德国徕卡显微镜的粉末高温合金挤压变形组织研究

粉末高温合金具有组织均匀、无宏观偏析、合金化程度高、屈服强度和疲劳性能好等优点，已成为先进航空发动机设计的材料。目前，在粉末高温合金制造领域，美国和俄罗斯工艺各异，但均居于前列。而我国在20世纪80年代才开始对粉末高温合金进行研究，在材料研究和应用方面虽已有了很大的进步，但在涡轮盘材料工艺和结构设计上与国外还有很大的差距。在涡轮盘成形方面，美国主要采用：热等静压(HIP)，热等静压+等温锻造(HIP+HIF)，或挤压+等温锻造(EX+HIF);俄罗斯主要采用热等静压(HIP)。G.I.Friedman。P.Loewnstein和D.R.Camahan，D.S.Michlin等人对Rene41、IN一100、U一700等合金材料的挤压工艺进行了细致的研究，并得到了广泛应用。我国主要采用热等静压+等温锻造(HIP+HIF)的加工方法，并已经成功地研制出直径为630mm的FGH95粉末涡轮盘罔。但迄今为止，对 FGH96合金挤压工艺的研究还没有系统地展开。

　　对FGH96热等静压合金锭坯进行了挤压变形工艺的研究，并对挤压变形后的棒材显微组织进行了分析，获得了FGH96合金挤压变形后的显微组织变化规律;同时，通过挤压变形，获得了组织细小、均匀的等轴晶粒，从而为后续超塑性等温锻造成形奠定了基础。

　　一、试验方案：

　　试验采用氩气雾化法制备的FGH96合金粉末，它由热等静压工艺(HIP)制成粉末锭坯，并经缓冷处理后进行挤压。

　　试样经机加工，包套，并在高温电炉中加热到一定温度，保温一段时间后，在液压机上快速挤压，挤压比R=4：l。挤压后，利用线切割切取试样，经砂纸磨样抛光后，采用化学腐蚀和电解腐蚀的方法，分别得到合金的晶粒组织和Y相分布。用徕卡DM6M显微镜进行显微组织观察。

　　二、结果分析：

　　(1)显微组织变化

　　挤压后坯料的晶粒得到了显著的细化，晶粒度明显小于挤压前，而且经过挤压变形之后，粉末原始颗粒边界(PPB)得到明显破碎，获得了细小、均匀的等轴晶，平均晶粒尺寸约为5um(ASTM No.12)。而在FGH96合金涡轮盘等温锻造后晶粒组织研究中得出：轮缘部位的晶粒尺寸为20um～25um，相当于ASTM晶粒度8级，轮心处的晶粒尺寸为10um～15um，相当于ASTM晶粒度的8～9级;FGH96经热等静压后，晶粒尺寸约为20um～30um，即相当于ASTM7～8级;而GERALD FRIEDMAN在对同类材料Rene41合金挤压后的棒材组织进行研究中，晶粒度达到ASTM 11～12级。由此可知，挤压变形可以获得细小的晶粒，其原因是挤压变形是三向受压的塑性变形过程，在变形过程中，通过剪切变形能够有效地破碎粉末颗粒，使其发生较大的塑性变形，从而得到细小的晶粒组织;同时，在挤压变形过程中，挤压坯料发生了动态再结晶过程，破碎的细小晶粒在长大的过程中，由于Y相对晶界有一定的钉扎作用，也有效地阻碍了挤压变形过程中晶粒的长大，从而能够获得晶粒度细小均匀的等轴晶。

　　(2)显微组织分布

　　挤压件不同部位的晶粒度有一定的差别。从中心到表层的一段区域：大概为3um～lOum(ASTM No.12～9)，表面部位厚度大约为2mm～3mm的区域内达到10um～15um(ASTM No.9～8)，其中间有一段很少的区域晶粒度达到2um～6um(ASTM No.14～12)。在FGH95合金挤压比为6.5：1时，得到的挤压件晶粒尺寸为2.82um(AsTM No.14)。其原因是挤压变形过程中。表层部位变形量比较大，对晶粒的破碎程度也比较大，所以能够得到比较细小的晶粒。表层部位挤压完成后，在冷却过程中，冷却速度较快，再结晶晶粒没有来得及充分长大。被保存下来，从而得到了细小的再结晶组织;在中心部位，由于金属主要是沿着挤压方向流动，且塑性变形量相对较小，同时在挤压后冷却速度也比较慢，晶粒有较长的时间和能量长大，从而得到了粗大的品粒组织;在挤压件的表面部位(约1mm～3mm)，由于模具温度比较低，坯料和模具之间发生了较大的热传递，引起坯料温度迅速降低，表面部位挤压变形抗力增加，变形量较小，变形闲难甚至在挤压件表面产生不同程度的裂纹，所以得到比较粗大的晶粒。

　　(3)Y相的变化规律

　　挤压变形前粉末颗粒边界析出了较大的Y相(白色部分)，且沿着粉末颗粒边界连续分布，形成了网状或链状。挤压变形后，在晶粒边界析出了细小、均匀的Y相，呈现出宏观上非连续的网状分布。在晶粒组织内部，Y相更细小，这是由于在挤压变形过程中，受到三向压应力的作用，发生了较大的塑性变形，同时，静水压力较高，从而有利于Y相的破碎。使得较大的Y相破碎成较小的Y相。挤压后，挤压件在空气中冷却，冷却速度比较快，产生较大的过冷度，导致基体的过饱和度较大，Y相形核临界尺寸变小，因此，析出的Y较小。此外，由于Y析出相的长大是一个受扩散控制的过程，温度的快速下降和扩散时间的限制，也使得Y长大受到限制，从而得到细小均匀的Y相。

　　三、结论：

　　(1)FGH96合金经挤压变形后，能有效地破碎原始颗粒边界，得到了细小、均匀的等轴晶。

　　(2)在横断面上，挤压件呈现出三个不同的区域。其晶粒尺寸存在差异，位于挤压件表层不均匀变形区域内，晶粒尺寸较大，但通过机加工可以去除。

　　(3)经过挤压变形后，挤压件中的Y相得到了破碎，并获得了均匀分布且细小的Y相，这对挤压件的力学性能和后续成形工艺非常重要。

　　(4)在挤压变形过程中，FGH96合金以位错运动为主要变形方式，同时伴有大量的孪晶产生，两者相互影响，相互协调。同时。由于挤压变形过程中，发生了动态再结晶，从而最终形成了细小、均匀的等轴晶。