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德國徠卡顯微鏡的粉末高溫合金擠壓變形組織研究

發布于:2020-02-18T14:02:13 閱讀次數:139

  粉末高溫合金具有組織均勻、無宏觀偏析、合金化程度高、屈服強度和疲勞性能好等優點,已成為先進航空發動機設計的材料。目前,在粉末高溫合金制造領域,美國和俄羅斯工藝各異,但均居于前列。而我國在20世紀80年代才開始對粉末高溫合金進行研究,在材料研究和應用方面雖已有了很大的進步,但在渦輪盤材料工藝和結構設計上與國外還有很大的差距。在渦輪盤成形方面,美國主要采用:熱等靜壓(HIP),熱等靜壓+等溫鍛造(HIP+HIF),或擠壓+等溫鍛造(EX+HIF);俄羅斯主要采用熱等靜壓(HIP)。G.I.Friedman。P.Loewnstein和D.R.Camahan,D.S.Michlin等人對Rene41、IN一100、U一700等合金材料的擠壓工藝進行了細致的研究,并得到了廣泛應用。我國主要采用熱等靜壓+等溫鍛造(HIP+HIF)的加工方法,并已經成功地研制出直徑為630mm的FGH95粉末渦輪盤罔。但迄今為止,對 FGH96合金擠壓工藝的研究還沒有系統地展開。


  對FGH96熱等靜壓合金錠坯進行了擠壓變形工藝的研究,并對擠壓變形后的棒材顯微組織進行了分析,獲得了FGH96合金擠壓變形后的顯微組織變化規律;同時,通過擠壓變形,獲得了組織細小、均勻的等軸晶粒,從而為后續超塑性等溫鍛造成形奠定了基礎。

  一、試驗方案:

  試驗采用氬氣霧化法制備的FGH96合金粉末,它由熱等靜壓工藝(HIP)制成粉末錠坯,并經緩冷處理后進行擠壓。

  試樣經機加工,包套,并在高溫電爐中加熱到一定溫度,保溫一段時間后,在液壓機上快速擠壓,擠壓比R=4:l。擠壓后,利用線切割切取試樣,經砂紙磨樣拋光后,采用化學腐蝕和電解腐蝕的方法,分別得到合金的晶粒組織和Y相分布。用徠卡DM6M顯微鏡進行顯微組織觀察。

  二、結果分析:

  (1)顯微組織變化

  擠壓后坯料的晶粒得到了顯著的細化,晶粒度明顯小于擠壓前,而且經過擠壓變形之后,粉末原始顆粒邊界(PPB)得到明顯破碎,獲得了細小、均勻的等軸晶,平均晶粒尺寸約為5um(ASTM No.12)。而在FGH96合金渦輪盤等溫鍛造后晶粒組織研究中得出:輪緣部位的晶粒尺寸為20um~25um,相當于ASTM晶粒度8級,輪心處的晶粒尺寸為10um~15um,相當于ASTM晶粒度的8~9級;FGH96經熱等靜壓后,晶粒尺寸約為20um~30um,即相當于ASTM7~8級;而GERALD FRIEDMAN在對同類材料Rene41合金擠壓后的棒材組織進行研究中,晶粒度達到ASTM 11~12級。由此可知,擠壓變形可以獲得細小的晶粒,其原因是擠壓變形是三向受壓的塑性變形過程,在變形過程中,通過剪切變形能夠有效地破碎粉末顆粒,使其發生較大的塑性變形,從而得到細小的晶粒組織;同時,在擠壓變形過程中,擠壓坯料發生了動態再結晶過程,破碎的細小晶粒在長大的過程中,由于Y相對晶界有一定的釘扎作用,也有效地阻礙了擠壓變形過程中晶粒的長大,從而能夠獲得晶粒度細小均勻的等軸晶。

  (2)顯微組織分布

  擠壓件不同部位的晶粒度有一定的差別。從中心到表層的一段區域:大概為3um~lOum(ASTM No.12~9),表面部位厚度大約為2mm~3mm的區域內達到10um~15um(ASTM No.9~8),其中間有一段很少的區域晶粒度達到2um~6um(ASTM No.14~12)。在FGH95合金擠壓比為6.5:1時,得到的擠壓件晶粒尺寸為2.82um(AsTM No.14)。其原因是擠壓變形過程中。表層部位變形量比較大,對晶粒的破碎程度也比較大,所以能夠得到比較細小的晶粒。表層部位擠壓完成后,在冷卻過程中,冷卻速度較快,再結晶晶粒沒有來得及充分長大。被保存下來,從而得到了細小的再結晶組織;在中心部位,由于金屬主要是沿著擠壓方向流動,且塑性變形量相對較小,同時在擠壓后冷卻速度也比較慢,晶粒有較長的時間和能量長大,從而得到了粗大的品粒組織;在擠壓件的表面部位(約1mm~3mm),由于模具溫度比較低,坯料和模具之間發生了較大的熱傳遞,引起坯料溫度迅速降低,表面部位擠壓變形抗力增加,變形量較小,變形閑難甚至在擠壓件表面產生不同程度的裂紋,所以得到比較粗大的晶粒。

  (3)Y相的變化規律

  擠壓變形前粉末顆粒邊界析出了較大的Y相(白色部分),且沿著粉末顆粒邊界連續分布,形成了網狀或鏈狀。擠壓變形后,在晶粒邊界析出了細小、均勻的Y相,呈現出宏觀上非連續的網狀分布。在晶粒組織內部,Y相更細小,這是由于在擠壓變形過程中,受到三向壓應力的作用,發生了較大的塑性變形,同時,靜水壓力較高,從而有利于Y相的破碎。使得較大的Y相破碎成較小的Y相。擠壓后,擠壓件在空氣中冷卻,冷卻速度比較快,產生較大的過冷度,導致基體的過飽和度較大,Y相形核臨界尺寸變小,因此,析出的Y較小。此外,由于Y析出相的長大是一個受擴散控制的過程,溫度的快速下降和擴散時間的限制,也使得Y長大受到限制,從而得到細小均勻的Y相。

  三、結論:

  (1)FGH96合金經擠壓變形后,能有效地破碎原始顆粒邊界,得到了細小、均勻的等軸晶。

  (2)在橫斷面上,擠壓件呈現出三個不同的區域。其晶粒尺寸存在差異,位于擠壓件表層不均勻變形區域內,晶粒尺寸較大,但通過機加工可以去除。

  (3)經過擠壓變形后,擠壓件中的Y相得到了破碎,并獲得了均勻分布且細小的Y相,這對擠壓件的力學性能和后續成形工藝非常重要。

  (4)在擠壓變形過程中,FGH96合金以位錯運動為主要變形方式,同時伴有大量的孿晶產生,兩者相互影響,相互協調。同時。由于擠壓變形過程中,發生了動態再結晶,從而最終形成了細小、均勻的等軸晶。


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