粉末高溫合金中的缺陷問題
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與傳統的鑄/鍛工藝相比,粉末冶金工藝消除了宏觀偏析,改善了合金的組織,提高了盤件性能,但是由于其獨特的工藝步驟也帶來了一些不可避免的缺陷。粉末高溫合金中的主要缺陷有:一.原始顆粒…
與傳統的鑄/鍛工藝相比,粉末冶金工藝消除了宏觀偏析,改善了合金的組織,提高了盤件性能,但是由于其獨特的工藝步驟也帶來了一些不可避免的缺陷。粉末高溫合金中的主要缺陷有:一. 原始顆粒邊界,二. 熱誘導空洞,三. 夾雜。
一.原始顆粒邊界。
原始顆粒邊界是在粉末制備和隨后的熱等靜壓過程中形成的。制粉期間,粉末在冷卻過程中會出現不同程度的元素偏析,同時還會生成一定數量的氧化物質點;熱等靜壓期間,快凝粉末顆粒中的亞穩相組織向穩態轉變,粉末表面富集的元素會形成穩定的第二相顆粒,表面存在的氧化物質點一般會加速這一過程的進行,在粉末顆粒邊界處迅速析出大量第二相顆粒,嚴重時可形成一層連續網膜,勾勒出了粉末的邊界,最終使合金錠坯中保留原始的粉末顆粒形貌。原始顆粒邊界阻礙了粉末顆粒間的擴散和冶金結合,并且一旦形成就很難在隨后的熱處理過程中消除。嚴重的原始顆粒邊界會顯著降低合金的塑性和疲勞壽命,甚至造成制件在使用過程中發生斷裂等惡性事故。有效減弱或消除原始顆粒邊界的方法主要有: ① 調整合金化學成分,降低 C 和 Ti 含量,加入 Hf,Nb,Ta等強碳化物形成元素。② 采用粉末預熱處理工藝,將松散粉末先在較低的 M23C6型碳化物穩定溫度范圍內進行預熱處理,在顆粒內部樹枝間形成M23C6型碳化物,再升至較高的 MC 型碳化物穩定溫度范圍進行熱等靜壓壓實,以減少熱等靜壓時在粉末顆粒表面析出穩定的 MC 型碳化物。③ 采用兩步法熱等靜壓工藝,在加熱過程中先在較低溫度下保溫,然后再升高到熱等靜壓溫度壓實。④ 在略低于固相線的高溫下進行熱等靜壓處理,然后再進行熱變形獲得所需晶粒組織。⑤ 采用熱擠壓工藝破碎原始顆粒邊界。
二. 熱誘導孔洞。
熱誘導孔洞是由不溶于合金的殘留氬氣或氦氣所引起的。在熱處理過程中,殘留氣體膨脹,形成了不連續的孔洞。如果冷卻后沒有施加其它變形工藝,孔洞將滯留在合金中。合金中熱誘導孔洞的來源,首先是霧化制粉過程中,惰性氣體被包覆在粉末顆粒內部形成了空心粉; 第二是粉末脫氣不完全,粉末顆粒表面吸附有氬氣或氦氣; 第三是包套有細微泄漏,在熱等靜壓過程中,高壓的氬氣會壓入包套內。熱誘導孔洞易成為合金的裂紋源,導致合金拉伸強度和屈服強度下降,尤其是低周疲勞性能嚴重降低。熱誘導孔洞的問題可以通過工藝控制來解決。
三. 夾雜。
非金屬夾雜是影響盤件壽命的主要因素,夾雜物主要是陶瓷夾雜、熔渣、異金屬和有機物,來源于母合金、粉末制備和處理過程。夾雜物是低周疲勞的裂紋源,明顯降低合金的塑性和低周疲勞壽命,也易形成淬火裂紋。減少粉末中夾雜物的有效措施主要是: 研發高純凈粉末制備和處理技術,從源頭降低夾雜的含量;使用細粉,減小夾雜物的尺寸和數量。
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