GH2907(ЭП867/Incoloy 907)低膨胀高温合金环坯 航空发动机高压压气机鼓筒连接法兰

一、GH2907合金（Incoloy 907 / ЭП867 型 Fe-Ni-Co-Nb-Ti 低膨胀沉淀硬化高温合金）概述与化学成分

GH2907合金（国产牌号对应前苏联 ЭП867／ЭК67М 近似，西方完全对应 Incoloy 907／UNS N19907——ASTM B637、AMS 5832 焊丝、AMS 7467 棒/锻件参考）是 GB/T 14992《高温合号》中规定的铁—镍—钴—铌—钛系低膨胀（Invar 型）沉淀硬化变形高温合金，由中国钢研在仿制 Incoloy 907（美国 Special Metals／原 INCO Alloys 开发）及前苏联 ЭП867 基础上定型。该合金设计初衷与 GH2984（Incoloy 903 对标）及 GH2909（Incoloy 909 对标）同源——为航空发动机高压压气机转子（盘、鼓筒、轴）及机匣提供"与钛合金压气机叶片和镍基涡轮盘热膨胀系数匹配（CTE≈(4–7)×10⁻⁶/K，20–400℃）＋600–650℃ 以下具 IN718 级强度＋优良可焊性（无 Al，低 Ti 总量）"，区别在于 Incoloy 907（GH2907）不含刻意添加的 Mg（对比 GH2909），Ti 含量略低（≈1.0–1.5% vs GH2909 的 1.3–1.8%），Nb≈4.7–5.3% 与 GH2909 相当，但应力松弛率介于 GH2984（Incoloy 903）与 GH2909（Incoloy 909）之间——即 GH2907 成本略低于 GH2909（无 Mg 控制要求），可焊性与 GH2984/GH2909 相当（无 Al+Ti 高含量液化裂纹低），强度与 GH2984 相当或略高（因 Nb 与 GH2909 同水平但 Ti 略低），是早期及部分现役机种压气机鼓筒、机匣及高强螺栓的经济型低膨胀选项。与 GH2984（对标 903，Nb≈3%）相比 GH2907 Nb 更高（≈5%）、Ti 略高、无 Cr（Cr≤0.5%），强化更充分且 CTE 控制更严；与 GH2909（对标 909）相比 GH2907 无 Mg 微合金化、Ti 略低、应力松弛率略高（但仍可用作中要求螺栓）。

该合金完全不含铬（Cr≤0.5%，典型≤0.10%）——与 GH2909、Incoloy 903/907 族一致（Cr 会抬升 CTE 并影响 γ″ 相稳定性），抗氧化性极差，＞400–450℃ 需涂层或绝热保护，绝不用于直焰或大气高温无保护；不接触腐蚀介质时室温大气耐蚀可，但 PREN≈0–1 绝不用于海水全浸或含 Cl⁻ 强腐蚀环境。供货状态分固溶退火态（980–1010℃ 水淬，HB 170–210，A≥30%，便于机加工、焊接、冷校形）和固溶＋双级时效成品态。大锻件（鼓筒法兰、环）以锻态＋固溶＋双级时效交货；焊接组件先固溶软态焊接→焊后整体固溶＋双级时效。按 AMS 7467（Incoloy 907 棒／锻件参考）、AWS A5.14 对应焊材 ERNiFeCrCoNb（Incoloy 907/909 通用匹配焊丝）。推荐使用温度范围 －253℃（液氢/液氧贮箱裙部）～＋650℃（长期承载推荐 ≤600℃ 螺栓/法兰，短时 700℃ 可；需抗氧化涂层保护），低温韧性极好（无 DBTT 突变），热膨胀系数 α₂₀₋₄₀₀℃＝(5.0–7.0)×10⁻⁶/K 与 GH2984/GH2909 同量级。

GH2907（ЭП867 型，对标 Incoloy 907／UNS N19907）典型熔炼化学成分（wt%，符合 GB/T 14992及 Incoloy 907 成分范围要求）如下：

镍（Ni）：35.0–38.0（典型 36.5–37.0，因瓦基体核心，控制 CTE）

钴（Co）：12.5–15.5（典型 13.5–14.5，提高 γ″ 溶解温度及微调 CTE）

铌（Nb）：4.70–5.30（典型 5.00–5.15，主强化元素——形成 γ″-Ni₃Nb 及 γ′-Ni₃(Nb,Ti,Al)，与 GH2909 同水平高于 GH2984/903）

钛（Ti）：1.00–1.50（典型 1.20–1.40，辅助 γ″/γ′ 形成，低于 GH2909 的 1.3–1.8%，高于 GH2984/903 的 ~1.0% 上限）

铝（Al）：≤0.15（典型 ≤0.10，极微量——防 η 相过量）

镁（Mg）：≤0.010（典型 ≤0.005，不 intentional add（对比 GH2909 刻意加 0.006–0.012% Mg），松弛率略高于 GH2909 但成本更低）

铁（Fe）：余量（典型 42.0–45.0，因瓦基体）

碳（C）：≤0.03（优质级 ≤0.015，极低碳防 Nb 消耗及晶界碳化物）

铬（Cr）：≤0.50（典型 ≤0.10，有意不加 Cr 保低 CTE 及 γ″ 稳定性，故抗氧化差需保护）

锰（Mn）：≤0.50（典型 ≤0.30）

硅（Si）：≤0.50（优质级 ≤0.30）

硼（B）：≤0.005（典型 0.002–0.004，晶界强化）

磷（P）：≤0.015（优质级 ≤0.010）

硫（S）：≤0.010（优质级 ≤0.005）

铜（Cu）：≤0.50（杂质上限）

锆（Zr）：≤0.050（典型 0.01–0.03，晶界净化）

二、物理—力学性能、低膨胀特性及加工热处理工艺

物理与基本力学性能：固溶退火态室温典型物理参数为密度 8.00–8.10 g/cm³（典型 8.03，Incoloy 907 文献值 8.01），居里温度 Tc≈130–155℃（因瓦效应温区），熔点范围 1340–1390℃（液相线≈1400℃），弹性模量 E＝158–178 GPa（21℃，固溶态≈165 GPa，时效态≈174–182 GPa；－196℃ 可达 195–200 GPa），切变模量 G≈62–68 GPa，泊松比 ν≈0.30–0.31，热导率 11.5–13.5 W/(m·K)（100℃），线膨胀系数 (20–100℃) 4.5–6.5×10⁻⁶/K，(20–400℃) 典型 5.5–7.0×10⁻⁶/K（依 Ni、Co 控制 ±0.5×10⁻⁶/K 内），电阻率约 1.06 μΩ·m，室温下呈铁磁性（因瓦基体居里点略高于室温）。固溶态典型力学性能：Rm 850–980 MPa，Rp0.2 380–480 MPa，A≥30%，HB 170–210。经标准双级时效（固溶 980–1010℃ 水淬 ＋ 720℃×8 h 以 ≤55℃/h 炉冷至 565℃×8 h 空冷，Incoloy 907 经典制度；部分厂标用 775℃×8 h 炉冷至 665℃×8 h 空冷）后典型成品性能（锻棒／环）：抗拉强度 Rm≥1150–1300 MPa（典型 1200–1270 MPa，小试样可达 1320–1350 MPa），屈服强度 Rp0.2≥760–870 MPa（典型 800–850 MPa，0.2% offset；小试样可达 880–920 MPa），断后伸长率 A₅≥12–18%（典型 14–16%，大锻件纵向≥12%，横向≥10%），断面收缩率 Z≥20–35%（典型 25–30%，大锻件纵向≥18%），硬度 HB 285–355（约 30–38 HRC 峰时效，大截面取中下限防氢脆）。低温（－196℃）冲击功仍＞40 J（无 DBTT 突变），适于液氢/液氧贮箱裙部。高温性能：650℃ Rm≈920 MPa、Rp0.2≈580 MPa；700℃ Rm≈780 MPa；持久强度 650℃/100 h≈620–680 MPa，595℃/1000 h≈580 MPa——与 GH2984 相当或略高（因更高 Nb），略低于 GH2909（因 Ti 略低无 Mg）。抗压屈服强度与抗拉屈服强度相近，Rp0.2_compressive≈0.95–1.05×Rp0.2_tensile（时效态约 720–900 MPa，依截面及取向下限大锻件上限小试样），抗压比例极限≈0.8–0.9×Rp0.2_t。应力松弛率：600℃/1000 h 初始应力 70% σ₀.₂ 下残余应力＞93–94%（松弛率≈6–8%），优于 GH2984（Incoloy 903 ≈8–10%）但略高于 GH2909（Incoloy 909 ＜5%），属中等优良低松弛——可用于压气机中要求螺栓但松弛要求非最极端场合或配合设计预紧补偿。

低膨胀（Invar）特性与耐蚀/抗氧化限制：GH2907 热膨胀系数通过 Ni(37±0.3%) 和 Co(14±0.5%) 控制使 α₂₀₋₄₀₀℃＝(5.0–7.0)×10⁻⁶/K（典型出厂标定 ±0.5×10⁻⁶/K 内），与 Ti-6Al-4V 压气机叶片（α≈7–9×10⁻⁶/K）及镍基涡轮盘热匹配良好，用于压气机转子鼓筒连接法兰、机匣安装边时可减小热失配引起的螺栓预紧力变化及鼓筒热应力。Cr≤0.1% 使合金在空气中＞400–450℃ 迅速氧化起皮需涂层或绝热保护（发动机内部干燥燃气流路内衬或包绝热毡／合金自身位于内衬后无直焰冲刷）；不接触腐蚀介质时大气室温耐蚀可，但 PREN≈0–1 绝不用于海水全浸或含 Cl⁻ 强腐蚀环境。对氯离子 SCC 免疫（奥氏体高 Ni）。焊接 HAZ 因 γ″ 溶解有软化带（与 IN718、GH2984、GH2909 同理），但 Al+Ti 总量低（≈1.2–1.5%）液化裂纹倾向低于 IN718，重要承力焊缝布置非最大应力区或整体重新固溶＋双级时效（大型焊接转子/机匣可整体处理）。

热加工与热处理：热加工温度 1050–1150℃，开锻/开轧 1080–1120℃，终加工温度 ≥900℃（低于 850℃ γ″ 开始析出导致开裂），热加工后空冷或水冷（厚截面水淬防 γ″ 提前析出连续膜）。冷加工性有限——固溶软态可小变形量校形、旋压环，总冷变形建议 ≤10–15% 后中间退火（980–1010℃ 水淬）；最终大锻件按"镦拔→成形→固溶→粗加工→双级时效→精磨（螺栓螺纹滚压可在固溶态进行整体双级时效——滚压引入表面压应力提疲劳)"。标准热处理：①固溶 980–1010℃（大锻件取 995±15℃ 足够保温）水淬或强风冷；②双级时效——720℃×8 h 以 ≤55℃/h 炉冷至 565℃×8 h 空冷（Incoloy 907 AMS 参比制度），或 775℃×8 h 炉冷至 665℃×8 h 空冷（某些厂标变体）。避免在 540–760℃ 区间长时等温停留（除规定时效外）。焊后通常做整体固溶（若组件可）或至少做稳定化＋双级时效恢复 HAZ 强度。氢脆敏感（高强 Fe-Ni-Co 基 γ″ 强化合金通病，高于 IN718）——酸洗、电镀（禁镀 Cd 无阻氢工艺需验证）后必须脱氢（200–230℃×8–12 h）。

焊接与机加工：可 TIG（GTAW）、EBW（电子束焊，推荐用于焊接转子/机匣——热输入集中 HAZ 窄）、MIG、手工电弧焊及电阻焊。推荐使用 ERNiFeCrCoNb（AWS A5.14类 Incoloy 907/909 通用匹配焊丝，无刻意 Mg 或含微量 Mg＜0.005%），层温 ≤150℃，背面氩气保护。机加工：固溶软态可车铣（比时效态易），时效硬态（HB>285）仅精磨、研磨或线切割；需用硬质合金刀具、低速大进给（切削速度 10–18 m/min 时效态）、充分冷却。螺栓螺纹滚压推荐在固溶态或退火态进行整体双级时效——滚压引入表面压应力显著提升疲劳及应力松弛抗力。

三、典型工业应用领域

航空航天发动机转子与机匣（核心应用）：高推重比涡扇/涡喷发动机高压压气机转子鼓筒段（drum）、盘—鼓—轴焊接转子、前/中机匣、高压压气机静子叶片根槽环——利用低 CTE（≈6×10⁻⁶/K）与 Ti 叶片/镍基涡轮盘热匹配减小叶尖间隙及热应力，配合 γ″ 强化获 600–650℃ 级强度（与 GH2984 相当或略高），可焊性好（无 Al/Ti 高含量液化裂纹低）适合大型焊接转子 EBW 焊后整体时效；次于 GH2909 用于松弛要求最苛刻的首级螺栓但可用作机匣法兰及二级紧固件。

紧固件（中高要求）：高压压气机中温段高强螺栓、双头螺柱、锁紧螺母（CTE 匹配＋屈服 760–870 MPa 级＋松弛率 6–8% @600℃ 万小时——满足多数机种要求，成本低于 GH2909/Incoloy 909），滚压螺纹＋正确时效后疲劳性能优良。

低温与航天结构：液氢/液氧火箭发动机燃料贮箱裙部连接件、箭体级间段法兰（－253℃ 至＋200℃ 强度保持、CTE 匹配铝/钛箭体且无 DBTT 脆化）；卫星及运载器仪器舱承力框架低膨胀件。

燃气轮机与动力：工业燃气轮机高压压气机转子鼓筒及机匣连接法兰（中温段需与钛前几级或镍基后级热匹配）；舰用燃机压气机壳体低膨胀紧固件。

维修与备件：进口航空发动机 Incoloy 907／ЭП867构件维修替换（GH2907可作国产等价，注意 Incoloy 909／GH2909 有 Mg 低松弛不可直接互代用于最苛求松弛螺栓若无验证；ЭП878≠ЭП867成分别混用），早期机型压气机鼓筒及机匣原配低膨胀合金件。

GH2907（ЭП867 型，对标 Incoloy 907／UNS N19907 Fe-37Ni-14Co-5Nb-1.3Ti 低膨胀 γ″ 沉淀硬化合金，无 Mg 微合金化区别于 GH2909）是以铁为余量（≈43%）、含 Ni 35–38%、Co 12.5–15.5%、Nb 4.7–5.3%、Ti 1.0–1.5%、Al≤0.15%、C≤0.03%、Cr≤0.5%、Mg≤0.005%（不 intentional add）的低膨胀沉淀硬化变形高温合金。固溶＋双级时效态典型力学性能为：抗拉强度 Rm≥1150–1300 MPa（典型 1200–1270 MPa，小试样可达 1320–1350 MPa），屈服强度 Rp0.2≥760–870 MPa（典型 800–850 MPa，小试样可达 880–920 MPa），断后伸长率 A₅≥12–18%（大锻件纵向≥12%，典型 14–16%），断面收缩率 Z≥20–35%（典型 25–30%，大锻件纵向≥18%），抗压屈服强度≈720–900 MPa（与抗拉屈服相当），硬度 HB 285–355（约 30–38 HRC 峰时效，大截面取中下限），弹性模量 E≈174–182 GPa（时效态），密度 ≈8.00–8.10 g/cm³（典型 8.03），室温铁磁性（因瓦基体居里点＞RT），线膨胀系数 α₂₀₋₄₀₀℃≈(5.0–7.0)×10⁻⁶/K（依成分控制，典型 ≈6.3×10⁻⁶/K），600℃/1000 h 应力松弛率≈6–8%（介于 GH2984≈8–10% 与 GH2909＜5% 之间）。其最大技术价值在于：一是 CTE 仅为 IN718 及不锈钢一半左右，与 Ti 压气机叶片/镍基涡轮盘热匹配良好可减小转子—叶片及法兰—机匣热失配提升发动机效率——低膨胀合金存在根本意义；二是通过 γ″-Ni₃Nb（Nb≈5%）沉淀强化在 －253～＋650℃ 宽温域保持高强（与 GH2984 相当或略高，略低于 GH2909）且低温无韧脆转变（液氢/液氧适用）；三是含 Nb 为主强化、Al+Ti 总量低（≈1.2–1.5%）使焊接性优于 IN718（液化裂纹倾向低），适合大型焊接转子/机匣 EBW 焊后整体时效；四是不含 Mg 刻意添加使冶炼略简于 GH2909，成本略低，在满足松弛率要求非最极端场合（或设计预紧补偿）可替代 GH2909 作螺栓/法兰。主要局限为室温呈铁磁性（不适 MRI/磁测），Cr≈0 使抗氧化极差（＞400–450℃ 需涂层/绝热保护，绝不可用于直焰或大气高温无保护），PREN≈0–1 绝不用于海水全浸或含 Cl⁻ 强腐蚀环境，有氢脆敏感性需阻氢+脱氢，长期 >650℃ γ″→δ 相析出强度降故承载上限通常标 600–650℃（螺栓/法兰常取 550–600℃ 设计）。推荐长期承载服役温度 －253～＋600℃（优选 ≤650℃ 短时），非承热可用更高但须涂层防氧化。它是高推重比涡扇高压压气机焊接转子鼓筒、低膨胀机匣及中高要求低膨胀高强螺栓（松弛率要求次于 GH2909 最苛求级）的经济型低膨胀高强度合金，在需"与钛/镍基匹配热膨胀＋中温高强度＋可焊＋成本低于 GH2909"的航空发动机转子连接结构中广泛应用。

UNS N06600、Inconel600、Alloy600、UNS N06601、Inconel601、Alloy601、UNS N06625、Inconel625、Alloy625、Inconel690、Inconel718、InconelX-750

二、英科：

UNS NO8800、Incoloy800、Alloy800UNS NO8810、Incoloy800H、Alloy800H/800HT、UNS NO8825、Incoloy825、Alloy825

三、Carpenter20合金：

Alloy20cb-3、UNS NO8020

四、蒙乃尔：

Monel400NO4400Alloy400MonelK500NO5500

五、哈氏合金：

Hastelloy C-276、C-22、C-4、Hastelloy B、B-2、B-3、Hastelloy X、G、G2、G3、Hastelloy G30

六、固溶强化性铁镍基合金：

NS111、NS112、NS113、NS131、NS141、NS142、NS143

七、固溶强化型镍基合金：

NS311、NS312、NS313、NS314、NS315、NS321、NS322、NS331、NS332、NS333、NS334、

NS335、NS336、NS341

八、时效强化型镍基合金：

NS411

九、固溶强化型铁基合金：

GH1015、GH1035、GH1040、GH1131、GH1140

十、时效硬化性铁基合金：

GH2018、GH2036、GH2038、GH2130、GH2132/SUH660、GH2135、GH2136、GH2302

十一、固溶强化型镍基合金：

GH3030、GH3039、GH3044、GH3028

十二、时效硬化型镍基合金：

GH4033、GH4037、GH4043、GH4049、GH4133、GH4133B、GH4169

十三、奥氏体不锈钢:

904L（UNS N08904）、Nitronic60(S21800）、nitronic50(XM-19)/S20910、304L、316Ti、316N、316LN、316Mod、317L、317LN、309S、310S、304N

十四、复合式不锈钢：

SAF2205（F51）、SAF2507（F53）、S32760、254SMo（F44、DIN1.4529）、329J1（0Cr26Ni5Mo2）、SAF2506、0Cr17Mn13Mo2N(A4钢)

十五、沉淀硬化不锈钢

17－4PH(SUS630、S17400、0Cr17NiCu4Nb)、17-7PH（SUS631、0Cr17Ni7Al)、15-7Mo（SUS632、0Cr15Ni7Mo2Al）、15-5PH VAR(S15500、0Cr15Ni5Cu3Nb)

十六、其它：

可伐合金4J29 Kovar，Invar合金4J36 Invar合金、4J34，4J46，4J32，4J42