先進(jìn)粉末高溫合金相分析技術(shù)研究

羅 寧，王 祺，范映偉

(1.中航試金石檢測科技有限公司，北京100095;2.北京航空材料研究院中航工業(yè)失效分析中心，北京100095)

0 引言

國內(nèi)正在研制的粉末渦輪盤用粉末合金FGH96在不同工藝、不同熱處理狀態(tài)下析出相γ'的含量和粒度分布都會發(fā)生變化，同時，粉末合金中還經(jīng)常出現(xiàn)微量夾雜物;另外，合金中即使成分發(fā)生微量變化，也會導(dǎo)致合金的微觀組織和相組成產(chǎn)生變化，這些變化會對材料的成分、工藝等產(chǎn)生較大影響，因此，為了深入了解各種情況下的析出相，從而對材料的成分、鑄造凝固工藝、成形工藝、加工變形及熱處理工藝等做出正確選擇，并對材料受工作環(huán)境(如應(yīng)力、溫度、氣氛等)的影響做出正確的判斷，都需要對其析出相進(jìn)行物理化學(xué)相分析。

物理化學(xué)相分析技術(shù)是對材料中相的組成、數(shù)量、形狀、大小、分布、晶體結(jié)構(gòu)以及各相之間的交互作用等采用物理的及化學(xué)的分析方法和手段進(jìn)行系統(tǒng)分析的技術(shù)。針對先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料FGH96合金中各個相的萃取、分離技術(shù)以及相化學(xué)成分和粒度分布等展開研究，并利用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡和能譜儀等分析設(shè)備，以及化學(xué)成分分析，對萃取相的組成、類型、形狀、粒度大小及晶體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析。該分析技術(shù)為粉末高溫合金中相、微小微量夾雜物相經(jīng)過不同熱處理和長期使用后析出的，而用其他一般金相手段無法分辨的微量微小相的電解萃取的方法、提取相的X射線衍射和化學(xué)分析的方法提供參考。

1 研究過程與方法

利用溫度可控(－20～100℃可調(diào))的物理化學(xué)恒電流電解裝置和抽濾洗滌裝置進(jìn)行FGH96粉末合金中的第二相的電解提取和清洗，萃取試棒規(guī)格為φ10 mm×(80～100)mm?？紤]到電解液對萃取實驗起主要作用，其他條件不變，采用3種常用的電解液進(jìn)行電解萃取對比實驗，見表1。對萃取粉末用稀釋的電解液仔細(xì)抽濾洗滌，然后用純酒精抽濾洗滌2～3次，最后進(jìn)行稱重定量，收集萃取粉末，對萃取粉末進(jìn)行X射線衍射試驗和化學(xué)元素成分分析試驗。

表1 電解萃取試驗表Table 1 Parameter of electrolyte extraction

2 試驗結(jié)果

2.1 合金微觀組織特征

合金微觀組織特征見圖1。從圖可見，2種合金中主要為2種大小不等的γ'相，較粗大的γ'相尺寸為幾百個納米，細(xì)小γ'相為幾十個納米，分布比較均勻彌散。

圖1 FGH96微觀組織特征Fig.1 Microstructure of FGH96

2.2 第二相(γ'相)的電解提取

根據(jù)表1所列的實驗條件，對合金中γ'相進(jìn)行電解萃取。萃取結(jié)束時，所得萃取粉末吸附在合金試棒上，利用超聲波將其振動分離在盛有對應(yīng)稀電解液的燒杯中，然后利用最密生物濾紙在抽濾器上進(jìn)行過濾，并先后試用稀電解液和純酒精洗滌粉末數(shù)次，最后在真空烘箱中烘干。

用稱重法稱取濾膜加萃取粉末質(zhì)量mpt，濾膜本身的質(zhì)量mf，電解前試樣的質(zhì)量mst，電解后試樣的質(zhì)量 msp，根據(jù)［(mpt－mf)/(mst－msp)］×100%計算萃取粉末在合金中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。試驗結(jié)果見表2。

表2 電解提取第二相試驗結(jié)果Table 2 Results of electrolyte extraction for secondary phase

2.3 萃取粉末XRD分析

利用X射線衍射儀(XRD)對萃取粉末進(jìn)行分析，將單晶硅片固定在粉末X射線衍射設(shè)備樣品座內(nèi)，使單晶硅片表面與樣品臺表面重合，然后將萃取的殘渣平鋪于單晶硅片中心位置，并與X射線焦斑盡量重疊，采用CuKα輻射(40 kV，40 mA)，狹縫大小為1.0 mm ×1.0 mm ×0.6 mm，掃描角度范圍為 10°～90°，步長為0.02°，衍射圖譜見圖2。

每個衍射譜中只有一組衍射圖譜，為萃取粉末相的三強(qiáng)衍射峰。圖2中的棒峰為粉末衍射數(shù)據(jù)庫PDF卡片庫中Ni3Al相的標(biāo)準(zhǔn)衍射譜，其三強(qiáng)峰與萃取粉末的三強(qiáng)峰嚴(yán)格匹配。

2.4 萃取粉末的化學(xué)元素分析

用ICP法對萃取粉末化學(xué)元素含量進(jìn)行檢測，測量條件為:

圖2 萃取分離殘渣的X射線衍射圖譜Fig.2 XRD pattern of extracted powders

1)儀器工作條件

高頻頻率為 40.68 MHz;入射功率為1.15 kW;反射功率 ＜10 W;冷卻氣流量為15 L/min;CID檢測器積分方式為面積積分;輔助氣流量為1.0 L/min;積分時間為紫外區(qū)10 s;載氣流量為25.0 Psi;可見區(qū) 5 s。

2)元素分析線

Cr267.716 nm;Ti334.941 nm;Al394.401 nm;Ni351.505 nm;W207.911 nm;內(nèi)標(biāo)分析線為Y371.029 nm。分析結(jié)果見表3。

2.5 驗證性對比實驗

將同樣狀態(tài)的FGH96試樣委托鋼鐵研究總院進(jìn)行相分析，萃取得到的γ'相量為36.202%，化學(xué)元素分析結(jié)果見表4。

表3 萃取第二相粉末的ICP分析結(jié)果Table 3 ICP results of extractive powder of secondary phase

表4 萃取相化學(xué)分析結(jié)果Table 4 Composition of extractive phase

3 分析與討論

從萃取粉末的X射線衍射分析可見，其衍射峰為Ni3Al相的衍射峰，未出現(xiàn)其他衍射線條;因此，該萃取粉末為非常純凈的γ'相(FCC)，沒有未溶解的基體相γ'相摻入，電解提取及分離收集萃取粉末過程中也未對其造成污染。3組試驗中，在第2組試驗的電解條件下，合金強(qiáng)化相γ'相的提取效率最高，而其他條件也是由于電解過程中部分γ'相的溶解而降低了電解提取γ'相的收得率。由此可見，粉末合金最優(yōu)的電解提取分離第二相的條件是:電解液(1%(NH4)2SO4+2%酒石酸+5%乙二醇)，電流密度為0.03 A/cm2，電解溫度為－5～0℃，電解時間為30 min。

從與鋼鐵研究總院進(jìn)行提取分離得出第二相含量的比對試驗來看，對同樣的FGH96合金試樣進(jìn)行物理化學(xué)相分析，本試驗所得到的第二相含量與鋼鐵研究總院的結(jié)果較符合為36.2%。

合金中第二相的化學(xué)元素濃度與合金平均成分差異較大，其中一些元素會比合金成分富集，由于原子吸收光譜方法(AAS)不適合進(jìn)行主量元素的分析測定，本研究利用電感耦合等離子體(ICP)分析法。設(shè)定一般適合的檢測條件，將檢測結(jié)果與鋼鐵研究總院對應(yīng)的分析結(jié)果進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)，本試驗中，面心立方的γ'相中占據(jù)立方體頂點(diǎn)的原子百分?jǐn)?shù)為74.42%(Ni原子百分含量+Co原子百分含量+Cr原子百分含量度/2)，而占據(jù)立方體面心位置的原子百分?jǐn)?shù)為25.58%;比對試驗結(jié)果，面心立方的γ'相中占據(jù)立方體頂點(diǎn)的原子百分?jǐn)?shù)為74.99%，而占據(jù)立方體面心位置的原子百分?jǐn)?shù)為25.01%，兩組分析結(jié)果符合得很好。

4 結(jié)論

1)建立了電解萃取分離粉末合金中第二相的電解裝置和抽濾分離裝置;

2)粉末合金適用的電解提取分離第二相的條件是:電解液(1%(NH4)2SO4+2%酒石酸+5%乙二醇)，電流密度0.03 A/cm2，電解溫度－5～0℃，電解時間30 min;

3)萃取粉末物理定性分析采用CuKα輻射(40 kV，40 mA)，狹縫規(guī)格1.0 mm ×1.0 mm ×0.6 mm，掃描范圍10°～90°，步長0.02°;

4)ICP法適用于進(jìn)行萃取第二相粉末元素含量的分析。

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