中间处理对粉末高温合金FGH4095组织性能的影响

西南交通大学学报

JOUＲNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVEＲSITY

DOI：10．3969/j．issn．0258-2724．2012．06．027

Vol．47No．6Dec．2012

2724（2012）06-1081-05文章编号：0258-

中间处理对粉末高温合金FGH4095组织性能的影响

徐

摘

轶，魏宽，舒琴

（西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

要：为了研究热处理制度对粉末高温合金FGH4095组织强化相γ'形态分布特征的影响，采用氩气雾化制

备FGH4095高温合金粉末，经筛分、除夹杂处理后，热等静压烧结成形，对比研究不同的热处理条件下，FGH4095合金组织γ'相的大小、形貌及分布，测试了室温20℃和高温650℃下合金的拉伸性能，并对650℃高温下拉伸断口进行了比较分析．结果表明：中间热处理能够改善γ'相的形状及分布；经中间处理，材料高温拉伸性能明显提高，屈服强度从1150MPa提高到1210MPa，拉伸强度从1230MPa提高到1460MPa；中等尺寸γ'相数量增加，晶界得到优化，合金高温塑性得到提高．

关键词：FGH4095高温合金；氩气雾化；中间处理；微观组织；性能中图分类号：TE125．21

文献标志码：A

EffectofIntermediateHeatTreatmentonMicrostructureand

PropertiesofFGH4095Superalloy

XUYi，WEIKuan，SHUQin

（SchoolofMaterialsScience＆Engineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，China）

Abstract：Inordertostudytheeffectofheattreatmentonthedistributioncharacteristicsofγ'strengtheningphaseinpowdermetallurgysuperalloyFGH4095，theFGH4095superalloypowderswerepreparedbyargongasatomization．Afterpowderscreeningandinclusionremoval，compactswereformedbyhotisostaticpressing（HIP）sintering．Thenthesize，morphology，anddistributionoftheγ'strengtheningphaseswereanalyzedforthesuperalloyspecimenssubjectedtodifferentheattreatments；thetensilepropertiesat20℃and650℃weretested；andtheinstantfracturemicrostructuresat650℃werecompared．Theresultsshowthatintermediateheattreatmentprocessescouldimprovethedistributionandshapeoftheγ'phase．Aftertheintermediateheattreatment，thehigh-temperature

（650℃）tensileperformancesimprovedobviously：theyieldstrengthσ0．2increasedfrom1150to1210MPa，andthetensilestrengthσbincreasedfrom1230to1460MPa．Theintermediateheattreatmentincreasedthetotalnumberofthemiddleγ'phase，optimizedgrainboundaries，andimprovedthehightemperatureplasticpropertyofthealloy．

Keywords：FGH4095superalloy；argongasatomization；intermediatetreatment；microstructure；propertyFGH4095合金使用温度在650℃左右，是一种沉淀强化型镍基高温合金，主要用于制造高温部件，例如：气压机盘件，涡轮轴件等

［1-5］

晶粒细化、无宏观偏析的组织备方法

［11-13］

［9-10］

，目前常规的制

是采用氩气雾化法（AA粉）或等离子

，最为重要的．为了得到

应用领域是制造航空发动机涡轮盘

［6-8］

旋转电极法（PＲEP粉）制备高温合金粉末，再经过

热等静压、等温锻造及热处理等后续处理，最终机

04-28收稿日期：2011-基金项目：国家自然科学基金资助项目（50974016）

E-mail：xybwbj@home．swjtu．edu．cn博士研究生，研究方向为喷射成形、粉末冶金高合金制备技术，男，讲师，作者简介：徐轶（1980－），

西南交通大学学报第47卷

械加工成工件．本文采用氩气雾化法制备FGH4095高温合金粉末，经过真空筛分、脱气后，经热等静压压制成形，并对FGH4095高温合金进行不同的热处理，比较不同热处理条件对晶粒尺寸及γ'相形貌特征的影响，测试合金的拉伸性能，并对断口组织进行扫描电子显微镜（SEM）形貌观察，研究中间处理对FGH4095高温合金组织中γ'相和碳化物的影响，探讨合金拉伸性能及断裂特征．

末成分见表1．经筛分和脱气处理后，在温度1100℃、

压力136MPa、时间4h的条件下，热等静压成形．热等静压后FGH4095高温合金经过热处理工艺参数如下：ST1，固溶处理1140℃，1h炉冷+1h+650℃，24h空冷；ST2，时效处理870℃，固溶处理1140℃，1h炉冷+中间处理1060℃，4h炉冷；ST3，1h炉冷+中间固溶处理1140℃，

4h炉冷+时效处理870℃，1h+处理1060℃，

650℃，24h空冷，以便比较分析中间处理对于

FGH4095高温合金组织和性能的影响．

将热处理后的FGH4095高温合金用线切割加工成横截面直径5mm、加工台阶长度38mm的拉

wB/%

B0．007

O0．99×10－4

Ni余量

1实验方法

采用FGH4095高温合金母合金棒坯，在氩气

雾化制粉设备上制备高温合金粉末，制备的合金粉

表1FGH4095高温合金粉末的化学成分

Tab．1ChemicalcompositionofFGH4095superalloypowder

Cr12．270

W3．450

Co8．580

Mo3．650

Nb3．500

Al3．560

Fe0．450

C0．033

伸样品，分别将不同热处理工艺试样置于ＲDW5050电子式蠕变持久试验机进行拉伸测试．将热处理后试样进行研磨及抛光，采用10gCuSO4+50mLHCl+50mLH2O腐蚀液进行腐蚀后，在扫描电子显微镜（SEM）下进行组织形貌观察，同时对拉伸断裂的FGH4095高温合金样品进行断口形貌观察，根据合金的组织结构和微观变形特征，分析不同热处理制度对合金拉伸性能产生的影响．

布着白色析出物，对其进行能谱（EDS）分析可知，

Cr、Al、Ti等合金元素外，除Ni、含有较高O及少量C，表明晶界处分布着氧化物及少量碳化物，由于设备雾化室内极限真空度限制，雾化过程中合金粉末颗粒表面吸附微量氧，经热等静压成形时，在较Al、C等合金化元素反高温度下，氧与合金中的Ti、

［14-15］

；此外，应，形成碳氧化合物热等静压温度为1100℃时，碳化物、γ'相未能充分均匀化和回溶，也是导致原始颗粒边界形成的原因之一．

2．2热处理对组织形貌的影响

经1140℃固溶处理1h，FGH4095高温合金组织形貌如图2所示．由图2可知，合金组织中存在着原始颗粒边界，通过固溶处理虽然能够促使碳化物、γ'相均匀化和回溶，但是很难完全消除．固

2

2．1

实验结果与分析

热等静压态组织形貌分析

FGH4095高温合金光学显微组织如图1所示．

由图1（a）可知，合金基体中原始颗粒边界清晰可见，图中箭头所指为合金组织晶界，晶界处分

（a）局部原始颗粒边界（b）颗粒边界EDS分析

图1FGH4095高温合金光学显微组织

Fig．1MicrostructureofFGH4095superalloy

溶处理后晶界上及晶内有大量γ'相析出，在晶界上分布的γ'相颗粒较大，且分布不均匀，如图2（b）中箭头标注所示．晶粒内析出了一些较小的不规则

γ'相，其中部分为方形γ'相（0．3～0．4μm），部分

第6期徐轶等:中间处理对粉末高温合金FGH4095组织性能的影响

为花形γ'相（0．4～0．8μm）．

（a）低倍全貌（b）晶内γ'相

图2合金经固溶处理后的组织形貌

Fig．2Alloymicrostructureaftersolutiontreatment

合金经热处理的扫描电镜照片如图3所示．由图3（a）可知，晶粒被平均尺寸1．5μm左右的块状γ'相包围，这些大的γ'颗粒几乎以连续的方式，密集地分布在晶界上，是合金在固溶处理过程中，在基体上部分析出或未完全溶解的γ'相．

由图3（d）可知，晶内弥散分布着中等尺寸的γ'相，γ'相形状不规则，与固溶处理后缓冷析出的γ'相形状基本一致．由于固溶处理冷却过程速度较低，晶内析出γ'相较多，经过时效处理后，晶内析

出的γ'相细小，形成的二次γ'相呈圆形颗粒，弥散

分布于基体中，平均尺寸为30～50nm．（e）可知，由图3（b）、与ST1组织相比，晶界处γ'相数量减少，晶内γ'相尺寸增大，晶内析出大量0．5～0．8μm的方块状γ'相，中间处理能够改善合金组织中γ'相的形状及分布．因为中间处理Ti的溶解度，Al、Ti溶于基体，能够提高Al、减少了

晶界上块状γ'相数量，晶内则析出较大尺寸的γ'相．

（a）ST1处理的γ'相（b）ST2处理的γ'相（c）ST3处理的γ'相

（d）ST1处理的γ'相（e）ST2处理的γ'相

图3合金经热处理的扫描电镜照片

Fig．3SEMimageafteralloyheattreatment

（f）ST3处理的γ'相

由图3（c）可知，晶内γ'相呈方块状，尺寸比ST1试样大，与ST2试样的尺寸和形状基本相同．晶内形状规则的γ'相具有良好的形变协调性，不易发生应力集中，能够降低裂纹萌生的几率，有利

于提高合金塑性．

如图3（f）所示，经过时效处理在晶内析出大量100nm左右的细小γ'相，由于经过中间处理后Al、Ti等元素溶于基体内，致使基体γ'相形成元素

西南交通大学学报第47卷

的过饱和度增大，导致时效时析出的小γ'相数量增加．大量细小的γ'相弥散分布，可有效阻碍位错运动，提高合金的蠕变抗力．2．3断口特征

图4（a）为650℃，经ST1处理合金拉伸断裂断口形貌．可以看出，其断裂表面较平滑，由于未经过中间处理，块状γ'相、颗粒状碳化物以及部分氧

化物几乎以连续的方式分布在晶界处，根据EDS

Al2O3、WC分析发现，碳化物、氧化物可能以TiO、为主，由于该类碳化物、氧化物均较硬且较脆，在应

力应变过程中，裂纹容易在碳化物、氧化物颗粒与基体连接处萌生，并沿界面扩展；而晶界处的块状γ'相也是造成应力集中、裂纹萌生的原因．裂纹扩展到一定阶段，发生完全断裂，形成光滑断裂面．

（a）低倍SEM（b）高倍SEM图4ST1合金断口

Fig．4FractographofST1

（c）EDS分析

经过ST3处理合金失效表现出少量沿晶粒萌生的裂纹．中间处理优化了γ'相的形状及分布，在晶内形成形状规则的γ'相，在晶界处形成贫γ'区，降低了发生应力集中的概率，延缓裂纹产生，有利于提高合金塑性．如图5（a）中箭头1所示，当应力

集中值大于合金晶界强度时，裂纹优先在晶界处萌

生；随着拉伸进行，晶界处再次产生应力集中，裂纹沿晶界发生扩展，如图5（a）中箭头2所示．图5（b）可以看出，断裂面变形较为严重，撕裂棱突出，韧窝断裂为该断口主要微观断裂特征．

（a）裂纹萌生及扩展

图5

ST3合金断口扫描电镜照片

Fig．5FractographofST3

（b）韧窝

2．4

不同热处理条件下的力学性能

ST3，采用热处理工艺ST1、在室温（20℃）和高温（650℃）条件，分别测试FGH4095高温合金

的拉伸性能，其结果见表2．

表2FGH4095高温合金拉伸性能

Tab．2TensilepropertiesofFGH4095superalloy

热处理过程ST1ST3

20℃

屈服强度σ0．2/MPa12321300

拉伸强度σb/MPa15201538

延伸率δ/%1412

断面收缩率ψ/%1310

屈服强度σ0．2/MPa11501210

650℃拉伸强度σb/MPa12301460

延伸率δ/%4．58．8

断面收缩率ψ/%1015

第6期徐轶等:中间处理对粉末高温合金FGH4095组织性能的影响

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(中文编辑:秦

瑜

英文编辑:兰俊思)

由表2可以看出，不同热处理工艺下室温拉伸

性能相差不大，高温塑性相差明显．经过中间处理有助于提高合金的高温塑性，这与前面的分析结果一致．

3结论

（1）中间处理有利于改善合金组织中γ'相的形状及分布，提高了合金的力学性能；（2）通过中间处理，晶界上出现贫γ'区，适当宽度的贫γ'区有一定塑性，在高温应力作用下能发生松弛，解除应力集中，延缓裂纹产生，提高持久寿命；

（3）通过中间处理，晶内形成形状规则的γ'相，形状规则的γ'相具有良好的形变协调性，不易发生应力集中，降低裂纹萌生的几率，有利于提高合金塑性．

致谢：西南交通大学青年教师百人计划项目资助．参考文献：

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