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。     

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。     

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.      

消除粉末高温合金中原始颗粒边界机制北大核心

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TiC>NbC>TaC>ZrC>HfC。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。     

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。     

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。     

0Cr20Ni65Ti3AlNb合金平衡析出相热力学计算

利用JMatPro热力学计算软件,对0Cr20Ni65Ti3AlNb合金的平衡析出相和非平衡凝固过程进行了模拟计算。结果表明：合金的主要平衡析出相有γ相、γ′相、MC和M₂₃C₆型碳化物相、η相,合金的非平衡凝固过程中Nb、Ti元素偏析比较严重,会降低合金的初、终熔点;Al含量对γ′相析出温度和析出量影响最大;C是MC和M₂₃C₆型碳化物相主要形成元素,对其析出温度和析出量起决定作用;η相的开始析出温度和析出量主要受Ti含量影响,过多的η相析出会影响合金的机械性能,因此,在成分设计过程中需合理控制合金的Ti含量。     

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.      

GH105合金元素含量对析出相的影响

采用Thermo-Calc及JMatPro软件,对GH105合金在600~1 600℃的相图进行计算,并对C,Cr,Co,Mo,Zr,Ti,Al以及微量B对GH105合金主要析出相MC,M_(23)C_6,M3B2,μ,σ和γ′的影响进行探究。结果表明:C的增加提高了M_(23)C_6和MC相的析出量和M_(23)C_6相的析出温度,降低了σ相的析出量和析出温度,同时μ相的析出温度明显下降;Cr的增加显著提高了σ相的析出量和析出温度;Co的增加提高了μ相和σ相的析出量和析出温度,降低了M_(23)C_6相的析出量和析出温度;Mo的增加显著提高了μ相和σ相的析出量和析出温度;Zr的增加提高了σ相的析出量和析出温度,提高了MC相的析出量,降低了M_(23)C_6相的析出量和析出温度;B的增加显著提高了M3B2相的析出量;Al,Ti和m(Al)∶m(Ti)的增加,提高了γ′相的析出量,其中Al和m(Al)∶m(Ti)相的增加还提高了γ′相的析出温度。     

IN100高温合金粉末在加热过程中的相转变和原始颗粒边界问题

本文对三种不同含碳量的IN100粉末高温合金进行了研究。指出氩气雾化粉末是“糊状凝固”的十多个枝晶构成的球体。粉末晶粒度和粒度在一定温度范围内存在指数关系。粉末枝晶间和表面存在凝固偏析。粉末在加热过程中存在 MC+γ→M_(23)C_6+γ′碳化物转变。加热过程促进了Ti、Cr,Mo,Al元素在晶界和表面的偏聚,这种偏聚和富Mo的一次MC相的溶解是造成PPB沉淀的主要原因。采用1100℃预热等静压抑制溶质元素表面偏析和富Mo一次MC相的溶解可以改善压件PPB的结构和性能。     

Ni基粉末冶金高温合金平衡析出相的热力学研究

为了对Ni基高温合金进行优化设计,采用热力学计算软件Jmatpro与相应的Ni基高温合金数据库,对3代粉末高温合金René95、René88DT和René104合金的平衡相析出行为进行了热力学计算与比较研究。结果表明:3种合金的平衡相种类基本相同,主要平衡相为γ、γ’、碳化物M23C6和MC以及硼化物M3B2,但析出量、析出温度及范围存在差别。René104合金有较高的γ’相析出温度和较多的γ’相析出量,而René88DT合金的γ’相析出温度最低,γ’相析出量最少;Ta的添加使Nb元素在γ’相中的含量随温度降低先增加后减少的变化规律变为随温度降低而一直减少;另外,对于碳化物而言,René95和René88DT合金中的碳化物析出规律基本一致,只是析出量和析出温度区间不同,而René104合金与它们存在一定差别。     

一种高Mo镍基高温合金碳化物析出及退化转变规律研究

试验研究了一种高Mo镍基高温合金在不同温度下晶界碳化物的析出情况。结果表明,在高于1 000℃保温处理1 h,晶界上析出颗粒状碳化物,主要为富Mo、Ti的M_6C型碳化物;当温度低于1 000℃时,晶界析出棉絮状碳化物,主要为富Cr、Mo的M_(23)C_6型碳化物。另外,试验结果表明,在一定温度下保温处理,MC碳化物会退化转变为M_6C,这主要与合金中Mo含量高有关。     

微合金高强度钢纳米级析出相的分析

用化学相分析加X-射线小角散射法对微合金高强度钢70A(％:0．05C,1．90Mn,0．01V,0．13Ti, 0．06Nb)和B2C(％:0．06C,2．34Mn,0．03V,0．03Ti,0．04Nb,0．0067B)的析出相结构、质量分数和粒度分布进行了研究。结果发现,微合金化钢亦存在大量纳米级M3C和M23C6碳化物,70A钢中<36 nm的M3C+M23C6碳化物质量分数为0．0664％,同尺寸的MC碳化物为0．0371％;B2C钢中<36 nm的M3C+M₂₃C₆碳化物的质量分数为0.134 1％,同尺寸的MC为0．008 4％。     

冷轧工作辊用半高速钢中碳化物的溶解和析出

采用X射线衍射分析、TEM组织观察和电子衍射分析,对新型半高速钢在加热和冷却及回火过程中碳化物的溶解和析出行为进行了研究。结果表明,退火状态下钢中含有MC、M6C和M7C3型碳化物;淬火加热时M6C和M7C3型碳化物全部溶解,回火过程中析出MC、M2C、M6C和M7C3型碳化物,当回火温度为520℃时出现硬度峰值,此时Mo2C的弥散强化起主要作用。     

M2高速钢大尺寸碳化物的形貌特征及析出机理

主要研究成品及锻造后M2高速钢碳化物种类和析出机理,为大尺寸碳化物控制提供理论依据。采用扫描电镜和能谱仪观测成品及锻造后M2高速钢中碳化物形貌、成分和分布;采用Thermo-Calc热力学软件计算M2高速钢的平衡析出相和Scheil凝固过程。结果表明,成品M2高速钢棒材中大尺寸碳化物网状分布包括MC、M6C、M2C碳化物及其复合碳化物;锻造后高速钢中出现带状碳化物和粗大碳化物堆积现象。平衡条件下,MC和M6C碳化物的析出温度分别为1 294和1 288℃,高于1 220℃奥氏体化温度;Scheil凝固时,MC、M6C和M2C碳化物依次析出。采用热处理及锻造难以消除M2高速钢中大尺寸碳化物,控制钢液凝固过程中碳化物的析出有重要意义。     

高速钢粉末真空高温处理时组织结构之变化

研究了水雾化M 2和M 4高速钢粉末在 7× 10 -2 Pa真空下加热后组织结构的变化。当粉末加热至固相线以下 15～ 2 0℃ ,即 12 2 0～ 12 2 5℃时 ,M6C及MC型碳化物都由 1～ 2 μm长大到 3～ 4 μm ;当粉末加热至固相线以上时 ,碳化物尤其是M6C型碳化物颗粒快速长大 ,并且有不均匀长大现象 ;当温度升至 12 5 0℃后 ,贫碳型的M4C3 转变为MC型碳化物 ,其中大部分Fe被V所取代 ;当进一步加热至 12 6 0℃以上时 ,M6C型碳化物将转变为M2 C碳化物。经真空脱氧后高速钢粉末的氧含量降低至 10 0× 10 -6以下。     

Inconel 690合金TT处理后的析出相

 用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和相分析研究了3种不同钛含量的Inconel 690合金经不同固溶温度+715 ℃×15 h,TT处理后的析出相。结果表明：合金经TT处理后,均有M23C6析出,并含有一定量的Ti(C,N);钛含量为110%的合金中有γ′相析出,γ′相在晶内弥散分布;M23C6大多在晶界上析出,而且在孪晶界和晶内位错线处也均有析出,M23C6与界面一侧基体保持立方 立方的平行位向关系;钛含量增加,析出的M23C6尺寸变小,间距增大,晶界附近的铬含量明显提高,有利于改善合金的耐腐蚀性能。     

含Hf涡轮叶片服役过程中的组织演化研究

采用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)对不同服役时间下的含Hf涡轮叶片典型部位的组织进行了观察与定量表征,采用能谱分析仪(EDS)对服役过程中的碳化物的成分变化进行了分析,并对不同服役时间叶片进行显微硬度测试,研究了含Hf涡轮叶片在服役过程中组织及性能的演化规律,并根据LSW理论对不同部位的服役温度进行了定量反推。结果表明:在高温高应力下,服役400,650 h的叶片均发生了明显的组织退化,作为主要强化相的γ'粒子由规则立方体形貌逐渐粗化长大为L,H型等较为复杂的粒子形态,其等效直径由0.53μm增大至0.64μm,粗化过程由Ostwald熟化机制与粒子聚集机制的共同控制;其中,叶身中部粗化现象最为严重,经反推,其服役温度可达1180K;碳化物由富Ti-Ta的MC(1)型转变为富Hf的MC(2)型,并析出少量M23C6型碳化物,Hf元素在一定程度上抑制了M6C及TCP相的析出;在晶内第二相与γ基体界面及筏排处出现少量蠕变空洞,即蠕变空洞在位错堆积前沿萌生;随着服役时间的延长,合金的显微硬度逐渐降低,发生明显软化。     

M2/FeV机械合金化及烧结过程中的碳化物形态转变

对水雾化M2高速钢粉和FeV合金粉末进行混合高能球磨,制备V含量(质量分数,下同)为8%的M2高速钢/Fe V合金化粉末,研究机械合金化过程中粉末形貌的变化与显微组织结构演化,并在球磨48 h的粉末配碳至目标碳含量(质量分数)2.2%,研究真空烧结过程中的碳化物形态转变。结果表明,随球磨时间延长,粉末颗粒细化速率逐渐降低,球磨28 h后粉末粒度趋于稳定,D_(50)为15μm左右。球磨过程中Fe V颗粒先嵌入到M2的基体相α-Fe中,然后固溶进入基体,V元素逐步均匀分散于基体相α-Fe和M_6C型碳化物中;M_6C发生细化并呈流线形分布,含量逐渐减少,MC颗粒有一定的细化但仍维持粒状形态,含量基本不变。烧结过程中合金元素先脱溶,析出大量粒状M_6C与MC型碳化物,随烧结温度升高,M_6C颗粒长大的同时含量减少,温度过高时M_6C呈针片状;1 180℃之前MC颗粒长大不明显,1 210℃时MC颗粒异常粗大并呈芯环结构。1 180℃下烧结可获得优良组织,其孔隙度为0.8%,M_6C与MC的平均尺寸分别约为1μm和0.3μm。     

Nb、Ti碳化物的溶解与析出对低C微合金钢组织和性能的影响

采用理论计算方法分析了Nb、Ti碳化物在低C微合金钢(%:0.09C、1.42Mn、0.035Nb、0.012Ti)奥氏体中的溶解与析出,测试了不同加热温度下奥氏体晶粒尺寸以及固溶-时效后实验钢的硬度。结果表明,Nb、Ti碳化物在1060℃全部溶解,800℃时效时,奥氏体中的Nb、Ti基本以NbC、TiC形式析出。700℃时效时,Nb、Ti碳化物在铁素体内析出,随温度降低,碳化物析出减慢。600℃时效,钢的硬度达到最大值。