20～1000
      α/10-6℃-1	11.5	12.4	13.2	13.5	13.8	14.3	14.9	15.3	15.8	16.4

      2.2 GH3039密度  ρ=8.3g/cm3。

      2.3 GH3039电性能 室温电阻率ρ=1.18×10-6Ω·m。

      2.4 GH3039磁性能  合金无磁性。 

      2.5 GH3039化学性能

      2.5.1 GH3039抗氧化性能 

      2.5.1.1 GH3039在空气介质中经100h试验后的氧化速率见表2-4。

      2.5.1.2 合金在高温下长期工作时，有产生沿晶界氧化的倾向。在900～1100℃暴露100h后的沿晶氧化深度见表2-5。

      2.5.1.3 合金在高温下100h内的氧化增重

      见图2-1。

      表2-4[2]

      θ/℃	900	1000	1100	1200
      氧化速率/(g/(m2· h))	0.074	0.251	0.535	1.061

      表2-5[2]

      θ/℃	900	1000	1100
      沿晶界氧化深度/mm	0.020	0.052	0.068

       

       

      三、GH3039力学性能

       

      技术标准规定的力学性能见表3-1。

      表3-1

      标准号	品种	室温拉伸性能			800℃拉伸性能
      		σb/MPa	δ5/%	φ/%	σb/MPa	δ5/%	φ/%
      GJB 1952-1994	冷轧板	735	40	-	245	40	-
      GJB 2297-1995	航空用管	685①	40①	-	245	40	-
      GJB 3165-1998	棒材	735	40	-	245	40	40
      GJB 3317-1998	热轧板	735	40	45	245	40	50
      GJB 3318-1998	冷轧带	735②	40①	-	-	-	-
      GB/T 15062-1994	一般用管	635	35	-	-	-	-

      注：①外径>30mm,壁厚>3.0mm管材室温σb≥635MPa,δ5≥30%。

          ②δ≤0.25mm带材的室温σb≥660MPa,δ5实测。

       

       

      四、GH3039组织结构

       

      4.1 相变温度 

      4.2 时间-温度-组织转变曲线 

      4.3 合金组织结构 

      4.3.1 合金固溶状态为单相奥氏体，并含有少量的Ti(CN)、NbC及M32C6碳化物。经600～900℃长期时效或使用后，有M32C6型碳化物析出，600～700℃时效后析出的碳化物颗粒细小，均匀分布于晶内和晶界，时效温度高于700℃时，主要沿晶界析出并聚集长大。合金中不形成有害相，组织稳定性较好。

      4.3.2 冷轧薄板标准规定，供应状态晶粒度的要求为5～8级。

       

       

      五、GH3039工艺性能与要求

       

      5.1 成型性能

      5.1.1 锻造 合金具有良好的热加工工艺塑性，变形性能良好。锻造加热温度1170～1190℃，终锻温度不低于900℃，一次加热的变形量为50%。

      5.1.2 轧制 板材荒轧温度1100～1140℃，精轧温度1050～1100℃，终轧温度不低于850℃。经电渣或真空自耗重熔的合金轧制时，精轧温度应稍低于电弧炉熔炼的合金。热轧终轧道次变形量应不低于13%，薄板冷轧变形量30%～55%。

      5.1.3 冲压性能 供应状态薄板具有良好的冲压习惯你能，冲压的极限系数见表5-1，一般工作系数为极限系数的80%～90%。供应状态δ1.5mm薄板反复弯压至断裂次数为20～29次；杯突试验深度为10.7～12.0mm。δ8.5mm热轧中板经深冲后应立即（不得超过12h）进行中间固溶处理，以消除应力。

      表5-1[9]

      极限深冲系数	极限翻边系数	极限压窝系数		最小弯曲半径
      		平头阳模	球头阳模
      2.10～2.14	1.85～2.00	0.30～0.33	0.45～0.53	1δ①

          ① δ为板厚。

      5.2 焊接性能 

      5.2.1 合金可以用氩弧焊、点焊或缝焊等方法焊接，其焊接性能优良，氩弧焊列为额倾向性小。手工氩弧焊（对接）规范见表5-2；自动钨极氩弧焊（对接）规范见表5-3；点焊规范见表5-4；缝焊规范见表5-5。         

      表5-2[10]

      焊前状态	焊丝		接头形式	厚度/mm	焊接电流/A	电压/V	氩气流量/(L/min)	钨极直径/mm	极性
      	牌号	直径/mm
      固溶，机械抛光	HGH3039	0.8～1.0	对接	0.8	45～50	10～14	4～6	1.2	正极
      		1.0～1.2		1.0	50～55	12～16	4～6	1.6～2.0
      		1.2～1.6		1.2	60～65	12～16	6～8	1.6～2.0
      		1.6～2.0		1.5	70～85	12～16	6～8	1.6～2.0
      		2.0～2.5		2.0	90～100	12～16	8～12	2.0

      表5-3[10]

      厚度/mm	焊前状态	焊丝		焊接电流/A	电压/V	焊接速度/(m/min)	送丝速度/(m/min)	氩气流量/(L/min)	背面氩气流量/(L/min)	钨极直径/mm	焊嘴直径/mm
      		牌号	直径/mm
      0.8	固溶，机械抛光	HGH3030 HGH3039	1.6	85～90	7～8	0.52	0.38	8～10	4～5	3	18
      1.0		不加焊丝		150～160	12	0.66～0.69	-	14～16	4～5

      表5-4[10]

      焊前状态	材料		电极直径/mm	焊接参数			核心直径/mm
      	牌号	厚度/mm		焊接电流/A	焊接时间/s	电极压力/N
      固溶	GH3039＋GH3030	1.0～1.0	5.0+1	5000～6000	0.34～0.38	4510～4905	5.0
      	GH3039＋GH3044	1.2～1.5	5.0+1	6000～6500	0.32～0.36	4705～5100
      	GH3039＋GH3039	1.3～1.3	6.5	7000～7500	0.26～0.28	4905～5295

      表5-5[10]

      焊前状态	滚盘宽度/mm	材料		焊接参数					核心尺寸
      		牌号	厚度/mm	电流/A	焊接时间/s	休止时间/s	焊接速度/(m/min)	电极压力/N	直径/mm	焊透率/%
      固溶，抛光	6.0＋7.0	GH3039＋GH3030	1.0＋0.8	8100～9500	0.12～0.14	0.04～0.06	0.62～0.70	6865～7255	5.0～6.0	60
      		GH3039＋GH3030	1.0＋1.5	8400～9400	0.14～0.16	0.04～0.10	0.48～0.70	6865～7255	5.0～6.0
      		GH3039＋GH1140	1.0＋1.5	7600～8300	0.16～0.18	0.08～0.12	0.50～0.62	6865～7255	5.0～6.0
      		GH3039＋GH3039	1.3＋1.3	7500～8500	0.28～0.32	0.28～0.30	0.23	6865～7355	5.0

      5.2.2 焊接接头力学性能见表5-6。

      5.3 零件热处理工艺 零件的中间固溶热处理温度为1050℃，空冷；燃烧室零件的最终热处理温度为1080℃，空冷。要求之久性能较高的零件，固溶温度可提高至1170℃。零件在固溶热

      处理时的保温时间可根据厚度选择5～20min。

      表5-6[5]

      焊接材料	热处理		焊接方法	填充材料	θ/℃	σb/MPa	弯曲角/(°)	焊点强度/kN
      	焊前	焊后
      冷轧薄板δ1.5mm	固溶处理	不处理	氩弧焊	HGH3039	20	785	180	-
      					700	441	-	-
      					800	275	-	-
      					900	157	-	--
      			缝焊	-	20	686	-	-
      					700	392	-	-
      					800	245	-	-
      					900	137	-	-
      			点焊	-	20	-	-	12.75
      					800	-	-	5.88
      					900	-	-	3.92

      5.4 表面处理工艺 

      5.4.1 零件热处理后的表面氧化皮，可用吹沙或酸洗方法清除。

      5.4.2 该合金制燃烧室部件，可在H3PO4-H2SO4-H2O溶液中电解抛光，以改善表面光洁度和使用性能。  

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高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料；并具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。

基于上述性能特点，且高温合金的合金化程度较高，又被称为“超合金”，是广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一种重要材料。按基体元素来分，高温合金又分为铁基、镍基、钴基等高温合金。铁基高温合金使用温度一般只能达到750~780℃，对于在更高温度下使用的耐热，则采用镍基和难熔金属为基的合金。 镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。

发展历史编辑

1、国际发展

从20世纪30年代后期起，英、德、美等国就开始研究高温合金。第二次世界大战期间，为了满足新型航空发动机的需要，高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。40年代初，英国首先在80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛，形成γ'相以进行强化，研制成第一种具有较高的高温强度的镍基合金。同一时期，美国为了适应活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需要，开始用Vitallium钴基合金制作叶片。

此外，美国还研制出Inconel镍基合金，用以制作喷气发动机的燃烧室。以后，冶金学家为进一步提高合金的高温强度，在镍基合金中加入钨、钼、钴等元素，增加铝、钛含量，研制出一系列牌号的合金，如英国的“Nimonic”，美国的“Mar-M”和“IN”等;在钴基合金中,加入镍、钨等元素，发展出多种高温合金，如X-45、HA-188、FSX-414等。由于钴资源缺乏，钴基高温合金发展受到限制。

40年代，铁基高温合金也得到了发展，50年代出现A-286和Incoloy901等牌号，但因高温稳定性较差，从60年代以来发展较慢。苏联于1950年前后开始生产“ЭИ”牌号的镍基高温合金，后来生产“ЭП”系列变形高温合金和ЖС系列铸造高温合金。70年代美国还采用新的生产工艺制造出定向结晶叶片和粉末冶金涡轮盘，研制出单晶叶片等高温合金部件，以适应航空发动机涡轮进口温度不断提高的需要。

发展至今，国际市场每年高温金属合金消费量在30万吨，广泛应用于各个领域：过去多年，全球航天业对新能源飞机需求旺盛，空客与波音已有超万架此类飞机等待交付。而精密机件公司是全球高温合金复杂金属零部件和产品制造的龙头企业，也为航空航天、化学加工、石油和天然气的冶炼以及污染的防治等行业提供所需的镍钴等高温合金。精密机件公司就是波音、空客、劳斯莱斯、庞巴迪等军工航天企业的指定零配件制造商 [1]  。

2、国内发展

自1956年第一炉高温合金GH3030试炼成功，迄今为止，我国高温合金的研究、生产和应用已历经60年的发展历程。60年的高温合金发展可以分为三个阶段。

第一个阶段：从1956年至20世纪70年代初是我国高温合金的创业和起始阶段。本阶段主要是仿制前苏联高温合金为主体的合金系列，如：GH4033，GH4049，GH2036，GH3030，K401和K403等。

第二个阶段：从20世纪70年代中至90年代中期，是我国高温合金的提高阶段。主阶段主要试制欧美型号的发动机，提高高温合金生产工艺技术和产品质量控制。

第三阶段：从20世纪90年代中至今，是我国高温合金的全新发展阶段。本阶段主要是应用和开发了一批新工艺，研制和生产了一系列高性能、高档次的新合金。

我国的高温合金研究主要研究单位是钢铁研究总院、北京航空材料研究院、中国科学院金属研究所、北京科技大学、东北大学、西北工业大学等，主要生产企业有：中航工业、钢研高纳、炼石有色、抚顺特钢、高钢特钢和第二重型机械集团万航模锻厂（二重）等。在此基础上，我国已具备了高温合金新材料、新工艺自主研发和研究的能力。

虽然高温金属合金材料在我国已发展近60年，但行业发展仍处于成长期。由于高温金属合金材料领域具有较高技术含量，该行业企业拥有较深护城河。我国高温金属合金每年需求量在2万吨以上，国内年生产量在1万吨左右，市场容量超过80亿元，其中进口占比较大。未来20年我国各类军机采购需求在2800架左右，民用飞机采购数量在5400架左右，对应的高温合金需求在1500亿以上，再加上500亿的燃气轮机需求，仅高温合金空间一项就有2000亿的市场空间即将打开。

我国生产能力与需求相比存在两个缺口：

（1）生产能力不足。我国高温合金生产企业数量有限，生产能力与需求之间存在较大缺口，在燃气轮机、核电等领域的高温合金主要还依赖进口。

（2）高端产品难以满足应用需求。我国的高温合金生产水平与美国、俄罗斯等国有着较大差距，随着我国研制更高性能的航空航天发动机，高温合金材料在供应上存在无法满足应用需求的现象 [1]  。

制备工艺编辑

1、铸造冶金工艺

各种先进铸件制造技术和加工设备在不断开发和完善，如热控凝固、细晶工艺、激光成形修复技术、耐磨铸件铸造技术等，原有技术水平不断提高完善从而提高各种高温合金铸件产品的质量一致性和可靠性。

不含或少含铝、钛的高温合金，一般采用电弧炉或非真空感应炉冶炼。含铝、钛高的高温合金如在大气中熔炼时，元素烧损不易控制，气体和夹杂物进入较多，所以应采用真空冶炼。为了进一步降低夹杂物的含量，改善夹杂物的分布状态和铸锭的结晶组织，可采用冶炼和二次重熔相结合的双联工艺。冶炼的主要手段有电弧炉、真空感应炉和非真空感应炉；重熔的主要手段有真空自耗炉和。

固溶强化型合金和含、钛低（铝和钛的总量约小于4.5%）的合金锭可采用锻造开坯；含铝、钛高的合金一般要采用挤压或轧制开坯，然后热轧成材，有些产品需进一步冷轧或冷拔。直径较大的合金锭或饼材需用水压机或快锻液压机锻造。

2、结晶冶金工艺

为了减少或消除铸造合金中垂直于应力轴的晶界和减少或消除疏松，近年来又发展出定向结晶工艺。这种工艺是在合金凝固过程中使晶粒沿一个结晶方向生长，以得到无横向晶界的平行柱状晶。实现定向结晶的首要工艺条件是在液相线和固相线之间建立并保持足够大的轴向温度梯度和良好的轴向散热条件。此外，为了消除全部，还需研究单晶叶片的制造工艺。

3、粉末冶金工艺

粉末冶金工艺，主要用以生产沉淀强化型和氧化物弥散强化型高温合金。这种工艺可使一般不能变形的铸造高温合金获得可塑性甚至超塑性。

4、强度提高工艺

⑴固溶强化

加入与基体金属原子尺寸不同的元素(铬、钨、等)引起基体金属的畸变，加入能降低合金基体堆垛层错能的元素（如钴）和加入能减缓基体元素扩散速率的元素（钨、钼等），以强化基体。

⑵ 沉淀强化

通过时效处理，从过饱和固溶体中析出第二相（γ’、γ"、碳化物等），以强化合金。γ‘相与基体相同，均为面心立方结构，点阵常数与基体相近，并与晶体共格，因此γ相在基体中能呈细小颗粒状均匀析出，阻碍位错运动，而产生显著的强化作用。γ’相是A3B型金属间化合物，A代表镍、钴，B代表、钛、、钽、、钨，而铬、钼、铁既可为A又可为B。镍基合金中典型的γ‘相为Ni3(Al,Ti)。

γ’相的强化效应可通过以下途径得到加强：

①增加γ‘相的数量；

②使γ’相与基体有适宜的错配度，以获得共格畸变的强化效应；

③加入铌、钽等元素增大γ’相的反相畴界能，以提高其抵抗位错切割的能力；

④加入钴、钨、钼等元素提高γ‘相的强度。γ"相为体心四方结构，其组成为Ni3Nb。因γ"相与基体的错配度较大,能引起较大程度的共格畸变，使合金获得很高的屈服强度。但超过700℃，强化效应便明显降低。钴基高温合金一般不含γ相，而用强化。