原颗粒边界问题和热处理裂纹形成原因的研究

D0I:10.13374/j.issnl001-053x.1987.s1.012 北京钢‘铁学院学报 Journal of Beijing University Special issue of Iron and Steel Technology No.21987.6 原颗粒边界问题和热处理裂纹 形成原因的研究 胡本芙 李慧英 章守华 (金相教研室) 摘 要 业已证安，粉卡高祖合企中原颗粒边界(PPB)问题严币影响合金性能，本文研究了FGH95合金 PPB对谇火裂纹的影响，通过对淬火开裂后样品断口形貌、祈出相类型、表面俄欧谱化学成分分析 找出淬火时裂纹形成的原因和控制因素。 实险结果和分折表明：造成谇火裂纹形成的两种机制，开裂严重的是FPPB碳化物及在其 外衣面形成这氧县波坏合金的连续性，促使沿原颗粒边界断裂，开裂不严重的是白于Y相界出人 块Y'相其周团贫A,T区形成易氧化层，促使沿Y相界断数。 基于两仲机制的提出，可以校好地说明彩响淬火裂纹形成的E要原闪是氧的污衫染和下蓝的 淬火冷如速度。 The Formation of Cracks in a Nickel-base P/M Superalloy During Heat Treatment Hu Benfu Li Huiying Zhang Shouhua Abstract The effect of structural defects on the formation of quench cracks in a Nickel-base P/M superalloy was studied.The serious quench crack is due to the presence of rich-oxygen layer on the.Particle surface and the formation of PPB earbides destroying the continuity of the alloy and promoting fracture along the 87

北 京 钢 、 铁 学 院 学 报 。 。 原颗粒边界问题和热处理裂纹 形成原因的研究 胡本芙 李慧英 章守华 金 相教研室 摘 要 业 已 证实 ， 粉末高沮合 金中原顺 拉边 界 问 题 严 讯 影响合 金性能 。 本文研究 了 合 金 〕对淬火裂纹的 影响 ， 通 过 对淬火 开 裂 后样品 断 口 形 悦 、 祈 出相类 型 、 表面 俄 歇 普化学戍 分 分 衍 找 出淬火时 裂纹 形成的原 因和 控制因 素 。 实验 结 果和 分析表 明 ，造成淬 火 裂纹 形成的两 种机制 ， 开 裂严 重的是 山 于 破 化 物 及在 七 外 友面 形成富氧 层 波坏 合 金的连 续性 ， 促 使沿 原 预 拉边 界断 裂 。 开裂 不 严 重 的是 由 于丫相 界折 出 人 块衬 相 其 周围贫 ， 区 形成 易氧 化层 ， 促 使洽丫相 界断 裂 。 基 于两 仲机 制的 提 出 ， 可 以 较 好地 说明 影 响 淬火 裂纹 形成 的 要 原 因 是氧的 污染和 仁认 宜 的 淬 火冷却速度 。 一 ， 拭 ， 一 万 一 零 笼 峪 ‘ 叨 了 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．s1．012

previous particle boundaries.The slight quench crack is due to the precipitation in a coarse form at the grain boundaries.The coarsey precipitates are surrou- nded by zones depleted Al,Ti froming oxide layers which promote the fracture path along the grain boundaries,The major reason of the formation of quench cracks is the contamination of oxygen in the early processing or unsuitable quench cooling rate during heat treatment, 前 言 粉末高温合金自70年代初成功地使用在航空发动机上以来，它的优良性能和经济效 益引起材料工作者极大重视。可是在应用热等静压成型(HIP)生产工艺中出现所谓原 颗粒边界PPB问题，而且在随后的热处理过程中更加严重。它不仅破坏了粉末颗粒之间 结合，甚至在零件热处理淬火时会引起开裂。在奥氏体合金中淬火发生裂纹是个异常现 象。一般认为淬火裂纹与粉末高温合金特有的原颗粒边界状态密切相关12`。但是， 至今还未见到详细的报导。 本文通过对淬火时发生裂纹的样品断口形貌、析出相本质、表面化学成分等方面的 分析，寻求淬火裂纹的形成原因和控制因素，为改善合金的塑性和热处理工艺制度的制 定提供有益的实验资料。 1实验步骤与方法 (1)实验材料，为了显露PPB碳化物的形成和作用，选择含碳量较高的镍基粉末 高温合金FGH95,因为PPB问题的严重程度，合金中含碳量起着决定性的作用。介金化 学成分见表1。 表1合金化学成分 元素 Cr Co Mo W Nb Al Ti B Zr Ni wt%0.08713.849.00 3.58 3.59 3,63 3,562.730.010.05余量 (2)样品成型，采用热等静压成型。热等静压制度： 试样号 温度 理论压力 实际压力 ①号锭(111·)1120±10C 105MPa 93MPa ②号锭(222)1080±10°C 105MPa 93MPa (8)热处理制度，1140°C/1h/盐浴(400°C)/空冷+870C/1h/空冷+650C/ 24h/空冷 (4)样品制备及实验方法： ①金相试样浸蚀剂采用Cu1,(0.5)+10m1HC1+10ml乙醉。漫蚀后，用光学显 88

丫 ， 一 ， 前 生 吕 粉末高温合金 自 年代初成功地使用在航空发动机上以来 ， 它的优良性能和经济效 益 引起材料工作 者极大 重 视 。 可是在应用热等静压 成型 生 产工 艺 中出现所 谓原 颖粒边界 问题 ， 而且 在随后的热处理过程 中更加严 重 。 它不仅破坏 了粉 末颗粒 之间 结合 ， 甚至 在零件热处理淬火时会引起开裂 。 在 奥氏体合金 中淬火发生裂纹是个异常现 象 。 一 般认 为淬火 裂纹 与粉 末高温合 金特有的原颗粒 边界状 态密切 相关 ” “ ’ 。 但 是 ， 至 今还 未见 到详细 的 报导 。 本文通过对淬火时发生裂纹 的样 品断 口 形貌 、 析 出相本质 、 表面化学 成分 等方面 的 分析 ， 寻 求淬火 裂纹 的形 成原 因和控制因素 ， 为改善 合金的 塑性 和热处理工 艺制度 的制 定提供有益 的实验 资料 。 实验步骤与方法 实验材料 为 了显露 碳化 物的形 成和作 用 ， 选 择 含碳 量较高的镍甚粉 末 高温合金 ， 因为 问题的 严重 程 度 ， 合 金 中含碳 量起着决定性的作 用 。 合 金化 学成分 见 表 。 表 合 金化学成分 元 素 另 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 余 皿 样 品成型 采 用热等静压 成型 。 热 等静压 制度 试 样号 温度 理论压 力 实际压 力 ①号锭 士 ” ②号锭 土 热处理制度 八 盐浴 “ 空冷 “ 空冷 ’ 坷空冷 样品制备及实验方法 ①金相试样浸蚀 剂采 用 十 乙醉 。 浸蚀后 ， 用光学显

微镜和扫描电镜观察组织，用EDAX进行微区化学成分分析。 ②采用电解双喷制取金属薄膜试样，用TEM观察组织，并做电子衍射分析。 ③利用俄歇能谱仪对断口表面进行分析。制成5×5×2mm试样，用NaOH及10%HC1 去油，超声波振荡去污垢，再用丙酮清洗，采用遂层剥离方法测定剖面元素分布，并用光 电子能谱(ESCA)确定元崇存在状态。 2实验结果及讨论 2.1合金显微组织特征 图1给出111◆合金背反射电子象。从经1120CHIP+标准热处理的111试样显微组 织可知，合金基本实现致密化，但局部地方粉未原颗粒边界未能完全消除，由（图1） 看出，晶界存在大块y'相，且y'相周围存在贫y'区，贫化区范围宽窄由y'相的尺寸所决 定，晶界上y'相与碳化物覆盖晶界面积通过定量金相测定约30%。 2um 2m 图1111#合金背反射电子像(SEM) 图2222#合金背反射电子像(SBM) 经1080°CHIP+标准热处理的222合金，由于HIP温度过低，在颗粒边界形成连续 碳化物网膜，明显地勾画出原颗粒边界的轮廓。用SEM背反射电子象（图2）可以清楚 看出原颗粒边界碳化物粗大，连续分布，而且不均匀覆盖颗粒界面积约60~70%。 对222合金颗粒边界析出物用金属薄膜TEM分析得知，颗粒边界连续碳化物主要 为MC型碳化物（图3），还有M6C碳化物（图4） 由合金显微组织分析可知：111和222试样中都存在不同程度PPB问题，但两者PPB 析出物本质是不同的，111试样在边界上主要为大块y'相，而222主要为碳化物相。由 于析出物不同导致裂纹扩展形式和断口形貌的不同。 2.2裂纹扩展的路径及开裂断口的形貌 经1120°C和1080CHIP的2种试样标准热处理后均发现不同程度的谇火裂纹， 89

微镜和扫描电镜观察组织 ， 用 进行微区化学成分分析 。 ②采用 电解双喷制取金属薄膜试样 ， 用 观察组 织 ， 井做电子衍射分析 。 ③利用俄歇能谱仪对断 口 表面进行分析 。 制 成 试样 ， 用 及 去油 ， 超 声波振荡去污垢 ， 再 用丙酮清洗 ， 采 用遂层剥离方法测定剖面元素分布 ， 并用光 电子能谱 确定元素存在状 态 。 实验结果及讨论 合金显微组织特征 图 给 出 合金背反射 电子象 。 从经 标准热处理的 试样显微组 织可 知 ， 合金基本实现致密化 ， 但局部地方粉末原颗粒 边界未能完全 消除 ， 由 图 看 出 ， 晶界存在大块 ‘ 相 ， 且，产 相 周围存在 贫训 区 ， 贫化区范围宽 窄由 产 相的尺寸所决 定 ， 晶界上，夕 相与碳化物覆盖 晶界面积通过定量金相测 定约 。 图 合金背反 射电子像 图 合 金背反射电子像 经 “ 十 标准 热处理的 合 金 ， 由于 温度过低 ， 在颗粒 边界形 成连续 碳化物网膜 ， 明 显地勾画 出原颖粒 边界 的 轮 廓 。 用 背反射 电子 象 图 可以 清楚 看 出原颗 拉边界碳 化物粗大 ， 连 续分 布 ， 而且 不均匀覆盖 颗粒界面积 约 。 对 禅 合金颗粒边界析 出物 用金属薄膜 分析 得 知 ， 颗 粒 边界连 续碳化物 主 要 为 型碳化物 图 ， 还 有 碳 化 物 图 由合 金显微组织分析可知 毋 和 试 样 中都存在 不 同程度 问题 ， 但两者 析 出物本质是不 同的 ， ’ 试样在边界上主要为大块训 相 ， 而 主 要为碳化物相 。 由 于析出物不 同导致裂纹扩展 形式和断 口形貌的不 同 。 裂纹扩 展的 路径及开裂断 口 的形晚 经 和 。 “ 的 种 试样标准热处现后均发现 不 同程度的淬 火 裂 纹

0.25um 图3111带合金原末粉颗位边界折出物企属薄膜T2M) 0.25um 0.25m 图4222#合金原粉末颗粒边界析出物（企属莓族TEM) 而后者更为重。研究了裂纹发展和显微组织特征的关系。选择裂纹源头，观案裂纹通 道，扩展特征，配合断口形貌进行比较。结果表明：这些裂纹主要起源于材料表面，向 内扩展。在图5(a)中可以看出111·合金的裂纹主要沿着y相晶界发生，偶尔也能看到 沿颗粒边界扩展。裂纹大都从表面萌生，向里发展，裂纹较细。这些现象与111*合金断 口上具有一定韧性撕裂带是相对应的，见图6（a)。由断口形貌证实，淬火开裂的111· 40μ 4,2 图5111摩合金(a和222#合金(b)裂纹展途径 90

裁 枷

合金着不出明显沿颗粒边界断裂，断口面上存在明显的韧性带，表明合金具有-一定塑性。 冲击断口面上这一特点更为突出。是在局部地方出现颗粒边界，颗粒表面也有一定塑 性变形。 222#合金淬火开裂程度普遍严重，裂纹粗大，扩广展路径均沿着原粉末颗粒边界，见 图5(h),只有个别沿y相晶界横踪粉术颗粒。裂纹处氧化严重。可见222试样中原颗 粒边界是裂纹优先形成和优先扩展的区域。这也与222试样断口形貌相对应，见图6 ()。与111合金相区别，222#合金几平全部沿原颗粒边界开裂，粉末颗粒的球形轮廓 清晰可见，颗粒表面整齐无塑性变形痕迹，儿乎观察不到韧性撕裂带。除此以外，由于 222合金因H1P温度偏低，原颗粒边界结合差，不致密，颗粒之间还存在着空洞和裂口。 100um 100m 图6111#合金(a)和222#合金(b)淬火开裂断口形貌 利用TEM二级碳复型观察裂纹附近的微观组织的结果表明：111*试样裂纹沿着晶界 粗大y'相边缘扩展，222*试样沿着原颗粒边界连续网膜状碳化物边缘扩展（图7）。 111#和222*试样裂纹附近显微组织有3点不同：（1)开裂程度不同，111比222 开裂程度轻。(2)裂纹扩展路径不同，111*中裂纹扩展局部沿颗粒边界，大量沿晶 界，222主要是沿颗粒边界扩展。（3)裂纹择优扩展路径上析出物的本质与形态不 同，111主要是沿大块y'相边界，222*主要是沿碳化物网膜边界扩展。 2.3断口处析出相的分析和鉴定 用SEM观察断口处相形貌，并配合微区成分分析得出，111试样断口处（图8）有 约24如的不规则析出物，一般处在颗粒边界凸处，能谱分析表明，析出物为y'相。其 图7111带合金（上）有2？2·（下，薇观装纹的形态 图书111#合金断r1处n形貌(SEM) 91

合金看不 出明显沿 颗 粒边 界断 裂 ， 析 面上存在明 显 的韧性带 ， 表明合金具有一 定塑性 。 冲击断 口 面 上这一特 点更 为突 出 。 只是在局 部地方 出现 颗粒边界 ， 颗粒表面也有一定塑 性 变形 。 合 金淬火 开 裂 程度 普遍严重 ， 裂纹粗 大 ， 扩展 路 径 均沿 着原粉 末颗粒 边界 ， 见 图 的 ， 只 有个别 沿 相 晶界横穿粉 末颗粒 。 裂纹 处氧化严 重 。 可 见 试样 中原颗 粒 边界是 裂纹 优先 形 成和优先扩展 的 区域 。 这 也 一 与 试样断 口 形貌 相对 应 ， 见 图 ， 。 与 合金 相区 别 ， 合金 几乎全 部沿 原 颗粒 边界开 裂 ， 粉 末颗粒的球形 轮廓 清晰 可 见 ， 颗粒 表面整 齐无 塑性 变形痕 迹 ， 儿 乎观察不 到韧性撕 裂带 。 除 此以 外 ， 由于 合金 因 温度 偏低 ， 原颗粒边界结合差 ， 不致 密 ， 颗 粒 之间还 存在着空洞和裂 口 。 图 合金 和 合金 淬火开 裂断口 形貌 利 用 二级碳 复型观察裂纹附 近的微观组织的结果表明 试样裂纹沿着晶界 粗大 尹 相边缘扩展 ， 试样沿着原颗粒边界连 续 网膜状碳化物边缘扩展 图 。 和 试 样裂纹附近 显微组织有 点不 同 开裂程度不 同 ， 比 开裂程度 轻 。 裂纹扩展 路径不 同 ， 中裂纹扩展局部沿颗粒边 界 ， 大 量 沿 晶 界 ， 主要是沿颗粒 边界扩展 。 裂纹择优扩展 路径上析 出物的本质 与 形 态 不 同 ， 主 要是 沿大块 产相边界， 主 要是沿碳化物 网膜 边界扩展 。 断 口 处析出相的分析和鉴定 用 观察断 口 处相形貌 ， 并配 合微 区成分 分析得 出 ， 试 样断 口处 图 有 约 拌 的不规则析出物 ， 一般处在颗粒边界凸处 ， 能谱 分 析 表 明 ， 析出物为，产 相 。 其 阳 川 净 合金 上 ， ’ 名 、 「微观裂纹的形 态 图 亡 合金 断 曰 处打「出 川形貌