含Hf和Ta新型镍基高温合金粉末中碳化物相

D0I:10.13374/i.issnl001053x.2010.11.016 第32卷第11期 北京科技大学学报 Vol 32 N911 2010年11月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Noy 2010 含H和T新型镍基高温合金粉末中碳化物相 吴 凯”刘国权2”胡本芙D吴吴昊D 张义文3)陶 宇) 刘建涛4) 1)北京科技大学材料科学与工程学院.北京1000832)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 3)北京科技大学治金与生态工程学院北京1000834)钢铁研究总院高温材料研究所，北京100081 摘要对含H和T渐型镍基高温合金FH98!等离子旋转电极(PREP)雾化原始和不同温度下预热处理粉末中的碳化 物相进行了研究.结果表明：原始粉末中MC型碳化物可分为两类，一类为富TT和b另一类为含TaH和Z:两类碳化 物均含有一定量非碳化物形成元素C和N及中等强碳化物形成元素C和M9并以块状、粒状分布于枝晶或胞晶间：随着预 热处理温度升高.粉末中富TTa和b的MC型碳化物转变为MC型碳化物，且其所含TT和Nb的总量增大：含TaH和 Z的MC型碳化物发生分解和转变析出稳定的MC。M。C和MC型碳化物，MC,碳化物的析出和溶解温度为950℃和 1150℃，M,C和MC碳化物共存温度为1000一1100℃.另外.粉末中微量元素H和Ta主要以碳化物和Y相参与碳化物 反应. 关键词高温合金：粉末：预热处理：碳化物 分类号TG1323+2 Carbides in a new type HfTa con tain ng nickel based superalloy powder WU Kap.LI Gua quan 2).HU Ben fu),WU Hao)ZHANG Yi-wen4.TAO Yu.LU Jan ta) 1)SchoolofMaterals Science and Engneerng Unversit of Science and Technopgy Beijng Beijirg 100083 China 2)State Key Laborary prAdvancedMenls and Materials University of Science and Technokgy Beijing Beijng100083 China 3)SchoolofMeta llugcal and Ecopgical Engneering Uniersit of Scence and Technopgy Be ijng Beijirg 100083 Chna 4)HghTempemnreMateralsResearch Instine Central Ion&SteelR esearch Instiu Beijng100081 Chna ABSTRACT Carb des n new type HfTa contan ng nickelbased superalloy FGH98 I powders prepared by plama routing elc trode processing(PREP)before and afer preheat tream ent at different mperatures were sudied The results show hatMC tpe carbides n he initial powders can be divided inp to goups One is rich nT.i Ta Nb and the other contains the ekment ofTa Hf and Zr The wo tpes of carbiles both contain a cermin amnountof non carbide pm ng elemenss (Co Ni and med im carb ile fom ing ekment (Cr Moy and these cab ies pcate between nterdendrites or cells and n bpck and granule shapes TiTaNb riched MC'tpe carb des n he powders can be tansfomed inpMC tpe carbides and he pul aount ofTiTaNb increaseswih ncreasing preheat treament temperaue The TaHfZr contaned MC type carbdles can be decamposed and tans pmed ntoMC MC ad MC tpe carbiles It is also shovn that the precpitate and dissoutimn tmperaures ofMC tpe carb dles are950C and 1 150C re spectively and the co existing mmperaure ofM C andM C type carbide is wihn he range from 1000C to1 100C.In aldition trance ekments Hf and Ta in the povders tke pant n he reactions of carb des mainy n the fom of carb ies andy'phases KEY WORDS superallo/s powders peheatng carbides 现代高推重比航空发动机的发展对高温合金材 750~800℃、强度和损伤容限性能兼优的第三代涡 料的性能要求逐渐提高.目前，国外已经历三代粉 轮盘用粉末高温合金的研制工作对实现我国国防现 末高温合金的研制并成功应用-】，我国则己研制 代化和武器装备的更新换代具有重要的现实意义. 出二代粉末高温合金，因此开展使用温度为 G98I合金是一种新型镍基Y相强化第三代镍 收稿日期：2010一03一09 基金项目：国家预研基金资助项目(N99140A1207心07Q022):国家高技术研究发展计划资助项目(N92007A03A23) 作者简介：吴凯(1984-，男，博士研究生：刘国权(1952-，男，教授.博士生导师.Emag@us6ed山m

第 32卷 第 11期 2010年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.11 Nov.2010 含 Hf和 Ta新型镍基高温合金粉末中碳化物相 吴 凯 1) 刘国权 1, 2) 胡本芙 1) 吴 昊 1) 张义文 3, 4) 陶 宇 4) 刘建涛 4) 1)北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2)北京科技大学新金属材料国家重点实验室, 北京 100083 3)北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 4)钢铁研究总院高温材料研究所, 北京 100081 摘 要 对含 Hf和 Ta新型镍基高温合金 FGH98Ⅰ 等离子旋转电极(PREP)雾化原始和不同温度下预热处理粉末中的碳化 物相进行了研究.结果表明:原始粉末中 MC′型碳化物可分为两类 , 一类为富 Ti、Ta和 Nb, 另一类为含 Ta、Hf和 Zr.两类碳化 物均含有一定量非碳化物形成元素 Co和 Ni及中等强碳化物形成元素 Cr和 Mo, 并以块状、粒状分布于枝晶或胞晶间;随着预 热处理温度升高, 粉末中富 Ti、Ta和 Nb的 MC′型碳化物转变为 MC型碳化物, 且其所含 Ti、Ta和 Nb的总量增大;含 Ta、Hf和 Zr的 MC′型碳化物发生分解和转变, 析出稳定的 M23C6、M6C和 MC型碳化物, M23C6碳化物的析出和溶解温度为 950 ℃和 1 150℃, M23C6和 M6C碳化物共存温度为 1 000 ～ 1 100℃.另外, 粉末中微量元素 Hf和 Ta主要以碳化物和 γ′相参与碳化物 反应. 关键词 高温合金;粉末;预热处理;碳化物 分类号 TG132.3 + 2 CarbidesinanewtypeHf-Ta-containingnickel-basedsuperalloypowder WUKai1) , LIUGuo-quan1, 2) , HUBen-fu1) , WUHao1) , ZHANGYi-wen3, 4) , TAOYu4) , LIUJian-tao4) 1)SchoolofMaterialsScienceandEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2)StateKeyLaboratoryforAdvancedMetalsandMaterials, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 3)SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 4)HighTemperatureMaterialsResearchInstitute, CentralIron＆ SteelResearchInstitute, Beijing100081, China ABSTRACT CarbidesinnewtypeHf-Ta-containingnickel-basedsuperalloyFGH98 Ⅰ powderspreparedbyplasmarotatingelec￾trodeprocessing(PREP)beforeandafterpre-heattreatmentatdifferenttemperatureswerestudied.TheresultsshowthatMC′type carbidesintheinitialpowderscanbedividedintotwogroups.OneisrichinTi, Ta, NbandtheothercontainstheelementsofTa, Hf andZr.Thetwotypesofcarbidesbothcontainacertainamountofnon-carbideformingelements(Co, Ni)andmediumcarbideform￾ingelements(Cr, Mo), andthesecarbideslocatebetweeninterdendritesorcellsandinblockandgranuleshapes.Ti-Ta-Nbriched MC′typecarbidesinthepowderscanbetransformedintoMCtypecarbidesandthetotalamountofTi-Ta-Nbincreaseswithincreasing pre-heattreatmenttemperature.TheTa-Hf-ZrcontainedMC′typecarbidescanbedecomposedandtransformedintoM23C6 , M6Cand MCtypecarbides.ItisalsoshownthattheprecipitateanddissolutiontemperaturesofM23C6 typecarbidesare950℃ and1 150℃ re￾spectively, andtheco-existingtemperatureofM23C6 andM6Ctypecarbideiswithintherangefrom1000℃ to1 100℃.Inaddition, tranceelementsHfandTainthepowderstakepartinthereactionsofcarbidesmainlyintheformofcarbidesandγ′phases. KEYWORDS superalloys;powders;preheating;carbides 收稿日期:2010-03-09 基金项目:国家预研基金资助项目(No.9140A12070507QT0202);国家高技术研究发展计划资助项目(No.2007AA03A223) 作者简介:吴 凯(1984— ), 男, 博士研究生;刘国权(1952— ), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:g.liu@ustb.edu.cn 现代高推重比航空发动机的发展对高温合金材 料的性能要求逐渐提高.目前 , 国外已经历三代粉 末高温合金的研制并成功应用 [ 1 -3] , 我国则已研制 出二代粉末高温合金 [ 4 -5] , 因此开展使用温度为 750 ～ 800 ℃、强度和损伤容限性能兼优的第三代涡 轮盘用粉末高温合金的研制工作对实现我国国防现 代化和武器装备的更新换代具有重要的现实意义. FGH98 Ⅰ合金是一种新型镍基 γ′相强化第三代镍 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.11.016

第11期 吴凯等：含H和T新型镍基高温合金粉末中碳化物相 ·1465 基粉末高温合金，由本文作者参考国外已公布的第 凝固过程中所形成的碳化物可分为两类：一类为富 三代粉末镍基高温合金的成分，并基于热力学计算 TiT和Nb如图1(a,(9和（e)所示，该类碳化 结果'对合金成分进行优化设计所得.与前两代粉 物为粉末快速急冷过程中，T和C通过扩散迅速结 末高温合金相比，本文尤其注重微量元素H和Ta合，同时也溶入强碳化物元素Ta和Nb后形成：另 的作用并将其加入合金中.研究表明：H不仅可 一类为含TH和Z如图1(b)、(d)和(D所示， 进入Y、MC和Y相中，还可与氧结合，净化晶界. 该类碳化物为粉末快冷凝固时Ta Hf Z和C通过 T的加入则被认为是第三代镍基粉末高温合金提 扩散迅速结合，同时溶入强碳化物元素N和T后 高裂纹扩展抗力的重要因素[9.此外，合金中加入形成，此外其还含有一定量的W两类碳化物均含 强碳化物形成元素H和T在粉末颗粒内能形成 有一定量非碳化物形成元素C和N及中等强碳化 比T℃更稳定的碳化物，是改善原始颗粒边界 物形成元素C和M9这是由于等离子旋转电极粉 (PB析出的有效途径之一1.粉末作为粉末高温 末冷速快，合金元素来不及扩散。不能保证固一液界 合金的基元，其组织状态对合金性能有显著影响，尤 面上平衡的需要，这些非碳化物及中等强碳化物元 为重要的是粉末颗粒中的碳化物相，研究其在预热 素不能被及时扩散离去，强碳化物元素不能被及时 处理过程中的变化规律，对随后热等静压工艺的选 扩散补充而导致，它们即是MC型碳化物，两类碳化 择和消除PB提高合金的性能等具有现实意 物形态有块状、粒状等，主要分布于枝晶间或胞 义[心四.现今有关含H和T第三代镍基粉末高 晶间. 温合金粉末在预热处理过程中碳化物相变化的研究 图2为G98I合金不同典型温度预热处理 少有报道，而这对更深入地了解不同碳化物的析出 粉末中富TT啝N的MC型碳化物TEM形态与 条件以及微量元素H和T的作用具有理论指导意 衍射花样，表1为950~1150℃时富TiT和N的 义.基于此，本文对含H和T的等离子旋转电极 M型碳化物成分.结果表明：随着预热处理温度的 (REP)雾化FG98I合金原始和不同温度预热处 升高，MC型碳化物中TiTa和Nb的总量增大，表 理粉末中的碳化物相进行了系统研究. 明CFM9C和N等元素从MC型碳化物逐渐扩散 到固溶体中，而合金基体中的强碳化物元素TiTa 1实验材料及方法 和N通过扩散进入碳化物，且该相互扩散过程随 实验选取粒度为50~1504的等离子旋转电 温度的增高而加强所得MC型碳化物的形态仍多 极雾化新型镍基高温合金FG8I粉末作为研究 为块状和粒状，如图2()~(9所示. 对象，其实测化学成分为（质量分数，%）为： 图3为G98I合金不同温度预热处理粉末 C0.048Cr12.92C02083Mo264W3.85 中非富TTa和Nb碳化物的TM形态与衍射花 A13.57Ti3.53Nb1.51Ta1.65B0027 样，表2为相应碳化物的化学成分与类型.结果表 Zr0.043Hf0.2O0.0012N0.0011N为基 明：经950℃，5热处理后，粉末中发现富CC和 体.将粉末装入石英管内抽真空至1.33×103Pa N的MC型碳化物图3（方经1000℃5热 然后封焊石英管，并在高温箱式电阻炉中进行预热 处理后，粉末中存在块状的MC型碳化物 处理.所采用的热处理制度如下：950℃、1000℃、 (图3(b)和富W、MO和C的MC型碳化物 1050℃、1100℃和1150℃分别保温5h后水淬. (图3(9这与1050℃5h和1100℃5热处 FG8I合金粉末采用化学沉积镍法固定，利用 理粉末中碳化物相似（图3(d)~(),说明 LE)i450扫描电子显微镜(SM及其附带的Kevex 1000~1100C为MC和%C型碳化物的共存温 SuperDry能谱仪进行粉末表面和内部碳化物的形貌 度：经1150℃5h热处理后，MC6型碳化物消失， 观察与成分测定.粉末透射试样采用碳萃取复型， 而MC碳化物以条状或块状在含T飞H和Z的 利用MS-2100透射电子显微镜(TEM结合Oxpd MC碳化物临近区域出现（图3(）). 能谱仪对萃取碳化物进行观察与分析. 22预热处理对粉末表面碳化物的影响 2实验结果 图4是G98I合金粉末经不同温度预热处 理后的表面形貌.由图4可知：随着预热处理温度 2.1预热处理对粉末内部碳化物的影响 的升高，颗粒表面的树枝品和胞状晶轮廓逐渐变得 图1为FG8I合金原始粉末内部碳化物的 模糊，组织趋于均匀化而粉末颗粒表面的碳化物也 SEM形貌和E结果.由图1可知，其原始粉末在 发生很大变化.与原始粉末相比，经950℃，5热处

第 11期 吴 凯等:含 Hf和 Ta新型镍基高温合金粉末中碳化物相 基粉末高温合金 ,由本文作者参考国外已公布的第 三代粉末镍基高温合金的成分 ,并基于热力学计算 结果 [ 6]对合金成分进行优化设计所得 .与前两代粉 末高温合金相比, 本文尤其注重微量元素 Hf和 Ta 的作用并将其加入合金中 .研究表明 [ 7] :Hf不仅可 进入 γ′、 MC和 γ相中 , 还可与氧结合, 净化晶界 . Ta的加入则被认为是第三代镍基粉末高温合金提 高裂纹扩展抗力的重要因素 [ 8] .此外 , 合金中加入 强碳化物形成元素 Hf和 Ta, 在粉末颗粒内能形成 比 TiC更稳定的碳化物, 是改善原始颗粒边界 (PPB)析出的有效途径之一 [ 9] .粉末作为粉末高温 合金的基元 ,其组织状态对合金性能有显著影响,尤 为重要的是粉末颗粒中的碳化物相, 研究其在预热 处理过程中的变化规律 , 对随后热等静压工艺的选 择和消除 PPB, 提高合金的性能等具有现实意 义 [ 10 -12] .现今有关含 Hf和 Ta第三代镍基粉末高 温合金粉末在预热处理过程中碳化物相变化的研究 少有报道,而这对更深入地了解不同碳化物的析出 条件以及微量元素 Hf和 Ta的作用具有理论指导意 义 .基于此 ,本文对含 Hf和 Ta的等离子旋转电极 (PREP)雾化 FGH98Ⅰ合金原始和不同温度预热处 理粉末中的碳化物相进行了系统研究 . 1 实验材料及方法 实验选取粒度为 50 ～ 150 μm的等离子旋转电 极雾化新型镍基高温合金 FGH98 Ⅰ粉末作为研究 对象, 其 实测 化学 成分 为 (质 量分 数, %)为 : C0.048, Cr12.92, Co20.83, Mo2.64, W 3.85, Al3.57, Ti3.53, Nb1.51, Ta1.65, B0.027, Zr0.043, Hf0.2, O0.001 2, N0.001 1, Ni为基 体 .将粉末装入石英管内抽真空至 1.33 ×10 -3 Pa, 然后封焊石英管 ,并在高温箱式电阻炉中进行预热 处理.所采用的热处理制度如下 :950 ℃、1 000 ℃、 1 050℃、1 100 ℃和 1 150 ℃分别保温 5 h后水淬 . FGH98Ⅰ 合金粉末采用化学沉积镍法固定, 利用 LEO1450扫描电子显微镜 (SEM)及其附带的 Kevex SuperDry能谱仪进行粉末表面和内部碳化物的形貌 观察与成分测定.粉末透射试样采用碳萃取复型 , 利用 JMS-2100透射电子显微镜 (TEM)结合 Oxford 能谱仪对萃取碳化物进行观察与分析 . 2 实验结果 2.1 预热处理对粉末内部碳化物的影响 图 1为 FGH98Ⅰ 合金原始粉末内部碳化物的 SEM形貌和 TEM结果.由图 1可知 ,其原始粉末在 凝固过程中所形成的碳化物可分为两类 :一类为富 Ti、Ta和 Nb, 如图 1(a)、(c)和 (e)所示 ,该类碳化 物为粉末快速急冷过程中, Ti和 C通过扩散迅速结 合, 同时也溶入强碳化物元素 Ta和 Nb后形成;另 一类为含 Ta、Hf和 Zr, 如图 1(b)、(d)和 (f)所示, 该类碳化物为粉末快冷凝固时 Ta、Hf、Zr和 C通过 扩散迅速结合 ,同时溶入强碳化物元素 Nb和 Ti后 形成 ,此外其还含有一定量的 W.两类碳化物均含 有一定量非碳化物形成元素 Co和 Ni及中等强碳化 物形成元素 Cr和 Mo, 这是由于等离子旋转电极粉 末冷速快 ,合金元素来不及扩散, 不能保证固 -液界 面上平衡的需要, 这些非碳化物及中等强碳化物元 素不能被及时扩散离去, 强碳化物元素不能被及时 扩散补充而导致,它们即是 MC′型碳化物 ,两类碳化 物形态有块状 、粒状等, 主要分布于枝晶间或胞 晶间 . 图 2为 FGH98Ⅰ合金不同典型温度预热处理 粉末中富 Ti、Ta和 Nb的 MC型碳化物 TEM形态与 衍射花样 ,表 1为 950 ～ 1 150 ℃时富 Ti、Ta和 Nb的 MC型碳化物成分 .结果表明:随着预热处理温度的 升高 , MC型碳化物中 Ti、Ta和 Nb的总量增大 , 表 明 Cr、Mo、Co和 Ni等元素从 MC′型碳化物逐渐扩散 到固溶体中 ,而合金基体中的强碳化物元素 Ti、Ta 和 Nb通过扩散进入碳化物, 且该相互扩散过程随 温度的增高而加强, 所得 MC型碳化物的形态仍多 为块状和粒状 ,如图 2(a)～ (c)所示 . 图 3为 FGH98 Ⅰ合金不同温度预热处理粉末 中非富 Ti、Ta和 Nb碳化物的 TEM形态与衍射花 样, 表 2为相应碳化物的化学成分与类型 .结果表 明:经 950℃, 5 h热处理后 ,粉末中发现富 Cr、Co和 Ni的 M23 C6型碳化物(图 3(a));经 1 000 ℃, 5 h热 处理 后 , 粉 末 中存 在 块 状 的 M23 C6 型 碳 化 物 (图 3(b))和富 W、 Mo和 Cr的 M6 C型碳 化物 (图 3(c));这与 1050 ℃, 5 h和 1 100 ℃, 5 h热处 理粉末中碳化物相似 (图 3 (d)～ (g)), 说明 1 000 ～ 1 100 ℃为 M23 C6和 M6 C型碳化物的共存温 度;经 1 150 ℃, 5 h热处理后 , M23 C6型碳化物消失, 而 M6C碳化物以条状或块状在含 Ta、 Hf和 Zr的 MC碳化物临近区域出现(图 3(h)). 2.2 预热处理对粉末表面碳化物的影响 图 4是 FGH98 Ⅰ合金粉末经不同温度预热处 理后的表面形貌 .由图 4可知:随着预热处理温度 的升高,颗粒表面的树枝晶和胞状晶轮廓逐渐变得 模糊 ,组织趋于均匀化;而粉末颗粒表面的碳化物也 发生很大变化 .与原始粉末相比, 经 950℃, 5h热处 · 1465·

。1466 北京科技大学学报 第32卷 2 um Td2出Linrat Aud-VS6 600e 400 200 0 3 4 5 678910 能量keI 450d 400 350 300 250 150 0老 10 能量Ael 100 nm 100m 图1FG98I合金原始粉末中的碳化物.(a)富T:Ta-Nb的MC碳化物形貌：(b)含TH仁Z的MC碳化物形貌：(9富T:-T Nb的M碳化物成分：(d山含T-H仁Z的MC碳化物成分(9)富T-T-Nb的MC碳化物的TEM结果：(6含T-HFZ的MC楼 化物的TBM结果 Fg 1 Carbides in the nital povders of FGH98 I alloy (a SEM mage ofTiTaNb riched MC:(b)SEM mage ofTaHfZr conmined MC: (c)EDS spectm ofTiTaNb riched MC:d)EDS spectrm ofTaHfZr contaned MC:(e)TEM mageofTiTaNb richedMC:(6 TEM m age of TaH fZr con ned MC' 理后，粉末表面出现细小、颗粒状富TjT和N的 出现明显聚集边界，此时发现存在富TT飞b和含 M型碳化物分布于枝晶间：经1000℃，5热处理 T奥HfZ的M型碳化物，这与粉末内部的碳化物 后，MC型碳化物略有长大，仍呈颗粒状分布于枝晶 基本相同.粉末表面未检测到富CCO和N的 间：经1050℃，5和1100℃5h热处理后，碳化物 MC或富W、M和C的MC型碳化物，可能由于 呈分布较均匀的颗粒状和块状，碳化物继续长大：经 此两类二次析出物尺寸较小，能谱分析时受到基体 1150℃，5热处理后，粉末的表面枝晶完全消失， 的干扰同时WMO和C等中等强碳化物形成元素

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 1 FGH98Ⅰ 合金原始粉末中的碳化物.(a)富 Ti-Ta-Nb的 MC′碳化物形貌;(b)含 Ta-Hf-Zr的 MC′碳化物形貌;(c)富 Ti-Ta￾Nb的 MC′碳化物成分;(d)含 Ta-Hf-Zr的 MC′碳化物成分;(e)富 Ti-Ta-Nb的 MC′碳化物的 TEM结果;(f)含 Ta-Hf-Zr的 MC′碳 化物的 TEM结果 Fig.1 CarbidesintheinitialpowdersofFGH98 Ⅰ alloy:(a)SEMimageofTi-Ta-NbrichedMC′;(b)SEMimageofTa-Hf-ZrcontainedMC′; (c)EDSspectrumofTi-Ta-NbrichedMC′;(d)EDSspectrumofTa-Hf-ZrcontainedMC′;(e)TEMimageofTi-Ta-NbrichedMC′;(f)TEMim￾ageofTa-Hf-ZrcontainedMC′ 理后, 粉末表面出现细小、颗粒状富 Ti、Ta和 Nb的 MC型碳化物分布于枝晶间;经 1 000 ℃, 5 h热处理 后 , MC型碳化物略有长大 ,仍呈颗粒状分布于枝晶 间 ;经 1 050 ℃, 5 h和 1 100 ℃, 5 h热处理后 ,碳化物 呈分布较均匀的颗粒状和块状 ,碳化物继续长大;经 1 150℃, 5 h热处理后 , 粉末的表面枝晶完全消失 , 出现明显聚集边界 ,此时发现存在富 Ti、Ta、Nb和含 Ta、Hf、Zr的 MC型碳化物, 这与粉末内部的碳化物 基本相同 .粉末表面未检测到富 Cr、Co和 Ni的 M23 C6或富 W、Mo和 Cr的 M6 C型碳化物, 可能由于 此两类二次析出物尺寸较小, 能谱分析时受到基体 的干扰, 同时 W、Mo和 Cr等中等强碳化物形成元素 · 1466·

第11期 吴凯等：含H和Ta新型镍基高温合金粉末中碳化物相 。1467° 100m 100m 31h 100nm 图2FG98合金不同典型温度预热处理粉末中富TiT和Nb的MC型碳化物形态和衍射花样.()950℃：(b)1050℃：(91150℃ Fg 2 Mophologes and diffmction patems of TiTaNb richedMC ope cabide in RGHg8 I povders after preheat treamentat different tmpera turs(两950℃：(b)1050℃：(91150℃ 表1FG8I合金不同温度预热处理粉末中富TT和Nb的MC型碳化物化学成分（质量分数） Tabl1 Chem cal compositon ofTiTaNb richedMC type carbides n FH8I powders after preheat treament at diferent tempemtures 预热处理温度心 Ti Cr Nb Mo Ta TH TaNb W+MaCr CoLNi 碳化物类型 950 4236 519 5.12 257 1275 5699 7.76 2883 MC 1000 43.05 193 11.66 1.95 15.63 7034 388 894 MC 1050 34.38 1.71 2119 27.21 81.48 1.71 1403 MC 1100 4630 397 1482 2044 81.56 397 1447 MC 1150 5484 1.94 11.20 1.95 20.90 83.28 389 7.08 MC 无明显的“表面效应”，因而MC或MC型碳化物 入Y相，Y相与周围富C的Y基体迅速反应，析出 较少在粉末表面析出和长大. 二次含TH和Z的MC型碳化物.该碳化物反应 式如下：MC'(Li Ta Nb Hf Zr W)+Y,MC 3分析与讨论 (Ti Ta No H6+y'Ta Hf ZD:Y'(Ta Hf 如上所述FG西8I合金粉末在不同温度预热 Z)+y(C)→MC(THfZ)+Y.同样，粉末经 处理过程中发生了不同的碳化物反应，从而生成了 950℃5预热处理后，含TaH和Z的MC型碳 不同类型的碳化物.这里首先以1150℃5预热 化物发生了退化反应，生成含Ti Ta Nb和W的 处理粉末的碳化物反应为例展开讨论，结合 MC型碳化物；在1000℃5h预热处理粉末中，除 图3(h).图4（和表1表2可知：经1150℃，5h热 了生成含TiT和N的MC型碳化物，还得到含 处理后，FGH8I合金粉末中富TiT和Nb的MC T的MC型碳化物：在1050℃5h预热处理粉末 型碳化物的非碳化物元素C和N及中等强碳化物 中发现含TiT和Nb的MC型碳化物及含T和 元素M和C扩散到合金基体，而合金基体中的强 H的MC型碳化物，由于在950~1050C预热处理 碳化物元素TT和Nb通过扩散进入碳化物，形成 粉末中MCG比MC含有更多MC碳化物所含有的 稳定的MC型碳化物；含TH和Z的MC型碳化 TiT和Nb等强碳化物形成元素，表明FG)8I 物因其含有更多W和MO等中等强碳化物形成元 粉末中MC型碳化物的退化反应更倾向于生成 素，其稳定性降低，发生退化反应生成含T MC型碳化物，MC型碳化物极可能是由MCG型 Nb和H的MC型碳化物，其余的TgH和Z等进 碳化物转变而来.粉末经1100℃热处理后，生成含

第 11期 吴 凯等:含 Hf和 Ta新型镍基高温合金粉末中碳化物相 图 2 FGH98Ⅰ 合金不同典型温度预热处理粉末中富 Ti、Ta和 Nb的 MC型碳化物形态和衍射花样.(a)950℃;(b)1 050℃;(c)1 150℃ Fig.2 MorphologiesanddiffractionpatternsofTi-Ta-NbrichedMCtypecarbideinFGH98 Ⅰ powdersafterpre-heattreatmentatdifferenttempera￾tures:(a)950℃;(b)1 050℃;(c)1 150℃ 表 1 FGH98 Ⅰ 合金不同温度预热处理粉末中富 Ti、Ta和 Nb的 MC型碳化物化学成分(质量分数) Table1 ChemicalcompositionofTi-Ta-NbrichedMCtypecarbidesinFGH98 Ⅰ powdersafterpre-heattreatmentatdifferenttemperatures % 预热处理温度 /℃ Ti Cr Nb Mo Ta Ti+Ta+Nb W+Mo+Cr Co+Ni 碳化物类型 950 42.36 5.19 5.12 2.57 12.75 56.99 7.76 28.83 MC 1 000 43.05 1.93 11.66 1.95 15.63 70.34 3.88 8.94 MC 1 050 34.38 1.71 20.19 — 27.21 81.48 1.71 14.03 MC 1 100 46.30 3.97 14.82 — 20.44 81.56 3.97 14.47 MC 1 150 54.84 1.94 11.20 1.95 20.90 83.28 3.89 7.08 MC 无明显的“表面效应” ,因而 M23 C6或 M6 C型碳化物 较少在粉末表面析出和长大. 3 分析与讨论 如上所述, FGH98 Ⅰ合金粉末在不同温度预热 处理过程中发生了不同的碳化物反应, 从而生成了 不同类型的碳化物 .这里首先以 1 150 ℃, 5 h预热 处理 粉末的 碳化 物反 应为例 展开 讨论 .结合 图 3(h)、图 4(f)和表 1、表 2可知 :经 1 150℃, 5h热 处理后 , FGH98 Ⅰ合金粉末中富 Ti、Ta和 Nb的 MC′ 型碳化物的非碳化物元素 Co和 Ni及中等强碳化物 元素 Mo和 Cr扩散到合金基体, 而合金基体中的强 碳化物元素 Ti、Ta和 Nb通过扩散进入碳化物 ,形成 稳定的 MC型碳化物;含 Ta、Hf和 Zr的 MC′型碳化 物因其含有更多 W和 Mo等中等强碳化物形成元 素 ,其稳定性降低 [ 13] , 发生退化反应生成含 Ti、Ta、 Nb和 Hf的 M6C型碳化物, 其余的 Ta、Hf和 Zr等进 入 γ′相 , γ′相与周围富 C的 γ基体迅速反应, 析出 二次含 Ta、Hf和 Zr的 MC型碳化物.该碳化物反应 式如下:MC′(Ti, Ta, Nb, Hf, Zr, W)+γ※M6 C (Ti, Ta, Nb, Hf)+γ′(Ta, Hf, Zr);γ′(Ta, Hf, Zr)+γ(C)※MC(Ta, Hf, Zr)+γ.同样 ,粉末经 950 ℃, 5 h预热处理后 ,含 Ta、Hf和 Zr的 MC′型碳 化物发生了退化反应 , 生成含 Ti、Ta、Nb和 W的 M23 C6型碳化物;在 1 000 ℃, 5h预热处理粉末中, 除 了生成含 Ti、Ta和 Nb的 M23 C6型碳化物 , 还得到含 Ti的 M6C型碳化物 ;在 1 050 ℃, 5 h预热处理粉末 中发现含 Ti、Ta和 Nb的 M23 C6型碳化物及含 Ti和 Hf的 M6C型碳化物, 由于在 950 ～ 1 050 ℃预热处理 粉末中 M23 C6比 M6 C含有更多 MC′碳化物所含有的 Ti、Ta和 Nb等强碳化物形成元素 , 表明 FGH98 Ⅰ 粉末中 MC′型碳化物的退化反应更倾向于生成 M23 C6型碳化物, M6 C型碳化物极可能是由 M23 C6型 碳化物转变而来.粉末经 1 100 ℃热处理后, 生成含 · 1467·

。1468 北京科技大学学报 第32卷 200nm 200m (e) (d) 500nm 5001nm le) 500nm 100m h 500nm 100m 图3FG98I合金不同温度预热处理粉末中非富TT聊N碳化物的形态和衔射花样.()950℃M,C()1000C,M,C(9 1000℃M,G(山1050℃，M3CG(91050℃MG(61100℃，M3CG(药1100℃M,G(hb1150℃MC和MC Fg 3 Mohologes and diffractin pate nsofnonTiTaNb riched cab des n FGH98 I povders after pre_heat treament at different tmperaures ()950℃M,C(b)1000℃，MCG(91000℃，4G(山1050℃M2C#(e)1050℃MG(i1100℃，MC(1100℃ MG(h)1150℃，MC andM,C 表2R98I合金不同温度预热处理粉末中非富TiTa和Nb碳化物的化学成分（质量分数） Tab 2 Chemical compositin of monTiTaNb riched cabies in alby FGH8I powders after preheat teament atdifferent wmperaures% 预热处理温度℃TiCr Zr Nb Mo Hf Ta WT+Ta+NbW+Mo叶CTC+Ni碳化物类型 950 6369.65 961242 3.86284 19.83 491 48.19 M3Co 1000 54311.98 一 7.91255 418 17.22 1453 63.02 Ms Co 1000 2601662 一 2055 19.19 2.60 5636 37.76 MC 1050 4551219 3945.51 3.28- 11.77 17.70 6420 M3C 1050 266 1694 25.731.11 19.7 872 6246 30.48 MC 1100 1.2583.91 一 1075 1.25 409 Ma C 1100 2781583 100324.571.901.4931.18 1430 71.58 14.13 MC 1150 2803 1.05 248 99126027.151254 286 3048 15.51 10.37 MC 1150 3001445 54517.453.124.6225.2 1307 5692 2442 MC

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 3 FGH98 Ⅰ 合金不同温度预热处理粉末中非富 Ti、Ta和 Nb碳化物的形态和衍射花样.(a)950℃, M23C6 ;(b)1 000℃, M23C6 ;(c) 1 000℃, M6C;(d)1 050℃, M23 C6;(e)1 050℃, M6 C;(f)1 100℃, M23 C6;(g)1 100℃, M6C;(h)1 150℃, MC和 M6 C Fig.3 Morphologiesanddiffractionpatternsofnon-Ti-Ta-NbrichedcarbidesinFGH98 Ⅰ powdersafterpre-heattreatmentatdifferenttemperatures: (a)950℃, M23C6 ;(b)1 000℃, M23C6;(c)1 000℃, M6 C;(d)1 050℃, M23 C6;(e)1 050℃, M6 C;(f)1100℃, M23 C6;(g)1 100℃, M6C;(h)1 150℃, MCandM6C 表 2 FGH98 Ⅰ 合金不同温度预热处理粉末中非富 Ti、Ta和 Nb碳化物的化学成分(质量分数) Table2 Chemicalcompositionofnon-Ti-Ta-NbrichedcarbidesinalloyFGH98 Ⅰ powdersafterpre-heattreatmentatdifferenttemperatures % 预热处理温度/℃ Ti Cr Zr Nb Mo Hf Ta W Ti+Ta+Nb W+Mo+Cr Co+Ni 碳化物类型 950 6.36 9.65 — 9.61 2.42 — 3.86 2.84 19.83 14.91 48.19 M23C6 1 000 5.43 11.98 — 7.91 2.55 — 4.18 — 17.22 14.53 63.02 M23C6 1 000 2.60 16.62 — — 20.55 — — 19.19 2.60 56.36 37.76 M6 C 1 050 4.55 12.19 — 3.94 5.51 — 3.28 — 11.77 17.70 64.20 M23C6 1 050 2.66 16.94 — — 25.73 1.11 — 19.77 8.72 62.46 30.48 M6 C 1 100 1.25 83.91 — — — — — 10.75 1.25 — 4.09 M23C6 1 100 2.78 15.83 — 10.03 24.57 1.90 1.49 31.18 14.30 71.58 14.13 M6 C 1 150 28.03 1.05 2.48 9.91 2.60 27.15 12.54 2.86 30.48 15.51 10.37 MC 1 150 3.00 14.45 — 5.45 17.45 3.12 4.62 25.02 13.07 56.92 24.42 M6 C · 1468·