Rene'95和FGH95合金粉末中陶瓷夹杂的分析

D0I:10.13374/j.issnl001-053x.1987.s1.008 北京钢铁学院学报 Journal of Beijing University Special issue of Iron and Steel Technology No.21987.6 Rene'95和FGH95合金粉末中 陶瓷夹杂的分析 王盘鑫 郑玉堂 宫章汉 俞克兰 （北京钢铁学院粉末教研室) (航空部621所) 清 要 本文采用水浮选法分析R心'95高温合金粉未中的陶瓷夹张，探索用水浮选法定量分 析高祖合金粉末中的陶瓷夹杂含量。 研究表明，用水浮选法分析高溢合金粉末中的陶瓷夹杂含量，其方法是可行的，而 且适用于分析各种不同粉末拉度和形状的合鱼粉末。研究得出了用水浮选法分析Re如'95高 泡合金粉未中陶瓷夹杂的有关参数。 此外，还研究了R©e'95高祖合金粉末中陶瓷夹杂的成分和形念， The Analysis of Ceramic Inclusions in P/M Rene'95 Superalloy Powder Particles Wang Panxing Zheng Yutang Gong Zhanghan Yu Kelan Abstract Water Elutriation method was applid to determin the content of ceramic inclusions in P/M Rene'95 powder paticles quantitatively.The study proved that is quite adequate for the analysis of ceramic inclusions in superalloy po- wders,which can,vary either in size or in morphology.Several parameters concerning with the ceramic inclusions were determined.Furthermore,the co- mpositions and the morphology of the ceramic inclusions are discussed as well. 59

北 京 钢 铁 学 院 学 报 五 。 。 ‘ 和 合金粉末中 陶瓷夹杂的分 析 王 盘鑫 郑玉 堂 合 音 命寸 仁 呀 心产、 俞 克兰 ， 口 北 京钢铁学院 粉 末教研室 航空 部 所 摘 要 本 文采用水浮选 法 分析 ， 高沮合金粉末中的陶瓷夹杂 ， 探索用水浮选 法定 分 析 高沮合金粉末中的陶瓷夹杂 含最 。 研究表明 ， 用水浮选 法分析高沮合金粉末中的陶 瓷夹 杂含量 ， 其方法是可行的 ， 而 且适 用于分析各 种不同粉末粒度和形状的合金粉末 。 研究得 出了用水浮选 法分析 。 ， ” 高 沮合 金粉末中陶 瓷夹 杂的有关参数 。 此 外 ， 还 研究 了 。 。 。 ， 高沮合金粉末中陶 瓷夹杂的成 分 和 形态 。 ， 万 万 人 ，‘ 入 ‘ ‘ 叫 ， ， ， 二 。 ， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．s1．008

前 言 粉末高温合金中缺陷的存在，如各种夹杂、热诱导孔隙、原始颗粒边界(PPB)等 会严重影响合金的性能。特别是高温合金粉末中存在各种陶瓷夹杂会大大降低合金的强 度、塑性，尤其是影响低周疲劳性能。由于陶瓷夹杂的存在，其本身就是有效的裂纹源 c1)。Paul Loewenstein研究了夹杂对低周疲劳性能的影响，指出粉术高温合金的低周 疲劳破坏，大多数情况下是与夹杂有联系的1。D.A,Jablonski提出了萌生裂纹所必须 的夹杂或陶瓷的浓度计算方程式1)， 胸姿pm2{r-c-84)门×10： 式中，l一试样长度，r。一试样半径，d一陶瓷夹杂直径，Pm一金属密度，P。一陶瓷密度。 为了保证合金的性能，对陶瓷夹杂的数量和大小也都有规定。西德规定，在1kg高 温合金粉末中，氧化物夹杂的数量不得超过20颗，其中大于754m的粉未颗粒不得超过3 颗，不允许有大于1504m的陶瓷夹杂存在&。由于在高温合金粉末中所允许的陶瓷夹 杂浓度极低，约为10-7数量级，显然用普通的化学分析方法来进行测定是行不通的2J。 美国核金属公司为此建立了水浮选装置，以检验高温合金粉末中陶瓷夹杂的数量()。 本文即以此探索水浮选法测定Rene'95高温合金粉末中陶瓷夹杂的各项参数，为建立陶瓷 夹杂含量的分析测定提供有效的依据。 1研究方法 1,1基本原理) 颗粒在介质中运动时受重力和介质阻力的作用。在无限介质中，因重力而发生沉降 时，颗粒的沉降只受介质阻力的阻碍。当颗粒的重力与介质阻力相等时，颗粒在介质中 就发生匀速沉降。Stocks分析了小球体（<0.1~0.2mm)在静止粘性介质中的沉降运 动后得出： V。=54.5d20-4 式中，d一颗粒线性尺寸，一颗粒密度，△一介质密度，“一介质粘滞系数。 因此，当二种以上不同的颗粒在介质中沉降时，若颗粒的密度相同，则大颗粒的V。 较大，即沉降较快，若颗粒尺寸相同，则密度大的颗粒沉降较快。如果颗粒是在上升流 60

前 ‘ 一 吕 粉末高温 合 金 中缺陷的 存在 ， 如各种夹杂 、 热诱导 孔 隙 、 原始颗粒边界 等 会严重影响合金的性能 。 特别是高温合金粉末 中存在各种陶瓷夹杂会大大降低合金的强 度 、 塑性 ， 尤其是 影响低周疲劳性能 。 由于 陶瓷夹杂的存在 ， 其本身就是有效的裂纹源 〔 ’ ，。 ， 研究 了夹杂对低周疲劳性能的影响 ， 指出粉末高温合 金的低周 疲劳破坏 ， 大 多数情 况下是 与夹杂有联 系的 ’ 。 。 提 出了萌生裂纹所必须 的夹杂或陶瓷的浓度计算方程式 ‘ 〕 陶瓷 一 李 呀异 。 ， 一 。 一 粤 ， 」 。 尸 叹 乙 ， 式 中 一试 样长度， 一试样半径， 一陶瓷夹杂直径， 一金属密度， 一 陶瓷密度 。 为 了保证合 金的性能 ， 对 陶瓷夹杂 的数量和大小 也都有规定 。 西德规定 ， 在 高 温合金粉末 中 ， 氧化物夹杂 的数量不 得超过 颗 ， 其 中大于 拜 的粉 末颗粒不得超 过 颗 ， 不允许有大于 邸 的 陶瓷夹杂存在 。 由于在高温 合金粉末 中所允许的 陶 瓷 夹 杂 浓度极低 ， 约为 一 数量级 ， 显然 用普通的化 学分析方法来进行测定是行不通 的 〔 名 。 美国核金属公 司为此建立 了水浮选装置 ， 以 检验高温合金粉 末中陶瓷夹杂的数 量 名〕 。 本文即以 此探索水浮选法测定 ‘ 高温合金粉末 中陶瓷夹杂的各项参数 ， 为建立陶瓷 夹杂含量 的分析测定提供有效 的依 据 。 研究方法 · 签本原 理 “ 颗粒在介质 中运动时受重 力和介质阻力的作 用 。 在无限介质 中 ， 因重 力而发生沉降 时 ， 颗粒 的沉降 只受介质阻力的阻碍 。 当颗粒的重 力与介质阻力相等时 ， 颗粒在介质中 就发生匀 速沉降 。 分析 了小 球体 在静止粘性介质 中的沉 降 运 动后得 出 、 ， ， 。 。 。 一 名卫望二上三一 拜 式 中 一颖粒线性尺 寸， 一颗粒密度， △一介质密度， 拌一介质粘滞系数 。 因此 ， 当二 种以 上不 同的颗粒在介 质中沉降时 ， 若颗粒的密度相 同 ， 则大颗粒的 。 较大 ， 即沉降较快 ， 若颗 粒尺 寸 相 同 ， 则密度 大 的颖 粒沉降较快 。 如果颖 粒是在上升流

动的介质中进行沉降，那么，当上升流速V,<V时，颗粒才在介质中发生沉降，当V。 =V。,颗粒发生悬浮，当V,>V,颗粒就向上浮动。但是，当一组不同粒度的颗粒在介 质中发生沉降时，由于颗粒间的相互运动，除了受介质阻力外，还有颗粒间的相互碰 撞、章擦产生的机械阻力，从而会影响颗粒的运动。 Rene'95高温合金粉末的密度与各种陶瓷夹杂的密度相差甚大，因此只要选择好适当 的沉降速度和沉降高度，就可以把陶瓷夹杂从合金粉末中分离出来。 二种颗粒按密度进行沉降分离，其难易程度与颗粒密度6、介质密度△有关，取决 于比值K的大小，K=:-A d1-△ 当K>2.5,极易分离，K>1.5,易分离，K<1.5,较难分离，K<1.25则极难分 离。 Rene'95合金的密度d2=8.25g/cm3,一般陶瓷中，A1,0g一-d1=4.0g/cm3;Si02 一d1=2.2~2.65g/cm3,Mg0一d1=3.07~3.2g/cm3,所以K值分别为2.42,4.4和 3.3。由此可见，Si02,Mg0夹杂极易从Rene'95合金粉米中分离出米，而A1:O3夹杂也 能较容易地分离出来。 1.2原材料 (1)浮选介质：经离子交换处理的纯水。 (2)Rene'95高温合金粉末：美国G,E,公司生产，粒度为：-100+150目和-150+ 200目两种。 FGH95高温合金粉末：国产粉末，由治金部钢铁研究总院用Ar气雾化而成，粒度为 -100+150目和-150+200目两种（图1）。 0.05mm ()-100+150目 (b)-150+200月 图1FGH95合金粉末贩粒形貌 (8)添加剂：AlzO3,粒度与Rene95合金粉未相同。 1.3试验方法 (1)测试仪器 浮选装置如图2所示。该装置出压力计、流量计、浮选器和水 泵四部分组成。 浮选过程中，介质的流量可以通过流量计来调节控制。由图3可见，随着流量的变 61

动的介质中进行沉降 ， 那么 ， 当上 升流速 。 时 ， 颗 粒 才在介质中发生沉降， 当 “ ， 颗粒 发生 悬浮 ， 当 ， 。 ， 颗粒就向上浮 动 。 但是 ， 当一组不 同粒 度的颗粒在介 质 中发生沉 降时 ， 由于颗 粒 间的 相互运 动 ， 除 了受介质阻力外 ， 还有颗 粒 间 的 相 互 碰 撞 、 摩擦产生 的机械 阻力 ， 从而 会影响颗粒 的运 动 。 ‘ 高温合 金粉末 的密度与各种 陶瓷夹杂 的密度 相差甚大 ， 因此只 要选择好适 当 的沉降速度 和沉 降高 度 ， 就可以 把 陶瓷夹杂从合金粉 末 中分离出来 。 二种颗粒 按密度进行沉降分离 ， 其难 易程度 与颗粒 密 度 、 介质密度△有关 ， 取 决 △ 一 于 比值 的大小 ， 当 。 ， 夕兰二 一 极 易分 离， ， 易分 离， ， 较难分 离， 则 极 难分 离 。 ’ 合 金 的密 度 “ 一 般 陶瓷 中 ， 一 ， － － 一 “ 。 所 以 值 分 别 为 连 ， 和 。 由此可 见 ， ， 夫杂 极 易从 ‘ 合金粉 末 中分 离出来 ， 而 夹杂 也 能较容 易地分 离 出来 。 。 原 材料 浮 选介质 经 离子 交换处理 的纯水 。 ‘ 高温合 金粉末 美国 公 司生 产 ， 粒度为 一 十 目和 一 十 目两种 。 高温合金粉末 国产粉 末 ， 由冶 金部钢 铁研究总 院用 气雾化而成 ， 粒度为 一 目和 一 目两种 图 。 一 目 一 日 图 合金粉末颗粒 形 貌 添加剂 ， 粒度 与 合金 粉末相同 。 · 试验方法 测试 仪器 浮 选 装置 如 图 所 示 。 该装置 由压 力计 、 流量 计 、 浮 选器和水 泵 四部分组成 。 浮选 过程 中 ， 介质的流量 可以 通过流 量计来调节控制 。 由图 可 见 ， 随着流量的 变

化，粉未颗粒的悬浮高度也发生变化，流量愈大，悬浮高度愈高。因此，也可以用测定 颗粒悬浮高度来作为分离合金与夹杂的参数。 utriation tank.- tnelusion collcetur Filler Wt Ai:collector 图2浮选装置工作原理示意图 水浮选法分离夹杂的步骤为：欲测粉末称重100g,在酒精中浸泡→将欲测粉末装 人浮选器→进行浮选，调节流量，使粉末颗粒浮至所规定的高度→收集夹杂→夹 杂分析。 确定夹杂及夹杂数量，可将分离后收到的“夹杂”置于双筒显微镜下观察，根据 夹杂具有不导电的特点，可用电阻法进行确定所观袋到的颗粒是否是夹杂。由此再确定 夹杂的数量。 ◆ Q1V1) Q2 (V:) Qa (V3 Q1(V1)<Q (V)<Q (V3 图8不同流量时粉末颗粒悬浮状况 然后将选出的夹杂，在733型扫描电子探针仪进行夹杂的成分分析，在JSM-35型扫 描电镜进行夹杂的形貌分析。 (2)研究内容①水浮选法可靠性试验，探素此法的一般规律，在清洁的Rene'95合 金粉末中，加入相同粒度的A1zO3颗粒。欲加人的A1zO颗粒在双筒显微镜下取样，共 取10颗，用酒精浸泡后，作为夹杂添加到Rene95合金粉末中，均匀混合，进行浮选。确 定：在一定流量下，浮选率与浮选时间的关系，在一定时间下，浮选率与流量的关系。 (②对Rene'95和FGH95合金粉末进行陶瓷夹杂的定量和定性分析。 62

化 ， 粉末颖拉的悬浮高度也发生变化 ， 流量愈大 ， 悬浮高度愈高 。 因此 ， 也可以 用测定 颖 粒悬浮高度来作为分 离合金 与夹杂 的参数 。 图 浮选 装置工 作原理示意图 水浮选法分 离夹 杂 的步骤为 欲测粉末称重 ， 在酒精 中浸泡 一一争 将欲测粉末装 人浮 选器 一进行浮 选 ， 调 节流量 ， 使粉末颗粒浮至 所 规定的高度 一 收集夹杂一今 夹 杂分析 。 确定夹杂及夹杂 数量 ， 可将分 离后收集到 的 “ 夹杂 ” 置于 双筒显微镜下 观察 ， 根据 夹杂具有不 导 电的特点 ， 可 用 电阻 法进行确定所 观察到 的颗粒是否是夹杂 。 由此再确定 夹杂的数量 。 ， 一 ， 图 不 同流盘时粉末颗粒悬浮状况 然后将选 出的夹杂 ， 在 型扫描电子 探针仪进行夹杂的成分分析 ， 在 一 型扫 描电镜进行夹杂的形貌分析 。 研究 内容 ①水浮选法可靠性试验 ， 探索 此法 的一 般规律 。 在清洁的 。 尸 合 金粉末 中 ， 加人 相 同粒度的 颗粒 。 欲 加人 的 颗 粒在双筒显微镜下 取 样 ， 共 取 颗 ， 用酒精浸泡 后 ， 作 为夹 杂添加 到 产 合金粉末 中 ， 均匀混 合， 进行浮选 。 确 定 在一 定流量下 ， 浮 选率与浮 选时间的关 系， 在一 定时 间下 ， 浮选率与流量的关系 。 ②对 ‘ 和 合金 粉末进行 陶瓷夹杂 的定量 和定性分 析

2 实验结果与讨论 在恒定的流量下，陶瓷夹杂的浮选率与时间的关系如表1所示。 表1陶瓷夹杂浮选率与浮选时间的关系 次数 9 时间，min流量，l/min粉层高，mm浮选颗数流量l/min粉层高，mm浮选顺松数流量，l/min粉层高，mm浮选顺粒数 2 4 1 2 1 1 4 6 0.427 60 1 0.511 65 2 0,589 70 2 8 公 10 2 30 共计 7 9 10 由表1可见，在恒定的流量下，Rene'95合金粉末中陶瓷夹杂的浮选程度，在一定的 时间范围内是随浮选时间增加而提高的。在所研究的颗粒范围内(d=104~1094m),浮 选时间在10min以前，效果较为明显，超过10min,要么是将所加入的陶瓷夹杂颗粒(10 颗)全部浮选出来，要么根本就不起作用。此外，浮选时间所起的作用显然与浮选介质 的流量（或粉层高度）有关。当流量为每分钟0.4271时，浮选效果只能达到70%，即使 延长浮选时间至30min也并无改善。 由于在浮选过程中，陶瓷夹杂颗粒在向上运动时会受到各种阻力，减缓了颗粒向上 浮动，因此只有达到一定时间后，颗粒才会在此流量下，使自己处于悬浮位置或者浮选 出来，Rene95合金粉未中的陶瓷夹杂之所以能被浮选出来，是由于它们之间的密度相差 甚大，当陶瓷夹杂向上运动速度与Rene'95合金粉末颗粒向上运动速度达一定的差值后， 陶瓷夹杂才有可能被选出。此外，在所研究的Rene'95合金粉末中，虽然粒度是同一数量 级（加入的陶瓷夹杂也是如此），但颗粒之间的大小仍有差别：dmx=1494m,dmin= 10m,△d=454m。颗粒大小对浮选的条件是有彩响的。在一定流量下，小颗粒易悬 浮，故较易浮选出来。因此，在较小的流量下，小颗粒有可能被选出，而大颗粒仍残留 在合金粉未中。所以，在较小流量下，浮选效果不好，只能达70%。 在恒定浮选时间下，陶瓷夹杂的浮选程度与浮选介质流量的关系列于表2。 由表2可见，在所规定的浮选时间下，浮选效果随浮选介质流量的增大而提高。显 然一些较大的颗粒要在较大的流量下才能浮选出来。图4是合金粉末颗粒大小与粉未悬 浮高度的关系。 由图4可见，粒度较细的合金粉末与较粗粒度的合金粉末相比，要达到同样的悬浮 高度，只需要较小的浮选介质流量。 经电子探针分析，夹杂中主要成分，Rene'95合金与国产FGH95合金有所不同。 63

实验结果与讨论 在恒定 的流量下 ， 陶瓷夹杂的浮选率与时 间的关 系如 表 所示 。 表 陶瓷夹杂浮选率与浮选时间的关 系 次数 时间 ， 加 流盆 ， 粉层 高 ， 浮选城 书数 流量 沁 粉层 高 ， 浮选倾 书数 流盆 ， 粉 层高 ， 浮选获 较数 。 。 习 。 共计 由表 可 见 ， 在恒定的流量下 ， ‘ 合金粉末 中陶瓷夹杂 的浮 选程度 ， 在一定的 时 间范围内是随浮选时 间增加而提高 的 。 在所研究的颗粒范围内 。郎 ， 浮 选时间在 以 前 ， 效果较为明 显， 超 过 ， 要 么是将所加入 的陶瓷夹杂颖粒 顺 全部浮选 出来 ， 要 么根本就不起作 用 。 此 外 ， 浮 选时间所起的作 用显然与浮选介质 的 流量 或粉层高度 有关 。 当流量为每分钟。 时 ， 浮选效果只能达到 ， 即 使 延长浮选时间至 也并无改善 。 由干在浮选过程 中 ， 陶瓷夹杂颖粒在 向上运动时会受到各种阻力 ， 减缓了颖粒 向上 浮 动 ， 因此 只有达 到一定时 间后 ， 颗粒 才会在此流量下 ， 使 自己处于悬浮位置 或者浮选 出来 ， ‘ 合金粉末 中的陶 瓷夹 杂 之所以能被浮选 出来 ， 是 由于它们 之间的密度相差 甚大 ， 当陶瓷夹杂 向上运动速度 与 ‘ 合金粉末颗粒 向上运动速度达一定的差值后 ， 陶瓷夹 杂才有可能被选 出 。 此 外 ， 在所研究 的 产 合金粉末 中 ， 虽然粒度是 同一数 级 加入 的陶瓷夹杂 也是如此 ， 但 颗粒 之 间的 大 小仍有差别 ， 二 邹 ， ‘ 。 梦 ， △ 拜 。 颗粒大小 对 浮选 的条 件是有 影响的 。 在一定流量下 ， 小颖 粒 易 悬 浮 ， 故较 易浮选 出来 。 因此 ， 在 较小 的流量下 ， 小颗粒有可能被选 出 ， 而大顺粒仍残 留 在 合金粉末 中 。 所以 ， 在较小 流量下 ， 浮选效果不好 ， 只能达 。 在恒定浮选时间下 ， 陶瓷夹杂 的浮选程度与浮选介质流量的关 系列于表 。 由表 可 见 ， 在所规定 的浮选时 间下 ， 浮选效果随浮选介质流量 的增大 而提 高 。 显 然一些较大的颖粒要在较大的流量下 才能浮选 出来 。 图 是合金粉末预粒大小 与粉未悬 浮高度 的关 系 。 由图 可 见 ， 粒 度较细 的合金粉 末与较粗粒度的合金粉末相比 ， 要达 到同样的悬浮 高度 ， 只需要较小 的浮选 介质流量 。 经 电子探针 分析 ， 央 杂 中主 要成分 ， ‘ 合金 与国产 合金 有所 不 同