热等静压法制备fgh6合金原始粉末边界

热等静压法制备fgh6合金原始粉末边界

原始粉末边界（缩写为ppb）是粉末高温材料的主要缺陷之一。各种ppb粉末提取相主要由ti和nbc碳化合物和部分氧化物组成。作为脆性第二相,MC型碳化物在外加应力作用下极易发生破碎或在MC/γ界面产生微孔而成为裂纹萌生和扩展的位置,这对合金的力学性能是十分不利的。目前针对粉末高温合金中的PPB,有多种解决方案,如粉末预处理,高温热等静压,调整合金成分,高温扩散退火和热变形等。而作为制定以上工艺的基础,研究PPB碳化物的形貌、成分及其在室温和高温变形过程中的转变是极为必要的。FGH96合金是我国第2代粉末高温合金,其使用温度在700℃以上,具有相对较好的持久、抗蠕变和抗裂纹扩展性能,是制造高性能航空发动机热端部件的重要候选材料。涡轮盘前后挡板是涡轮发动机的重要热端部件,经过多年探索最终确定等离子旋转电极法(plasmarotaingelectodeprocess,PREP)制粉+热等静压成形(hotisostaticpress,HIP)作为涡轮挡板的工艺路线,然而目前直接热等静压制备的FGH96合金仍然存在较严重的PPB析出相。为了评估PPB析出相对合金性能的影响,研究PPB析出相组成及其在拉伸过程中的变化是十分必要的。本文作者通过对预热处理后的FGH96合金粉末的表面析出相和热等静压制备的(HIPed)FGH96合金的PPB析出真相及其在拉伸过程中的变化进行研究,较深入地研究FGH96合金中PPB碳化物的组成及其在常温和高温拉伸时对合金断裂方式的影响,为FGH96合金缺陷控制提供理论依据。1实验1.1fgh98合金的热处理实验用FGH96合金采用真空感应炉熔炼。合金试样为直径50mm的圆棒,抛光后作为母合金自耗电极棒,采用等离子旋转电极雾化法制备FGH96合金粉末。粉末的化学成分列于表1。将FGH96合金粉末进行筛分,选取粒度为50~150μm的粉末,去气、装包套和封焊,然后进行HIP,得到直径为30mm的FGH96合金样品。热等静压制度为130MPa,1180℃/3h。选取部分HIPedFGH96合金样品进行固溶和时效热处理,热处理制度(heattreating,HT)为:1150℃/2h,580~620℃盐淬,空冷(aircooling,AC)+760℃/16h+AC。为便于区分,将未经过热处理的FGH96合金命名为HIPedFGH96,经过热处理的合金命名为HTedFGH96。选取粒度为50~150μm的FGH96合金粉末以及经过1150℃/5h真空热处理后的粉末进行表面凝固组织观察。1.2fgh98合金的表征将FGH96合金原始粉末和经过1150℃/5h真空预热处理后的FGH96合金粉末粘在导电胶上。将HIPedFGH96合金样品用400#~2000#砂纸打磨,抛光和侵蚀后制成金相及扫描电镜样品,侵蚀剂为5gCuCl2+100mLC2H5OH+100mLHCl。利用JSM-6480LV扫描电镜结合能谱对FGH96合金粉末以及HIPed合金的形貌和成分进行观察和分析。HIPed和HTed的合金样品在侵蚀后进行喷碳,脱膜后即制成一次碳膜萃取复型样品,利用JMS-2100透射电镜结合Oxford能谱仪对萃取碳化物进行观察与分析。利用线切割切取直径20mm、长200mm的圆柱形FGH96合金样品,按照国家标准加工成拉伸试样,利用ThermechmastorZ型万能模拟实验机对热处理态合金的室温及750℃拉伸性能进行测试,利用SEM结合EDS对试样的拉伸断口及其侵蚀后的纵截面进行观察与分析。2结果与讨论2.1表面碳化物的表征图1所示为等离子旋转电极雾化法制备的FGH96合金粉末及其经过1150℃/5h真空热处理后的表面形貌。可见原始合金粉末表面呈现枝晶组织形貌,粉末表面没有明显的析出相。经过热处理后,粉末表面分布着大量的粒状和块状析出相,能谱分析发现粒状析出相中含有较高的Zr和Ce,根据对HIP合金PPB析出相成分的分析推测这些粒状相可能为Zr和Ce的氧化物。而块状相中则含有相对较高的Nb和Ti,推测可能为MC型碳化物。有研究指出经过预热处理的粉末表面的MC型碳化物大多是以氧化物为核心析出的。粉末热处理采用的是高真空(真空度为1.33×10–2Pa)封装技术,以避免粉末在热处理过程中过度氧化。计算表明在合金熔点1300℃附近氧分压只要达到10–10Pa,Al和Ti就被氧化,而在制粉气氛中氧分压一般高于10-2Pa,因此无法避免粉末表面的氧化。在高温热处理时,粉末表面氧化加重,故在较低倍数下也能观察到Zr和Ce的氧化物存在。也有研究指出,粉末表面覆盖着大量非晶形态的C,颗粒表面游离态的C遮盖住了粉末表面的氧化物颗粒,在高温热处理时,这些C与粉末表面吸附的O2和偏析的Ti元素结合形成Ti的碳氧化物,使得热处理后粉末表面出现细小的氧化物颗粒和Ti的碳氧化物颗粒。因此在加热至热等静压温度时粉末中有大量细小的氧化物颗粒存在,这些氧化物颗粒往往成为HIP时碳化物的优先形核位置,促进碳化物在粉末颗粒之间的接合界面析出而形成PPB。2.2ppb碳化物的表征利用TEM结合EDS分析HIPed和HTedFGH96合金中PPB析出相的组成,结果如图2所示。由图可见PPB析出相主要由块状和粒状MC及细小的氧化物颗粒组成,氧化物的直径一般在50nm以下,块状和颗粒状碳化物的尺寸一般在100nm以上。经固溶和时效热处理后氧化物的尺寸无明显变化,而块状MC的尺寸明显增大;EDS和电子衍射证明大部分块状MC中均含有富Zr和Ce的氧化物核心,而在粒状MC中没有观察到相同的氧化物核心。在TEM下,TiO2与MC型碳化物衬度相近,结构也相似,因此无法确定PPB上分布的MC中是否存在TiO2的氧化物核心。松散的FGH96合金粉末经过热处理后表面有大量富Nb和Ti的块状相析出,其成分与HIP合金中MC型碳化物相近,因此可以推测PPB上的部分块状MC是以粉末表面已经存在的富Zr、Ce氧化物为核心形成的,而粒状MC则不是以粉末表面Zr和Ce的氧化物为核心形成的。但因为衬度的问题无法判断颗粒状碳化物中是否存在氧化物核心。对热等静压合金及热处理后合金的PPB的一次碳膜萃取复型进行能谱分析,以获取PPB碳化物的具体成分,分析结果列于表2。由表2可以看出,HIPed合金及HTed合金的PPB中的块状MC均含有相对较高的Ti及较少的W,而HTed合金中块状和颗粒状MC中强碳化物形成元素(Ti,Nb和Zr)含量明显升高,即经过热处理后PPB中碳化物的稳定性有一定程度的提高,所以仅通过固溶及后续的时效处理来消除合金中的PPB是不可能的。图3所示为HIPed和HTedFGH96合金中PPB析出相的尺寸分布。热等静压FGH96合金中的PPB碳化物尺寸呈单峰分布,峰值为300nm,但在峰值的右侧分布有相对较多的碳化物,即存在着较多大于峰值的碳化物。推测可能存在2个分布峰,因峰值接近而呈现出单峰分布。经过固溶加时效处理后,PPB碳化物尺寸呈现双峰分布,峰值分别为220nm和380nm。从图2可看出,HIPed合金PPB中块状和颗粒状MC的平均直径在300nm左右,经过热处理之后,颗粒状MC的平均直径降低至200nm,而块状MC的平均尺寸上升至400nm。因此推测在热处理过程中,PPB中颗粒状的MC部分溶解,而块状MC则有一定程度的长大,造成PPB碳化物尺寸的双峰分布。由表2可知,在HIPed合金的PPB中,颗粒状MC含有相对较高的W等弱碳化物形成元素。说明在热等静压时,块状MC以粉末表面氧化物为核心先于粒状MC析出,消耗了大量在原始粉末接合界面偏析的强碳化物形成元素。块状MC析出后,粉末接合界面局部碳元素偏析促进粒状MC的析出,而此时已没有足够的强碳化物形成元素供给,造成粒状MC中含有相对较多的弱碳化物形成元素。研究指出,溶入MC中的W减弱了碳化物的结合力,降低MC的稳定性。因此在热处理过程中,颗粒状MC具有较低的稳定性而部分溶解,因而尺寸有一定幅度降低。W含量相对较低的块状MC能保持相对稳定,吸收颗粒状MC进入基体中的碳化物形成元素而长大。所以PPB碳化物尺寸呈现双峰分布。2.3拉伸断裂形貌图4所示为HIPedFGH96合金常温拉伸断口源区的SEM形貌。可见断裂源区主要沿PPB断裂,存在部分穿晶断裂。放大后发现PPB上分布较深的韧窝(见图4(b)),部分韧窝中存在块状和颗粒状析出相,EDS分析发现大部分析出相中含有较高的Ti和Nb,可能为(Ti,Nb)C型碳化物。图5所示为HIPedFGH96合金在常温下的拉伸断口纵截面形貌。由图5(a)可以看到PPB沿着应力方向伸长,二维截面由原来的圆形转变为椭圆形,长轴和短轴的比值为1.49,这说明在拉伸过程中PPB区域经历较大幅度的变形。对于HTedFGH96合金来说,PPB析出相主要由MC型碳化物组成,碳化物的弹性模量与基体存在差距,且抵抗塑性变形的能力也不尽相同,因此在变形过程中碳化物与γ基体之间存在应力集中,当MC/γ界面前沿应力集中大于界面结合力时,在MC周围产生微孔(图5(b))。随着形变量增大微孔逐渐长大、连接形成微裂纹,裂纹在PPB萌生并沿PPB扩展,所以常温拉伸断口的源区大部分为沿PPB断裂。图6所示为HIPedFGH96合金在750℃下的拉伸断口形貌。与常温拉伸断口不同的是,合金断口源区呈现沿PPB和晶界混合断裂形貌,在PPB和晶界上均能观察到韧窝。能谱分析结果表明,PPB上的析出相含有较高的Ti和Nb,而在晶界上检测到富Cr的块状相。图7所示为HTedFGH96合金试样于750℃拉伸后纵截面PPB析出相。与常温拉伸断口截面形貌(图5所示)相同,HTed态合金750℃拉伸变形使得PPB沿着应力方向被拉长,在二维截面上呈椭圆形(图7(a)),长轴和短轴的比值为1.35。PPB仍主要由块状和粒状的MC组成(图7(b)),PPB碳化物的平均等效直径由拉伸前的297nm下降至283nm。PPB析出相的等效直径仍呈双峰分布(见图8),2个峰值均向小尺寸方向移动,分别由拉伸前的220nm和380nm下降至180nm和340nm。EDS分析发现热处理态合金经过750℃拉伸后,富Cr的条状相在合金晶界析出,而在PPB上未观察到有条状相析出(图7(b))。热力学计算表明,750℃时可能发生MC向M23C6的转化。中温时效时,M23C6在晶界析出可明显降低晶界的界面能。因此推测高温拉伸时有条状M23C6型碳化物在合金晶界析出,PPB碳化物在高温应力作用下部分溶解,为M23C6的析出提供碳源。在晶界连续分布的条状M23C6减弱晶界之间的结合力,导致合金的强度与塑性明显降低(见表3),同时750℃拉伸时仍存在大量PPB碳化物,合金在高温拉伸时沿晶界和PPB断裂。3成分碳化物1)等离子旋转电极雾化法制备的FGH96合金粉末表面呈现枝晶或胞晶凝固组织形貌,经过1150℃真空预热处理后,粉末表面有细小颗粒状的氧化物和块状的MC型碳化物分布。2)热等静压法制备的FGH96合金,PPB析出相主要由块状和颗粒状MC以及细小颗粒状氧化物组成;PPB碳化物尺寸呈单峰分布,但含有较多大于峰值的碳化物;大部分块状MC中存在富Zr和Ce的氧化物核心,