劉小濤，丁晗暉，楊 川，劉 鋒，黃 嵐，江 亮

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熱擠壓態(tài)FGH96粉末冶金高溫合金的顯微組織與力學(xué)性能

劉小濤1, 2，丁晗暉1, 2，楊 川1, 3，劉 鋒1, 2，黃 嵐1, 2，江 亮1, 2

(1. 中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083；2. 中南大學(xué) 粉末冶金研究院，長沙 410083；3. 中南大學(xué) 航空航天學(xué)院，長沙 410083)

以熱擠壓態(tài)鎳基粉末冶金高溫合金FGH96為研究對象，研究該合金橫向(垂直于擠壓方向)和縱向(沿?cái)D壓方向)試樣的顯微組織及力學(xué)性能，分析斷裂機(jī)制和變形后的顯微組織。結(jié)果表明：FGH96合金橫向及縱向試樣均為無明顯織構(gòu)的等軸晶組織，且平均晶粒尺寸及′相體積分?jǐn)?shù)基本一致。在應(yīng)變速率1×10?4s?1時(shí)，橫向和縱向拉伸試樣抗拉強(qiáng)度在25~650 ℃溫度區(qū)間內(nèi)隨溫度升高緩慢降低，當(dāng)溫度高于650 ℃時(shí)，抗拉溫度下降速率顯著增加；且橫向試樣的抗拉強(qiáng)度低于相同實(shí)驗(yàn)條件下縱向試樣的抗拉強(qiáng)度，差值為150~200 MPa；失效機(jī)制為從室溫條件下的穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌蠑嗔涯Ｊ剑瑱M向試樣的轉(zhuǎn)變溫度為400 ℃左右，縱向試樣的轉(zhuǎn)變溫度約為650 ℃；橫向試樣變形后，顯微組織有高密度的位錯(cuò)纏結(jié)及層錯(cuò)；縱向試樣拉伸斷裂后，顯微組織則主要為孿晶及位錯(cuò)與′相的交互作用。

粉末冶金高溫合金；晶粒尺寸；′析出相；抗拉強(qiáng)度；失效機(jī)制；變形組織

鎳基粉末冶金高溫合金相對鑄造高溫合金具有組織均勻、晶粒細(xì)小及無宏觀偏析等特點(diǎn)，因此具有更優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、蠕變持久強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及抗裂紋擴(kuò)展等綜合力學(xué)性能，已被廣泛地應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的核心關(guān)鍵熱端部件，特別是用作高壓渦輪盤[1?7]。FGH96是國內(nèi)自主研制的典型第二代鎳基粉末冶金高溫合金，與René 88和U720Li等國外第二代粉末冶金高溫合金相當(dāng)[1, 4]。粉末冶金高溫合金具有制造工藝流程長、過程復(fù)雜及可控制環(huán)節(jié)多等特點(diǎn)，以美國為代表的國外成熟制備粉末冶金高溫合金工藝主要采用氬氣霧化制粉(Argon atomization，AA)+熱等靜壓(Hot isostatic pressing, HIP)+熱擠壓(Hot extrusion，HEX)+等溫鍛造(Isothermal forging，ITF)，我國由于自身裝備條件及工藝限制，主要采用AA制粉/等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉(Plasma rotating electrode process, PREP)+HIP+熱模鍛制備粉末冶金高溫合金[1?2]。

粉末冶金高溫合金的熱擠壓工藝可有效控制其三大缺陷[2,8?11]：破碎原始顆粒邊界(Prior particle boundary，PPB)、閉合熱誘導(dǎo)孔洞(Thermal induced porosity，TIP)和分散非金屬夾雜物(Non-metallic inclusions)，由此可極大地減少材料及構(gòu)件的意外失效、減少性能分散性、提高抗損傷容限能力和服役壽命，因此，開展粉末冶金高溫合金的熱擠壓研究工作是非常有必要的。熱擠壓工藝制備粉末冶金高溫合金存在著不同變形方向組織和性能的均勻性問題，目前國內(nèi)對此還缺少相關(guān)的研究，國外發(fā)達(dá)國家對粉末冶金高溫合金的制造工藝高度保密、嚴(yán)密封鎖并禁止出口轉(zhuǎn)讓。在其他金屬結(jié)構(gòu)材料的熱擠壓變形組織演化、性能和斷裂機(jī)制等方面開展了一些研究：GARCES 等[12]、KLEINER等[13]對Mg-Al-Zn合金的研究表明，通過熱擠壓產(chǎn)生的織構(gòu)，能起到增強(qiáng)作用并造成力學(xué)性能的各向異性。VATTRE等[14]對單晶高溫合金的研究表明，抗拉強(qiáng)度的不均勻性是由塑性流變的分布不同及界面位錯(cuò)造成的。ZHONG等[15]和GOPINATH 等[16]對鎳基高溫合金的研究表明，失效機(jī)制隨溫度的升高從完全穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)橐匝鼐嗔褳橹鞯幕旌蠑嗔涯Ｊ?。BAI等[17]的研究則表明，在Ni-Cr-W基高溫合金中類似失效機(jī)制是由晶界處析出的碳化物種類及形貌的變化決定的。綜上所述，在當(dāng)前缺乏粉末冶金高溫合金擠壓研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的情況下，開展粉末冶金高溫合金的熱擠壓組織性能演化及均勻性的研究，對提高我國粉末冶金高溫合金制造能力有著關(guān)鍵的作用。

本文作者以FGH96合金為研究對象，系統(tǒng)研究了熱擠壓態(tài)鎳基粉末冶金高溫合金FGH96縱向(沿?cái)D壓方向)和橫向(垂直于擠壓方向)的顯微組織及力學(xué)性能，并分析該合金在不同方向和不同溫度下失效機(jī)制及變形后的顯微組織演化。為探究熱擠壓工藝對鎳基粉末冶金高溫合金組織及性能的作用機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)中采用的粉末為氬氣霧化制粉(AA)，F(xiàn)GH96合金名義成分如表1所示，氧含量為7.6×10?5，粉末平均粒度為50~80 μm。經(jīng)304不銹鋼包套密封，在1090 ℃、150 MPa的條件下進(jìn)行熱等靜壓，時(shí)間為3 h。熱等靜壓成型后，在1146 ℃條件下進(jìn)行熱擠壓，擠壓比為6:1。擠壓完成后，用電火花線切割去除擠壓棒外層的不銹鋼包套，得到直徑約30 mm的圓柱形試樣。