D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1993.01.001 第15卷第1期 北京科技大学学报 VoL.15 No.1 1993年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.1993 镍基粉末高温合金FGH95的组织和性能 章守华 胡本芙*李慧英*吴承健* 金开生 摘要：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。 关键词：镍基粉未高温合金，粉末颗粒，热等静压，原颗粒边界碳化物，热济压，持久新 裂，低周疲劳 The Microstructures and Properties of A Nickel Base Superalloy FGH95 Zhang Shouhua Hu Ben fu'Li Huiying'Wu Chengjian'Jin Kaisheng' ABSTRACT:In this paper,the following topics are discussed:the solidification struc- ture and phase constituents in argoin atomized powder particles and the chemical analyses on particle surfaces:the microstructures and phase constituents of the alloy after hot isostatic pressing(HIP),the nature of the previous powder particle boundary (PPB) carbides and the mechanism of their formation;the improvement of microstructure in the HIPed blank with hot extrusion and the overall enhancement of high temperature tensile, stress rupture and low cycle fatigue properties with a modified final heat treatment. KEY WORDS:P/M nickel base superalloy,powder particles,hot isostatic pressing, previous powder particle boundary carbides,hot extrusion,stress rupture,low cycle fatigue 粉末高温合金涡轮盘是公认的新一代盘件，它的采用将有效地增高飞机发动机的推动 比，延长寿命，节约原材料。世界先进工业国家已广泛使用在高性能的飞机发动机 上i1~4) 本文总结北京钢铁学院粉末高温合金课题组1981年以来的部分研究成果，针对粉末 高温合金制造工艺中的一些影响合金质量的问题进行研究，寻找其产生原因和对合金组织 与性能的影响，以防止其产生和碱少其危害。 1992-06-21收稿 *材料科学与工程系(Department of Materials Science and Engineering 第一作者章守华男75数授博士生导师
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 多 镍基粉末 高温合金 的组织和 性能 章 守华 胡本芙 李 慧英 吴承健 金 开 生 ’ 摘要 论文 讨论了 氛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 。 关键词 镍墓粉末 高温合 金 ， 粉末颗粒 ， 热等静压 ， 原颗粒 边界 碳化物 ， 热 济压 ， 持久 断 裂 ， 低周疲劳 ‘ ’ 五 夕 ‘ 牙 人 ，，幻 ‘ 了。 众 ， ‘ ， 认， ， 尽 、 ， 丘 。 ， ， ， ， ， ， 兔 粉 末高温 合金涡 轮盘是公 认的新一 代 盘件 ， 它的 采 用将有效 地增 高飞 机发 动 机的推 动 比 ， 延 长 寿 命 ， 节约 原 材 料 。 世 界 先 进 工 业 国 家 已 广 泛 使 用 在 高 性 能 的 飞 机 发 动 机 上 〔 一 〕 。 本文总结 北京钢铁 学院粉 末 高温合金课 题 组 年 以来 的 部分研 究成果 ， 针对 粉 末 高温合 金制造工艺 中的一些影 响合 金质量 的 问题进行研究 ， 寻找 其产生原 因和对 合金组 织 与性能的 影响 ， 以防 止其产生和 减少其危害 。 一 一 收稿 材料科学与工程系 第一作者 章守华 男 主 教授 博士生导 师 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1993．01．001
·2 北京科技大学学报 1993.No.1 1FGH95合金雾化粉未颗粒的凝固组织 FGH95合金的设计化学成分如下：C-0.04%~0.09%,Cr-12.00%14.00% C0-7.00%~9.00%;W-3.30%一3.70%；M0-3.30%-3.70%;A1-3.30%~3.70%; Ti-2.30%~2.70%;Nb-3.30%一3.70%：B-0.006%~0.015%;Zr-0.03%~0.07%;Ni 余量。合金经真空感应治炼，在氩气雾化装置上喷雾制粉，粉末粒度范围为-60+320 目。 1.1粉末颗粒的凝固组织3) FGH95粉未颗粒的凝固组织是由y固溶体的树枝品与胞状晶所组成，见图I。随着 颗粒尺寸的减少，树枝品的一次晶轴变细，二次品臂间距减小，二次晶轴及三次晶轴越来 越不发达，树枝晶逐渐改变为胞状晶。 0.02mm 0.02mm/ 02mm 02mm 图1FGH95粉末颗粒的凝固组织(3) (a)-140+160月(b)180-200目(c300+320目(d)-300+320目 树枝晶 放射状树枝晶胞状树枝晶 胞状品 Fig.1 Solidification structures of FGH95 powder particles 经计算，粉末颗粒在-60~+320目范围内，其凝固时的冷速在1×103~1×10℃/s 之间，凝固时间为10一102s之间。如果计算求得粉未凝固过程中固液界面前沿液相中 温度梯度G和固相凝固速度R的比值为G/R,G/R值控制着粉末的凝固组织。G/R 为(1.541.68)×102℃·s/4m2时，（相当于粒度-60~+240目，即颗粒直径246~ 64m)液滴以树枝晶方式凝固；比值为2.58×102℃·s/μm2时，（相当于粒度-300~ +320目，颗粒直径为44m),液滴以胞状晶方式凝固。胞状晶组织中的成分偏析自然要 比树枝品中少得多。 1.2颗粒粉末中的相组成 FGH95合金粉末颗粒的组织中除了作为基体的？相固溶体以外，还有在凝固过程中 与随后的冷却过程中形成的MC'碳化物、Laves相、M,B,硼化物相以及'-Ni3Al 相。前三者汇集于树枝晶臂间和胞状品壁间，而y'一NiA!相主要分布在y相基体内。 MC'碳化物的形态是多样性的，随着粉末颗粒尺寸的减小，它从规则几何状，改变 为花瓣状、枝晶状及在颗粒为-300~+320目的粉末中呈蜘网状。MC'的化学组成以
北 京 科 技 大 学 学 报 合金雾化粉末颗粒的 凝固 组织 合 金 的 设 计 化 学 成 分 如 下 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 仑 一 一 一 一 余 量 。 合 金 经 真空 感 应 冶 炼 ， 在 氢气 雾 化 装 置 上 喷 雾 制 粉 ， 粉 末 粒 度范 围 为 一 十 目 。 粉末颗粒的凝固 组织 川 粉 末 颗粒 的 凝 固组 织 是 由 固溶 体的 树枝 晶 与胞 状 晶所 组 成 ， 见 图 。 随 着 颗粒 尺 寸的 减少 ， 树枝 晶的 一 次 晶轴 变细 ， 二 次 晶臂间距 减小 ， 二次 晶轴 及三次 晶轴越来 越不 发 达 ， 树枝晶逐 渐 改 变为 胞状 晶 。 一 、 ‘ 久吮 ‘ · 沐 ‘ 广 仓夕性 一 二 二 二、 声尸尸 」一 力毛 几 ‘ ， 、 ，， 亡 ‘ 一 目 图 粉末颗粒的凝固组织 川 一 ‘ 目 一 目 卜 目 一 目 树枝晶 放射状树枝晶 胞状树枝晶 胞状晶 经 计 算 ， 粉 末 颗 粒 在 一 一 加 目范 围 内 ， 其凝 固时 的冷 速在 ，一 ℃ 之 间 ， 凝 固 时 间为 一 ’ 一 一 ’ 之 间 。 如果 计 算求 得粉 末 凝 固过 程 中固液 界 面 前沿液 相 中 温 度梯度 和 固 相凝 固 速 度 的 比 值为 ， 值控制着粉 末 的凝 固组 织 。 为 一 一 ，℃ · ，‘ ， 时 ， 相 当 于 粒 度 一 一 目 ， 即 颗 粒 直 径 一 拜 液 滴 以树 枝 晶 方 式 凝 固 比 值为 一 ℃ · 拜 时 ， 相 当于粒 度 一 一 十 目 ， 颗 粒直径为 拜 ， 液 滴以 胞状 晶方 式 凝 固 。 胞状 晶组 织 中的成 分 偏 析 自然要 比 树枝 品 中少得 多 。 颗粒粉 末中的相 组成 合 金 粉 末颗粒 的 组 织 中除 了作 为 基 体的 ，’ 相 固 溶 体 以 外 ， 还 有在凝 固 过 程 中 与随 后 的 冷 却过 程 中形 成 的 ‘ 碳 化 物 、 相 、 硼 化 物 相 以 及 ，’ ’ 一 相 。 前三者 汇集于 树枝 晶臂间和胞 状 晶壁 间 ， 而 ’ 一 相主 要 分 布在 相基 体 内 。 ‘ 碳 化物的 形 态 是 多样性 的 ， 随 着粉 末颗粒 尺 寸 的 减 小 ， 它从 规则 几 何状 ， 改 变 为 花 瓣 状 、 枝 晶 状 及 在 颗 粒 为 一 一 十 目的 粉 末 中呈 蜘 网 状 。 ‘ 的 化 学 组 成 以
Vol.15 No.1 镍基粉末高温合金FGH95的组织和性能 3 Nb、Ti元素为主，也含有少量的Cr、Ni、Mo、W、Co等元素。随若颗粒尺寸的减 小，Ti、Nb的含量降低，而Cr、Ni、Mo、V、Co的含量增高。 Laves相存在于树枝晶间，往往出现在规则碳化物颗粒的边缘、准测其化学式为 (Co,Ni)2(WMo)。 MB,硼化物相也存在于树技枝晶间，往住与MC'碳化物伴生，推测其化学成分为 (Mo、Cr、Ni);B2。它的形成大概是硼元素在树枝晶间官集的结果。 在粉未颗粒中已经发现有从液相中直接形成的一次？'相颗粒、往往分布在树枝品 间。从固熔体中析出的大量？'相颗粒尺寸较小，分布在：相的基体内 由上得知，即使以1×104℃/s的速度冷却，未能防止一次IC碳化物产生，有时甚 致出现一次相。在FGH95粉未凝固组织中除了y相为基体以外，MC碳化物及相为 主要组成相，Laves相及硼化物相呈选择性结晶引起液祈而产生的，它们是微量相。 1.3粉末颗粒的表面分析5.63 粉未颗粒表面经热等静压固结后将成为颗粒界面。粉未颗粒表面的誼织与化学成分对 合金的组织与性能有直接的影响。 用Auger能谱对FGH95合金粉末颗粒表面分折的结果见图2及图3。 00-0 40 C 304 20 120m 是 10 30m 00 0 oC OL 0 20 40 60 010 20 30405060 戏射时间/s 碳射时间S 图2304mFGH95粉未颗粒表面层化学成分网 图3粉宋表面硫的浓度随深度的变化 Fig.2 Chemical composition of FGH95 powder surface layer Fig.3 Sulfur concentration in powder surface layer 分析表明：粉末颗粒表面层富集有O、C、Ti、S等元素。Augr能谱分析对W, Mo,Nb,Zr等元素的灵散度不大。采用原子吸收光谱法分析从粉末颗粒表面萃取的析 出物，含有Nb为64.5at%,Ti为20.1at%,W为14.1at%,Cr为1.2at%,证明析出物 为MC'型碳化物。氧以吸附状态或氧化物状态存于颗粒表面。氧、硫的出现是污染所 致。碳化物颗粒分布在粉末颗粒表面的树校晶或胞快晶整之间，表面碳化物颗粒将来在热 等静压过程中有可能发展成为原颗粒边界(Previous Powder--Particle Boundary)问 题，即所谓PPB问题
。 镍基粉末 高温合金 的组织和性能 、 元 素 为 主 ， 也 含 有 少 量 的 、 、 、 、 等 元 素 。 随 着 颗 粒 尺 寸 的 减 小 ， 主 、 的含量降低 ， 而 、 、 。 、 、 。 的 含量 增高 。 相 存 在 于 树枝 晶 间 ， 往 往 出 现 在 规则 碳 化 物 颗 粒 的 边 缘 ， 推 测 其 化 学 式为 ， 。 硼 化 物相 也 存在 于 树枝 晶 间 ， 往 往 与 ” 碳 化 物 伴 生 ， 推 测其 化 学 成 分为 。 、 、 。 它的形成大 概是硼 元 素在树枝 晶间富集的结果 。 在 粉 末颗粒 中已经 发 现有从 液 相 中直接 形 成 的 一 次 厂 相 颗粒 住 往分布 在树枝 晶 间 。 从 固熔体 中析 出的大量 下‘ 相颗粒尺寸较 小 ， 分布 在 了 相的基体 内 二 由上 得 知 ， 即使以 了℃ 的速度冷 却 ， 未能防止 一 次 碳 化物产生 ， 有时甚 致 出现一 次 丫相 。 在 粉 末凝 固组 织 中除 了 相 为 基体 以外 ， 碳化 物及 厂相为 主要组成相 ， 相及硼 化物相呈 选择性 结 晶 引起 液析而产生 的 ， 它 们是微量 相 。 粉末颗粒的表面分析 低 〕 粉末颗粒表 面经热等静压固结后 将成 为颗粒界 面 。 粉 末颗粒表 面的组 织 与化学成分对 合金的 组 织 与性能有直接的影 响 。 用 能 谱对 合金 粉末颗粒表 面分析的结果 见 图 及 图 。 沪，、 ， 心 仁 一曰 口目 － 卜 户护 一， 岁花 讯 侧影 印 溅射时间 图 料 粉未颗粒表面层化学成分 珑 能而。 对 丽如 卫巧 只『 ’ 兮 车 五 声川飞 口， ，甲吧 一、 气加 ， 弋尸 一 、 一一一一一一一一吮尸尸一 、 一一一脚 ，曰 口 刃严 溉射时 司 图 粉末表面硫的浓度随深度的变化 ， ” 了〕 幻 至 分析表 明 粉 末 颗 粒 表 面 层 富 集 有 、 、 丁 、 等 元 素 。 能谱 分析 对 ， 。 ， ， 等元 素的灵 敏度不 大 。 采 用 原 子 吸 收 光 谱 法 分 析 从 粉 末 颖粒 表 面 萃取 的 析 出物 ， 含有 为 ， 为 加 ， 为 二 ， 为 ， 证 明析出物 为 ’ 型 碳 化 物 。 氧 以 吸附 状态或氧 化 物状态存于 颗 粒 表面 。 氧 、 硫 的 出现是 污 染 所 致 。 碳化物颗粒分 布在粉末颗粒表 面的树枝 晶或胞 状 晶壁 之间 ， 表 面碳 化物颗粒 将来 在热 等 静 压 过 程 中有可 能 发 展 成 为 原 颗 粒 边 界 、 一 问 题 ， 即所谓 问题
4” 北京科技大学学报 1993.No.1 2FGH95合金粉末的显微组织 2.1 粉末热等静压固结后的显微组织〔7) FGH95合金粉末热等静压固结工艺为：1120℃，105MPa,3h。经热等静压以后合 金的显微组织见图4。合金已完全致密化，并未出现严重PPB问题。y相基体基本上已经 再结晶，均匀化，只有局部地区还保存有原树技晶轮廓和颗粒边界。γ'相满布于γ相基 体上，并有两种不同的尺寸。大的约2~34m,主要分布在晶界，它是在热等静压温度 1120℃未溶的(y的固溶温度为1150℃)而在等温时长大的y相颗粒；其余为从热等静 压温度冷却时形成的y'相。MC碳化物以不连续颗粒状分布在晶内和晶界。能谱分析表 明主要为Nb、T)C型碳化物。在局部存在的原颗粒边界上还可以找到(Nb、Ti、W、 C)C型碳化物，呈连续薄膜状析出。原颗粒边界上还发现有颗粒状的富Zr相，其含Zr 量高达22%。同时还含有大量Ni、Cr、Co、Mo等元素，可能是氧化物-碳化物复合质 点，估计与粉末颗粒表面受氧污染有关。 电化学萃取残渣的X-射线分析证明微量相Laves相，M3B2依然保留着，还有新出 现的微量MC,M23C6碳化物。 2.2热等静压合金还经热处理后的显微组织 FGH95合金热等静压坯热处理制度为：1120℃，1h,油冷+870℃，1h,空冷 +650℃，24h空冷。 经过标准热处理后，FGH95合金的显微组织得到了合理的调整。在显微组织中出现 3种不同尺寸的y'相颗粒。大的颗粒尺寸约2~2.5μm,主要分布在晶粒界上，它们是在 固溶处理时未溶而后继续长大的y'相；中等颗粒尺寸约0.6~0.84m,主要分布于晶界与 晶内，它们在固溶处理中形成，并在时效过程中长大的？'相；细小的y'相弥散分布在 y相基体上，是时效过程中析出的，y'相的形貌、分布见图5。 U um: 图4FGH95合金热等静压后的显微组织 图5FGH95合金热处理后的显微组织 Fig.4 Microstructure of HIPed FGH95 alloy Fig.5 Microstructure of heat-treated FGH95 alloy 经过热等静压与热处理过程，碳化物相发生了充分的反应。凝固组织中各种形貌的 MC已基本消失，形成细颗粒状分散分布在Y相基体内、晶界上及原颗粒边界上的MC。 MC中的Nb元素得到进一步富集，高达82.8%，成为NbC。而W、Mo、Cr等元素扩 散溶入y相，再在y相晶界上形成尺寸很小、呈连续颗粒状排列的M23C6及M,C。能谱
北 京 科 技 大 学 学 报 合金粉末的显微组织 粉末热等静压固 结后的显微组织 闭 合金粉末热等静压 固结工艺为 ℃ ， ， 。 经热等静压 以后合 金的显微组织见 图 。 合金已完全致密化 ， 并未出现严重 问题 。 下相基体基本上 已经 再结 晶 ， 均 匀化 ， 只有局部地区还 保存有原树枝 晶轮廓和颗粒边界 。 下’ 相满布于 ，相基 体上 ， 并 有 两 种 不 同的 尺寸 。 大 的 约 一 拼 ， 主 要 分布在 晶界 ， 它是在 热等 静压 温 度 ℃ 未溶的 犷的 固溶温度为 ℃ 而在等温时长大的 厂相颗粒 其余为从热等静 压温度冷 却时形成 的 下’ 相 。 碳化物以不连续颗粒状分布在晶内和 晶界 。 能谱分析表 明主 要 为 、 型 碳 化 物 。 在局部 存在 的原 颗粒 边界上还可 以找到 、 、 、 型碳化物 ， 呈 连续薄膜状析出 。 原 颗粒边界上还 发 现 有颗粒 状的富 相 ， 其 含 量 高达 。 同时还含有大量 、 、 。 、 。 等元 素 ， 可能是氧化物一 碳化物复合质 点 ， 估计与粉末颗粒表面受氧污染有关 。 电化 学萃取残渣的 一 射线分析证 明微量相 相 ， 依然保留着 ， 还 有新出 现的微量 ， 碳化物 。 热等静压合金坯经热处理后的显微组织 合 金 热 等 静 压 坯 热 处 理 制 度 为 加 ℃ ， ， 油 冷 ℃ ， ， 空 冷 ℃ ， 空冷 。 经过标准热处 理后 ， 合金 的显 微组 织得 到 了合理 的调 整 。 在显 微组织 中出现 种不 同尺寸 的 ‘ 相颗粒 。 大 的颗粒 尺 寸约 一 ， 主要分布在 晶粒界上 ， 它们是在 、 固溶处理时未溶而后继续长大的 ’ 相 中等颗粒尺寸约 ， 一 拜 ， 主要分布于晶界与 晶内 ， 它们在固溶处 理 中形成 ， 并在时效过 程 中长大 的 ‘ 相 细小的 ，尹 相弥散分布在 下相基体 上 ， 是时效过程 中析出的 ， ，‘ 相的形貌 、 分布见 图 ，，， 丫 图 合金热等静压后的显微组织 图 合金热处理后的显微组织 · 卜 经 过热 等静压 与热处 理 过程 ， 碳化 物相发 生 了充分 的反 应 。 凝 固 组 织 中各种形貌 的 已基本 消失 ， 形成细颗粒 状分散分 布在 下相基体 内 、 晶界上 及原颗粒边界上的 。 中的 元 素得到进一步富集 ， 高达 ， 成为 。 而 、 。 、 等元素扩 散溶人 下相 ， 再 在 下相 晶界上 形成尺 寸很 小 、 呈连续颗粒状排列的 及 。 能谱 州
Vol15 No.1 镍基粉末高温合金FGH95的组织和性能 5 分析结果相应为(Cr、Ni、Co、Mo)23C6及(Mo、W、Cr)sC。显然，它们是从y固溶体中 分解出来的。MC碳化物中的Ti元素似乎已转移到Ni(Al、T)中。 另外在原颗粒边界上仍然发现有富Zr相与盆A1相，是Zr和A1的氧化物。它们是 如此稳定，没有因热等静压和热处理而发生改变。 3粉末高温合金中的原颗粒边界(PPB)问题 3.1FGH95合金中PPB碳化物C8) 含碳较高的FGH95合金粉末，如果其受到较严重的氧污染，热等静压温度又偏低 时，在热等静压固结的合金中就会出现原颗粒边界(PPB)碳化物。含有PPB碳化物的 合金组织见图6。 10儿m ●Lm 图6热等静压固结后含有PPB碳化物的FGH95合金的显微组织 (a)光学显微镜照片 b)TEM照片 Fig.6 PPB carbides in the microstructure in HIPed FGH95 alloy 这合金的含碳量为0.08%，在 1080℃±10℃、103MPa、3h热等静压 时，沿原粉末未的颗粒界面有大量的碳化物 析出，形成连续的碳化物网膜，颗粒边界 碳化物仍为MC型。电子探针分析表明， 边界碳化物含有Nb、Ti、Zr、W、Mo等 元素，可以认为是以Nb、Ti元素为主的 复杂成分的MC型碳化物。 在随后的热处理后，(1120℃/1h/ 油+870℃/1h/空+650℃/24h/空)， PPB碳化物不仅不能消除，而且变得更加 图7FGH95合金热等压+热处理后的PPB碳化物 严重，见图7。碳化物也通过基体发生反 Fig.7 PPB carbides in the microstructure in 应，析出新的碳化物，在PPB碳化物中出 HIPed and heattreated FGH95 alloy 现了M2,C6和M6C。 热等静压再经热处理后具有严重PPB碳化物的合金中，y相的晶粒发生有趣的变
镶基粉宋高温合金 的组织和性能 分析结果相应为 、 、 。 、 及 。 、 、 残 。 显然 ， 它们是从 下固溶体 中 分解出来的 。 碳化物 中的 元素似乎 已转移到 、 中 。 另外 在原 颗粒边界上 仍 然 发 现 有富 相与富 相 ， 是 和 的氧化物 。 它们 是 如此稳定 ， 没有 因热等静压和热处 理而发 生改 变 。 粉末高温合金 中的原颗粒边界 问题 合金 中 碳化物 〔 〕 含碳 较高的 合 金粉 末 ， 如 果其受到较 严 重 的氧 污 染 ， 热等静压 温 度又 偏低 时 ， 在热等静压 固结的 合金 中就会 出现原颗粒 边界 碳化 物 。 含有 碳化物的 合金组 织见图 。 图 热等静压固结后含有 碳化物的 合金的显微组织 光学显微镜照片 照 片 · 这 合 金 的 含 碳 量 为 ， 在 ℃ 士 ℃ 、 、 热 等 静压 图 合金热等压十热处理后的 碳化物 热等静 压 再 经 热 处 理 后 具有 严 重 时 ， 沿原粉末的 颗粒 界面有大量的 碳化物 析 出 ， 形 成 连 续的 碳化物 网 膜 ， 颗粒 边界 碳化 物仍 为 型 。 电子 探 针分析表 明 ， 边界碳化物含有 、 、 、 、 等 元 素 ， 可 以认 为是 以 、 元 素为主的 复杂成分的 型碳化物 。 在 随 后 的 热处理后 ， ℃ 八 油 ℃ 空 ℃ 空 ， 碳化物不 仅不 能 消除 ， 而且变得更加 严 重 ， 见 图 。 碳 化物也 通 过 基体 发 生 反 应 ， 析出新的碳化物 ， 在 碳化物 中出 现 〕 和 。 碳化 物 的 合 金 中 ， 下 相 的 晶粒 发 生 有趣的 变
。6 北京科技大学学报 1993.No.1 化。从图7可以看到，靠近原粉末颗粒界的y相晶粒大于颗粒中心的y相品粒。反过来 说，碳化物在原粉未颗粒中分布不均匀性，可能与粉末液滴的凝固过程有关。从松散粉末 颗粒中萃取碳化物时发现，靠近粉末颗粒表面的碳化物颗粒尺寸小于颗粒中心的碳化物颗 粒，而且中心的碳化物易成堆集，在热等静压和随后的热处理过程中这种小碳化物首先溶 解，元素扩散到颗粒边界，促进PPB碳化物的形成。与此同时靠近原颗粒的？相晶粒由 于失去碳化物颗粒的阻碍作用而获得长大的机会，从而产生y相品粒尺寸的不均匀性。 3.2PPB碳化物的形成机制 在存在明显PPB问题的试样中发现PPB碳化物的中心均含有较高的Zr及Ac8?。 有时在原颗粒界也发现有独立的富乙相6：。同时前面也提到在松散粉末颗粒表面富集 氯元素，可以估计到在原颗粒表面上存在着氧化物或碳氧化物的质点。另外从粉末颗粒表 面可以苯取得小片状的MC型碳化物。这些位于颗粒表面的氧化物、碳氧化合物，和碳 化物质点在热等静压时都可以成为PPB碳化物的核心，使离颗粒表面一定距离内的元素 向核心富集，形面碳化物。 由上可知，消除PPB碳化物问题的主要途径是：(1)降低合金中的含碳量；(2)防 止在雾化、粉未储运过程中的氧污染；(3)将松散粉末颗粒在热等静压以前进行高温 (1050℃)预处理，使表面碳化物粗化并稳定化〔9)；(4)将松散粉末在500℃进行真空 热动态除气处理，以去除吸附的氧；(S)对热等静压的合金材料进行大变形量的热加 工以破碎已形成的PPB碳化物。 3.3热处理裂纹的形成1) FGH95合金在热处理时有时产生开裂。金相观察表明：不仅因为严重的PPB碳化物 的形成破坏或减弱了粉末颗粒间的结合，而且因为热处理应力的作用使PPB碳化物与基 体不能协调变形导致热处理淬火开裂，裂纹沿PPB碳化物扩展。在开裂断口上观察，粉 末颗粒的球形轮廓清晰可见，颗粒表面整齐、无塑性变形痕迹，几平看不到韧性撕裂岭。 Auger能谱分析看出，在离断口表面的大约0.I~0.IS4m处出现了C、O、A1、Ti、Nb、 Cr蜂，也说明PPB碳化物是导致谇火开裂的根本原因。 4FGH95合金粉末经热等静压固结和 热挤压变形后的组织与性能 本研究探索了一种新工艺方案2.3)。该方案将氩气雾化的-60~+320目FGH95合 金粉未，采用下列工艺： 热等静压工艺：1120℃，105MPa,3h 热挤压工艺：1120℃， 挤压比6.5：1 热处理工艺： HT1:1130℃/1h/油+870℃/1h/空+650℃/24h/空 HT2:1140℃/1h/538℃盐浴淬火+870℃/1h/空+670℃/24h/空 通过大变形量挤压以改善可能出现的PPB碳化物及夹杂物的分布及形态，从而减少 其危害，通过改进的热处理工艺以细化晶粒，改变y’相的形态，从而提高合金的力学性
北 京 科 技 大 学 学 报 化 。 从 图 可 以 看到 ， 靠近 原粉 末颗粒界 的 相 晶粒大 于颗粒 中心 的 相 晶粒 。 反 过来 说 ， 碳化物在原粉末颗粒 中分布不 均 匀性 ， 可 能与粉 末液 滴的凝 固过 程有关 。 从松 散粉末 颗粒 中萃取 碳化物时发 现 ， 靠近粉末颗拉表 面 的碳化 物颗粒尺 寸小于颗粒 中心的 碳化物颗 粒 ， 而且 中心的碳 化物 易成 堆集 ， 在热等静压 和随后 的热 处 理过 程 中这种 小碳化 物首 先溶 解 ， 元 素扩 散到 颗粒 边 界 ， 促进 碳 化 物的 形 成 。 与此 同时靠近 原颖粒 的 相 晶粒 由 于 失去 碳化物颗粒 的阻 碍作 用 而获 得长 大 的机 会 ， 从 而产生 相 晶粒尺 寸的不均 匀性 。 碳化物的形成机制 在 存 在 明显 问题 的 试样 中发 现 碳 化 物的 中心 均 含有较 高的 及 拼鱿 。 有时在 原颗粒界也 发 现 有独立 的富 相 。 同时 前 面也提到 在松 散粉 末颗粒 表 面富 集 氧元 素 ， 可 以 估计 到在 原颗粒表面上存在着氧化 物或 碳氧化物的 质点 。 另外 从 粉 末颗粒 表 面可 以 萃取 得 小 片状的 型 碳 化物 。 这些 位 干颗粒 表 面 的氧 化物 、 碳氧 化 合 物 ， 和 碳 化物 质点 在热等 静 压 时 都可 以 成 为 碳化 物的 核心 ， 使离 颗 粒表 面一 定距 离 内的元 素 向核心 富集 ， 形面碳 化物 。 由上 可 知 ， 消除 碳化物 问题 的 主要 途径 是 降 低 合金 中的含 碳量 防 止 在 雾 化 、 粉 末 储 运 过 程 中的 氧 污 染 将 松 散粉 末 颗 粒 在 热 等 静压 以 前 进 行 高温 。 ℃ 预处 理 ， 使表 面碳 化物粗 化并稳定化 川 将松 散粉 末在 ℃ 进 行真空 热 动态除 气处 理 ， 以 去除吸附 的氧 ’。 〕 对热等静压 的 合金 材料进 行大 变形 量 的热加 工 以破碎 已形成 的 碳化 物 。 热处理裂 纹 的形成 曰 ’ 〕 合 金 在 热处 理时有时 产生开 裂 。 金 相观察表 明 不 仅 因为 严重的 碳化物 的形 成 破 坏 或减 弱 了粉 末颖粒 间的结合 ， 而 且 因为热处 理 应 力的 作 用 使 碳 化 物 与基 体 不 能 协 调变 形 导 致 热处 理 淬火 开 裂 ， 裂纹 沿 碳 化物扩展 。 在 开 裂 断 口 上 观 察 ， 粉 末 颗粒 的 球 形轮 廓 清 晰 可 见 ， 颗粒 表 面整 齐 、 无 塑性 变形 痕 迹 ， 几乎 看不 到 韧性撕 裂岭 。 能 谱 分 析看 出 ， 在离 断 口 表 面 的大 约 一 处 出现 、 、 、 、 、 峰 ， 也说 明 碳化 物是 导致淬火开 裂的 根 本原 因 。 合金粉末经 热等静压固 结和 热挤压变形 后的 组织与性能 本研究探 索 了一 种新 工艺 方案 ” ‘’ 。 该方案将 氢气雾 化的 一 一 十 目 合 金粉 末 ， 采 用 下列 工 艺 热等 静 压 工 艺 ℃ ， ， 热 挤压 工艺 ℃ ， 挤压 比 热处 理 工 艺 ， 油 ℃ 空 ， 空 ， ℃盐浴 淬火 ℃ 空 ℃ 空 通 过 大变 形 量 挤 压以 改 善可 能 出 现的 碳化 物及夹杂 物的分布及形 态 ， 从而 减少 其危害 通 过改 进的 热 处 理 工 艺 以 细化 晶粒 ， 改 变 ’ 相的形态 ， 从 而提高合金 的 力学性
Vol.15 No.I 镍基粉末高温合金FGH95的组织和性能 能 4.1 热等静压+挤压后的显微组织 热等静压的FGH95合金中有3类夹 杂物：块伏的SO、Mg的硅酸盐夹杂 101 物、以细小的A,Q:颗粒为主成团聚状的 夹杂物。热挤压对块次SO,夹杂物并无明 显的破碎作用，而将戒团聚的A1,0:颗粒 93 分散开来.从而减小？夹杂物团的尺寸分 布.见图8， O110℃HIP 款等静压的合金中如果存在有PPB碳 85 ●1120℃'r-1120cEx 6.2518.7531.2543.756.25 化物、其主要成分为Nb、Ti的MC型碳 12.5 2537550 62.5 化物：热挤压村源颗粒边界发生剧烈的变 夹杂的尺寸m 形，碳化物由原来的沿颗粒边界分布改变 图8夹杂物团尺寸分布 为沿挤压方向分布。如果原颗粒边界存在 Fig.8 Size distribution curve of the 氧化薄膜，也将被济压变形所破碎。热处 agglomerated inclusion patches 理后碳化物的分布将浮次发生改变，碳化 物呈颗粒状主要分布在？相的晶粒界，也有一韶分分布在晶粒内： 合金经过热压变形后：相树枝晶结构完全消失，：裙晶粒基本得再结晶，平均晶粒 尺寸为2.82m(ASTM NO.14),经HT1及HT2热处理后：相晶筵尺寸程应为5.！？m (ASTM No.12)10-15um (ASTM No.10~9). 热处理制度作了一定的改变：将固溶温度从1120℃提高到！140℃；将固溶后油冷 改为在538℃的盐浴中冷却：对时效处理地路作改变。热处理制度泸改变使：·相总量基 本不变的情况下改变了，'相颗粒尺寸分布：显著地减小了大尺寸>！m)及小尺寸 (<0.14m)的y'相颗粒的数量，而显著增多了中等尺寸(0.1~1.0m)的？'相颗粒数 量。热处理后y'相颗粒数量，热处理？'相的定量统计结果见表1。经HT2热处理后的 合金组织见图9。 表1？'相定量统计结果 Tabie 1 Quantitative analysis of'particles 大、中y 小 配比面 配比面积 总 处理制度 积百分数 百分数之 大、中y 面积% 大%中%平均尺 量面 寸m 面积% 平均直 之比大： 比大+中 径nm 中小 /小 积% HIP 33.67 24.99 75.010.723 HIP+Ext. 21.25 32.8167.190.903 HIP+Ext.+HTI 7.539 69.1430.861.41446.73 42.91:0.45:8.97 1:6.2 54.27 HIP+Ext.+HT2 17.75 3.4296.58 0.399 38.69 33.91:28.24:63.24 1:2.2 56.44 *注尺寸在1m以上者为大y';尺寸在0.1-1.0m者为中7'；尺寸在0.14m以下者为小y
镶基粉末高温合金 的组织和性能 热等静压 挤压后 的显微组织 能 津拼牟 丫卞才寸 一布 口 二 筑土 罗 叭 哥舅彩淄 朽 乃 止 ， 乃 万 阅 夹杂物尺寸找呱 图 夹杂物团 尺寸分布 幻 热等 静 压 的 合 金 中有 类 夹 杂 物 决 伏 的 心 、 的 硅 酸 盐 夹 杂 物 、 以细 小 的 ， 颖 粒 为 主 成 团聚 状 的 夹杂物 。 热 挤 压对 决 诀 。 夹杂 物并天 明 显 的 破碎 作 用 ， 而 将 成 团 聚 的 ‘ 划 颗粒 分 散 开 一 哭 从而 减 小了夹 杂 物 团 的 尺 寸分 布 见 图 已 热等 静 压 的合 金 中如 果 存 在 有 碳 化物 ， 其主 要 成分 为 丫 、 的 型碳 化物 。 热 挤 压 时 原 颗 拉 边 界 发 生 剧烈 的变 形 ， 碳 化 物 田 原 来 的 沿 颗 粒 边 界 分 布改变 为 沿 挤 压 方 向 分 布 。 如 果 原 颗粒 边 界存在 氧 化 薄膜 ， 也将 被 挤 压 变形 所 破 碎 。 热处 理 后 碳 化 物 的分 布 将再 次发 生 改 变 ， 碳仕 物呈颗粒状主 要分 布在 下相 的 晶粒界 ， 也有一 部分分 布在 晶粒 内 合 金 经 过 热压 变形后 相 树 枝 晶结构 完全 消 失 ， 丫相 晶粒 基 本得到 再 结 晶 ， 平 均 晶粒 尺寸 为 月 ， 经 丁 及 热处 理后 相晶垃 尺 寸 相 应 为 召 及 一 群 入 ， 一 热 处 理 制度作 了 一 定的改 变 将 固溶 温 度从 ℃ 提 高到 抖 七 将 固 溶后 油冷 改为 在 ℃ 的 盐 浴 中冷 却 对 时 效 处 理 也略 作 改 变 。 热 处理 制 度 的 改 变使 ‘ 相总量基 本不 变 的 情 况 下 改 变 了 厂 相 颗 粒 尺 寸 分 布 显 著 地 减 小 丁大 尺 寸 夕 冲 及 小尺寸 件 的 下 ’ 相 颗粒 的数 量 ， 而显著 增多 了 中等 尺寸 拍 一 如 的 丫 相颗粒数 量 。 热处 理 后 护 ‘ 相 颗粒数量 ， 热处 理 护 ’ 相的 定量统计 结果 见表 。 经 热处 理后的 合金组 织见 图 表 下‘ 相定量统计结果 … 照廿 ， ‘ 。护 量积︺户面急 大 、 中 洲 小 厂 处理 制度 墙群 大 、 嗯“ 中 ‘ 只 ， 乞 平均尺 寸 户和 面积 平均直 径 丫配 比 面 积 百 分 数 之 比 大 价 中 厂小 丫 丫配 比 面积 百 分 数 之 比伏 了 中 今 小 丫 · 石 二 ‘ · 注尺寸在 拜 以上者为大 ‘ 尺寸在 一 拼 者为 中 ’ 尺寸在 召 以下者为小 ’
8 北京科技大学学报 1993.No.1 0.5m 图9FGH95合金热等静压、热挤压、热处理采用盐浴冷却后的显微组织 Fig.9 Microstructure of FGH95 alloy after HIP+Ext+H.T.with salt bath quenching 4.2热等静压+挤压的FGH95合金的力学性能 FGH95合金热处理后的力学性能见表2。经过HT2热处理合金的力学性能全面超过 了美国GE公司的技术规范中的A级标准。尤其是合金的塑性有了明显的提高，这可能 是减少了在品界分布的大γ'相颗粒和在晶内均匀分布的小y相颗粒，增加品内分布的中 等γ'相颗粒的结果。特别值得注意的是持久寿命及低周疲劳寿命也都增加到标准规定的 数倍。 表2HIP+Ext、-60目FGH95合金力学性能 Table 2 Mechanical properties of HIP+Ext,-60 mesh FGH95 alloy 20℃拉伸 650℃拉伸 持久强度650℃ 538℃LCF 1 034MPa 热处理 工艺 可b 010 00.2 510 寿命610 △1=0.78% 0.33Hz MPaMPa % % MPa MPa % % b % % 三角波N? 1485184116.114.71353 1636 HIP+Ext.+HTI 1469 1827 16.4 19.5 【34I 1599 8.9 7.8 1450 1817 15 19.813161654 10.917.0 203.43.13 5.55 35675 HIP+Ext.+HT2 1455 1817 1360 161610.0 11.0 214.43.70 4.27 61236(朱断) 技术规范” 12401585 10 12 11501426 8 10 吃 3.0 >5000 幸美国GE.公司的技术规范(A级) 目前，用来制造FGH95合金的粉末颗粒被限制在-150目以下，本研究应用了-60 目的粉末，可使雾化粉末的利用率提高到80%，也可以收到很好的经济效益。 致谢：本研究得到钢铁研究总院和北京航空材料研究所的合作和帮助，敬致感谢
北 京 科 技 大 学 学 报 ， ︸。 护 众 只 、 ， 芝 、 · ， ， 几 几 ’ 犷 二 一 坛 、 “ ‘ 一 ， ， 卜队 ’ 犷 今、 ·切 神 ， ，丫 ，夕 ︸一卜 姚飞 一 “ 一 卜女 卜， ， 沪 一 、 口 产、 全 ‘ ‘ 、 ‘ 可 ，’ 几 ， 兜妙洲 并必︶公 性讨 、 ，石尹月 声卜‘产 、 必 ， 丁 ‘ 留 、 ， 手代夕 电 ︸厂 、礴 下 了 ， 。 全 碑 今 影 ‘ 气 ， 护‘ 尹 、 铸 卜 ， ，夕 峨 ’ ， 、 · 、 ‘ 夕叫‘ 了 乒口 ， 交 之竺 译心 图 合金热等静压 、 热挤压 、 热处理采用盐浴冷却后的显微组织 热等静压 挤压的 合金 的 力 学性能 合金热处 理后的 力学性能见 表 。 经 过 热处理合金的 力学性能全 面超 过 了美国 公 司的技术规范 中的 级 标准 。 尤其是 合金的塑性有 了 明显 的提高 ， 这可 能 是减少 了在 晶界分 布的大 夕‘ 相颗粒和在 晶内均匀分布的小 厂相颗粒 ， 增加 晶 内分布的 中 等 厂 相颗粒 的 结果 。 特别值得注意的是 持久寿命及低周疲劳寿命也都增加 到标准规定的 数倍 。 表 、 一 目 合金力学性能 、 一 ℃ 拉 伸 ℃ 拉伸 持久强度 ℃ 【 ℃ 热 处 理 工 艺 劫恤 叮 叮 气 占 沙 寿命 占。 沙 △名一 三角波 沙 · 十 万 ‘ 一 一 未 断 技术规范 · 美国 公 司的技术规范 级 目前 ， 用 来制造 合 金 的粉末颗粒被限 制在一 目以下 ， 本研究 应 用 了一 目的粉末 ， 可 使雾化扮末的利 用率提高到 ， 也可 以收到很好的经济效益 。 致谢 本研究得到钢铁研究总院和北京航空材料研究所的合作和帮助 ， 敬致感谢
Vol.15 No.1 镍基粉末高温合金FGH95的组织和性能 ·9· 参考文献 1 Development of Hot Isostatically Pressed Rene.95 Turbine Parts USAAMRDL-TR-76-30 1977,ADA043688 2北京航空学院材料研究所，FGH95粉末高温合金论文集，1990,8 3李力，杨士伸，强劲熙.钢铁研究总院学报、1985,5(4)：411 4李慧英，胡本芙，章守华.北京钢铁学院学报（粉末高温会金专复），1987：1~40 5吴承健，李景慧，冯松筠，章守华.北京网铁学院学报{粉宋高温合金专辑，198775 6吴承健，李景慧，冯松笃章守华，北京钢扶学院学报（粉末高温合金专辑）、198？：81 7胡本芙，李慧英.北京钢铁学院学报（粉末高温合金专辑）.1987：97 8李慧英，胡本芙，章守华.金属学报，1987,25(2)：B90 9毛健，杨万宏，北京科技大学学报，1991,13(0)：120 10汪武祥，呼和，FGH95粉末高温合金论文集，北京航空材料研究所， 1990:78 11胡本芙，李慧英，章守华.金属学报，1987,23(2)：B95 12金开生，北京科技大学硕士论文，1990,12 13李慧英.金开生，胡本芙，章守华.北京科技大学学报，1991,13(10)：635
镍基粉末高温合金 的组织和性能 参考文献 一 一 一 ， 北京航空学院材料研究所 ， 粉 末高温 合 金论文集 〕 ， 李力 ， 杨士 伸 ， 强劲 熙 钢铁 研究总院 学 报 ， ， 李慧英 ， 胡本芙 ， 章 守华 北 京钢铁 学院 学报弋粉末 高温 合金 专辑 ， 一 吴承健 ， 李景慧 ， 冯松绮 ， 章守华 七京钢铁学院学报 粉未 高温合金 专辑 ， 舒 吴承健 ，李景慧 ，冯松 绮 ，章 守华 北 京 钢铁 学院 学报 粉 末 高温 合金专 辑 ， 粥叭 胡本 芙 ， 李慧英 北京钢 铁学 院学报 仁粉 末高温 合金专 辑 ， 李慧英 ， 胡本芙 ， 章 守华 金 属学报 ， ， 毛 健 ， 杨万 宏 ， 北 京科技大 学学 报 ， 列 ， 招 田 汪 武 祥 ， 呼 和 粉 末 高 温 合 金 论 文 集 ， 北 京 航 空 材 料 研 究 所 ， 胡本芙 ， 李慧英 ， 章 守华 金 属 学 报 ， ， 抢 金 开生 北京科技大学 硕士 论文 ， ， 李慧英 金 开生 ， 胡本芙 ， 章守华 北 京 科 技大 学 学报 ， 睁
