CN102435484B

CN102435484B - 一种粉末高温合金原始颗粒边界的腐蚀方法

Info

Publication number: CN102435484B
Application number: CN201010295304.7A
Authority: CN
Inventors: 李晓光; 李昌永; 付肃真; 史凤岭; 赵兴东
Original assignee: Shenyang Liming Aero Engine Group Co Ltd
Current assignee: Shenyang Liming Aero Engine Group Co Ltd
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: CN102435484A

Abstract

一种粉末高温合金原始颗粒边界的腐蚀方法，其特征在于：所述的方法是使用腐蚀剂对抛光处理后的合金表面进行腐蚀，腐蚀时间为10～20s，然后在光学显微镜下观察其原始颗粒边界；其中，所述的腐蚀剂各成分的体积比：HCl∶HNO₃∶H₂O₂为93～95∶3～4∶2～3，其优点在于：通过采用本发明中的腐蚀方法，能够腐蚀出清晰的原始粉末颗粒边界(PPB)，克服了本行业以往对于原始粉末颗粒边界(PPB)检验的技术偏见。

Description

一种粉末高温合金原始颗粒边界的腐蚀方法

技术领域

本发明涉及高温合金理化检测技术中金相组织检测领域，特别提供了一种粉末高温合金原始颗粒边界的腐蚀方法。

背景技术

粉末高温合金盘件主要用于现代先进航空发动机热端的重要转动部件上，它承受着机械应力和温差引起的热应力的迭加作用，因而要求材料具有足够的力学性能和理化性能，特别是使用温度高(约650℃～750℃)，且要求在使用温度范围内有尽可能高的低周循环疲劳和热疲劳性能，这些都是确定盘件工作寿命的关键因素。因此，要求粉末高温合金要满足晶粒细小，组织均匀，无宏观偏析，合金化成度高，屈服强度高，疲劳性能好等技术要求。

然而，原始粉末颗粒边界(PPB)是粉末高温合金铸件中的典型缺陷，它是在制粉和锻件成形过程中形成的，阻碍了粉末颗粒之间的扩散和冶金结合，原始粉末颗粒边界(PPB)一旦形成很难在随后的热处理过程中消除，随后构成了断裂源，如果微裂纹形成，它就会很快沿着原始颗粒边界扩展开去，形成裂纹。原始粉末颗粒边界(PPB)的存在会降低合金的冲击、拉伸、持久、疲劳寿命等力学性能。

在常规的高倍检测中客观地反映出原始粉末颗粒边界(PPB)的形貌特点，是判断粉末合金制件冶金质量的重要出发点，也是进一步开展各项性能指标分析的基础。

目前，国内生产航空粉末高温合金主要单位有钢铁研究总院和北京航空材料研究院，主要合金种类有FGH95、FGH96和FGH97。查阅FGH95、FGH96、FGH97的相关文献，咨询北京航空材料研究院及北京钢铁研究总院对这三种粉末高温合金的研制经验，长期以来，我国一直沿用惯性思维，采用普通高温合金高倍组织腐蚀的方法进行PPB的检验。但是采用该种方法进行检验时很少显现出PPB。

大家普遍认为Kalling试剂是最好的用于腐蚀PPB的试剂。如在钢铁研究总院与黎明航空发动机(集团)有限责任公司共同起草的技术标准Q/3B1780《FGH96合金热等静压制件》中明确规定采用Kalling试剂：5gCuCl₂+100mlHCl+10mlCH₃CH₂OH进行PPB的检验。然而，采用该腐蚀剂在生产中进行检查也很少显现出PPB。

根据国外文献“ASSESSMENT OF RUSSIAN P/M SUPERALLOYEP741NP”，Superalloys 2004和“Techniques for microstructuralcharacterization of powder-processed nickel-based superalloys”，MaterialsScience and Engineering A360(2003)390_395的记载，航空用粉末高温合金锻件在金相组织检验中多采用Kalling试剂(5gCuCl₂+100mlHCl+100mlC₂H₅O)腐蚀试样表面，然后在光学显微镜下对粉末高温合金中原始颗粒边界进行评定验收。此外，国外还常用的PPB腐蚀方法为：将试样首先用细砂纸研磨，然后用20％H₂SO₄+80％CH₃OH电解抛光用170mlH₃PO₄+10mlH₂SO₄+15gCrO₃电解浸蚀来检验PPB，而对镍基高温合金而言，常用的腐蚀剂还有：

Kallings no.2：40～80ml C₂H₅O+40ml HCl+2g CuCl₂；

Marble：50ml H₂O+50ml HCl+10g CuSO₄；

Glyceregia：15ml HCL+10ml甘油+5ml HNO₃；

Modified Glyceregia：60ml甘油+50ml HCl+10ml HNO₃。

采用以上腐蚀剂进行金相组织检查，可以显示出晶界，用于晶粒度的评定，而不能清晰准确的显示出材料的原始粉末颗粒边界(PPB)。

而以往人们认为由HCl、HNO₃、H₂O₂配比而成的腐蚀剂只能用作常规镍基合金和高温合金腐蚀剂，用于晶粒度评定，如GH4169，且成分配比范围较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粉末高温合金原始颗粒边界的腐蚀方法，通过该腐蚀方法对粉末高温合金进行高倍腐蚀检查，可以更好的显示粉末成形和热处理过程中未能消除掉的原始粉末颗粒边界(PPB)，能够客观地反映出粉末高温合金中原始粉末颗粒边界(PPB)的形态、分布和尺寸，从而正确的对材质情况进行判定，进而反映材料的综合性能。

本发明提供了一种粉末高温合金原始颗粒边界的腐蚀方法，其特征在于：所述的方法是使用腐蚀剂对抛光处理后的合金表面进行腐蚀，腐蚀时间为10～20s，然后在光学显微镜下观察其原始颗粒边界；我们通过改变溶剂的配比、放置的时间、浸蚀的时间等进行大量的试验，最终得到结论：采用的腐蚀剂各成分的体积比：

HCl∶HNO₃∶H₂O₂为93～95∶3～4∶2～3时才能腐蚀出粉末高温合金中原始粉末颗粒边界(PPB)，然而体积比在此范围之外的配比均不能观察到粉末高温合金中原始粉末颗粒边界(PPB)。

其中优选的腐蚀剂中各成分的体积关系为：95％HCl+3％HNO₃+2％H₂O₂。

该种腐蚀剂中的HNO₃与H₂O₂均具有强氧化性，电位较高的γ’被优先腐蚀，有利于勾勒出PPB。

而目前大家一直惯用的Kalling腐蚀剂氧化性较弱，自由能高的晶界被优先腐蚀，有利于勾勒出晶界，并不能很好的勾勒出PPB。

同时，使用常规的卡林试剂腐蚀显现的试样表面，在光学显微镜下也显示出较少的PPB，只有使用本发明提供的腐蚀剂溶液才可观察到明显的PPB。如果PPB大量的存在于粉末高温合金中，会显著降低材料的塑性和高温持久性能，严重情况下甚至能够导致制件不能满足工作的使用要求。因此，PPB属于影响粉末高温合金使用性能的主要缺陷。客观的显示出合金组织中存在的PPB的形貌、分布、数量以及尺寸，可以对材料的综合性能进行评估。因为PPB是在原材料制粉和热等静压成形过程中形成的，其温度、真空度、粉末粒度、成形压力、压实程度等又对材料组织有着直接的影响。通过对PPB形态的分析，能够检测反馈制件制造过程的工艺合理性，从而成为调整工艺参数的依据，优化材料制造参数，进一步改善制件的组织性能水平。

科学合理的PPB检验是保证该类制件满足使用要求并稳定工作的必要手段。通过常规的试样检测面机械抛光、擦拭、风干后，采用本发明中选定的溶液作为腐蚀剂进行浸蚀，再用光学显微镜进行观察，可以看出图4所示的组织形貌。通过观察，可以断定被检试样存在较多数量的原始粉末颗粒边界(PPB)，该结果通过断口形貌观察可以得到验证。

因此，H₂O₂溶液对粉末高温合金制件中PPB的显现有着独特的作用。通过该腐蚀剂进行PPB检查，可以实现材料的科学验收，同时对该类材料的制造工艺改进提出指导。

本发明提供的粉末高温合金原始颗粒边界的腐蚀方法，其优点在于：通过采用本发明中的腐蚀方法，能够腐蚀出清晰的原始粉末颗粒边界(PPB)，克服了本行业以往对于原始粉末颗粒边界(PPB)检验的技术偏见。

附图说明

图1为使用腐蚀剂：80ml HCl+13ml HF+7ml HNO₃时的腐蚀效果图；

图2为使用Kalling试剂：60ml C₂H₅O+40ml HCl+2g CuCl₂时的腐蚀效果图；

图3为使用腐蚀剂：93％HCl+4％HNO₃+3％H₂O₂时的腐蚀效果图；

图4为使用腐蚀剂：95％HCl+3％HNO₃+2％H₂O₂时的腐蚀效果图；

图5为粉末高温合金的冲击断口SME图；

图6为Kalling试剂腐蚀的金相图；

图7为使用腐蚀剂95％HCl+3％HNO₃+2％H₂O₂腐蚀的金相图；

图8为粉末高温合金高冲击韧性试样断口形貌图；

具体实施方式

为了检验出PPB，我们进行了不同试剂、不同成分的系列实验，最终创造性地探索出一种粉末高温合金原始颗粒边界PPB的腐蚀方法，以下为具体的实施过程：且腐蚀的均是相同的合金(合金的名称)的相同部位(具体名称)，

实施例1

选取镍基高温合金常用的腐蚀剂80ml HCl+13ml HF+7ml HNO₃，首先对合金FGH97进行抛光处理，然后使用腐蚀剂80ml HCl+13ml HF+7mlHNO₃对合金FGH97表面进行腐蚀，腐蚀时间为30s，在光学显微镜下观察其原始颗粒边界(见图1)。如图1所示没有出现PPB的轮廓。

实施例2

选取Kalling试剂：60ml C₂H₅O+40ml HCl+2g CuCl₂，首先对合金FGH97进行抛光处理，然后使用Kalling试剂对合金FGH97表面进行腐蚀，腐蚀时间大于30s，在光学显微镜下观察其原始颗粒边界(见图2)。如图2所示，使用Kalling试剂已经显示出较好的腐蚀效果，但仅腐蚀出2处独立存在的PPB的轮廓。

实施例3

选取腐蚀剂：93％HCl+4％HNO₃+3％H₂O₂，首先对合金FGH97进行抛光处理，然后使用腐蚀剂93％HCl+4％HNO₃+3％H₂O₂对合金FGH97表面进行腐蚀，腐蚀时间为10～20s，在光学显微镜下观察其原始颗粒边界(见图3)。如图3所示，使用该腐蚀剂时虽然腐蚀效果并未达到最佳，但可以发现较多PPB的轮廓。

实施例4

选取腐蚀剂：95％HCl+3％HNO₃+2％H₂O₂，首先对合金FGH97进行抛光处理，然后使用腐蚀剂95％HCl+3％HNO₃+2％H₂O₂对合金FGH97表面进行腐蚀，腐蚀时间为10～20s，在光学显微镜下观察其原始颗粒边界(见图4)。如图4所示，使用该腐蚀剂时通过光学显微镜观察，可以得到清晰反映PPB(箭头指向)，且局部区域有聚集成网状的趋势。

实施例5

对切取的FGH97合金冲击试样断口形貌进行SEM观察，见图5。如图5所示，通过对冲击断口的观察，可以发现多处PPB(尖头指向)断裂形貌，说明用H₂O₂溶液腐蚀通过光学显微镜观察到的粉末高温合金中的PPB是客观存在的。

实施例6

对冲击性能明显较好的FGH97合金进行Kalling试剂腐蚀检查和腐蚀剂95％HCl+3％HNO₃+2％H₂O₂腐蚀检查以及冲击断口观察，见图6、图7和图8。

可以看出，对于冲击韧性明显较高的FGH97合金高倍试样，两种腐蚀剂下的金相图片中均未见到明显的PPB。观察冲击断口，未见明显的沿PPB断裂形貌，呈现明显韧性断裂。

通过以上试验与分析，可以看出，H₂O₂溶液客观的反映出粉末高温合金中的PPB在光学显微镜下的存在形态。可以做为粉末高温合金PPB检查用腐蚀剂。

Claims

1.一种粉末高温合金原始颗粒边界的腐蚀方法，其特征在于：所述的方法是使用腐蚀剂对抛光处理后的合金表面进行腐蚀，腐蚀时间为10～20s，然后在光学显微镜下观察其原始颗粒边界；

其中，所述的腐蚀剂各成分的体积比：

HCl∶HNO₃∶H₂O₂为93～95∶3～4∶2～3。

2.按照权利要求1所述粉末高温合金原始颗粒边界的腐蚀方法，其特征在于：所述的腐蚀剂各成分的体积比为：95％HCl+3％HNO₃+2％H₂O₂。