热挤压态FGH96粉末冶金高温合金的显微组织与力学性能

刘小涛，丁晗晖，杨 川，刘 锋，黄 岚，江 亮



热挤压态FGH96粉末冶金高温合金的显微组织与力学性能

刘小涛1, 2，丁晗晖1, 2，杨 川1, 3，刘 锋1, 2，黄 岚1, 2，江 亮1, 2

(1. 中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083；2. 中南大学 粉末冶金研究院，长沙 410083；3. 中南大学 航空航天学院，长沙 410083)

以热挤压态镍基粉末冶金高温合金FGH96为研究对象，研究该合金横向(垂直于挤压方向)和纵向(沿挤压方向)试样的显微组织及力学性能，分析断裂机制和变形后的显微组织。结果表明：FGH96合金横向及纵向试样均为无明显织构的等轴晶组织，且平均晶粒尺寸及′相体积分数基本一致。在应变速率1×10−4s−1时，横向和纵向拉伸试样抗拉强度在25~650 ℃温度区间内随温度升高缓慢降低，当温度高于650 ℃时，抗拉温度下降速率显著增加；且横向试样的抗拉强度低于相同实验条件下纵向试样的抗拉强度，差值为150~200 MPa；失效机制为从室温条件下的穿晶断裂转变为混合断裂模式，横向试样的转变温度为400 ℃左右，纵向试样的转变温度约为650 ℃；横向试样变形后，显微组织有高密度的位错缠结及层错；纵向试样拉伸断裂后，显微组织则主要为孪晶及位错与′相的交互作用。

粉末冶金高温合金；晶粒尺寸；′析出相；抗拉强度；失效机制；变形组织

镍基粉末冶金高温合金相对铸造高温合金具有组织均匀、晶粒细小及无宏观偏析等特点，因此具有更优异的高温强度、蠕变持久强度、疲劳强度及抗裂纹扩展等综合力学性能，已被广泛地应用于航空发动机的核心关键热端部件，特别是用作高压涡轮盘[1−7]。FGH96是国内自主研制的典型第二代镍基粉末冶金高温合金，与René 88和U720Li等国外第二代粉末冶金高温合金相当[1, 4]。粉末冶金高温合金具有制造工艺流程长、过程复杂及可控制环节多等特点，以美国为代表的国外成熟制备粉末冶金高温合金工艺主要采用氩气雾化制粉(Argon atomization，AA)+热等静压(Hot isostatic pressing, HIP)+热挤压(Hot extrusion，HEX)+等温锻造(Isothermal forging，ITF)，我国由于自身装备条件及工艺限制，主要采用AA制粉/等离子旋转电极制粉(Plasma rotating electrode process, PREP)+HIP+热模锻制备粉末冶金高温合金[1−2]。

粉末冶金高温合金的热挤压工艺可有效控制其三大缺陷[2,8−11]：破碎原始颗粒边界(Prior particle boundary，PPB)、闭合热诱导孔洞(Thermal induced porosity，TIP)和分散非金属夹杂物(Non-metallic inclusions)，由此可极大地减少材料及构件的意外失效、减少性能分散性、提高抗损伤容限能力和服役寿命，因此，开展粉末冶金高温合金的热挤压研究工作是非常有必要的。热挤压工艺制备粉末冶金高温合金存在着不同变形方向组织和性能的均匀性问题，目前国内对此还缺少相关的研究，国外发达国家对粉末冶金高温合金的制造工艺高度保密、严密封锁并禁止出口转让。在其他金属结构材料的热挤压变形组织演化、性能和断裂机制等方面开展了一些研究：GARCES 等[12]、KLEINER等[13]对Mg-Al-Zn合金的研究表明，通过热挤压产生的织构，能起到增强作用并造成力学性能的各向异性。VATTRE等[14]对单晶高温合金的研究表明，抗拉强度的不均匀性是由塑性流变的分布不同及界面位错造成的。ZHONG等[15]和GOPINATH 等[16]对镍基高温合金的研究表明，失效机制随温度的升高从完全穿晶断裂转变为以沿晶断裂为主的混合断裂模式。BAI等[17]的研究则表明，在Ni-Cr-W基高温合金中类似失效机制是由晶界处析出的碳化物种类及形貌的变化决定的。综上所述，在当前缺乏粉末冶金高温合金挤压研究基础数据的情况下，开展粉末冶金高温合金的热挤压组织性能演化及均匀性的研究，对提高我国粉末冶金高温合金制造能力有着关键的作用。

本文作者以FGH96合金为研究对象，系统研究了热挤压态镍基粉末冶金高温合金FGH96纵向(沿挤压方向)和横向(垂直于挤压方向)的显微组织及力学性能，并分析该合金在不同方向和不同温度下失效机制及变形后的显微组织演化。为探究热挤压工艺对镍基粉末冶金高温合金组织及性能的作用机制奠定了基础。

1 实验

1.1 实验材料

本实验中采用的粉末为氩气雾化制粉(AA)，FGH96合金名义成分如表1所示，氧含量为7.6×10−5，粉末平均粒度为50~80 μm。经304不锈钢包套密封，在1090 ℃、150 MPa的条件下进行热等静压，时间为3 h。热等静压成型后，在1146 ℃条件下进行热挤压，挤压比为6:1。挤压完成后，用电火花线切割去除挤压棒外层的不锈钢包套，得到直径约30 mm的圆柱形试样。