目录
什么是 GH4141 钢？
GH4141 材料的主要特点
GH4141 等效等级
GH4141 化学成分
钢级 GH4141 的机械性能
钢种 GH4141 的物理性能
GH4141 高温合金的应用
GH4141 固溶处理过程中高温合金的晶粒生长行为。1. 测试材料和测试方法2. 测试结果和讨论2.1 固溶温度对合金颗粒生长的影响2.2 保留时间对合金晶粒生长的影响2.3 颗粒生长的动力学建模2.4 颗粒生长动力学模型的验证3. 总结
什么是 GH4141 钢？
GH4141 是 Ni-Cr-Co 系高温合金的沉淀硬化变体，其主要成分包括镍、铬、铁和钼，并依靠 γ' 相和 M、C 型碳化物通过时效析出进行强化。 这种合金可在高达 980°C 的温度下使用，并在 650°C ~ 900°C 范围内表现出非常高的抗拉强度、耐久性和蠕变强度。 这种合金的特点是抗屈服性和高抗疲劳性。 GH4141 在低于 980°C 的情况下使用时，由于其屈服性和抗疲劳性，以及优异的抗氧化性，是板状合金中机械性能最高的之一，XNUMX °C。 出色的机械加工性使其适用于高温环境中的广泛应用，例如导叶、燃烧室板轴承、涡轮转子、导轨、紧固件和高温弹簧。 航空和航天发动机。
GH4141 材料的主要特点
高温强度：GH4141高温合金即使在高温下也能保持高强度和硬度，并具有优异的抗蠕变性和耐久性。
抗氧化性能：GH4141高温合金在高温下具有优异的抗氧化性能，并能抵抗高温氧化和腐蚀。
优异的加工性能：GH4141高温合金具有良好的塑性和韧性，易于加工和制造。
优异的焊接性能：GH4141高温合金易于焊接，焊后具有良好的机械性能。
GH4141 等效等级
中国
美洲
德国
法国
国标
国际生物中心
商业级
AMS 系列
DIN/DIN 系列
W-编号
NF EN/NF
GH4141
（GH141）
H41410
雷内 41
5545
5712
5513
5800
镍铬19钼
2.4973
2.4982
ATG W2
NC20KDTA
GH4141 化学成分
GH4141 化学成分（质量分数） （wt.%）
元素
最小 （≥）
麦克斯。 （≤）
C
0.06
0.12
铬
18
20
莫
9
10.5
镍
–
剩下
公司
10
12
铝
1.4
2
铌
2.5
3.9
钛
2.9
3.5
B
0.003
0.01
铁
–
0.5
钢级GH4141 的机械性能
R第 0.2 页 （百万帕）
923 （≧）
Rm （百万帕）
465 （≧）
冲击 KV （J）
22
伸长率 A （%）
11
可用区 （%）
31
配送至
解决方案与老化，Anne，Auding，Q+T
硬度 HB
134
钢种 GH4141 的物理性能
财产
357 （≧）
密度：kg/dm3
555 （≧）
温度：T °C/F
12
比热 J/kgK
34
导热系数 W/mK
41
电阻：μΩ·cm
溶液和老化，退火，Auding，Q+T等。
温度 °C/°F
489
蠕变应变极限 （10000h） （RP1,0）N/毫米2
927
蠕变断裂强度 （10000h） （R）P1,0）N/毫米2
185
GH4141 高温合金的应用
GH4141 广泛应用于航空航天、石化、化工设备、汽车制造等领域。 其主要用途包括：
高温元件：GH4141 具有优异的高温稳定性和耐腐蚀性，适用于飞机发动机、煤气轮机、航天器等高温工作环境中的制造零件。
化工设备：GH4141 广泛应用于化工设备领域生产耐腐蚀、高温反应器、换热器、蒸发器等设备。
汽车制造：GH4141 还可用于汽车制造领域，如生产排气管、涡轮增压器等汽车排气系统零件，可承受高温和腐蚀性环境。
GH4141 高温合金的晶粒生长行为：固溶处理
GH4141 合金具有较大的变形能力、较窄的锻造温度范围和低热塑性，因此该合金的研究主要集中在均质热处理、热变形和再结晶方面。 当合金的再结晶完成时，由于热变形引起的变形储存能量被释放出来，但合金的内部组织仍然不稳定。 该组织包含大量的晶界。 为了降低总界面能，颗粒往往会增长。 在高速锻造和精密锻造过程中，在锻造前的保压阶段和锻造后的热处理阶段之间，合金组织面临晶粒生长和粗化的现象，对合金的组织和性能产生很大影响。 如果无法进行过程控制，则很可能发生晶体粗化和晶体污染以及其他缺陷。 在 1100°C 或更高的固溶处理中，晶粒的生长显着，晶粒生长与 γ' 相和碳化物的溶解之间存在密切关系。 因此，研究GH4141合金在不同固溶体温度和保留时间下的颗粒生长行为，明确合金颗粒生长的拐点，建立颗粒生长的动力学模型具有重要意义，对配方非常重要。 合金的热变形和热处理过程的描述。
1. 测试材料和测试方法
用于测试的 GH4141 合金为 φ250mm 锻棒，测得的化学成分见表 1。 对于锻件组织分析和固溶处理，在锻棒半径的 15/15 处采集 15 mm × 1 mm × 2 mm 的试样。 合金原始锻造状态的组织如图 1 所示。 图 1 显示了合金在奥氏体结构、晶界和晶界方面的原始结构，其中分布着少量平均晶粒尺寸为 66 μm 的碳化物。
表 1 GH4141 合金的化学成分（质量分数，%）
C
铬
公司
莫
铝
钛
B
铁
镍
0.08
18.86
10.83
9.76
1.56
3.25
0.006
2.86
津贴
图 2 GH4141 合金在不同固溶温度下保温 10 min 后的微观结构
（a） 1040°C。 （b） 1060°C。 （c） 1080°C。 （d） 1100°C。 （e） 1120°C。 （f） 1140°C
图 1 GH4141 合金的主要结构
固溶处理在箱式电阻炉中进行。 固溶温度为1040、1060、1080、1100、1120、1140°C，保温时间为10、30、60、120、180分钟，空气冷却结束后冷却至室温。 经过固溶处理的试样经过研磨、抛光和腐蚀。 用光学显微镜和扫描电子显微镜观察样品的组织和沉淀物相，并使用 Image-Pro Plus 软件测量平均粒径。 腐蚀性液体的比例为 20 mL 盐酸 + 20 mL 无水乙醇 + 1.5 g 硫酸铜。
2. 测试结果和讨论
2.1 固溶温度对合金颗粒生长的影响
图 2 显示了 GH4141 合金在各种固溶体温度下保持 10 分钟后的微观结构。 由此可见，随着固溶体温度的升高，合金颗粒趋于逐渐生长。 然而，在 ≤ 1080 °C 的温度下，晶粒生长较小。 当温度升至 1100°C 以上时，谷物生长显着。 在不同温度下保持 30 、 60 、 120 和 180 分钟后，微观结构变化的模式与 10 分钟基本相同。 图 4141 显示了在 GH3 合金平均粒度下测量不同固溶体温度和保持时间的结果。 在相同的保留时间下，可以看出粒径根据固溶体温度逐渐增大。 在保留时间为 3 分钟且固溶体温度为 10°C 时，与原始组织相比，平均粒径增加了 1040 μm。 当固溶体温度为 1060、1080、11°C 时，平均粒径增加了 13、19、1100 μm。 结合图 1120 可以看出，当温度低于 1140°C 时，HH40 合金的平均晶粒尺寸随着固溶体温度的升高而增加。 当温度低于 48°C 时，生长曲线的斜率较小，颗粒生长速率小。 当温度高于 56°C 时，曲线的斜率增加，颗粒生长速率明显加快。 由于晶粒生长的本质是晶界的运动，因此其驱动力主要是晶界的界面能。 固溶体温度升高，金属原子活性增加，晶界转移驱动力增加，晶界转移速度加快，晶粒迅速生长。 此外，析出相也极大地影响了合金颗粒的生长过程。 结果表明，GH3 合金的晶粒生长与 γ' 相和碳化物的溶解密切相关。
图 3 固溶体温度对 GH4141 合金平均晶粒尺寸的影响
图 4 GH4141 合金碳化物在不同温度和时间固溶后的 SEM 照片
（a-c） 1080 °C; （d-f） 1100 °C。 （a， d） 10 分钟。 （b， e） 60 分钟。 （c、f） 180 分钟
图 4 显示了 GH4141 合金在 1080°C 和 1100°C 下不同时间固溶处理后的扫描电子显微照片。 如图 4 所示，在 1080°C 下进行固溶处理会在组织中分布更多的碳化物，导致在晶界处产生大量细小的碳化物颗粒。 在 1100°C 的固溶温度下，晶界相对干净，原始晶界中的细小碳化物完全溶解并返回。 在固溶体中，温度继续升高，绝缘时间延长，碳化物继续重熔，残留碳化物的数量大大减少，并且通常会析出较小尺寸的 GH4141 合金 γ' 相。 1050°C，温度>1050°C，大量γ'相重熔。 在 6°C 的温度下，析出大量的 M1080C 碳化物，在 >1080°C 的温度下，M6C 碳化物逐渐溶解并返回。 因此，在 1080°C 以下的固溶处理中，晶界运动中 γ' 相的结构和碳化物表现出明显的钉扎效应。 粮食生长缓慢。 当固溶体温度高于 1100°C 时，大量的 γ' 相和 M6C 碳化物会重新熔化，钉扎效果会减弱，晶粒会显着生长。
2.2 保留时间对合金晶粒生长的影响
图 5 显示了 GH4141 合金在 1080°C 下保持 30、60、120 和 180 分钟后的微观结构。 结合图 2 （c） 时，可以看出，当保留时间较短时，合金晶粒会迅速生长。 保留时间越长，晶粒的生长越慢。 在 10 °C 下保留 30、60、120、180 和 1080 分钟后，平均粒径与原始组织相比分别增加了 19、23、37、38、45 μm，颗粒的生长速率也增加了。 保留时间超过 60 分钟后，它显著下降。 图 6 显示了不同加热温度下平均粒径随保留时间的变化。 从图 6 中可以看出，在不同固溶体温度下，颗粒生长曲线明显呈抛物线状，并且在保留期间颗粒生长迅速。 时间不到 60 分钟。 当保留时间大于 60 分钟时，随着保留时间的延长，颗粒的生长趋于逐渐趋于平缓。 在一定温度下，初始绝缘中晶粒尺寸小，晶界面积大，晶界生长速度快，晶界面积随保温时间的增加而减小。 颗粒的生长速度减慢。
图 5 GH4141 合金在 1080°C 固溶体中不同时间的显微组织
（a） 三十 （30 分钟）。 （b） 60 分钟。 （c） 120 分钟。 （d） 180 分钟
图 6 固溶体保留时间对 GH4141 合金平均粒径的影响
2.3 颗粒生长的动力学建模
目前，预测奥氏体晶粒正常生长模式的模型通常分别取自 Sellars 或 Anelli 提出的模型。
dn - NSn0 = Atexp（-Q/RT） （1）
d – d0 = 在mexp（-Q/RT） （2）
在公式中：
t 是保持时间，分钟。
d 为固溶处理后的平均粒径，μm。
d0 是初始平均粒径 μm。
T 是热处理温度 K。
R 是气体常数，8.314 J/（mol. K);
Q 是粒子生长的活化能，J/mol。
m、n 和 A 是检验常数。
这两个模型本质上是相同的，在本文中，Sellars 模型用于描述 GH4141 合金的晶粒生长行为。 要确定模型常数，请找到方程的两端 （XNUMX）。 （XNUMX） 以对数方式计算并组织起来，得出以下结果：
ln（dn - NSn0） = lnA + lnt – Q/RT （3）
由于 n 的值未知，因此无法通过线性回归直接获得模型的各个参数。 因此，表达式中 n 的值如下所示： 是 n=1、2、3、4...... Q 和 A 值是通过基于实验数据的线性拟合方法得出的。 为了提高模型的准确性，基于模型计算的平均粒径与每个 n 值对应的实验值的比较，使用模型计算的值与实验值之间的平方误差之和作为目标函数。 y（n）。
（4）
在公式中：
dc 和 de 分别是平均粒径的计算值和实验值。
N 是具有不同 n 值的组数。
最小方差和与最小值对应的 n 个值用作优化目标。 如图 10 所示，我们可以看到 y （n） 的最小值介于 n = 20 ~ 7 之间，我们拟合多项式方程以获得 y（n） 与 n 的曲线。 正方形的最小值为 n=13.8。 将 n=13.8 代入方程。 （3）、A = 2.5 × 1065，获得 Q = 1 062 091 J/mol。 GH4141 合金颗粒生长的最终动力学模型如下：
d13.8 = 天13.80 + 2.5 × 1065tex （-1 062 091/RT） （5）
图 7 GH4141 合金平均粒度误差平方和与 n 值的关系
2.4 颗粒生长动力学模型的验证
将不同的固溶温度和保留时间代入方程 （5），计算不同条件下的奥氏体平均粒径，并将模型计算值与实验值进行比较。 结果如图 8 所示。 两者的相关系数为 R = 0.959 21，说明模型的计算值和实验值基本相同。
图 8 GH4141 合金建模的平均晶粒尺寸与测试的平均晶粒尺寸的比较
图 9 GH4141 合金在不同固溶体温度下的平均粒径：计算值与实验值与保留时间的关系
图 9 显示了 GH4141 合金在不同固溶体温度下保留时间的计算值和实验值的变化。 研究发现，随着保留时间的增加，所建立的颗粒生长模型也变为抛物线，模型在不同温度下的计算和实验值显示出良好的一致性，表明所建立的GH4141合金颗粒生长模型具有很高的精度。
3. 总结
当 GH4141 合金的固体熔化温度低于 1080 °C 时，晶粒的生长不明显。 当温度升至 1100°C 以上时，谷物生长显着。 当固体熔化温度为 1040-1140°C 时，如果保持时间小于或等于 60 分钟，晶粒尺寸将迅速增长。 当保留时间大于 60 分钟时，随着保留时间的增加，晶粒生长趋势趋于平稳，晶粒尺寸趋于稳定。
GH4141合金颗粒生长的动力学模型如下：8 = 天13.80 + 2,5×1065 tex （-1 062 091/RT）。
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