D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.12.017 第30卷第12期 北京科技大学学报 Vol.30 No.12 2008年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2008 超固相线液相烧结Inconel718合金 汤春峰12)潘峰)曲选辉) 贾成厂) 段柏华2) 何新波) 1)清华大学材料科学与工程系先进材料教育部重点实验室，北京100084 2)北京科技大学材料科学与工程学院：新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要以惰性气体雾化粉末为原料，采用超固相线液相烧结方法制备了Inconel718粉末高温合金，研究了粉末合金的烧结 温度和热处理制度对合金组织和力学性能的影响.实验结果表明：在1240℃真空烧结120mim可以制备出相对密度为98.5% 的粉末合金，后续的热等静压处理可以将其相对密度提高到99.7%：经热处理后，合金的抗拉强度和延伸率分别为1280MPa 和9%；析出相为球形Y相、针状Y相以及粗大的碳化物，平均晶粒大小在50以下， 关键词Inconel7l8合金；粉末高温合金：超固相线液相烧结：热处理 分类号TG146.1+5:TG132.3 Supersolidus liquid phase sintering of Inconel 718 powder alloy TA NG Chunfeng,PAN Feng,QU Xuanhui2),JIA Chengchang2,DUAN Baihua2).HE Xinbo?) 1)Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Advanced Materials,Department of Materials Science and Engineering Tsinghua Univer sity.Beijing 100084.China 2)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials:School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Bei- jing.Beijing 100083.China ABSTRACT Nickel base powder superalloy Inconel 718 was prepared from pre-alloyed powder by supersolidus liquid phase sintering. The results show that compacts with a relative density over 98%can be obtained by sintering at 1240C for 120min in vacuum.The relative density of sintered samples could be increased to 99.7%by next hot isostatic pressing process.The tensile strength and due- tility of heattreated samples are 1280 MPa and 9 respectively at room temperature.The precipitates are spherical and needle and coarse carbides,and the average grain size is below 50m. KEY WORDS Inconel 718 alloy:powder superalloy:supersolidus liquid phase sintering:heat treatment Inconel7l8合金是以镍为基体、Ni3(Ti,Al, 屈服强度和抗疲劳性能，并提高了材料的利用 Nb)(Y)和N3Nb(Y)为主要强化相的铁镍基高温 率5-]，传统的粉末高温合金的成形致密化方法为 合金，在650℃下兼有强度高、塑性好等特点，还具 热等静压、热挤压或热锻等，根据镍基高温合金存 有良好的焊接性能、成型性能、耐腐蚀性和高温抗氧 在一个熔点区间的特点，本文研究了利用普通压制 化性能以及耐辐射性能，在航空航天、能源和化工等 成形和超固相线液相烧结制备Inconel718粉末合 领域获得广泛应用，用量占高温合金的一半以 金，分析了烧结工艺和热处理对合金致密化、微观组 上[]，目前，Inconel 718合金生产制备工艺主要 织以及力学性能的影响· 是熔炼铸造后锻造挤压热变形并进行热处理，合金 1实验过程 的组织对加工工艺特别敏感，因此必须严格控制各 道工序，才能获得所要求的组织性能，采用粉末冶 采用的粉末为惰性气体雾化的Inconel718合 金工艺生产高温合金，可以得到几乎无偏析、晶粒细 金粉末，粒度为一200目，粉末的松装密度为 小、组织均匀的高温合金材料，改善了合金的中低温 4.98gcm一3，粉末的形貌为近球形，平均粒度为 收稿日期：2008-01-12修回日期：2008-03-22 基金项目：国家重点基础研究发展规划资助项目(No.2006CB605207) 作者简介：汤春蜂(1976一)，男，博士，E-mail:cftang@sohu~com
超固相线液相烧结 Inconel718合金 汤春峰12） 潘 峰1） 曲选辉2） 贾成厂2） 段柏华2） 何新波2） 1） 清华大学材料科学与工程系先进材料教育部重点实验室北京100084 2） 北京科技大学材料科学与工程学院；新金属材料国家重点实验室北京100083 摘 要 以惰性气体雾化粉末为原料采用超固相线液相烧结方法制备了 Inconel718粉末高温合金研究了粉末合金的烧结 温度和热处理制度对合金组织和力学性能的影响．实验结果表明：在1240℃真空烧结120min 可以制备出相对密度为98∙5％ 的粉末合金后续的热等静压处理可以将其相对密度提高到99∙7％；经热处理后合金的抗拉强度和延伸率分别为1280MPa 和9％；析出相为球形γ′相、针状γ″相以及粗大的碳化物平均晶粒大小在50μm 以下． 关键词 Inconel718合金；粉末高温合金；超固相线液相烧结；热处理 分类号 TG146∙1＋5；TG132∙3 Supersolidus liquid phase sintering of Inconel718powder alloy T A NG Chunfeng 12）PA N Feng 1）QU Xuanhui 2）JIA Chengchang 2）DUA N Baihua 2）HE Xinbo 2） 1） Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Advanced MaterialsDepartment of Materials Science and EngineeringTsinghua UniversityBeijing100084China 2） State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials；School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Nickel base powder superalloy Inconel718was prepared from pre-alloyed powder by supersolidus liquid phase sintering． T he results show that compacts with a relative density over98％ can be obtained by sintering at1240℃ for120min in vacuum．T he relative density of sintered samples could be increased to99∙7％ by next hot isostatic pressing process．T he tensile strength and ductility of heat-treated samples are1280MPa and9％ respectively at room temperature．T he precipitates are sphericalγ′and needleγ″ and coarse carbidesand the average grain size is below 50μm． KEY WORDS Inconel718alloy；powder superalloy；supersolidus liquid phase sintering；heat treatment 收稿日期：2008-01-12 修回日期：2008-03-22 基金项目：国家重点基础研究发展规划资助项目 （No．2006CB605207） 作者简介：汤春峰（1976—）男博士E-mail：cftang＠sohu．com Inconel 718合金是以镍为基体、Ni3（TiAl Nb）（γ′）和 Ni3Nb（γ″）为主要强化相的铁镍基高温 合金在650℃下兼有强度高、塑性好等特点还具 有良好的焊接性能、成型性能、耐腐蚀性和高温抗氧 化性能以及耐辐射性能在航空航天、能源和化工等 领域获得广泛应用用量占高温合金的一半以 上［1—4］．目前Inconel 718合金生产制备工艺主要 是熔炼铸造后锻造挤压热变形并进行热处理合金 的组织对加工工艺特别敏感因此必须严格控制各 道工序才能获得所要求的组织性能．采用粉末冶 金工艺生产高温合金可以得到几乎无偏析、晶粒细 小、组织均匀的高温合金材料改善了合金的中低温 屈服强度和抗疲劳性能并提高了材料的利用 率［5—7］．传统的粉末高温合金的成形致密化方法为 热等静压、热挤压或热锻等．根据镍基高温合金存 在一个熔点区间的特点本文研究了利用普通压制 成形和超固相线液相烧结制备 Inconel 718粉末合 金分析了烧结工艺和热处理对合金致密化、微观组 织以及力学性能的影响． 1 实验过程 采用的粉末为惰性气体雾化的 Inconel 718合 金粉 末粒 度 为 —200 目粉 末 的 松 装 密 度 为 4∙98g·cm —3粉末的形貌为近球形平均粒度为 第30卷 第12期 2008年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．12 Dec．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．12．017
第12期 汤春峰等：超固相线液相烧结Inconel7I8合金 ,1367 29m.在预合金粉末中加入质量分数为2%的成形 试样的上表面非常光滑，且有许多亮点，试样呈中间 剂PEG80F,混合均匀后在600MPa压力下压制成 高四周低的形状，上半部分明显比下半部分大，说明 长方体生坯和圆柱坯，然后在ZGS150型真空烧结 烧结过程中出现了过烧现象，对试样形状造成破坏 炉中烧结，烧结温度分别为1150,1180,1210， 图2是不同烧结温度后的抗拉强度和硬度的曲线， 1240和1270℃，保温时间为120mim,真空度 随着烧结温度升高，相对密度增大，其抗拉强度和 10-2Pa以下.以10℃·min-1的升温速率加热至 硬度也随着增加，但在1270℃过烧后，可能由于一 980℃保温60min进行固溶处理，然后空冷，接着在 些元素如C等的过度挥发造成固溶强化效果减弱， 720℃进行480min的中间处理，以55℃min-1的 导致其力学性能反而下降， 速度冷却到620℃再保温480min进行时效处理，最 750 后油冷，采用阿基米德排水法测量密度，组织观察 在LE01450型扫描电镜上进行，在CMT4305型 700 电子万能试验机进行拉伸实验 34 650 2结果与讨论 600 32 2.1粉末的烧结 550 保温时间120min 超固相线液相烧结是将完全预合金化的粉末加 热到合金的固相线与液相线之间的某一温度，使每 14011601180120120124012601238 0 个预合金粉末的晶粒内、晶界处及颗粒表面形成液 烧结温度℃ 相，从而使烧结体迅速达到致密化80].利用热力 图2拉伸强度和硬度与烧结温度关系曲线 学Thermo-calc软件，计算出该合金的平衡状态的 Fig.2 Curves of the tensile strength and hardness of samples with 液固线温度区间为1210~1350℃.图1显示了烧 sintering temperature 结坯的相对密度与烧结温度的关系，从图中可看 出，在1180℃以下烧结时，烧结方式为固相烧结，烧 2.2烧结坯的热处理 结坯密度较低，当烧结温度超过1180℃后，烧结坯 将1240℃烧结后的烧结试样在1160℃和 致密度迅速提高，在1240℃时烧结坯相对密度达到 120MPa的条件下进行后续热等静压处理，其相对 98.5%.由于材料不可能完全处于热力学平衡状 密度提高到99.7%，接近全致密.然后将这两种状 态，有些元素偏析于晶界，致使其熔点低于晶内，当 态下的烧结坯进行三级完全热处理，表1是不同状 温度超过1180℃后，烧结坯可能开始出现液相，合 态的烧结试样的力学性能。可以看出，由于采用热 金致密化加快，随着温度的升高，烧结坯中液相体积 等静压后续处理，烧结坯孔隙基本得到消除，使得合 增大，当烧结产生的液相量超过临界值以后，粉末颗 金的抗拉强度显著提高，经过完全热处理后，合金 粒或晶粒变软，在毛细管力的作用下，发生粘性流动 的强度有了很大的提高；这是因为热处理能使合金 的晶粒重排，相对密度迅速提高，在1270℃烧结的 晶界和晶内析出新相，使得晶界、晶内强度得到协调 100 配合，以达到合金最大的强化效果.图3(a,b)是烧 结态的微观组织，可以看出，平均晶粒大小在50m 98 以下，晶界析出了粗大的碳化物（见A)、针状的 96 Ni3Nb相（见B)和Ni3(Ti,Al,Nb)相（见C),经过完 94 表1绕结坯在不同状态时的室温拉伸性能 Table 1 Tensile properties of sintered samples in different conditions at 92 保温时间120min room temperature 90L 状态 抗拉强度/MPa 延伸率/% 11401160118012001220124012601280 烧结温度/℃ 烧结态 717 7.5 热处理态 1020 6.5 图1相对密度与烧结温度关系曲线 热等静压态 1280 Fig.1 Curve of the relative density of samples with sintering temper at ure
29μm．在预合金粉末中加入质量分数为2％的成形 剂 PEG80F混合均匀后在600MPa 压力下压制成 长方体生坯和圆柱坯然后在 ZGS150型真空烧结 炉中烧结烧结温度分别为115011801210 1240和1270℃保 温 时 间 为 120 min真 空 度 10—2Pa以下．以10℃·min —1的升温速率加热至 980℃保温60min 进行固溶处理然后空冷接着在 720℃进行480min 的中间处理以55℃·min —1的 速度冷却到620℃再保温480min 进行时效处理最 后油冷．采用阿基米德排水法测量密度组织观察 在 LEO—1450型扫描电镜上进行在 CMT4305型 电子万能试验机进行拉伸实验． 2 结果与讨论 图1 相对密度与烧结温度关系曲线 Fig．1 Curve of the relative density of samples with sintering temperature 2∙1 粉末的烧结 超固相线液相烧结是将完全预合金化的粉末加 热到合金的固相线与液相线之间的某一温度使每 个预合金粉末的晶粒内、晶界处及颗粒表面形成液 相从而使烧结体迅速达到致密化［8—10］．利用热力 学 Thermo-calc 软件计算出该合金的平衡状态的 液—固线温度区间为1210～1350℃．图1显示了烧 结坯的相对密度与烧结温度的关系．从图中可看 出在1180℃以下烧结时烧结方式为固相烧结烧 结坯密度较低当烧结温度超过1180℃后烧结坯 致密度迅速提高在1240℃时烧结坯相对密度达到 98∙5％．由于材料不可能完全处于热力学平衡状 态有些元素偏析于晶界致使其熔点低于晶内当 温度超过1180℃后烧结坯可能开始出现液相合 金致密化加快随着温度的升高烧结坯中液相体积 增大当烧结产生的液相量超过临界值以后粉末颗 粒或晶粒变软在毛细管力的作用下发生粘性流动 的晶粒重排相对密度迅速提高．在1270℃烧结的 试样的上表面非常光滑且有许多亮点试样呈中间 高四周低的形状上半部分明显比下半部分大说明 烧结过程中出现了过烧现象对试样形状造成破坏． 图2是不同烧结温度后的抗拉强度和硬度的曲线 随着烧结温度升高相对密度增大其抗拉强度和 硬度也随着增加但在1270℃过烧后可能由于一 些元素如 Cr 等的过度挥发造成固溶强化效果减弱 导致其力学性能反而下降． 图2 拉伸强度和硬度与烧结温度关系曲线 Fig．2 Curves of the tensile strength and hardness of samples with sintering temperature 2∙2 烧结坯的热处理 将1240℃烧结后的烧结试样在1160℃和 120MPa的条件下进行后续热等静压处理其相对 密度提高到99∙7％接近全致密．然后将这两种状 态下的烧结坯进行三级完全热处理表1是不同状 态的烧结试样的力学性能．可以看出由于采用热 等静压后续处理烧结坯孔隙基本得到消除使得合 金的抗拉强度显著提高．经过完全热处理后合金 的强度有了很大的提高；这是因为热处理能使合金 晶界和晶内析出新相使得晶界、晶内强度得到协调 配合以达到合金最大的强化效果．图3（ab）是烧 结态的微观组织．可以看出平均晶粒大小在50μm 以下晶界析出了粗大的碳化物（见 A）、针状的 Ni3Nb 相（见B）和 Ni3（TiAlNb）相（见C）．经过完 表1 烧结坯在不同状态时的室温拉伸性能 Table1 Tensile properties of sintered samples in different conditions at room temperature 状态 抗拉强度／MPa 延伸率／％ 烧结态 717 7∙5 热处理态 1020 6∙5 热等静压态 1280 9 第12期 汤春峰等： 超固相线液相烧结 Inconel718合金 ·1367·
,1368 北京科技大学学报 第30卷 100μm 4 um 100μm (e) 4 um 5 um 20 um 图3试样在不同状态下的组织形貌.(a)烧结试样微观组织；(b)烧结试样晶界形貌：(c)热处理试样微观组织：()热处理试样晶界形 貌：（©）热处理试样晶内析出相：（任）热处理试样拉伸断口形貌 Fig.3 Microstructures of samples in different conditions:(a)microstructure of the sintered sample:(b)grain boundary microstructure of the sin- tered sample:(e)microstructure of the treated sample:(d)grain boundary microstructure of the treated sample:(e)precipitate of the treated sam- ple:(f)tensile fracture microstructure of the treated sample 全热处理后，晶粒没有长大（见图3(c),晶界的组 [3]Dong J X.Development of Inconel 718 superalloy.Ordnance 织得到改善（见图3(d)),晶内析出了两种大小的 Mater Sci Eng.1996.19(2):46 (董建新.Inconel718高温合金的发展.兵器材料科学与工程， Ni3(Ti,Al,Nb)相，使得合金的强度有了显著提高， 1996,19(2):46) 图3(f)是热处理试样室温拉伸后的断口形貌照片· [4]Rao Appa G.Srinivas M,Sarma D S.Influence of modified pro- 可以看出，拉伸过程中产生了大量的韧窝，表现为韧 cessing on structure and properties of hot isostatically pressed su- 性断裂，在韧窝底部可以看到粗大的Ni3(Ti,Al, peralloy Inconel 718.Mater Sci Eng A.2006.418(1):282 Nb)相，说明在断裂前这些Ni3(Ti,Al,Nb)粒子阻碍 [5]Huang Q R.Li H K.Superalloys.Beijing:Metallurgical Indus- try Press.2000:134 了位错的运动 (黄乾尧，李汉康.高温合金.北京：治金工业出版社，2000： 3结论 134) [6]Zhang W Y,Shangguan Y H.Research and development in P/M 利用超固相线液相法可以制备出相对密度为 superalloy:Powder Metall Ind.2004.14(6):30 98.5%的Inconel718粉末高温合金，后续热等静压 (张义文，上官永恒.粉末高温合金的研究与发展.粉末治金 处理可以将致密度提高到99.7%，合金抗拉强度为 工业，2004,14(6)：30) 1280MPa,平均晶粒尺寸在50m以下.该研究为 [7]Zen D L,Zhang HQ.Supersolidus liquid phase sintering.Pow- der Metall Ind.1995.6(1):6 Inconel7l8合金的净近形制备工艺提供了基础. (曾德麟，张怀泉.超固相液相烧结.粉末治金工业，1995,6 (1).6) 参考文献 [8]Lal A.lacocca R G,German R M.Microstructural evolution [1]Azadian S.Wei L Y.Warren R.Delta phase precipitation inIn- during the supersolidus liquid phase sintering of nickel-based preal- conel 718.Mater Charact,2004.53(1):7 loyed powder mixture.J Mater Sci.2000.35(18):4507 [2]Rao Appa C.Srinivas M.Sarma DS.Effect of thermomechani- [9]German R M.Supersolidus liquid phase sintering:I.Process re cal working on the microst ructure and mechanical properties of hot view.Int J Powder.1990.26(1):23 isostatically pressed superalloy Incone 718.Mater Sci Eng A, [10] German R M.Supersolidus liquid phase sintering:II.Densifi- 2004,383(2):201 cation theory.Int J Powder.1990,26(1):35
图3 试样在不同状态下的组织形貌．（a） 烧结试样微观组织；（b） 烧结试样晶界形貌；（c） 热处理试样微观组织；（d） 热处理试样晶界形 貌；（e） 热处理试样晶内析出相；（f） 热处理试样拉伸断口形貌 Fig．3 Microstructures of samples in different conditions：（a） microstructure of the sintered sample；（b） grain boundary microstructure of the sintered sample；（c） microstructure of the treated sample；（d） grain boundary microstructure of the treated sample；（e） precipitate of the treated sample；（f） tensile fracture microstructure of the treated sample 全热处理后晶粒没有长大（见图3（c））晶界的组 织得到改善（见图3（d））晶内析出了两种大小的 Ni3（TiAlNb）相使得合金的强度有了显著提高． 图3（f）是热处理试样室温拉伸后的断口形貌照片． 可以看出拉伸过程中产生了大量的韧窝表现为韧 性断裂在韧窝底部可以看到粗大的 Ni3（TiAl Nb）相说明在断裂前这些 Ni3（TiAlNb）粒子阻碍 了位错的运动． 3 结论 利用超固相线液相法可以制备出相对密度为 98∙5％的 Inconel718粉末高温合金后续热等静压 处理可以将致密度提高到99∙7％合金抗拉强度为 1280MPa平均晶粒尺寸在50μm 以下．该研究为 Inconel718合金的净近形制备工艺提供了基础． 参 考 文 献 ［1］ Azadian SWei L YWarren R．Delta phase precipitation in Inconel718．Mater Charact200453（1）：7 ［2］ Rao Appa GSrinivas MSarma D S．Effect of thermomechanical working on the microstructure and mechanical properties of hot isostatically pressed superalloy Inconel 718． Mater Sci Eng A 2004383（2）：201 ［3］ Dong J X．Development of Inconel 718 superalloy． Ordnance Mater Sci Eng199619（2）：46 （董建新．Inconel718高温合金的发展．兵器材料科学与工程 199619（2）：46） ［4］ Rao Appa GSrinivas MSarma D S．Influence of modified processing on structure and properties of hot isostatically pressed superalloy Inconel718．Mater Sci Eng A2006418（1）：282 ［5］ Huang Q RLi H K．Superalloys．Beijing：Metallurgical Industry Press2000：134 （黄乾尧李汉康．高温合金．北京：冶金工业出版社2000： 134） ［6］ Zhang W YShangguan Y H．Research and development in P／M superalloy．Pow der Metall Ind200414（6）：30 （张义文上官永恒．粉末高温合金的研究与发展．粉末冶金 工业200414（6）：30） ［7］ Zen D LZhang H Q．Supersolidus liquid phase sintering．Powder Metall Ind19956（1）：6 （曾德麟张怀泉．超固相液相烧结．粉末冶金工业19956 （1）：6） ［8］ Lal AIacocca R GGerman R M．Microstructural evolution during the supersolidus liquid phase sintering of nicke-l based prealloyed powder mixture．J Mater Sci200035（18）：4507 ［9］ German R M．Supersolidus liquid phase sintering：Ⅰ．Process review．Int J Pow der199026（1）：23 ［10］ German R M．Supersolidus liquid phase sintering：Ⅱ．Densification theory．Int J Pow der199026（1）：35 ·1368· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
