一种高Nb型GH4169合金长期时效性能退化的预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高温合金寿命评估技术领域，特别是提供了一种高Nb型GH4169高温 合金长期时效性能退化的预测方法。
【背景技术】
[0002] GH4169合金由于具有优异的力学性能、良好的热工艺和焊接性能，被广泛应用于 航空、航天、石油、化工及能源等各个领域，在世界众多变形高温合金中占有绝对优势地位 [庄景云.变形高温合金GH4169[M].冶金工业出版社，2006:123-126. ]。GH4169合金是以 γ "相为主要强化相的沉淀析出型镍基高温合金，经标准热处理后，其高温下主要存在相 有γ "相、γ ^相、δ相以及MC相。其中亚稳相γ "相弥散分布在基体中起到主要强化 作用，γ'相弥散分布起辅助强化作用，当温度超过650Γ时，γ"相将逐渐失去与基体的 共格关系而易于粗化或转化为S相。
[0003] 随着发动机使用性能的要求越来越高，对于高温合金的使用温度也提出了更高的 要求，由于合金中的主要强化相γ"相易于粗化和转化为δ相使合金性能急剧降低或失 效成为限制发动机使用温度提高的瓶颈。因此，近年来国内外都致力于GH4169合金的改型 工作，以期提高其综合性能和使用温度一一一种是通过改变固溶元素如W、Co元素含量以增 强γ基体；另一种是通过调整主元素Al、Ti和Nb的含量以控制γ "相和γ ^相的沉淀 析出行为[董建新.Inconel 718高温合金的发展[J].兵器材料科学与工程，1996,19(2): 46-50. ]〇
[0004] Nb元素是GH419合金的主要强化元素，它参与形成合金最重要的强化相γ 〃相 (Ni3Nb)[谢锡善，董建新，付书红，等.γ "和γ '相强化的Ni-Fe基高温合金GH4169的研 究与发展[J].金属学报，2010，11 :5.]。而γ〃相数量是决定GH4169合金强度的根本原 因，提高合金中的Nb含量，能够增加材料中γ "相的数量，使材料的强度也随之提高。
[0005] 现代的航空及航天发动机等热端部件在要求越来越强大的动力和效率的同时，也 愈发关注到所用合金使用效率和经济效益。这就要求一方面可以研制出制造成本较低、在 高温下更稳定的新型高温合金，一方面提高涡轮盘寿命评估准确性，延长涡轮盘服役时间。 发动机性能的提高和延寿，对合金热强性、长期组织稳定性提出了更高的要求。不仅要具有 高合金化高强高温合金，而且要对长期时效力学性能进行准确预报。随着合金化程度的提 高，材料在服役过程中的组织退化规律及性能演变更加复杂，这就大大限制了合金服役寿 命推导的准确性。因此，关注高Nb型高温合金长期组织及性能的稳定性，并尽量准确的预 测推导其寿命具有重大意义。
[0006] 为预测高温服役部件的剩余寿命，人们建立了多种材料性能模型以进行分析计 算，如：蠕变模型、低周疲劳、高周疲劳、腐蚀模型等，其中蠕变模型发展得比较完善和成熟。 其剩余寿命预测方法，归纳起来可以分为两类：
[0007] (1)根据运行一段时间后高温部件的性能和状态（如材料的显微组织、持久强度、 蠕胀、空洞或裂纹等），通过实验建立这些参数和短时持久强度的关系，再利用外推法确定 实际使用温度、应力下的剩余寿命。
[0008] (2)用无损检测法，如超声检测裂纹长度、涡流检测渗碳层厚度来评价高温部件的 剩余寿命。
[0009] 根据抽样检测的结果预测合金的剩余性能，应用统计分析的方法比较合理。在 稍后提到的非线性多元回归方法就是利用了统计学原理。目前常用的外推法高温材 料蠕变速率方程为：
，式中:蠕变速度；Q :蠕变激活能；T :绝对温 度；R :气体常数。经过推导可得T (C+lgtr) = P ( σ )，即为Larson-Miller参数外推 法[Yao Zhihao, Zhang Maicang, Dong Jianxin. Stress rupture fracture model and microstructure evolution for ffaspaloy, Metallurgical and Materials Transactions A, 2013, 44 (7) : 3084-3098.]。本文通过大量实验针对高Nb型GH4169合金开展了长期的时 效组织与性能之间演变规律研究，推导出其硬度性能衰减的理论方程，为指导该合金的长 期安全使用提供了理论方法。
[0010] 本发明主要关注高Nb型GH4169类高温合金长期组织性能稳定性演变规律，并建 立一种评价预测方法，为该合金热端部件的服役损伤和失效规律提供参考依据。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的是提出一种高Nb型GH4169合金长期时效性能退化的预测方法，可 以通过一种性能预测方法实现不同温度、时间的硬度性能的预测，为该合金热端部件的应 用提供理论方法及数据支撑。
[0012] 本发明的技术方案是提供一种高Nb型GH4169高温合金长期时效性能退化的预测 方法，该方法包括以下步骤如：
[0013] 始组织及性能，热处理制度为：975± 10 °C X lh，空冷；720± 10 °C X8h，以 50±10°(：/11炉冷至 620±101€\811;
[0014] 步骤2.计算实验值：以经步骤1处理后得到的合金为基础，将合金在一定时效温 度下，不同时效时间t下分别进行时效实验，得到相应时效时间值的合金综合力学性能硬 度值P，将得到实验值；
[0015] 步骤3 :依据步骤2获得的实验值，基于长期时效性能预测模型的构建及验证，
[0016] 其长期时效性能预测模型如下：
[0018] 其中，P(t)代表合金经过长期时效后性能硬度的变化函数，t代表合金长期时效 的时间值，A。，Ap A2, A3为待定参数，
[0019] 其中，利用如上构建的指数衰减函数P(t)与经步骤2实际获得的合金实际数据 心，Pp t2, P2.......t"，P"，根据最小二乘理论进行拟合验证，从而获得该函数各个待定参数 值AQ-A3,最终得到相关系数R2达到90%以上。
[0020] 进一步，该方法还包括步骤4 :当得到相关系数为90%以下，当采用分段函数基于 长期时效性能预测模型的构建及进行再次验证，其长期时效性能预测模型如下：
[0023] 其中，P(t)为合金经过长期时效后性能硬度的变化函数，t为合金长期时效的时 间值，ti为时效的时间值最小值，t "为时效的时间值最大值，最小值I，A yApAy ......Ai，为 待定参数，i为整数。
[0024] 进一步，所述的高Nb型GH4169高温合金的各个成分的质量百分比为：C:彡0.08 ; Cr ：17. 0-21. 0 ；Ni ：50. 0-55. 0 ；Co ^ 1. 0 ；Mo ：2. 80-3. 30 ；A1 ：0. 3〇-〇. 70 ；Ti ：0. 75-1. 15 ； Nb :5. 25-5. 75 ;B :彡 0· 006 ;P 彡 0· 015 ;S 彡 0· 001 ;Co :0· 008 ;Fe 余量。
[0025] 本发明的有益效果是：将本发明应用于高Nb型GH4169高温合金长期性能退化的 预测过程具有可靠的准确性和工程价值。本发明提供了高Nb型GH4169高温合金长期性能 退化的预测方法，利用该技术工艺方法可对该高温合金长期服役时效性能进行有效预测和 评价，以提高合金服役的效率及安全性。本发明其他的特点将在后面对实例的详细介绍中 体现，但本发明的范围不局限于此优选实施例。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明实施例1中高Nb型GH4169合金经过720°C长期时效10000h性能 (硬度）演变预测值及实验值。
[0027] 图2为本发明实施例1中高Nb型GH4169合金经过720°C长期时效10000h后的显 微组织特征。
[0028] 图3为本发明实施例2中高Nb型GH4169合金经过700°C长期时效5000h性能（硬 度）演变预测值及实验值。
[0029] 图4为本发明实施例3中高Nb型GH4169合金经过650°C长期时效4000h性能（硬 度）演变预测值及实验值。
【具体实施方式】
[0030] 下面将结合附图和实施例对本发明进一步的详细说明。
[0031] 本发明一种高Nb型GH4169合金长期时效性能退化的预测方法，具体包括以下步 骤：
[0032] 始组织及性能，热处理制度为：975± 10 °C X lh，空冷；720± 10 °C X8h，以 50±10°(：/11炉冷至 620±101€\811;
[0033] 步骤2.计算实验值：以经步骤1处理后得到的合金为基础，将合金在一定时效温 度下，不同时效时间t下分别进行时效实验，得到相应时效时间值的合金综合力学性能硬 度值P，将得到实验值，用；
[0034] 步骤3 :依据步骤2获得的实验值，基于长期时效性能预测模型的构建及验证，其 长期时效性能预测模型如下：
[0036] 其中，P(t)代表合金经过长期时效后性能硬度的变化函数，t代表合金长期时效 的时间值，A。，Ap A2, A3为待定参数，
[0037] 其中，利用如上构建的指数衰减函数P(t)与经步骤2实际获得的合金实际数据 心，Pp t2, P2.......t"，P"，根据最小二乘理论进行拟合验证，从而获得该函数各个待定参数 值AQ-A3,最终得到相关系数R2达到90%以上。
[0038] 进一步，该方法还包括步骤4 :当得到相关系数为90%以下，当采用分段函数基于 长期时效性能预测模型的构建及进行再次验