超溫處理對熱等靜壓FGH96合金PPB及主要力學性能的影響

鐘燕，伏宇，田偉，李佳佳，鄭渠英，遲悅

(1.中國燃氣渦輪研究院，成都610500；2.沈陽黎明發動機(集團)有限責任公司，沈陽110043；3.北京鋼鐵研究總院高溫材料研究所，北京100081)

超溫處理對熱等靜壓FGH96合金PPB及主要力學性能的影響

鐘燕1，伏宇1，田偉1，李佳佳1，鄭渠英2，遲悅3

(1.中國燃氣渦輪研究院，成都610500；2.沈陽黎明發動機(集團)有限責任公司，沈陽110043；3.北京鋼鐵研究總院高溫材料研究所，北京100081)

研究了超溫對熱等靜壓FGH96合金原始顆粒邊界(PPB)、拉伸性能及沖擊性能的影響，并分析了力學性能試樣的宏觀和微觀斷口特征。分析發現，超溫后FGH96合金中的PPB會有所增加，且隨著超溫溫度的提高，增加得更為明顯；相同超溫溫度下，超溫時間對PPB的影響不明顯。超溫后熱等靜壓FGH96合金的拉伸強度有所降低，而拉伸塑性和沖擊韌性略有提高，拉伸斷口和沖擊斷口沿PPB開裂的特征更加明顯。

航空發動機；粉末高溫合金；超溫；熱等靜壓FGH96合金；原始顆粒邊界；力學性能；斷口分析

1 引言

渦輪盤和擋板是航空發動機中的關鍵熱端轉動部件，其工作條件極其惡劣，承受著復雜的熱、機械載荷，對材料性能的要求非常高。粉末高溫合金是20世紀60年代誕生的高溫合金，由于其具有組織均勻、無宏觀偏析、屈服強度高和抗疲勞性能好等優點，很快成為先進航空發動機渦輪盤和擋板的首選材料[1-4]。FGH96合金是我國研發的第二代損傷容限型粉末高溫合金，與美國的René88DT合金相近。與第一代粉末高溫合金FGH95相比，FGH96合金的強度有所降低，但抗裂紋擴展能力明顯提高，最高使用溫度可達750℃[5-7]。

航空發動機在試驗和工作過程中，渦輪盤、擋板等零件難免出現突發性局部短時超溫，超溫后的零件溫度可達800℃，尤其是發生轉、靜子碰磨故障導致冷卻系統破壞后，零件的局部瞬時溫度甚至高達900℃。零件局部超溫會使材料遭受過熱或過燒損傷，導致其組織和性能發生變化[8-10]。因此，研究超溫對FGH96合金組織及性能的影響，掌握超溫后原始顆粒邊界(PPB)和主要力學性能的變化規律，了解超溫試樣的斷口特征，對渦輪轉子故障的定性分析和對超溫后渦輪盤及擋板使用安全性評估，都具有重要意義。

2 模擬超溫試驗方案

采用北京鋼鐵研究總院研制的熱等靜壓FGH96合金進行模擬超溫試驗。參照FGH96合金的熱處理制度[11]和發動機中可能出現的超溫情況，按較苛刻的條件制定幾種加熱方案，對其進行加熱處理，以此模擬發動機中渦輪盤和擋板的超溫情況，并分析超溫對PPB及主要性能的影響。

熱等靜壓后的FGH96合金坯料采用7種熱處理制度(表1)在大氣環境中進行熱處理。制度1為熱等靜壓FGH96合金常用的標準熱處理制度，固溶處理為1150～1170℃/2 h/空冷→550～580℃/快冷，時效處理為770～790℃/16 h/空冷。制度2～制度4是采用標準熱處理后的FGH96合金，在最高使用溫度750℃下經不同保溫時間的加熱處理。制度5～制度7是采用標準熱處理后的FGH96合金，模擬不同溫度下的超溫處理。

表1 熱等靜壓FGH96合金的熱處理制度Table 1 The heat treatment process of HIP FGH96 alloys

采用Olympus光學顯微鏡，對不同制度處理后的FGH96合金的金相組織及PPB進行分析。金相試樣經磨制和拋光后，采用kalling試劑(CuCl25 g+ HCl 100 ml+CH3CH2OH 100 ml)進行腐蝕，腐蝕時間90 s，環境溫度30℃。采用ZEISS掃描電子顯微鏡，對FGH96合金PPB的顯微組織及微區成分進行分析。采用INSTRON材料試驗機，對不同制度處理后的FGH96合金的拉伸性能進行檢測，并采用掃描電鏡對拉伸斷口進行分析。

3 試驗結果與分析

3.1 超溫處理后的顯微組織分析

圖1(a)為FGH96合金按制度1處理后的金相組織，合金的晶粒尺寸均勻，晶粒直徑約為30～45 μm，并保留有孿晶組織；合金中存在一定數量的PPB，但沒有連接成完整的球形。圖1(b)為按制度2處理后的金相組織，與圖1(a)相比，孿晶組織有所減少，PPB形貌更加明顯。圖1(c)、圖1(d)分別為按制度5和制度6處理后的金相組織，可見隨著超溫溫度的升高，合金中的PPB明顯增多，孿晶組織逐漸減少。超溫溫度達到850℃時，合金中的PPB非常明顯，連接成了規則的球形。

圖2示出了FGH96合金按制度3和制度4處理后的金相組織?？梢?，加熱溫度相同時，延長加熱時間對FGH96合金的金相組織沒有明顯影響，PPB和孿晶組織沒有發生顯著變化。

采用掃描電鏡對FGH96合金中的PPB進行顯微分析，按制度1和制度6處理后的PPB形貌見圖3。采用能譜儀對PPB的成分進行半定量分析，結果見圖4。可見，PPB的主要成分為合金元素Ti、Nb、W與C形成的碳化物，且O含量也相對較多。按制度1處理的FGH96合金中，PPB上的碳化物顆粒較少，間距較大。按制度6處理的FGH96合金中，PPB上的碳化物顆粒連接成了連續的網狀結構。

FGH96合金在熱等靜壓及標準熱處理時，會有少量碳化物在粉末原始表面析出，形成PPB。碳化物選擇在粉末原始表面析出的原因，是粉末原始表面的氧含量相對較多，氧化物的存在降低了碳化物形成時所需的形核能，碳化物以這些氧化物為核心，在粉末顆粒邊界形成大的碳化物。

加熱溫度較低時，合金中C、Ti、W等碳化物形成元素擴散的驅動力，不足以促使其擴散并形成碳化物。加熱溫度較高甚至超溫時，碳化物形成元素擴散系數增加，會在原有碳化物及氧化物顆粒上優先形核，進一步析出新的碳化物。因此，超溫溫度增加可導致FGH96合金中的PPB更加嚴重。相比于超溫溫度，超溫時間對PPB的影響不太顯著。

3.2 超溫處理后的力學性能分析

分別對按制度1、制度5和制度7處理后的FGH96合金試樣進行650℃拉伸性能試驗，拉伸強度和拉伸塑性分別如圖5(a)、圖5(b)所示。可見，FGH96合金經1 h超溫處理后，拉伸強度略有降低，而塑性有所升高。

圖1 不同溫度超溫處理后FGH96合金的PPBFig.1 The PPB of HIP FGH96 alloys for different overheat treatment temperature

圖2 不同時間超溫處理后FGH96合金的PPBFig.2 The PPB of HIP FGH96 alloys for different overheat treatment time

圖3 不同超溫處理后FGH96合金PPB的高倍組織Fig.3 The morphology of PPB for different overheat treatment

圖4 FGH96合金PPB的微區成份分析Fig.4 The composition analysis of PPB

圖5 不同超溫處理后FGH96合金的650℃拉伸性能Fig.5 The 650℃tensile properties of HIP FGH96 alloys for different overheat treatment

圖6 不同超溫處理后FGH96合金的室溫沖擊韌性Fig.6 The impact properties of HIP FGH96 alloys for different overheat treatment

再分別對按以上3種制度處理后的FGH96合金試樣進行室溫下的沖擊性能試驗，結果如圖6所示?？梢?，FGH96合金經1 h超溫處理后，沖擊韌性有所升高。

標準熱處理的FGH96合金中，Ti、W、Nb等強化元素的分布比較均勻，起到了應有的沉淀強化和固溶強化作用。超溫情況下，這些強化元素向粉末的原始表面處擴散并形成PPB相，削弱了其原有的沉淀強化和固溶強化作用。另外，超溫情況下FGH96合金中的孿晶、位錯等晶體缺陷數量減少，也在一定程度上起到降低強度的作用。因此，FGH96合金超溫處理后，拉伸強度有所下降，拉伸塑性和沖擊韌性有所提高。

3.3 力學性能試樣的斷口分析

按制度1、制度5和制度7處理后，FGH96合金試樣650℃拉伸斷口如圖7所示。拉伸試樣表面為藍灰色，斷口呈棕色。由低倍照片可以看出，三種試樣的拉伸斷口附近縮頸均比較小，斷口表面沒有明顯的纖維區和放射區，斷口邊緣有剪切唇，斷裂從斷口中部起始。由高倍照片可以看出，三種試樣的拉伸斷口上均可見沿PPB開裂的形貌特征，斷口中部為類解理加韌窩的混合特征。標準熱處理試樣的拉伸斷口的類解理特征較多，斷口特征以類解理加韌窩為主；超溫處理試樣的拉伸斷口中沿PPB開裂的特征，相比于未超溫處理試樣的拉伸斷口更加明顯。

這三種制度處理后的FGH96合金試樣室溫沖擊斷口如圖8所示。由低倍照片可以看出，三種試樣的沖擊斷口平整，沒有塑性變形和明顯的放射棱線。由高倍照片可以看出，三種試樣的沖擊斷口均有非常明顯的沿PPB開裂的形貌特征，并有少量類解理加韌窩混合特征。相對于超溫處理試樣的沖擊斷口，標準熱處理試樣的沖擊斷口中類解理特征更多且更加明顯。相比于這三種試樣的拉伸斷口，沖擊斷口中表現出更為明顯的沿PPB開裂的特征。

圖7 不同超溫處理后FGH96合金的650℃拉伸斷口Fig.7 The fracture surface of HIP FGH96 alloy for 650℃tensile property tests

圖8 不同超溫處理后FGH96合金的室溫沖擊斷口Fig.8 The fracture surface of HIP FGH96 alloy for impact property tests

FGH96合金PPB中的碳化物尺寸較大且呈網狀，一旦微裂紋擴展到碳化物后，就很容易沿其邊界擴展形成斷裂。因此，FGH96合金超溫后，斷口中沿PPB開裂的特征更加明顯。

4 結論

通過本文的研究，掌握了FGH96合金在超溫后的PPB和主要力學性能的變化規律，獲得了超溫試樣的斷口特征，對定性分析FGH96合金渦輪轉子在故障中的超溫問題，及評估渦輪盤和擋板超溫后的使用安全性具有重要意義。主要研究結論如下：

(1)超溫后，熱等靜壓FGH96合金中的PPB會有所增加，且隨著超溫溫度的提高增加得更加明顯。

(2)相同超溫溫度下，超溫時間對PPB的影響不明顯。

(3)相比于未超溫的熱等靜壓FGH96合金，800℃和900℃下1 h超溫后的650℃拉伸強度有所降低，但650℃拉伸塑性和室溫沖擊韌性有所提高。

(4)熱等靜壓FGH96合金超溫后的650℃拉伸斷口和室溫沖擊斷口中，沿PPB開裂的特征比未超溫斷口更加明顯。

[1]江和甫，古遠興，卿華.航空發動機的新結構及其強度設計[J].燃氣渦輪試驗與研究，2007，20(2)：1—4.

[2]劉大響.高性能航空發動機的發展對材料技術的要求[J].燃氣渦輪試驗與研究，1998，11(3)：1—5.

[3]江和甫.對渦輪盤材料的需求及展望[J].燃氣渦輪試驗與研究，2002，15(4)：1—6.

[4]李嘉榮，熊繼春，唐定中.先進高溫結構材料與技術：下[M].國防工業出版社，2012：152—175.

[5]劉建濤，劉國權，胡本芙，等.FGH96合金中γ′相的高溫粗化行為[J].稀有金屬材料與工程，2006，35(3)：418—422.

[6]王淑云，李惠曲，譚勇，等.熱等靜壓FGH96合金熱處理過程的組織[J].新技術新工藝，2008，(11)：103—105.

[7]劉建濤，劉國權，胡本芙，等.FGH96合金晶粒長大規律的研究[J].處理學報，2004，25(6)：25—29.

[8]李瑩，侯學勤，陶春虎，等.某型發動機渦輪I級葉片伸長失效分析[J].鋼鐵研究學報，2011，23(S2)：452—454.

[9]王赟虓.某型發動機起動T4超溫故障診斷[J].航空發動機，2007，33(S1)：90—91.

[10]甘曉華，王宏明，全中.大氣浮塵引起某直升機發動機超溫的故障特征研究[R].HJB 961522，1996.

[11]中國金屬學會高溫材料分會.中國高溫合金手冊：下卷[M].北京：中國標準出版社，2012：636.

The effect of overheat on PPB and mechanical property of HIP FGH96 alloy

ZHONG Yan1，FU Yu1，TIAN Wei1，LI Jia-jia1，ZHENG Qu-ying2，CHI Yue3
(1.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China；2.Shenyang Liming Engine Manufacturing Corporation，Shenyang 110043，China；3.High Temperature Material Research Institute，Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China)

Aero-engine parts often occur short-time overheat in operation.The effects of overheat on the primary particle boundary,tensile property and impact property of hot isostatic pressing(HIP)FGH96 alloy were researched.Both macro and micro fracture characteristics of mechanical property samples were ana?lyzed.The results showed that the PPB would be increased after the HIP FGH96 alloy overheated.The amount of PPB was increased with the increasing of overheat temperature,while the effect of overheat time on the amount of PPB was not obvious.After overheating,the tensile strength was reduced;the tensile plas?tic and impact toughness were increased for HIP FGH96 alloy.According to the analysis of fracture surface, the cracks were intended to propagate along the PPB for the overheated HIP FGH96 alloy.

aero-engine；powder metallurgy superalloy；overheating；HIP FGH96 alloy；PPB；mechanical property；fracture analysis

V250.3

A

1672-2620(2016)01-0034-05

2014-11-19；

2015-02-12

鐘燕(1977-)，女，四川內江人，高級工程師，碩士，主要從事航空發動機零件材料工藝應用研究。