两种氩气雾化粉末颗粒热处理后的组织变化

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1987.s1.003 北京钢铁学院学报 Journal of Beijing University Special issue of Iron and Steel Technology No.21987,6 两种氩气雾化粉末颗粒热 处理后的组织变化 胡本芙李慧英 (金相教研室) 摘 要 本文着重研究FGH95和R©e95两种粉末经热处理后组织的变化，实验结果指出，树枝属 组织较胞状品组织难于均匀化，在1140°C加热8h后粉末的铸态组织才能完全消除达到均匀化， FGH95粉末中Y'相溶解湛度较Rene'95粉末中的低。 Microstructures of Argon-Atomized FGH95 and Imported Rene'95 Superalloy Powders after Heat Treatment Hu Benfu Li Huiying Abstract Microstructures of argon-atomized FGH95 and imported Rene'95 superalloy powders after heat treatment were studied.It is shown that homogenization of dendritic microstructure is more difficult to complete than that of cellular mie- rostructure.The dendritic microstructure can be homogenized during heat treat- ment at 1140C for 3h.The solution temperature of FGH95 powder is lower than that of Rene'95. 12

北 京 钢 铁 学 院 学 报 五 。 。 两种氢气雾化粉末颗粒热 处理后的组织变化 胡本芙 李慧英 ，侧 《金相教研室 摘 要 本文着重研究 和 尹， 两种粉末经热处理 后组织的变化 。 实验结果指出 树枝晶 组织较胞伏晶组 织难于均匀化 。 在 加热 后粉末 的 铸态组织 才能完 全消除达 到 均 匀 化 。 转粉末中 ，相溶解沮度较 ‘ 粉末中的低 。 一 ‘ “ “ 絮 月 一 ‘ 甲 五 又 们口 王 。 。 ， 尹 。 二 育 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．s1．003

前 言 松散粉未颗粒的组织状态对合金性能有显著的影响1·2？。一方面雾化粉末是在高 速急冷状态下凝固的，处在亚稳定状态。热等静压致密化过程中，不稳定的冷凝组织直 接彩响致密化程度，例如：大尺寸粉末颗粒可以在未完全致密化前就发生相的析出。小 尺寸粉末颗粒可以在致密化后期才能使相转变完成。另一方面，粉末颗粒的凝固组织也 直接影响成分的均匀化过程。 观察和研究粉末颗粒经870°C到1200°C之间不同温度保温条件下组织发生变化，对 热等静压致密化工艺制度的选择提供实验结果是十分必要的。 1 实验步骤 下表为两种粉末的化学成分 元 素 合 金 0 Co Cr W Mo Nb Al TI B Zr Ni FGH95 0.078 8.62 13.083.353.403.483.462.600.0110.04 Rene/95 0.065 7.54 12.873.413.51 3.463.392.560.0110.08 象 为保证粉粒度一致，两种粉都经过筛分，按粒度分级，对相同粒度的粉进行显微组 织和外观表面组织对比。消除了由于颗粒大小不同而造成的组织差异。 6 粉末热处理采用真空处理，把粉末装在石英管内，边抽真空边加热除气，根据文献 [3]水蒸气排放温度为140-150°C,最大排气温度400°C,C02、C0最大排放温度 600°C,CH4、Ar气体在150°C开始排放。我们采用排放温度为400°C,用延长时间尽 量使排气充分达到2.399×10~2Pa真空度，然后，将粉末封焊于石英管中，在管式炉中 进行热处理。 热处理制度采用文献[3]给出的稳定化热处理工艺。除原始雾化粉外，分别在 870°C、950°C、1080°C、1150°C保温5h,尽量使相转变充分进行(1200°C保温2h),然 后水淬。处理后粉末光泽白亮，没有任何发生氧化的痕迹。 2 实验结果 2.1FGH95合金粉末外形： 以球形为主体，鹅卵形、葫芦形以及一些不规则包复球约占小部份、表面隆起和卫星 13

前 吕 松散粉末颗粒 的组织状态对 合金性能 有显 著的影响 〔 ” 。 一方面 雾化粉 末 是在 高 速急冷状 态下凝 固的 ， 处在亚 稳定状 态 。 热等静压致 密化过程 中 ， 不稳定的冷凝组织 直 接影响致 密化程度 ， 例如 大尺 寸粉末颗粒可 以 在未完全致密化前就发生相的析 出 。 小 尺 寸粉末颗粒可以 在致 密化后期才能使相转变完成 。 另一方面 ， 粉末颗粒的凝 固组织 也 直接影响成分 的 均 匀化过程 。 观察和研究粉末颗粒经 “ 到 之 间不 同温 度保温 条件下组织 发生 变化 ， 对 热等静压致 密化工 艺制度 的选择提供实验 结果是十分 必要的 。 实验步骤 卜表 为 两种 粉末的化学成分 元 一 素 盛 了 。 。 。 。 。 。 一 。 余 。 。 公 。 。 。 一 。 。 余 竹 为保证粉粒 度一致 ， 两种粉都经过筛分 ， 按粒 度分 级 ， 对相 同粒度的粉进行显微组 织 和外观表面组织对 比 。 消除 了由于颗粒大小不 同而造成的组织差异 。 粉末热处理采 用真空处理 ， 把粉末装在 石英管 内 ， 边抽真空边加热除气 ， 根 据文献 〔 〕 水燕气排 放温 度为 一 ， 最大 排气温度 吐 ， 、 最大排放温度 “ ， 、 气体在 “ 开始排放 。 我们 采 用排放温度 为 ， 用延 长时间尽 盈使排气充分 达到 真空 度 ， 然后 ， 将粉末 封焊于石英管 中 ， 在 管 式护 中 进行 热处 理 。 热处理 制度采用文献 〔 给 出的稳定化热处理工 艺 。 除 原始 雾 化 粉 外 ， 分 别在 、 、 “ 、 “ 保温 ， 尽量使 相转 变充分进 行 保 温 ， 然 后水淬 。 处理后粉 末光泽 白亮 ， 没 有任 何发 生 氧化的 痕迹 。 实验结果 合金粉末 外形 以 球 形 为主 体 ， 鹅 卵形 、 葫芦形以 及一 些不规 则包复球 约 占小 部份 、 表面隆起和卫星

状粘结较多，如图1，原始粉末颗粒外表面经深腐蚀后，明显地显示两种组织形态，树枝晶 具有明显二次晶轴如图2a。由一气孔为中心，延伸呈放射状枝晶形式。如图2b所示。 0.05mm 图1FGH95粉末颗粒形貌 胞状晶没有明显的二次品轴。随着粉米颗粒尺寸减少，胞状品尺寸减少，具有胞状 晶组织的粉末颗粒数目增多。 0.01mm .01mm 《a)树枝晶 (b)胞状品 图2未经处理的FGH95粉未颗粒外表面组织SEM 经过稳定化热处理外表面组织发生变化，加热温度不同外表面树枝晶和胞状晶形态 有些改变。870°C加热保温5h,粉末颗粒外表面组织形态变化不明显，而在950C保温 5h后，颗粒外表面仍保持原树枝品的形貌。见图3(a、b)可观察到二次晶枝间有白点析 出物。若提高加热温度至1080°C保温5h后，外表面树枝晶还没有完全消失，但胞状品组 织基本均匀化。在品轴上、枝品间以及胞状晶间均有第二相析出，图3(c、d)经X一 射线分折鉴定为y'相，MC、MzC。相.经1150°C,5h保温后，仍可见树枝晶的痕迹， y以及碳化物相仍分布在枝品间，而在胞状品组织中分布较均匀。第二相在树技晶间析 出、聚集、长人的过程均较胞状品进行得快。发现y‘相变小，所以此温度可能是y‘相开 始人量溶解的温度。 1200C加热、保温2h,从石英管中取出，发现颗粒外表面边缘已熔化、粘结。经 深腐蚀后看到白亮小点满正熔化的品体面上，经分析鉴定主要是MC碳化物。 由以上实验结果看出：氩气雾化粉末颗粒外表面任加热过程中，树枝晶组织在1150 C,5还没有完全消失，而胞状晶在1080C基本均匀化。第二相在树枝晶间析出早于胞状 14

状粘结较多 ， 如图 ， 原始粉末颗 粒外表面经深腐蚀后 ， 明显地显示 两种组织 形态 ， 树枝晶 具 有明 显二次 晶轴 如 图 。 由一 气孔 为 中心 ， 延 伸呈 放射状 枝 晶形 式 。 如 图 所 示 。 图 邪粉 末簌粒形貌 胞状晶 没 有明显 的二次 晶轴 。 随着粉末颗 粒尺 寸减少 ， 胞 状 晶尺 寸减 少 ， 具有胞状 晶组织 的粉末颗粒数 目增多 。 淤 撰 树枝 晶 图 》 胞状 晶 未经 处理 的 转粉末癫粒外表 面组 织 经过稳定 化热处理 外表面组织 发生 变化 ， 加热温度不 同外表面树枝晶和胞状 晶形 态 有些改 变 。 加热保 温 ， 粉末颗粒 外表面组织 形 态变化不 明显 ， 而在 保温 后 ， 颗拉 外表面 仍保 持原树枝 晶的形貌 。 见图 、 ， 可 观察到二 次 晶枝间有 白点析 出物 。 若提 高加 热 温度 至 ” 保温 后 ， 外 表面树枝 晶还 没 有完全 消 失 ， 但 胞状 晶组 织 基本 均 匀化 。 在 拈轴 上 、 枝 品间以 及胞状 晶间均有第二 相析 出 ， 图 、 经 一 射 线 分 析鉴定为训 相 ， 、 。 。 相 。 经 ， 保温 后 ， 仍可 见树 枝 晶 的痕迹 ， 产 以 及碳 化物 相仍分 布在 枝 晶间 ， 在胞状 卜猪组织 中分 布较均匀 。 第二 相在树枝 晶间析 出 、 聚 集 、 长大 的过程 均较胞状 钻进行 得快 。 发现 尸 相 变小 ， 所以 此温 度可能是 产 相开 始大量溶 解的 温 度 。 ’ 加 热 、 保温 ， 从石 英管 卜取 出 ， 发 现 颗粒 外表面边 缘 已熔 化 、 枯结 。 经 深腐蚀后 看到 白亮小 点 布满正 熔 化的 晶体 面上 ， 经 分 析鉴定 主 要是 碳 化物 。 由以 上实验 结果看 出 氢气雾 化粉末 颗粒 外表面在加 热过 程 中 ， 树枝 晶 组 织 在 ’ ， 还 没有 完全 消失 ， 而胞 状 晶 在 基 本均 匀化 。 第二 相在树枝 晶间析 出早于胞 状

0.005mm 0.002mm 0.002mm 0.002mm (c)1080°C,5h树枝晶 (d)1080C,5h胞状品 图8经不同温度保温5h后粉末颗料表面形貌 晶间的析出，1080°C第二相析出无论在枝晶间或胞晶间都很明显。可见，合金外表面成 分均匀化在1080°C左右就开始明显起来。 2,2FGH95粉末颗粒内部组织状态经热处理后的变化 (a) 光学显薇镜照片 (b)TEM照片 图4FGH95原始粉米颗粒内部组织（一140+1601H粉） 由图4(a、b)可以看出，粉末颗粒内部暖固组织由树枝晶和胞状晶组成。与外表面 相比，树枝晶比较发达，枝晶间有少量块状碳化物，Y'相没有观裹到，说明y相基本上 是过饱和固溶体。经870°C加热后保温5h后的组织形态，凝固组织已有明显变化，在晶 轴上和枝晶间都有弥散，细小的y'相析出，枝晶间y‘相尺寸大于晶轴上的y'相。但树枝 15

， 树枝晶 ， 胞状晶 图 经 不 同 温度保 沮 后粉 末 颗 抓表面形貌 晶间的析 出 ， “ 第二相析出无论在枝 晶间或胞 晶间都很明 显 。 可 见 ， 合金外表面成 分均匀化在 左右就开始 明显起来 。 粉末肠粒 内部组织状态经热处理后的变化 光学 显微镜照片 照片 图 ， 原 始粉末 颗 粒内 部组织 一 粉 由图 、 可以 看出 粉末颗粒内部凝 固组织 由树枝 晶和胞状晶组成 。 与 外表 面 相 比 ， 树 枝 晶比较发达 ， 枝 晶间有 少量块状碳 化物 ， ‘ 相没有 观寮到 ， 说明 ，相墓本上 是 过饱 和 固溶 体 。 经 ” 加 热后保 温 后 的组织 形 态 ， 凝 固组织 已有明显 变 化 ， 在 晶 轴上 和 枝 晶间都有弥 散 ， 细 小 的丫‘ 相析 出 ， 枝晶间 ‘ 相尺 寸大于晶轴上 的，‘ 相 。 但树枝

(a) 光学显微镜照片 (b)TEM照片 图5FGH5经950°C,5h加热后的组织-140+160月粉) 晶的轮廓仍清晰可见。 由图5看出：树枝品在950°C还没有消除，与870°C保温5h后y'相大小相比，y'相 尺寸略有长大而且分布均匀，枝晶间y'相尺寸也变大。 经1080°C加热保温5h后，粉末颗粒的凝固组织基本消失，但仍可见树枝晶痕迹，基 体中y'相聚集长大（见图6）出现大、中、小3种尺寸的y'相。可见，1080°C是很重 要的温度界限，低于此温度y'相尺寸变化不大。而1080°C,y'相开始聚集长大。 (a)光学显微销照片 (b)TEM照片 图6FGH95经1080°C,5h加热后的织组，(-140+160目粉) .010m 0.o1mm 图7FGH95经1140C,3h 图8FGH95经1200°C,2h 知游后的组织（一140+160目粉， 加热后的组织(-140+160目女) 16

， 光学显微 镜照 片 《 照 片 图 经 ， 加热后的组 织 一 粉 晶的轮廓仍清晰 可 见 。 由图 看 出 树枝品在 “ 还没有消除 ， 与 。 “ 保温 后丫‘ 相大小 相比 ， 丫尹 相 尺寸略有长大 而且分布均匀 ， 枝 晶间 产 相尺寸也变大 。 经 。 。 加热保 温 后 ， 粉末颗粒 的凝 固组织 基本消失 ， 但仍可见树枝晶痕迹 ， 基 体中训 相聚 集长大 见图 出现大 、 中 、 小 种尺寸 的训 相 。 可 见 ， 是很重 要的温度界限 ， 低于此温度 产 相尺寸 变化不 大 。 而 ” ， ，‘ 相开始聚 集长大 。 》 光学显微镜邢 片 照片 图 经 ， 加热 舀的织组 ， 一 目粉 图 经 魂。 。 亡 ， 加热后的沮织 、 一 令 仁通粉 图 经 ， 加热后的组织 一 几呜。 目街〕

从图7、8可以看出，在1120C加热仍行在者-·些传态组织的痕迹。在1140C,加热铸 态组织完全消除，达到均匀化。y'相大部分溶解，只有在晶界上存在着未溶的大y'相。 图8是经1200°C,2h加热的组织，y'相完全溶解，品粒边界趋于平直化。 由以上FGH95粉未颗粒经不同温度热处理后内部冷凝组织变化可以肴出，树枝品组 织较胞状品组织难丁均匀化，尤其是较粗大的树枝品在相“斯高的温度加热后仍可看到其 痕迹。 粉来颗粒内部均匀化速度人于外表面的均匀化速度，外表面树枝品在1150°C5h后 还留有痕迹，而内部冷凝组织其树枝晶托1140°C完全消失。其原因可能是h予外表面 树枝晶利和胞状晶的组成比例与粉末内部不同，因而合金元素偏析程度也不同。 在考虑粉末合金固化时，似乎应该以较大颗粒外表面树枝品、胞状品消失和成分均 匀化为依根选择致密化工艺参数。 FGH95粉末中y'相大量溶解约在1150°C左右，热等静压温度往往是选在低于y'相 溶解温度，因而，FGH95粉末热等静压温度似乎应该比国外报导该合金热等静压温度稍 高些，即1120一1140°C,应采用上限更适宜些。 2.3Rene'95粉末颗粒内部冷凝组织在加热过程中的变化 经870C和950°C加热后，均有大量y'相析出，其尺寸与FGH95相差不大。而经 1080°C,5h加热后Rene'95粉末中y'相较FGH95的小，表明其聚集长大的过程稍慢。到 1150°C Rene'95粉未中仍有相当数量的，y'相存在于晶粒内和晶界。由于y'相的钉扎 使品粒界平直化受到阻碍，而FGH95合金1150°C加热后y'相基本上完全溶解，晶粒边 : (a)Rene95 (b)FGH95 图9经1150°C5h加热后的业微扣织SEM 界平直见图9(、b)。这一结果说明两种粉末中y'相稳定性有明显不同。为了更确 切的测定y'相溶解温度，用差热分析仪测定FGH'95和Rene'95粉未的微差热分析曲线。 这种技术能准确地确定高温合金中相变发生的温度：8。曲线中的转折点是用金相观案 和X-射线配合确定的。FGH95粉末中y'相的溶解温度为1136°C,而Rene95粉末中 y'相的溶解温度为1160°C。这两个温度均取自冷却曲线。两种粉末的y'相溶解温度不 同表示y'相的元素组成有所差异。两种粉末中MC碳化物溶解温度差不多FGH95为1131 °C,Rene'95为1313°C,两种粉末的熔化范围也相近，FGH95周相线温度为1260°C,液 相线为1351°C,而Rene'95相应地为1250°C和1344°C 17

从 图 、 可以 看 出 ， 在 加 热 仍存在 着一 典 铸 态组织 的痕迹 。 在 ， 加 热铸 态组织 完全 消除 ， 达 到 均匀化 。 丫 相大部分 溶 解 ， 只有在 晶界上 存在 着未溶 的大，产 相 。 图 是经 “ ， 加 热 的组织 ， 夕产 相 完全溶 解 ， ， 粒边界趋 于平直化 。 由以 上 粉 末颗粒经 不 同温 度热处理 后内部冷凝组织 变化可以 看出 ， 树枝 晶组 织 较胞 状 刃 ‘组 织 难于均匀 化 ， 尤 共是 较粗 大 的树枝 ，入在相 当高的温 度 加热后仍可 看到其 笋良迹 。 粉 末颗 粒 内部 均 匀化速 度大 于 外表面 的 均匀化速 度 ， 外表 面树枝 品 在 “ 后 还 留有痕 迹 ， 而 内部 冷凝组织 其树枝 晶在 凌 ” 完全 消失 。 其原 因可能 是 一 于 外表 面 树枝晶和胞 状 晶的组 成比例与粉末 内部不 同 ， 因而 合金元素偏析程度也不 同 。 在 考虑 粉 末合金 固化时 ， 似乎应 该以 较大颗 粒 外表面树枝 晶 、 胞 状 晶消失和成分 均 匀 化为依 根 选 择致 密化工 艺参数 。 粉 末 中 ‘ 相大 量溶 解约在 左右 ， 热等 静压 温 度 往往 是选在 低 于丫 相 溶 解温度 ， 因而 ， 粉末热等静压温度似乎应该 比国 外报 导 该合 金热等静压温度稍 高些 ， 即 一 ， 应采 用上限更适宜些 。 产 粉末颐粒 内部冷凝组织在 加热过程 中的变 化 经 “ 和 加热后 ， 均有大 量 产 相析 出 ， 其尺 寸 与 相差不大 。 而经 ， 加 热后 产 粉 末 中丫‘ 相 较 的小 ， 表明 其聚 集长大的 过 程稍慢 。 到 “ ‘ 粉末 中仍 有相 当数 量的 ， ‘ 相存在于 晶粒 内和 晶界 。 由于丫‘ 相的钉 扎 使 晶粒 界平直 化受到 阻碍 ， 而 合金 加 热后 ‘ 相基木上完 全溶解 ， 晶 拉 边 图 经 加热 后的 显微 夕几织 界平直 见 图 、 ’ 。 这一 结果说 明 两种粉 末 中’ 相稳定性 有明显不 同 。 为 了更 确 切 的 测定夕’ 相溶 解温度 ， 用差 热分 析仪 测 定 ‘ 和 ‘ 粉 末的微差 热分 析 曲线 。 这 种技术能准 确地确 定 高温 合金 中相 变发生 的温度 〔 。 曲线 中的转折 点是 用 金 相 观察 和 一 射线 配 合确定 的 。 粉 末 中 产 相 的溶 解温度为 ， 而 ‘ 粉 末 中 训 相的溶 解温度 为 “ 。 这 两个 温 度 均取 自冷 却 曲线 。 两种粉 末的训 相溶 解 温度不 同表示训 相 的元素组 成有所 差异 。 两种粉末 中 碳 化 物溶 解 温 度差不 多 为 ， 产 为 “ ， 两种粉末的熔化范围也相近 ， 固相线 温度为 ， 液 相线 为 ， 而 相应地为 “ 和 “

3结论 通过对FGH95和Rene'95粉末颗粒凝固组织在加热过程中变化的观浆可以得出以下 结果： (1)FGH95粉末颗粒外表面加热过程中树枝晶组织在1150°C,5h后还没有完金消 失，而胞状晶组织在1080°C5h基本均匀化。 (2)FGH95粉未颗粒内部在1120°C加热3h以后仍存在着粗大的树枝品痕迹，在 1140°C,3h加热后，铸造组织才能完全消除，达到均匀化。 (3)FGH95粉末颗粒内y'的溶解温度较Rene95低。 参考文献 d [1]Smugeresky,J.E.:Met.Trans.,13A,9 (1983) [2 Tien,J.K.,Boesch,W.J.,et al:Metal Powder Report Conference, 1980 [3]Claudia,J.Burton:第三届国际高温合金会议文集，1976，上.海科技情报所 译，1980 18

结 论 通 过对 和 产 粉末颗 粒凝 固组 织在加 热过程 中变化的观察可 以 得 出以 下 结果 粉 末颖 拉 外表面 加热过 惶 中树枝 晶组织 在 ， 后还 没有完全 消 失 ， 而胞 状 晶组织 在 基本 均匀化 。 粉 末颗粒 内部在 加 热 以后仍存在着粗大 的 树枝 钻 痕迹 ， 在 ， 加热后 ， 铸造组 织 才能完全 消除 ， 达 到均匀化 。 粉末颗粒 内厂 的溶解温度 较 低 。 参 考 文 献 〕 〔 〕 ， 。 ， ， ， 。 。 ， ， 。 。 ， ， 〔 〕 。 ， 第三 届国际 高温 合金会议文集 ， ， 上 海科技 情报所 译 ， 小