FGH95和Rene'95合金热诱导孔隙的研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1987.s1.016 北京钢铁学院学报 Journal of Beijing University Special issue of Iron and Steel Technology No.21987.6 FGH95和Rene'95合金热诱导孔隙的研究 王盘鑫 邹仲元 (北京钢铁学院) (航空部621所) 要 本文通过测定FGH95和Re。'95高温合金末经热等静压制，在固溶处理前后的密度变化， 研究了热等静压制品中热诱导孔隙(TIP)发生，发展的规律，研究表明：热诱导孔隙随因溶处理温 度的升高而增加，随固溶处理时间的延长而增多，初步确定热诱导孔隙检验中的两个具体参数一 固溶温度和时间， The Study of Thermally Induced Porosity (TIP)in FGH95 and Rene 95 P/M Superalloy Wang Panxing Zou Zhongyuan 、 Abstract The densities of HIPed compact of Rene'95 P/M superalloy were measured before and after the solution heat treatment to study the formation of TIP, and it's changes during heat treatment.The present work has found that the amount of TIP increases with the increase of temperature and the time of heating.The temperature and the time of the heat treatment are two important factors for the specification of TIP in powder metallurgy superalloys. ·1983年8月完成 118

北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 。 ‘ 石目弓二二石舀石舀二‘ 二公石 ‘ 茄二盆二 ‘ 二二‘ 口匕二二 舀二二二 二 和 ‘ 合金热诱导孔隙的研 究 王 盘鑫 邹仲元 北 京钢铁学院 航空 部 所 叫 摘 要 本文通过 测定 和 ‘ 高沮合金 末经热 等静压 制 ， 在 固溶处理 前后的密度变化 ， 研究 了热等静压制品中热 诱导孔 隙 发 生 、 发 展的规津 。 研究表明 热 诱导孔隙随固溶处理 沮 度的升 高而增 加 ， 随固溶处理 时间的延 长而增 多 。 初步确定 热诱导孔 隙检验 中的两个具休参数一 固溶沮度和时间 。 ” 尤 ” 旅 万 人 尹 了 犷 五 ‘ 节 五 甲 。 年 月完成 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．s1．016

前言 热诱导孔隙是指粉末经过热等静压制以后，在随后的加热过程中，由于未溶解的惰 性气体（如A气）的膨胀，而在制品中形成的不连续的孔隙。这种惰性气体的来源可 能是：(1)在用Ar气雾化合金的过程中，气体被包复在粉末颗粒内部，(2)在粉末 进行热等静压制前，粉末颗粒表面吸附的A气未完全脱气去除，(3)在热等静压制进 行过程中，由于包套的泄漏而把A气压人包套中。 热诱导孔隙作为一种小缺陷，对热等静压制后的合金可锻性有重要彩响1'，特别 是严重影响合金的力学性能。Dreshfield R,L、Miner R.,V,深入地研究了热等静压 制Astroloy合金的热诱导孔隙对合金性能的影响C2,3门。研究指出，热等静压制的Astr- oloy合金含有1.4%的细小晶界孔隙，其孔径平均为2μm,最大为104m,间距为204m, 它与无缺陷的Astroloy合金相比，650°C时的一些力学性能均有降低（表1）。 表1有孔隙与无缺陷Astroloy合金在650C时的某些力学性能 拉伸 性能 试样状态拉伸强度屈服强度弹性模量。 应力疲劳性能 延伸 压缩应力10h应力100h应力100h延伸率压缩率 MPa MPa MPa×10-5% %MPa,MPa,MPa % % 无敏陷 880±5 1230±19 1.77 30±0,536±0.31030 890 775 15 19 有孔隙 800±61150±2 1.6825±125±0.3960 850 750 13 16 减少% 9 7 5 17 317 5 3 13 5 国外，对热诱导孔隙的检验制度和评级标准都是根据各生产厂按不同的目的和要求 制订出来的。美国G。E。公司对热诱导孔隙的检验制度是将试样置于格性气体保护 d 下，在1200°C进行4h固溶处理，然后测定并计算其固溶处理前后的密度变化。若固溶 处理前后，合金密度变化不超过0.3%即为合格3。 我国，自1981年开展FGH95粉末高温合金的研究工作以来，也迫切需要建立一套 适合我国情况的热诱导孔隙的检验标准。本研究工作就是一种初步的探索。 1研究方法 (1)试验方案参照美国G,E。公司的检验标准，结合我国的具体情况，可以这 样来考虑：目前，Rene95粉末高温合金涡轮盘的使用温度是650°C,而固溶处理不超过 1120°C,通常固溶处理的时间为2h。因此，结合固溶处理进行热诱导孔隙的检测是比 较有利的。但是，要确定1120°C固溶处理2h作为热诱导孔隙检验标准的条件，首先必 须确定这种制度的可靠性，为此： ①在规定固溶处理时间的情况下，研究固溶处理温度与热诱导孔隙的关系 119

前 一 己 砂 曰 热诱导 孔 隙是指粉 末经 过热等静压 制以后 ， 在 随后 的加 热过程 中 ， 由于未溶解的惰 性气体 如 气 的膨胀 ， 而在制 品 中形 成的不连续 的孔 隙 。 这种惰性气体 的 来 源可 能是 在 用 气雾化合金的过程中 ， 气体被包复在粉末颗粒 内 部， 在 粉末 进行热等静压制 前 ， 粉 末颗粒 表面吸 附 的 气未完全 脱气去除， 在热 等 静压制进 行过程 中 ， 由于 包套的泄漏而把 气压入 包套 中 。 热诱 导孔 隙作 为一 种小 缺 陷 ， 对 热等 静压 制后 的 合金可 锻性有重 要 影 响 〔 ’ 一 ， 特别 是严重 影响合 金 的 力 学性能 。 。 、 。 深人 地研究 了 热 等静压 制 合 金 的热诱导孔 隙对合 金性能 的影响 〔 ’ “ 〕 。 研究指出 热等静压 制的 合 金 含有 的细小 晶界孔 隙 ， 其孔径 平均 为 拼 ， 最大为 邸 ， 间距 为 解 ， 它与无缺 陷 的 合金相 比 ， 时的一 些 力学性能 均有降低 表 。 卜 表 有孔 隙与无缺陷 合金在 时的某 些 力学性能 、 、 “ ， 、 。 拉 伸 性 能 应 力 疲 劳 性 能 顶件 状 态 一不万雨疏获几石一节石 面万天几石 石石 不下厂遥犷 一石己币厂一一 石下三于一弃万二 二几花丁下不二石二丈又丈 一不二不几石沉丁飞三万不节万不干不言飞厂一 」笙 甲 〕 困 刀毛 左七 少湘又 到 之几 护 巴二月呆 月区 夕些 甲 月三 幼日 谈竺乙 二 皿‘ 泛丝 」理 廿 幽 甲 砰 工 期日 ‘ 一 科 率 率 ， ， ， 无 缺陷 有孔 隙 减少 沁 土 士 士 士 。 。 士 。 士 土 。 士 。 曰 衬 国外 ， 对热诱导孔 隙 的检验制 度和评级标准都是根据各生 产厂按不 同的 目的和 要求 制订 出来 的 。 美国 公 司对热诱导孔 隙的检验 制度是将试 样置 于 惰 性 气 体 保护 下 ， 在 “ 进行 固溶处 理 ， 然后测 定并 计算其 固溶处理前后 的密度 变 化 。 若 固溶 处理前后 ， 合 金密度 变化不超 过 即为合格 。 我 国 ， 自 年开展 粉末高温合 金 的研究工作 以来 ， 也迫切需 要 建 立一套 适合我国情况 的热诱 导孔 隙 的检验标准 。 本研究 工作就是一 种初步的探索 。 、 研究方法 试验方案 参照 美国 公 司的检验标准 ， 结合我国的具体情况 ， 可 以这 样来考虑 目前 ， 粉 末高温合 金 涡轮盘 的使 用温度 是 “ ， 而 固溶处理不超过 ， 通 常 固溶处理的时 间为 。 因 此 ， 结 合 固溶处理进行热诱 导孔 隙 的 检测是比 较有利 的 。 但是 ， 要 确定 固溶处理 作为热 诱 导孔 隙检验标堆 的条 件 ， 首 先必 须确定这 种制度 的可靠性 ， 为 此 ① 在规 定 固溶处理时 间的情况下 ， 研究 固溶处理 温度与热诱导孔 隙的关系

②在确定的固溶处理温度下，研究固溶时间与热诱导孔隙的关系， ③初步探讨热诱导孔隙的形成规律。 (2)试样本试验采用了4种不同条件下得到的试样： ①1981年冶金部钢铁研究总院在N2介质中进行热等静压制的FGH95合金， ②1982年冶金部钢铁研究总院在Ar介质中进行热等静压制的FGH95合金， ③1983年航空部621所在引进小型热等静压机成形的美国Rene95合金粉末而制成 的合金。有2种情况： a、在Rene'95合金粉末装入包套进行封焊之前，粉末用Nz作充分的清洗，以除去粉 末颗粒表面吸附的Ar气， b Rene'95粉末封焊前未用Nz清洗。 (3)试验方法通常，研究热诱导孔隙常用2种方法进行，一是密度法，一是定量 金相法。本试验采用密度法对Rene95合金的热诱导礼隙进行研究。 密度法是用静水天平法测定合金在加热前后的密度，然后按密度变化的大小来评价 其热诱导孔隙的程度。 p=_WI W1-W2 P液 式中，p一欲测合金密度，P液一液仆比重，W,一合金在空气中的重量影 W,一一合金在液体中的称重。 试验所用液体介质为经过离子交换的纯水。 孔隙的形貌、分布用XJL~04型光学显微镜观案。 2实验结果与讨论 研究的FGH95和Rene'95粉末高温合金，其热诱导孔隙与固溶处理温度的关系如图 1所示。 8.004 0.201 5.00h 的 4,00 0.15 3.00 2.00 0.10 1.00 0,05 70090011001200 70090011001200 Solution temperature,'C Solution temperature,'C (a)FGH95合金，Ar保护，保逗2h,空冷 (b)R·ne95合金，Ar保护，保温2h,空 图1粉末高温合金的热诱导孔隙与固溶处理温度的关系 120

② 在确定的固溶处理温度下 ， 研究固溶时 间与热诱导孔 隙的关系， ③ 初步探讨 热诱 导孔 隙 的形 成规律 。 试样 本试验采 用 了 种不 同条 件下 得到的试 样 ① 年冶 金部钢铁研究总 院在 介质 中进行 热等静压 制的 合金， ② 年冶金部钢铁研究总院在 介质 中进行热等静压制 的 合金， ③ 年航空部 所在引进小 型热等静压 机成形 的美国 合 金 粉末而 制成 的合金 。 有 种情况 、 在 ‘ 合金粉末装入包 套进 行封焊 之前 ， 粉末用 作充分的清洗 ， 以除去粉 末颗粒 表面吸 附 的 气， 产 粉末封焊前未用 清洗 。 试验方法 通常 ， 研究热诱导孔 隙常用 种方法进行 ， 一是密度法 ， 一是 定 量 金相法 。 本试验采用密度 法对 合金 的热诱 导 孔 隙进行研究 。 密度法是 用静水天 平法测 定合 金在加 热前后 的密度 ， 然后 按密度 变化 的大小 来评价 其热诱导孔 隙 的程度 。 、 ， 卜 止丝三一 一 饭 式 中 ， － 欲测合金密度， 液 － 液体比 重， － 合 金在空气中的重 量， － 合金在液体 中的称重 。 试 验所用 液体介质为经 过离子 交换的纯水 。 孔 隙的形 貌 、 分布用 一 型光 学显微镜观察 。 实验结果与讨论 研究 的 和 ‘ 粉末高温合金 ， 其热诱导孔 隙与固溶处理温度的关 系如图 所示 。 卜 ， 一 水 一 勇 匆。 皇布。， 言 。 、 占 ， ﹃一公的‘目 翻】 石 。 ， ， ， 合金 ， 保护 ， 保沮 ， 空冷 ， ， 合金 ， 保 护 ， 保扭 ， 空冷 图 粉末高沮合金的热 诱导孔 隙与固溶处理 沮度的关系

由图1可见，无论是Ar中热等静压制成的国产FGH95合金，还是美国Rene'95粉末 成形的合金，在经不同温度进行固溶处理时，随固溶处理温度的升高，其热诱导孔隙都 是增长的。但是其增长的趋势，在不同的温度范围是不同的。研究表明：在700~900°C 温度之间进行固溶处理，合金的热诱导孔隙增长较为缓慢，超过900°C之后进行处理， 热诱导孔隙增长较快。图2是FGH95合金，图3是Rene'95合金在固溶处理前后孔隙变 化的低倍组织。 0.1mm 0.1mm (a)处理前 (b)处理后 图？FGH95合金固溶处理前后的孔隙 0.033mr6 0.033mm L (a)处理前 (b)处理后 图3Rene‘95合金因溶处理前后的孔隙 由图1还可看出，FGH95合金试样的热诱导孔隙随固溶处理温度的升高，其数量比 Dene'95合金的试样要大得多。而且，从图2、图3的低倍组织照片上也可以看到，前者 的孔隙尺寸比后者要大得多。 FGH95合金的热诱导孔嗽与固溶处理时阀的关系示于图4。由图4可以看出，热 等静压制的FGH95合金在1120°C进行固溶处理时，其热诱导孔隙的数量与保温时闻有 关，随保温时间的延长，合金的热诱导孔隙增多。 因此，由图1~4的结果可以得出，FGH95合金的热诱导孔隙在1120°C固溶处理 2h,已经得到充分发展，考虑到℉G95合金的热处理制度及其使用温度，采用1120°C 保温2h作为测定该合金热诱导孔隙的条件是完全可行的。 图5是FGH95合金在1120°C固溶处理2h后热诱导孔隙的孔径大小分布。其中孔径 大小<1m占64%，大于5m的孔隙数量很少，约占1%。 121

由图 可见 ， 无论是 中热等静压制成的国产 合金 ， 还 是 美国 产 粉末 成形 的合金 ， 在经不 同温度进行 固溶处理时 ， 随 固溶处理温度的升高 ， 其热诱导孔 隙都 是增长 的 。 但是 其增长的趋势 ， 在不 同的温度范围是不 同 的 。 研究表明 在 。 。 。 温度 之间进行 固溶处理 ， 合金的热诱导孔 隙增长较为缓慢 ， 超过 之后进行处理 ， 热诱导孔 隙增长较快 。 图 是 合金 ， 图 是 尹 合金在 固溶处理前后孔 隙变 化的低倍组织 。 扑 】黔瓢 浇撇 处理 前 处理后 图 肠合金固溶处理前后 的孔 隙 心乞一 处理前 处理后 图 的 ’ 合金 固溶处理前后的孔 隙 由图 还可看 出 ， 合金试样的热诱导孔 隙随固溶处理温度的升高 ， 其数 比 。 ‘ 合金的试样要大得多 。 而且 ，从图 、 图 的低倍组织照 片上也可以看到 ， 前者 的孔 隙尺寸比后者要大 得多 。 合金 的热诱导孔 隙与固溶处理时间的关 系示 于 图 。 由 图 可以看 出 ， 热 等静压 制的 合 金在 进行固溶处理时 ， 其热诱 导孔 隙的数 与 保 温时间有 关 ， 随保 温时间的延长 ， 合金 的热诱导孔 隙增多 。 因此 ， 肉图 的结果可以得 出 合金的热诱导 孔 隙 在 。 ’ 固溶处理 ， 已经得到 充分发展 ， 考虑到 合金的热处理制度及其使用 温 度 ， 采 用 保沮 作为 测定该合 金热诱导孔隙的条 件是完全可行 的 。 图 是 口 合金在 固溶处理 后热诱导孔隙 的孔径大小 分布 。 其 中 孔 径 大小 升二 占 写， 大干 拼 的孔隙数量很少 ， 约 占 。 车

10 50 30 23 o 801- 3456 Soluiion time,h Pore size,um 图4FGH95合金热诱导孔隙与固溶处理时间的关系 图5FGH95合金热诱导孔隙的孔径分布 出现上述结果，显然是由于残存于粉末中的惰性气体在加热时受热膨胀，而合金的 屈服强度又随温度的升高而降低引起的。 用不同条件进行热等静压制FGH95和Rene'95粉末而成的合金，其热诱导孔隙出现的 规律是不同的。试验结果列于表2和表8。 表2不同热等静压介质对FGH95合金热诱导孔隙的影响（固溶温度1120C) 合金密度相对变化，% 试样 热等静压制介质 固 溶 时 0.5 1 2 82年2号 Ar 1.93 2.81 4.23 6.30 81年1号 N2 0.02 0.03 0.05 0.08 表8 不同条件对Rene'95合金热诱导孔隙的影响（固溶温度1120°C,保温2h) 试 栏 条 件 合金密度相对变化，% 粉未未经清洗 0.16 Rone95 影未用N2充分清洗 0.05 用N2热等静压 0.05 FGH95 用Ar热等静压 5.30 由表2、表3可以看出，用N,作FGH95粉末的热等静压制介质所得合金，在随后 的固溶处理中出现热诱导孔隙的程度很小。在同样的固溶处理条件下，用A作热等静压 制介质成形的合金，则出现大量的热诱导孔隙。与此同时，美国Rene'95粉末，如果在用 Ar作热等静压制前，先用N,作充分清洗，以洗掉粉未表面吸附的Ar,则经热等静压制 后，其热诱导孔隙的数量比未清洗的要低8倍左右。而用N,作热等静压制的FGH95粉 末，其合金在固溶处理后出现的热诱导孔隙数量与美国Rene'95粉未用Nz清洗后再热等 静压制成的合金是-一样的。由此可见，在合金粉末中存有Ar是形成Rene'95合金出现热 诱导孔隙的根源。这是由于Ar是情性气体，与合金粉未中的元素都不起反应，而N,由 122

目与心 ﹄ 、、 、 肋钓如加 、 头例匀勺导 夕 归 尸尸尸 … 一户么月二一﹄﹃ 卜一 尸一 。 、 肠 理 圈 合金热诱导孔隙与固溶处理时间的关系 图 合金热诱导孔 隙的孔径分布 出现上述结果 ， 显然 是由于残存于粉末中的惰性气体在加热时受热膨胀 ， 而合金 的 屈 服强度又随温度的升高而降低 引起的 。 用不同条件进行热等静压制阳 和 尹 粉末而成的合金 ， 其热诱导孔 隙 出现的 规律是不同的 。 试验结果列于表 和表 。 表 试 样 不同热等静压介质对 合金热诱导孔隙的影响 固溶温 度 热 等 醉 压 年 号 ‘ ” ’卜 成 一一一哩 一 吸卫匕少一 一一兰乞 一 二 兰 ‘ 一 年 号 。 。 。 。 。 。 。 。 表 不 同条 件对 ‘ 合金热诱 导孔隙的影响 固溶温度 ， 保温 月 ‘ 试 样 条 件 合金密度相对变化 ， 纬 。 粉末未经 清洗 粉末用 充分清洗 用 热 等辞压 用 热等静压 由表 、 表 可 以看 出 ， 用 作 粉末的热等静压制介质 所 得 合金 ， 在随后 的 固溶处理 中出现热诱 导孔 隙的程度很小 。 在 同样的 固溶处理条件下 ， 用 作热等静压 制介质成形的 合 金 ， 则 出现大量的热诱导孔隙 。 与此同时 ， 美国 产 粉末 ， 如果在用 作热等静压制前 ， 先用 作 充分清洗 ， 以洗掉粉末表面吸 附的 ， 则经热 等静压制 后 ， 其热诱导孔 隙的数量比未清洗的要低 倍左右 。 而 用 作 热等静 压 制的 粉 末 ， 其合金在 固溶处理后 出现的热诱导孔隙数量与美国 产 粉末用 清洗后再热等 静压制成 的合金是一样的 。 由此可见 ， 在合金粉末 中存有 是形 成 ‘ 合金 出现热 诱 导 孔隙的根源 。 这 是 由于 是惰性气体 ， 与合金粉末中的元素都不 起反 应， 而 由

于易与合金中的一些元素起作用而被吸收之故。因此，用N,作热等静压制介质或用N, 充分清洗粉末的情况下，热诱导孔隙都极少。合金粉末中，A的存在可能有下述几种 原因，(1)空心粉末中残留的A,(2)由于脱气不完全而残存在合金粉末表面吸附 的Ar,(3)热等静压制时，由于包套的微泄漏而溶至压坯中的Ar。但是，由试验所得 的结果来看，空心粉末中的Ar所引起合金热诱导孔隙，其量是很少的。因为用N,清洗 合金粉末，或用N,作热等静压制介质所成形的合金中，热诱导孔隙都很少，在这种条 件下可以排除残留在粉末表面吸附的Ar的作用，而这时A的来源主要来自空心粉末中。 因此可以认为：热等静压制前，合金粉末中吸附A气去除不彻底，以及热等静压制时， 包套的微泄漏是造成合金热诱导孔隙的主要原因。 3结 论 (1)热等静压制的FGH95及Rene'95合金，在固溶处理中，出现热诱导孔隙的数 量与固溶处理的温度、时间有关。合金中的热诱导孔隙随固溶处理的温度升高而增加，但 在700~900°C时增长较慢：合金中的热诱导孔隙随固溶处理时间的延长而增多。 (2)FGH95及Rene'95合金中的热诱导孔隙的来源是由于合金粉末中存在Ar气。在 本研究试验中，A的来源可能与脱气不完全，或在热等静压制过程中包套的微泄漏有关。 (3)采用1120°C固溶处理2h的制度作为FGH95及Rene'95合金热诱导孔隙的检测 条件是可行的。 致谢：参加本研究工作的还有穆军。本实验中，得到北京钢铁学院刘藏贞工程师的帮助，道致谢意。 参考文献 [1] 李月珠：国外金属材料，(1980)，50 [2] Dreshfield R.L.and Miner R.V.:P/M I Vol.12,2 (1980) [3] Miner R.V.and Dreshfield R.L:Metallurgical Transactions,A 12A, (1981) 123

于 易与合 金 中的一 些元 素起作 用而被吸收之故 二 因 此 ， 用 作热等静压制 介质 或用 充分清洗粉 末的情况下 ， 热诱 导孔 隙都极少 。 合 金粉 末 中 ， 的存在可能 有 下 述几种 原 因 空心粉末中残 留的 由于脱 气不完全 而残存在 合 金粉末表面 吸 附 的 ， 热等静压 制时 ， 由于包套的微泄 漏而溶至 压坯 中的 。 但是 ， 由试验所 得 的结果来看 ， 空心粉末 中的 所引起合 金 热诱导 孔隙 ， 其量是很 少的 。 因 为 用 清洗 合金粉末 ， 或 用 作 热等静压制介质所成形的合金 中 ， 热诱导 孔 隙都很少 ， 在 这 种条 件下可 以排除残 留在 粉 末表面吸 附的 的作 用 ， 而这时 的 来源主 要来 自空心粉末 中 。 因此可 以认 为 热等静压制前 ， 合金粉末中吸 附 气去除不彻底 ， 以及热等静压制时 ， 包套的微泄漏是造成合金热诱导 孔隙的主要原 因 。 结 论 卜 热 等静压 制的 及 尸 合金 ， 在 固溶处 理 中 ， 出现热诱 导孔 隙的数 量与固溶处 理 的温度 、 时 间有关 。 合金 中的热诱导 孔 隙随 固溶处理的温度升高而 增加 ， 但 在 时增长较慢 合金 中的热诱导 孔 隙随 固溶处理时 间的延长而增多 。 及 产 合金 中的 热诱导 孔 隙的来源是 由于合 金粉 末中存在 气 。 在 本研究试验 中 ， 的来源可能与脱气不完全 ， 或在热等静压制过程 中包套的微泄漏有关 。 采用 固溶处理 的制度作为 及 尹 合 金热诱 导孔 隙的检侧 条件是可行的 。 致谢 参加本研究工 作的还有 穆罕 。 本实验 中 ， 得到北 京钢铁学院刘慧贞工 程师的帮助 ， 谨致 谢意 。 参 考 文 献 ，二曰，﹄， ， 李 月珠 国外金属材料 ， ， 。 。 。 ， ， 。 。 。 ， 寻