先进粉末高温合金相分析技术研究

罗 宁，王 祺，范映伟

(1.中航试金石检测科技有限公司，北京100095;2.北京航空材料研究院中航工业失效分析中心，北京100095)

0 引言

国内正在研制的粉末涡轮盘用粉末合金FGH96在不同工艺、不同热处理状态下析出相γ'的含量和粒度分布都会发生变化，同时，粉末合金中还经常出现微量夹杂物;另外，合金中即使成分发生微量变化，也会导致合金的微观组织和相组成产生变化，这些变化会对材料的成分、工艺等产生较大影响，因此，为了深入了解各种情况下的析出相，从而对材料的成分、铸造凝固工艺、成形工艺、加工变形及热处理工艺等做出正确选择，并对材料受工作环境(如应力、温度、气氛等)的影响做出正确的判断，都需要对其析出相进行物理化学相分析。

物理化学相分析技术是对材料中相的组成、数量、形状、大小、分布、晶体结构以及各相之间的交互作用等采用物理的及化学的分析方法和手段进行系统分析的技术。针对先进高温结构材料FGH96合金中各个相的萃取、分离技术以及相化学成分和粒度分布等展开研究，并利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和能谱仪等分析设备，以及化学成分分析，对萃取相的组成、类型、形状、粒度大小及晶体结构等进行分析。该分析技术为粉末高温合金中相、微小微量夹杂物相经过不同热处理和长期使用后析出的，而用其他一般金相手段无法分辨的微量微小相的电解萃取的方法、提取相的X射线衍射和化学分析的方法提供参考。

1 研究过程与方法

利用温度可控(－20～100℃可调)的物理化学恒电流电解装置和抽滤洗涤装置进行FGH96粉末合金中的第二相的电解提取和清洗，萃取试棒规格为φ10 mm×(80～100)mm。考虑到电解液对萃取实验起主要作用，其他条件不变，采用3种常用的电解液进行电解萃取对比实验，见表1。对萃取粉末用稀释的电解液仔细抽滤洗涤，然后用纯酒精抽滤洗涤2～3次，最后进行称重定量，收集萃取粉末，对萃取粉末进行X射线衍射试验和化学元素成分分析试验。

表1 电解萃取试验表Table 1 Parameter of electrolyte extraction

2 试验结果

2.1 合金微观组织特征

合金微观组织特征见图1。从图可见，2种合金中主要为2种大小不等的γ'相，较粗大的γ'相尺寸为几百个纳米，细小γ'相为几十个纳米，分布比较均匀弥散。

图1 FGH96微观组织特征Fig.1 Microstructure of FGH96

2.2 第二相(γ'相)的电解提取

根据表1所列的实验条件，对合金中γ'相进行电解萃取。萃取结束时，所得萃取粉末吸附在合金试棒上，利用超声波将其振动分离在盛有对应稀电解液的烧杯中，然后利用最密生物滤纸在抽滤器上进行过滤，并先后试用稀电解液和纯酒精洗涤粉末数次，最后在真空烘箱中烘干。

用称重法称取滤膜加萃取粉末质量mpt，滤膜本身的质量mf，电解前试样的质量mst，电解后试样的质量 msp，根据［(mpt－mf)/(mst－msp)］×100%计算萃取粉末在合金中的质量分数。试验结果见表2。

表2 电解提取第二相试验结果Table 2 Results of electrolyte extraction for secondary phase

2.3 萃取粉末XRD分析

利用X射线衍射仪(XRD)对萃取粉末进行分析，将单晶硅片固定在粉末X射线衍射设备样品座内，使单晶硅片表面与样品台表面重合，然后将萃取的残渣平铺于单晶硅片中心位置，并与X射线焦斑尽量重叠，采用CuKα辐射(40 kV，40 mA)，狭缝大小为1.0 mm ×1.0 mm ×0.6 mm，扫描角度范围为 10°～90°，步长为0.02°，衍射图谱见图2。

每个衍射谱中只有一组衍射图谱，为萃取粉末相的三强衍射峰。图2中的棒峰为粉末衍射数据库PDF卡片库中Ni3Al相的标准衍射谱，其三强峰与萃取粉末的三强峰严格匹配。

2.4 萃取粉末的化学元素分析

用ICP法对萃取粉末化学元素含量进行检测，测量条件为:

图2 萃取分离残渣的X射线衍射图谱Fig.2 XRD pattern of extracted powders

1)仪器工作条件

高频频率为 40.68 MHz;入射功率为1.15 kW;反射功率 ＜10 W;冷却气流量为15 L/min;CID检测器积分方式为面积积分;辅助气流量为1.0 L/min;积分时间为紫外区10 s;载气流量为25.0 Psi;可见区 5 s。

2)元素分析线

Cr267.716 nm;Ti334.941 nm;Al394.401 nm;Ni351.505 nm;W207.911 nm;内标分析线为Y371.029 nm。分析结果见表3。

2.5 验证性对比实验

将同样状态的FGH96试样委托钢铁研究总院进行相分析，萃取得到的γ'相量为36.202%，化学元素分析结果见表4。

表3 萃取第二相粉末的ICP分析结果Table 3 ICP results of extractive powder of secondary phase

表4 萃取相化学分析结果Table 4 Composition of extractive phase

3 分析与讨论

从萃取粉末的X射线衍射分析可见，其衍射峰为Ni3Al相的衍射峰，未出现其他衍射线条;因此，该萃取粉末为非常纯净的γ'相(FCC)，没有未溶解的基体相γ'相掺入，电解提取及分离收集萃取粉末过程中也未对其造成污染。3组试验中，在第2组试验的电解条件下，合金强化相γ'相的提取效率最高，而其他条件也是由于电解过程中部分γ'相的溶解而降低了电解提取γ'相的收得率。由此可见，粉末合金最优的电解提取分离第二相的条件是:电解液(1%(NH4)2SO4+2%酒石酸+5%乙二醇)，电流密度为0.03 A/cm2，电解温度为－5～0℃，电解时间为30 min。

从与钢铁研究总院进行提取分离得出第二相含量的比对试验来看，对同样的FGH96合金试样进行物理化学相分析，本试验所得到的第二相含量与钢铁研究总院的结果较符合为36.2%。

合金中第二相的化学元素浓度与合金平均成分差异较大，其中一些元素会比合金成分富集，由于原子吸收光谱方法(AAS)不适合进行主量元素的分析测定，本研究利用电感耦合等离子体(ICP)分析法。设定一般适合的检测条件，将检测结果与钢铁研究总院对应的分析结果进行比对发现，本试验中，面心立方的γ'相中占据立方体顶点的原子百分数为74.42%(Ni原子百分含量+Co原子百分含量+Cr原子百分含量度/2)，而占据立方体面心位置的原子百分数为25.58%;比对试验结果，面心立方的γ'相中占据立方体顶点的原子百分数为74.99%，而占据立方体面心位置的原子百分数为25.01%，两组分析结果符合得很好。

4 结论

1)建立了电解萃取分离粉末合金中第二相的电解装置和抽滤分离装置;

2)粉末合金适用的电解提取分离第二相的条件是:电解液(1%(NH4)2SO4+2%酒石酸+5%乙二醇)，电流密度0.03 A/cm2，电解温度－5～0℃，电解时间30 min;

3)萃取粉末物理定性分析采用CuKα辐射(40 kV，40 mA)，狭缝规格1.0 mm ×1.0 mm ×0.6 mm，扫描范围10°～90°，步长0.02°;

4)ICP法适用于进行萃取第二相粉末元素含量的分析。

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