GH901高温合金

概述

GH901是一种镍-铁基沉淀硬化型高温合金，对应美国牌号Incoloy 901，属于奥氏体型时效硬化合金。该合金以Fe-43Ni-12Cr为基体，通过添加钛、铝及钼等强化元素，并含有微量的硼和较低的碳，以亚稳的γ'相[Ni₃(Ti,Al)]进行弥散强化。GH901在650℃以下具有较高的屈服强度和持久强度，760℃以下抗氧化性良好，长期使用组织稳定，是早期发展的较成熟合金，广泛应用于航空航天、能源及化工领域的高温部件制造。

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化学成分

GH901的化学成分精密配比，各元素含量范围如下：

元素

含量范围

主要作用

镍(Ni)

40.0-45.0%

基体元素，提供高温稳定性

铁(Fe)

余量

基体主要成分，降低成本

铬(Cr)

11.0-14.0%

抗氧化和耐腐蚀

钼(Mo)

5.0-6.5%

固溶强化，提高高温强度

钛(Ti)

2.8-3.3%

形成γ'相(Ni₃Ti)，沉淀强化

铝(Al)

0.2-0.6%

辅助γ'相形成，增强时效硬化

碳(C)

≤0.05%

控制晶界析出物

硼(B)

0.01-0.02%

抑制晶界脆化，提高晶界强度

锰(Mn)

≤0.50%

脱氧、改善加工性

硅(Si)

≤0.50%

脱氧剂

硫(S)

≤0.015%

杂质控制

磷(P)

≤0.020%

杂质控制

物理性能

GH901高温合金具有以下突出的物理性能：


  • 密度：约8.21 g/cm³

  • 熔点：1360℃

  • 热导率：在100℃时为12.0 W/(m·K)，随温度升高而增加，1000℃时达25.1 W/(m·K)

  • 线膨胀系数：20-100℃时为13.5×10⁻⁶/℃，20-900℃时为16.5×10⁻⁶/℃，与铁素体钢接近，利于异种材料连接

  • 热扩散率：20℃时为2.66×10⁻⁶ m²/s，950℃时达4.11×10⁻⁶ m²/s

  • 电阻率：20℃时为1.073×10⁻⁶ Ω·m，随温度升高而增加

  • 磁性能：合金无磁性

力学性能

室温力学性能（时效态）


  • 抗拉强度：≥1000 MPa

  • 屈服强度：≥700 MPa

  • 延伸率：≥15%

  • 硬度：HRC 30-40（时效处理后）

高温力学性能

GH901在高温环境下表现出卓越的性能：


  • 高温强度：在650-750℃下仍保持高抗拉强度（≥800 MPa），适用于长期高温服役

  • 持久强度：在650℃以下具有较高的持久强度，抗蠕变性能优异

  • 抗疲劳性能：具有良好的抗高周疲劳和低周疲劳能力，特别适合承受交变载荷的部件

抗氧化与耐腐蚀性能


  • 抗氧化性：在800℃以下具有优异的抗氧化性，表面形成致密Cr₂O₃保护层。在空气介质中试验100小时后，600-800℃温度区间的氧化速率均保持在较低水平

  • 耐腐蚀性：耐燃气腐蚀、硫化和氯化物环境腐蚀，适用于燃气轮机叶片和燃烧室部件。在盐酸溶液中，GH901耐腐蚀性能合金容易产生点耐蚀

热处理工艺

GH901通过固溶处理+时效处理实现沉淀强化，典型工艺如下：

固溶处理


  • 温度：1090-1150℃

  • 保温时间：1-2小时（根据工件厚度调整）

  • 冷却方式：水冷或油冷（快速冷却抑制γ'相析出，保留过饱和固溶体）

时效处理


  • 第一阶段：720±10℃保温8小时，炉冷至620℃（控制冷却速率≤55℃/h）

  • 第二阶段：620±10℃保温8小时，空冷

作用：析出细小均匀的γ'相(Ni₃Ti/Al)，显著提升强度和硬度。γ'相弥散分布于晶内，直径约为14-20nm，约占合金重量的10%-12%。

加工性能

热加工性能

GH901具有良好的热成形性能，变形抗力约为GH2132合金的3倍。热加工温度范围为950-1180℃，需避免低温脆性区（<800℃）。铸锭锻造加热温度1140-1160℃，终锻温度不低于950℃。较大的铸锭不允许直接冷至室温，而应热搬运直接移入锻造加热炉，以防止冷却和再加热时通过时效温度区间。

冷加工性能

合金在固溶和稳定化处理后显示出良好的加工性，即使在时效处理后也可加工。使用硬质合金刀具，应有正倾角，并保持刀口锋利。推荐采用硫基油润滑冷却液，但必须在高温加热前清除干净。

焊接性能

可以进行氩弧焊，采用GH901合金焊丝。焊后需进行完整的固溶+时效热处理，以恢复焊缝及热影响区的性能。

切削加工

磨削加工应注意磨削方向，避免使零件表面产生残余拉应力，若不能避免时，应进行喷丸处理。零件表面磨削建议采用橡胶砂轮。

应用领域

GH901高温合金凭借其优异的高温强度、抗氧化性和组织稳定性，广泛应用于以下领域：

航空航天领域


  • 航空发动机涡轮盘、压气机盘、轴颈等转动盘形件

  • 静结构件、涡轮外环及紧固件

  • 燃烧室火焰筒、涡轮叶片

能源与化工领域


  • 地面燃气涡轮发动机转动件和静结构件

  • 烟气脱硫系统(FGD)搅拌器、热交换器

  • 耐酸环境设备（如乙酸酐反应器、氢氟酸反应器）

  • 核反应堆热交换管、控制棒驱动机构

高端工业领域


  • 船用柴油机SO₂洗涤器

  • 地热能源部件

  • 高温阀门、泵轴、法兰

  • 高强度紧固件（螺栓、螺母）

技术标准

GH901的技术标准包括：


  • WS9-7029坯一1996《GH901合金轴用棒材》

  • WS9-7029盘坯一1996《GH901合金转动件用饼坯》

  • WS9-7029锻件一1996《GH901合金盘、轴锻件》

  • WS9-7031—1996《GH901合金热轧和锻制棒材》

  • WS9-7031环坯一1996《GH901合金轧环件用环坯》

  • WS9-7031环件一1996《GH901合金轧环件》

  • WS9-7032—1996《GH901合金闪光焊接环形件型材》

使用注意事项


  2. 温度限制：长期使用温度≤650℃，短期可承受760℃

  4. 腐蚀环境：耐氯化物应力腐蚀，但还原性酸（如盐酸）中耐蚀性较弱

  6. 加工敏感性：锻造参数不当易导致晶粒不均匀和缺口敏感，需严格工艺控制

  8. 热处理要求：必须严格按照热处理规范执行，避免超温或强还原性腐蚀环境

GH901高温合金作为高温高应力场景下的"性价比之选"，其独特的γ'相强化机制与铁镍基设计，在650℃以下实现了强度、抗氧化性及成本的平衡，在航空航天、能源化工等高端制造领域具有不可替代的地位。