長時高溫和應力對FGH97合金物理性能的影響

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(1. 中國航發(fā)北京航空材料研究院, 北京 100095； 2. 航空工業(yè)失效分析中心, 北京 100095；3. 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室, 北京 100095； 4. 材料檢測與評價航空科技重點實驗室, 北京 100095；5. 江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院常州分院, 常州213000)

長時高溫和應力對FGH97合金物理性能的影響

劉昌奎1,2,3,4,陳鋒5,周靜怡1,2,3,4,魏振偉1,2,3,4,陶春虎1,2,3,4

(1. 中國航發(fā)北京航空材料研究院, 北京 100095； 2. 航空工業(yè)失效分析中心, 北京 100095；3. 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室, 北京 100095； 4. 材料檢測與評價航空科技重點實驗室, 北京 100095；5. 江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院常州分院, 常州213000)

對經(jīng)歷不同時間高溫熱暴露和高溫應力持久試驗的FGH97粉末高溫合金，分別測定和計算了其密度、聲速和模量，并對顯微組織進行了分析，研究長時高溫和高溫應力持久對FGH97粉末高溫合金密度、聲速和模量的影響。結果表明：在高溫和高溫應力持久條件下，隨著時間的增加，F(xiàn)GH97粉末高溫合金的密度、聲速及彈性模量均逐漸降低；在高溫條件下，應力對各個特征參量的影響更為顯著；顯微組織隨時間的變化主要有碳化物粗化，γ′相的形貌、體積分數(shù)和尺寸發(fā)生變化，以及熱誘導孔洞、蠕變孔洞、微裂紋在晶內(nèi)和晶界上出現(xiàn)。

FGH97粉末高溫合金； 熱暴露； 高溫應力持久； 聲速； 模量； 顯微組織

與鑄造和變形高溫合金相比，粉末高溫合金具有合金化程度高、組織均勻、中低溫強度和疲勞性能好等優(yōu)點，很好地解決了傳統(tǒng)工藝存在的成分偏析等問題。使用粉末高溫合金材料制成的盤件，解決了許多傳統(tǒng)工藝不能解決的問題，滿足了先進航空發(fā)動機渦輪盤等的需要[1-3]。

FGH97粉末高溫合金在650 ℃具有優(yōu)良的綜合力學性能，已經(jīng)成為先進航空發(fā)動機渦輪盤、擋板等熱端部件的關鍵材料。盡管該合金具有良好的綜合性能，但在服役過程中，由于受到高溫和應力的作用，材料組織演化造成的性能下降仍不可避免。如何對該合金構件的服役性能進行無損的檢測與評價、保證其服役安全至關重要。目前對構件服役性能的評價主要是通過研究長時間服役后材料顯微組織和力學性能的變化規(guī)律并采用相關的壽命預測模型來進行，這些方法主要是用于設計階段構件使用壽命的預測。例如：魏大盛等[4]研究了保載條件下FGH95合金的疲勞特性，并建立了一種修正的非彈性應變能壽命預測模型；劉新靈等[5]總結了FGH96合金的損傷行為與壽命預測方法，并提出了基于原始疲勞質(zhì)量的壽命預測方法；張國棟等[6]研究了粉末高溫合金熱機械疲勞壽命預防等。這些方法均存在取樣需要破壞構件等缺點，無法實現(xiàn)對構件服役過程中的組織和性能進行無損的檢測與評價。

目前對粉末高溫合金的無損檢測與評價，主要是采用超聲等手段對合金中的缺陷進行檢測與評價。例如：梁菁等[7]研究了多區(qū)聚焦技術在粉末高溫合金微缺陷檢測中的應用；張鳳戈等[8]研究了FGH95合金超聲檢測材料中心的孔隙和夾雜缺陷等。而采用無損的手段對粉末高溫合金構件服役過程中組織和性能的檢測與評價鮮有報道。

由于材料的物理性能如密度、聲速、模量是開展超聲無損檢測與評價的基礎，因此筆者對經(jīng)歷不同時間的高溫熱暴露試驗和高溫應力持久試驗的試樣進行微觀組織變化分析，并測定計算了材料的密度、聲速和模量，以研究模擬服役條件下長時高溫和高溫應力持久對FGH97合金物理特性的影響規(guī)律及機制。該研究對于采用無損手段實現(xiàn)對構件服役過程中組織和性能的檢測與評價、以及服役壽命預測和安全評估具有重要的工程應用價值。

1 試驗材料與方法

試驗所使用材料為FGH97粉末高溫合金，其化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為：8.0～10.0Cr，15.0～16.0Co，3.5～4.5Mo，5.0～6.0W，4.5～5.0Al，1.5～2.0Ti，2.4～2.8Nb，0.02～0.06C，0.10～0.40Hf，<0.02Mg，<0.015Zr，<0.015B，<0.01Ce，余Ni。FGH97合金的主要制備工藝流程為：母合金冶煉→制備粉末→粉末處理→真空裝套→熱等靜壓→熱處理。熱等靜壓成形參數(shù)為：溫度1 180～1 210 ℃，壓力120 MPa，時間2～4 h。

熱暴露試驗的試樣加工成12 mm×12 mm×5 mm的塊狀，打磨拋光后置于馬弗爐中，結合FGH97合金構件在發(fā)動機中的實際使用工況，選擇試驗溫度為650 ℃，保溫時間分別為100，200，300，400，500，800，1 000 h，然后出爐空冷。

高溫應力持久試驗是采用板狀持久性能測試小試樣，按照HB 5150-1996的要求進行試驗，試驗溫度為650 ℃，應力為900 MPa，保載時間分別為100，200，300，400，500，800 h，1 015 h(斷裂)。

采用15 g CrO3+10 mL H2SO4+150 mL H3PO4溶液對試樣進行電解腐蝕后，利用S4800型場發(fā)射掃描電鏡對試樣進行顯微組織觀察，采用透射電鏡分析碳化物結構，使用能譜儀(EDS)對碳化物成分進行分析。

合金密度測定采用GB/T 3850-2015中的排水法，使用AL104-IC型電子天平及密度測試組件進行測定，電子天平的測量精度為0.1 mg，排水法密度的測定精度為0.1%。聲速測試采用直接接觸法，試樣表面打磨、拋光，測試儀器為Tekttronix Dpo3054型示波器、Model5800型探傷儀、Olympus V156型橫波探頭和V109型縱波探頭，測試參數(shù)如下：重復頻率100 Hz，發(fā)射能量12.5 μJ，增益值40 dB，輸入衰減19.9 dB，頻率5 MHz。

2 試驗結果與分析

2.1顯微組織演化

長時高溫和高溫應力持久作用后，F(xiàn)GH97合金的顯微組織主要存在以下兩方面的變化。

一方面是碳化物的粗化，以及γ′相形貌、體積分數(shù)和尺寸的變化。試驗時間在300 h以內(nèi)時，二次γ′相以規(guī)則的方形、三角形結構為主，部分立方體的邊緣出現(xiàn)輕微內(nèi)凹，如圖1a)，d)所示。當試驗進行到500 h時，二次γ′相由立方形逐漸轉變?yōu)榈位蛘甙私切?，相當一部分γ′相出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，晶內(nèi)的三次γ′粒子越來越少，如圖1b)，e)所示。隨著試驗時間的繼續(xù)增加，立方形的邊角出現(xiàn)鈍化，相鄰的γ′相相聚并連接，邊界出現(xiàn)相互融合的現(xiàn)象，一次γ′相周圍的三次γ′相不斷被吞噬，三次γ′相的數(shù)量越來越少，很多γ′相出現(xiàn)條狀、棒狀等不規(guī)則形狀，如圖1c)，f)所示。特別是晶界處的γ′相，無論形貌、尺寸、數(shù)量、體積分數(shù)和分布狀況都出現(xiàn)了顯著變化，甚至可以觀察到寬度很大的條帶，就像一層薄膜包裹著晶粒，薄膜最大寬度約為3.5 μm，這種連續(xù)分布的γ′膜阻礙了元素的擴展，晶粒內(nèi)的鈦、鉻、鈮、碳等元素的擴散受到阻礙并堆積在γ′膜上，這些元素在γ′膜上以碳化物形式析出，并附著在γ′膜上，如圖2所示。對比高溫和高溫持久試驗試樣的顯微組織可知，高溫持久試驗試樣γ′相的退化速率更大，這說明應力加快了合金組織的演化。

圖2 晶界上形成的γ′膜Fig.2 The γ′ film formed on the grain boundaries

另一方面是熱誘導孔洞、蠕變孔洞以及微裂紋在晶內(nèi)和晶界上的出現(xiàn)。在高溫800 h和1 000 h，以及500 h/900 MPa，800 h/900 MPa，1 015 h/900 MPa條件下，都有一定數(shù)量的蠕變孔洞或微裂紋分布在晶內(nèi)和晶界，特別是碳化物、晶界以及γ′連續(xù)膜的周圍更為嚴重，如圖3所示。

晶界碳化物的透射電鏡形貌見圖4，能譜分析結果見表1，表明晶界碳化物主要為(Ti,Nb,Hf)C。在高溫下，合金的有機物夾雜等不穩(wěn)定相發(fā)生分解，釋放出少量的自由碳原子。除此之外，合金中所有原子的能量不斷增加，自身的熱運動加劇，這加快了自由碳原子和基體中的碳、鉿、鈮、鈦、鋁等元素原子向晶界擴散的速率，碳、鈮、鈦、鉿原子擴散到晶界的碳化物表面，形成(Ti,Nb,Hf)C碳化物。隨著試驗時間的增加，晶界碳化物越來越多，部分碳化物已經(jīng)連接在一起。而元素鋁和鈦形成γ′相而不斷被粗化、聚集和長大，連接形成一層連續(xù)分布的γ′膜。隨著試驗時間的增加，γ′膜越來越寬，晶界也越來越寬，晶界強度被弱化。γ′膜與MC型碳化物之間的結合力很弱，變形能力、熱膨脹系數(shù)差別也較大，在高溫和應力作用下，容易發(fā)生分離而形成孔洞[9]。

表1 晶界碳化物的能譜分析結果(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 EDS analysis result of carbides on grainboundaries (mass fraction) %

2.2密度隨時間的變化規(guī)律

FGH97合金密度測定采用排水法，合金密度由下式計算得出

式中：ρ為合金密度；m1為試樣在空氣中測得的質(zhì)量；ρ1為液體在空氣中的密度；m2為試樣排開液體的質(zhì)量(試樣在空氣中的質(zhì)量減去在液體中的表觀質(zhì)量)。

圖3 蠕變孔洞的萌生與長大Fig.3 Initiation and growth of the creep cavities: a) initiation of creep cavity along intragranular carbides; b) initiation of creep cavity along intergranular carbides; c) initiation of creep cavity along continuous γ′ film; d) accumulation of creep cavity; e) growth up of creep cavity; f) formation of creep cavity

圖4 晶界處的碳化物形貌及標定結果Fig.4 Morphology and diffraction patterns of carbides on grain boundaries

利用式(1)分別求得經(jīng)歷不同時間高溫和高溫應力持久后FGH97合金的密度，結果見圖5。

圖5 在高溫及高溫應力持久條件下FGH97合金密度隨時間的變化Fig.5 Density change with time of FGH97 alloy under conditions of high temperature and high temperature stress endurance

由圖5可知，隨著時間的增加，F(xiàn)GH97合金密度呈規(guī)律性減小趨勢。在經(jīng)歷1 000 h高溫后，F(xiàn)GH97合金密度從8.368 g·cm-3下降到8.178 g·cm-3，下降了2.27%。而在經(jīng)歷1 015 h高溫應力持久后，F(xiàn)GH97合金密度從8.368 g·cm-3下降到8.109 g·cm-3，下降了3.10%。顯然，在高溫和應力持久的共同作用下，F(xiàn)GH97合金密度的變化更為顯著。在高溫和高溫應力持久試驗初期，F(xiàn)GH97合金密度變化不大，300 h后密度分別下降了0.26%與0.65%。隨著試驗時間的增加，在500 h后FGH97合金密度下降速率增加，在800 h后分別下降了1.84%與2.24%，是前一狀態(tài)下降速率的7倍與3倍。

用于熱等靜壓成形的粉末制備過程中，粉末顆粒表面不可避免地吸附氬、氦氣體以及熱等靜壓期間滲入的氫氣，再加上存在少量空心粉，在高溫下這些殘留在FGH97合金中的氣體會發(fā)生膨脹、聚集，使合金密度下降。當高溫和高溫應力持久試驗進行到500 h后，在晶界碳化物、晶內(nèi)碳化物、γ′連續(xù)膜等位置出現(xiàn)了一定數(shù)量的熱誘導孔洞和蠕變孔洞，隨著時間的進一步增加甚至出現(xiàn)微裂紋，這些缺陷會造成密度的加速下降。

2.3聲速隨時間的變化規(guī)律

采用直接接觸法測量聲速，分別獲得經(jīng)歷不同時間的高溫和高溫應力持久后FGH97合金聲速的縱波和橫波速率，結果見圖6。

圖6 在高溫和高溫應力持久條件下FGH97合金聲速隨時間的變化Fig.6 Sound velocity change with time of FGH97 alloy under conditions of high temperature and high temperature stress endurance: a) longitudinal wave; b) transversal wave

由圖6可知，隨著試驗時間的增加，聲速縱波速率與橫波速率都呈規(guī)律性減小趨勢，其變化規(guī)律也基本相同。在經(jīng)歷1 000 h高溫后，橫波速率和縱波速率分別下降了0.019%和0.017%；在經(jīng)歷1 015 h高溫應力持久后，縱波速率和橫波速率分別下降了0.026%和0.023%。

在高溫和高溫應力持久試驗過程中，F(xiàn)GH97合金微觀組織中碳化物的粗化，以及γ′相的形貌、體積分數(shù)、大小、分布的變化是導致聲速下降的主要因素。晶界處γ′膜越來越寬，聲波從晶粒內(nèi)傳出晶界的難度不斷加大，這將降低聲波的傳播速率[8,11]。500 h試驗后熱誘導孔洞、蠕變孔洞以及微裂紋的形成并未對聲速產(chǎn)生明顯的加速下降影響，主要是由于在合金內(nèi)部形成的熱誘導孔洞、蠕變孔洞等缺陷的尺寸一般都小于10 μm，遠遠小于常用的超聲波入射波波長，不會形成散射信號[10-12]。同樣，應力的作用將加速材料高溫條件下的組織演化進程，因此高溫應力持久條件下的聲速下降要明顯高于高溫條件下的，高溫應力持久較高溫條件下的聲速下降速率超過35%。

2.4材料模量隨時間的變化規(guī)律

根據(jù)材料彈性指標與拉梅常數(shù)之間的關系式可得彈性模量E、剪切模量G、體積模量K的表達式分別為[13]

式中：ρ為材料密度；CT為橫波速率；CL為縱波速率。

根據(jù)式(2)～(4)，由材料密度、縱波速率、橫波速率等參數(shù)計算獲得經(jīng)歷不同時間高溫和高溫應力后FGH97合金的剪切模量G、體積模量K、彈性模量E，結果見圖7。

圖7 FGH97合金在高溫和高溫應力持久條件下模量隨時間的變化Fig.7 Elastic property change with time of FGH97 alloy under conditions of high temperature and high temperature stress endurance

由圖7可知，F(xiàn)GH97合金各模量參數(shù)與密度和聲速的變化規(guī)律相似，隨著試驗時間的增加而減小。在經(jīng)歷1 000 h高溫后，彈性模量、剪切模量、體積模量分別降低了5.7%，6.1%，5.6%；在經(jīng)歷1 015 h高溫應力試驗后，彈性模量、剪切模量、體積模量分別降低了7.7%，8.2%，7.5%；模量變化比密度和聲速的變化更加顯著，但與聲速類似，在500 h后，并未出現(xiàn)加速降低現(xiàn)象。

材料的彈性行為是材料內(nèi)部的原子具有抵抗壓縮、剪切、分離的一種本能。彈性模量作為表征材料彈性行為的參量，從宏觀角度看，其值的變化是由材料內(nèi)部受力積累的大小和塑性變形的多少引起的，微觀上是原子、離子或分子之間鍵合強度的反應。因此，凡是影響鍵合強度的因素均會影響彈性模量的大小，如鍵合方式、晶體結構、化學成分、微觀組織、溫度等。在高溫和高溫應力試驗過程中，F(xiàn)GH97合金組織不斷演化，并且500 h后內(nèi)部逐漸出現(xiàn)了熱誘導孔洞、蠕變孔洞以及微裂紋等微觀缺陷，會對合金的彈性模量下降有較大的影響。

3 結論

根據(jù)試驗獲得的不同時間高溫和高溫應力后FGH97合金的密度、縱波速率、橫波速率，并通過公式計算獲得了FGH97合金的剪切模量、體積模量和彈性模量，反映了在模擬服役條件下各物理參量的變化規(guī)律，結論如下。

(1) 在高溫和高溫應力持久條件下，隨著試驗時間的增加，F(xiàn)GH97合金的固有特征量密度、聲學特征量聲速以及力學特征量彈性模量都逐漸降低，在高溫條件下應力對各個特征參量的影響更為明顯。

(2) 經(jīng)歷長時高溫和高溫應力持久后，F(xiàn)GH97合金的顯微組織主要出現(xiàn)兩方面的變化：碳化物的粗化以及γ′相的形貌、體積分數(shù)、尺寸發(fā)生變化；熱誘導孔洞、蠕變孔洞以及微裂紋在晶內(nèi)和晶界上出現(xiàn)。FGH97合金顯微組織的變化對各項物理性能的影響機制不同。

(3) 根據(jù)FGH97合金的密度、聲速、模量的變化規(guī)律，可對粉末高溫合金的組織和性能演化進行評價。

[1] 鄒金文,汪武祥.粉末高溫合金研究進展與應用[J].航空材料學報,2006,26(3):244-250.

[2] RAISSON G.Evolution of PM nickel base superalloy processes and products[J].Powder Metallurgy,2008,50(1):10-13.

[3] GU Y,HARADA H,CUI C,etal.New Ni-Co-base disk surperalloys with higher strength and creep resistance[J].Scripta Materialia,2006,55(9):815-818.

[4] 魏大盛,楊曉光,王延榮,等.保載條件下FGH95材料的疲勞特性及壽命建模[J].航空動力學報,2007,22(3):425-430.

[5] 劉新靈,陶春虎.FGH96粉末高溫合金損傷行為與壽命預測[J].失效分析與預防,2011,6(2):124-129.

[6] 張國棟,劉紹倫,何玉懷,等.粉末冶金盤材料FGH95熱機械疲勞壽命預防[J].失效分析與預防,2008,3(1):54-58.

[7] 梁菁,史亦韋.多區(qū)聚焦技術在粉末高溫合金微缺陷檢測中的應用[J].航空材料學報,2006,26(3):144-147.

[8] 楊萬宏,俞克蘭,顏鳴皋,等.Rene′95粉末高溫合金原始顆粒邊界析出及其形成機理[J].航空材料學報,1990,10(z1):53-58.

[9] 康福偉,孫劍飛,張國慶,等.噴射成形鎳基高溫合金短期時效γ'相長大動力學[J].稀有金屬材料與工程,2007,36(7):1205-1209.

[10] 李喜孟.無損檢測[M].北京：機械工業(yè)出版社,2001.

[11] 應崇福.超聲學[M].北京：科學出版社,1990.

[12] 于海華,嚴海燕,王宇魁,等.LC9鋁合金超聲波速率和時效顯微組織的關系[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(11):759-762.

[13] 李榮,李正佳,蘇麗鳳,等.利用蠕變試驗測試鈦合金高溫彈性模量[J].理化檢驗-物理分冊,2017,53(3):182-184.

InfluenceofLong-TermHighTemperatureandStressonPhysicalPropertiesofFGH97Alloys

LIUChangkui1,2,3,4,CHENFeng5,ZHOUJingyi1,2,3,4,WEIZhenwei1,2,3,4,TAOChunhu1,2,3,4

(1. AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China; 2. AVIC Failure Analysis Center, Beijing 100095, China; 3. Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China; 4. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China; 5. Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision in Changzhou, Changzhou 213000, China)

The density, sound velocity and modulus of FGH97 PM superalloys were measured and calculated, which had passed through high temperature tests and high temperature stress endurance tests after various time. Meanwhile, the microstructure was also analyzed. The influence of long-term high temperature and stress on the density, sound velocity and modulus of FGH97 PM superalloys were researched. The results show that: under conditions of high temperature and high temperature stress, the density, sound velocity and elastic modulus of FGH97 PM superalloys decreased gradually with the increase of time; each characteristic parameter had a more outstanding change under high temperature stress endurance tests than high temperature tests; the time variation of microstructure were that the carbide coarsened, the morphology, volume fraction and size of γ′ phase changed, and the thermally induced porosity, creep cavity and microcracks appeared in the grains or on the grain boundaries.

FGH97 PM superalloy; heat exposure; high temperature stress endurance; sound velocity; modulus; microstructure

10.11973/lhjy-wl201709003

2017-03-02

航空科學基金資助項目(2013ZF21)

劉昌奎(1976-)，男，博士，主要從事材料的微觀結構、失效分析與服役安全評估研究，changkuiliu621@163.com

V256

：A

：1001-4012(2017)09-0629-06