德國徠卡顯微鏡的粉末高溫合金擠壓變形組織研究

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(qiáng)度和疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，已成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的材料。目前，在粉末高溫合金制造領(lǐng)域，美國和俄羅斯工藝各異，但均居于前列。而我國在20世紀(jì)80年代才開始對(duì)粉末高溫合金進(jìn)行研究，在材料研究和應(yīng)用方面雖已有了很大的進(jìn)步，但在渦輪盤材料工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)Rene41、IN一100、U一700等合金材料的擠壓工藝進(jìn)行了細(xì)致的研究，并得到了廣泛應(yīng)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(jīng)成功地研制出直徑為630mm的FGH95粉末渦輪盤罔。但迄今為止，對(duì) FGH96合金擠壓工藝的研究還沒有系統(tǒng)地展開。

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

　　一、試驗(yàn)方案：

　　試驗(yàn)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(jīng)緩冷處理后進(jìn)行擠壓。

　　試樣經(jīng)機(jī)加工，包套，并在高溫電爐中加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間后，在液壓機(jī)上快速擠壓，擠壓比R=4：l。擠壓后，利用線切割切取試樣，經(jīng)砂紙磨樣拋光后，采用化學(xué)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(jìn)行顯微組織觀察。

　　二、結(jié)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(xì)化，晶粒度明顯小于擠壓前，而且經(jīng)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(xì)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(dāng)于ASTM晶粒度8級(jí)，輪心處的晶粒尺寸為10um～15um，相當(dāng)于ASTM晶粒度的8～9級(jí);FGH96經(jīng)熱等靜壓后，晶粒尺寸約為20um～30um，即相當(dāng)于ASTM7～8級(jí);而GERALD FRIEDMAN在對(duì)同類材料Rene41合金擠壓后的棒材組織進(jìn)行研究中，晶粒度達(dá)到ASTM 11～12級(jí)。由此可知，擠壓變形可以獲得細(xì)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(fā)生較大的塑性變形，從而得到細(xì)小的晶粒組織;同時(shí)，在擠壓變形過程中，擠壓坯料發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程，破碎的細(xì)小晶粒在長大的過程中，由于Y相對(duì)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(xì)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(qū)域：大概為3um～lOum(ASTM No.12～9)，表面部位厚度大約為2mm～3mm的區(qū)域內(nèi)達(dá)到10um～15um(ASTM No.9～8)，其中間有一段很少的區(qū)域晶粒度達(dá)到2um～6um(ASTM No.14～12)。在FGH95合金擠壓比為6.5：1時(shí)，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(duì)晶粒的破碎程度也比較大，所以能夠得到比較細(xì)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(jié)晶晶粒沒有來得及充分長大。被保存下來，從而得到了細(xì)小的再結(jié)晶組織;在中心部位，由于金屬主要是沿著擠壓方向流動(dòng)，且塑性變形量相對(duì)較小，同時(shí)在擠壓后冷卻速度也比較慢，晶粒有較長的時(shí)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(fā)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(chǎn)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(guī)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(xù)分布，形成了網(wǎng)狀或鏈狀。擠壓變形后，在晶粒邊界析出了細(xì)小、均勻的Y相，呈現(xiàn)出宏觀上非連續(xù)的網(wǎng)狀分布。在晶粒組織內(nèi)部，Y相更細(xì)小，這是由于在擠壓變形過程中，受到三向壓應(yīng)力的作用，發(fā)生了較大的塑性變形，同時(shí)，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(chǎn)生較大的過冷度，導(dǎo)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(gè)受擴(kuò)散控制的過程，溫度的快速下降和擴(kuò)散時(shí)間的限制，也使得Y長大受到限制，從而得到細(xì)小均勻的Y相。

　　三、結(jié)論：

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

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

　　(3)經(jīng)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(xì)小的Y相，這對(duì)擠壓件的力學(xué)性能和后續(xù)成形工藝非常重要。

　　(4)在擠壓變形過程中，F(xiàn)GH96合金以位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)為主要變形方式，同時(shí)伴有大量的孿晶產(chǎn)生，兩者相互影響，相互協(xié)調(diào)。同時(shí)。由于擠壓變形過程中，發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而最終形成了細(xì)小、均勻的等軸晶。