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Nimonic90螺栓Nimonic90耐热合金
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Nimonic90
镍基变形高温合金
英国牌号：Nimonic90
中国牌号：GH90
一、Nimonic90概述
Nimonic90为时效强化型镍基变形高温合金，含有较高量的钴及多种强化元素。该合金在815～870℃有较高的抗拉强度和抗蠕变能力、良好的kangyang化性和耐腐蚀性、在冷热反复交替作用下有较高的疲劳强度以及良好的成形性和焊接性。主要供应热轧和冷拉棒材、冷轧板材、带材及冷拉丝材。用于涡轮发动机涡lunpan、叶片、高温紧固件、卡箍、密封圈及弹性元件等。
1.1 Nimonic90材料牌号 Nimonic90。
1.2 Nimonic90相近牌号 GH90(中国)。
1.3 Nimonic90材料的技术标准
1.4 Nimonic90化学成分 见表1-1。
表1-1%
C
Cr
Ni
Co
Al
Ti
Mn
Si
P
S
Ag
Pb
Bi
B
Cu
Fe
Zr
不大于
≤0.13
18.0～21.0
余量
15.0～21.0
1.0～2.0
2.0～3.0
0.4
0.8
0.020
0.015
0.0005
0.0020
0.0001
0.020
0.2
1.5
0.15
注：丝材规定ω(pb)≤0.0010%。
1.5 Nimonic90热处理制度
1.5.1 Nimonic90冷拉棒材：1080℃±10℃,保温时间见表1-2，空冷或水冷+750℃±10℃,4h,空冷。
表1-2
直径或较小截面尺寸mm
≤3
3～6
6～12.5
12.5～25
th
1
2
4
8
1.5.2 Nimonic90薄板和带材（软态）：软化处理1100～1150℃，1～10min，适当介质中冷却＋750℃±10℃,4h,空冷。
1.5.3 Nimonic90薄板和带材（硬态）：700～725℃,4h,空冷。
1.5.4 Nimonic90弹簧用冷拉丝材：600℃±10℃，16h，空冷或650℃±10℃，4h，空冷。
1.5.5 Nimonic90冷拉和固溶处理的弹簧丝材：1080℃±10℃,8h,空冷＋700～750℃，4h，空冷。
1.6 Nimonic90品种规格与供应状态 供应直径或内切圆直径不大于25mm的冷拉棒材或冷拉六角棒材；厚度不大于4mm的冷轧薄板和厚度不大于0.8mm的冷轧带材；直径不大于8mm的弹簧用冷拉丝材。冷拉棒材的供应状态按用途分为：镦锻用棒以冷拉磨光状态交货（当需方需求以固溶状态交货时，应在合同中注明）；机加工用棒材经固溶并除氧化皮状态交货。冷轧薄板和带材（软态）经软化处理、碱酸洗、切边后交货；冷轧薄板和带材（硬态）以冷轧、切边后交货。弹簧用丝材以冷拉状态或冷拉后固溶处理状态交货。
1.7 Nimonic90熔炼与铸造工艺 合金采用下列四种工艺之一进行熔炼：(1)感应熔炼加电渣重熔；(2)真空感应熔炼加电渣重熔；(3)真空感应熔炼加真空电弧重熔；(4)真空感应熔炼。
1.8 Nimonic90应用概况与特殊要求 该合金在发动机上用作高温弹簧元件、高温紧固件、燃烧室卡圈、止动销等零部件。在国外还用作涡轮工作叶片、涡等零部件。
二、Nimonic90物理及化学性能
2.1 Nimonic90热性能
2.1.1 Nimonic90熔化温度范围 熔点1400℃[1]。
2.1.2 Nimonic90热导率 见表2-1。
表2-1[1]
θ℃
600
700
800
λ(W(m·℃))
21.76
23.93
25.57
2.1.3 Nimonic90线膨胀系数 见表2-2。
表2-2[2]
θ℃
20～100
20～200
20～300
20～400
20～500
20～600
20～700
20～800
20～900
α110-6℃-1
12.71
13.09
13.51
14.04
14.52
15.03
15.58
16.36
17.38
2.2 Nimonic90密度 ρ=8.20gcm3。
2.3 Nimonic90电性能
2.4 Nimonic90磁性能 合金无磁性。
2.5 Nimonic90化学性能 合金在1040℃以下具有良好的化性和耐腐蚀性能；在1040℃以上时易产生晶间氧化。
三、Nimonic90力学性能
3.1 Nimonic90技术标准规定的性能
3.1.1 Nimonic90冷拉棒材技术标准规定的性能见表3-1。
表3-1
技术标准
θ℃
拉伸性能
持久性能
σbMPa
σP0.2MPa
δ5%
σMPa
th
不小于
WS9 7016-1996
650
820
590
8
-
-
870
-
-
-
140
≥30
注：固溶状态供应的棒材，力学性能试样只进行时效处理。
3.1.2 Nimonic90冷轧薄板和带材（软态）技术标准规定的性能见表3-2。
表3-2
技术标准 θ℃ 成品厚度mm 拉伸性能 硬度HV 持久性能
σbMPa σP0.2MPa δ5% σMPa th
不小于
WS9 7087-1996 室温 0.25～0.35 1080 695 15 ≥280 - -
0.35～0.45 1080 695 20
0.45 1080 695 25
870 所有 - - - - 140 ≥30
注：持久试验的试样热处理制度：供应状态＋1080℃±10℃,8h,空冷＋700℃±10℃,16h,空冷。
3.1.3 Nimonic90冷轧薄板和带材（硬态）技术标准规定的性能见表3-3。
表3-3
技术标准
θ℃
拉伸性能
σbMPa
σP0.2MPa
WS9 7086-1996
室温
1390～1620
≥1030
3.1.4 Nimonic90弹簧用丝材技术标准规定的性能见表3-4。
表3-4
技术标准
θ℃
成品厚度mm
拉伸性能
持久性能
σbMPa
σP0.2MPa
δ5%
σMPa
th
不小于
WS9 7014-1996
室温
≤1.0
1540
-
-
-
-
1.0～5.0
1390
1160
-
5.0～8.0
1310
1000
10
-
-
870
坯料
-
-
-
140
≥30
WS9 7015.1-1996
室温
0.44～0.99
1080
-
15
-
-
0.99～8.0
1080
-
15
-
-
870
坯料
-
-
-
140
≥30
注：进行持久试验的坯料热处理制度：1080℃±10℃,8h,空冷＋700℃±10℃,16h,空冷。
3.1.5 Nimonic90生产检验数据
3.1.5.1 Nimonic90冷拉棒材650℃拉伸性能的统计处理结果见表3-5。
表3-5
技术标准
冶炼工艺
650℃拉伸性能
σbMPa
σP0.2MPa
δ50mm%
WS9 7016-1996
真空感应加电渣
975
670
24
3.1.5.2 Nimonic90弹簧用丝材室温拉伸性能的统计处理结果见表3-6。
表3-6
技术标准
冶炼工艺
丝材直径mm
室温拉伸性能
σbMPa
σP0.2MPa
δ50mm%
WS9 7014-1996
真空感应熔炼
≤1.0
1800
-
-
1.0～5.0
1515
1260
-
WS9 7015.1-1996
0.99～8.0
1180
690
27
四、Nimonic90组织结构
4.1 Nimonic90相变温度
4.2 Nimonic90时间-温度-组织转变曲线
4.3 Nimonic90合金组织结构 合金的主要强化相是γ′-Ni3(Al、Ti)，在晶内以大小不同的方形颗粒状析出，在晶界上也可见到这种形状的γ′相。碳化物在晶界上呈不连续的链状析出[2]。
五、Nimonic90工艺性能与要求
5.1 Nimonic90成形性能 合金在锻造时易产生内裂，不允许重锤打击，不允许低温倒棱。钢锭装炉温度不高于700℃，终加热温度1150℃±10℃，开锻温度不低于1060℃，终锻温度不低于950℃。轧制加热温度1160℃，终轧温度不低于950℃。冷拔材在终中间退火后应进行8%～12%的冷变形。
5.2 Nimonic90焊接性能 合金在固溶状态可进行惰性气体保护钨极电弧焊及闪光对焊。
5.3 Nimonic90零件热处理工艺 零件的热处理工艺按相应的材料技术标准的热处理制度进行。
5.4 Nimonic90表面处理工艺
5.5 Nimonic90切削加工与磨削性能 Nimonic90在固溶处理状态有良好的机械加工性能，在时效处理后使用坚硬刀具按规定进刀量慢速加工。
铸造高温合金叶轮：发动机中,高温合金叶轮位于燃烧室和导向器之后,叶片必须工作于高温腐蚀性燃气环境中,承受高温腐蚀性气体的直接冲击和因此带来的*的热应力和机械应力,容易发生蠕变断裂。此外,叶轮工作时,转数*,导致lunpan部位遭受巨大的机械应 力,lunpan容易开裂。 早期,叶轮的制造方法是将锻造盘和铸造叶片通过机械加工然后装配在一起。这种制造方法周期长,成本高,装配精度不易保证。为了降低叶轮的制造成本,20世纪60年代末出现了将叶片和lunpan连在一起整体铸造的技术,当时主要用作地面涡轮增压器叶轮。随着铸造工艺水平的提高,整铸技术扩大应用到航空发动机上。目前1500kW以下的小型涡轴发动机广泛采用轴向和径向整体铸造叶轮。这不仅降低了叶轮的制造成本,而且避免了榫头装配的应力 。随着铸造技术和高温合金材料 的飞速发展,人们已经可以获得所期望的特定显微 组织的整铸叶轮.
随着航空科学技术的进步和发展,航空发动机的性能不断日益完善和提高,正朝着高推重比、高推力和低油耗、长使用寿命的方向发展。与十年前相比,航空发动机的功率提高了25%,推重比达到(12~15),燃油消耗降低了30%~50%,涡轮进口温度超过了2000??。做为航空发动机核心部分的涡轮(工作叶片与涡lunpan),它的工作条件是相当恶劣,各种发动机用整体铸造叶轮,,其涡轮工作叶片同时承受高温、燃气腐蚀、离心力、弯曲应力、热应力、振动和热疲劳的作用,因此要求叶片除了应具有良好的kangyang化性、耐腐蚀能力和足够高的强度外,还应具有良好的机械疲劳、热疲劳性能以及足够的塑性和冲击韧性。而涡lunpan部分虽然工作温度比工作叶片低,但其应力条件异常复杂,轮毂和辐板等各部位所受应力、温度、介质作用程度不同,因此对涡lunpan的基本性能要求为:高的屈服强度、抗拉强度和塑性,足够的持久、蠕变强度和低循环疲劳强度,良好的耐蚀性能和组织稳定性。基于对涡轮的工作叶片和涡lunpan的不同性能要求,大中型航空发动机的涡轮制造方法是将涡lunpan和工作叶片分别单独制造,然后机械加工装配在一起形成涡轮。这种制造方法可以有针对性的将工作叶片和涡lunpan选用不同的合金材料。一般采用GH高温合金系列和K高温合金系列精铸而成。
