CSTM-航空发动机转动件用高纯GH4169合金 第1部分 锻制棒材编制说明

航空发动机转动件用高纯GH4169合金第1部分锻制棒材HighPurityGH4169AlloyForAero-engineRotatingComponentsPart1ForgedBar编制说明CSTM标准编制工作组2021年11月25日航空发动机转动件用高纯GH4169合金第1部分锻制棒材CSTM标准编制说明一、工作简要过程1.1背景意义GH4169合金是我国产量最大、用途最广、产品种类与规格最全的高温合金，是我国大推力航空发动机的骨干高温合金材料，在新型航空发动机中应用的GH4169合金零件总重量占核心机重量的60%，占发动机重量的30%以上，其中很多零件是发动机的核心关键部件-转动件，因此，控制航空发动机转动件用GH4169合金锻制棒材的质量是至关重要的。为了更好的保证航空发动机的安全可靠应用，提高国产转动件用GH4169合金的冶金质量水平是当务之急。为此，国家为高纯净GH4169合金棒材的工程化立项，项目目标是提升国产合金品质，最终实现进口替代。通过项目的攻关，进一步优化了转动件用GH4169合金锻制棒材的冶炼、热加工等加工工艺，试制的棒材无论从成分范围控制精度、性能指标、晶粒度及探伤控制水平都得到了进一步的提高，这使得目前生产中引用的型号标准、技术协议已经不能完全适用于转动件用高纯GH4169合金棒材的要求。本标准的制定，将国家项目的研究成果转化成为产品标准，进一步提高对航空发动机转动件用高纯GH4169合金锻制棒材的技术要求（包括：冶炼工艺、化学成分、性能、晶粒度、显微组织及超声波探伤），同时规范试验方法、检验规则和包装、标志及质量证明书，便于设计、生产、验收的统一规范管理，更好地满足国防建设对军工产品的需要，实现进口替代。1.2来源2016年，国防科工局批复了军用关键材料进口替代专项“高纯净度GH4169合金棒材与锻件工程化研制”项目，2020年12月，本项目按照批复任务完成项目所有研制任务，并根据项目的研制攻关成果制定本标准。1.3主要参加单位和工作组成员本标准的主要参加单位和工作组成员来源于“高纯净度GH4169合金棒材与锻件工程化研制”的研制团队及高纯GH4169合金棒材的研制、生产和应用单位及其科研技术人员组成。标准牵头单位为钢铁研究总院，参加单位包括北京钢研高纳科技股份有限公司、抚顺特殊钢股份有限公司、宝武特种冶金有限责任公司、中国航发沈阳发动机设计研究所、中国航发北京航空材料研究院、中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司、中国航发西安航空发动机有限公司。1.4主要工作流程2021年8月，标准起草单位钢铁研究总院撰写标准草案。2021年9月，标准草案完成。2021年10月，标准草案通过立项审查，CSTM标准委员会批准立项。2021年11月，形成征求意见稿。2022年2月，计划完成标准征求意见，形成意见汇总表，并对征求意见稿进行修改，形成标准送审稿。2022年4月，计划召开本标准的审查会。2022年5月，计划标准表决，报批，正式发布出版。二、标准化对象简要情况及制修订标准的原则2.1标准化对象简要情况本标准规定了航空发动机转动件用高纯GH4169合金锻制棒材的要求、质量保证规定和交货准备等。本标准适用于直径200mm~300mm的转动件高纯GH4169合金锻制棒材(以下简称棒材）。国内高纯GH4169合金锻制棒材主要生产单位有抚顺特殊钢股份有限公司和宝武特种冶金有限责任公司等。锻制棒材主要用于生产航空发动机高压涡轮盘、低压涡轮盘、涡轮前封严盘和压气机盘等。2.2标准编制原则标准编制遵循“统一性、协调性、适用性、一致性、规范性”的原则，尽可能与国外先进标准和型号标准接轨，注重标准的可操作性和在相关型号的适用性，本标准严格按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定进行编写和表述。三、与国内、外同类标准水平对比情况国内目前GH4169合金棒材的生产一般按照用户提出的相应型号标准、企业标准和技术协议进行生产和验收，但目前这些型号标准或协议已无法用于转动件用GH4169合金锻制棒材的生产和验收。国内航空发动机用GH4169合金棒材主要包括合金标准和各类型号标准如下：(1)GB/T40303—2021，《GH4169合金棒材通用技术条件》，GH4169合金棒材的通用技术标准。(2)某型号标准XX10-0313-2004，《优质GH4169合金锻制棒材》，规定了XX10发动机用Φ100~Φ300优质GH4169合金棒材，是本标准的基础。(3)某型号标准XX10-0331-2004，《转动件用优质三次熔炼Inconel718合金锻制棒材》，规定了转动件用三次熔炼优质Inconel718合金Φ180~Φ305棒材的标准，主要是针对进口棒材。(4)CJ1000A的型号标准MAS7000，《盘及转动件用IN718合金棒坯》，规定了CJ1000A型号的棒材要求。由于技术保密，国外对航空发动机用GH4169合金的标准是封锁的，仅可查到的一些AMS的国际宇航标准，但该类标准的技术指标控制范围宽泛，不适合国内引用。本标准在XX10-0313的基础上，结合国家课题的技术指标和攻关成果，特制定本标准，根据本标准的实际应用情况，制定型号标准并进行大规模应用。国内各标准的规定对比情况（1）主要化学成分：元素CMnSiSPCrMoCoNb课题指标0.012~0.036≤0.35≤0.35≤0.00100.007~0.01517.00~19.002.80~3.15≤1.05.20~5.5503310.012~0.036≤0.35≤0.35≤0.00100.007~0.01517.00~21.002.80~3.15≤1.05.20~5.557000D0.020~0.045≤0.20≤0.20≤0.00100.004~0.01517.00~21.002.80~3.30≤1.05.10~5.50(Nb+Ta)03130.015~0.060≤0.35≤0.35≤0.0020≤0.01517.00~21.002.80~3.30≤1.05.00~5.50元素AlTiFeNiBCuMgCaTa课题指标0.35~0.650.75~1.1516~19a52.00~55.00≤0.006≤0.30≤0.003≤0.005≤0.1003310.35~0.650.75~1.1516~19a52.00~55.00≤0.006≤0.30≤0.003≤0.005≤0.107000D0.30~0.700.75~1.10余50.00~55.000.002~0.006≤0.20≤0.003≤0.010≤0.5003130.30~0.700.75~1.15余50.00~55.00≤0.006≤0.30≤0.005≤0.005≤0.10（2）室温拉伸性能对比棒材直径mm直径mm取样方向拉伸性能σbMPaσ0.2MPaδ5%ψ%课题指标200~300横向≥1230≥1020≥6≥8XX10254横向≥1345≥1100≥12≥15254~305横向≥1276≥1034≥10≥12MAS7000C—横向≥1345≥1100≥12≥15XX10-0313-200480~125纵向≥1275≥1035≥6≥8125~200横向≥1240≥1035≥6≥8200横向≥1230≥1020≥6≥8(3)650℃拉伸性能对比棒材直径mm直径mm取样方向拉伸性能σbMPaσ0.2MPaδ5%ψ%课题指标200~300横向≥1000≥860≥12≥15Q/S10254横向≥1080≥930≥12≥15254~305横向≥1000≥862≥10≥12MAS7000C—横向≥1100≥930≥12≥20Q/S10-0313-200480~125纵向≥1000≥860≥12≥15125~200横向≥965≥860≥6≥8200横向≥900≥800≥6≥8（4）晶粒度棒材直径mm取样部位晶粒大小课题指标200~300中心、1/2R、边缘平均晶粒度6级或者更细，允许个别2级，外缘粗晶环不大于10mmQ/S10254中心、1/2R、边缘6级或更细，允许被20%以上细晶包围的个别3级254~305中心、1/2R、边缘5级或更细，允许被20%以上细晶包围的个别3级MAS7000C300中心、1/2R、边缘6级或更细，允许存在不粗于ASTM2级的晶粒，但其在任何视场中不超过20%300中心、1/2R、边缘5级或更细，允许存在不粗于ASTM2级的晶粒，但其在任何视场中不超过20%Q/S10-0313-200480~200中心、1/2R6级或者更细，允许个别3级；个别炉号出现5级，供需双方协商200中心、1/2R4级或者更细，允许个别2级（5）探伤标准直径参考平底孔/mm报警极限/mm不合格极限/mm振幅报告/mm课题指标200~3001.20.81.2(单个)、0.8（多个）Q/S1020.80.8—2541.20.81.20.8MAS7000C2541.20.80.8—2541.20.81.20.8Q/S102001.2200~3562.0四、标准主要内容4.1标准名称本标准的中文名称为“航空发动机转动件用高纯GH4169合金第1部分锻制棒材”，英文名称为“HighPurityGH4169AlloyForAero-engineRotatingComponentsPart1ForgedBar”。4.2标准内容标准中的主要技术主要技术要素及参数包括：冶炼工艺、化学成分、性能指标、晶粒度要求、显微组织及超声波探伤的控制（详见征求意见稿），同时对试验方法、检验规则和包装、标志及质量证明书等方面都进行了规范。重点标准内容包括：1冶炼方式采用真空感应熔炼+电渣重熔+真空电弧重熔组成的三联冶炼工艺生产。2高纯GH4169化学成分规定的各元素含量范围与现行型号标准规定明显变窄：如C含量从0.015~0.06%缩小到0.012~0.036%，S含量从≤0.002%降低到≤0.001%，O含量从≤0.005%降低到≤0.0025%，Nb含量从5.00~5.50%缩小到5.20~5.55%，Ni含量从50~55%缩小到52~55%，Cr含量从17~21%缩小到17~19%，Mo含量从2.80~3.30%缩小到2.80~3.15%，Al含量也从0.30~0.70%缩小到0.35~0.65%。3各项力学性能指标与现行型号标准进行了提高：如650℃抗拉强度从900MPa提高到1000MPa，屈服强度从800MPa提高到860MPa，延伸率从不小于6%提高到不小于12%，断面收缩率从不小于8%提高到不小于15%。晶粒度从ASTM4级或更细提升为ASTM6级或更细。超声探伤要求从A级提升到AA级。4对棒材组织均匀性进行了进一步规定，本标准增加了粗晶环宽度不大于10mm的指标。五、主要试验结果的分析统计分析了多批次转动件用高纯GH4169合金棒材的化学成分和力学性能分别如图5-1和图5-2所示。由图可知转动件用高纯GH4169合金棒材的各项性能均满足课题指标要求，制订的标准对棒材性能指标具有较高适用性。（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）（i）（j）（k）（l）图5-1高纯GH4169合金棒材化学成分分布统计（a）（b）（c）（d）（e）图5-2高纯GH4169合金棒材力