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。

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。

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.

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。

粉末高温合金FGH97疲劳裂纹扩展行为

研究了氩气雾化制粉+热等静压工艺成型所制备的粉末高温合金FGH97在650℃下的疲劳裂纹扩展性能,并与俄制旋转电极制粉+热等静压工艺成型的EP741NP合金盘件进行对比;重点分析了不同制粉工艺、氧含量、晶粒度和γ’尺寸等因素对裂纹扩展速率的影响。结果表明:氩气雾化制粉+热等静压工艺制备的FGH97合金试验盘具有比俄制旋转电极制粉+热等静压工艺制备的EP741NP合金盘件更好的疲劳裂纹扩展抗力;分析发现晶粒度对氩气雾化制粉+热等静压工艺制备的试验盘裂纹扩展性能影响较为明显,晶粒度越大,疲劳裂纹扩展速率越低;γ’相尺寸的影响次之,在一定范围内γ’相尺寸增大,疲劳裂纹扩展速率略为降低;而氧含量在100~150μg/g范围内对疲劳裂纹扩展性能无显著影响。

夹杂物尺寸及分布对FGH97高温合金低周疲劳性能的影响

利用扫描电子显微镜、能谱仪、金相显微镜、低周疲劳试验机研究了镍基粉末高温合金FGH97材料650℃低周疲劳性能与断口夹杂物尺寸、面积及分布的关系。结果表明:FGH97热等静压材料低周疲劳裂纹源主要由非金属夹杂物引起。非金属夹杂物尺寸小于临界值(约80μm)时,夹杂物尺寸和位置对650℃最大应力980 MPa低周疲劳寿命无明显影响,疲劳寿命均值达到190992周次。当夹杂物尺寸超过临界值(约80μm)时,则夹杂物尺寸越大,越靠近表面,低周疲劳寿命越低。因此,控制夹杂物尺寸是提高FGH97高温合金低周疲劳寿命的有效方法。

氩气雾化制粉FGH97高温合金的组织和性能

利用扫描电子显微镜、金相显微镜等研究了氩气雾化制粉(AA)+热等静压(HIP)的FGH97合金显微组织、夹杂物、原始颗粒边界(PPB)、热诱导孔洞(TIP)等冶金缺陷,统计分析了室温、650、750℃拉伸性能、650℃/980MPa持久性能及650℃低周疲劳寿命。结果表明:AA+HIP+热处理制备的FGH97材料晶粒度为ASTM8~9级,未发现连续网状的PPB,存在极少量的TIP。晶内γ′多数为正方形,尺寸约为200 nm,晶界γ′为1.5~2μm的长方形,未见粗大γ′相及粗大碳化物。650℃/980 MPa持久时间均值449 h。650℃低周疲劳寿命最大值258909周次,均值达到190014周次。室温、650℃、750℃拉伸性能、650℃/980 MPa持久性能以及650℃低周疲劳寿命均满足FGH97合金技术要求。