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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
摘要：擠壓能夠提高材料的力學(xué)性能，改善材料的組織狀態(tài),，并為后續(xù)的變形提供性能優(yōu)良的坯料,。本文通過對粉末高溫合金(FGH96合金)擠壓變形，獲得了組織良好的擠壓棒材,。采用徠卡DM6M顯微鏡對顯微組織進(jìn)行了觀察分析,，結(jié)果表明：擠壓變形后，F(xiàn)GH96合金的原始顆粒邊界得到了破碎,，再結(jié)晶后獲得了細(xì)小,、均勻的等軸晶，晶粒尺寸為3pm—lOum,。通過對Y相的分布和形貌觀察,，結(jié)果表明-擠壓變形后，Y相得到了破碎,，并均勻分布在晶粒邊界,。
1前言
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(yōu)點,，已成為*航空發(fā)動機設(shè)計的材料。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(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 FGH96合金擠壓工藝的研究還沒有系統(tǒng)地展開,。
本文對FGH96熱等靜壓合金錠坯進(jìn)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(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,，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)。
2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(jīng)緩冷處理后進(jìn)行擠壓。
試樣經(jīng)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(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,。
3結(jié)果分析
3．1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 2)。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,，輪心處的晶粒尺寸為10um～15um，相當(dāng)于ASTM晶粒度的8～9級,；FGH96經(jīng)熱等靜壓后,，晶粒尺寸約為20um～30um，即相當(dāng)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(jìn)行研究中,，晶粒度達(dá)到ASTM 11～12級。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,，在擠壓變形過程中，擠壓坯料發(fā)生了動態(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,。
3．2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 2～9),，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 4～12),。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 4),。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(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,，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(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,。
3．3 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,，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受擴(kuò)散控制的過程,，溫度的快速下降和擴(kuò)散時間的限制，也使得Y長大受到限制,，從而得到細(xì)小均勻的Y相,。
4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合金以位錯運動為主要變形方式,，同時伴有大量的孿晶產(chǎn)生,，兩者相互影響，相互協(xié)調(diào),。同時,。由于擠壓變形過程中，發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶,，從而終形成了細(xì)小,、均勻的等軸晶,。
參考文獻(xiàn)
【1】劉趁意，王淑云,，李付國,，東贊鵬．粉末高溫合金擠壓變形組織及變形機理研究.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，陜西西安710072,；北京航空材料研究院焊接與鍛壓研究室,，北京100095.