热诱导孔洞对粉末冶金高温合金性能的影响.pdf

第 2 5卷 第 1 期 2 0 1 5年2月 粉 末 ． 台金 工 业 P O W DER M ETALLURGY I NDUSTRY Vo 1 ． 2 5， No ． 1 ，p 4 2 - 4 5 Fe b ． 2 O l 5 D Oh 1 0 ． 1 3 2 2 8 q ． b o y u a n ． i s s n l O 0 6 - 6 5 4 3 ． 2 0 1 4 0 0 3 1 热诱导孔洞对粉末冶金高温合金性能的影响 张国星 ，韩寿波 ，孙志坤 I ． 钢铁研究总院 高温材料研究所， 北京1 0 0 0 8 1 ； 2 ． 高温合金新材料北京市重点实验室， 北京 1 0 0 0 8 1 摘 要 热诱导孔洞 T I P 是粉末高温合金中的3 种主要缺陷之一， 对合金的性能有不利影响。对生产中存在 T I P的工件进行 了分析 ， 观察了合金的显微组织 ， 并研究了不 同气孔率对合金性 能的影响 。结果表明 对大尺 寸、 形状复杂的合金制件而言， 在热等静压时包套内部有残留气体是T I P形成的原因。随着气孔率的增加， 合 金 的室温拉伸性 能和冲击韧性 明显降低。 当气孔率 从0 ． 0 7 2 ％增 加到 1 ． 7 4 4 ％时， 抗 拉强度和屈服强 度分别降 低了2 8 ． 3 7 ％ U 1 7 ． 3 9 ％， 伸长率和断面收缩率分别降低了6 2 ． O ％和6 2 ． 5 ％， 同时冲击功降低了5 8 ． 1 8 ％。热处理 时T I P会成为裂纹源， 导致合金制件出现裂纹甚至开裂。 关键词 热诱导孔洞 ； 粉末冶金高温 合金； 力学性能 ； 开裂 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 6 6 5 4 3 ． 2 0 1 5 0 1 ． 0 0 4 2 0 4 Ef f e c t s o f t he r ma l i ndu c e d po r o s i t y o n me c h a n i c a l p r o pe r t i e s o f PM s up e r a l l o y ZHANG Ouo xi ng ， HAN S h o u b o 。。 ， SUN Zh i k un 1 ． 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 I n s t i t u t e ， C I S R I ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ； 2 ． B e ij i n g K e y L a b o r a t o r y o f Ad v a n c e d H i g h T e m p e r a t u r e Ma t e r i a l s ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e r ma l i n d u c e d p o r o s i t y T I P i s o n e o f t h e t h r e e ma j o r d e f e c t s i n P M s u p e r a l l o y , w h i c h h a s a s i g n i fi - c a n t a d v e r s e e f f e c t o n t h e a l l o y p e r f o r ma n c e ． P M s u p e r a l l o y p a r t s wi t h TI P we r e a n a l y z e d ． T h e mi c r o s t r u c t u r e wa s o b s e r v e d a n d t h e e f f e c t s o f p o r o s i ty o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e a l l o y we r e a l s o s tud i e d ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e ma i n c a us e of TI P i s r e s i du a l g a s i n h ot i s os t a t i c pr e s s i ng c a n ni n g f o r t h e PM s up e r al l oy pa rts wi t h l arg e s i z e a n d c o mp l e x s h a p e ． Th e t e n s i l e p r o p e rt i e s u n d e r r o o m t e mp e r a t u r e an d i mp a c t t o u g h n e s s a r e g r e a t l y r e d u c e d wi t h t h e i n c r e a s e o f p o r o s i ty．Wh e n t h e p o r o s i ty i n c r e a s e s f r o m 0 ．0 7 2 ％ t o 1 ．7 4 4 ％ ． the t e n s i l e s t r e n g t h a n d y i e l d s t r e n g t h d e c r e a s e b y 2 8 ． 3 7 ％ a n d 1 7 ． 3 9 ％ ，r e s p e c t i v e l y , wh i l e the e l o n g a t i o n a n d r e d u c t i o n o f a r e a d e c r e a s e b y 6 2 ． 0 ％ a n d 6 2．5 ％ ， r e s p e c t i v e l y ． At the s a me t i me ， i mp a c t e n e r g y d e c r e a s e s b y 5 8 ． 1 8 ％ ． TI P b e c o me s the s o u r c e o f c r a c k d ur i ng h e a t t r ea t me n t ， c a us i ng t h e a l l oy c r ac ks o r c r a c ki ng． Ke y wo r d s t h e rm a l i n d u c e d p o r o s i ty； P M s u p e r a l l o y ； me c h a n i c a l p r o p e r ty； c r a c k i n g 粉末高温合金制备过程 中， 如果在热等静压 时 包套 内有残 留气体， 成形后合金制件中的残留气体 在后续热处理过程 中会发生热膨胀 ， 在合金的显微 组织 中产 生不连续 的孔洞 ， 即所 谓的热诱 导孔洞 T I P 。不 同制粉工艺中， 粉末中残留气体的来源有 所不 同。采用氩气雾化法 AA mJ 粉时， 残留气体主 要有 以下几种来源 1 粉末 中卷 入的起冷却作用 的惰性气体 ， 或者是空心粉中的氩气 2 制粉和粉 末处理过程 中， 粉末颗粒表面吸 附的氩气在装套时 未完全去除 3 包套密封不严， 在热等静压期 间渗 入 了高压氩气 。 】 。采用等离子旋转 电极法 P R E P 制备的粉末 ， 空心粉数量较少 ， 该工艺制备 的合金 中T I P的形成主要是由于粉末吸附的气体或包套密 封不严造成 的。 基 金项 目 国家重点基础研 究发展计划项 目 2 0 1 0 C B6 3 1 2 0 4 作者 简介 张1 1 9 7 7 -- ， 男， 硕士 ， 工程师， 主要从事粉 末冶金高温合 金方面 的研 究。 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 ． 0 3 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 粉末冶金工业 第 2 5 卷 合金制件 出现开裂 的主要原 因之一 。合金制件 中 T I P的分布 并不均匀， 从制件边缘到 中心 ， T I P逐渐 变得严重。考虑到不同合金制件 中均存在此情况 ， 所 以造成 T I P的原因不是包套漏气造成的， 而很可 能是 由于脱气不足而造成的。因此， 在脱气处理时 应保证足够的真空度和足够的脱气时间， 当合金制 件尺寸较大、 形状复杂时尤为如此。 图3 是带中心孔环形制件包套在热等静压炉 内 的受力示意图。在热等静压过程 中， 包套 内径处的 受力 如式 1 所示 。 _ -- p。 S 。 1 式 中 指包套 内径处面积； P 指包套 内径处受到 的气体压强。 包套外径处的受力 如式 2 所示。 Fo _--p S o 2 式中 指包套外径处面积； P 指包套外径处受到 的气体压强。 1 图3 热等静压过程中带中心孔制件包套 内外径处受力示意图 由于 包 套 内径 处 面 积 比外 径 处 面积 小 ， 即 So ， 而 P _--p 。 _--p P为热 等静压 机 内气 体压 强 ， 由此可得 出， F l ， 因此在热等静压过程中 包套发生收缩变形 。在包套收缩 的过程 中， 由于温 度和力的作用， 残留气体沿着力的梯度的相反方 向 发生扩散 ， 即包套外径处的残 留气体 向包套 内径处 聚集， 因而制件中心处的T I P比边缘处严重。如 图2 所示， 沿着径 向方 向由外向内， 合金组织中的T I P逐 渐严重 ， 尺寸和数量均逐渐增加 。 2 ． 2 T I P 对合金性能的影响 在合 金制件 不同位 置取样检测其 热密度 与实 际密度 的差异 ， 由此确定不 同位置 的气孔率 。图2 a ～ c 对 应 的气 孔 率 分 别 为 0 ． 0 7 2 ％、 0 ． 2 1 8 ％和 1 ． 7 4 4 ％。在相应位置取样测定其力学性能 ， 分析气 孔率对力学性能的影响。 图4是气孔率对合金室温拉伸性能的影响。由 图可知 ， 随着气孔率 的增加 ， 合金的抗拉强度和 塑 性都显著降低 。气孔率从 0 ． 0 7 2 ％增加到 1 ． 7 4 4 ％时， 抗拉强度从 1 4 5 2 MP a 降低到了 1 0 4 0 MP a ， 屈服强 度 从 9 9 5 MP a降 低 到 了 8 2 2 MP a ， 分 别 降 低 了 2 8 ． 3 7 ％ D 1 7 ． 3 9 ％； 伸长率从 2 5 ． O ％降低到 了9 ． 5 ％， 断面收缩 率 从 2 4 ． 0 ％降低 到 了 9 ． 0 ％， 分别 降低 了 6 2 ． 0 ％和 6 2 ． 5 ％。 图4 气子 L 率对合金室温拉伸性能的影响 图5 是气孔率对合金冲击韧性的影响。由图可 知 ， 当合 金 显微 组 织 中气 孔 率从 0 ． 0 7 2 ％增 加 到 1 ． 7 4 4 ％时， 合金的冲击 功从 3 7 ． 3 J 降低到了 1 5 ． 6 J ， 降低 了 5 8 ． 1 8 ％。 图5 气孔率对合金冲击功的影响 由于合金显微组织 中存在 T I P ， 导致合金组织 不连续 ， 在 受到外力冲击 作用 时， 应力集 中在 T I P 处 ， 此处成为裂纹源 ， 并进一步发展为裂纹扩展通 道。因此 ， T I P的存在显著降低了合金的冲击韧性。 2 ． 3 T I P对热处理裂纹的影响 T I P的存在易导致合金在热处理过程中产生裂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 张 国星等 热诱导孔洞对粉末冶金高温合金性能 的影响 4 5 纹， 严重时甚至造成合金制件 开裂， 如图6 所示。图 中的合金制件 由于存在 T I P ， 在热处理过程 中出现 了严重的开裂现象。热处理过程 中， 合金及残 留气 体受热膨胀 ， 但气体 的膨胀系数远大于金属 ， 造成 热 等静 压 压 实 的合 金 组织 中 出现 显微 孔 洞 ， 即 T I P 。热处理后的快速冷却过程 中， 在T I P处会出现 应力集中， 此 处成 为裂纹源 并可 能进一步扩展 ， 与 周围的T I P 连接 ， 形成裂纹。当T I P非常严重时， 在 热处理加热期 间这些显微孔洞 即连接起来， 进而导 致裂纹甚至开裂。 图 6 T I P 造成 的热处理裂 纹 3 结论 1 热等静压时包套 内有残 留气体是粉末冶金 镍基高温合金制件 出现 T I P的原因。 2 制件 中存在 的T I P显著地 降低 了合金 的力 学性能 。当气孔 率从 0 ． 0 7 2 ％增加 到 1 ． 7 4 4 ％时， 合 金强度 明显 降低 ， 抗拉强度 从 1 4 5 2 MP a 降低 到了 1 0 4 0 MP a ， 屈服强度从9 9 5 MP a 降低到了8 2 2 MP a ； 同时合金塑、 韧性也 明显变差， 伸长率从 2 5 ． 0 ％降低 到了 9 ． 5 ％， 断面收缩率从 2 4 ． O ％降低到 了9 ． O ％， 冲 击功从 3 7 ． 3 J 降低到了 1 5 ． 6 J 。 f 3 热处理过程中合金受到急冷急热作用， 组织 中的T I P 会成为裂纹源 ， T I P 严重时孔洞连接 ， 形成 裂纹甚至造成开裂。 参考文献 [1 】 张义文， 上官永恒． 粉末高温合金的研究与发展[ J ] ． 粉末冶金 工业， 2 0 0 4 ， 1 4 6 3 0 - 4 3 ． 【2】 张义 文． 高温 合金粉 末 内部孔洞 的研 究概况 [ J 】 名目 铁研究 学 报， 2 0 0 2 ， l 4 3 7 3 - 7 6 ． [3] 郭建 亭． 高温 合金材 料学 中册 一 制备工 艺[ M] ． 北京 科学 出 版社， 2 0 0 8 ． [4] S h a h i d B， P 1 i p p e S t e p h e n D A． L o w c y c l e f a t i g u e o f a s HI P a n d HI P f o r g e d Re n 6 9 5 [ J ] ．Me t a l l u r g i c a l T r ans a c t i o n s A， 1 9 7 9 ， 1 0 1 0 1 4 8 1 - 1 4 9 0 ． [5】 Mi n e r R D r e s h fi e l d R L ． E ff e c t s o f fi n e p o r o s i t y o n t h e f a t i g u e b e h a v i e r o f a p o w d e r me t a l l urg y s u p e r a l l o y [ J ] ． Me tal l u r g i c a l T r a n s a c t i o n s A， 1 9 8 1 ， l 2 2 2 6 1 2 6 7 ． 【6] Dr e s h fi e l d R L ， Mi n e r R V E f f e c t s o f t h e r ma l i n d u c e d p o r o s i t y O n an a s HI P p o wd e r me t a l l u r g y s u p e r a l l o y [ J ] ． MI ，1 9 8 0 ，1 2 2 8 3 8 7 ． 圈 外 信 患 美国材料与试验协会将制定有关三维打 印用金属粉末方面 的技术标准 美国材料与试验协会计划在指导确定增材制造用金属粉末的性能方面 ， 制定一个新 的技术标准 。美国 国家标准与技术研究所的物理学家、 美 国材料与试验协会会员J o h n A S l o t wi n s k i 说 “ AS T M F 3 0 4 9 将被用来 指导读者， 找 出现有的可以适用于金属增材制造应用领域的金属粉末标准 ， 以便为希望测量增材制造用金 属粉末性能的人提供帮助 。 ” AS T M F 3 0 4 9 是 由美 国材料与试验协会材料和加工领域 的F 4 2 ． 0 5 分委员会制 定的， 美国材料与试验协会还在起草一份 与AS T M F 3 0 4 9 匹配 的内容涉及评估使用增材制造方法制备的材 料的力学性能的技术标准， 这个技术标准已被命名为AS T M WK 4 3 1 1 2 ， 现在 AS T MWK 4 3 1 1 2 正处于美国材 料与试验协会主管检测方法的F 4 2 ． 0 1 分委员会 的管理范 围。F 4 2 ． 0 5 分委员会和 F 4 2 ． O 1 分委员会都是美国 材料与试验协会 F 4 2 分委员会的下属机构， 美国材料与试验协会 F 4 2 分委员会主管与增材制造技术有关的 工作 。信息摘译自 金属粉末报告 网站h t t p ／ ／ w w w ． m e t a l p o w d e r ． n e t ／ v i e w ／ 3 9 4 4 9 ／ n e w s t and a r d - c o v e r s m e ta l p o w d e r s f o r - 3 d p r i n t i n g ／ 2 0 1 4 7 2 4 ／ 2 01 4 - 8 1 0 孙世杰 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m