消除粉末高温合金中原始颗粒边界机制

采用SEM、TEM研究了高温合金粉末颗粒内部与合金中碳化物的类型和组成,采用热力学软件计算了不同Hf含量FGH4096的碳化物组成,结果表明,粉末高温合金中原始颗粒边界上的析出物为以TiC为主的MC型碳化物,MC型碳化物(TiC、ZrC、HfC、NbC、TaC)在镍基高温合金中按溶解度从大到小为TiCNbCTaCZrCHfC。TiC在FGH4096中的溶解度较HfC的大,雾化粉末快速凝固过程中,加入Hf的FGH4096合金碳化物析出量大于不加Hf的FGH4096合金碳化物析出量,HfC均匀形核于整个粉末颗粒中。在热等静压过程中,Hf与C的结合力强而形成HfC,最终在FGH4096合金中形成(Hf,Ti,Nb)C,致使C元素无法扩散至粉末颗粒表面形成TiC,避免了原始粉末颗粒边界的形成。加入Zr消除FGH4096中原始颗粒边界的机制与添加Hf的FGH4096相同。     

微量元素Hf消除FGH96合金中原始粉末颗粒边界组织机制的探讨

粉末冶金高温合金中原始粉末颗粒边界组织(PPBS)由碳化物和少量碳氧化物组成。采用SEM、TEM以及AES等研究了粉末颗粒内、表面上以及合金中PPB上碳化物的结构和组成,依据热力学和扩散理论分析了Hf消除原始粉末颗粒边界组织(PPBS)的微观机制。结果表明:快速凝固粉末颗粒表面形成含有Ti、Nb、Cr、Mo、W的MC型亚稳定碳化物MC′,在HIP过程中粉末颗粒表面上的MC′相转变成稳定的MC相,以及粉末颗粒内的Ti、C元素向烧结颈处扩散,HIP后在粉末颗粒边界上形成富Ti和Nb的MC型碳化物(Ti,Nb)C。加入微量Hf后,在粉末颗粒内形成了更多更稳定的含Hf的MC型碳化物(Ti,Nb,Hf)C,C、Ti被"绑定"在碳化物(Ti,Nb,Hf)C中,抑制了C、Ti向烧结颈处扩散,从而抑制了MC型碳化物在粉末颗粒边界上的析出。     

粉末高温合金FGH96中的原始粉末颗粒边界及其对合金拉伸断裂行为的影响

采用等离子电极旋转雾化法和热等静压法(hot isostatic press,HIP)分别制备FGH96粉末与合金,对原始及高温(1 150℃)预热处理后的FGH96粉末表面析出相以及HIPed FGH96合金的原始粉末颗粒边界(prior particleboundary,简称PPB)进行分析,进而研究PPB对合金室温和750℃拉伸断裂行为的影响。研究发现:原始粉末表面无明显析出相,1 150℃预热处理后粉末表面有块状MC和细小氧化物分布;热等静压法制备的FGH96合金及其热处理后,PPB析出相主要由颗粒和块状的金属碳化物MC及富Zr的氧化物颗粒组成;该合金经过固溶和时效处理后,颗粒状MC部分溶解而块状MC长大,PPB碳化物的尺寸分布由单峰分布转变为双峰分布;常温拉伸时微孔在PPB上形成并扩展,合金沿PPB断裂;750℃拉伸时,合金强度与塑性较常温下明显降低,部分M23C6在晶界析出,块状和颗粒状碳化物部分溶解,为M23C6提供碳源,合金断口呈现沿晶和沿PPB混合断裂的形貌。     

粉末粒度和氧含量对HIP态FGH96合金组织的影响

对氩气雾化法制备的高温合金FGH96粉末进行了热等静压(HIP)处理,分析了粉末粒度和氧含量对HIP态合金组织的影响,研究了FGH96合金组织中PPB的类型、相结构和形成机制。结果表明,氩气雾化FGH96粉末的氧含量较低,平均氧含量约为50×10-6,随着粉末粒度降低,颗粒比表面积增大,促进了粉末氧含量的升高;粉末经HIP处理后氧含量具有遗传特征,原始粉末氧含量越高,HIP态合金氧含量也越高,且平均氧含量增至83×10-6;粉末尺寸和氧含量对合金致密化行为无明显影响,HIP态合金密度约为8.33 g·cm-3。小尺寸粉末制备的HIP态合金原始颗粒边界主要析出ZrO2和MC碳化物,而大尺寸粉末制备的HIP态合金原始颗粒边界主要析出大尺寸花瓣状γ’相和少量MC碳化物。粉末粒度和氧含量影响PPB析出,小尺寸粉末因氧含量高经HIP处理时颗粒边界处存在更多、尺寸更大稳定的ZrO2,ZrO2成为MC碳化物析出形核的核心,促进了大量MC碳化物的析出。     

含Hf和Ta新型镍基高温合金粉末中碳化物相

对含Hf和Ta新型镍基高温合金FGH98Ⅰ等离子旋转电极(PREP)雾化原始和不同温度下预热处理粉末中的碳化物相进行了研究.结果表明:原始粉末中MC′型碳化物可分为两类,一类为富Ti、Ta和Nb,另一类为含Ta、Hf和Zr.两类碳化物均含有一定量非碳化物形成元素Co和Ni及中等强碳化物形成元素Cr和Mo,并以块状、粒状分布于枝晶或胞晶间;随着预热处理温度升高,粉末中富Ti、Ta和Nb的MC′型碳化物转变为MC型碳化物,且其所含Ti、Ta和Nb的总量增大;含Ta、Hf和Zr的MC′型碳化物发生分解和转变,析出稳定的M23C6、M6C和MC型碳化物,M23C6碳化物的析出和溶解温度为950℃和1150℃,M23C6和M6C碳化物共存温度为1000～1100℃.另外,粉末中微量元素Hf和Ta主要以碳化物和γ′相参与碳化物反应.     

高温氧化对FGH96高温合金粉末表面状态的影响

通过模拟FGH96高温合金粉末在热等静压固结阶段的高温加热过程，利用多种表面分析方法，研究高温氧化对粉末表面状态的影响。结果表明，近热等静压加热温度条件下的高温氧化过程显著改变了FGH96高温合金粉末的表面形貌、表面元素分布和析出相组成。随加热温度的升高和保温时间的延长，胞状晶为主、树枝晶为辅的表面凝固组织被氧化物/碳化物层所覆盖，高温氧化过程促进粉末基体内部的Ni、Ti、Zr、Nb、Al和C原子逐渐扩散到粉末表面，粉末表面预先存在的氧化物（ZrO2）为MC型碳化物（(Ti, Nb)C）的形核提供了结构条件。控制粉末表面氧化物的形成可以有效限制合金中形成原始颗粒边界缺陷。     

碳含量对热等静压FGH4169合金原始颗粒边界与力学性能的影响

用3种不同碳含量的GH4169合金粉末为原料,采用粉末热等静压+热处理工艺制备碳含量(质量分数,下同)分别为0.026%,0.045%和0.078%的FGH4169合金,研究碳含量对FGH4169合金PPB(prior particle boundary,原始颗粒边界)和力学性能的影响。结果表明,随碳含量从0.026%增加到0.078%,FGH4169合金析出碳化物增多,超过0.078%后,形成PPB;FGH4169合金中碳化物主要为富Ti和Nb的MC型碳化物,但碳含量对合金中碳化物的种类及形貌没有明显影响;在一定碳含量范围内,随碳含量增加,FGH4169合金基体上析出的γ'相数量减少,且碳化物越来越趋向于在原始颗粒边界聚集,导致合金的室温和650℃高温强度和塑性逐渐减小。     

FGH95粉末高温合金原始颗粒边界及其对性能的影响

本文针对FGH95合金中原始颗粒边界的组成及其对合金冲击韧性、拉伸性能和持久性能的影响进行了研究。研究结果表明:其原始颗粒边界的组成与粉末的氧含量有很密切的关系。当氧的含量低于40×10-6时,原始颗粒边界主要由大尺寸γ′组成,这种原始颗粒边界不会对合金的力学性能产生影响;当氧的含量大于70×10-6时,原始颗粒边界主要由MC型碳化物组成,这种原始颗粒边界将对合金的力学性能产生不利影响。     

热变形对FGH96高温合金原始颗粒边界的影响

通过Gleeble-1500热模拟试验机对热等静压成形FGH96高温合金进行热压缩试验,其中温度为1075℃,变形速率为0.001 s-1,变形量为70%。利用场发射扫描电镜、透射电镜和电子能谱研究了合金原始颗粒边界（prior particle boundary,PPB）的组成,讨论了原始颗粒边界在FGH96高温合金再结晶过程中的作用,并分析了合金热变形对原始颗粒边界的影响。结果表明:热等静压成形FGH96高温合金中的原始颗粒边界主要由Ti的碳化物和γˊ相共同组成;原始颗粒边界对合金热变形再结晶形核起促进作用,对晶粒长大起阻碍作用;合金热变形可以改善原始颗粒边界在组织中的分布,从而使晶粒长大过程顺利进行。     

粉末高温合金中原始粉末颗粒边界研究进展

原始粉末颗粒边界(prior particle boundary,PPB)是粉末高温合金(powder metallurgy superalloy,P/M superalloy)中常见的缺陷之一,它是在制粉期间以及热等静压或热挤压前期的加热过程中,在原始粉末表面处析出的一层细小且连续的第二相网膜;这层析出物可能会阻碍粉末颗粒间的扩散与连接,成为了合金中的薄弱界面,严重破坏合金组织,危害其拉伸、冲击等各项力学性能。本文着重介绍了目前针对粉末高温合金中原始粉末颗粒边界的研究进展,重点概述了影响原始粉末颗粒边界的形成因素及消除措施。     

含Hf镍基粉末高温合金快速凝固粉末颗粒特性

采用扫描电镜、透射电镜及其附带的能谱仪和碳复型萃取技术等多种手段研究了不同Hf含量的FGH96合金粉末颗粒显微组织、枝晶间合金元素偏析和析出相.发现Hf含量可以改变粉末颗粒内部树枝晶、胞状长大晶和微晶凝固组织的比例,粉末的快速凝固组织形态主要取决于冷却速率和固液界面前沿温度梯度与长大速度的比值.不同Hf含量的FGH96合金粉末颗粒中,Nb、Ti、Zr和Al均富集于枝晶间,Co、Cr、W和Ni均富集于枝晶轴.当Hf质量分数为0.3%时,Ti、Nb、Zr、Hf等强碳化物形成元素的枝晶偏析程度最小.在快速凝固粉末颗粒中,Hf对氧含量比碳含量更敏感,优先形成更稳定的氧化物HfO₂.      

C元素对FGH96粉末高温合金显微组织和力学性能的影响

对C质量分数分别为0.05%和0.09%的FGH96合金进行了显微组织和力学性能的分析。结果发现:C元素含量较高时,除了碳化物数量明显增多外,还会在晶界处形成较大尺寸的块状MC碳化物;但是,C元素含量并未对原始颗粒边界(prior particle boundary,PPB)、晶粒度及γ′相产生明显的影响。C元素含量较高会提高FGH96合金在650℃时的抗拉强度和屈服强度,但会降低其塑性。在低周疲劳试验中,C元素含量较高,形成的大块MC型碳化物分布于表面或亚表面,将会作为裂纹起源从而显著降低合金的低周疲劳性能。     

热等静压制备粉末高温合金原始颗粒边界研究现状

粉末高温合金作为先进高温材料被广泛应用于航空航天领域。热等静压（hot isostatic pressing,HIP）是粉末高温合金构件的制备方法之一，但是原始颗粒边界（prior particle boundaries,PPBs）的存在会极大的影响构件的性能。本文综述了热等静压制备粉末高温合金原始颗粒边界的研究现状，概述了原始颗粒边界的形成机理及其影响，总结了粉末高温合金中原始颗粒边界的消除方法，并对这些方法应用的可行性及有效性进行了分析和展望。原始颗粒边界的消除方法主要包括向粉末添加Hf、Nb等强碳化物形成元素，对粉末进行预热处理，真空动态脱气处理或等离子体滴凝处理；优化粉末制备工艺，选用纯度更高、尺寸分布更均匀的粉末；选用合适的热等静压工艺参数和工艺方式；对制件采取热挤压、退火、固溶处理和热等静压后处理等。     

粉末氧含量对热等静压FGH4169合金力学性能与组织的影响

以氧含量分别为60×10~(-6),145×10~(-6)和216×10~(-6)的GH4169预合金粉末为原料,采用粉末热等静压法制备成块体合金,然后进行热处理,研究粉末氧含量对FGH4169合金的室温和高温力学性能及组织的影响。结果表明,随原始粉末氧含量从60×10~(-6)增加到216×10~(-6),Al和Ti元素在粉末表面富集,并生成斑点状氧化物;粉末氧含量对FGH4169合金的致密度无明显影响,但可改变合金中碳化物的分布和形态。高氧含量的FGH4169合金中易形成原始颗粒边界(prior particle boundary,PPB),PPB中含有碳化物和氧化物。FGH4169合金在室温和高温下的塑性均随氧含量增加而降低,粉末氧含量为60×10~(-6)和145×10~(-6)时,FGH4169合金在室温和650℃下的强度和塑性都能达到变形GH4169合金的标准值。     

PREP法FGH95粉末的预热处理

研究了PREP法制备的FGH95粉末经不同温度预热处理后的粉末颗粒表面与内部显微组织的变化。试验结果表明:采用预热处理方法既可使粉末颗粒显微组织更加均匀化,又可使粉末颗粒中的亚稳碳化物MC'发生分解和转变,重新析出更稳定的MC、M₂₃C₆及M₆C碳化物,明显改变碳化物的稳定性和分布状态。     

镍基粉末高温合金枝晶间亚稳碳化物

对急冷凝固镍基高温合金松散粉末热等静压成型合金中亚稳碳化物及其相间反应进行了研究.随着热处理温度的升高,粉末中合金元素的分布逐渐均匀化,但枝晶间MC能在较高的温度下保持稳定,使Ti和Zr在该处仍有较高含量.原始粉末中枝晶间主要分布着块状和花状的MC型碳化物,在预热处理过程中粉末枝晶间块状碳化物分解,发生M₂₃C₆和M₆C的析出反应,而花状碳化物的成分及形貌则保持相对稳定.成型合金残余枝晶间分布的碳化物主要由块状M₆C和MC及花状MC组成,形变再结晶可以促进枝晶间碳化物的溶解.      

一种消除粉末高温合金中PPB的方法

采用等离子旋转电极工艺(PREP)制备的镍基高温合金粉末,经过1170℃热等静压(HIP)固结和热处理后,组织中存在原始颗粒边界(PPB).PPB上析出物主要由γ'相和少量NbC、TiC组成.采用高温固溶处理工艺,结果表明,经过1160℃,4h,空冷固溶处理,可以消除PPB,炉冷效果比空冷差.     

Hf和Zr对FGH96合金PPB及力学性能的作用研究

采用PREP(等离子旋转电极法)制粉+HIP(热等静压)成形工艺制备FGH96合金,研究了w(Hf)+w(Zr)分别为0.0 +0.04％、0.3％+0.04％、0.6％+0.04％和0.3％+0.06％时合金的显微组织,以及室温和800℃冲击性能,室温、650℃和750℃拉伸性能,650℃/970MPa持久性能.结果表明:FGH96合金的PPB未形成连续的网膜结构,对合金性能危害较小；适量的Hf可消除PPB组织,改善合金的高温性能,尤其能显著提高持久寿命和塑性,消除缺口敏感性；含Hf时,过量的Zr促使氧化物在粉末边界连续析出,严重降低合金持久性能.FGH96合金中,Hf、Zr的最佳含量为0.6％、0.04％.     

C和Hf对FGH97粉末冶金高温合金热力学平衡相析出的影响

借助Therrno-Calc热力学计算软件及相应的镍基高温合金数据库,对不同C和Hf含量的粉末冶金高温合金FGH97进行了热力学计算,并结合了相应的显微组织观察.研究表明,C和Hf的改变会影响合金热力学平衡相的析出,其中影响最为显著的是碳化物相,其次为γ'相.本文为今后优化FGH97合金成分,提高合金性能提供了一定的理论依据.     

镍基铸造高温合金中元素对一次碳化物MC的组成及其形态的影响

一次碳化物MC是镍基铸造高温合金的主要析出相之一。本文通过电子探针和金相分析方法探讨了合金元素对合金中MC的组成和形态的影响。MC的组成和形态主要决定于合金中的Nb/Ti比值,合金中的Nb/Ti值高,MC中的Nb/Ti值也随着升高,由富Ti的MC向着富Nb的MC转变,MC的形态也跟着由块状向着片状和骨架状转变。合金中加入～1％Hf、Zr或V,能改变MC的组成,置换其中的一部分Ti,并使MC由骨架状转变成块状。C_o和B对MC形态有影响,含0.15～0.20％B和16％C_o的合金,其MC富Nb但呈块状。碳量增加,MC急剧地由块状转变成片状和骨架状。根据碳化物生成自由能的大小和元素的枝晶偏析倾向,合金元素的碳化物生成次序为Zr、Hf、Nb、Ta、Ti和V.元素促使MC呈块状析出的能力按如下次序排列:Mg、Zr、Hf、V、Ti、B、Co、Ca、Cr、W、Mo、Al、Nb、Ce、C。