文章信息
- 王旭青, 彭子超, 罗学军, 马国君, 武丹
- WANG Xu-qing, PENG Zi-chao, LUO Xue-jun, MA Guo-jun, WU Dan
- 时效制度对挤压+锻造工艺路线FGH95粉末高温合金组织和性能的影响
- Effect of aging treatment on microstructure and properties of HEX+HIF FGH95 superalloys
- 材料工程, 2020, 48(5): 120-126
- Journal of Materials Engineering, 2020, 48(5): 120-126.
- http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000407
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文章历史
- 收稿日期: 2018-02-22
- 修订日期: 2020-02-04
FGH95粉末高温合金是一种高温高强型镍基高温合金,其γ′相含量达到45%~55%,屈服强度比GH4169合金提高约30%,是目前650 ℃使用温度下强度最高的合金[1-2]。目前,国内氩气雾化(argon atomization,AA)工艺的FGH95合金的成型方式主要是直接热等静压成型,该成型方式具有近净尺寸成型的优点,可以减少制件制造周期和成本。但是,直接热等静压成型后,由于变形量不足而无法使合金组织完全再结晶[3-4]。
随着航空发动机性能的提高,对涡轮盘材料提出了更高的要求,在满足高温强度的同时,又要保证合金具有良好的塑性。氩气雾化制粉(AA)+热等静压(HIP)+热挤压(HEX)+等温锻造(HIF)工艺可以通过大变形量实现合金的完全再结晶,使合金组织细小均匀,提高合金塑性;同时有效破碎合金原始颗粒边界[5-6]。
FGH95合金的热处理工艺主要包括固溶和时效处理,而时效处理的目的是使γ′相充分析出,并调整γ′相尺寸匹配,消除一定的淬火热应力[7]。现有的时效工艺主要包括双级时效(一级时效:870 ℃/1 h,AC;二级时效:650 ℃/24 h,AC)和单级时效(760 ℃/10 h,AC)两种方式,不同的时效方式,可使合金获得不同的组织和性能[8-9]。贾成厂等[10]研究了不同热加工工艺和热处理制度下氩气雾化FGH95合金的组织和性能变化规律;邹金文等[11]研究了热处理对氩气雾化粉末的FGH95合金组织的影响。但是,以上研究均是针对直接热等静压工艺路线成形的FGH95合金开展的,而针对HEX+ HIF工艺路线成形的FGH95合金的研究鲜见报道。
本工作主要研究了时效处理(单级时效和双级时效)对HEX+ HIF工艺FGH95合金组织和性能的影响,探索其影响机理,为选择合理的HEX+ HIF工艺FGH95合金的时效制度提供参考。
1 实验材料与方法本研究采用的FGH95合金经过了母合金熔炼(VIM)+氩气雾化制粉(AA)+热等静压成型(HIP)+热挤压(HEX)+等温锻造(HIF)等工艺制备而成。取相同规格的FGH95合金锻坯,按照相同的固溶处理工艺进行热处理,然后分别采用双级时效(一级时效:870 ℃/1 h,AC;二级时效:650 ℃/24 h,AC)和单级时效(760 ℃/16 h,AC)进行处理。从时效处理后的盘件上取样进行650 ℃拉伸性能和持久性能测试,持久性能测试条件为650 ℃/1034 MPa。
通过扫描电子显微镜(SEM)对合金的显微组织进行分析,通过透射电子显微镜(TEM)对持久实验后合金中的位错形态进行观察;通过电解法分离出合金中的析出相,采用X射线衍射法进行析出相鉴定;采用ICP-AES法定量测定各组成元素;采用X射线小角散射法测定提取的晶内γ′相粒度分布[12];采用图像处理方法测定晶界γ′相平均粒度和质量分数。
2 结果与分析 2.1 显微组织分析图 1是两种时效制度后FGH95合金的晶粒组织,从图中可以发现,两种时效制度的FGH95合金的晶粒度基本相同,均为ASTM11级,说明两种时效制度对FGH95合金的晶粒组织影响不大。同时,相比于直接热等静压工艺路线成形的FGH95合金,变形工艺路线成形的FGH95合金晶粒组织更加均匀细小,再结晶完全[6]。从图 1中还可以发现,经过两种时效制度后的FGH95合金中的一次γ′相(晶间γ′相)的形貌和尺寸基本相同。
不同热处理状态的FGH95合金的γ′相形貌如图 2所示。从图 2可以发现,不同状态的合金的二次γ′相形貌、尺寸和数量差异不大,但是三次γ′相呈现出明显的差异性。图 2(b)是固溶态合金经过870 ℃/1 h时效后的组织状态,可以发现,经过870 ℃时效后,二次和三次γ′相的尺寸均有所增大,其中三次γ′相的长大效果更为明显。图 2(c)是经过870 ℃/1 h+650 ℃/24 h时效后的合金组织状态,可以发现,经过650 ℃时效后,合金中的二次γ′相的形貌尺寸变化不大,但是三次γ′相出现较大变化,原有的较大尺寸(10~60 nm)的三次γ′相数量减少,但是又有大量更为细小的γ′相(10 nm以下)补充析出(图 2(c)箭头处)。图 2(d)是固溶态合金经过760 ℃/10 h时效后的组织状态,可以发现,经过760 ℃时效后,二次和三次γ′相的尺寸均有所增大,其中三次γ′相的长大效果更为明显。
2.2 析出相分析通过电解法分离出两种时效制度合金中的析出相,采用X射线衍射法进行析出相鉴定,并采用ICP-AES法定量测定各组成元素,测试结果见表 1。FGH95合金经过不同的时效制度后,γ′相和晶界强化相((Nb, Ti)C,ZrO2,M3B2)质量分数有所不同。固溶态合金经过870 ℃/1 h时效后,γ′相和晶间强化相的质量分数相较于固溶态合金分别提高了28.4%和15.1%;再经过650 ℃/24 h时效后,γ′相和晶间强化相的质量分数又分别提高了5.4%和6.6%。综上所述,采用双级时效处理的合金,其γ′相和晶间强化相的质量分数相较于固溶态合金分别提高了35.3%和22.6%;而采用单级时效处理的合金,其γ′相和晶间强化相的质量分数相较于固溶态合金分别提高了32.5%和1.7%。
Heat treatment | Mass fraction of γ′/% | Mass fraction of (Nb, Ti)C+ZrO2+M3B2/% |
Solid solution | 34.222 | 0.411 |
Solid solution+870 ℃/1 h | 43.947 | 0.473 |
Solid solution+870 ℃/1 h+650 ℃/24 h | 46.315 | 0.504 |
Solid solution+760 ℃/1 h | 45.338 | 0.418 |
表 2是晶间强化相((Nb, Ti)C,ZrO2,M3B2)中各元素占合金的质量分数。从表 2中可以看出,4种状态的Zr元素的含量基本相同,即ZrO2含量相同,说明ZrO2是在合金固溶过程中形成的,时效不会补充析出ZrO2。从表 2中还可以看出,固溶态和固溶+760 ℃/10 h两种状态的合金的晶间相中未检测出B元素,而经过870 ℃/1 h时效和870 ℃/1 h+650 ℃/ 24 h时效的合金晶间相中B元素的含量均为0.004%,说明M3B2主要在870 ℃/1 h时效过程中析出。同时,含有B元素的两种状态的合金中,Mo,W,Fe,Cr和Ni等元素的含量明显高于其他两种状态的合金,说明这些元素是M3B2的主要形成元素。
Heat treatment | Nb | Mo | W | Ti | Fe | Co | Cr | Ni | Zr | B |
Solid solution | 0.282 | 0.010 | 0.009 | 0.079 | 0.003 | 0.001 | 0.003 | 0.003 | 0.021 | - |
Solid solution+870 ℃/1 h | 0.283 | 0.033 | 0.024 | 0.079 | 0.005 | 0.001 | 0.020 | 0.004 | 0.020 | 0.004 |
Solid solution+870 ℃/1 h+650 ℃/24 h | 0.296 | 0.035 | 0.025 | 0.083 | 0.006 | 0.001 | 0.026 | 0.007 | 0.021 | 0.004 |
Solid solution+760 ℃/1 h | 0.287 | 0.011 | 0.009 | 0.080 | 0.003 | 0.001 | 0.004 | 0.002 | 0.021 | - |
采用X射线小角散射法测定萃取的γ′相粒度分布,但是X射线小角散射法仅能测定尺寸小于300 nm的γ′相(二次γ′相+三次γ′相,统称晶内γ′相)。晶内γ′相粒度统计见表 3和图 3。
Size interval/nm | Mass fraction/% | Type of γ′ | |||
Solid solution | Solid solution+ 870 ℃/1 h |
Solid solution+870 ℃/ 1 h+650 ℃/24 h |
Solid solution+ 760 ℃/1 h |
||
1-5 | 4.1 | 0.1 | 1.3 | 0.0 | Tertiary γ′ |
5-10 | 4.6 | 0.1 | 0.5 | 0.4 | |
10-18 | 6.7 | 1.3 | 1.7 | 10.7 | |
18-36 | 10.5 | 12.7 | 12.5 | 23.6 | |
36-60 | 15.1 | 19.8 | 20.1 | 11.4 | |
60-96 | 25.4 | 29.6 | 27.7 | 19.1 | Secondary γ′ |
96-140 | 18.9 | 22.2 | 21.9 | 15.2 | |
140-200 | 9.5 | 13.2 | 14.2 | 10.1 | |
200-300 | 5.2 | 1.0 | 0.1 | 9.4 | |
Mean diameter | 72.8 | 79.5 | 78.1 | 67.0 | Secondary γ′ and tertiary γ′ |
从图 3(a)可以看出,固溶态合金经过870 ℃/1 h时效处理后,晶内各个尺寸的γ′相均明显长大,平均直径由72.8 nm增长到79.5 nm;再经过650 ℃/24 h时效后,γ′相平均直径略有降低。结合不同尺寸γ′相粒度分布和γ′相总量变化,可以认为870 ℃/1 h时效既可以补充析出γ′相,又可以有效促进γ′相的长大;而650 ℃/24 h时效仅可以补充析出细小的γ′相,无法促进γ′相长大,这也是γ′相平均直径略有降低的原因。
从图 3(b)中可以发现,固溶态合金经过760 ℃/10 h时效处理后,γ′相分布由单峰分布变为双峰分布。同时,γ′相平均直径由72.8 nm减小至67.0 nm。这主要是因为760 ℃/10 h时效会补充析出大量的三次γ′相,且对γ′相长大的促进作用有限,因此导致平均直径降低。
综上所述,双级时效合金与单级时效合金对γ′相的影响存在显著差异,两种时效制度均可以补充析出γ′相,并促进γ′相粗化。但是,双级时效促进γ′相粗化和补充析出γ′相的效果均优于单级时效。
对于晶界γ′相,使用Image J图像处理软件对SEM照片进行处理,并对晶界γ′相进行统计分析,并以面积分数代替质量分数[13]。通过该方法,计算得到了晶界γ′相粒度统计,如表 4所示。从表 4可以发现,两种时效制度合金的晶界γ′相的粒度和含量基本一致,说明时效不会改变晶界γ′相。
Heat treatment | Average size/nm | Mass fraction/% |
Single-step aging | 840.3 | 14.31 |
Double-step aging | 848.6 | 14.14 |
从两种时效制度盘件上取样,分别进行了650 ℃拉伸性能测试和持久性能测试,持久性能测试条件为650 ℃/1034 MPa,测试结果见图 4和图 5。图 4是两种时效制度合金的650 ℃拉伸性能对比,从图中可以看出,两种时效制度合金的拉伸强度水平相当,不论是屈服强度,还是抗拉强度,两者均处于相同水平。图 5是两种时效制度合金的持久性能对比,从图中可以发现,经过双级时效的FGH95合金的持久寿命小于单级时效的持久寿命,但是其持久塑性明显优于单级时效。
2.4 实验结果讨论镍基粉末高温合金是一种析出相强化合金,因此影响合金力学性能的主要因素为晶粒度和γ′相形貌。如上所述,由于时效温度较低,对FGH95合金的晶粒度影响极小,双级时效合金与单级时效合金的晶粒度均为ASTM11级,因此造成性能差异的主要因素为γ′相差异。对于高温合金,可以用式(1)估算其屈服强度M:
(1) |
式中:
位错通过切过机制和绕过机制克服晶界γ′相的阻碍作用,其临界应力分别为τcritical-inner和τOrowan。FGH95合金中所有尺寸γ′相对位错阻碍的临界剪切应力τcritical可由式(2)计算得到:
(2) |
将γ′相尺寸统计数据分别代入τcritical[13]和τOrowan[18]的计算式中,计算出τcritical-inner和τOrowan的数值,再代入式(2)中,即可以计算得到两种时效制度的FGH95合金的临界剪切应力,计算结果见表 5所示。计算结果显示单级时效合金中γ′相对位错的阻碍作用更强,说明单级时效合金具有更好的强化效果。
Heat treatment | τcritical-inner/MPa | τOrowan /MPa | τcritical/MPa |
Single-step aging | 363.60 | 9.89 | 363.73 |
Double-step aging | 267.25 | 9.91 | 267.43 |
对于γ′相强化合金,在高温高应力下进行蠕变变形,其变形速率与外加轴向应力σ存在如下经验关系[19]:
(3) |
式中:A为常数;θ和φ是轴向拉伸方向与滑移面和滑移方向间的夹角;n为指数。同时,变形速率
(4) |
式中:C为常数。将式(3)代入式(4)中,即可得到:
(5) |
因此,在相同温度和相同应力σ条件下进行持久实验,临界剪切应力τcritical大的合金,其断裂时间较长,即单级时效合金的持久断裂时间大于双级时效合金。
3 结论(1) 时效制度对合金的晶粒度以及晶界γ′相无明显影响。采用挤压+等温锻造成型的FGH95合金再结晶完全,晶粒组织均匀细小,晶粒度可以达到ASTM11级。
(2) 时效制度对合金内部的析出相总量及结构无显著影响。但是,相比于单级时效,双级时效更利于晶内γ′相的补充析出和粗化。同时,M3B2主要是在870 ℃/1 h时效过程中析出的,因此单级时效不利于M3B2的析出。
(3) 时效制度对合金的拉伸强度没有明显影响,但对持久性能影响较大,双级时效合金的持久寿命低于单级时效合金,但是其持久塑性要优于单级时效合金。
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