超瞬态凝固增材制造梯度整体涡轮叶盘用高温合金粉末特性研究I：盘体用合金粉末

本文针对超瞬态凝固增材制造梯度整体涡轮叶盘用高温合金粉末特性开展研究。根据合金的承温能力和JMatPro相平衡计算结果,分别选用GH4169和K418作为盘体心部和轮盘边缘部位材料,DZ4125作为叶片材料。采用真空感应熔炼氩气雾化制粉(VIGA)制备高温合金粉末,筛分至53-105μm粒度范围,采用差示扫描量热分析（DSC）、场发射扫描电镜（FESEM）、电子探针（EPMA）、激光粒度仪、动态图像粒度粒形分析仪以及综合粉体性能测试仪对高温合金粉末的相变温度、显微组织、元素偏析行为、粒度、粒形、松装密度、振实密度和流动性进行了系统表征。结果表明：K418合金固液温度范围比G4169合金窄,K418合金的γ′和MC碳化物的开始析出温度均比GH4169高,过渡区(GH4169+K418)混合成分合金主要强化相的析出温度介于GH4169和K418两种合金之间。GH4169和K418合金粉末形貌主要为球形和近球形。表面和截面显微组织主要呈树枝晶结构,所含元素中偏析倾向较强的元素有Ti、Nb、Zr和Mo,均富集分布于枝晶间,而偏析倾向弱的元素包括Ni、Cr、Fe和Al,高温合金粉末元素偏析类型与铸造镍基高温合金相近,但粉末组织更为细小均匀。激光衍射和动态图像分析法测得的粉末粒度值接近,GH4169的D50分别为79.1μm和76.2μm,K418的D50分别为67.8μm和65.6μm。动态图像法测得2种合金均具有较好的球形度,GH4169和K418的SPHT均值分别为0.91和0.90。所选GH4169和K418高温合金粉末具有相近的松装密度、振实密度和流动性,其松装和振实密度分别达到合金理论密度的50%和60%,压缩度在13.3~15.5%范围,粉末具有较好的流动性（18.5~20.4 s?(50 g)-1）。     

粉末高温合金原始颗粒边界与MC型碳化物溶解度的关系

原始颗粒边界(PPB)是在粉末加热固结过程中MC型碳化物在颗粒边界析出造成的,利用扫描电镜(SEM)和电子探针X射线显微分析仪(EPMA)研究了 MC型碳化物在镍基高温合金中的溶解度与粉末高温合金中原始颗粒边界(PPB)的关系.结果表明:强碳化物形成元素(Ti、Zr、Hf、Nb、Ta)对应的MC型碳化物在镍与镍基高温合金中的溶解度顺序为:TiC＞NbC＞TaC＞ZrC＞HfC,同时温度越高MC型碳化物的溶解度越大;在镍基高温合金中溶解度较大的TiC容易在粉末高温合金的PPB上析出,而溶解度较小的TaC则避免了这种现象.未添加Ta元素的FGH4098合金中原始颗粒边界(PPB)上的MC型碳化物主要为TiC;添加Ta元素的FGH4098合金,制粉过程中会在粉末颗粒内部析出更多的含Ta的MC'型碳化物,在随后的热等静压过程中,这种MC'碳化物转变成为更高稳定性的MC型碳化物(Ta,Ti,Nb)C.(Ta,Ti,Nb)C存在富Ti的核心,Ti和C元素被"固定"在了碳化物中,阻碍了 MC型碳化物在PPB上析出.     

热等静压工艺对K4125镍基高温合金显微组织的影响

采用3组不同参数的热等静压(HIP)工艺对K4125镍基高温合金进行显微组织演变研究。结果表明,3种热等静压工艺制备的合金中Hf、Mo等在MC碳化物中的分布区域略有不同,Ta、Mo、Co、Cr、Ti及Al等为正偏析元素,W、Ni为负偏析元素,与其他元素相比较,Ni、Co、Cr偏析程度较小,提高热等静压温度及压力,各元素的偏析程度均有所降低,γ/γ′共晶组织含量逐渐减少,同时枝晶干γ′相的尺寸显著降低,但面积分数无明显变化。此外,3种热等静压合金均出现大块状MC碳化物碎化、二次MC碳化物析出及晶界细小碳化物形成等现象,提高热等静压温度及压力后,这种现象加剧,且碳化物中Ta、Ti含量降低,TaC、TiC的分解倾向增加。     

直流电弧热等离子体球化处理TA1粉末工艺研究

采用直流电弧热等离子体对不规则TA1粉末进行球化处理。利用金相显微镜、扫描电子显微镜、粒度粒形分析仪、霍尔流速计、斯科特容量计及氧氮分析仪等分析测试手段,研究球化工艺对粉末组织形貌、粒度分布、球形度、流动性、松装密度及氧含量的影响。结果表明,球化处理可将不规则形状TA1粉末球化为表面附着亚微米颗粒的实心球形;球形粉末内部组织由等轴状α相转变为长条状α相。球化处理使TA1粉末平均粒径和氧含量降低,球形度升高。原料粉末粒度越小、等离子体发生器功率越高,球化后粉末平均粒径越小,球形度越高;但会导致球化后粉末中亚微米颗粒含量增加、粉末流动性变差、松装密度降低;去除亚微米颗粒可以提高粉末流动性,并进一步降低氧含量。     

气体流量对射频等离子体球化GH4169合金粉末的影响

采用射频等离子体球化技术对多次激光3D打印废弃的不规则GH4169合金粉末进行二次改造，研究载气、氢气流量对球化粉末效果的影响机理.利用扫描电镜、霍尔流动仪、振实密度测试仪及激光粒度分析仪对球化前后粉末的形貌、流动性、松装比及粒度分布进行分析.结果表明，载气流量越大，粉末在等离子体火焰中停留时间越短、运动絮乱，球化率越低；氢气流量越大，单位时间内等离子体与粉末热交换越大，球化生产效率越高.经球化处理的GH4169合金粉末的流动性、松装比得到了显著的改善，粉末颗粒平均粒径增加，粒径分布变窄.     

镍基粉末高温合金原始颗粒边界形成及组织演化特征

采用等离子旋转电极(PREP)法制备高温合金粉末,通过热等静压(HIP)和热挤压(HE)进行固结成型,对制备的粉末及HIP、HE态合金内部和表面显微组织进行表征,探索镍基高温合金原始颗粒边界(PPB)的组成、形成机制及组织演化特征。结果表明:合金在粉末态已发生元素偏析,粉末表层有细小的富Al氧化物颗粒,且颗粒表面有Zr、C、O元素的富集层;合金PPB主要为连续的大尺寸??相、MC型碳化物、Al2O3和富Zr的氧化物颗粒;PPB形成机制是在温度场的作用下,碳化物、??相和氧化物易于在结合面析出,合金经热挤压后,原始颗粒边界上大的??相完全消失,连续的PPB被破碎,形成含MC碳化物和少量氧化物的沿挤压方向竖状排列的小颗粒,此时,合金已完成动态再结晶。     

镍基高温合金粉末颗粒的凝固组织研究

本文按粒度分级研究了PGH95镍基高温合金粉末颗粒的显微组织和析出相。随着粉末颗粒尺寸减小,冷却速度增加,颗粒的凝固组织从树枝晶为主的方式逐渐转变为胞状晶为主方式。主要析出相为MC型碳化物,其形态随颗粒尺寸不同而呈多样性。还发现少量硼化物,Laves相和一次γ′相,它们往往与MC碳化物伴生存在,粉末颗粒中相析出特征与其成分,凝固条件、显微组织密切相关。     

球形钨粉的制备及应用

球形钨粉以其良好的流动性、高的松装密度和振实密度广泛应用于喷涂、增材制造等材料制备领域。本文以不规则形状钨粉颗粒为原料,采用射频等离子球化技术制备球形钨粉,并对球形钨粉进行铺粉及成形实验效果评价。在射频等离子球化过程中,研究球化工艺参数（送粉速率、送粉位置）和原料粉末形态对球化结果的影响。在铺粉实验方面,研究粉末特征和铺粉层厚对铺粉效果的影响。采用扫描电子显微镜、激光粒度分析仪和BT-100粉体综合特性测试仪对球化处理前后粉末的形貌、粒度、流动性、松装密度和振实密度进行测试和分析。结果表明：经过球化处理后,钨粉颗粒呈规则球形,表面光滑,球化率可达100%,流动性、松装密度和振实密度得到明显提高。球化率高的粉末流动性好,铺粉效果好;随着层厚的增加,铺粉效果逐渐得到改善;采用合适粒径的球形钨粉打印的钨薄壁件表面相对光洁,尺寸精度高。     

球形TC4合金粉末的制备、表征及雾化机理

采用真空气体雾化法制备了TC4合金粉末,并采用激光粒度分析仪、扫描电子显微镜和霍尔流速计等对制备的粉末粒度分布、组织形貌、松装密度、流动性等进行了测试分析。结果表明:真空气体雾化法制备的TC4合金粉末粒度呈正态分布,尺寸集中分布在32.52～182.50μm左右,粉末中值粒径d_(50)为92.70μm,粉末球形度高,氧含量低(0.14%);粉末具有较低的松装密度和良好的流动性,粒径在38～106μm的粉末其流动性为25～50 s/(50 g),松装密度为2.52～2.56 g/cm~3。TC4合金粉末中粒径较大的颗粒表面呈发达的近似等轴的胞状枝晶组织,而颗粒粒径越小,其表面越光滑。少部分小颗粒粘附在大颗粒表面上,出现连体的"卫星"状。     

碳和硼对高铼含量的定向凝固镍基高温合金元素偏析行为的影响

研究元素碳和硼对含铼镍基定向柱晶高温合金相转变温度、元素偏析和碳化物析出相的影响。结果表明：随着碳含量的增加,液相线温度逐步降低,而碳化物的析出温度上升。硼的添加造成合金液相线温度、碳化物析出温度和固相线温度均下降。随着碳含量的增加,铼元素的偏析先增大后减小,而其它元素的偏析程度变化并不是很大。铼、钨、钽的偏析随硼的加入而逐渐增大。合金中碳化物的形态主要为汉字体状,碳化物数量随着碳含量的增加逐渐增大。添加硼元素的合金中析出的碳化物较不含硼元素的合金中析出的碳化物更加集中和粗大。     

预热处理对FGH95高温合金粉末中碳化物的影响

对等离子旋转电极雾化(PREP)FGH95高温合金粉末颗粒在不同温度下进行预热处理，并对热处理粉末中碳化物的变化规律进行分析，结果表明：经预热处理，粉末颗粒中的MC′型亚稳碳化物发生分解和转变，析出稳定的MC，M23C6及M6C型碳化物，明显改变碳化物的稳定性和分布状态。     

一种新型高温合金凝固组织和元素偏析行为研究

采用热力学平衡模拟计算、差热分析(DTA)和等温凝固淬火试验(ISQ)相结合的方法对一种新型镍基高温合金K4750合金的凝固组织和主要元素的偏析行为进行研究。结果表明,实际K4750合金的固相线温度为1270℃,液相线温度为1350℃,MC型碳化物析出温度为1320℃;凝固顺序为L→γ(1350℃),L→γ+MC(1320℃)。K4750合金在凝固初期凝固速度较快,液相体积分数下降明显,凝固后期速度开始变慢,在1310～1290℃温度区间内枝晶间连通残余液相开始断开,同时会有大块状的MC相析出,进一步阻碍液相的连通,从而极易导致合金凝固疏松的形成。合金中W、Fe、Cr的溶质分配系数大于1,富集于枝晶干,为负偏析元素;Ti、Nb、C、Mo的溶质分配系数小于1,富集于枝晶间的液相中,为正偏析元素。     

偏析对DZ483镍基高温合金糊状区内液相密度的影响

为研究DZ483合金在凝固过程中的元素偏析行为对糊状区内液相密度的影响,采用等温凝固结合水淬法对合金进行不同温度下的凝固实验.利用OM和SEM观察试样的凝固组织,利用EDS测量固相和剩余液相的元素含量,并根据剩余液相的成分计算其密度.结果表明,DZ483合金的开始凝固温度略低于1335℃,在1325℃液相中开始析出富含Ta和Ti的MC;W和Co为负偏析元素,Mo,Ta和Ti为正偏析元素,而Al和Cr几乎不发生偏析;剩余液相的密度随温度降低基本呈下降趋势,但在1325至1315℃之间有所回升.计算结果表明,温度对液相密度的影响很小,合金元素的偏析对液相密度的影响占主要地位.其中,Mo和Ta的偏析导致液相密度增加,而Ti和W的偏析导致液相密度明显降低.备合金元素的偏析对密度变化的贡献由大到小顺序为:Ti>Ta>W>Cr>Mo>Al>Co.MC的形成消耗了大量的Ti和Ta,对合金元素的偏析造成一定的影响,从而导致液相密度在1325至1315℃之间有所增加.     

电渣重熔-等离子旋转电极雾化制备高品质316H奥氏体不锈钢粉末

首先采用电渣重熔法熔炼316H奥氏体不锈钢母合金,随后采用等离子旋转电极雾化(PREP)法制备了球形316H奥氏体不锈钢粉末.利用氧氮分析仪、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、霍尔流速计和激光粒度分布仪等研究了粉末的氧含量、形貌、相结构、流动性、松装密度、振实密度及粒度分布.结果表明:电渣重熔制备的316H奥氏体不锈钢母合金全氧含量为20×10-6,铸锭成分均匀;等离子旋转电极雾化法制备的316H奥氏体不锈钢粉末全氧含量为70×10-6,粉末粒度呈现双峰分布,细粉收得率高,粒径为15～150 μn的粉末占比近80％,粉末粒径分布范围广、球形度高、卫星粉少.粉末表面基本为胞状晶,截面为均匀的枝晶组织,为单一的γ-Fe相结构.制备态粉末的霍尔流速、松装密度和振实密度分别为14.83 s-50-1 g-1、4.725 g·cm-3和5.401 g·cm-3.粗粉和细粉质量分数各占一半时,粉末的霍尔流速为12.91 s·50-1g-1,小于初始粉末的霍尔流速,提高了粉末的流动性能.长时间的真空储存能降低粉末的带电性能,进而降低粉末颗粒之间排斥作用,可进一步提高粉末流动性.粗、细粉之比为7:3时,粉末的填充性能最好,填充率高达70.6％.     

新型定向凝固高温合金DZ68中的碳化物

用扫描电镜、透射电镜和电子探针等研究一种新型定向高温合金DZ68中的碳化物。结果表明,铸态DZ68合金碳化物主要是MC型,以汉字状和块状分布于晶内和晶界。热处理态DZ68合金碳化物是MC型和M23C6型,其中MC型碳化物以颗粒状和短棒状在晶界和晶内分布;而M23C6呈针状在晶内和颗粒状在晶界析出。     

预处理过程中FGH96合金粉末中的碳化物演变

采用扫描电镜、透射电镜等手段研究了预处理前后FGH96合金粉末颗粒中的碳化物演变。结果表明:粉末在快速凝固过程中会析出不同形貌的MC’型亚稳态碳化物,MC’碳化物中含有较多的弱碳化物形成元素,不同形貌的MC’型碳化物的化学组成与点阵常数具有一定的差异。在粉末预处理过程中,粉末颗粒内部形成的亚稳态MC’型碳化物逐渐转变为稳定MC型碳化物,同时可形成M23C6和M6C碳化物;转变后的MC型碳化物形态以规则块状为主,成分上以强碳化物形成元素Ti,Nb,Zr为主。     

热处理对粉末冶金Inconel 718高温合金组织及性能的影响

以超高转速等离子旋转电极法(SS-PREP法)制备的高球形度Inconel 718高温合金粉末为原料,采用热等静压(HIP)工艺制备了Inconel 718粉末高温合金,重点研究了热处理制度对合金组织和力学性能的影响。实验结果表明:采用SS-PREP法制得的Inconel 718高温合金粉末粒度分布均匀,球形度良好,具有优异的HIP工艺性能;随着固溶温度的提高,合金晶界逐渐变浅,说明晶界析出相数量逐渐减少。时效热处理后,沿晶界析出大量针状δ相,同时还有少量MC碳化物相。在1210℃、120MPa条件下保温保压4h的HIP工艺下,经1020℃固溶热处理后,合金室温抗拉强度可达1404MPa;经980℃固溶处理后,合金在650℃的高温抗拉强度为1153MPa,固溶处理温度为980℃的合金综合性能较好。     

FGH96合金中γ′和碳化物相平衡计算

利用热力学计算软件Thermo-Calc及相应的Ni基数据库对FGH96粉末高温合金中可能析出的平衡相进行计算,并分析元素含量在允许范围内的波动对主要析出相γ′和碳化物析出行为的影响。结果表明:FGH96合金析出的平衡相有γ′、MC、M23C6、MB2、M3B2和TCP相。Al、Ti和Nb含量的增加会显著提高γ′相的固溶温度及析出量;合金中碳化物的析出量及MC的析出温度主要受到碳含量的影响,Al和Nb含量的变化对碳化物的析出温度有着显著影响,其中Al含量的影响尤为明显。     

等离子旋转电极雾化FGH95高温合金粉末的预热处理

在不同热处理制度下对等离子旋转电极雾化(PREP)FGH95高温合金粉末颗粒进行预热处理，并对热处理粉末颗粒微观组织、碳化物析出相及γ相的变化规律进行研究。结果表明：随着预热处理温度升高，树枝晶组织逐渐消失，γ相由圆形逐渐转变为方形，粉末颗粒中的MC′型亚稳碳化物发生分解和转变，析出稳定的MC，M23C6及M6C型碳化物。M23C6碳化物的析出温度为950℃，M23C6与M6C碳化物的相互转变温度为1000～1050℃，M23C6和M6C的溶解温度为1100℃。     

FGH96合金粉末的俄歇分析及预热处理

针对等离子旋转电极工艺制备的FGH96合金粉末,采用俄歇电子能谱对合金粉末的颗粒表面进行成分分析,并利用透射电镜对预热处理后粉末中的碳化物演变进行研究。结果表明:FGH96合金粉末的颗粒表面明显存在O、C和Ti元素的偏聚,原始合金粉末的颗粒表面由O和C原子吸附层和富含Ti元素的碳氧化物层组成;经过预热处理,颗粒中形成于快速凝固过程中的MC′亚稳碳化物转变成稳定的MC碳化物,并析出M23C6碳化物,明显改善了颗粒内碳化物的稳定性和分布状态。