InconelX-750硬度

2023-06-03 09:26 作者:shyehan 0人读过 | 我要投稿

InconelX-750镍基合金

镍基变形高温合金简介：

美国牌号：InconelX-750

中国牌号：GH145/GH4145

德国牌号：NiCr15Fe7TiAl

法国牌号：NC15FeTNbA

日本牌号：NCF750

一、InconelX-750 概述

InconelX-750合金主要是以γ′[Ni3(Al、Ti、Nb)]相进行时效强化的镍基高温合金，在980℃以下具有良好的耐腐蚀和抗氧化性能，800℃以下具有较高的强度，540℃以下具有较好的耐松弛性能，同时还具有良好的成形性能和焊接性能。该合金主要用于制造航空发动机在800℃以下工作并要求强度较高的耐腐蚀的环形件、结构件和螺栓等零件、在540℃以下工作的具有中等或较低应力并要求耐松弛的平面弹簧和螺旋弹簧。还可用于制造气轮机涡轮叶片等零件。可供应的品种有板材、带材、棒材、锻件、环形件、丝材和管材。

1.1 InconelX-750 材料牌号 InconelX-750

1.2 InconelX-750 相近牌号 GH145/GH4145(中国),NiCr15Fe7TiAl(德国),NC15FeTNbA(法国),NCF750（日本）

1.3 InconelX-750 材料的技术标准

1.4 InconelX-750 化学成分见表1-1。

表1-1 %

注：表中Mn、Si为棒、锻件、环形件和丝材含量，板材、带材和管材为：ω(Mn)≤0.35%,ω(Si)≤0.35%。

1.5 InconelX-750 热处理制度板、带、管材供应状态的固溶热处理制度980℃±15℃，空冷。材料及零件的中间热处理制度，可分别选择下列工艺进行热处理。

退火：955～1010℃，水冷。

焊接件焊接前退火：980℃，1h。

焊接件消除应力退火：900℃,保湿2h。

消除应力退火：885℃±15℃，24h,空冷。

1.6 InconelX-750 品种规格与供应状态可以供应各种规格的棒材、锻件、环形件、热轧板、冷轧板、带材、管材和丝材。

板材和带材一般于热轧或冷轧、退火或固溶、酸洗抛光后供应。

棒材、锻件和环形件可于锻态或热轧状态供应；也可于锻后固溶处理供应；棒材可于固溶后磨光或车光供应，当订单有要求时，可于冷拉状态就位。

管材于固溶处理并清除氧化皮后供应。

丝材可于固溶状态供应；对于标称直径或厚度在6.35mm以下的丝材，可固溶后并以50%～65%的冷拉变形供应；标称直径或边长大于6.35mm的丝材，固溶处理后以不小于30%的冷拉变形供应。对于标称直径或边长不大于0.65mm的丝材，根据要求固溶处理后以不小于15%的冷拉变形供应。

1.7 InconelX-750 熔炼与铸造工艺合金采用电弧炉加真空自耗重熔、真空感应加电渣、电渣加真空自耗重熔或真空感应加真空自耗重熔。

1.8 InconelX-750 应用概况与特殊要求该合金主要用于制造航空发动机工作温度在540℃以下的耐腐蚀的平面波形弹簧、周向螺旋弹簧、螺旋压簧、弹簧卡圈和密封圈等零件。

二、Inconel X-750 物理及化学性能

2.1 Inconel X-750 热性能

2.1.1 Inconel X-750 熔化温度范围 1395～1425℃。

2.1.2 Inconel X-750 热导率见表2-1。

表2-1[1]

2.2 Inconel X-750密度 ρ=8.25g/cm3[7]。

2.3 Inconel X-750电性能 50℃时的电阻率ρ=1.22×10-6Ω.m[6]。

三、Inconel X-750 组织结构

4.1 Inconel X-750相变温度 γ′相开始析出温度约为600℃，析出峰约为800℃，900℃开始回溶，到970℃时几乎全部溶解。

4.2 Inconel X-750时间-温度-组织转变曲线

4.3 Inconel X-750合金组织结构合金经标准热处理后，其组织由γ基体、Ti(C、N)、Nb(C、N)、M23C6碳化物和γ′[Ni3(Al、Ti、Nb)]相组成，γ′含量大约为14.5%，是合金的主要强化相。

四、 InconelX-750工艺性能与要求

5.1 InconelX-750成形性能合金的锻造温度在1220～950℃之间均易成形。钢锭开坯锻造，其加热温度可在1200℃，为了使锻件或棒材获得良好的组织和性能，随后的锻造加热温度应在相应较低的温度下进行。终锻温度应不低于950℃。该合金在剧烈成形工序后应进行固溶处理。

5.2 InconelX-750焊接性能合金具有较好的焊接性能，可进行各种焊接，但对大截面的零件较难进行熔焊，而对小截面零件和薄板焊接性能较好。焊接必须在退火或固溶处理后进行，焊后应进行消除应力处理，采用980℃，保湿0.5h或900℃保湿2h。焊接组合件随后进行时效处理，可获得近似完全热处理状态的强度。

5.3 InconelX-750零件热处理工艺零件的热处理应在无硫的中性或还原性气氛中进行，以免发生硫化。零件应避免在870～650℃之间进行“热-冷”处理，对于大截面的零件，为了防止裂纹，固溶处理后应在空气中冷却。

成品零件热处理：

对于在600℃以上工作、要求持久蠕变性能的零部件：

固溶：1150℃±15℃,保温2～4h,空冷；

时效：845℃±15℃，保温24h，空冷+705℃±15℃,保温24h,空冷。

对于在600℃以下工作、要求室温和高温拉伸性能的零部件：

固溶：980℃±15℃,保温1h,空冷；

时效：730℃±15℃，保温8h，以50℃/h炉冷到620℃±10℃,保温8h,空冷。

环形件一般采用下述热处理制度：

固溶：1095℃±15℃,保温2-4h,空冷；

时效：845℃±15℃，保温24h，空或炉冷到+705℃±15℃,保温20h,空冷。

棒材和锻件在600℃以下温度使用时，采用下述制度进行热处理：

均匀化：885℃±15℃,保温24h,空冷；

时效：705℃±15℃，保温20±1h,空冷。

退火状态的板材和带材及做弹簧用的板带和丝材可采用下述制度进行热处理：

时效：1）705℃±15℃,保温22h,空冷；

2）760℃±10℃，保温1h,空冷。

固溶：980℃±15℃,保温1h,空冷；

时效：730℃±10℃，保温8h，以50℃/h炉冷到+620℃±10℃,保温8h,空冷。

5.4 InconelX-750表面处理工艺

5.5 InconelX-750切削加工与磨削性能合金可以在各种状态下进行机械加工，退火或固溶状态下机械加工性能良好。

研究了微量元素对 Inconel X-750改型合金高温时效硬度及其变化规律的影响，测试了试验合金在500℃、600℃、700℃、800℃及900℃下，经不同时间时效后合金显微硬度值的变化。

研究表明，微量元素可以延缓合金高温长期使用时的硬度下降，提高合金的高温硬度值，尤其在700℃以下使用时，微量元素的作用效果更明显。

比较用 Nb 和 T a 的强化效果发现，含 Nb 合金的高温使用性能比含同等量 T a 合金的好，硬度下降缓慢，硬度值较高。合金高温时效后的硬度值及其变化规律表明，Inconel X-750改型合金在热处理后的硬度可达40HRC 以上，即使在700℃下长时间时效，合金的硬度值下降不显著，因而可用作高温精密模具材料。

简介

Inconel X-750改型合金常在燃气轮机或沸水核反应堆中用作弹性件或紧固件，如螺栓、铆钉、弹簧等。然而在使用过程中，该合金存在许多问题［1］。

首先，在600℃～800℃温度下，该合金的热疲劳性有待进一步提高。其次，在沸水反应堆的高压过饱和水蒸汽中，工件的工作温度为500℃～600℃，此时，环境氢分压较高，易发生氢脆失效。

再次，当合金作为高温受力件使用时，要求合金具有更高的硬度和强度。针对上述问题，作者通过添加 Zr、B、T a、RE 等微量元素，研制了不同成分的 Inconel X-750改型合金，并研究了合金元素对 Inconel X-750合金性能的影响，以探讨提高 InconelX-750合金高温性能的途径。

此外，作者还分析了用 Inconel X-750合金制作精密高温模具的可行性。若工件的工作环境温度达650℃以上，铁素体-珠光体型耐热钢或马氏体耐热钢将不能满足要求，简单的奥氏体耐热钢及固溶强化奥氏体耐热钢的强度也明显下降。由于工作条件复杂，对材料的热稳定性、耐热疲劳性及高温下的强度、韧性、硬度、耐磨性、抗氧化性和耐蚀性等［2］有高的要求。

Inconel X-750合金是一种成本相对较低的 Ni 基高温合金。考虑到精密模具的原材料成本一般只占模具总成本的1／10或更少，因而，尽管 Inconel X-750合金原材料成本较高，但若综合考虑模具的加工费、原材料成本及模具使用寿命，可以考虑用 Inconel X-750改型合金制作精密高温模具。

2 试验材料及热处理工艺

Inconel X-750合金的标准成分范围［3］及本试验涉及的3种改型合金的名义成分及样品编号如表1所示。

表中“微量”均指该元素的含量小于0.5％。

试验合金采用真空冶炼，真空度达0.1Pa，原材料纯度如下：C＞99.5％，Cr＞99.6％，Al＞99.7％，T i＞99.9％，Fe＞99.5％，Zr＞99.8％，Ni＞99.95％，Nb＞99.8％，T a＞99.9％；B 和 M g 采用中间合金，其成分为16.5％B-Fe 及20％M g-Ni。

冶炼前先用金属 Ni 洗炉，再抽真空。加入 Ni 通电约15min 熔化后，过10min再依次加入 C、Al、T i，稍后加入 B、Zr。

5min 后充氩气保护，加 M g-Ni 中间合金。H3和 H4合金加混合稀土。

搅拌均匀后浇铸。钢锭重量为5kg。

合金熔炼后进行锻造。锻造工艺为：将合金随炉升温至1150℃，保温2h，终锻温度高于950℃，锻后空冷。

锻后样品进行热处理：固溶温度1080℃，时间1.5h；两次时效温度分别为850℃和700℃，时效时间均为24h。

将3种不同成分的 Inconel X-750合金分别在500℃、600℃、700℃、800℃和900℃温度下进行时效，当等温时间分别为0.5、1、5、10和20h 时，将试样取出，清除氧化膜后，在3个不同位置测量合金显微硬度值（载荷100g ），并将3点的平均值作为合金的最后硬度，通过作图考察不同成分合金在不同温度等温后，其硬度变化规律。

3 试验结果及讨论

3.1 稀土元素对合金耐热性能的影响

在600℃等温时效不同时间后，H3、H4和 G 样品的硬度变化曲线如图1所示。由图知，经固溶＋两次时效后，3种样品的显微硬度值基本一致，均为410HV 左右，相当于42HRC。

Inconel X-750为典型 γ｀析出强化合金，γ｀一般在 γ基体上均匀原位形核，且与 γ间维持共格型界面，合金的强化效果直接取决于 γ｀相的形态、数量、分布和尺寸，相同的强化效果表明，微量元素对 γ｀的形核、长大过程影响不显著。

从图中还可看出，经20h 时效后，H3合金的硬度变化最小，仅下降27HV 左右，H4合金开始下降较快，等温1h 时，下降至373HV，随后稳定在（365～370） HV 左右，并保持不变。而 G 合金性能较差，等温20h 后，硬度降至325HV，下降幅度达85HV。

H3和 G 合金在500℃和700℃时效后的硬度变化情况如图2、3所示。

由于时效温度均低于二次时效温度（700℃），因而合金硬度变化规律基本相同，即在时效初期，合金硬度值缓慢下降，最终趋于一个稳定值。但比较后可知，H3合金在500℃和700℃硬度分别下降23HV 和40HV，而在相同条件下，G 合金的下降幅度达71HV 和127HV。从表1知，合金 H3、H4与 G 的主要区别是合金中所含的微量元素不同。

可见，加入微量稀土元素，可有效改善合金的高温力学性能，延缓合金高温长期使用时硬度下降的趋势，因而可望有效提高材料的使用寿命。

关于稀土元素的作用机理，可以认为：稀土元素加入后，首先在 γ相晶界偏聚，降低了界面能。

由于 γ｀相一般在 γ相晶粒内部原位形核，微量元素对 γ｀相的析出不产生显著影响，因而，固溶、甚至二次时效后，3种样品的硬度值基本接近，但是，为降低 γ／γ｀相界面能量，γ｀相析出后，微量元素将向 γ／γ｀相界面偏聚，偏聚后产生如下效果：首先，偏聚本身对界面起钉扎作用，阻碍界面迁移，其次，偏聚后的相界面能量下降，界面迁移驱动力下降，以上两个因素均降低 γ｀相的长大速度，从而使之在较高的温度下，仍能保持细小的形态，从而保持较好的强化效果。