C和Hf对FGH97粉末冶金高温合金热力学平衡相析出的影响

借助Thermo-Calc热力学计算软件及相应的镍基高温合金数据库,对不同C和Hf含量的粉末冶金高温合金FGH97进行了热力学计算,并结合了相应的显微组织观察。研究表明,C和Hf的改变会影响合金热力学平衡相的析出,其中影响最为显著的是碳化物相,其次为γ′相。本文为今后优化FGH97合金成分,提高合金性能提供了一定的理论依据。

铪在粉末冶金高温合金中的作用研究概况

结合铪在铸造高温合金以及变形高温合金中的作用,简要说明了在粉末冶金高温合金中添加铪的重要性,并重点概述了铪在粉末冶金高温合金中的作用及应用,最后探讨了加铪以提高粉末冶金高温合金性能的研究方向。

粉末冶金高温合金中的原始颗粒边界(PPB)问题

概述了热等静压态粉末冶金高温合金中原始颗粒边界(PPB)的形成机理及其对合金组织与性能的影响,以及影响PPB形成的因素和消除PPB的措施。指出PPB的存在不利于合金组织的控制,而且使合金的塑性降低,性能不稳定。通过调整合金成分、选择合适的粉末制备和处理工艺以及改进成形工艺等措施可以消除PPB。高温固溶处理可以溶解PPB析出物,但冷却速度不合适时PPB会再次析出。

高应变率下阻尼铝合金的动态力学性能研究

针对航空用高阻尼铝合金在高应变率载荷下的服役特征,研究了两种高阻尼铝合金在高应变率下的动态力学性能。采用分离式霍布金森(Hopkinson)压杆对高阻尼铝合金进行了动态压缩实验,获得了应变率(140,275,500s-1)对材料应力-应变曲线的影响规律,并同普通铸造铝合金ZL101A的动态压缩力学性能进行比较分析。结果表明:高阻尼铝合金在高应变率下的力学性能明显优于普通铸造铝合金;第一种高性能阻尼铝合金的动态压缩力学性能优异。第二种高性能阻尼铝合金随着应变率的提高,材料的弹性模量和应力均有所下降,但是形变强化效果显著。

PREP工艺制造的镍基高温合金粉末中夹杂物

夹杂物是影响粉末冶金产品质量的主要因素之一。采用SEM、XRD、EPMA等手段通过对等离子旋转电极制粉工艺(PREP)制取的镍基高温合金粉末中夹杂物的形貌特征、化学组成的研究,将不同工序处理后粉末中的夹杂物进行分类,统计分析其存在形式、尺寸、数量及分布。结果表明:粉末中的夹杂物按产生机制和来源主要分为陶瓷、熔渣、有机物、粉末粘连夹杂物或升华物形成的异常颗粒。经过筛分和静电处理后,残留在成品粉末中的陶瓷占夹杂物总数量的7%,熔渣占53%,有机物占40%。筛分和静电分离去除各类夹杂物的能力主要与成品粉末的粒度和夹杂物的密度、介电常数及其尺寸、形态有关。

微量元素Hf消除FGH96合金中原始粉末颗粒边界组织机制的探讨

粉末冶金高温合金中原始粉末颗粒边界组织(PPBS)由碳化物和少量碳氧化物组成。采用SEM、TEM以及AES等研究了粉末颗粒内、表面上以及合金中PPB上碳化物的结构和组成,依据热力学和扩散理论分析了Hf消除原始粉末颗粒边界组织(PPBS)的微观机制。结果表明:快速凝固粉末颗粒表面形成含有Ti、Nb、Cr、Mo、W的MC型亚稳定碳化物MC′,在HIP过程中粉末颗粒表面上的MC′相转变成稳定的MC相,以及粉末颗粒内的Ti、C元素向烧结颈处扩散,HIP后在粉末颗粒边界上形成富Ti和Nb的MC型碳化物(Ti,Nb)C。加入微量Hf后,在粉末颗粒内形成了更多更稳定的含Hf的MC型碳化物(Ti,Nb,Hf)C,C、Ti被"绑定"在碳化物(Ti,Nb,Hf)C中,抑制了C、Ti向烧结颈处扩散,从而抑制了MC型碳化物在粉末颗粒边界上的析出。

Hf在FGH4097粉末高温合金中的相间分配行为

采用3DAP、FEG-SEM、TEM以及物理化学相分析方法研究5种Hf含量的FGH4097粉末高温合金中Hf在γ′相、MC型碳化物和γ相中的分配,以及Hf对γ′和MC析出相组成的影响。结果表明:随着合金中Hf含量的增加,进入各相的Hf量增多,Hf进入γ′相的比例基本不变,进入MC型碳化物的比例增大,进入γ相的比例减小,即Hf在γ′相和MC型碳化物的分配比逐渐减小,Hf在γ′相和γ相中的分配比逐渐增大;Hf主要分配在γ′相中,其次分配在MC型碳化物中,Hf在MC型碳化物中的质量浓度大约是Hf在γ′相中的20倍。

热诱导孔洞对粉末冶金高温合金性能的影响

热诱导孔洞(TIP)是粉末高温合金中的3种主要缺陷之一,对合金的性能有不利影响。对生产中存在TIP的工件进行了分析,观察了合金的显微组织,并研究了不同气孔率对合金性能的影响。结果表明:对大尺寸、形状复杂的合金制件而言,在热等静压时包套内部有残留气体是TIP形成的原因。随着气孔率的增加,合金的室温拉伸性能和冲击韧性明显降低。当气孔率从0.072%增加到1.744%时,抗拉强度和屈服强度分别降低了28.37%和17.39%,伸长率和断面收缩率分别降低了62.0%和62.5%,同时冲击功降低了58.18%。热处理时TIP会成为裂纹源,导致合金制件出现裂纹甚至开裂。

冲击载荷作用下新型阻尼铝合金的阻尼及力学性能

采用冲击实验装置研究了新型阻尼铝合金材料在冲击载荷作用下的动态力学性能及表征方法。研究结果表明:采用冲击实验的冲击功及能量参数能够科学合理地表征铝合金材料的力学及阻尼性能。新型阻尼铝合金材料的抗冲击载荷能力和阻尼性能均高于普通铸造铝合金材料86%及37%左右,且内部组织致密、均匀细小,具有优良的综合性能。

预变形对FGH97粉末高温合金热处理组织的影响

FGH97粉末高温合金制品在生产加工过程中由于操作不当会出现局部表面凹坑,对存在该缺陷的合金制品进行检测分析,发现受外力影响的区域经热处理后晶粒异常粗大;采用热模拟实验验证了局部变形对FGH97合金热处理组织的影响。结果表明:FGH97合金在受外力作用后的合金变形量达到临界变形量时,热处理过程中会发生晶粒异常长大,造成组织不均匀,进而影响合金的性能与应用。合金在制备过程应严格遵守操作规程,避免局部发生变形。

Hf含量对FGH4097粉末冶金高温合金PPB的影响

研究了Hf含量分别为0、0.3%和0.9%的FGH4097粉末冶金高温合金的显微组织,重点分析了Hf含量的变化对FGH4097合金原始颗粒边界(PPB)的影响。结果表明:随着Hf含量的增加,FGH4097合金析出的MC型碳化物中Hf C显著增多,且碳化物主要在基体内部均匀析出,显微组织中PPB明显减少。

航空航天用高品质3D打印金属粉末的研究与应用

作为金属3D打印的主要耗材,金属粉末对打印产品的质量有着至关重要的影响,航空航天、国防、医疗等领域精密复杂零件的3D打印对粉末性能,如粒度、形貌和纯净度等有着较高的要求。研究并介绍了航空航天领域3D打印用高品质镍基、钴基合金及钛合金等金属粉末的基本要求及主要制粉工艺;对两种常用的高质量金属粉末制备工艺真空感应熔炼氩气雾化法(VIGA)和等离子旋转电极法(PREP)进行了比较,指出VIGA法细粉收得率高,但存在空心粉和卫星粉;PREP粉球形度高、表面光洁、粉末粒度分布窄、流动性好、陶瓷夹杂少,在金属3D打印领域具有独特的优势。为进一步提高PREP粉的质量,应开发更新一代等离子旋转电极雾化制粉技术及装备,提高细粉收得率和生产效率。

700℃长时时效对FGH97合金组织与力学性能的影响

针对涡轮盘的使用温度,研究了FGH97合金在700℃度下长时时效过程中的显微组织和力学性能变化。利用扫描电镜、物理化学相分析、热力学计算等方法研究了长时时效处理过程中析出相的演变。结果表明,合金中的一次和二γ'相组织稳定性良好,三次γ'相发生了较明显的粗化,合金中未发现明显的的TCP相析出。对合金2000 h和5000 h长时时效处理后的力学性能测试表明,长时时效后合金的综合力学性能优异。

某镍基粉末高温合金盘坯的热处理开裂分析

针对某镍基粉末高温合金盘坯在热处理后开裂的问题进行了分析。结果表明:盘坯组织中存在热诱导孔隙缺陷,热诱导孔隙缺陷在盘坯表面形成了微裂纹,降低了材料的抗拉强度。盘坯在热处理过程中,受到残余应力共同作用,其数值超过了材料的抗拉强度导致开裂。该盘坯中的孔隙是由于包套在热等静压过程中漏气造成的,提高包套质量是消除盘坯热诱导孔隙缺陷的关键。

微量元素Hf对镍基粉末高温合金FGH97显微组织的影响

利用SEM和物理化学相分析方法研究了5种Hf含量的FGH97粉末高温合金中γ'相和MC型碳化物形貌、化学组成及含量.结果表明:Hf促进γ'相和MC相析出,改变γ'相和MC相的化学组成,对MC相的尺寸和形貌影响不大,显著影响γ'相的尺寸和形貌,促使γ'相的形态失稳,导致立方状γ'相发生分裂,使γ'相更快地进入稳定的立方状择优形态.在FGH97合金中添加Hf,可通过改变错配度d,从而改变γ'相发生分裂的临界尺寸Dc.建立了Dc与Hf含量w(Hf)的关系式:Dc=315.4+640.2w(Hf)-358.2[w(Hf)]2.随着Hf含量的增加,|d|逐渐变小,Dc增大.γ'相长大到临界尺寸时,γ'相由立方状分裂为八重小立方体状.

装套温度对FGH97合金制件组织性能的影响

针对不同装套温度下FGH97合金制件的显微组织和冲击性能、室温拉伸性能、持久性能等进行观察和分析。结果表明:在装套温度为400℃和500℃的情况下,合金的显微组织没有明显区别,各项力学性都满足要求,装套温度为500℃时,冲击韧性、持久性能均稍有提高。

不同成形工艺对镍基粉末高温合金超声波缺陷信号的影响

分别对热等静压＋锻造和直接热等静压成形的FGH4096合金环形件进行接触法超声检测。结果表明,热等静压＋锻造成形的环形件外圆有明显的缺陷信号,轴向靠近中心位置缺陷信号幅度最高,探头沿轴向向上、下端面移动时,缺陷信号幅度逐渐降低,靠近上、下端面时,仍存在明显的缺陷信号,整个圆周均存在缺陷信号,且缺陷信号特征一致,类似于裂纹缺陷,并且缺陷信号沿径向不变;而直接热等静压成形的环形件外圆未发现类似的缺陷信号。通过实验验证得出：热等静压＋锻造成形的环形件外圆周超声检测时发现的缺陷信号是一种伪缺陷,是由于材料衰减系数小及脉冲重复频率过高产生的幻影波。

长时效后FGH4097合金的组织稳定性与力学性能

研究了FGH4097合金在550℃、650℃、750℃温度下5000h长时效过程中的显微组织变化和力学性能变化。结果表明:在550℃和650℃时效温度下的5000h时效过程中FGH4097合金的组织和力学性能稳定;在750℃时效过程中,1000h时效以前的合金组织和力学性能稳定,2000h时效以后,合金开始析出μ相,三次γ′发生了较明显的粗化,合金的室温冲击韧性明显下降。在长时效过程中,合金的复合持久性能和时效前相当。

Hf和Zr含量对FGH96合金平衡相及PPB的影响

采用材料热力学计算软件Thermo-calc,计算了FGH96合金中的平衡相,并结合显微组织观察、能谱和相分析,探讨Hf、Zr含量对γ'相和碳化物的影响,及对消除PPB的作用。结果表明:Hf和Zr不会导致产生新相,主要影响MC和γ'相的析出行为与成分。Hf和Zr能显著改变MC型碳化物的组分,增加其热力学稳定性和数量,促进MC型碳化物在合金中的均匀分布,抑制MC向M23C6转变;Hf还可以参与形成γ'相,增加其数量。Hf、Zr有助于消除FGH96合金中的原始颗粒边界(PPB)。