（GH605）是什么合金你知道吗？

GH605简介：
GH605是Co-Cr-Ni基固溶强化型变形高温合金，以加入镍、铬和钨元素进行固溶强化，使用温度在650℃以下。合金具有较高的强度和高温抗氧化性能。同时具 有良好的弹性模量、耐磨性和焊接性能。合金中加入的微量稀土元素钇，提高了热加工塑性和冷成形工艺性能。主要产品有冷拉丝材。

1 研究目的、意义和背景

1.1国内外发展动态

GH605合金是一种高温合金，用于高性能发动机。它的发展始于美国。相应的品牌是Nickelvac-L605，也称为Haynes25合金。它是一种用于10000的耐腐蚀钴基耐热合金～1900°F(538～中等应力部件在1035℃之间工作[1]。伴随着我国高性能飞机发动机的研发，其材料的国产化研究亟待解决。20世纪80年代，中国开始了合金棒材和板材的研究，能够为斯贝发动机制备棒材和板材。20世纪90年代中期，随着高性能发动机发展步伐的加快，我院根据相关项目要求开始了GH605带材的定位研究，其小批量试验材料已达到国家先进类似产品的水平。本文总结讨论了相关工艺研究问题，旨在促进材料应用的产业化进程，以使试验结果产业化，批量生产，开展相关工艺研究。

1.2研究目的和意义

带材的生产需要冷加工变形，GH605合金在固溶处理状态具有优异的延展性并易冷成形。由于易加工硬化，故要求较高的成形压力并进行多次退火，该合金锻件在2250～1900°F(1232～1035℃)之间退火状态具有优异的室温成形性。如何在该退火温度区间选择一个确定的合适加热温度和保温时间是本文所要讨论的问题。

另外，高温合金所需要的较长的退火保温时间对设备的需求也是苛刻的，为了减少专用设备的巨大投资，挖掘企业现有热处理设备的潜力，使设备多能化，就需要探索热处理工艺参数的变化规律。高温合金薄带的批量生产除对轧制设备要求提供较高的成型压力和精度外，另一关键设备就是温度≥1200℃、带材能在均温区保温较长时间的连续光亮退火炉，然而，这仍然不能解决热轧成形的冷带坯(厚度7.0mm左右)与能够使用连续退火设备的带材厚度(厚度≤2.0mm)之间的几次退火问题。工业生产中，7.0～2.0mm厚度带材的中间退火往往采用卷状，在罩式炉中退火，设备条件不能满足时，成品薄带也往往需要在真空罩式炉中退火，该种退火方式在保温后的冷却过程中会随设备冷却能力、冷却方式和装入量的多少而冷却速度差别很大。那么，在合适的热处理温度和保温时间确定之后，冷却速度的不同会对GH605合金组织和性能产生怎样的影响，这也是本文所要讨论的另一个问题，其结果用于指导带材工业生产中半成品的中间退火和成品的固溶处理操作。

2热处理温度对GH605合金组织和力学性能的影响

2.1 试验条件

试验样品：试验样品为0.2mm厚度的带材，其化学成分见表1。

试验样品的制备：非真空感应炉+电渣重熔双联工艺冶炼，经热变形、冷变形(中间多道退火),终轧变形量30%。

试验设备：热处理试验设备为箱式热处理炉。

试验方法：试样在大气条件下分别在1050℃～1250℃温度区间保温30min后水冷，观察金相组织变化、测试硬度、分析硬度与冷轧变形量之间的关系。

2.2试验结果与讨论

试样在1050℃。～图1显示了1250℃保温30min后水冷金相组织的照片。由图1(a)、(b)、(c)可知，在1050℃～在1150℃温度范围内冷却样品后，其金相组织为10级或10级以上的细小奥氏体晶粒，在此温度范围内晶粒度变化不明显。

在1200℃～冷却1250℃保温样品后，晶粒度分别为4.5级和4级，如图1所示(d)、(e)表明，随着温度的升高，晶粒开始生长，个别大尺寸晶粒将在1250℃下长时间保温时出现。由此可推断出，晶粒在温度进一步升高时将继续长大。冷处理前的热处理软化效果是提高冷处理性能的关键，图1(d)、(e)与图1相比，显示的奥氏体组织显示了奥氏体组织(a)、(b)、(c)奥氏体组织的极小晶粒具有良好的冷加工性能，前者具有较低的强度和HV≤实验室试验的最大变形量为45%，硬度较低，为260。

(2)经1230℃和1180℃热处理后，对3.0毫米厚的带坯进行冷轧，热处理后硬度Hv 255，284，冷轧试验结果见图2。从图2可以看出，冷加工材料硬化快，硬度增加与冷变形量增加相似，即冷变形量增加10%，硬度Hv增加60%左右。此外，由于初始硬度较低(Hv255)，最大变形量可达45%，而最大变形量仅达到35%，而最大变形量仅达到35%，而最大变形量仅达到35%，而最大变形量仅达到35%，软化程度较好的冷加工可获得较大的变形量，当冷变形后硬度达到Hv530时，前者变形量已达45%，后者仅为30%。在实验室试验中，小批量工艺试验所产生的最大变形量也存在差异，前者最大变形量为35%，后者仅为24.2%。

(3)带材成品终热处理温度对带材成品性能有重要影响，在450℃～1250℃范围内，每个制度温度间隔50℃,保温30min后水淬的成品终热处理工艺的试验结果表明，成品热处理温度为1200℃时具有较好的综合机械性能。

然而，我院的带材连续退火炉不能满足成品带材的终热处理所需的1200℃高温，因此制定了带卷在真空罩式炉中经1200℃保温30min后喷氩气冷却的终热处理工艺。该热处理工艺满足了高温加热、保温的需要，冷却时用氩气喷吹又能达到保温后快速冷却的要求，经试验获得了较好的综合力学性能，见表2。

由此可以认为，我们的研究工艺能够保证GH605合金带材具有较好的半成品冷加工变形性和成品的综合力学性能。

3冷却速度对GH605合金组织和力学性能的影响

3.1试验条件

试验样品为0.5mm厚度的带材，其化学

成分见表1。

试验方法：试样在大气条件下经1200℃保温20min后，以炉冷、空冷和水冷三种不同速度冷却，观察其组织中第二相的溶解、析出情况以及通过与力学性能的对应关系，分析、掌握其不同冷却速度对力学性能的影响。

3.2 试验结果与讨论

3.2.1 冷却速度对力学性能的影响

从表3可以看出，在1200℃温度下，经20min保温后冷却，随着冷却速度的加快(炉冷、空冷、水冷),强度和硬度有升高的趋势。

3.2.2 冷却速度对金相组织的影响

1#炉冷、2#空冷和3#水冷试样的金相

组织见图3,其晶粒度分别为3级、3.5级和3.5级，未出现明显的晶粒长大现象，而1#试样缓慢冷却后其晶粒的等轴化更充分一些，这是强度、硬度略有下降的原因之一。

本实验旨在通过透射电镜分析，确定冷轧带在1200℃保温20分钟后，经过三种不同速度冷却后的析出相。图4(a)、(b)、(c)分别展示了三种冷却速度下的组织形貌。从三张图片中可以看出，组织结构中均存在薄片状相。这种相具有薄和长的空间特征，并且具有一定的宽度。我们关注的是这些相的具体种类，结构特点及其数量对合金性能的影响。有研究人员认为，在钴基高温合金中通常存在Laves相。这种相会导致合金在使用温度下的强度和塑性明显降低，并且严重影响室温塑性。此外，资料显示，含钨约为5%（原子，约为15%重量）的L-605钴基合金中形成的碳化物为M[gf]2086[/gf]C型(2)。

本研究使用X-射线萃取相分析方法对片层相进行了定性分析。首先将试样置于阳极溶解的萃取装置中，然后采用10%盐酸和90%甲醇的混合液作为萃取液。此时，基体相会溶解于溶液中，而其它相则会产生灰色粉末沉淀。接下来，将沉淀分离并烘干，最终使用X射线相分析仪进行分析。通过此方法，可以较为准确地鉴定合金中可能存在的碳化物类型以及TCP的化合物类型，如α、μ和Laves相。

当钴基合金中难溶金属元素的含量较高时，往往会形成M6C型碳化物。有研究数据显示，GH605合金中，钨元素的含量达到15%时，会容易形成M[gf]2086[/gf]C型碳化物。M[gf]2086[/gf]C型碳化物在中温范围内开始形成，其组成为(Wo.70Cro.1Coo.1sNio.037)[gf]2086[/gf]C。它主要在钴基高温合金中起到第二相强化的作用。M[gf]2086[/gf]C型碳化物具备较高的稳定温度，因此，在合金的热加工变形过程中，M6C型碳化物能够有效地阻止晶粒的生长。图3显示，晶粒在缓慢冷却条件下没有增长的原因之一也在于此。

根据第四张透射电镜图片，可以发现M[gf]2086[/gf]C碳化物片的间隔呈现出按照(c)、(b)、(a)的顺序增加的趋势，也就是说，随着冷却速度的减缓，M[gf]2086[/gf]C碳化物片的间隔会增加。这种组织结构的变化会导致M[gf]2086[/gf]C型碳化物的强化效果减弱，因此会出现强度和硬度下降的现象，具体情况见表3。

GH605合金的主要强化机制为固溶强化，同时还具有一定的由第二相碳化物强化的作用。其中，约15%的钨和约20%的铬对这两种强化作用都起着重要的作用。该合金形成的M[gf]2086[/gf]C型碳化物在高温下稳定，其分解温度为1400℃(3)。在考虑高温强度时，防止扩散性形变是一个非常重要的因素。限制扩散现象的自扩散系数也是其中一个关键因素。根据文献[4]图6所示，不同金属的自扩散系数与温度存在一定的相关性。在相同的温度下，自扩散系数按照以下顺序从低到高，依次为W、Mo、Ta、Nb、Cr、Ni、Co、Fe、Ti、Al。在保持1200℃的恒温条件下，W的自扩散系数D约为10-20cm[gf]b2[/gf]/s左右，而Cr的自扩散系数D约为10-[gf]b9[/gf]cm[gf]b2[/gf]/s。这两种材料具有较低的自扩散系数，有利于提高高温下的热强性能，尤其是在高温蠕变（超过0.5倍材料的熔点温度）情况下发挥了良好的作用。这也是为什么缓慢冷却的炉冷方式相对于快速水冷方式能够延长材料的使用寿命的原因之一。

4 结 论

(1)GH605合金是一种高温合金，主要采用固溶强化工艺。因为该合金的固溶元素W含量高达15％，且原子直径大于基体原子的直径。因此，在热处理过程中，原子扩散速度缓慢，需要较长的保温时间。

(2)GH605合金带材热处理温度1200℃时具有较好的半成品冷加工变形性和成品的综合力学性能。

(3)GH605合金在1200℃保温后以任何速度冷却都不会发生相变和晶粒长大。