卢毓华, 王 蓬, 沈学静, 付 锐, 李福林, 李冬玲, 王海舟

(1. 钢铁研究总院, 北京100081； 2. 钢铁研究总院 金属材料表征北京市重点实验室, 北京 100081)

大尺寸变形FGH96高温合金涡轮盘晶粒尺寸和硬度相关性的表征

卢毓华1,2, 王 蓬1,2, 沈学静1,2, 付 锐1, 李福林1, 李冬玲1,2, 王海舟1,2

(1. 钢铁研究总院, 北京100081； 2. 钢铁研究总院 金属材料表征北京市重点实验室, 北京 100081)

对大尺寸镍基变形FGH96高温合金涡轮盘沿径向进行了平均晶粒尺寸的统计分析，以及相应的硬度表征。结果表明：从盘中心到盘边缘，晶粒尺寸呈现增大的趋势，而硬度呈现递减的趋势；此外，从盘心到盘缘，局部硬度数值出现波动，是受盘件形状的影响造成的。

变形FGH96高温合金；涡轮盘；晶粒尺寸；硬度

对于航空发动机，推重比(推力/重力)通常用于综合地评定其先进水平。影响推重比的因素有很多，如涡轮前温度、部件效率、相应的增压比等。随着航空发动机推重比的不断提高，其涡轮前温度也不断提高，这对涡轮部件的承温能力提出了更高的要求[1]。在过去几十年，涡轮盘材料合金化程度的提高伴随着发动机推力的不断提高，如表1所示。

粉末高温合金特点为晶粒细小、组织均匀、无宏观偏析、合金化程度高、屈服强度高、疲劳性能好等，是制造高推重比新型发动机涡轮盘等高温器件的最佳材料[2]。FGH96为合金化程度较高的难变形镍基高温合金，该合金用粉末冶金路线研制始于20世纪90年代，目前制粉工艺主要有氩气雾化和等离子体旋转电极雾化，然后通过热等静压或热挤压和等温锻造成型。但国内粉末冶金工艺制备的FGH96合金仍存在夹杂物的问题，且制备成本很高。近几年来随着冶金工艺水平的提高，国外针对粉末冶金牌号的合金采用铸锭+锻造工艺成功制备了Rene65，AD730等合金，大大降低了生产成本，其应用前景十分广阔。几乎与此同时我国钢铁研究总院高温材料研究所在2008年采用具有自主知识产权的电渣重熔连续定向凝固(ESR-CDS)工艺，成功制备了镍基变形FGH96合金铸锭，并采用多向锻造和等温锻造的方法成型[3]。ESR-CDS工艺成功解决了高合金化变形高温合金制品制备的技术难题，其本质是通过冶金技术控制消除铸锭的宏观偏析，降低微观偏析，然后通过多向锻造解决组织均匀性的问题。这种铸锭+锻造工艺制备的变形FGH96合金的各项力学性能与粉末FGH96合金的相当。

表1 各代发动机的涡轮工作条件

要在高温结构中充分挖掘材料的潜力就需要针对材料的力学特点进行深入的研究[4]。变形FGH96合金尚处在工程化研制阶段，因取样位置可能会对材料的性能产生影响[5]，对于大型涡轮盘的不同部位来说应该也存在组织和性能的差异，所以需要系统地研究大尺寸涡轮盘热处理后不同部位微观组织与性能的分布规律，并积累数据，为涡轮盘满足服役条件提供试验和理论基础。为此，笔者对某大尺寸变形FGH96高温合金涡轮盘在径向上进行取样，并对试样的晶粒尺寸和硬度进行了分析和表征，建立了涡轮盘各个部位的晶粒尺寸与硬度之间的相互关系。

1 试样制备与试验方法

试验材料采用由钢铁研究总院高温材料研究所制备的大尺寸镍基变形FGH96高温合金涡轮盘，该涡轮盘锻造后经过1 080 ℃×4 h的固溶热处理和760 ℃×8 h的等温时效热处理。FGH96合金的化学成分(质量分数/%)如下：0.048C，15.69Cr，13.17Co，3.98W，4.01Mo，2.21Al，3.85Ti，0.71Nb，0.038Zr，0.018B，余Ni。

从涡轮盘上取下一块厚约10 mm的纵向切片，然后从盘心到盘缘依次取下尺寸为φ5 mm的17个圆柱状试样，依次编号为1～17号，取样位置如图1所示。其中，图1a)为获得切片的涡轮盘实物形貌，图1b)和图1c)为取样切片形貌以及各取样点的位置示意图。

图1 涡轮盘实物形貌、切片实物形貌、取样位置示意图及编号Fig.1 The a) real morphology of the turbine disk, b) real morphology of the section,and c) schematic diagram of the sampling locations and numbers

进行硬度测试时，试样经机械研磨、抛光后，用Qness显微维氏硬度计在试样抛光面上以12×12(试验点)进行硬度采集，试验载荷为4.9 N，加载时间为5 s。将得到的每个试样的硬度通过Excel软件进行统计分析。

将试样重新进行机械研磨、抛光，然后用卡伶试剂(5 g CuCl2+100 mL HCl+100 mL酒精)侵蚀6 min，使用Leica光学显微镜和Lamos金相分析软件进行金相观察。对每个试样在500倍金相图片上进行晶粒度分析，得到数据结果后再进行统计分析。

2 试验结果与讨论

2.1 晶粒尺寸表征结果和分析

涡轮盘经1 080 ℃×4 h固溶热处理(油冷)+760 ℃×8 h等温时效热处理(空冷)后，最靠近盘缘和盘心放大500倍下的晶粒形貌如图2所示。其中，图2a)为最靠近盘心处的1号试样的晶粒形貌，图2b)为最靠近盘缘的17号试样的晶粒形貌，可见1号试样的晶粒尺寸明显比17号试样的要小。依据GB/T 6394-2002对各个试样的实际晶粒尺寸进行测量分析，结果1号试样的平均晶粒直径约为8 μm，17号试样的平均晶粒直径约为11 μm。

图2 1号和17号试样放大500倍下的晶粒形貌Fig.2 The morphology of grains of a) specimen 1 and b) specimen 17 magnified 500 times

17个试样的平均晶粒直径分布趋势如图3所示，可见从1号到17号试样，平均晶粒直径基本呈现线性增长趋势，线性关系为y=0.162 5x+8.088(其中，y为平均晶粒直径，x为试样编号)，且线性符合较好，相关度R2=0.805。

图3 平均晶粒直径-位置曲线Fig.3 The curve between the average grain diameters and the locations

对比图2a)和图2b)可见，无论是盘心处(1号试样)还是盘缘处(17号试样)，沿晶界都存在较多的颗粒状析出相，该析出相应该主要是一次γ′相。但盘心处析出相尺寸分化明显，较大的析出相和较小的析出相尺寸相差明显；而盘缘处的析出相尺寸则较为平均。出现这一差异主要是因为盘心在固溶处理后的冷却速率较低，析出相形成元素有充分时间进行扩散，导致晶粒内冷却二次γ′相尺寸较大，所以析出相尺寸差异较大；而盘缘处冷却速率较大，晶粒内二次γ′析出相来不及长大。

对由盘心到盘缘晶粒直径逐渐变大这一趋势的现象进行分析，其主要原因有以下两个。

(1) 固溶热处理的影响

一般来说，固溶热处理的时间越长，温度越高，材料晶粒尺寸则越大[6]。对于该试验涡轮盘来说，由于其尺寸较大，故而在固溶升温时，最靠近外缘的部位温度上升要更快一些，从而使得越靠外的位置在固溶热处理时保温的时间越久，则晶粒增大幅度越大；而靠近盘心处则正好相反。

(2) 变形工艺的影响

对于该点，ZHOU等[7]进行过相关方面的研究。在进行3维多向锻造时，通常越靠近盘心处，其变形量越大，则晶粒尺寸相对越小；而靠近外缘的位置，由于变形量较小，因而晶粒尺寸相对较大。

材料的性能由其组织和结构决定，组织和结构的差异会导致材料在最终使用性能上的不同。晶粒尺寸为影响材料性能的重要因素之一，通常晶粒越细，材料的强度就越高，材料塑性也在一定程度上得到改善。在实际应用中，涡轮盘不同部位所处环境也是不一样的，其中轮毂部位工作温度相对较低，但它需要承受更多的扭转作用；而盘缘部位的工作温度则较高一些，需要保证足够的持久、蠕变和抗疲劳裂纹扩展性能[8]。这一工作条件要求盘件不同部位有着不同晶粒尺寸的显微组织,其中盘心处要求细晶粒组织，而盘缘处则应具备粗晶粒组织，该试验所研究的涡轮盘正好符合这一要求。

2.2 平均硬度测试结果和分析

硬度是评价涡轮盘用镍基高温合金的重要性能指标。通过对各种高温合金进行试验发现，合金硬度与强度之间存在较好的线性关系[9-10]。另一方面，在实际使用时，盘件塑性变形比较小，一般强调更多的是合金的高强度。同时基于所取分析试样的尺寸，用所测合金的显微硬度来反映其实际的一些强化效果。

如图4a)所示，虽然从1号到17号试样的平均硬度存在一些波动，但整体趋势是逐渐递减的。这说明从盘心到盘缘，平均硬度整体上是减小的。图4b)所示为所有试样硬度的分布，可见其整体硬度多分布在430～475 HV。

硬度测试结果可以敏感地反映金属材料的化学成分和组织结构的差异[11-12]。因而从图4a)中可以看到，5号试样和11号试样(以及前后两三个试样)的硬度存在较大的波动，但对照图1c)来看，这几个试样所在的部位恰好为盘件形状变化的部位，因此在热处理过程中温度场变化不同，导致对最终材料的硬度造成了影响。

图4 1～17号试样的硬度测试结果Fig.4 The hardness results of specimens 1-17:a) the average hardness changing with the locations; b) the overall distribution of all hardness

3 结论

(1) 试验大尺寸变形FGH96高温合金涡轮盘从盘心到盘缘，晶粒尺寸呈逐渐长大的趋势；盘心二次析出相γ′尺寸分化明显，较大的析出相和较小的析出相尺寸相差明显，而盘缘处的析出相尺寸则较为平均。

(2) 晶粒尺寸对材料硬度造成了影响。从盘心到盘缘，随着晶粒尺寸的逐渐变大，硬度逐渐降低，涡轮盘材料的硬度与晶粒尺寸呈现负相关性。

(3) 涡轮盘平均显微硬度大都分布在430～475 HV，硬度的整体变化趋势是从盘心到盘缘逐渐降低，局部存在一定波动。这是由于盘件形状发生变化的部位，其在热处理时的温度场与周围不同，从而导致微观组织的差异，进而使得这几处位置的硬度发生了波动。

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Characterization of Relationship between Grain Size and Hardness of Large-Size Deformation FGH96 Superalloy Turbine Disk

LU Yuhua1,2, WANG Peng1,2, SHEN Xuejing1,2, FU Rui1, LI Fulin1, LI Dongling1,2, WANG Haizhou1,2

(1. Central Iron & Steel Research Institute, Beijing 100081, China; 2. Beijing Key Laboratory of Metal Material Characterization, CISRI, Beijing 100081, China)

The average grain size of the large-size nickel based deformation FGH96 superalloy turbine disk in radial direction was analyzed statistically, and the corresponding hardness was characterized. The results show that the grain size increased from the center to the edge of the disk, and the hardness showed a decreasing trend. In addition, from the center to the edge of the disk, local hardness was changed in numerical fluctuations, which was affected by the shape of the turbine disk.

deformation FGH96 superalloy; turbine disk; grain size; hardness

10.11973/lhjy-wl201708003

2016-12-07

北京市科技计划资助项目(D161100002416002)；国家重点研发计划材料基因工程关键技术与支撑平台资助项目(2016YFB0701401)

卢毓华(1992-)，男，硕士研究生，主要从事通过材料基因工程的思想进行高温合金的高通量表征方面的研究，luyuhua@ncschina.com

TG132.3; TG115.5

A

1001-4012(2017)08-0544-04