D0I:10.13374/j.issnl001-053x.1987.s1.017 北京钢铁学院学报 Journal of Beijing University Special issue of Iron and Steel Technology No.21987,6 FGH95合金在热成形中与碳 钢包套的相互作用* 王盘鑫 赖和怡 粉末油金效研室) 要 本文！究了下G:5粉卡高祖合金在热亭静E成形时与驶嘲包套之间的组互作用， 研究表明：FGH:粉末高温合金热成形用碳钢作包套讨，由于二者之间发生各种元素的扩散， 因此随热成形湿度，时但的不同，在合金表面层会形成不等的合金元素蓝化区和富铁区，以及形成 无Y'相这城，得出了在不同温度下扩散层耳度与时间的关系，研究得出了扩散层至合金中心的显微 硬度变化规律，此外，研究还得出了含碳不同的碳钢对FGH95中金的影响. The Interaction of Mild Steel Container with FGH95 Alloy During Hot Compaction Processing Wang Panxing Lai Hoyi Abstract The influences of mild steel container on Het Isostatic Pressed powder met- allurgy superalloys is studied in this paper.It is concluded that there are some interaction of the mild steel on the hot pressed compact.The diffusiou of all- oy elements will result in forming such zones which may be poor in alloy elements or rich in iron on the surface layer of the compact.The thickness ·1082年1月完成 124
北 京 ， 钢 铁 学 院 学 报 加 锐 时 名耽 加 。 。 二 一 二 一 二 二 二 一 一 一一 二二 二，， ， 德 宋， 以口二二二二‘ 匀巴二二，，目毖，呢二 二 合金在热成形中与碳 钢包套的相互作用 来 王 盘鑫 赖和恰 叫 ，粉未冶 金教研室 摘 要 本 文研 究 了 浦粉 长荡沮合 金在 热 等静 压成 形时 与 谈钢 包套之习 的 湘互 作 用 。 研究表明 以 粉衣高沮合金热成形用碳钢 作包套对 ， 由于二者之间 发生各种元 素的 扩敬 ， 因此随热成形沮度 、 时间的不同 ， 在合金 表 面层会形成不等的合金 元 素贫化 区和 富铁区 ， 以 及 形 成 无丫 相这 城 ， 得 出了在 不同扭度下 扩散层厚度与时间的关系 研究得 出了扩 散层至合 金 中心 的显微 硬 变变化规律 。 此外 ，研究还 得 出了含碳 不 同的 碳钢 对 今金的影响 。 ， 、 缺 的饭 恤 弱 遥 叱 甲 江 ， 、 月 泣” 份 卜 ‘ 了 了 。 。 了 甲 了 一 年 月宪成 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．s1．017
of this layer varies with HIPing temperature and HIPing time.Meanwhile non-y/phase area will form in the surface layer,as the consequence of the iuteraction.An equation was obtained to describe the relationship between the diffusion depth and the time at different HIPing temperature.The hardness from the surface layer to the core of the specimen was measured as well.The influence of carbon content of the mild steel was also discussed. 前 言 高温合金是制造燃气轮机高温部件的重要材料，在飞机、宇航、舰船、核反应堆以 及化学等工业部门得到广泛采用。 随着科学技术的发展，对于高温材料的使用温度，要求愈来意高。例如，镇基高温 合金大约以每年提高10~C左右的使用湿度电前发展〔1)。为了是高合金的高温性能，合 金的成分变得越来址复杂。一些高性能的镰基合金已不能采用一般的熟加工变形方式进 行加工，从而只好使用铸态合金。但是，由于钱件存在着成分偏析和组织偏析，合金物 性能发生波动，影响了合金的使用。 采用粉末治金技术则可以获得几乎无成分偏撕、组织均均、熱加工性能良好的材 料。特别是热等静压技术的出现，赋予高温合金以新的发展前景。 1973年，L.P.Jahnke等人指出：粉末治金是未来20年将给高温合金带来重大成果 的重要技求垫颜之一：。7心年代初期，人们只是把热等静压作为坐产还料的中间工序， 面雷虹进所般始、护压以及其它一些加工。无疑，这样的加工过程，制品的成布 是相当高的。因此，为了降低成本，70年代后期，人们则把热等静压的模具设计、模具 ,料通操以覆整个包套红艺当作难点，.并且认为这也是熟第静压的触点〔3。为了去除 热等静压以后费钱的后加工，尤其是1978年美国G。E。公司快定将非：锻造产品用于 F700和F404发动机上，包套问题就引起人们的极大关注。美国空军和航空字宙空间公 司也正在努力进行热等静压一次成形的工作〔丁。他们遇到的困难，包套是主要问题之 热等静压作为中间工序时，·包套与制昂之闻的反应是可以忽视的。因为通过切削加 工可以把它们之间的反应层去掉。然而对于一次成形来说，为了保证制品的精度与使用 性能，包套与制品之间的相互作用就需要重视。但是，有关包套与制品之间相互作用的 研究还相当少。 本试验试图通过热等静压和热压成形，来探讨碳钢作包套时，与FGH95高温合金粉 末之间的相互作用规律，为FGH95合金粉末热成形时，选用包套材料或进行包套设计提 供参考。 125
广 艾 。 ， 砚 一 ‘ ， 下 伍 。 前 咭卜 己 公 卜 卜 高 温合 金是制造燃 气轮机高温部件的重要材料 ， 在飞 机 、 宇航 、 舰船 、 核反应堆 以 及化学等工业部 门得到广泛采 用 。 随着科 学技术的 发展 ， 对于 高温材料的使用温度 ， 要求愈来 高 。 例如 ， 铃墓高温 合金大约 以每年提 高 左右的位用很魔向前没展 〔 ’ 〕 。 为 了提高合金韵商温 性能 ， 合 金的 成分变得趁来越复杂 。 一些高性能的偏滋合金 已不能采用一般的热加工 变形方式进 行加工 ， 从而 只好使用铸态合金 。 但是 ， 由于铸 件存在着成分偏析和组织偏析 ， 合金的 性能发生 波 动 ， 影响 了合金的使用 。 采 用粉末冶金技术则可 以获得几乎无 成分偏析 、 组织 均匀 、 热加工 性 能 良 好的材 料 。 特别是热等静压技术的出现 ， 赎予高温合金 以新的发展前景 。 年 ， 等人 指 出 粉 末冶金是未来 年将给高温合金带 来重 大 成果 的重典技术革姗之一 冬 年代初期‘ 人们 只是把热等静压作为坐产坯料的中间工序 ， 两姗刊围巴坯料进行报曲 、 柳压以及其它一些加工 无疑 ， 这样的加工过程 ， 制 品 的成本 是相 当高的 。 因此 ， 为 了降低成本 ， 年代后期 人们财把热等静压的模具设计 、 模具 材料透姗以及整个包套工 艺当作雄点 ， 、 并且认 为这也是热等静压 的映 点 〔 “ 。 为 了 去除 热等静压 以后 费钱的后加工 ， 尤其是 年美国 公司映 定将 非 银 造 产 品 用于 和 发动机上 ， 包套问题就引挥娜 的 极大关注 。 美国空军 和 航 空 宇宙 空 间公 司也正 在努 力进 行 热等静压一次 成形的工作〔 ‘ “ ， 他们 遇到的困难 ， 包套是 主 要 问题之 热 等静压 作为中伺工 序时 ， 包套与 制 添之向的反应是可以忽视的 。 因为通过切削加 工可以把它们之悯的 反应层去掉 ‘ 然而对于一 次 成形 来说 ， 为 了保证制 品的精度与使 用 性能 ， 包套与制 晶之间的相互作 用就需要重 视 。 但 是 ， 有关包套与制 品之间相互作 用的 研究还 相 当少 。 本试验试图通过热等静压 和热压成形 ， 来探讨碳钢作包套时 ， 与 高温合 金粉 末之间的相互作用规律 ， 为 璐 合金粉末热成形时 ， 选 用包套材料或进行包套设计提 供参考
1实验方案与研究方法 1,1实验方案 木实险采用热压FGH95合金粉未与碳钢的方法：，来模拟热等静压过程中G1H95合 金粉末'与碳钢包套间的相互作用。在试验前，首先对热压(HP)与热等静压(HIP) 所得试样进行比较，结果表明：热正与热等静压所获得的试样，在合金与包套接触区的 形貌完全一样，而且其接触区的扩散层厚度随温度变化有着同样的变化规律（图1）。 因此，用热压的方法来代替热等静压丁艺，研究包套与制品之间的相互作用是可取 的。 本实验的研究内容为： (1)观装热等静压工艺制取的FGH95合金与包套间的相互作用， (2)研究在不同温度、不同时间下热压时，FGH95合金与碳钢包套间的相互作用 规律。 热压温度，1050°C,1100°C,1150°C,1200C。 热压保温时间：15、30、60和90min。 (3)研究含碳量不同的碳钢与FGH95合金的相互作用。 1.2研究方法 (1)原材料FGH95合金粉末：由冶金部钢铁研究总院用氩气雾化而成。成分为 含5060%Ni,10~15%Cr以及Co、Mo、W、Nb、Ti、A1等的合金粉末。松装密度 为4.369/cm,摇实密度为5,209/cm3。 包套材料：热压时用Aa和45锅。碳钢片直径为18mm,厚3mm,磨平后才使用。热 等静压包套为厚1.3mm的低碳钢。 有 65 (1)一模冲， 0 ●HIP (2)一阴模， oHp (3)一A1h01粉m 20 (4)一碳钢片， uo'snjjia 10 (5)一FGH95合金粉末， (6)一碳钢片 1000 1050 110011501200 Temperature,'C 困2石婴筷具示意围 ●10 图1扩散层厚度与湿度的关系 (2)热成形热等静压采用1070~C、1120°C保温3h的工艺制度， 126
实验方案与研究方法 实验方 案 木实验 采 用热压 合 金粉 末与碳钢 的方 法 ， 来模拟热等静压 过 程 中 合 金粉 末与碳钢包套间的 相互作 用 。 在 试验前 ， 首 先对热压 与热 等 静 压 所 得 试样进行 比 较 ， 结果 表明 热压 与热 等静压所获 得的试样 ， 在 合 金与包套接触区的 形貌完全 一 样 ， 而 且其接触 区的扩散层厚度随温 度 变化有着同样的变化规律 图 。 因此 ， 用热压 的方法 来代 林热等静压 工 艺 ， 研究包套 与制品 之间的相互作用是可取 的 。 本实验的研究 内容为 观察热等静压工艺制取的 合金与包套间的相互作用， 研究在不同温度 、 不 同时 间下热压时 ， 合金与碳钢包 套 间的相互作用 规律 。 热压 温度 ， ， ， 。 热压保温时间 、 、 和 。 研究含碳 量不 同的碳钢与 合金的相互作用 。 。 研究方法 原材料 合金粉末 由冶金部钢铁研究总院用氢气雾化 而 成 。 成分为 含 ， 以及 、 、 、 、 、 等的合金粉 末 。 松 装 密度 为魂 。 吕， 摇实密度为 。 包套材料 热压时用 。 和 钢 。 碳钢片直径为 ， 厚 ， 磨平后才使用 。 热 等静压包套为厚 的低碳钢 。 月 ‘ 。 · “ ，， ，“ 。 ” ， 尸 ，， ，“ 拼了了 一 一 一 】 圈 ‘ ， ’ 一棋冲， 一阴棋， 一 ， 粉 “ 一 碳钢片 一 合金 娜 末 ， 一碳钢片 ￡匕‘ 七召﹁占‘长云纽 图 石里 摸具示怠圈 扩 敬层厚度与温度的关系 热 成形 热等静压采 用 ’ 、 保温 的工艺制度
热压采用石墨模具（图2）。 (3)试样测试用XJG-04型金相显微镜进行包套-合金接触区的形貌观案，并测 量过渡层厚度。试样浸蚀用H,SO4+HCI+CuSo,溶液。 电子探针与扫描电镜分析采用1002型电子探针仪和S-600型扫描电镜。试样漫蚀用 CuCI2+HCI+酒精溶液。 用HX-1型显微硬度计测定显微硬度。 腐蚀现象观察在50 mIHCI+50mlHz0+10gCuS0.的溶液中进行。观察试样中合金与 包套接触区至试样中心部份被腐蚀的状况。 2实验结果与讨论 2,1包套-合金接触区形貌 所有试样在金相显微镜下都能被看到如图3所示的接触区形貌。图3中，左边为低 碳钢包套，右边为FGH95合金。包套与合金之间是一条黑色的波形交界线。交界线左边 的白色带状组织为扩散层，约304m,扩散层左边黑色带是碳钢的非正常组织，约130m 宽。交界线右边约304m宽的白色组织为无y'相区域。 0,033mm 图3包套一合企按触区形貌，HIP,1120C2b 2,2扩散层厚度与温度、时间的关系 热压后的FGH95合金与包套间的扩散层厚度，随热压温度，时间的变化，其结果列 于下表。 FGH95合金与碳纲包套间的扩散层厚度，4m与热压温度°C、热压时间的关系 熟压 1度，℃ 热压时间，mi加 1050 1100 1150 1200 15 1 5 11 30 3 16 36 60 7 15 23 9 90 10 23 35 46 127
热压采 用石墨模 具 图 。 试 样测 试 用 一 型金相显微镜进行包套 一 合金接触区的形 貌 观察 ， 并测 量 过渡 层厚 度 。 试样浸蚀 用 ‘ 卜 ‘ 溶液 。 电子 探针与扫描 电镜分析采用 型 电子探针仪和 一 型扫描电镜 。 试 样浸蚀 用 酒精溶液 。 用 一 型显微硬 度计测定显微硬 度 。 腐蚀现象 观察在 巧。 ‘ 的溶液 中进行 。 观察试 样 中合金与 包套接触 区至试样 中心部份被腐蚀的状况 。 ﹄‘ 实验结果与讨论 。 包套 一 合金接触 区形貌 所 有试样在金相显微镜下都能被看到如图 所示的接触区形貌 。 图 中 ， 左边为低 碳钢包套 ， 右 边为 合金 。 包套与合金 之间是一条黑色的 波形交界线 。 交界线左边 的 白色带状组织为扩 散层 ， 约 拜 ， 扩散层左边黑色带是碳钢的非正常组织 ， 约 邸 宽 。 交界线右 边约 件 宽的 白色组织为无训 相 区域 。 户诊 叭 图 包套一合金接触区形貌 ， ， 。 扩 散层耳 度与温度 、 时 间的关系 热压后 的 合金 与包套间的扩散层厚度 ， 随热压 温度 ， 时间的变化 ， 其结果列 于下表 。 合金 与碳纲 包套间的扩散 层厚 度 ， 拜 与热压 温度 “ 、 热压 时间的关 系 热 压 温 度 ， 热压时’ ， － 一 －－ 一 － －－ － …－ 一 一一 卫旦竺一二竺生一一卫竺一一二兰些 －
山表列数据作图4，山此可清楚看到，在同一热压温度下，FGH95合金与包套之间 的扩散层总是随着保温时间的延长而加宽，在相同的保温时间下，则随热压温度的升高 而扩散层加觉。 50 % 1z006 0 1502c uotsnj! 20 1100℃ 10 1050C 15 30456075 90 Time,min 图4FGH95合金与碳钢包套间、扩散层厚度与热压条件的关系 2,3Fe、Ni、Cr等主要元素在接触区两边的分布 图5~8为Fe、Ni、Cr等主要元素在碳钢与FGH95合金两边分布的电子探针和扫 描照片。照片的左边部分为碳钢，右边部分为FGH95合金。背景为二次电子形貌相。 水平白线为扫描位置，白色曲线分别为Fe、Ni、Cr等元素在接触区两边的分布。由图 5~8可见，热压温度越高，保温时间越长，则元素扩散距离越大。 图5包套一合金按触区元素分布 图6包套查一合金接触区元素分布 热压温度，1100°C,保温时间：90mi0 热压温度：1150°C,保湛时间，60m 128
由丧列牧据 作图 ， 山此可清楚看到 ， 在 同一 热压 温度下 ， 合 金与包套之间 的 扩散层总 是随 着保温时 间的延 长而 加觅， 在相 同的保 温时 间下 ， 则随热压 温度的升高 而扩散层加宽 。 月 加 夏 ‘ ︸一﹃‘树。 一面 宝 图 合金与谈钢包套间 、 扩 散层厚度与热压 条件的关系 、 、 等主 要元素 在接触 区两 边的 分 布 图 为 、 、 等主要元素在碳钢与 合 金 两边分布的 电子 探 针 和扫 描照 片 。 照 片的左 边部分为碳钢 ， 右边部分为 合金 。 背景为二 次电子 形 貌 相 。 水平 白线为 扫描位置 ， 白色 曲线分别 为 、 、 等元 素在接触 区 两 边的分布 。 由图 可见 ， 热压 温度越高 ， 保温时 间越长 ， 则元 素扩散距离越大 。 图 包套一 合金接触区 元素分 布 热 压 温度 ， 保 提时间 。 图 包套一合金接触区 元 素分布 热压温度 一 ， 保沮时间， 悠
.05mm 图？包套一合金接触区元素分布 图3合金一包套按区元素分布 热压温度：1150°C,保温时间，60min HIP TC=11201t=3h 2,4含碳量的影响 图9为包套-FGH95合金接触区的碳元素面扫描图象。左边为合金，右边为碳钢包 套。由图9可以明显看到，碳在扩散层的量稍低，而在扩散层右边约有30~504m的区 域内富集着碳（试样的扩散层约24m)。 用低碳钢和中碳钢作为模拟包套进行热压时，含碳量对接触区的状态有明显差别， ◆ 中碳钢的扩散层比低碳钢的扩散层要厚，而且在合金表面有明显的渗碳现象。 2,5FGH95合金的显微硬度与抗腐蚀现象 FGH95合金从扩散层至中心部位的显微硬度变化，由图10可见，无论是热等静压 FGH95合金还是热压FGH95合金，都有一个低硬度值区域。 试样在50 ml HCI+50mlHz0+10gCuS0溶液中浸蚀时，可以发现试样中心部位和 碳钢包套在3~5s内立即被腐蚀。从扩散层向合金一边约1mm的区域则不被腐蚀。而且 1~2s以后，仍然没有被腐蚀的迹象。 ●知P 26 oHp 200 150 100 50 0.033mr 153045607590105 Distance to the core of alloy,m 图9碳在包套一合金接触区的面分布 图10FGH95合金由扩散层向合金中心方向的硬度：化 129
图 包套一合 金接触区元素分布 热压 沮度 ，保温时间 图 合 金一 包套按触区 元 亲分布 七二 含碳 的 影响 图 为包套 一 合 金接触 区的碳元素面扫描 图象 。 左边 为 合 金 ， 右边 为碳钢包 套 。 由图 可 以明显看 到 ， 碳 在扩散层的量稍低 ， 而 在扩 散层右边 约 有 拌 的 区 域内富集着碳 试样的扩 散层约 林 。 用低碳钢 和 中碳钢作为模拟包 套进行 热压 时 ， 含碳 量对 接触区的状 态有 明显差别 。 中碳钢的扩 散 层比低碳钢的扩散层 要厚 ， 而且在 合 金 表面 有明显 的渗碳现 象 。 合金的显徽硬 度与 抗腐蚀现象 犷 合金从扩散层至 中心部位的显微硬 度变化 ， 由图 可 见 ， 无论 是 热 等静压 合金还 是热压 合金 ， 都有一个低硬 度值 区域 。 试样在 一 ‘ 溶液 中浸蚀时 ， 可 以发现试样 中心 部位和 碳钢包套在 内立 即被腐蚀 。 从扩 散层 向合金一边 约 的 区域 则不被腐 蚀 。 而且 以后 ， 仍 然没有被腐蚀 的迹象 。 卜 龟退卫县留套男占台‘ 翻 担夕 一 护益二口 、 一 一五 妙 ， 脚 图 碳 在包套一合 金 接触区的 面 分布 圈 合金 由扩 散层向合金 中心 方向 的硬度冷化
FGH95高温合金热成形后的显微硬度变化和腐蚀现象的差别，完全是由于扩散引 起了合金的成分、结构差异所致。由FGH95合金试样成分分析可以看出，扩散层含Fe 量很高，而无y'相区域的含Fe量明显下降。其它元素也有类似的变化情形。 y'相(NisAl)的组成与合金成分有关。从y'相组成与Ti/AI比值关系考虑， Ti/Al y'相分子式 ≥5 Ni2.gFeo.2Tio.Alo.1 35 Ni2.8Feo.2Tio.76Alo.2s 1.5~3 Ni2.8Feo.2Tio.Alo.4 ≤1,5 Ni2.8Feo.2Tio.4Alo.8 虽然Ti/Al比值在不断改变，但Ni/Fe比值始终不变为14·1。在FGH95合金的热成形过 程中，由于各元素的扩散，尤其是与合金中y'相相关的元素A1、Ti、Nb、Ni等的贫 化，加上F元素向表面的扩散就会造成一定范围内存在无y'相区域。y'相的数量会直 接影响合金的性能。一般说来，增加Y'相的数量，能提高合金的强度，但又会影响合 金的抗腐蚀性。 3 结论 (1) 用碳钢作FGH95高温合金热成形包套材料时，碳钢与合金间会发生各种元素 的相互扩散，以致在合金表面形成合金元素的贫化区和富F区，以及形成无y'相区域。 这些区域的大小随热成形的温度、时间不同而不同。 (2)碳钢与合金之间的扩散层厚度与热成形的温度、时间有关。有厚度随热成 形温度的升高而增大影随热成形时间的延长而增宽。 (3)碳钢的含碳量对扩散层的厚度也有影响。随含碳量的增加，扩散层厚度也 增加。 (4)在FGH95合金中，由于扩散层、无y'相区域的存在，合金的显微硬度和抗 腐蚀性，在不同的部位也有所不同。在无Y'相区域合金具有较好的抗腐蚀性能。 致谢，都加试验的还有许根国，武验过程中得到刘慧贞工程师，邢晓乐同志等的协助，谨致谢意。 130
高温合金热成形后 的显微硬 度变化和腐蚀现象的差别 ， 完全 是 由 于 扩散引 起 了合金的成分 、 结构差异所致 。 由 合 金试样成分分析可 以 看 出 ， 扩散层含 量很高 ， 而 无训 相区域的含 量明显下 降 。 其它元素也有类似的变化情形 。 ，‘ 相 ， 的组成与合 金成分 有关 。 从，‘ 相组成 与 比值关系考虑 ’ ， ’ 相分子式 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ‘ ‘ 。 。 ‘ 。 。 虽 然 比值 在不 断 改变 ， 但 比值 始终不 变为 。 在 合金的热成形 过 程 中 ， 由于各元素的扩 散 ， 尤其是与合 金 中 ‘ 相 相 关 的 元 素 、 、 、 等的 贫 化 ， 加上 元素 向表面 的扩散就会造成一 定范 围内存在无训 相 区域 。 产 相 的 数量会直 接影响 合金的 性能 。 一般说来 ， 增加，产 相的数量 ， 能提高合金 的强度 ， 但又 会 影 响合 金的抗腐蚀性 。 』 结 论 用碳钢 作 高温合金热 成形 包套材料 时 ， 碳钢与合金 间会发 生各种元素 的相互扩散 ， 以致在合金 表面形 成合金元素的 贫化 区和富 区 ， 以及形 成无 产相 区域 。 这些区域的大小随热成形的温度 、 时间不 同而不 同 。 碳钢 与合金 之间的扩散 层厚度 与热成形 的 温度 、 时间有关 。 有厚 度 随热成 形 温度的升高而增大， 随热成形时 间的延 长而增宽 。 碳钢 的 含碳 量对扩散层的厚度也有影响 。 随含碳 量 的增加 ， 扩散 层 厚度也 增加 。 在 合 金 中 ， 由于扩散 层 、 无 产 相 区域 的存在 ， 合金的显微硬 度 和抗 腐蚀性 ， 在不 同 的部位也有所 不 同 。 在 无 产相 区域合金 具有较好的抗腐蚀性能 。 致谢 参加试验 的还有许根国 。 试验过 程 中得到刘慧贞工程师 、 邢晓乐 同志 等的协助 ， 谨致谢愈
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参 考 文 献 冶军 美国镍基 高温 合金 ， 科 学 出版 社 ， 年 ， 等 ， ， 机械工 程材料 ， · 机械工 程材料 ， · 高温 合金 金相 图谱编 写组 高温 合金金 相图谱 ， 冶金工 业 出版 社 ， ， 习幻 一‘