高温合金GH4220是什么材料

ＧＨ４２２０ 合 金 是 我 国 仿 制 前 苏 联 的ХН５１ВМТЮКФРВД 镍 基 时 效 沉 淀 硬 化 型 高 温 合金 。 合金以 Ｎｉ 为基体， 添加约（ 质量分数， 下同）１１％ Ｃｒ、１５％ Ｃｏ、６％ Ｗ、６％ Ｍｏ、０． ５％ Ｖ 作为固溶强化元素，４． ５％ Ａｌ、２． ５％ Ｔｉ 作为时效强化元素， 同时加入Ｃ、Ｂ、Ｃｅ、Ｍｇ 作为微合金化元素。 Ｃｒ 是高温合金中的合金化元素，除了低膨胀高温合金外，几乎所有高温合金中都含有金属元素 Ｃｒ。 Ｃｒ 溶入 γ 固溶体，引起晶格畸变， 起到固溶强化作用， 提高 γ 固溶体的强度，此外 Ｃｒ 的另 一个十分重要的作用， 就是形成Ｃｒ ２ Ｏ ３ 氧化膜， 使高温合金具有良好的抗氧化和抗腐蚀性能，且 Ｃｒ含量越高，抗氧化性越好；镍基合金中加入 Ｃｏ，引起固溶强化， 提高基体的强度， 同时使合金的蠕变速率降低，从而提高合金的高温力学性能。 另外，Ｃｏ 在高温合金中具有优异的抗热腐蚀性能和抗热疲劳性能，使合金的使用温度及高温性能得以进一步提高；Ｗ、Ｍｏ 也是高温合金中常用的固溶强化元素， 由于Ｗ、Ｍｏ 的原子半径大于 Ｎｉ， 添加 Ｗ、Ｍｏ 会引起晶格明显膨胀，形成较大的长程应力场， 阻止位错运动， 使合金屈服强度明显提高。 另外 Ｗ 加入高温合金后， 除了约有一半溶于 γ 固溶体引起固溶强化外， 另一半溶入了γ′强化相，起时效强化作用；Ｖ 的原子半径比 Ｎｉ 大，所以加入 Ｖ 后同样能提高基体的强度， 同时 Ｖ 具有细化合金晶粒的作用， 改善了合金的热加工工艺塑性。ＧＨ４２２０ 合金中加入高温合金中常用而价格又便宜的Ａｌ、Ｔｉ 作为时效强化元素， 形成 γ′强化相， 提高合金的强度；Ｃ、Ｂ、Ｃｅ、Ｍｇ 作为微合金化元素， 提高了晶界的结合力，起强化晶界的作用。 通过提高晶界的结合力，可提高合金在高温条件下的力学性能。

ＧＨ４２２０ 合金成分的优异，决定了合金具有较高的使用温度以及在高温条件下具备优异的力学性能。所以，该材料成为制造在 ９５０ ℃以下工作的航空发动机涡轮工作叶片、紧固件等零部件的优先选用材料。 以航空发动机用 ＧＨ４２２０ 合金螺栓为例，其技术要求为：９５０ ℃高温抗拉强度≥４９０ ＭＰａ； 应力持久性能保持 ４０ ｈ 不断（９４０ ℃ 加载 ２１５ ＭＰａ） ；室温抗拉强度≥１０００ ＭＰａ。

但是，在 ＧＨ４２２０ 合金螺栓的生产过程中， 因存在合金在冶炼过程中炉批次间的成分含量波动， 合金元素偏析，杂质元素的数量、种类、大小、形状不同， 以及合金热变形工艺等因素的不同， 导致螺栓按标准热处理制度进行热处理后，室温抗拉强度、高温抗拉强度和应力持久性能往往不能满足螺栓技术条件的要求。

对 ＧＨ４２２０ 高温合金的组织演变至关重要的热处理工艺被研究者广泛关注， 相比于标准热处理制度后获得的平直晶界形态， 研究者发现可以通过热处

理获得 ＧＨ４２２０ 合金的弯曲晶界， 并且对合金的性能有较大的改善作用。 本文以 ＧＨ４２２０ 合金螺栓为研究对象，在保持 ＧＨ４２２０ 合金的标准热处理制度即固溶和时效的温度、时间参数不变的情况下，在生产实际中，反复摸索，通过调整 １２２０ ℃固溶处理冷却阶段的冷方式， 将 标准热 处理制 度 的 空 冷 改 为 缓 慢 冷 却（２４ ｍｉｎ冷却至 １１００ ℃ 保温 １ ｍｉｎ，之后空冷） ，将晶界形态由平直晶界变为弯曲晶界， 从而提高 ＧＨ４２２０ 合金螺栓的力学性能。

试验材料

本次试验原材料按照 ＧＪＢ １９５３Ａ—２００８《航空发动机转动件用高温合金热轧棒材规范》 执行， ＧＨ４２２０合金化学成分见表 １。

GH4220是Ni-Co-Cr基沉淀硬化型变形高温合金，使用温度900℃～950℃。合金中加入较多的铝、钛元素形成y ‘沉淀强化相，w(y)可达到40%以上。同时加入钻、铬、钨和钼元素进行固溶强化，并加入微量钵、硼和镁元素进行晶界强化。合金具有较高的高温强度和高温塑性，综合性能良好。适于制造工作温度在900℃～950℃的燃气涡轮工作叶片。主要产品有转动部件用热轧棒材、模锻涡轮叶片。

合金用于制作航空发动机的1级涡轮工作叶片，批产和使用情况良好。

合金通过特殊的弯晶热处理工艺，达到控制晶界上第二相的析出种类及其形态，使之形成弯曲的晶界。使晶界与晶内强度匹配性好，降低了晶界脆性，从而显著地提高合金的高温塑性和持久强度

材料牌号

GH4220(GH220)。

相近牌号

31220BⅡ、XH51BMTIOKP-BⅡ(俄)。

材料技术标准

熔炼工艺

采用真空感应炉+真空电弧重熔、或真空感应炉+电渣重熔熔炼工艺。

化学成分

熔化温度范围

1330℃～1360℃[8]。

密度

2.8p=8.36g/cm

磁性能

合金无磁性。