振荡热压烧结制备FGH4096高温合金及工艺优化研究

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FGH4096合金是我国自主研发生产的第二代粉末高温合金,通过控制其γ′相含量和烧结工艺来获得细晶晶粒,优化了各元素的组成成分,可以使其具有优异的持久、抗蠕变和抗裂纹扩展性能,而且利用粉末冶金方法制备的高温合金,具有成分均匀、制件性能稳定等优点。但是,FGH4096合金化程度高,采用传统的固结成型方法导致成分偏析、难加工等问题。振荡热压烧结(Hot Oscillatory Pressure,HOP),通过采用动态压力设计,在烧结过程中辅助施加振幅与频率可控的振荡压力提供烧结驱动力,避免传统热压静态压力的局限性,可实现复杂金属零件的整体成形。然而振荡热压烧结高温合金的应用研究报道较少,其微观组织、力学性能及其失效机制亟需深入、系统研究。为此,本文以FGH4096合金为研究对象,研究了不同粒径,烧结温度、保温时间对振荡热压烧结高温合金的影响。主要研究内容如下:(1)研究在不同烧结工艺下(HP和HOP)制备FGH4096合金样品的微观组织和力学性能。结果发现HOP样品的致密度可达到99.5%,基本完全致密,均比热压烧结致密度高;振荡热压烧结可有效的消除高温合金中的原始颗粒边界(Prior Particle Boundary,PPB);振荡热压烧结FGH4096合金具有较高的屈服强度和极限抗拉强度。其伸长率为比HP高47.0%,比HIP制备的样品高约30%。在不同粒径高温合金粉末(51μm、120μm)中,振荡热压烧结FGH4096合金的硬度、抗拉强度和延伸率均高于同等条件下HP烧结制备的粗粉和高成本的细粉样品,最高分别达到了396.51 HV、1350.6 MPa和29.7%。HP粗粉样品呈现颗粒边界断裂,断口形貌中的部分粉末颗粒保留了非常规则的球形形貌,细粉样品中断裂表面存在微小的孔隙。而HOP的样品断口形貌出现了明显的撕裂线,存在大量分布均匀的韧窝。(2)研究振荡热压烧结温度对FGH4096合金的组织和性能的影响。随着温度的增加,合金中的γ′相的尺寸先增加,后减少,在1000℃和1160℃之间,γ′相的尺寸从185 nm逐渐增加到355 nm。其中在较低的温度下(<1120℃)高温合金的晶粒尺寸增加的速度较慢;FGH4096的抗拉强度和伸长率随温度的升高呈上升趋势,1160℃下的样品的抗拉强度和延伸率达到了1420 MPa和37%。而在1200℃时,抗拉强度和伸长率开始下降,合金的屈服强度有较明显的规律性,合金断裂方式由沿原始颗粒边界断裂主导转变为韧性断裂。(3)研究了烧结时间对FGH4096合金的组织和性能影响。随着保温时间的增加,振荡热压烧结样品中原始颗粒边界逐渐消失,粉体颗粒形态开始发生微弱变形。其拉伸性能高达1330 MPa,延伸率达到25%,高于热压烧结样品。振荡热压样品的断裂方式变成了沿颗粒边界断裂和穿晶断裂混合型,热压样品断口组织上少数位置仍然存在沿颗粒断裂的球形形貌,边界上的微裂纹随着烧结时间的增加在缩小。
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