TiB2添加量对FGH97合金组织性能影响的研究

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FGH97是我国自主研制的第三代高温合金,传统制备工艺为粉末冶金热等静压(HIP)法,合金具有优异的耐腐蚀、抗氧化性能,良好的力学性能和蠕变性能。但是由于合金晶粒度较大,限制了室温力学性能;在制备过程中产生原始颗粒边界,会成为裂纹源;裂纹产生后,扩展速度快;以及强化相γ′的分解温度限制了它的使用温度。本文选用粒径75~150μm的FGH97粉末与5μm陶瓷相Ti B2粉末构成多尺度,低能球磨工艺与热压烧结法结合,成功制备出具有网状结构的FGH97-Ti B2体系复合材料。通过不同测试手段得到材料的硬度、弹性模量、热扩散系数等基本性能,再利用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电子探针显微分析仪(EPMA)、以及透射电子显微镜(TEM)表征技术对制备出的材料进行微观组织表征。并对力学性能如室温拉伸、三点弯曲、高温拉伸、高温压缩进行测试,结合力学性能结果与断口分析得到网状结构对复合材料的一个强化效果。通过光学显微镜对微观组织观察发现,复合材料相较合金更加致密,且随着Ti B2的增加,复合材料的致密度进一步提高,增强相Ti B2有利于复合材料的致密化。微观组织分析发现,FGH97合金的物相主要有γ(Ni Al)相和γ′(Ni3Al)相,少量的M23C6、MC碳化物,存在明显的原始颗粒边界(PPBs);复合材料中除了有γ和γ′相之外可以看到明显的网状结构,还可以观察到一级网状结构中还存在二级结构,“网状结构”为生成的M3B2型硼化物,没有PPBs的存在。室温拉伸性能测试,网状结构使得FGH97-Ti B2复合材料表现出较为出色的室温力学性能。3wt.%Ti B2复合材料抗拉强度为998.3MPa,屈服强度为715.9MPa。屈服强度相较合金提高了7.4%,抗拉强度提高了40MPa,延伸率有所下降。通过室温弯曲试验断口分析,网状结构的引入,晶界处的颗粒相对裂纹的扩展有着很好的阻碍作用,使裂纹只沿着力的方向发展,不向其他方向扩展。高温性能,以拉伸性能为主,650℃高温拉伸,复合材料的抗拉强度为1103MPa,远高于合金的904MPa,提高了22%,屈服强度为822.6MPa,相较合金提高了14.2%,延伸率有略微的提高;750℃高温拉伸,复合材料的拉伸性能各方面都要好于FGH97合金,抗拉强度提高了22.5%,屈服强度提高了130.9MPa,延伸率有所提高。850℃下复合材料的强度下降较快,抗拉强度756.2MPa,屈服强度为673.1MPa,均高于合金。网状结构使得复合材料有更好的高温下保持性能的能力。后续对复合材料二次热压,二次热压后的材料没有明显孔洞,网状结构略有变化,很好的控制晶粒大小。在力学性能方面,复合材料的屈服由于加工硬化的作用,提前屈服,且屈服阶段较长。延伸率方面,二次热压后的1wt.%Ti B2复合材料可以达到8%,与原合金的延伸率相近,屈服强度和抗拉强度高于合金。抗拉强度可以达到1159.2MPa,较合金提高13.7%,相较烧结态的复合材料提高14.5%,屈服强度方面可以达到864.6MPa,较合金提高14.2%,较烧结态的复合材料提高5%。
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