FGH95-K418B雙合金熱等靜壓復(fù)合工藝研究

羅學(xué)軍， 馬國君， 王曉峰， 田高峰， 蓋其東， 穆松林

(北京航空材料研究院先進高溫結(jié)構(gòu)材料重點實驗室，北京 100095)

整體葉盤(Blisk)制造技術(shù)是美國IHPTET(國防部綜合高性能發(fā)動機技術(shù))發(fā)展計劃的重要支撐技術(shù)，在美國的先進戰(zhàn)斗機(ATF)計劃中列為重要核心技術(shù)，雙合金整體葉盤(Blisk)是發(fā)動機轉(zhuǎn)子制造技術(shù)的發(fā)展方向之一，在國外新型航空發(fā)動機輔助動力裝置上已得到廣泛應(yīng)用［1～5］。整體渦輪葉盤中所用盤件材料主要是粉末高溫合金，以滿足中溫輪盤部分高的屈服強度和良好的低周疲勞性能;葉片材料主要是鑄造高溫合金細晶、定向合金和單晶合金，以滿足葉片部位高溫持久蠕變性能要求，雙合金結(jié)合良好使輪轂和葉片都能獲得良好的組織和性能;從而實現(xiàn)盤件與葉片的靈活選擇和最佳性能匹配。與整體鑄造葉輪相比，雙合金整體葉盤可以兼顧盤心盤緣的性能;與機械榫齒連接的葉盤結(jié)構(gòu)相比，可大大減少機加工量，免除高精度加工和裝配要求，減輕渦輪重量，從而提高渦輪轉(zhuǎn)速、性能和可靠性［6～9］。

本工作以FGH95粉末高溫合金和K418B鑄造高溫合金為研究對象，采用粉-固熱等靜壓(HIP)擴散連接工藝，針對FGH95-K418B界面的擴散反應(yīng)、葉片材料組織形貌變化以及界面的組織和性能，研究采用雙合金熱等靜壓復(fù)合工藝實現(xiàn)粉末高溫合金與鑄造高溫合金的可靠連接，為我國整體葉盤制造技術(shù)的發(fā)展奠定實驗基礎(chǔ)。

1 實驗材料及過程

以氬氣霧化(Argon Atomization)的 FGH95高溫合金粉末和K418B鑄造高溫合金試驗錠作為復(fù)合研究對象。兩種材料的化學(xué)成分見表1。

表1 合金的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Chemical composition of alloys(mass fraction/%)

采用粉-固連接的復(fù)合工藝，將鑄造的K418B鑄造合金錠進行機械加工、表面凈化處理后裝入包套內(nèi)，然后向包套內(nèi)充填FGH95高溫合金粉末，經(jīng)過真空熱動態(tài)除氣、氬弧封焊包套、粉末預(yù)處理、熱等靜壓復(fù)合成形及最終熱處理。復(fù)合成形工藝參數(shù)的選擇主要根據(jù)較為成熟的、溫度及壓力更高的細晶精密鑄造高溫合金的成形工藝，以保證粉末高溫合金和鑄造高溫合金的致密化成形和性能要求，以不損害材料組織和性能為前提(粉末的成形及后處理溫度低于葉片材料的熱處理溫度和再結(jié)晶溫度)，達到界面的良好冶金結(jié)合。

利用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)研究對偶之間的界面擴散、界面成分變化及K418B合金中γ'形態(tài)變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 FGH95-K418B復(fù)合工藝研究

研究了磨削、機械拋光、化學(xué)表面處理、超聲凈化處理、真空處理等鑄造基體表面凈化方式對K418B-FGH95界面結(jié)合質(zhì)量的影響。圖1為表面凈化處理對界面有害相析出和界面污染的影響，從圖1a可以看出，K418B材料表面處理不凈，在復(fù)合界面處就將形成有害膜和污染源，將直接影響界面結(jié)合強度。無論是化學(xué)表面處理還是超聲凈化處理，只要能保證良好的凈化界面均可采用，表面磨削拋光程度對界面結(jié)合影響不大。圖1b為經(jīng)表面凈化處理后的復(fù)合界面形貌，界面結(jié)合良好。因此，保證復(fù)合界面足夠的清潔度對界面結(jié)合至關(guān)重要。

圖1 表面處理對界面結(jié)合的影響(a)未經(jīng)表面處理;(b)表面處理后Fig.1 Effects of surface treatment on the combination of two alloys(a)no surface treatment;(b)after surface treatment

2.2 界面擴散反應(yīng)研究

由于兩種材料均屬于鎳基合金，復(fù)合實驗結(jié)果表明兩者具有較好的相容性。但由于兩種材料的化學(xué)成分存在一定差異，復(fù)合界面存在一定的元素濃度梯度而相互擴散，使得界面處合金成分和相組成較為復(fù)雜，在HIP過程中必然發(fā)生界面的擴散反應(yīng)。

圖2為HIP后FGH95-K418B復(fù)合界面的SEM照片及成分分布圖。從圖中可以看出，經(jīng)有效處理后界面結(jié)合良好，未發(fā)現(xiàn)有害相析出。Al元素存在較大的成分梯度，由K418B向FGH95擴散，Mo的擴散規(guī)律類似，但成分變化較為平緩。Co，W，Ti，Nb則明顯由FGH95向K418B擴散，基本呈連續(xù)過渡分布。擴散層厚度約15～18μm，位于K418B合金一側(cè)。這說明通過HIP過程的界面擴散反應(yīng)可以實現(xiàn)界面成分的平穩(wěn)過渡，同時某些成分在近界面處的富集與貧化將直接影響近界面區(qū)域的強化相形態(tài)。

圖2 FGH95-K418B復(fù)合界面SEM照片及成分分布Fig.2 The SEM micrograph and the composition distribution at the bonding interface

2.3 復(fù)合工藝對K418B葉片材料組織的影響

圖3為1185～1200℃熱等靜壓復(fù)合處理對K418B合金γ'形態(tài)的影響。復(fù)合處理后，K418B合金中的顯微疏松基本消除，γ'相仍呈立方形，γ'相網(wǎng)格狀分布但尺寸明顯增大，且排列更加規(guī)則、有序，顯微組織更合理［10］。

2.4 復(fù)合試樣界面結(jié)合強度分析及性能測試

研究了K418B-FGH95復(fù)合試樣的拉伸性能，性能結(jié)果見圖4。可見，復(fù)合試樣拉伸性能較好，但持久性能較差，需要進行深入研究。所有拉伸試樣的斷裂均未發(fā)生在結(jié)合界面處，斷裂通常發(fā)生在K418B一側(cè)。這是因為兩種合金本身對溫度的承受能力就有差別，同時復(fù)合工藝處理使得K418B合金中的γ'聚集長大，因而影響了葉片材料的強度和持久性能。另外，對于這種復(fù)合制件的性能表征方法也有待于進一步研究。

3 結(jié)論

(1)通過合適的復(fù)合工藝，可以保證FGH95和K418B兩種合金實現(xiàn)良好的界面冶金結(jié)合，同時復(fù)合界面成分平穩(wěn)過渡。

(2)復(fù)合工藝處理使得K418B合金中的γ'聚集長大，對其強度和持久性能有一定影響。

(3)熱等靜壓擴散連接的FGH95-K418B試樣具有較好的拉伸性能，但持久性能較低，熱處理工藝有待于進一步研究改進。

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