FGH97粉末高温合金盘件组织性能研究

刘君滨

摘 要：本文对特定制造工艺及热处理制度下的FGH97镍基高温合金盘件进行组织性能分析。主要强化相γ′相、碳化物的形态、尺寸和分布以及相互匹配是该合金具有良好综合力学性能的原因。通过系列力学性能试验及相应断口形貌分析，反映出了采用该工艺制造的盘件的组织性能特点。

关键词：FGH97；组织形貌；力学性能

中图分类号：TF122 文献标识码：A

FGH97属于第一代镍基粉末高温合金，是制造高性能航空发动机的重要材料。采用该合金制造的盘件具有强度高、疲劳性能好、无宏观偏析等特点。本文通过对所研制的FGH97盘件进行解剖分析，通过对组织形貌的观察以及力学性能检验，掌握该合金的组织特点和性能水平。

1 实验方法

解剖了北京钢铁研究总院提供的直接热等静压成形+最终热处理的FGH97盘件，进行化学成分、高低倍组织观察、相分析、力学性能测试和试样断口分析。

2 实验结果

2.1 化学成分

FGH97盘件的化学成分（质量分数，%）分析结果为：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 组织及相分析

采用硫酸铜溶液对盘件的表面进行低倍腐蚀检查。可见盘件表面无目视可见的孔洞和裂纹等冶金缺陷。

采用卡林试剂对盘件外缘、1/2R、中心三处部位进行高倍组织检查。不同部位的晶粒度均分布在6～7级，未见原始粉末颗粒边界（PPB）等冶金缺陷。

掃描电镜观察的FGH97盘件γ′相和碳化物。存在3种γ′相，一次γ′相呈方形分布在晶界上，尺寸为800nm～1300nm，二次γ′相呈方形和碟形主要分布在晶内，尺寸为200nm～600nm，三次γ′相分布在晶内，尺寸为40nm～100nm。晶界处γ′相尺寸大于晶内γ′相。

碳化物为主要为MC，并有少量的M6C，M23C6和M3B2，其中MC分布在晶内和晶界上，M6C，M23C6和M3B2分布在晶界上。

2.3 力学性能

按技术条件对FGH97盘件的力学性能进行了测试，结果见表1～表4。

FGH97盘件具有良好的综合力学性能。750℃拉伸强度、持久和抗蠕变性能较650℃下降较为明显，但未发现有关文章中提到的750℃具有持久敏感性。

3 讨论

3.1 合金化学成分及相分析

FGH97合金是镍基粉末高温合金，其中主要强化相γ′相的数量、大小、间距和分布直接影响着合金的强化效应。该合金中加入了铬、钼、钨、铌、钛等难熔合金元素，钴的质量分数为15%以上，以保证获得稳定的高合金化γ′相。该合金的γ′相完全溶解的温度为1185℃，决定了它在较高的温度下仍具有强化作用。

该合金中含有硼、锆、镁、铪等微量元素。微量的硼在晶界偏聚，形成局部合金化，改变了晶界状态，减缓了元素在晶界的扩散过程从而强化了晶界。同时硼化物的析出减少了晶界大块MC碳化物的形成。具有大原子半径的镁作为溶质进入基体时引起较大的晶格畸变，为保持最低的自由能，镁偏聚于晶界，并分布在M2B3、MC和M6C的相界，起着分散和细化碳化物、硼化物的作用，从而改善了高温持久、蠕变强度和塑性。

3.2 盘件制造工艺对组织及性能的决定性

FGH97粉末高温合金盘的技术路线：真空感应冶炼母合金→母合金棒料加工→PREP法制备粉末→粉末筛分和静电处理→粉末装套→热等静压成形→去除包套皮→热处理→精加工→探伤→发货。

文章中FGH97合金盘件的热处理制度采用标准中规定的固溶1200℃× 4h/AC+三级时效（910℃～700℃）× 27h/AC。该盘件的性能与不同热处理产生的γ′强化相和碳化物的形貌、尺寸、分布有着直接的关系。该合金的γ′相完全溶解温度为1180℃～1190℃，将固溶处理的加热温度选择在1200℃的单相区，其目的是保证最大数量的强化相溶入基体，获得过饱和固溶体及适合的晶粒度。在1200℃保温4h后空冷析出一次γ′相，然后在不同温度进行三级时效，补充析出不同尺寸的γ′相，细小的γ′相分布在大γ′相之间。900℃以上高温时效使淬火析出的γ′相发生聚集，同时在晶界析出细长的M6C碳化物，并有少量的MC析出，起到了强化晶界的作用。在空冷中析出超细的γ′相分布在大γ′相之间，二次和三次低温时效补充析出细小γ′相。相对较小的γ′相和晶界碳化物的匹配决定了FGH97合金有很好的综合力学性能。

结论

（1）FGH97粉末高温合金盘件的晶粒度为6～7级，未见原始粉末颗粒边界（PPB）。低倍组织均匀、致密，无宏观偏析。

（2）FGH97合金试样中晶内γ′相多数为方形和多边形，少量田字花瓣形；晶界为长条形，周围析出较多球状小γ′相。晶内方形MC碳化物；晶界长条M6C。

（3）FGH97粉末高温合金盘件的综合力学性能良好，尤其是强度、持久及疲劳性能。观察其各项实验的断口，未见粉末颗粒间断裂形貌。

（4）FGH97盘件750℃高温性能方面，抗拉强度随温度升高下降，屈服强度下降较慢；持久性能仍能达到100h以上而未见缺口敏感性；蠕变残余变形增大较为明显，达到5%左右。总体来说，随温度升高，该合金晶界强化作用减弱，综合性能显著降低。

（5）采用PREP法制粉+热等静压成形+热处理制备工艺的FGH97盘件组织性能达标。

参考文献

[1]邹金文.粉末高温合金盘件[J].有色金属，1999（12）.

[2]张莹，张义文，陶宇.俄罗斯EP741NP粉末高温合金的研究[J].钢铁研究学报，2006.

[3]张莹，张义文，张娜，贾建.FGH97粉末冶金高温合金热处理工艺和组织性能研究[J].航空材料学报，2008.