FGH97粉末高溫合金盤件組織性能研究

劉君濱

摘 要：本文對特定制造工藝及熱處理制度下的FGH97鎳基高溫合金盤件進行組織性能分析。主要強化相γ′相、碳化物的形態、尺寸和分布以及相互匹配是該合金具有良好綜合力學性能的原因。通過系列力學性能試驗及相應斷口形貌分析，反映出了采用該工藝制造的盤件的組織性能特點。

關鍵詞：FGH97；組織形貌；力學性能

中圖分類號：TF122 文獻標識碼：A

FGH97屬于第一代鎳基粉末高溫合金，是制造高性能航空發動機的重要材料。采用該合金制造的盤件具有強度高、疲勞性能好、無宏觀偏析等特點。本文通過對所研制的FGH97盤件進行解剖分析，通過對組織形貌的觀察以及力學性能檢驗，掌握該合金的組織特點和性能水平。

1 實驗方法

解剖了北京鋼鐵研究總院提供的直接熱等靜壓成形+最終熱處理的FGH97盤件，進行化學成分、高低倍組織觀察、相分析、力學性能測試和試樣斷口分析。

2 實驗結果

2.1 化學成分

FGH97盤件的化學成分（質量分數，%）分析結果為：C-0.052，Cr-8.8，Co-15.5，Mo-3.9，W-5.5，Al-4.86，Ti-1.7，Nb-2.5，Mg-0.01，Hf-0.2，B-0.011，Zr-0.014，Mn-0.02，Si-0.1，Fe-0.4，S-0.0005，P<0.015，Ce<0.01。

2.2 組織及相分析

采用硫酸銅溶液對盤件的表面進行低倍腐蝕檢查。可見盤件表面無目視可見的孔洞和裂紋等冶金缺陷。

采用卡林試劑對盤件外緣、1/2R、中心三處部位進行高倍組織檢查。不同部位的晶粒度均分布在6～7級，未見原始粉末顆粒邊界（PPB）等冶金缺陷。

掃描電鏡觀察的FGH97盤件γ′相和碳化物。存在3種γ′相，一次γ′相呈方形分布在晶界上，尺寸為800nm～1300nm，二次γ′相呈方形和碟形主要分布在晶內，尺寸為200nm～600nm，三次γ′相分布在晶內，尺寸為40nm～100nm。晶界處γ′相尺寸大于晶內γ′相。

碳化物為主要為MC，并有少量的M6C，M23C6和M3B2，其中MC分布在晶內和晶界上，M6C，M23C6和M3B2分布在晶界上。

2.3 力學性能

按技術條件對FGH97盤件的力學性能進行了測試，結果見表1～表4。

FGH97盤件具有良好的綜合力學性能。750℃拉伸強度、持久和抗蠕變性能較650℃下降較為明顯，但未發現有關文章中提到的750℃具有持久敏感性。

3 討論

3.1 合金化學成分及相分析

FGH97合金是鎳基粉末高溫合金，其中主要強化相γ′相的數量、大小、間距和分布直接影響著合金的強化效應。該合金中加入了鉻、鉬、鎢、鈮、鈦等難熔合金元素，鈷的質量分數為15%以上，以保證獲得穩定的高合金化γ′相。該合金的γ′相完全溶解的溫度為1185℃，決定了它在較高的溫度下仍具有強化作用。

該合金中含有硼、鋯、鎂、鉿等微量元素。微量的硼在晶界偏聚，形成局部合金化，改變了晶界狀態，減緩了元素在晶界的擴散過程從而強化了晶界。同時硼化物的析出減少了晶界大塊MC碳化物的形成。具有大原子半徑的鎂作為溶質進入基體時引起較大的晶格畸變，為保持最低的自由能，鎂偏聚于晶界，并分布在M2B3、MC和M6C的相界，起著分散和細化碳化物、硼化物的作用，從而改善了高溫持久、蠕變強度和塑性。

3.2 盤件制造工藝對組織及性能的決定性

FGH97粉末高溫合金盤的技術路線：真空感應冶煉母合金→母合金棒料加工→PREP法制備粉末→粉末篩分和靜電處理→粉末裝套→熱等靜壓成形→去除包套皮→熱處理→精加工→探傷→發貨。

文章中FGH97合金盤件的熱處理制度采用標準中規定的固溶1200℃× 4h/AC+三級時效（910℃～700℃）× 27h/AC。該盤件的性能與不同熱處理產生的γ′強化相和碳化物的形貌、尺寸、分布有著直接的關系。該合金的γ′相完全溶解溫度為1180℃～1190℃，將固溶處理的加熱溫度選擇在1200℃的單相區，其目的是保證最大數量的強化相溶入基體，獲得過飽和固溶體及適合的晶粒度。在1200℃保溫4h后空冷析出一次γ′相，然后在不同溫度進行三級時效，補充析出不同尺寸的γ′相，細小的γ′相分布在大γ′相之間。900℃以上高溫時效使淬火析出的γ′相發生聚集，同時在晶界析出細長的M6C碳化物，并有少量的MC析出，起到了強化晶界的作用。在空冷中析出超細的γ′相分布在大γ′相之間，二次和三次低溫時效補充析出細小γ′相。相對較小的γ′相和晶界碳化物的匹配決定了FGH97合金有很好的綜合力學性能。

結論

（1）FGH97粉末高溫合金盤件的晶粒度為6～7級，未見原始粉末顆粒邊界（PPB）。低倍組織均勻、致密，無宏觀偏析。

（2）FGH97合金試樣中晶內γ′相多數為方形和多邊形，少量田字花瓣形；晶界為長條形，周圍析出較多球狀小γ′相。晶內方形MC碳化物；晶界長條M6C。

（3）FGH97粉末高溫合金盤件的綜合力學性能良好，尤其是強度、持久及疲勞性能。觀察其各項實驗的斷口，未見粉末顆粒間斷裂形貌。

（4）FGH97盤件750℃高溫性能方面，抗拉強度隨溫度升高下降，屈服強度下降較慢；持久性能仍能達到100h以上而未見缺口敏感性；蠕變殘余變形增大較為明顯，達到5%左右。總體來說，隨溫度升高，該合金晶界強化作用減弱，綜合性能顯著降低。

（5）采用PREP法制粉+熱等靜壓成形+熱處理制備工藝的FGH97盤件組織性能達標。

參考文獻

[1]鄒金文.粉末高溫合金盤件[J].有色金屬，1999（12）.

[2]張瑩，張義文，陶宇.俄羅斯EP741NP粉末高溫合金的研究[J].鋼鐵研究學報，2006.

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