粉末冶金高温合金中的原始颗粒边界（PPB）问题.pdf

第 2 0 卷第 4期 2 0 1 0年 8月 粉末冶 金工 业 P OW DER M ET ALLURGY I NDUS TRY Vol _ 2 O No． 4 Au g．201 0 粉末冶金高温合金 中的原始颗粒边界 P P B 问题 赵 军 普 ， 陶 宇 ， 袁守 谦 ’ ， 贾 建 ， 韩 寿 波 1 ． 西安建筑科技 大学冶金工程学 院 ， 陕西 西安7 1 0 0 5 5 ； 2 ． 钢铁研究 总院高温材料研究所 ， 北京1 0 0 0 8 1 摘要 概 述 了热 等静 压 态粉 末 冶金 高温 合金 中原 始颗 粒 边 界 P P B 的形 成机 理 及 其 对 合 金 组 织 与性 能的 影响 ， 以及 影 响 P P B形 成 的 因素 和 消 除 P P B的措 施 。指 出 P P B的存 在 不利 于 合金 组织 的控 制 ， 而且使 合 金 的塑 性 降低 ， 性 能不 稳 定 。通 过 调 整 合 金 成 分 、 选择 合 适 的粉 末 制备和处理工艺以及改进成形工艺等措施 可以消除 P P B。高温 固溶处理 可以溶解 P P B析 出 物 ， 但 冷却 速度 不合 适 时 P P B会 再 次析 出。 关键词 粉末 台金高温合金 ； 原始颗粒边界 ； 热等静压； 碳氧化物 中图分 类号 TF 1 2 5 ． 4 文献标 识 码 A 文章 编 号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 1 0 0 4 0 0 4 3 0 7 TH E PROBLEM oF PRI OR PARTI CLE BOUNDARY PRECI PI TAT1 0N I N P ／ M S UP E R AL L 0YS ZHAO J u n - p u ， TAO Yu 。， YUAN S h o u - q i a n ， J I A J i a n 。 HAN S h o u - b o 。 1 ． S c h o o l o f Me t a l l u r g i c a l En g i n e e r i n g， Xi ’ a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e Te c h n o l o g y， Xi ’ a n 7 1 0 0 5 5， Ch i n a ； 2 ． Hi g h T e mp e r a t u r e Ma t e r i a l s R e s e a r c h ， C I S RI - B e ij i n g 1 0 0 0 8 1 - C h i n a Ab s t r a c t Th e me c h a n i s m o f p r i o r p a r t i c l e b o u n d a r y P PB p r e c i p i t a t i o n a n d i t s e f f e c t s o n mi c r o s t r u c t u r e s a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s i n h o t i s o s t a t i c a l l y p r e s s e d HI P P／ M s u p e r a l l o y s a r e r e v i e we d i n t hi s pa pe r ． M e a n whi l e， t he f a c t or s c o nt r i but i ng t o PPB f o r m a t i o n a nd t he m e a s u r e s on mi‘ ni’ mi z i ng PPB p r e c i p i t a t i on ha v e b e e n a na l y z e d． I t i s po i nt e d out t ha t t he d uc t i l i t y wo ul d be l o we r a n d t he me c ha ni c a l pr o pe r t i e s a r e s c a t t e r e d du e t o t h e p r e s e nc e o f o xy c a r b i de s a l on g PPBs ． PPB c a n b e a v oi de d or r e d uc e d t hr o ug h m e a s u r e s l i ke mo di f yi n g t he c he m i s t r y o f t he a l l oy s， o phi m i z i ng t he pr oc e s s e s o f po wde r pr od uc t i o n an d po wde r t r e a t me n t s a s we l l a s HI P pa r a m e t e r s ． Ca r bi d e s c a n be di s s o l v e d by h i gh t e m p e r a t ur e s o l ut i on t r e a t me n t s， bu t t he y c a n r e pr e c i pi t a t e a t t he PPBs i f t he a l l o y s l owl y c oo l s t hr ou gh t he M C c a r bi de pr e c i pi t a t i o n r a ng e ． Ke y wo r d s P／ M s u p e r a l l o y ； p r i o r p a r t i c l e b o u n d a r y ； h o t i s o s t a t i c p r e s s i n g； o x y c a r b i d e 采 用粉 末 冶 金 技 术 生 产 的高 温 合 金 具 有 晶粒 细小 、 组织均匀、 无宏 观偏 析、 热加工性能和力学性 能 良好等优异特性， 是航空航天领域先进发动机高 压涡轮盘等热端部件的优选材料 。目前 ， 美国、 俄罗 斯 和欧洲 的一 些先 进 航空 发动 机 均采 用 了粉末 冶金 高温合金涡轮盘 。我国也于 2 0世纪 7 0年代末开始 研究粉末冶金高温合金 ， 现 已成功研制出 F GH9 5 、 F GH9 6和 F GH9 7三种粉末 冶金高温合金 ， 并投入 了生产 应用 。 然而 ， 粉末冶金高温合金 中所存在的三大缺陷 [ 夹 杂 物 、 热 诱 导 孔 洞 和 原 始 颗 粒 边 界 P P B ] 对 合 金的性能产生了严重的影响。直接热等静压成形的 收稿 日期； 2 0 0 9 0 8 0 3 基金 项 目 国家重点基 础研究 发展计划 ， No ． 2 0 1 0 C B 6 3 1 2 0 0 课胚号 2 0 1 0 C B 6 3 1 2 0 4 作者简介 赵军普 1 9 8 4 一 ， 男 汉 ， 陕西西安人 ， 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 4 4 粉末冶金工业 第 2 0卷 粉末冶金高温合金中所 出现 的 P P B对合金 的组织 和性能都有着不利的影 响， 并可能成为潜在 的裂纹 源， 使得合金的应用受到 了限制。本文 简单 的介绍 了国内外学者对于 P P B形成机理及消除措施方面 的研究 工作 。 P P B产生 的原 因及其组成 1 ． 1 P P B的形成 机理 制粉冷却过程中在粉末表层会存在一定的元素 偏析 ， 同 时还会 在 表 面 生成 一 些 氧 化 物质 点 1 ] 。在 热等静压 HI P 加热过程 中， 快速冷却 的粉末中的 亚稳相分解 ， 析出稳定的第二相颗粒 ， 表面生成的氧 化物质点会促进这一过程的进行， 最终 导致在粉末 颗粒边界迅速析出大量 的第二相颗粒 2 ] 。这些析出 物具有较高的高温强度， 在 HI P过程 中一般不会变 形或破 碎 ， 最终 导致 合 金锭 坯 组 织 中保 留有 未 变形 的颗 粒形貌 ， 即所谓 的 P P B 如 图 1 所示 。 图 1 H I P态 F G H 9 6合金显微组织 中的 P P B 有研 究 指 出 ， P P B是 由于 制 粉 工 艺 、 储 运 过 程 和环境污染等原因， 使粉末颗粒表面富集有 、 C r 、 Al 的氧化 物 以及 O 、 C， 在 HI P过程 中 由于表 面 张 力在烧结颈处产生的过剩空位浓度为原子扩散提供 了动力学条件 ， 颗粒内部的 Ti 、 Nb及 c等合金元素 扩散到了表面 ， 而颗粒表面预先存在的低能氧化物／ 氧化物界面又为碳化物形核提供 了结构条件， 从而 在颗粒边界处析出一层稳定的富 Ti 、 Nb的碳化物、 碳氧化物或氧碳氮化物的 网状薄膜 。 ] 。形核按下 式进 行 Al ， C r 氧 化物 T i Nb Ni 十C 表 层 表 层 及 内部 一 Ti ， Nb C， O Ni 。 A1 Cr 表层 向内或溶解 这层 网状 析出物在高温下具有较高的强度 ， 而 塑性却与金属基体相差较远 ， 在 HI P过程中很难发 生变形。对于碳及氧等杂质含量高的异常粉末会形 成更严重的 P P B。因此 ， 合金粉末表面富集 的氧化 物和 吸 附的氧是 形成 P P B的主要 原 因之 一L 1 “ ] 。这 些氧 及氧化 物 主要来 源于 制粉及 粉末 处理期 间惰 性 气体的纯度不够 ， 含有较高 的氧。然而也有研究指 出 P P B还可 能 主要 由大 尺 寸 的 y 相组 成 ] 。在 HI P过程中， 部分未溶解的 7 ， 相使得粉末具有较高 的高 温强 度 ， 变 形 抗 力 大 ， 从 而 未 发 生 形 变 和 再 结 晶。 影响 P P B形成 的变量很 多 ， 目前 还 没有 一种 能 准确测量 P P B数量的方法 ， 而且析 出物的尺寸和数 量也不易确定， 因此很难具体 的评估 P P B的严重程 度 。对 此 ， I n g e s t e n等人 给 出 了如 图 2所 示 的 0 ～ 4 级的 相 对 等 级 ， 用 来 直 观 的 对 P P B 进 行 粗 略 评 级 [ 3 ] 。 图 2 I n g e s t e n 提 出的 P P B评级标 准 1 ． 2 P P B的组成 根 据 不 同 的 文 献 报 道 ， P P B主 要 由碳 化 物 、 大 尺寸 ， 相和少量氧化物或碳氧化物组成 ， 各相具体 含量与粉末的制备工艺和合金成分有关 。国外的很 多文献 指 出 P P B析 出物 主要是 碳化 物 、 氧 化物 或 氧 碳 氮 化 物 等嘲 ， 这 可 能 与 其 采 用 的是 氩 气 雾 化 法 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 赵军普 等 粉末 冶金高温合金中的原始颗粒边界 P P B 问题 4 5 AA 制粉有关 ， 该 工艺制备 的粉末表面 吸附有较 高 的氧 ， 并 有一 定 量 的氧化 物 ， 这 有 利 于碳化 物 的形 核析出。国内采用等离子旋转 电极工艺 P RE P 制 粉， P P B中除了碳化物 和氧化物相 ， 还含有 较多 的 大尺寸 y 相。对 F GH9 5合金 的研究表 明， 氧含量 对 P P B的组 成 有着 很 大 的影 响 ， 当氧含量 小 于 4 0 1 0 时 ， P P B主要 是 由大 尺 寸 的 y 相 组 成 ； 而 当 含 量大 于 7 O 1 0 时 ， P P B主要 由 MC型碳 化 物 组 成 。 2 P P B对合金组织 与性 能 的影 响 粉末表面的网状碳氧化物薄膜的析出使得粉末 颗粒之 间的元素 扩 散 和 冶 金 结 合 受 到 影 响 ， 阻碍 了 晶粒的长大 ， 并成为潜在的裂纹源， 显著地降低了合 金 的力 学性 能 。 2 ． 1 对组 织 的影 响 颗粒边 界 的脆 性氧 化 物 Al O 。 、 Ti O 。等 以及 MC型碳 化 物 使 得 粉末 颗 粒 在 HI P过 程 中 的 变 形 受 到 限制 ， 导 致 粉末 颗粒 内部 再结 晶不充 分 ， 甚 至未 发 生再 结 晶 ， 而 且这 些 边 界 析 出物 还 阻 碍 了 晶粒 的 长大， 使 得 合金 的显微 组 织难 以控 制 如 图 3所 示[ 6 。显微组织 的控制对于高温合金 的性能是至 关重要的， 如为了获得较高 的强度和低周疲劳性能 就要尽可能保证细 晶组织 ， 而粗 晶组织一般具有较 好的抗裂 纹扩展能力 和蠕变性能 。P P B析 出物阻 碍 了 晶粒 称 的长 大 ， 不利 于粗 晶材 料 的发 展 。 图 3 H I P态 F G H 9 5合金 中 P P B对再结 晶及 晶粒 长大的影响 2 ． 2 对 力 学性 能 的影 响 P P B碳 氧化 物 网膜 与 基 体 的 塑性 不 同 ， 因此 在 受 力变 形 时不能 与 金 属 基 体 的 变 形 相协 调 ， 由于 位 错堆积和应力集 中， 会在 P P B析 出物／ 基体界 面处 形成 空洞 ， 进 而 容易 成 为裂纹 源 ， 并 为裂 纹 的扩展 提 供了一个连续 的通道 ， 最终会造成颗粒边界的结合 力较弱 ， 表 现 出较差 的塑性_ 5 ] 。粉末 冶金高温合 金的断 口分析表 明， 当合金含有 P P B时 ， 其 断裂方 式主要为沿 P P B的脆性断裂 图 4 l_ 8 ] 。图 5 是通过 粉末表面预热处理减少 P P B后 ， 合金性能的改善效 果_ g ] 。P P B的存在 还 会 导 致 合 金 的 强度 、 塑性 和持 久性能不稳定[ 】 。此外 ， 颗粒边界碳化物 的析出会 消耗一定量的合金元素 ， 使得合金 中有益相析出的 可 用元素 减 少 。 图 4 E P 7 4 1 N P合金 沿 P P B断裂 的断 口 图 5 P P B对粉末冶 金高温合金强度和塑性 的影 响 圈 未处理； 粉末经预热处理 对于 以 y 相 为主 的 P P B相关 研 究 比较少 ， 目前 还不太清楚其形成机理 ， 但文献[ 5 ] 中的研究指出颗 粒边界大尺寸的 y 相 不会对合金 的性 能产生 明显 影 响 。 3 影响 P P B形成的因素 3 ． 1合 金成分 对 P P B的 影 响 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 粉末冶金工业 第 2 O卷 1 合金中碳含量对 P P B的影响 由于 P P B网状薄膜主要是 MC型碳化物， 因此 碳含 量对 P P B 的析 出量 有 着 重 要 的影 响 。早 期 的 AP K一1 镍基粉末冶金高温合金就是通过将碳含量 降至 0 ． 0 3 ， 从 而 克 服 了 P P B 的 影 响 。有 研 究 指 出， 当合金中的碳含量降至 5 O 1 0 以下时， 可 以完 全 消除 P P B l_ 1 。 2 碳 化物 形成元 素 的影 响 强碳 化物形 成 元 素 如 Hf 、 Ta 会 与 碳 在 颗 粒 内 部优 先 形 成 更 稳 定 的碳 化 物 ， 从 而 使 碳 不 至 于 在 HI P过程 中扩散 到 表面 ， 避 免 了碳 化 物 在 粉末 表 面 析 出l_ 1 ] 。不 过值 得注意 的 是 ， Wa r r e n等 人 对 As t r o l o y合 金 的研 究 发 现 添 加 Hf 并 不 一 定 会 减 少 P P B的析出程度 ， 这是因为 P P B对氧含量 比对碳含 量更敏感 ， Hf 不仅可以在颗粒 内部形成稳定的碳化 物 ， 还可 能与颗 粒 表 面吸 附 的 氧形 成 更 稳 定 的氧 化 物 _ 1 。因此 ， 降低 粉 末 的 氧 含量 对 减 少 P P B尤 为 重要 。 3 微量元素硼含量的影响 硼会在粉末表面形成一层 B O 。 ， 从而降低了表 面的氧含量和 自由能 ， 减小了氧化物和碳化物形成 元 素 向表 面扩 散 的驱 动力 。这些 B O。 在 高 温下 会 与其 它 氧化物形 成 具 有 热敏 感 性 的偏 硼 酸 盐 ， 从 而 减少 了表 面 的氧 化 物 ， 防止 了 P P B 的析 出 ， 同时 改 善 了颗粒 间 的接 触 条 件口 。有 文 献 中指 出硼 含 量 增 加到 0 ． 1 ， 碳含 量 降低到 0 ． 0 2 9 ／ 6 ， 对 于减少 P P B 非常有利l_ 】 。 3 ． 2粉 末制备 工艺 对 P P B的影 响 制粉 工艺 对 P P B 的析 出有 着 一定 的 影 响 。对 于具 有相 同尺 寸和 成分 的粉 末 ， 采 用 P R E P法 制 备 的粉末 在 HI P过 程 中用 于 形 成 T i C 网膜 的碳 含 量 比 AA 法要 少 ， 这 是 因为 在 P RE P法 制 粉 过程 中母 合金 电极棒 中的一些大颗粒 T i C并未分解 ， 依旧以 碳化物的形式存在于粉末 颗粒 内部[ 】 。粉末粒度 对 P P B的形 成也有 一定 的影 响 ， 小尺 寸 的粉 末 比表 面积大， 吸附有较高的 C、 O， 在 HI P过程中会形成 较严重的 P P B L 1 。此外 ， 制粉期间粉末的冷却速度 对 HI P成形 后 合金 中的 P P B也 有 明显 的影 响 。冷 却速度越慢， 粉末颗粒表面吸附的氧越多 ， 同时颗粒 内部的 T i 和 c等元素也将有更多的时间 向表面扩 散 ， 最终会 导致 HI P态锭 坯 中析 出的 P P B增 多u 。 近来 有人 提 出采 用 火 花 等 离 子 体 制 备 高 温 合 金 粉 末 ， 该法 的冷却 速 率 比传 统 的 AA 法 和 P R E P法 要 高 一个 数量级 ， 粉末 内部 是球状 晶凝 固组 织 ， 组 织更 加均匀[ 1 。因此 ， 采用该制粉工艺可能会 减少 Ti 、 C等元 素 向表 面 的扩散 。 3 ． 3成 形工 艺对 P P B的影 响 HI P成形期间颗粒 内部 Ti 、 Nb和 c等元 素向 颗粒 表 面的扩 散是 P P B形成 的重要 原 因之 一 ， 因此 热 等静压 工艺 参 数 对 P P B 的严 重 程 度 有着 重要 的 影响。高温 HI P会使某些 P P B析 出物溶解， 改善 颗粒 间的扩散结合 ， 从而减轻其对合金性能的影响 。 对 C、 O含 量 相 同 的 As t r o l o y合金 粉 末 HI P成 形 ， 当压力从 3 5 MP a 变 到 1 0 5 MP a时 ， P P B从 1级变 成了 2级 ] ， 这说明低压 HI P使得元素扩散 的驱动 力 减小 ， 也有 利于 消除 P P B 。 3 ． 4热处理 对 P P B的影 响 国外 有研 究认 为 ， 热处 理对 P P B析 出物几 乎 没 有 影 响 ， 合 金经 压 实成 形 后在 高 于或 低 于 7 相 固溶 温度 进行 热处 理不会 改 变 P P B析 出物 的本 质 ， 也 不 会减少其数量或体积， 但在较高温度热处理时， 由于 晶粒 的长大 ， 会使得 P P B析出物的分布发生一定的 变化， 从而会影响到合金性能 。国内有研究表明， 采 用“ 高温 固溶处理 空冷” 可以消除 P P B， 但如果 冷 却速度过慢 炉冷 ， 则不能完全消除 P P B [ 1 引。这是 因为在 MC型碳 化 物 形 成 温 度 下 缓 冷 会 再 次 析 出 P P B。因此 ， 实际生产 中即使采取 了一些措施 消除 了 P P B缺陷， 但如果后续热处理 的温度或冷却速度 不合适 ， 碳化物还可能再次在颗粒边界析 出。 4 预防和消除 P P B的措施 4 ． 1 调 整合 金成 分 所 前所述 ， 合 金 的成分 对 于 P P B的形 成有 着 至 关重要的影响， 因此适 当调整合金的成分对于减 少 P P B的析出有着较好的效果 。如 ME R L 7 6合金 就 是对 I N1 0 0合金 进行调 整 ， 添 加 了 Nb和少 量 的 Hf ， 同时 降低 了碳 含量 以减 少 P P B的析 出 ； 而 AP 1 合金则是在 As t r o l o y合金成分 的基础上进一步 降 低 了碳含 量 以消 除 P P B 。 4 ． 2粉 末预 处理 1 粉末真空动态脱气处理 粉末真空动态脱气处理是利用粉末在真空高温 下解 吸脱附的原理 ， 使粉末在真空高温环境下动态 运 动 时粉末表 面 的气体 充分解 吸 。对粉 末进行 真 空 动态脱气处理可以脱附粉末颗粒表面 的氧， 从 而减 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 赵军普等 粉末冶金高 温合金 中的原始颗粒边界 P P B 问题 47 少 P P B析 出的 形 核 因 素 。 图 6是 粉末 表 面 热 动 态 除气处 理 P P B改 善效 果 比较 。 图 6 粉末表面 热动态除气处理对 P P B改善效果 a 未处理 ； b 处理后 2 粉 末化 学 清洗 化学清洗法是用含氯的气体处理粉末以减少表 面钛的偏析。文献[ 1 1 ] 和[ 1 4 ] 中提 到用 HC 1 气体 清洗 粉末 的表 面 ， 可 以 同时 消 除 粉 末 颗粒 表 面钛 和 碳 的偏 析 ， 从 而减 少 了在粉 末 颗粒 边 界析 出 的 Ti C， 反应 方程 如下 4 HCl g Ti C Ti C1 g CH g 粉末经化学清洗后 ， 表层相对软化 ， 因此在后续 HI P成 形 过 程 中更 易 变 形 并 发 生再 结 晶 。然 而 该 法处 理 的结果 均 匀性 较 差 ， 对 于 一些 颗 粒 可 能 只有 表面几 微 米发 生 反应 ， 而 对 于 另 一些 颗 粒 可 能会 达 到上 百微 米 ； 而且 平均 处理 深度 可达 到 2 5 m， 会 显 著降低收得率 。此外 ， 该法不能处理大批量的粉末 ， 因此并没有在工业上取得应用 。 3 粉 末预 热 处理 P HT 预热 处理 是把 松散 粉 末 预先 在 M 。 C 。 或 MC 相稳定温度进行预处理 ， 使碳 在颗粒 内部形成成分 均匀稳 定 而无 害 的碳 化 物 ， 随 后 在 MC相 形 成 温 度 进行 HI P压实 ， 从 而减少 HI P期 间碳化 物在颗粒 边界的优先形核。在粉末预热处理时 ， 由于粉末处 于松装 状态 ， 颗 粒 间只是 烧 结而 无烧 结 颈长 大 ， 而且 基本不受外力作用 ， 因此不完全具备碳化物优先形 核 的能 量条 件 和动 力学 条件 。快 速凝 固的粉 末 内部 相当于一个过饱和空位体 ， 预处理加热时表面富集 的元素 有 向 内扩 散 的趋 势 ， 同 时粉 末 表 面 需 要 富 集 一 定量的元素以降低表面能 。当表面能与内部空位 能平衡 时， 元素不再 扩散， 从而在 HI P之前就在颗 粒 的表 面和 内部 形成 均 匀 、 稳 定 的碳 化物 质点 ， 避 免 了碳化物在颗粒界面处 的优先形核和长大l_ 2 ] 。对于 粉末表面已经存在 的析 出物 ， 预热处理虽然不能降 低其析 出程度 ， 但可以使表面析 出物粗化， 增大析 出 相之间的距 离 ， 使其离散化 ， 从而可 以改善 HI P期 间颗粒 的结合程度 ， 提高合金的显微断裂性能[ 1 。 4 ． 3优化 成 形工 艺 1 两 步成 形法 两 步 HI P成 形 法 是 指 先 将 粉 末 加 热 到较 低 的 M。 。 C 析出温度并保温一段时 间， 使碳化物在颗粒 内部析出长大到一定尺寸； 然后再在较高的 MC析 出温度下成形 ， 使碳 化物来不及重新在颗粒边界析 出。研究表 明， 采用 预热等静压工艺可 以抑制碳化 物 溶解 和溶 质元 素 在 粉 末 表 面 的 偏 析 ， 改 善 了粉 末 间的 烧 结性 能 。在 进 一 步 高 温 HI P前 粉 末 间 已 基 本烧 结 ， 消 除 了粉 末 自 由表 面 ， 从 而 再 不 产 生 P P B 溶质富集和析 出_ 1 。然而 ， 两步成形法所需的 HI P 时间较 长， 因此 成 本 较 高。此 外 ， 该 工 艺 要 求将 HI P设备 的温度控制 在非常狭窄的范围内， 否则可 能 导致成 形 件不 同位 置 的组 织 出 现 较 大差 异 ， 因此 该工 艺并 未 在生 产 中广 泛应 用[ 2 。 2 改进 HI P工艺参数 HI P温 度对 P P B的组 成也 有重 要 的影 响 ， 高 温 HI P可以减少 网状 的 P P B析 出物。在 对 F GH9 5 合金 的研究 中发现 ， HI P温 度在 1 1 2 0 ℃时 只有局 部存 在 P P B； 当处 理 温度 降至 1 0 8 0 ℃时 ， 在 颗 粒边 界可 以观 察 到 明显 的连 续碳 化 物 网膜 Ⅲ 2 。然 而 ， 高 温 HI P后 ， 若缓冷 至室温， 由于 晶粒 内部 的 Ti 、 Nb 和 C等元素有较多 的时间向颗粒表面扩散， 从 而会 增加 P P B的析出程度 ； 而且高温下溶解的碳化物在 缓冷 过程 中会 以一 种 更连 续 的方 式再 次析 出_ 7 ] 。因 此 ， 在高 温 HI P后 进 行 快 速 冷 却 对 消 除 P P B有 着 较好 的效 果 。此 外 ， 还 有文 献 报道 采 用低 压 HI P对 消 除 P P B网状 物 也 有 着 很 好 的效 果 ， 这 可 能 是 因为低压作用下 ， 元素扩散的驱动力较小 ， 使得碳化 物形核条件变差 ， 但压力过低不利于粉末的压实 。 3 S S HI P成 形_ 2 。 S S - HI P成形工艺是指在略低于固相线 亚 固相 线 的温 度下 进行 HI P， 具 体 温 度 范 围定 义 在 T 。 。 i 一 Ts s - 2 8 ℃。该成形工 艺 的处理温度相 当高 ， 大多数 的 P P B析出物都 已溶解 ， 而且高温有利于颗 粒 间元素的扩散结合 。采用该成形工艺可以显著改 善颗粒 间的结合程 度， 减少 合金组织 中的 P P B， 而 且合金具有比常规 HI P成形更好 的热塑性 ， 可以省 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 8 粉末冶金工业 第 2 O卷 去热挤压工序 ， 简化了工艺， 降低 了成本。图 7是采 织对 比 。 。 用常规 HI P和 S S HI P成形 的 Ud i me t 7 2 0合金组 图 7 S S ． H I P成形工艺对 U d i me t 7 2 0 合金 中 P P B的影响 a 1 1 2 0 ℃ H I P； b 1 2 6 5 ℃ HI P 4 ． 4其 它消 除 P P B的方 法 1 高温 固溶处 理 在 略低 于固相线 温度 下 进 行 固溶处 理 S S S T 可以溶解部分 P P B析出物口 ] ， 而且高温下有利于 元素扩散 ， 可以使颗粒间充分结合 ， 改善了合金的性 能 。 2 机 械破 碎 除 了上述 预 防和减 少 P P B的措 施 之外 ， 目前 消 除粉末 冶金 高 温 合 金组 织 中 P P B 的最 有 效 的方 法 就是 在生 产 中增 加变 形工 序 ， 如 挤压 等温 锻造 、 热 轧等， 可使 P P B完全破碎， 但这将失去利用 HI P成 形工艺生产近终形工件这一优点， 使后续加工量增 大 ， 收得率降低 ] 。 随着我国大型挤压设备的投入使用 ， 采用热挤 压成 形也将 会成 为我 国粉末 冶金 高温 合金 生产工 艺 之一 。热挤压变形过程中的剪切作用可有效地破碎 P P B， 并可获得细小 、 均匀的等轴晶。 5 结语 1 P P B是 由于在 制粉 和 HI P成 形期 间粉 末 内 部 的 c和 Ti 、 Nb等元素扩散到颗粒表面 ， 并在颗粒 表面 的氧化 物 处 形 核 ， 析 出连 续 状 MC型 碳 化 物 。 这些碳氧化物阻碍了颗粒问的冶金结合 ， 使合金的 组织难 以控制， 并降低了合金 的塑性 ， 导致合金力学 性 能不稳定 。 2 通过 调 整合 金 中的微 量元 素如 C 、 B 、 Hf 和 Ta 等 的含量 ， 并 严格 控 制 粉 末表 面 氧 的 吸 附 ， 可 以 有 效减少 P P B的析 出。 3 选择合适的制粉及粉末处理工艺和适 当的 HI P成 形工 艺 及 其 参 数， 也 可 以降 低 合 金 中的 PPB。 4 高温固溶处理会使 P P B析出物溶解 ， 但 如 果在 MC型碳化物析 出温度范 围内的冷却 速度过 慢 ， 碳化 物会在 颗粒 边界再 次析 出 。 参 考文献 [ 1 ] C HE N Hu a n mi n g ， HU B e n f u ， L I Hu i y i n g ，S u r f a c e c h a r a c t e r i s t i c s o f r a p i d l y s o l i d i f i e d n i c k e l b a s e d s u p e r a l l o y p o wd e r s p r e p a r e d b y P R E P[ J ] ．R A RE ME T AL S， 2 0 0 3 ， 2 2 4 3 0 9 3 1 4 ． [ 2 ] 毛健 ， 俞 克兰 ， 周瑞发． 粉 末预 热 处理 对 HI P R e n 6 9 5 粉末高温合金 组织 的影 响I- J ] ． 粉 末冶金 技术 ， 1 9 8 9 ， 7 4 2 1 3 - 2 1 9 ． I- 3 - 1 I n g e s t e n N G， Wa r r e n R， W i n b e r g L ． Na t u r e a n d o r i g i n o f p r e v i o u s p a r t i c l e b o u n d a r y p r e c i p i t a t e s i n P ／ M S U p e r a l l o y s A ] ． B r u n e t a u d R， C o u t s o u r a d i s D， G i b b o n s T B， Li n d b l o m Y ，M e a d o wc r o f t D B， S t i c k i e r R．Hi g h T e mp e r a t u r e Al l o y s f o r G a s 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n t e r n a t i o n a l ， 2 00 6， 13 5 65 - 68 ． Ra o G App a。 Kun1 a r Mahc l t d r a． l’ mi x ； I M ． Sa r ma f S Ef l ee t o f s t a nd a r d he a t t r e a t nl Cll t o n t he mi c r o s t r u c t ur e a n d pr o pe r t i e s of h ot i s o s t a t