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。

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。

粉末冶金高温合金FGH96的热加工图及热压缩变形过程的开裂行为

采用Gleeble3180D型热模拟试验机对热挤压态FGH96合金在变形温度1020-1140℃，应变速率O．001-1．0s^-1进行热压缩实验，分析真应力一真应变曲线，绘制热加工图。并针对热挤压态粉末冶金高温合金FGH96在热压缩温度低于1080℃时的开裂现象，利用热模拟压缩实验方法，确定在变形温度为1050℃、应变速率为0．001-1．0s^-1的热压缩变形过程中的开裂临界应变量，观察变形后试样的裂纹形貌和显微组织，并利用有限元分析方法对热压缩变形过程进行模拟。结果表明：试样中部位置受拉应力作用沿着变形方向产生鼓形变形，当达到临界应变量后，产生呈沿晶断裂的宏观裂纹，并且随着应变速率的减小，裂纹产生的临界应变量逐渐减小；在低应变速率条件下，在宏观裂纹产生之前，试样内部晶粒之间出现了微观开裂的现象，并造成应力下降。

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。

FGH98粉末冶金高温合金热变形过程中组织变化

本文利用光学金相显微镜和扫描电镜观察了粉末冶金高温合金FGH98热等静压态锭坯经近等温锻造后的显微组织,研究了热变形对合金中原始颗粒边界(PPB)、粉末原始枝晶组织及晶粒度的影响。从动态再结晶和动态回复的角度分析了变形量对改善FGH98合金组织的作用,探索通过大变形量改善合金显微组织的途径。研究表明:经过三火锻造累积变形量达到75%的实验锭坯中PPB基本消除,获得γ′相均匀分布、晶粒尺寸为5μm的细晶组织。

粉末冶金高温合金差热曲线的相变温度分析方法

采用差热分析技术,研究样品质量和升温速率对FGH96合金差热曲线的影响。以FGH96为代表,探索采用差热曲线分析方法准确测量粉末冶金高温合金相变温度的最佳升温速率和样品质量。分析和对比差热曲线不同方法判定的γ'相完全溶解温度、固相线温度及液相线温度。改进了固相线判定方法,并在此基础上确定了FGH96合金中主要相变温度的最优判定方法。实验测定了FGH96合金热等静压、热挤压和热处理状态的相变温度。结果表明:FGH96合金在不同状态下的相变温度基本相同。同时,确定了高温合金差热分析的两个重要实验参数,提出可统一应用于高温合金差热曲线分析相变温度的判定方法。

热等静压冷却速度对粉末冶金高温合金组织及性能的影响

设计了热等静压机冷速的模拟实验。采用两种冷速研究了热等静压(HIP)对粉末高温合金γ′相形貌、尺寸及性能的影响。结果表明,由于HIP冷速低,析出的γ′相尺寸大,在冷却过程中γ′相发生了分裂,γ′相形貌发展成八瓣状、八瓣树枝状和树枝状;冷速越低,γ′相形貌趋向长成树枝状。两种冷速HIP处理的试样经热处理后,γ′相尺寸和形貌发生了改变,由于热处理冷速快,γ′相变为较为规则的细小方形,组织基本相同,力学性能几乎无差别。

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。

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。

镍基粉末高温合金FGH98流变曲线特性及本构方程

通过对第三代镍基粉末高温合金FGH98进行热模拟压缩实验,得到了不同温度(1050～1110℃)和不同应变速率下(0.01～1s-1)的真应力-真应变曲线。根据其特点分析了该合金的流变应力与温度和应变速率以及应变量的关系。由实验结果得出:该曲线呈典型的热激活特征,合金流变应力对变形温度和应变速率敏感。在此基础上选用Arrhenius方程低应力水平下的简化模型作为其本构关系的经验公式,利用线性回归法确定相关系数并对其误差进行分析,从而得到了该合金的本构方程。

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.

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.

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。

粉冶高温合金FGH95相析出的研究

本文研究了粉冶镍基高温合金FGH95经1200℃-1h冰水冷或1120℃—1h吹风冷固溶处理后于中温区(650℃—950℃)时效产生相的析出情况。其研究结果为FGH95的热变形和热处理工艺提供了重要的依据。

FGH95合金LCF断裂寿命与夹杂特征关系的研究

运用无因次分析方法，探讨了夹杂位置 ｄ（夹杂距合金表面距离）、夹杂二维尺寸 Ｓ与 ＦＧＨ９５合金断裂周次Ｎｆ之间的关系．结果表明，非表面夹杂是否处于危险区域－亚表面位置，并不依赖于夹杂的绝对位置 ｄ，而是依赖于 ｄ２／Ｓ的大小．ｄ２／Ｓ＝１是区分亚表面夹杂与内部夹杂的临界点．对于合金中处于随机分布的夹杂，处于合金表面或亚表面位置的可能性依赖于夹杂尺寸的大小．夹杂尺寸越大，处于表面或亚表面的可能性越大．

第三代粉末冶金高温合金FGH4098的热力学行为研究

利用金属材料相图计算软件JMat Pro 5.0及相应的镍基高温合金数据库,结合热加工工艺过程,研究了FGH4098合金及其热处理过程中的相平衡情况,并利用扫描电子显微镜和物理化学相分析进行验证。结果表明,FGH4098合金的热力学平衡相为γ、γ′、μ、σ、M23C6和M3B2,γ′相完全溶解温度与实测值一致;实际热处理态合金的相组成为γ、γ′、MC和M3B2,相组成、γ′相含量与逐步平衡模拟计算结果相近,两者之间差异可能与实际合金处于亚稳态、合金相的动力学行为有关。

基于热模锻造的FGH96粉末冶金高温合金晶粒细化工艺

FGH96是我国第2代粉末冶金高温合金,采用常规锻造工艺进行开坯和成形极为困难,为了探索合理的细晶盘坯制备方法,在900℃的热模温度下,以不同应变速率、变形温度和变形量进行热模锻造实验,研究FGH96粉末冶金高温合金组织的变化规律。结果表明:当以低于γ′相固溶温度锻造时,随着变形温度的升高,显微组织更加均匀,当变形温度超过γ′相固溶温度时,晶粒有长大倾向;合金晶粒度随着变形量的增加而细化,低变形量时组织不均匀,变形量超过30%时能获得较好的细化组织;在1050~1130℃变形温度范围、以大于30%的较大变形量锻造时,晶粒度可以提高3个级别以上;采用大变形镦锻、反复镦拔可获得12级左右的再结晶组织,拉伸强度明显提高,断口特征为沿晶和穿晶混合断裂。

刀具磨损对FGH96试件加工表面完整性及疲劳性能的影响

粉末冶金高温合金FGH96的切削加工性极差,加工过程中刀具磨损严重,直接影响零件的加工表面质量和疲劳寿命。采用涂层刀具车削FGH96试件,研究刀具磨损对FGH96试件加工表面完整性及疲劳性能的影响规律。结果表明,随着刀具磨损量(刀具后刀面磨损量)的增加,试件表面粗糙度Ra会随之增大,加工表面显微硬度则逐渐减小;加工表面残余应力均表现为残余压应力状态,且残余应力绝对值随着刀具磨损量的增加而增大;加工表面塑性变形层深度则随着刀具磨损量的增加而加深。同时,当刀具磨损量VB≤0.15 mm时,在试件表面完整性的综合影响下,试件的疲劳寿命下降幅度较小;当刀具磨损量VB>0.15 mm后,试件的疲劳寿命则急剧下降;因此,为保证FGH96试件车削加工后的疲劳寿命,车削刀具的磨损量VB应控制在0.15 mm以内。