镍基粉末冶金FGH95高温合金的拉伸及低周疲劳性能研究(英文)

在420～650℃的温度范围内,研究了PMFGH95高温合金在应变率0.0001～0.01s-1范围内的拉伸性能及在不同应力比R=-1及R=0下的低周疲劳性能。拉伸试验结果表明:在此温度范围内,应变率对弹性模量、拉伸屈服强度及塑性模量的影响可以忽略不计;并且应变率自0.0001s-1增大至0.01s-1时,弹性模量、拉伸屈服强度及塑性模量受温度的影响也不明显。PMFGH95合金受材料微结构的影响很大,材料含有的微缺陷对其力学性能有非常不利的影响。LCF试验结果表明:PMFGH95合金是循环硬化材料。当应力比R=-1时,温度对LCF寿命的影响很小;但在应力比R=0时,LCF寿命受温度的影响很大,且随着温度的增加材料的低周疲劳寿命减小。SEM断口扫描发现,断裂表面有很多的解理面,但没有疲劳条带,且此断裂模式下没有明显的塑性变形,所以FGH95合金的低周疲劳寿命几乎是由裂纹萌生阶段决定的。

FGH95镍基粉末高温合金的研究和展望

粉末高温合金由于自身特有的组织和性能特点成为先进航空发动机涡轮盘和涡轮挡环的优选材料。总结我国20世纪80年代初开始研制的第一代镍基粉末高温合金FGH95在制粉工艺、粉处理工艺、成形工艺和热处理工艺等方面的研究工作。着重介绍FGH95合金生产中所采用的等离子旋转电极制粉工艺(Plasma rotating electrode process,PREP),筛分和静电分离去除夹杂工艺,直接热等静压(Hot isostatic pressing,HIP)和热等静压+包套锻造(HIP+Forging)成形工艺,以及固熔+盐淬热处理工艺。展望氩气雾化制粉(Argon atomizatio,AA)和直接热等静压成形在FGH95合金低成本制造上的发展优势和高固溶缓冷热处理工艺对提高合金抗疲劳裂纹扩展能力的影响,提出下一步的研究方向。

FGH95粉末镍基合金的组织结构与蠕变特征

通过蠕变曲线的测定及组织形貌的观察,研究了FGH95粉末镍基合金的蠕变行为及变形特征。结果表明:FGH95粉末镍基合金在试验的温度和应力范围内,具有明显的施加温度和应力敏感性,并测算出合金的蠕变激活能和应力指数。合金的组织结构由一次、二次、三次γ′相及弥散分布的碳化物组成,在粉末颗粒之间具有较宽的晶界。蠕变期间,在合金晶粒内的变形以单取向或双取向滑移方式进行,并在滑移迹线附近有细小碳化物析出,而较宽的晶界由于剧烈变形可发生碎化形成细小晶粒。合金在蠕变期间的微观变形机制是位错发生双取向滑移,其中(1/2)〈110〉位错在γ基体相中运动,〈110〉超位错存在于γ′相内,而层错的形成是由于〈110〉超位错分解为(1/3)〈112〉超肖克莱不全位错所致。

镍基粉末高温合金FGH95的组织和性能

论文讨论了FGH95氩气雾化粉末颗粒的凝固组织、合金相组成、表面化学成分;粉末经过热等静压后的显微组织与相组成、原颗粒边界碳化物的本质和形成机制;热等静压坯再经热挤压后合金组织的改善,以及用改进的最终热处理使合金获得良好的显微组织,以提高合金的高温的拉伸、持久断裂、低周疲劳性能。

时效制度对粉末冶金高温合金FGH95组织和性能的影响

研究了淬火处理的FGH95合金在不同时效制度下的显微组织和力学性能,并对室温U型缺口试样冲击断口进行了对比分析。结果表明:相同固溶淬火处理的FGH95合金,经过单级时效(760℃×16h/AC)和两级时效(870℃×1.5h/AC+650℃×24h/AC)处理后晶粒度相同,γ′相的形貌、尺寸和分布也无明显差异。二者的硬度、室温冲击韧度、室温和650℃拉伸性能相当;单级时效后650℃/1035MPa的光滑持久寿命略高于两级时效,但持久塑性低于两级时效。FGH95合金可以采用单级时效代替传统的两级时效处理。

FGH95粉末镍基合金热处理后的微观组织与蠕变性能

通过进行蠕变曲线测定和组织形貌观察,研究了FGH95粉末镍基合金的微观组织结构与蠕变行为。结果表明:合金经高温固溶、盐浴冷却处理后,组织结构是由细小的γ′相弥散分布在γ基体所组成,其细小(Nb,Ti)C碳化物在晶内及沿晶界不连续析出。在试验的温度和施加应力范围内,合金表现出明显的施加温度敏感性,并测算出合金在稳态蠕变期间的蠕变激活能和应力指数分别为Q=542.07kJ/mol和n=14.8。合金在蠕变期间的变形特征是孪晶和位错在晶内发生双取向滑移,其切入γ′相内的<110>超位错可分解形成(1/3)<112>超肖克莱不全位错+层错的位错组态,发生孪晶变形的孪晶面为(111)晶面。晶界及沿晶界不连续析出的细小(Nb,Ti)C型碳化物可有效阻碍位错运动,是使合金具有较高抗蠕变能力的主要原因。

FGH95粉末冶金高温合金损伤与断裂特性研究

观察分析FGH95粉末冶金高温合金高周疲劳光滑试样断口,研究其断裂规律;并用断口定量的方法对试样断口的裂纹扩展特性进行分析,计算疲劳扩展第2阶段的疲劳扩展寿命,并分析裂纹扩展特性与断裂特征的内在关系。针对120个试样用统计归纳的方法研究总寿命Nf与断裂特征参数ac之间的关系。临界裂纹长度取常用对数后与试验寿命取常用对数后具有大致线性关系,数据点分布在大致平行的具有一定宽度的分散带内,通过拟合出平行带的上下边界方程,可以给出寿命预测的上下边界方程,可用临界裂纹长度估算FGH95粉末冶金高温合金的疲劳寿命。

涂层刀具铣削粉末冶金镍基高温合金试验研究

采用涂层硬质合金刀具进行了粉末冶金镍基高温合金的铣削刀具磨损试验，并运用扫描电镜和能谱分析技术分析了刀具的磨、破损形态和磨损机理．采用多因素正交试验对粉末冶金镍基高温合金的铣削力、刀具寿命进行研究，使用最小二乘法等方法和回归分析建立了铣削力、刀具寿命的经验模型．利用等寿命一效率响应曲面法，对干铣粉末冶金镍基高温合金的切削参数进行了优化．结果表明：粘结磨损和磨粒磨损是主要的磨损机理；在不同的切削速度下刀具失效形式不同；建立的铣削力及刀具寿命经验模型高度显著，进给量对铣削力和刀具寿命的影响显著；干铣加工粉末冶金镍基高温合金理想的切削用量为切削速度40～60m／min、轴向切削深度0．15～0．20mm、径向切削深度10～20mm、每齿进给量0．08～0．10mm．

涂层硬质合金刀具铣削粉末冶金镍基高温合金时的失效机理

使用涂层硬质合金刀具,对粉末冶金镍基高温合金进行了干式面铣试验.采用电子扫描显微镜(scan-ning electron microscopy,SEM)、数码显微镜(digital microscope,DM)和能谱探针(energy dispersive spectrometry,EDS)等工具,对硬质合金刀具前、后刀面的磨、破损形貌和失效机理进行了分析与研究.研究结果表明:涂层刀具的主要失效形式为崩刃和前刀面的剥落;失效机理为高温条件下磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损和疲劳磨损的综合作用.

镍基粉末高温合金FGH95涡轮盘材料研究

讨论了ＦＧＨ９５氩气雾化粉末高温合金中缺陷、粉末颗粒凝固组织及其相组成、粉末经过热等静压后显微组织与相组成、热等静压坯再经包套模锻后合金的组织与低周疲劳性能、以及热等静压坯再经挤压后合金组织的改善和热处理制度的改进。

FGH97镍基粉末冶金高温合金电镀铬

研究了镀前喷砂、活化、预镀镍及电镀给电方式对FGH97粉末冶金高温合金零件镀铬层结合力的影响,得到较佳的电镀铬工艺。

金属包套与镍基粉末冶金高温合金之间连接区的研究

本文通过观察金属包套与粉末冶金高温合金之间连接区形貌,分析了在镍基粉末冶金高温合金毛坯表面发现明显原始颗粒形貌的原因,重点研究了不锈钢包套与镍基粉末冶金高温合金之间的连接区。结果表明:连接区内在不锈钢和粉末冶金高温合金之间存在明显的界面,界面两侧存在扩散层,距离界面最近的镍基高温合金粉末仍保持原始粉末颗粒形貌;毛坯表面发现原始颗粒形貌是靠近粉末冶金高温合金一侧的界面没有完全去除造成的;界面、界面附近粉末原始颗粒形貌的形成与C扩散及镍基高温合金粉末元素偏析有关,连接区Ⅰ厚度不小于167μm,连接区Ⅱ厚度不小于716μm。

粉末特性对镍基粉末冶金高温合金组织及热变形行为的影响

分别采用氩气雾化(Argon atomization,AA)和等离子旋转电极(Plasma rotating electrode process,PREP)两种方法制备具有不同特性的镍基高温合金粉末,然后在相同条件下对两种粉末进行热等静压制备成块体材料(A-HIP及P-HIP)。分别对粉末和块体材料进行显微组织分析和形貌表征,并对热等静压材料在温度为1000~1100℃下、应变速率为0.01~1.0 s-1下进行热压缩实验,利用采集的应力、应变参数,通过迭代和线性回归的方法计算热激活能并构建本构方程,并利用所建立的本构方程预测合金在不同应变下的应力。结果表明:PREP粉末表面洁净度、球形度和粒径均匀度要比AA粉末的好,其表面氧含量也相对较低,仅为0.0079%,而AA粉末中氧含量为0.0139%(质量分数);相比P-HIP,A-HIP中分布着较多的原始颗粒边界和孔洞,原始颗粒边界的主要组成是大尺寸的γ′相和碳氧化物颗粒;A-HIP的平均晶粒尺寸为8.59μm,P-HIP的平均晶粒尺寸为12.54μm;A-HIP的强化相γ′的体积分数(43.91%)与P-HIP的强化相γ′体积分数(43.65%)基本相等。两种材料的激活能分别为1012.9 k J/mol和757.1 k J/mol,并采用双曲正弦Arrhenius模型构建不同应变下的本构方程并预测不同变形条件下的真应力,其与实验值间的绝对误差分别为6.46%和4.87%。A-HIP在压缩过程出现宏观裂纹,原始颗粒边界是压缩裂纹产生主要因素之一,且裂纹沿原始颗粒边界进行扩展。

热挤压对粉末冶金PM-0002镍基高温合金组织及热变形行为的影响

对热等静压制备的一种新型粉末冶金PM-0002镍基高温合金进行了热挤压处理,然后在1 0001 100℃下进行了不同应变速率的热模拟压缩试验,对比分析了热挤压前后合金的显微组织和热变形行为。结果表明:该合金经热挤压后,显微组织中的原始颗粒边界基本被消除,晶粒为细小的等轴晶粒;晶粒尺寸由热挤压前的11.29μm减小到8.32μm,且分布较为集中;在不同温度和应变速率下热压缩时,热挤压后合金的峰值压缩应力略高于热挤压前的;热挤压前后合金的变形激活能分别为1 012.9kJ·mol-1和1 146.9kJ·mol-1。

镍基粉末高温合金冶金工艺的研究与发展

叙述和分析了镍基粉末高温合金冶金工艺三十多年来在制粉及粉末处理工艺、成型工艺、热处理工艺等方面的研究成果和存在的问题 。

FGH95镍基合金的相组成及γ'相的粒度分布

为了研究FGH95合金的相组成及γ'相的粒度分布,采用电解萃取方法提取热处理态FGH95合金中的γ'相,测定γ'相的相组成结构式;通过XRD曲线测定γ'、γ相的晶格常数及错配度,对萃取的合金中γ'相粉末进行小角度衍射,测定出γ'相的粒度分布.结果表明,经1 140℃固溶和时效处理后,合金的组织结构由γ'相(质量分数约为47.8%)、γ相(质量分数约为51.2%)、(Nb,Ti)C、(Nb,W)B2、Nb3B2和Cr23C6等碳、硼化物(质量分数约为1%)组成,γ'相的结构组成式为(Ni0.896Co0.055Cr0.017Fe0.031)3(Ti0.224Nb0.134Al0.473Mo0.038W0.066Cr0.064),其中,在36～60 nm和60～96nm尺寸范围内的γ'相粒子质量分数分别为30.6%和29.1%,且细小γ'相在晶内弥散分布,而粗大γ'相分布于较宽的颗粒边界区域,并进一步测算出合金中γ'、γ两相的晶格常数分别为0.359 86nm和0.359 12 nm,晶格错配度为0.205 8%.

镍基粉末冶金零件的切削试验研究

对陶瓷刀具和硬质合金刀具进行了镍基粉末冶金零件的干切削对比试验,测量了切削力和加工表面粗糙度,分析了刀具的磨损机理。试验结果表明:陶瓷刀具的切削性能明显优于硬质合金,适合于粉末冶金零件的切削加工。

FGH95镍基合金的组织结构与蠕变行为

通过蠕变曲线测定和组织形貌观察,研究了FGH95合金的蠕变特征与变形机制。结果表明:经高温固溶及"盐浴"冷却后,FGH95合金的组织结构由细小γ′相及粒状碳化物弥散分布于γ基体所组成,由于沿晶界不连续析出的粒状(Ti,Nb)C相可提高合金的晶界强度,并抑制晶界滑移,故使其在650℃、1034MPa条件下有较小的应变速率和较长的蠕变寿命。合金在蠕变期间的变形机制是位错切割γ或γ′相,其中,当(1/2)<110>位错切入γ相,或<110>超位错切入γ′相后,可分解形成(1/6)<112>肖克莱不全位错或(1/3)<112>超肖克莱不全位错+层错的位错组态;蠕变后期,合金的变形特征是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,其引起的应力集中致使裂纹在晶界处萌生及扩展是合金的蠕变断裂机制。

一种FGH95镍基合金的晶格常数及蠕变行为

通过对FGH95合金进行组织形貌观察、晶格常数测定和蠕变性能测试,研究了该合金的组织结构及蠕变特征.结果表明:合金经热等静压后,组织致密,并有粗大γ'相沿原始颗粒边界不连续析出;经完全热处理后,粗大γ'相数量减少,细小γ'相在晶内弥散析出,且碳化物沿晶界和晶内不连续析出;同时,HIP合金经完全热处理后,经XRD谱线测定表明合金中γ'相晶格常数减小,γ相晶格常数增大,且在γ与γ'两相间存在较大的晶格错配度和晶格应变,使合金具有较高的蠕变抗力,故合金在1.034 GPa,650℃条件下具有较长的蠕变寿命;合金在蠕变期间的变形特征是可形成位错缠结、位错绕过或切入γ'相.