C和Hf对FGH97粉末冶金高温合金热力学平衡相析出的影响.pdf

第 1 9 卷第 6 期 2 0 0 9年 1 2月 粉末冶 金工 业 P0W DER M ETALLURGY I NDUS T RY V01 ．1 9 No． 6 De c ． 20 09 C和 H f 对 F G H 9 7粉末冶金高温合金热力学 平衡 相析 出的影 响 韩 寿 波 。 张义 文’ ， 迟悦 ， 贾 建 ’ ， 董 建新 1 ．钢铁研究总 院高温材 料研究所 ， 北 京1 0 0 0 8 1 ； 2 ．北京科技 大学材料科学与工程 学院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 借 助 T h e r mo C a l c 热 力 学计 算软 件及 相 应 的镍 基 高温合金 数 据库 ， 对 不 同 C和 Hf 含 量 的粉 末 台金 高温 合金 F GH9 7进 行 了热 力 学计 算 ， 并 结合 了相 应 的显 微 组 织 观 察 。研 究表 明 ， C和 Hf 的 改 变会 影 响合 金 热 力 学平 衡 相 的析 出 ， 其 中影 响 最 为显 著 的是 碳 化 物 相 ， 其 次 为 了 相 。本 文 为今 后优 化 F GH9 7合金 成分 ， 提 高合 金 性 能提 供 了一定 的理论 依据 。 关键 词 粉末 冶金 高温合金 ； F GH9 7 ； 热 力 学计算 ； 平衡 相 ； 碳 化物 ； 丫 相 中图分 类号 TF1 2 5 ． 2 1 2 文献 标识 码 A 文章 编 号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 0 9 0 6 0 0 2 1 ～0 7 EF FECT OF C AND Hf ON THERM oDYNAM I C EQUI L I BRI UM PHAS E PRECI PI TATI ON I N FGH 97 PM SUPERALI oY HAN S h o u b o 。 ， ZHANG Yi we n ， CHI Yu e ， J I A J i a n ， DONG J i a n x i n 1 ． Hi g h Te mp e r a t u r e Ma t e r i a l s R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C I S RI ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e ， Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y B e i j i n g， Be ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， Ch i n a Ab s t r a c t Th e e f f e c t of C a nd Hf o n t he r mo dy na mi c e qu i l i br i u m p ha s e pr e c i p i t a t i on i n FGH97 PM s u pe r a l l o y wa s s t ud i e d b y us i ng Th e r m o Ca l c s o f t wa r e a n d r e l e v a nt Ni c ke l ba s e d s up e r a l l o y d a t a b a s e ．M e a n whi l e， t he m i c r os t r uc t ur e s o f FGH 9 7 PM s u pe r a l l o ys wi t h di f f e r e nt c o m po s i t i o n we r e a l s o i n ve s t i g a t e d ． The r e s ul t s s h ow t h a t t he e qu i l i br i u m p ha s e pr e c i p i t a t i on i s i nf l u e nc e d by C a nd Hf ，c o nt e ot e s pe c i a l l y f o r c a r bi d e p ha s e a nd 7 - ph a s e ． The r e s ul t s a l s o pr o vi de t he t h e or e t i c a l ba s i s f or i m p r o v i ng t he p r op e r t i e s o f FGH97 a l l o y ． Ke y wo r ds PM s up e r a l l oy； FGH 9 7； t he r mod y na mi c c a l c u l a t i o n； e q ui l i b r i u m p ha s e；c a r bi de； 7 一 p ha s e F GH9 7 合 金是 一种 新 型粉 末冶 金 高温 合金 ， 相 当于俄罗斯 的 E P 7 4 1 NP合 金。F GH9 7合 金具备 良好 的组 织稳 定性 和综 合 力 学 性 能 ， 已 用 于 制 备航 空发 动机 涡轮 盘 等重 要 热 端 部 件 。F GH9 7合 金 的 化学 组成 中含 有合 金元 素 C和 Hf 。有研 究 表 明 ， C 和 Hf 对 合 金 的 组 织 和 力 学 性 能 有 着 重 要 的 影 响l 1 ] ， 但 针 对 F GH9 7合 金 ， 成 分 C和 Hf 对 组 织 影 响 的研 究 较少 ， 尤 其 是 C和 Hf 对 合 金 中析 出相 的 组 成 以及相关变 化 的研究 还不 多见 。为 此 ， 本文 采用 热 力学计 算 T h e r mo - C a l c 和 试 验 相 结 合 的方 法 ， 计算 了 F GH9 7 合 金 中可能 析 出 的平 衡 相 ， 研 究 了 c 和 Hf 含量 的变化对 合金 平 衡相 析 出行 为 的影 响 ， 特 别 是对合金 性能有 至 关 重要 作用 的碳化 物 相 和 7 相 的影 响 。本 文 的工作 对 今后 协调 C和 Hf 的配 比， 优 收稿 E t 期 2 0 0 9 0 8 0 7 基金项 目 “ 国家重点基础研究发 展计划 资助” 项 目编号 2 0 1 0 C B 6 3 1 2 0 0 课题编号 2 0 1 0 C B 6 3 1 2 0 4 作者简介 韩寿波 1 9 8 3 ， 男 汉 ， 江西万年人 ， 硕士研究 生， 主要从 事粉末冶金高温合金方面的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 粉末冶金 工业 第 1 9卷 化 F GH9 7 合金 的成分 ， 具有一定的借鉴意义 。 1 实验材料及 实验方法 Th e r mo C a l c 是 目前 国 内外应 用最 为 广 泛 的相 图计算软件， 应用该软件和相应的镍基高温合金数 据库 ， 同时结合 系统 中各 相 的热力 学 特征 函数 ， 严格 的热力学关系建立热力学模型， 将 相图和各种热力 学数 据联 系起来 ， 从 而 计算 出系统 中所 有 的热 力 学 信息 ， 得到可能析出的平衡相L 3 “ j 。 F GH9 7 合金的主要 化学成分见 表 1 。该合金 的主要制 备工艺流 程如下 真空感应 冶炼 母合金 VI M 等离了旋转 电极制粉 P RE P 直接热等 静 压成形 As HI P 十热 处理 HT 。 表 1 F GH 9 7合 金 的 主 要 化 学成 分范 围 质 量 分数 ％ 在本 文 中 ， 对不 同 C和 Hf 含量 的合 金 成 分 进 行热力学计算， 所用成分如表2 所示。 2 结果与讨论 表 2 三 种 成 分 F GH 9 7合 金 中 C和 H f 的 含 量 质 量 分 数 ％ 三种 C和 Hf 含量的 F GH9 7合金试样 的显微 组织 ， 采用扫 描 电镜 带 E DS 进 行观 察 。合 金试 样 制备 过程 如 下 将 砂 纸 磨好 后 的 F GH9 7合 金 试 样 1 5 r n lT l 1 5 mm1 0 ram ， 用 2 0 H S 0 8 O 无水 C H。 OH 溶液 电解抛 光 ，电压 2 5 ～3 0 V，时间 1 5～ 3 0 S ；再 用 8 5 ml H3 P O 8 g Cr O 5 ml H z S O 溶液电解腐蚀 ，电压 2 ～5 V，时间 2 ～5 S 。 电解腐蚀会使部分碳化物脱落，且电解腐蚀程度的 不 同对碳化 物保 留量 的多少影 响很大 ， 但 对 相 的 观察影 响较小 。为 真实反应 碳 化物 的分 布 ，本 文采 用 了对 电解抛 光后 的试 样 直接 进行 S E M 观察 的方 法 。 1 O 0 0 妊0 。 喀0 O O O 0 2 ． 1 F G H9 7粉末 冶金 高温合 金热 力学平衡 相 典 型 F GH9 7合金 No ． 2 经热力 学平衡 相模 拟 计算 ， 所 得 到的合 金 中平 衡 相 的析 出量 与 析 出温度 的关 系如 图 1所示 。可 知 ， 合 金 中析 出 的 主要 平衡 相 为 7和 7 相 ， MC、 M C和 M。 。 C 型碳化物 相 以及 MB 。 和 M。 B 型硼化物相 ， 以及在合金长时间使用 或 时效过 程 中会 逐渐 析 出的 相和 相 。基体 Y相 在 1 3 5 0 ℃以上 时为液相 ， 固液两相 共存 的温度 区间 为 l 2 8 0～ l 3 5 0 ℃ 。 相 、 相 和 相 分 别 在 1 2 0 0 ℃ 、 9 4 7 ℃ 和 6 3 0 ℃ 时 开 始 析 出 。硼 化 物 MB 。 在 1 2 8 0 ℃时开始 析 出 ， 当温度 降至 1 2 1 0 ℃ 时 MB 。 发生完 全 转 变 ， 形 成 M。 B 。在 硼 化 物 析 出温 度 范 围 内 ， MB 。和 M。 B 析 出量 基 本不 变 。MC 、 M。 C和 M2 3 C 6 碳 化 物 则 分 别 在 1 3 2 0 ℃ 、 9 9 7 ℃ 和 9 0 7 ℃ 时 开 始析 出 ， 最 大 析 出量 分 别 约 为 0 ． 4 5 、 0 ． 7 0 和 0 ． 7 8 ， 此 时对应 的温度 分别 为 1 0 0 0 ℃ 、 9 5 6 ℃和 b 一 _ 6 y L y 一 M B2 一 M 2 3 C 6 -f M ， B2 ～ -f1 } ／ l 1 ． ．1磐 l 图 1 F G H 9 7合金各相析 出量与析 出温度 的热 力学计算 曲线 a 整体 曲线 ； b 局部放大曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 韩寿波等 C和 Hf 对 F GH9 7粉末冶金高温合金热力学平衡相析 出的影 响 23 6 3 0 2 。MC和 M C的析 出温 度 范 围分 别 为 6 6 7 ～ 1 3 2 0 ℃ 和 9 0 3 ～ 9 9 7 ℃ 。如 图 1 b 可 知 ， 在 6 6 7 ～ 9 9 7 ℃ 的温 度 范 围内 ， MC会 发 生 如下 转变 MC y M2 。 C 6 或 M6 C y 。 表 3为 F GH9 7合 金 在 使 用 温度 6 5 0 ℃ 以及 碳 化物 析 出量 最 大 时 ， 各 析 出相 对 应 的 平 衡 态 成 分 。 显 然 ，MC 型 碳 化 物 富 含 Hf 、Nb和 Ti ，M C 与 M 。 C 富含 C r 、C o 、W 和 Mo ， 丫 相 中含 有 一 定 量 的 HI 。 表 3 F G H 9 7合金析 出相在不 同温度下 的平衡成分 质 量分数 ％ F GH9 7合 金 为 高 目 含 量 粉 末 冶 金 高 温 合 金 ， 室温 时 相 的理论 含量 可 达 6 5 ， 对 F GH9 7合 金试 样进 行 S E M 观察 ， 目 和碳化 物 形貌 如 图 2和 图 3所 示 。可 见 ， 组 织 中遍 布 蝴 蝶 状 目， 且 在 晶 界处 丫 相 的 尺 寸 较 大 ， 并 伴 有 分 散 析 出 的 碳 化 物 见 图 2 。图 3 b 中突 出 的小亮 点 经 E D S分析 见 图 4 证 实 为富 Nb 、 HI 、 Ti 的 MC型碳 化 物 。 2 ． 2 C含量 的影 响 两种 C含 量 的 F GH9 7合 金 No ． 1 ， No ． 2 中 ， 各相 析 出量与 析 出温 度 的关 系 如 图 1和 图 5所 示 。 经对 比分 析可 知 ， C含 量 的变 化 对 析 出 的碳 化 物 平 衡相的影响最为显著 ， 其最 大含量 的变化如表 4所 示 。 图 2 F GH 9 7合 金 的显 微 组 织 形 貌 图 3 F GH 9 7合 金 中碳 化 物 的 形 貌 a 二次 电子像 ； b 背 散射电子像 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 韩 寿波等 C和 Hf 对 F GH9 7粉末冶金高温合金热力学平衡相析 出的影 响 2 7 行 业动 态 “ 2 0 0 9全 国粉末冶金 学术会议“ 在张家界 召开 中图分 类 号 TF 1 2 文 献标 识码 D 2 0 0 9年全 国粉末 冶金 学术 会 议 已于 2 0 0 9年 1 O月 1 0日至 1 4日在 湖南 省 张 家 界 市 召 开 。这 是 由 中 国 粉末 冶金 联 合会 筹 即中 国有 色金属 学 会粉 末 冶金 及 金属 陶瓷 学术 委 员 会 、 中 国金 属 学 会 粉 末 冶金 专 业 委 员 会 、 中 国机械 工程 学会 粉末 冶 金分 会 、 中国钢协 粉 末 冶金 分 会 、 中国机 协 粉 末 冶金 专 业 协 会 和 中 国有 色 加 工 协会 粉末 冶金 分会 联 合主 办 ， 由 中国有 色金 属 学会 粉末 冶 金 及金属 陶瓷学 术 委员 会 、 中南 大学 粉末 冶金 研 究 院 、 粉 末冶 金 国家 重点 实验 室 和粉末 冶 金 国家 工程 研究 中心承 办 的一 次全 国性 的粉 末 冶金 学术 会议 。 会议 秘 书处 先后 于 2 0 0 8年 1 2 月 2 5日与 2 0 0 9年 5月 1 5 日两 次 发 出征 文 通 知 ， 得 到各 协 、 学会 秘 书 处 与 全 国粉 末 冶金 工作 者 的积 极支 持 。至 2 0 0 9年 7月 3 0 E t 共 收 到论 文 1 3 0余 篇 。秘 书 处邀 集 1 0名 专 家 对 论 文逐一 进 行评 审 ， 从 中选 出 1 0 4篇论 文 结集 出版 。论文 集 共分 为 综述 、 钢 铁粉 末及 制 品 、 有色 金属 粉末 及 制 品 、 硬 质合 金 、 难 熔 金属 及合 金 、 磁性 材 料 、 注射 成形 及 其 它 等七 个 部 分 ， 比较 全 面 的反 映 了我 国粉 末 冶金 行业 近期 所 取得 的成 果 。 2 0 0 9年全 国粉末冶金学术会议于 2 0 0 9年 1 0月 1 1日8点 3 0分开幕 ， 到会代表 1 8 0余人 。在主席 台就 座 的有黄 伯 云 院士 、 张家 界市 刘越 高 副市 长及 各 协 、 学会 主 要 负 责人 。黄伯 云 在 开 幕 式致 辞 中指 出 ， 我 国粉 末冶金工业与祖国建设在同步飞速增长 ， 我国 6 o国庆展示 的各种新型飞机和各种先进武器装备都成功地应 用 了我 国粉末 冶金 的大量 的科 研成 果 ； 而 且在 硬 质合 金 、 磁 性材 料 等 领域 的产 量 已居世 界 前 列 ， 这 一 切 都是 值得 我们 高兴 与 自豪 的 。刘 副市 长在 致辞 中指 出张家 界 市 已是 全 国知 名 的旅 游 城 市 ， 更 希望 粉 末 冶 金科 技 工作者到张家界市传经送宝 ， 把张家界市建设成为一个新兴的高科技产业城市 。 为了办好学术交流 ， 大会秘书处精心从全 国各高等院校和研究 院所邀集 1 4名粉末冶金界的知名学者作 学术报告 ， 较全面的介绍了粉末冶金各领域 国内外 的最新发展动态 。在四个分会场的学术交流 中， 有 4 4 位 代表登 台宣读论文 ， 在论文宣 读过程 中还进行 了热烈 的讨论 。与会代 表认 为这是一 次高水平 的学术交 流盛会 。 在会 议期 间还 召 开 了六协 、 学 会理 事 长 、 秘 书 长及 特邀 代 表参 加 的联席 会 议 。会议 听 取 了中 国粉末 冶金 联合 会 筹 秘 书处 对 近年 工作 的情 况 汇报 和研 究 了关 于参 加 亚洲 粉末 冶金 会 议等 问题 。 赵 慕岳 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m