夹杂物对粉末冶金FGH97合金显微组织与力学性能的影响

采用夹杂物含量水平不同的两批次粉末,通过相同的热等静压制度制备了FGH97合金,研究了夹杂物对FGH97合金力学性能的影响。对比测试了两组粉末制备FGH97合金的拉伸性能,表征了粉末特征、合金组织、拉伸断口。结果表明,采用真空惰性气体雾化(Vacuum induction melting gas atomization,VIGA)法制备的粉末,细粉收集率高,制备的合金晶粒细小,容易引入夹杂物。富Si的异常颗粒夹杂会使合金中产生贫γ′区,影响粉末间的结合,降低FGH97合金的塑性。热等静压态的FGH97合金室温延伸率为9.5%,650℃的延伸率为1%。FGH97合金经过固溶+时效热处理后,基体中的贫γ′区消失,FGH97合金的塑性得到显著提升,FGH97合金室温延伸率提升至14.25%,650℃的延伸率提升至6%。

原始颗粒边界对粉末热等静压成形FGH97合金性能的影响

目的基于粉末冶金近净成形工艺,研究原始颗粒边界(PPBs)对FGH97合金力学性能的影响,并验证热处理和二次热等静压工艺能否消除PPBs。方法采用等离子旋转电极雾化法制备FGH97合金粉末,分别在1200℃/120 MPa/2 h和1200℃/140 MPa/3 h条件下进行热等静压成形。先后对FGH97合金进行固溶(1200℃/4 h/炉冷)和时效(910℃/3 h/空冷+750℃/8 h/空冷+700℃/17 h/空冷)热处理,并对热处理后的样品进行二次热等静压(制度为1200℃/140 MPa/3 h)。对上述实验前后的FGH97合金显微组织进行表征,使用Photoshop软件计算PPBs的占比,研究热处理和二次热等静压工艺对PPBs的消除作用。结合力学性能测试研究PPBs对合金性能的影响。结果当采用压力更高、保温时间更长的热等静压制度时,制备得到的FGH97合金PPBs占比更少、力学性能更好,其PPBs占比为5.6%,室温抗拉强度为1412 MPa,屈服强度为947 MPa,伸长率为16%。经热处理后,FGH97合金中PPBs的占比下降至3.0%,该合金在650℃下的抗拉强度为1262MPa,屈服强度为956MPa,伸长率为17%;经二次热等静压后,PPBs的占比降低至1.3%。结论PPBs会对FGH97合金的力学性能产生不利影响,热处理和二次热等静压工艺均可消除PPBs。

FGH97粉末冶金高温合金热处理工艺和组织性能的研究

对采用两种制度热处理的FGH97镍基高温合金进行了组织性能对比。结果表明,固溶淬火和时效温度、保温时间及冷却方式直接影响该合金中γ′强化相、不同类型碳化物等析出相的形貌、尺寸、数量和分布。两种制度热处理后的试样中γ′相和碳化物的不同匹配度,决定其各自具备良好的综合力学性能。制度Ⅰ试样的拉伸和持久塑性和750℃持久性能高于制度Ⅱ;制度Ⅱ试样的拉伸强度、650℃持久强度以及抗蠕变性和低周疲劳性能高于制度Ⅰ。

FGH97合金的显微组织

结合FGH97合金的制备工艺,采用显微组织观察等手段,对合金的显微组织进行了分析研究与讨论,结果表明,直接热等静压成形的FGH97合金的晶粒组织均匀,晶粒度为6～7级;合金中的Hf元素对减少合金中的原始颗粒边界(PPB)有着显著作用,同时,Hf元素会进入γ′相和碳化物,提高γ′相的强度和碳化物的稳定性;合金的显微组织具有弯晶特点,这对合金的塑性和韧性非常重要。

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。

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。

长期时效对FGH97合金γ'相演化的影响

采用场发射电镜观察了FGH97合金经过不同时效温度和时效时间后不同形态γ'相的演化规律。结果表明:不同温度下一次γ'相和二次γ'相平均尺寸随时效时间的增加存在最大值,三次γ'相平均尺寸随时效时间延长呈线性增长;550℃时效后二次γ'相由立方形长大为不规则形,分裂成为田字花瓣形或蝶形,而后沿<100>方向分解为小立方形;在750℃时效后期,二次γ'相出现边界融合现象,且小三次γ'相消失。时效后硬度值的变化与γ'相尺寸有关。

FGH97粉末高温合金的断裂特征

对FGH97粉末高温合金低周疲劳、高周疲劳和持久断裂特征进行了研究。结果表明:低周疲劳断裂在小应变条件下的裂纹源为单裂纹源,疲劳裂纹稳定扩展第一阶段为类解理小平面特征;在大应变条件下,裂纹源转变为多源,疲劳扩展第一阶段即可见疲劳条带特征;高周疲劳裂纹稳定扩展第一阶段有较大区域的类解理断裂小平面,疲劳扩展第二阶段为疲劳条带特征;持久试验温度为500℃时,断口为穿晶特征,表现为类解理形貌;在500℃以上时,其断裂机制为晶内发生单取向和双取向滑移,随蠕变进行位错在晶界处塞积,进而引起应力集中,致使裂纹在晶界处萌生并扩展。

FGH97铣削表面形貌及耐腐蚀性试验研究

引用Motif面积比率的概念对工件表面形貌进行表征。采用不同切削参数对FGH97材料的工件进行了铣削和腐蚀试验,得出结论:工件表面形貌好,工件表面存储腐蚀介质的能力较弱,工件腐蚀速度慢;铣削速度、每齿进给量、轴向切削深度等参数的增大都会使得加工表面形貌变差、平均腐蚀速度加快。

镍基粉末高温合金FGH97的强化设计

为了提高粉末高温合金FGH97的拉伸强度,同时保持基础合金良好的塑性、高温持久性能和较好的组织稳定性,通过正交设计和热力学计算,调整了FGH97中Co、Cr、Mo、W 4种固溶强化元素的含量,结合热力学计算结果筛选出3种成分的设计合金,对合金进行显微组织观察、物理化学相分析、室温高温拉伸等力学性能检测,以及长时效热处理试验。结果表明:在FGH97基础上调整成分的设计合金具有更高的室温、高温拉伸强度,实现了很好的强化效果;设计合金塑性损失不明显,还具有更长的高温持久寿命及较好的组织稳定性。

FGH97高温合金TLP焊接接头组织分析

采用BNi82CrSiB中间层材料对FGH97高温合金进行了过渡液相(TLP)焊,研究了焊接温度为1 150℃不同保温时间条件下的接头组织.结果表明,随保温时间的延长,焊缝宽度逐渐增大,焊缝中等温凝固区γ固溶体的数量逐渐增多,而焊缝中央非等温凝固区树枝状γ/Ni2B共晶、γ/γ'共晶、Ni3Si、M23B6和Cr2B等物相逐渐减少并消失,最后形成致密的γ固溶体焊缝组织.同时,随保温时间的延长,焊缝两侧扩散区的宽度逐渐增大,且有针状、颗粒状和蠕虫状的M3B2型硼化物析出,且越远离焊缝,析出相的数量越少.

FGH97粉末高温合金盘件组织性能研究

本文对特定制造工艺及热处理制度下的FGH97镍基高温合金盘件进行组织性能分析。主要强化相γ′相、碳化物的形态、尺寸和分布以及相互匹配是该合金具有良好综合力学性能的原因。通过系列力学性能试验及相应断口形貌分析,反映出了采用该工艺制造的盘件的组织性能特点。

铪对粉末冶金高温合金FGH97粉末颗粒的影响

研究了不同Hf含量的FGH97合金松散粉末和断口中粉末的组织及析出相。结果表明,粉末颗粒内部的碳化物主要是富Nb、Ti、Hf的MC型碳化物,同时发现粉末颗粒内部存在Zr的氧化物。Hf能进入到粉末颗粒中MC碳化物内,并促进稳定MC碳化物的析出,适量的Hf有利于消除合金中原始粉末颗粒边界(PPB)。粉末颗粒表面的Hf以HfC和HfO2复合形式存在,Hf含量大于0.6%时会对PPB有不利影响。

FGH97合金过渡液相焊工艺研究

以BNi92SiB合金作为中间层材料对FGH97合金进行了过渡液相焊,研究了焊接温度为1150℃不同保温时间条件下接头的组织变化和性能。结果表明:当保温时间为3h时,焊缝已经完成等温凝固;保温时间为6h时,焊缝组织和扩散区的硬度已与母材相近,焊缝与其他各区的平均显微硬度差异减小,波动范围在60HV以内。经1150℃/6h的热循环后,FGH97合金中小尺寸的二次γ'相数量增加并伴有长大的倾向,部分大尺寸的一次γ'相发生球化,但对母材的硬度影响不大。

长时高温和应力对FGH97合金物理性能的影响

对经历不同时间高温热暴露和高温应力持久试验的FGH97粉末高温合金,分别测定和计算了其密度、声速和模量,并对显微组织进行了分析,研究长时高温和高温应力持久对FGH97粉末高温合金密度、声速和模量的影响。结果表明:在高温和高温应力持久条件下,随着时间的增加,FGH97粉末高温合金的密度、声速及弹性模量均逐渐降低;在高温条件下,应力对各个特征参量的影响更为显著;显微组织随时间的变化主要有碳化物粗化,γ′相的形貌、体积分数和尺寸发生变化,以及热诱导孔洞、蠕变孔洞、微裂纹在晶内和晶界上出现。

热诱导孔洞对FGH97高温合金性能的影响

利用金相设备和力学性能测试装置检测含不同孔隙率的FGH 97高温合金的组织及力学性能,分析不同孔隙率对FGH97高温合金力学性能的影响。结果表明:随着孔隙率的增加,FGH97高温合金的室温屈服强度和抗拉强度降低,延伸率下降;Charpy冲击功随着孔隙率增加而显著下降;FGH97高温合金的拉伸和冲击断裂机制为微孔聚集型断裂,拉伸和冲击断口呈现大量韧窝特征;热诱导孔洞会促进裂纹的萌生和扩展。

粉末冶金高温合金FGH97的低周疲劳断裂特征

研究了粉末冶金镍基高温合金FGH97在650℃,30—980 MPa,1 Hz实验条件下的低周疲劳断口的宏观及微观特征,裂纹源的类型及其形貌特征,以及裂纹源的位置、缺陷类型、形状和尺寸对低周疲劳寿命的影响.结果表明,在本次实验条件下该合金的低周疲劳寿命均超过了5000 cyc;统计得出,低周疲劳断口裂纹源在表面的试样占23%,在亚表面的占47%,在试样内部的占30%;裂纹源分平台、粉末颗粒、夹杂物3种类型,其中平台类型约占5%,粉末颗粒间断裂占15%,夹杂物占80%.由统计分析和计算得出,不同类型裂纹源对疲劳寿命的影响程度不同:夹杂物最严重,其次为异常粉末颗粒,再次为局部塑性变形.

Hf含量对FGH97合金γ/γ′晶格错配度的影响

采用X射线衍射(XRD)方法测算镍基粉末冶金高温合金FGH97中γ和γ′相的晶格常数,计算出γ/γ′晶格错配度。结果表明:γ′相的晶格常数比γ相的小,错配度为负值。Hf 主要存在于γ′相中,随着合金中 Hf 加入量的增加,进入γ′相中 Hf 的数量增加,使γ′相的晶格常数逐渐增大,错配度的绝对值逐渐减小。

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.

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。