GH2135是一种Fe-Ni-Cr基沉淀硬化型变形高温合金

GH2135高温合金全面解析

概述

GH2135是一种Fe-Ni-Cr基沉淀硬化型变形高温合金，其旧牌号为GH135，相当于俄罗斯的ЭИ481合金。该合金主要以形成VC强化相进行沉淀强化，长期使用温度范围为500℃-1000℃，在650℃-800℃区间内表现出优良的物理和力学性能。GH2135具有成分简单、组织稳定性好等特点，是航空、航天和燃气涡轮机等领域的关键材料，尤其适用于制造航空发动机涡轮盘、承力环和紧固件等高温部件。

该合金在高温合金系列中产量较大、应用较广，虽然使用温度相对较低，但因其良好的综合性能和相对经济的成本，在中等温度工作环境下仍具有重要地位。其主要产品形式包括盘件、环件、热轧棒材、冷拉型材、板材和锻件等，能够满足不同高温部件的加工需求。

化学成分与强化机制

化学成分特点

GH2135合金的化学成分设计精心平衡，各元素含量范围控制严格：

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• （0.06%-0.12%）：是形成VC强化相的关键元素
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• （14.0%-16.0%）：提供抗氧化和耐腐蚀能力
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• （33.0%-36.0%）：稳定奥氏体组织
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• （1.70%-2.20%）和（1.70%-2.20%）：固溶强化，提高高温强度
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• （1.25%-1.55%）：主要强化元素，形成VC沉淀相
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• （2.00%-2.80%）和（2.10%-2.50%）：形成γ'沉淀强化相
• 
  
• ：作为基体元素，占余量

此外，硼、铈等微量元素被严格控制在较低水平，磷、硫等有害杂质被限制在≤0.020%，以确保材料的高温性能。

强化机制

GH2135合金的主要强化机制是沉淀硬化，通过钒与碳形成细小的VC强化相在基体中弥散分布，从而提高合金的强度和硬度。铬、钼、钨等元素则主要通过固溶强化机制提高基体强度。镍的主要作用是稳定奥氏体基体，确保合金在高温下具有稳定的组织结构。

铝和钛元素与镍形成γ'相（Ni₃(Al,Ti)），通过时效处理实现纳米级析出强化。这种多相强化机制使GH2135合金在高温下保持稳定的力学性能。通过精确控制热处理工艺，可以优化强化相的尺寸、分布和数量，从而获得理想的力学性能组合。

物理与机械性能

物理性能

GH2135合金的密度为7.95 g/cm³，具有适中的物理特性。其线膨胀系数为14.5×10⁻⁶/℃（20-800℃），热导率在800℃时为18.6 W/(m·K)。这些特性使该合金在高温环境下具有良好的尺寸稳定性和热稳定性。

机械性能

GH2135合金在室温和高温下均表现出优异的力学性能：

室温性能：

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• 抗拉强度 ≥ 900 MPa
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• 屈服强度 ≥ 600 MPa
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• 伸长率 ≥ 15%
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• 断面收缩率 ≥ 16%
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• 布氏硬度约270-350 HB

高温性能：

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• 800℃时抗拉强度 ≥ 715 MPa
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• 800℃/100h持久强度 ≥ 230 MPa
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• 650℃低周疲劳寿命（应变幅0.5%）> 10⁴次

该合金最显著的特点是屈服强度随温度升高而增加，直到750℃才开始缓慢降低，这一反常现象使其在高温环境下具有独特的优势。

热处理工艺

GH2135合金的性能高度依赖于热处理工艺，标准热处理制度包括三个关键阶段：

1. 
   
2. 固溶处理：1080℃±10℃保温后空冷，使合金元素充分溶解
3. 
   
4. 中间处理：830℃±10℃保温8小时后空冷
5. 
   
6. 时效处理：700℃±10℃保温16小时后空冷

对于特殊要求的部件，可采用细晶化工艺＋直接时效处理：经控制热变形得到细晶粒组织后，在830℃×8h/空冷 + 700℃×16h/空冷。这种工艺处理的合金可用于制造500℃-700℃的高屈服、高疲劳性能盘件及长寿命转子叶片。

热处理过程中，VC在700℃-800℃大量析出，而在1100℃-1120℃基本溶解，这一特性是合金性能调控的基础。通过精确控制热处理参数，可以优化强化相的析出行为，获得理想的晶粒组织和性能匹配。

加工与焊接特性

GH2135合金具有良好的热加工塑性，易于进行锻造、轧制等热加工操作。该合金在高温下具有较宽的变形温度范围，但需要合理控制加工参数以避免组织不均匀或性能下降。

合金的切削加工性能相对较差，在机械加工时需要采用适当的工艺参数和刀具材料。对于箔材（厚度0.05-0.5mm）等特殊规格产品，通常通过精密轧制技术制备，采用20辊森吉米尔轧机，道次压下率控制在8%-12%，以获得最佳表面质量。

在焊接方面，GH2135可采用常规焊接方法，但需注意控制焊接热输入。经表面渗铝处理后，合金的抗氧化性能可得到显著提升，适用于更高温度的使用环境。

应用领域

GH2135合金广泛应用于高温承力部件，主要应用领域包括：

航空航天领域：

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• 航空发动机涡轮盘、导流盘、燃烧室部件
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• 航天器用高温紧固件、承力环结构件

能源装备领域：

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• 燃气轮机过渡段隔热衬垫、叶片
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• 核反应堆控制棒导向薄壁组件

工业装备领域：

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• 750℃-850℃锤砧子和水压机砧子
• 
  
• 热冲压模具、高温紧固件

该合金特别适合制造在500℃-1000℃范围内工作的结构件，是高温环境下关键部件的优选材料。在航空发动机上，GH2135合金已用于制造涡轮盘和紧固件等承力部件，已经过了长期的使用考验。

总结

GH2135作为一种经典的Fe-Ni-Cr基沉淀硬化型变形高温合金，通过VC相和γ'相沉淀强化，在中等温度范围内具有优异的综合性能。其独特的强度-温度特性（屈服强度随温度升高而增加）使其在高温环境下具有特殊的优势。

虽然该合金存在切削加工性能较差等局限性，但其合理的成分设计、稳定的组织性能以及良好的热加工特性，使其在航空航天、能源和工业装备等领域持续发挥着重要作用。随着制造技术的不断进步，GH2135合金通过精密轧制、表面改性等新工艺，将进一步拓展其应用范围，为高端装备制造提供可靠的材料支持。