GH3113

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GH3113

1 概述

GH3113是我国自主研发的Fe-Ni-Cr基固溶强化型高温合金，属于GH3100系列衍生合金，主要通过铬、镍、钼等元素的固溶强化及微量铌、钛的细化晶粒作用，实现优异的中高温力学性能和耐腐蚀性能。该合金长期使用温度范围为700~900℃，短时最高使用温度可达950℃，在高温下具备良好的强度稳定性、抗氧化性和抗燃气腐蚀能力，同时具有优异的冷热加工成型性和焊接性能。GH3113是航空航天、能源动力等高端装备制造领域的关键高温结构材料，广泛应用于航空发动机燃烧室、涡轮叶片外环、导向叶片、排气装置等高温部件，也可用于工业燃气轮机、核反应堆、高温炉具等设备的高温承力结构件。

2 化学成分

GH3113的化学成分严格遵循GB/T 14992-2005等国内高温合金标准要求，各元素含量范围及核心作用如下表所示（单位：质量分数 %）：
元素
含量范围
主要作用
镍（Ni）
28.0~32.0
核心奥氏体稳定元素，构建并稳定合金的面心立方奥氏体基体，避免高温下发生相变；大幅提升合金的低温韧性和断裂韧性，协同铬、钼优化高温强韧性匹配；改善合金的抗腐蚀性能和抗氧化性能。
铬（Cr）
18.0~22.0
关键抗氧化和耐蚀元素，在高温环境下形成致密、稳定的Cr₂O₃氧化膜，有效阻隔氧、硫等腐蚀性介质的侵蚀；提升合金的固溶强化效果，增强高温强度；改善合金的抗燃气腐蚀和抗硫化性能。
铁（Fe）
余量
基体元素，保证合金的基本力学性能；与镍、铬协同作用稳定奥氏体组织，降低合金成本；适量铁可改善合金的冷热加工性能，提升塑性成型能力。
钼（Mo）
2.50~3.50
强效固溶强化元素，显著提升合金的高温强度和回火稳定性；改善合金的抗点蚀、缝隙腐蚀性能，增强在含氯、含硫介质中的耐蚀性；抑制高温下的蠕变变形，提升抗蠕变性能。
铌（Nb）
0.80~1.50
强碳化物形成元素，与碳形成NbC型细小弥散的碳化物，显著细化晶粒，提升合金的强度和韧性；抑制高温下晶粒长大，改善高温组织稳定性；增强合金的抗疲劳性能和耐磨性能。
钛（Ti）
0.30~0.80
细化晶粒元素，与碳形成TiC型碳化物，辅助细化奥氏体晶粒；提升合金的固溶强化效果，改善高温强韧性；增强氧化膜的附着力，提升高温抗氧化性能。
碳（C）
0.06~0.12
与铌、钛、铬等形成稳定的碳化物，实现沉淀强化和晶界强化；提升合金的高温强度和耐磨性能；含量精准控制，避免过量形成粗大碳化物导致韧性下降。
铝（Al）
0.30~0.80
抗氧化元素，与铬协同作用形成更致密的Al₂O₃-Cr₂O₃复合氧化膜，提升高温抗氧化性能；少量铝可改善合金的韧性和抗疲劳性能。
锰（Mn）
≤1.50
辅助稳定奥氏体组织，改善合金的热加工性能和钢液流动性；适量添加可细化组织，提升塑性，过量易导致高温性能下降。
硅（Si）
≤1.00
脱氧剂，改善钢液纯净度；辅助形成氧化膜，提升高温抗氧化性能；过量易导致脆性相析出，降低韧性。
磷（P）
≤0.030
有害杂质，易在晶界偏聚导致晶界脆化，降低合金的高温韧性和抗疲劳性能；严格控制含量以保障高温服役可靠性。
硫（S）
≤0.020
有害杂质，与锰形成MnS夹杂物，降低合金的塑性、韧性和抗疲劳性能；易导致热加工时产生热脆，严格控制含量以保障加工质量。

3 物理性能

GH3113的物理性能在中高温区间表现稳定，受温度影响规律明确，关键物理参数如下表所示：
性能指标
数值
测试条件
密度
8.05 g/cm³（典型值）
室温（25℃）
熔点范围
1400~1450℃
——
热导率
15.2 W/(m·K)（20℃）；22.5 W/(m·K)（600℃）；28.8 W/(m·K)（900℃）
20℃、600℃、900℃
线膨胀系数
12.1×10⁻⁶ /K（20~200℃）；13.5×10⁻⁶ /K（20~600℃）；14.8×10⁻⁶ /K（20~900℃）
20~200℃、20~600℃、20~900℃
弹性模量
208 GPa（20℃）；185 GPa（600℃）；162 GPa（900℃）
20℃、600℃、900℃
电阻率
1.05×10⁻⁶ Ω·m（20℃）；1.28×10⁻⁶ Ω·m（600℃）
20℃、600℃
磁性
无磁性（奥氏体组织）
室温至900℃
比热容
465 J/(kg·K)（20℃）；620 J/(kg·K)（600℃）；780 J/(kg·K)（900℃）
20℃、600℃、900℃

4 力学性能

GH3113的力学性能主要依赖固溶处理实现，不同热处理状态及温度下的典型力学性能如下表所示：
加工/热处理状态
测试温度（℃）
抗拉强度（σb）≥ MPa
屈服强度（σ0.2）≥ MPa
伸长率（δ5）≥ %
断面收缩率（ψ）≥ %
硬度（HB）
固溶处理（1100~1150℃空冷/水冷）
室温
≥650
≥280
≥35
≥50
≤220
固溶处理（1100~1150℃空冷/水冷）
600
≥520
≥240
≥30
≥45
≤200
固溶处理（1100~1150℃空冷/水冷）
800
≥420
≥200
≥25
≥40
≤180
固溶处理（1100~1150℃空冷/水冷）
900
≥350
≥180
≥20
≥35
≤160
热轧/锻制状态
室温
≥750
≥350
≥25
≥40
200~240
注：1. 该合金高温蠕变性能优异，在800℃、100MPa应力条件下，持久寿命可达1000h以上；在900℃、50MPa应力条件下，持久寿命可达500h以上。2. 抗疲劳性能突出，室温对称循环载荷下，疲劳极限（σ-1）可达280MPa以上（10⁷次循环）；800℃时疲劳极限可达180MPa以上。3. 断裂韧性良好，室温KIC值≥80MPa·m¹/²，800℃时KIC值≥60MPa·m¹/²，适合制造承受复杂交变载荷的高温结构件。

5 耐腐蚀性能

GH3113凭借高铬、铝含量及镍的稳定作用，具备优异的高温抗氧化性和良好的耐蚀性能，可在氧化性、燃气腐蚀、含硫等多种严苛环境下稳定服役，具体适用及不适用环境如下：

5.1 适用腐蚀环境

  • 高温氧化环境：在900℃以下静态或动态空气环境中，氧化膜致密且附着力强，长期使用（1000h以上）氧化增重小于0.5g/m²，氧化速率远优于常规耐热钢，可满足航空发动机高温部件的抗氧化需求。
  • 高温燃气腐蚀环境：可耐受航空发动机、工业燃气轮机燃烧产物形成的高温燃气腐蚀（含CO₂、CO、NOₓ、SOₓ等），是燃气轮机燃烧室、导向叶片等部件的理想材料。
  • 含硫腐蚀环境：在高温含硫气体、硫化物介质中具有良好的抗硫化性能，可用于垃圾焚烧炉、燃煤锅炉等含硫高温设备的防护部件。
  • 中性及弱腐蚀介质：对常温下的海水、淡水、中性盐溶液及弱酸性、弱碱性介质具有良好耐蚀性，可用于海洋平台高温辅助设备、核电站辅助部件等。
  • 蒸汽环境：在高温高压蒸汽环境中表现稳定，可用于电站锅炉、汽轮机高温部件及蒸汽管道等。

5.2 不适用腐蚀环境

  • 高温强氧化性酸：在高温浓硝酸、铬酸等强氧化性酸中，表面氧化膜易被破坏，腐蚀速度较快，无法稳定使用。
  • 高浓度氢氟酸：在无缓冲剂的高浓度氢氟酸介质中，腐蚀严重，会导致合金快速失效。
  • 高温熔融盐/碱环境：在高温熔融碱金属盐、氢氧化钠等熔融碱环境中，易发生熔融腐蚀，导致合金性能急剧下降。
  • 强还原性盐酸环境：在常温及高温浓盐酸介质中，易发生均匀腐蚀和点蚀，无法满足长期服役需求。

6 加工工艺

GH3113属于易加工型高温合金，具备良好的冷热加工成型性和优异的焊接性能，但其合金元素含量较高，加工过程中需控制加工温度、变形量及冷却速度，避免加工硬化过度或热应力开裂，关键工艺要点如下：

6.1 热加工

  • 加热温度：锻造装炉温度不超过800℃，采用阶梯式升温（升温速率≤100℃/h），避免温差过大产生热应力；最终加热温度1100~1180℃，开锻温度不低于1050℃，终锻温度不低于950℃，确保合金处于塑性良好的奥氏体温度区间。
  • 保温时间：根据工件厚度调整，一般按每100mm厚度保温60~120分钟控制，确保合金元素均匀固溶，消除铸锭成分偏析和组织不均匀性。
  • 冷却方式：热加工后应采用空冷或风冷，确保冷却均匀；大型、厚壁锻件建议采用缓冷（冷却速率≤25℃/h），避免产生内应力导致开裂。
  • 加工要点：热加工过程中可采用较大变形量，单次变形量控制在25~35%以内，累计变形量不低于60%以破碎铸造晶粒；若加工过程中金属温度降至终锻温度以下，应重新加热后再进行加工，严禁低温硬锻。

6.2 冷加工

  • 加工前提：冷加工可在固溶处理后进行，此时合金塑性最佳；冲压、弯曲、拉拔等工艺需配合专用高温合金润滑剂使用，减少加工硬化和表面划伤。
  • 加工量控制：加工硬化倾向中等，单次冷加工量建议控制在15~20%以内，复杂成型工艺需分阶段进行，避免加工硬化过度导致塑性下降。
  • 中间退火：冷加工量累计超过30%时应设置中间退火工序，退火温度1050~1100℃，保温30~45分钟后空冷，以恢复塑性、消除加工应力。
  • 切削加工：选用硬质合金或高速钢刀具，刀具刃口需锋利，合理设置切削参数（切削速度：5~10m/min，进给量：0.05~0.12mm/r）；加工过程中需充分冷却润滑（推荐使用硫化切削油），降低切削温度，避免粘刀或表面烧伤。

6.3 焊接

  • 焊接方法：焊接性能优异，适合采用手工氩弧焊（GTAW）、自动钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊（GMAW）、电子束焊及等离子弧焊等多种焊接工艺，其中钨极氩弧焊焊接质量最佳，适合关键部件焊接；可与同类合金、不锈钢等进行异种焊接。
  • 焊接材料：应选用与母材成分匹配的专用镍基焊材，推荐选用ERNiCrMo-3焊丝（直径0.8~1.6mm）或ENiCrMo-3焊条。
  • 焊接要点：焊接前需彻底清理母材表面的油污、氧化皮、灰尘等杂质（推荐采用机械打磨+丙酮擦拭），坡口加工后需打磨光滑；焊接过程中保护良好，氩气纯度≥99.99%，保护气体流量：喷嘴内8~12L/min，背面保护5~8L/min；控制层间温度不大于150℃，焊接线能量适中（15~22kJ/cm），避免过热导致晶粒粗大。
  • 注意事项：焊接后一般无需进行热处理即可满足使用要求；若焊接接头存在较大应力或用于高温关键部件，可进行去应力退火处理（温度870~900℃，保温1~2h空冷）；焊接接头的耐蚀性与力学性能可达到母材的90%以上。

6.4 热处理

  • 固溶处理：核心热处理工艺，温度1100~1150℃，保温时间根据工件厚度调整（1~3h），可采用空冷或水冷；目的是溶解析出相，均匀合金成分，细化晶粒，获得最佳的塑性、韧性及耐蚀性。
  • 去应力退火：用于消除焊接或冷加工应力，温度870~900℃，保温1~2h后空冷，保障合金尺寸稳定性和耐蚀性，避免后续使用中变形。
  • 后续处理：GH3113无需时效处理，固溶处理后即可投入使用；热处理过程中应避免气氛污染，防止表面氧化和增碳；对于精密部件，固溶处理后可进行校形处理，确保尺寸精度。

7 应用领域

基于卓越的高温抗氧化性、优异的中高温力学性能及良好的可加工性，GH3113广泛应用于航空航天、能源动力、工业制造等高端装备领域，具体应用如下：
  • 航空航天领域：用于制造航空发动机的燃烧室火焰筒、导向叶片、涡轮外环、排气锥、尾喷管等高温部件；航天器的高温防护结构件、推进系统辅助部件等。
  • 能源动力领域：用于制造工业燃气轮机的燃烧室部件、涡轮叶片、高温管道；电站锅炉、汽轮机的高温过热器、再热器管；核反应堆的高温辅助设备部件等。
  • 工业制造领域：用于制造垃圾焚烧炉的炉衬、受热面、烟道及防护部件；燃煤锅炉的高温防护部件；高温炉具的炉体结构件及加热元件支架等。
  • 海洋工程领域：用于制造海洋平台的高温辅助设备、蒸汽管道及耐腐蚀高温结构件（需配合防腐处理）。
  • 其他领域：用于制造高端化工设备的高温反应容器、换热器；医疗器械中的高温消毒设备部件等。

8 执行标准

GH3113的生产、检验及验收需遵循以下国内外标准：
  • 国内标准：GB/T 14992-2005《高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号》、GB/T 14994-2008《高温合金锻制棒材》、GB/T 15008-2017《高温合金热轧板》、GB/T 15009-2017《高温合金冷轧板》、GB/T 15010-2017《高温合金无缝管》、GJB 3020-1997《航空用高温合金环坯规范》。
  • 国际标准：ASTM B446（锻制和轧制棒材）、ASTM B447（无缝管）、ASTM B450（板材、带材）、ISO 6208（镍基高温合金棒材和型材）（参考）。
  • 检验标准：GB/T 228.1-2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》、GB/T 4338-2015《金属材料 高温拉伸试验方法》、GB/T 229-2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》、GB/T 11352-2009《一般工程用铸造碳钢件》。

9 注意事项

  • 储存：应存放在干燥、通风、清洁的环境中，避免与酸碱盐等腐蚀性物质接触，防止表面氧化；精密零部件堆放时需避免碰撞划伤表面，建议采用防潮包装（如真空包装）密封存放，存放期限不超过12个月。
  • 使用环境：严格控制工作温度在900℃以下（长期），避免在高温强氧化性酸、高浓度氢氟酸、高温熔融盐环境中使用；在燃气腐蚀、含硫环境中使用时，需定期（每2000~3000小时）检查表面腐蚀情况和部件变形、裂纹情况，发现异常及时处理。
  • 加工过程：热加工严格控制装炉温度、升温速度及终锻温度，避免过热或低温加工导致裂纹；冷加工时分次进行并及时退火，控制加工应力；焊接时确保焊材匹配和保护良好，严控层间温度，焊接后根据需求进行去应力退火。
  • 热处理控制：固溶处理温度和保温时间需精准把控（温度误差±5℃），确保析出相充分溶解；固溶处理后需保证冷却均匀，避免产生内应力导致变形；无需进行时效处理，避免多余热处理导致性能下降。
  • 检验：成品需按相关标准进行化学成分分析（采用光谱分析）、力学性能测试（室温及高温）、金相组织检验（确保单相奥氏体组织、无有害相及晶粒度合格）、耐腐蚀性能检验（如高温氧化试验、盐雾试验）及外观质量检查，精密部件还需进行尺寸精度和无损检测（如超声波检测、渗透检测），合格后方可投入使用。

产品优势

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