新型第三代粉末高温合金的喷射成型制备研究进展

摘 要：喷射成形是一种近终形快速凝固技术，本文综述了采用喷射成型技术制备新型第三代粉末高温合金FGH100L的研究进展。结合喷射成型高温合金的制备工艺流程，介绍了关于喷射成型第三代粉末高温合金FGH100L的成分设计、喷射成型工艺、组织特征、热变形行为、热处理制度的研究，对比分析了FGH100L合金与其他粉末高温合金的力学性能，概述了盘件的无损检测情况，研究结果显示了喷射成型制备涡轮盘用粉末高温合金是一条可行的有生命力的工艺路线。

关键词：喷射成型；第三代粉末高温合金；涡轮盘；FGH100L

第三代粉末高温合金具有耐高温能力强（使用温度700-750℃）、高强度、高损伤容限、持久性能好、低的疲劳裂纹扩展速率等优点，备受高性能航空动力装置的青睐。

喷射成型高温合金是喷射成型技术发展的重要方面。但迄今为止，有关采用喷射成型技术制备第三代粉末高温合金的研究鲜有报道。因此，对喷射成型第3代高温合金粉末研究迫在眉睫。

1 新型第三代粉末高温合金设计

按照工程化需要提出的第三代粉末高温合金FGH100L的技术指标要求，综合运用相图计算、相计算、d电子理论等方法进行设计。设计原则是，以合金化能力强的Ni为基体，综合添加固溶强化元素Co、Cr、W、Mo，沉淀强化元素Al、Ti、Nb、Ta和晶界强化元素C、B、Zr、Mg等。为了在提高使用温度下新型合金仍具有优良的综合性能，从合金元素的实际作用和强化机理出发，要对各元素的添加比例进行合理控制。

表1是设计的FGH100L合金的典型成分与国内其他第三代粉末合金的主要成分对比情况。从表1可见，新型FGH100L合金的Co含量相对较高，Cr含量相对较低，与国外第三代粉末高温合金中增Co降Cr的设计特点一致，FGH100L合金中的W/Mo比与FGH98I合金的W/Mo 比相当或略高些，设计中W含量高于Mo，可以避免和减少有害的TCP相高温长时间工作下在晶界和界内的析出，而且FGH100L合金中具有较高的Al+Ti含量，即FGH100L合金的γ’相体积分数相对较高。较高的Co含量及Al、Ti、Ta含量能使FGH100L合金呈现高强度的设计思想，另外，控制合金中合理的W、Mo含量、W/Mo比和Nb/Ta比并加入适量晶界强化元素，能降低疲劳裂纹扩展速率，使合金保持高损伤容限的设计理念。

表1 国内第三代粉末高温合金主要成分对比

采用JMatPro软件和相应的镍基高温合金数据库，对FGH100L合金进行热力学平衡相计算，得出了当FGH100L合金各元素成分为典型含量时的各相析出量与析出温度的关系，如图1所示。由图1可知，合金中可能存在的平衡相有基体γ、γ’相、碳化物(MC、M23C6)和硼化物(M3B2、MB2)。

除此之外，还有σ相、μ相存在，由于热力学计算结果为稳定的平衡相，因此σ相、μ相可能会在合金长时间使用过程中逐渐析出。

2 喷射成型制备第三代粉末高温合金沉积坯的组织特征

2.1 致密度

喷射成型FGH100L合金沉积坯不同部位的密度和致密度不同，顶、中、底部密度分别为8.12g/cm³、8.32g/cm³、8.29g/cm³。新型第三代粉末高温合金FGH100L沉积坯具有良好的致密度，中部和底部致密度较高，分别为99.52%、99.16%，顶部的致密度较低，为97.12%。

2.2 显微组织

图2是喷射成型FGH100L合金显微组织。喷射成型FGH100L合金晶粒组织为均匀细小的球形、近球形等轴 晶组织(图2(a))，晶粒尺寸在10-50μm 之间，平均晶粒度级别为ASTM7.5级。

喷射成型FGH100L合金沉积坯获得三种尺寸的γ’相(图2(b))。一次、，相尺寸约0.6μm，二次γ’相尺寸约0.3μm，三次γ’相尺寸约0.02μm，大量细小的三次γ’相呈弥散分布。

3 合金的热变形和涡轮盘成型

我们采用Gleeble-1500热模拟机研究不同变形条件下的FGH100L合金的热变形行为。分析了不同温度及应变速率对流变应力的影响。绘制了真应力—真应变曲线，并建立了本构方程。所希这些都为等温锻造工艺的数值模拟优化设计提供了理论和实验参考。

分别在1020℃、1050℃、1080℃、1110℃、1150℃下采用不同应变速率进行热模拟试验。图3(a)是喷射成型FGH100L合金在1110℃下的热压缩真应力—真应变曲线。研究结果表明，当变形温度一定时，FGH100L合金的流变应力随着应变速率的提高而升高，发生动态再结晶的临界应变量随着应变速率的增加略有增加；而在同一应变速率下，随变形温度升高，流变应力下降，达到峰值应力所需的形变量减小，较高的形变温度有利于动态再结晶的发生。

研究表明，在1020℃下FGH100L合金的变形组织主要为扁平晶粒组织，但已出现少量细小等轴晶粒，说明已进入动态再结晶的初始阶段；随形变温度升高，出现的等轴晶粒数量增多，合金动态再结晶程度完善，较高温度下的FGH100L合金热变形组织基本为完全动态再结晶组织；同一形变温度下，应变速率越小，再结晶组织越完善，图3(b)是1110℃下应变速率为0.1s-1合金的热变形组织形貌。基于热模拟试验，并进行数据处理，建立了如下的FGH100L合金的本构方程。

4 喷射成型FGH100L合金力学性能

FGH100L合金与国内粉末高温合金力学性能对比见表2。

表2 中美第三代粉末高温合金主要力学性能对比

图4是喷射成型FGH100L合金与LSHR合金经过热处理后的组织形貌。从图4可以看出，经过热处理后FGH100L合金中的一次γ’相主要分布在晶界，晶内是二次γ’相和大量弥散分布的细小三次粒状γ’相。一次γ’相的尺寸约0.8μm，二次γ’相的尺寸0.2-0.5μm，三次γ’相的尺寸约0.02μm。热处理后美国LSHR合金中的γ’相尺寸较大，一次γ’相的尺寸约1μm，二次γ’相的尺寸约0.3μm，三次γ’相的尺寸0.03-0.05μm，美国LSHR合金较FGH100L合金中二次γ’相数量多而三次γ’相数量少，FGH100L合金中大量细小弥散分布的三次球形状γ’相，能够显著提高合金的强度水平。FGHIOOL合金与LSHR合金中γ’相的尺寸、分布的不同以及三次γ’相数量的差异，是导致两个合金力学性能不同的根本原因。

5 结束语

(1)本文对新型第三代粉末高温合金的研究，为实现涡轮盘近终成型短流程高效制备奠定了相关技术基础。

(2)首次在我国采用喷射成型工艺，研制FGH100L第三代粉末高温合金材料。国产FGH100L合金具有良好的室温力学性能，并表现出优异的高温拉伸性能、持久性能和蠕变性能。喷射成型工艺有望成为一条更加经济实用的涡轮盘制造工艺路线。