高温合金紧固件有哪些

GH6159 钴基高温合金（MP合金） 圆棒 黑棒锻件

在工程材料的璀璨星空中，有一种名为GH6159的高温合金正以其独特的光芒吸引着人们的目光。作为一种能够在极端环境下保持卓越性能的金属材料，它不仅是现代工业技术的重要支撑，更是航空航天、能源等领域不可或缺的关键元素。 一、定义与特性GH6159高温合金是一种镍基固溶强化型变形高温合金，具有出色的耐热性和良好的机械加工性。其成分设计巧妙，在镍铬铁的基础上添加了适量的铝、钛等元素，形成了细小弥散的γ'相，显著提升了该合金的抗蠕变能力和抗氧化能力。同时，通过控制热处理工艺，可以得到理想的微观组织结构，从而确保其在高温下仍能维持稳定的力学性能。 二、应用领域 由于具备上述优良特性，GH6159高温合金被广泛应用在多个高端制造领域： - 航空航天：用于制作涡轮发动机的叶片、盘和其他承力部件。 - 核能行业：作为反应堆内关键组件的候选材料之一。 - 工业燃气轮机：制造燃烧室及动力传输系统中的重要零件。 - 汽车制造：应用于高性能汽车引擎的特定部位。 三、挑战与前景 尽管GH6159高温合金展现出了极高的潜力，但它的生产和应用还面临着一些挑战。例如，对生产工艺的要求极为严格；成本相对较高限制了其更广泛的使用等。然而，随着科技的进步和新材料的研发，我们完全有理由相信这些问题将逐步得到有效解决。

GH6159高温合金主要由镍(Ni)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、铁(Fe)等元素组成。其中，镍是其主要基体元素，具有良好的高温抗氧化性能。铬的添加可提高合金的耐腐蚀性能，而钼和钨则能增强合金的高温强度和耐热性能。铁的添加有助于调节合金的组织结构和机械性能。

根据实验数据，GH6159高温合金的典型成分为：Ni(5559%)、Cr(1922%)、Mo(79%)、W(2.53.5%)、Fe(4~5%)等。还含有少量的钛(Ti)、铝(Al)、锰(Mn)、硅(Si)等元素，这些元素的微量掺杂能够有效改善合金的晶粒结构和热稳定性。

GH6159高温合金的微观结构主要由γ相和γ'相组成。γ相为固溶体相，由镍等元素组成，具有良好的延展性和变形性；而γ'相为弥散相，主要由钼、钨等元素组成，具有高硬度和高强度。这两相之间的相互作用决定了合金的综合性能。

通过金相显微镜观察，GH6159高温合金的典型组织结构为：γ相呈粒状分布，尺寸约为520μm，而γ'相则呈片状分布，尺寸约为0.11μm。这种复合组织能够有效提高合金的高温强度和抗蠕变性能，保证其在极端工作环境下的稳定性。

一、概述

GH159合金是在国外多相钴基高温合金（MP合金）的基础上发展起来的一种新型高强度多相钴基高温合金。它的主要特点是：利用冷变形首先在面心立方基体中诱发产生交叉网状分布的片状ε相来阻止位错的长程运动而产生强化，再经过时效处理析出弥散的Ni3X相补充强化。该合多金具有超高强度、良好的塑韧性和高的应力腐蚀抗力等综合性能，并且在650℃的高温下仍能保持其高强度的特性。该合金不仅可广泛用于航空发动机的高温紧固螺栓等零件，也可用于应力腐蚀环境下（如海洋大气环境）服役的飞机用超高强度紧固件。供应的主要品种是冷拉棒材。

1.1 GH159材料牌号 GH159。

1.2 GH159相近牌号 MP159(美国)。

1.3 GH159材料的技术标准

Q/6S 992-1992《高温紧固件用GH159合金冷拉棒材》(北京航空材料研究所)

C3S 284-1993《高温紧固件GH159合金冷拉棒材》

协上五高28-1993《高温紧固件GH159合金冷拉棒材》

1.4 GH159化学成分 见表1-1。

1.5 GH159热处理制度 固溶处理1040～1055℃,4～8h,水冷+在室温进行48%±1%的冷拔变形＋时效处理650～675℃，4～4.5h，空冷。

1.6 GH159品种规格与供应状态 可以供应d5～25mm的冷拉棒材，供应状态为冷拔态。

1.7 GH159熔炼与铸造工艺 采用真空感应加真空电弧重熔的Bi联生产工艺。

1.8 GH159应用概况与特殊要求 该合金主要用于航空发动机的紧固件，在600℃下性能稳定，可长期使用。是目前综合性能良好的航空发动机紧固件材料。

合金主要是经过冷变形诱发产生大量网状分布的ε相进行强化。因此，对冷拔变形的工艺参数要严格控制。变形量过小，强度不足；变形量太大，强度升高，但塑性降低。实践证明，当冷变形量控制在下限时合金具有较好的综合性能。

二、GH159物理及化学性能

2.1 GH159热性能

2.1.1 GH159熔化温度范围 熔点1318℃[1]。

2.1.2 GH159热导率 见表2-1。

2.1.3 GH159线膨胀系数 见表2-2(冷拔＋时效状态)。

2.2 GH159密度 ρ=8.33g/cm3[2]。

2.3 GH159电性能 合金的电阻率见表2-3。

2.4 GH159磁性能 合金在25℃时的磁导率为1.00265[2]。

2.5 GH159化学性能

2.5.1 GH159耐腐蚀性能 该合金具有良好的抗缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂的能力。在典型的氯化铁实验中未发现缝隙腐蚀和点蚀。在擦盐试验中未发生损坏。交替浸渍证明该合金具有良好的抗氢脆和应力腐蚀开裂的能力。

三、GH159力学性能

GH159技术标准规定的性能 见表3-1。

注：1 供应状态的棒材硬度要求HRC≥23。

2 供应状态的棒材经时效处理后，其拉伸、持久性能和硬度应符合表中规定的要求。当棒材的拉伸性能符合要求时，硬度实验结果不作为判废依据。

3 持久性能可在光滑-缺口组合试验上测定。试样不应在23h内断裂。试样光滑部分拉断后，其伸长率应符合表中规定的要求。

4 可在棒材相邻部位取样并分别加工的光滑和缺口持久试样上进行实验。试样不应在23h内断裂；光滑试样断裂后，应测定伸长率；缺口试样可不拉断。

5 持久实验可在高于965MPa的应力下进行，但实验过程中不能改变应力。实验结果应符合表中规定的要求。

6 经需方同意，在965MPa的应力下进行持久实验至23h后，可每隔8～10h递增应力35MPa，直至试样拉断。实验结果应符合表中规定的要求。

四、GH159组织结构

4.1 GH159相变温度 γ＋ε两相区温度范围为540～700℃，540℃以下的γ相为亚稳态。

4.2 GH159时间-温度-组织转变曲线

4.3 GH159合金组织结构 合金在上临界温度（约700℃）以上为稳定的面心立方γ相，在下临界温度以下（约540℃）为稳定的密排六方ε相；两温度之间为γ＋ε的两相区。当合金从上临界温度冷却到室温时可保持亚稳定态的γ相。当在室温下进行冷变形时可诱发γ相到ε相的马氏体型转变。因此，合金经固溶处理后为亚稳定的γ相，在冷变形过程中部分γ相发生马氏体相变转变为稳定的ε相。所生成的ε相为薄片状，在面心立方的γ相晶粒内呈交叉网状分布。在随后的时效过程中又在亚稳定的γ相中析出Ni3X相[4～7]。

五、GH159工艺性能与要求

5.1 GH159成形性能

5.1.1 GH159合金钢锭首先在1125～1180℃保温18～36h进行均匀化处理以减小组织偏析和脆性σ相形成。合金锻造开坯装炉温度不高于600℃，加热温度为1120℃±10℃，时间不小于4h。开锻温度不低于1050℃，终锻温度不低于950℃.合金热轧开坯装炉温度不高于700℃，加热温度为1130℃±10℃，保温30～60min。道次较大变形量不能超过20%。终轧温度不低于950℃。热轧后合金在1050～1070℃退火1h以得到均匀晶粒，便于后续冷变形加工。

5.1.2 GH159轧制棒材经固溶处理后，经碱、酸洗去氧化皮，再经表面涂层处理后，进行冷拔变形。冷拔变形量为48%±1%。

5.2 GH159焊接性能 焊接性能同18-8型不锈钢，可用氩弧焊工艺[2]。

焊接速度 0.14m/min

电流 100～160A

电压 10V

GH159焊丝进给 0.36～0.56m/min

氩气流量 5～7L/min

5.3 GH159零件热处理工艺 螺栓的热处理工艺为650～675℃，4h时效处理，空冷。

5.4 GH159表面处理工艺 合金经局部感应加热热镦成螺帽后，表面再经冷搓丝加工螺纹。

5.5 GH159切削加工与磨削性能 合金的机加工性能类似于GH738镍-钴-铬合金。可在冷加工强化和时效材料上进行机加工。冷拔态的GH159合金的机加工工艺参数见表5-1。

GH159 alloy is a new type of high-strength multi-phase cobalt-based superalloy developed on the basis of foreign multi-phase cobalt-based superalloy (MP alloy).

Its main feature is that the cold deformation first induces the cross-net-like distribution of sheet-related ε phase in the face-centered cubic matrix to prevent the long-range movement of dislocations and strengthens, and then precipitation and dispersion of Ni3X phase after aging treatment to supplement strengthening.

The alloy has comprehensive properties such as ultra-high strength, good plasticity and toughness, and high stress corrosion resistance, and can still maintain its high-strength characteristics at a high temperature of 650 °C.

The alloy can be widely used not only for high-temperature fastening bolts and other parts of aero-engines, but also for ultra-high-strength fasteners for aircraft serving in stress-corrosion environments (such as marine atmospheric environments).

The main variety supplied is cold drawn bars.

Foreign name: GH159
Similar grades: MP159 (USA)
Technical standard: Q/6S 992-1992
Melting temperature range: 1318oC

GH159 cobalt-based superalloy

technical standards for materials

Q/6S 992-1992 "GH159 Alloy Cold Drawn Bars for High Temperature Fasteners" (Beijing Institute of Aeronautical Materials)

C3S 284-1993 "High Temperature Fasteners GH159 Alloy Alloy Cold Drawn Bars"

Xie Shang Wu Gao 28-1993 "High Temperature Fastener GH159 Alloy Alloy Cold Drawn Bar"

chemical composition
Table 1-1
C Cr Ni Co Mo Fe Ti
≤0.04 18~20 margin 34~38 6 ~ 8 8 ~10 2.5~3.25
Al Nb B Mn Si P S
0.1~0.3 0.25~0.75 ≤0.03 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.02 ≤0.01

Heat treatment system

Solution treatment at 1040~1055oC, 4~8h, water cooling + 48%±1% cold drawing deformation at room temperature + aging treatment at 650~675oC, 4~4.5h, air cooling.

GH6159(GH159)钴基变形高温合、高温强度、抗氧化性、热处理范围

GB/T 14992为我们揭示了高温合金与金属间化合物高温材料的复杂分类与牌号体系。在这一体系中，C3S 284、Q/6S 992以及协上五高28均指向了同一种高温紧固件用GH159合金冷拉棒材，展示了材料应用的广泛性与规范性。

GH159合金冷拉棒材，作为高温紧固件的关键材料，其性能与制造工艺都经受了严格的考验。AMS 5841B与AMS 5842B分别描述了这种材料的两种不同处理工艺。真空感应+真空自耗重熔的熔炼方法，以及固溶热处理态，使得这种合金棒材具备了优异的耐蚀和耐热性能。其中的化学成分，如19Cr-36Co-25Ni-7.0Mo-0.5Nb-2.9Ti-0.2AI-9.0Fe，更是这种合金独特性能的保证。 而GH6159合金的熔炼工艺则更加复杂，它采用了真空感应炉+真空自耗重熔，或真空感应炉+电渣重熔+真空自耗重熔的熔炼工艺。这种熔炼工艺确保了GH6159合金的纯净度和均匀性，为后续的热处理提供了良好的基础。

在GH6159合金的热处理制度中，热轧棒固溶处理和冷拔棒完全处理都经过了精心的设计和控制。固溶处理温度为（1040-1050）℃±15℃，时间为（4-8）h/WQ，这一处理过程确保了合金的均匀性和稳定性。而冷拔棒完全处理则包括固溶、冷拔和时效三个步骤，其中冷拔变形量控制在48%±1%，时效热处理温度为（650-675）℃±15℃，时间为（4-4.5）h/AC，这些精确的控制确保了GH6159合金冷拔棒材具有优异的力学性能和长期稳定性。

总的来说，高温合金与金属间化合物高温材料的制造和应用，是一个涉及多学科、多工艺领域的复杂系统工程。从材料的熔炼、热处理到最终的应用，每一个环节都经过了精心的设计和严格的控制，以确保这些材料能够在高温、高应力等极端环境下稳定、可靠地工作。