高溫熱暴露時FGH97粉末高溫合金中γ′相的演變及其定量表征

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(1.中國航發北京航空材料研究院，航空工業失效分析中心，航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，材料檢測與評價航空科技重點實驗室，中國航空發動機集團材料檢測與評價重點實驗室，北京 100095；2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院常州分院，常州 213000 )

0 引 言

粉末冶金技術可以很好地解決傳統鑄造工藝制備合金中存在的成分偏析等問題，所制備的粉末高溫合金具有合金化程度高、組織均勻、中低溫強度高和疲勞性能好等優點。其中，FGH97粉末高溫合金在650 ℃時具有優良的綜合力學性能，是生產先進航空發動機渦輪盤、擋板等熱端零部件的關鍵材料[1-3]。這些零部件長期在高溫條件下服役，材料的顯微組織會發生退化，性能顯著降低，最終導致零部件的失效。因此，有必要對FGH97粉末高溫合金在高溫長時服役過程中的組織演化規律進行研究，并實現對組織演化的定量表征。然而目前，相關研究大多針對的是粉末高溫合金成形過程中的組織變化[4-7]。

為此，作者對FGH97粉末高溫合金進行650 ℃保溫不同時間的熱暴露試驗，研究了其γ′相的演化規律，并對演化過程中的γ′相進行定量表征，為建立組織和性能間的定量關系模型奠定基礎，并為FGH97粉末高溫合金服役壽命評價提供試驗依據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為FGH97粉末高溫合金，其化學成分如表1所示，制備工藝流程為母合金冶煉→制備粉末→粉末處理→真空裝套→熱等靜壓→熱處理。熱等靜壓工藝參數為溫度1 180～1 210 ℃，壓力120 MPa，時間2～4 h。熱處理工藝為1 200 ℃保溫8 h，爐冷至1 170 ℃，空冷至室溫，隨后780 ℃保溫32 h，空冷至室溫。

表1FGH97粉末高溫合金的化學成分(質量分數)
Tab.1ChemicalcompositionofFGH97powdermetallurgysuperalloy(mass) %

CrCoMoWAlTiNbCHfMgZrBCeNi8.0～10.015.0～16.03.5～4.55.0～6.04.5～5.01.5～2.02.4～2.80.02～0.060.10～0.40<0.02<0.015<0.015<0.01余

圖1 FGH97粉末高溫合金在熱暴露前的顯微組織Fig.1 Microstructure of FGH97 powder metallurgy superalloy before heat exposure: (a) overall morphology and (b) morphology of tertiary γ′ phase

將FGH97粉末高溫合金加工成尺寸為12 mm×12 mm×5 mm的試樣，經打磨、拋光后放入OTF-1200X型馬弗爐中，在空氣氣氛下加熱至650 ℃ 后分別保溫100，200，300，400，500，800，1 000 h，出爐空冷。

將不同時間熱暴露后的試樣經打磨、拋光和用由15 g CrO3、10 mL H2SO4和150 mL H3PO4組成的溶液進行電解腐蝕后，利用S4800型場發射掃描電鏡(SEM)對顯微組織進行觀察，采用Image-Pro Plus圖像分析軟件(簡稱IPP軟件)對γ′相進行定量分析，每個試樣取6個視場圖像，由IPP軟件自動計算得到晶界和晶內γ′相的面積分數、γ′相的周長和面積。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織演變

γ′相是粉末高溫合金中最主要的強化相，其尺寸、形貌、體積分數和分布狀態對合金的性能起著決定作用。由圖1可知：熱暴露前合金中存在初次γ′相、二次γ′相和三次γ′相等3種不同尺寸的γ′相；初次γ′相呈橢圓形、長條狀或者不規則的塊狀，在γ′相中的占比為5%左右，多存在于晶界處，尺寸為0.8～1.8 μm；二次γ′相在γ′相中的占比約90%，主要為方形、三角形以及少量的不規則塊狀，尺寸為200～800 nm，主要分布在晶內，為主要強化相，對合金的力學性能影響最大；三次γ′相為圓形，尺寸為50～200 nm，主要分布在初次γ′相的周圍，同時還有少量不規則形狀的三次γ′相分布于晶內，尺寸比較小，為10～75 nm[8]。

由圖2可知：隨著熱暴露時間的延長，3種γ′相的形貌都發生了不同程度的變化；當熱暴露時間小于300 h時，二次γ′相主要為規則的方形、三角形，部分方形二次γ′相的邊緣出現輕微內凹現象；當熱暴露時間延長到400，500 h時，二次γ′相由方形逐漸變為蝶形或八角形，說明一部分二次γ′相出現開裂現象，同時晶內的三次γ′相顆粒越來越少；隨著熱暴露時間的繼續延長，γ′相的邊角出現鈍化，相鄰的γ′相相互連接，相邊界相互融合，初次γ′相周圍的的三次γ′相不斷被吞噬，三次γ′相的數量繼續變少，γ′相多呈條狀、棒狀等不規則形狀。綜上可知，晶內和晶界的γ′相有明顯不同的粗化速率，晶內二次γ′相主要在形貌上發生較大的變化，而晶界處的初次γ′相和三次γ′相在形貌、尺寸、數量和分布等方面均發生明顯的變化。

圖2 熱暴露不同時間后FGH97粉末高溫合金的顯微組織Fig.2 Microstructures of FGH97 powder metallurgy superalloy after heat exposure for different times

圖3 熱暴露不同時間后FGH97粉末高溫合金中γ′相的等效直徑分布Fig.3 Equivalent diameter distribution of γ′ phase in FGH97 powder metallurgy superalloy after heat exposure for different times

2.2 γ′相的定量表征

2.2.1 定量表征方法

采用等效直徑來定量表征γ′相的尺寸，形狀因子來定量表征γ′相的形狀[9-10]。根據Delesse定律，γ′相的體積分數等于其面積分數，因此可用面積分數來表征γ′相的體積分數。

等效直徑D和形狀因子SF的計算公式分別為

(1)

SF=4πA/P2

(2)

式中：A為γ′相的面積；P為γ′相的周長。

由式(1)和式(2)可知：等效直徑只與γ′相的面積有關，而與形狀無關；形狀因子與γ′相的面積和周長均有關。形狀因子的取值為0～1，當γ′相的形狀為圓形時，形狀因子為1，當γ′相為復雜不規則形狀時，形狀因子小于1且趨于0。

2.2.2 γ′相尺寸

由圖3可知：隨著熱暴露時間的延長，大尺寸γ′相的數量不斷增加，小尺寸三次γ′相的數量不斷減少；當熱暴露時間為100～300 h時，二次γ′相的等效直徑主要分布在0.2～0.4 μm；當熱暴露時間為500 h時，二次γ′相的等效直徑主要分布在0.4～0.6 μm，因此當熱暴露時間小于800 h時，二次γ′相不斷粗化；當熱暴露時間延長到800～1 000 h，二次γ′相的等效直徑主要分布在0.2～0.4 μm，這是由于二次γ′相長大到其尺寸臨界值時會發生分解，且其分解速率大于粗化速率，從而導致粉末高溫合金中γ′相等效直徑的下降。

由圖4可知，隨著熱暴露時間的延長，γ′相的平均等效直徑先增大，當熱暴露時間大于800 h后，由于γ′相的分解而減小。

2.2.3 γ′相形貌

由圖5可知：當熱暴露時間為100～300 h時，γ′相的形狀因子分布在0.7～0.8，接近于正方形的形狀因子0.785，說明此時粉末高溫合金中接近正方形的γ′相數量較多，由于二次γ′相的占比為90%左右，因此形狀因子主要由二次γ′相的形狀決定，由形狀因子確定的γ′相形狀與之前觀察到的γ′相形貌吻合；隨著熱暴露時間的延長，形狀因子為0～0.5 的γ′相越來越多，擬合曲線變得平緩，說明γ′相的形狀越來越不規則，這與γ′相形貌的變化一致。由圖6可以看出，γ′相的平均形狀因子隨熱暴露時間的延長而減小。

圖4 FGH97粉末高溫合金中γ′相的平均等效直徑隨熱暴露時間的變化曲線Fig.4 Curve of average equivalent diameter vs the time of heat exposure of γ′ phase in FGH97 powder metallurgy superalloy

圖5 熱暴露不同時間后FGH97粉末高溫合金中γ′相的形狀因子分布Fig.5 Shape factor distribution of γ′ phase in FGH97 powder metallurgy superalloy after heat exposure for different times

圖6 FGH97粉末高溫合金中γ′相的平均形狀因子隨熱暴露時間的變化曲線Fig.6 Curve of average shape factor vs the time of heat exposure of γ′ phase in FGH97 powder metallurgy superalloy

2.2.4 γ′相體積分數

由圖7可知：隨著熱暴露時間的延長，FGH97粉末高溫合金中γ′相的含量增加；當熱暴露時間由100 h延長到1 000 h時，晶內γ′相的體積分數由62.98%增大至65.01%，而晶界上γ′相的體積分數由65.79%增大至72.98%，晶界上γ′相增加得更為顯著。綜上可知，熱暴露時間越長，FGH97粉末高溫合金中晶界上聚集的γ′相越多，而晶界上聚集的γ′相是合金彎曲晶界形成的主要因素[11]，從而可顯著提高合金的綜合性能。

圖7 FGH97粉末高溫合金晶界和晶內γ′相的體積分數隨熱暴露時間的變化曲線Fig.7 Curves of volume fraction vs the time of heat exposure of γ′ phase at the grain boundaries and inside grains in FGH97 powder metallurgy superalloy

3 結 論

(1) 隨著熱暴露時間的延長，FGH97粉末高溫合金中的γ′相由規則的方形、三角形變為蝶形或八角形，再變為條狀、棒狀等不規則形狀，一部分二次γ′相出現開裂現象，同時晶內的三次γ′相的數量越來越少。

(2) 隨著熱暴露時間的延長，FGH97粉末高溫合金中γ′相的平均等效直徑先增大后減小，形狀因子逐漸減小，體積分數逐漸增大，晶界處聚集的γ′相明顯增多；采用等效直徑、形狀因子和體積分數可實現FGH97粉末高溫合金中γ′相的定量表征。

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