Effect of powder characteristics on microstructure and properties of 30CrMnSiNi2A steels
-
摘要:
采用水雾化（water atomization，WA）、气雾化（gas atomization，GA）和等离子旋转电极雾化（plasma rotating electrode process，PREP）方式制备30CrMnSiNi2A钢粉，对比分析了不同雾化粉末的特征及其烧结体的组织与性能。结果表明：不同雾化粉末的形貌、粒度分布、氧含量及流动性等特征均存在一定差异，其中水雾化和气雾化粉末中存在空心粉和卫星粉，等离子旋转电极雾化粉末无内部缺陷，具有优异流动性，且氧含量最低。三种雾化粉末的烧结样品组织均为粒状贝氏体，但呈现出不同的原始颗粒边界形貌，随粉末氧含量的降低，原始颗粒边界处夹杂物尺寸减小，成分由富Al氧化物变为富Al、Si氧化物。相比于水雾化和气雾化粉末，等离子旋转电极雾化粉末的烧结样品拉伸性能最优，其拉伸强度和伸长率分别为1310 MPa和11.5%，这得益于良好的粉末质量和低的氧含量。
Abstract:The 30CrMnSiNi2A steel powders were prepared by water atomization (WA), gas atomization (GA), and plasma rotating electrode process (PREP) in this paper. The characteristics of the different atomized powders and the microstructure and properties of the sintered products were compared and analyzed. The results show that, the characteristics of the different atomized powders are different, such as morphology, particle size distribution, oxygen content, and fluidity. The hollow powders and satellite powders exist in the WA and GA powders. The PREP powders have no internal defects, showing the excellent fluidity and the lowest oxygen content. The microstructure of the sintered products using the three atomized powders is granular bainite, but the morphology of the prior particle boundary (PPB) is different. With the decrease of the powder oxygen content, the inclusion size at the PPBs decreases, and the composition changes from Al-rich oxide to Al-Si-rich oxide. Compared with WA and GA powders, the sintered product using PREP powders has the best tensile properties with the tensile strength and elongation of 1310 MPa and 11.5%, respectively, which benefit from the good powder quality and low oxygen content.
-
碳化钛（TiC）具有高硬度、高熔点、导电性好、耐腐蚀、抗高温等优点，被广泛应用于工业工程、航空航天、核工业等领域[1−3]。由于TiC具有强的共价键，烧结性较差，影响了TiC陶瓷的力学性能，并限制了TiC陶瓷的应用[4]。通常，通过添加第二相（WC、ZrC、SiC、TiN等）以及金属相（Ti、Mo、Co、Ni、Cr等）改善TiC陶瓷的烧结性，提高陶瓷力学性能[5−7]。氮化钛（TiN）具有硬度高、熔点高、化学稳定性好、摩擦系数低、导电性能好、颜色独特且可变等特点，被广泛应用于机械工业、生物医疗、导电材料等领域[8]。在一定条件下，TiN可与TiC形成TiCxNy固溶体，TiCxNy固溶体的韧性和化学稳定性优于TiC，硬度和耐磨性优于TiN，故将两者复合形成固溶体，可兼容TiC和TiN的优势[9−10]。此外，WC、HfN与TiC、TiN或TiCN有较好的物理化学相容性[11−12]，它们是TiC、TiN或TiCN陶瓷材料的理想增强相。金属相不仅可改善TiC、TiN陶瓷材料的微观组织，还可提高材料的力学性能。金属Ni对TiC和TiB2陶瓷材料有较好的润湿性，随着Ni含量的增加，TiC–TiB2材料的硬度、抗弯强度和断裂韧度均有所提高[13]；适量的Mo能够细化TiC–TiN–WC陶瓷材料的晶粒且能提高陶瓷的抗弯强度[9]；Ti作为TiC陶瓷材料的粘结剂，可以使材料获得高的相对密度[14]。金属Re是一种熔点高、稳定性好的金属，也是陶瓷材料的理想添加剂。Zi等[15]发现Re可改善Ni与Al2O3陶瓷间的润湿性。Marcin和Anna[16]发现在Cr–Al2O3复合材料中加入Re可提高材料的摩擦磨损性能。但是，目前有关Re对TiC、TiN、TiCN陶瓷材料性能影响方面的报道较少。
本研究以TiC和TiN为基体，以WC和HfN为增强相，以Ni和Re为金属相，通过热压烧结技术制备TiCN–WC–HfN陶瓷，研究Re含量（摩尔分数）对材料微观组织和力学性能的影响。
1. 实验材料及方法
1.1 实验材料及制备
制备TiCN–WC–HfN陶瓷所用TiC、TiN、WC、HfN、Ni、Re粉末均来自上海允复纳米科技有限公司，粉末平均粒径均为0.5 μm，纯度均大于99%，具体组分及含量见表1。
表 1 TiCN–WC–HfN陶瓷组分及含量（摩尔分数）Table 1. Composition and content of the TiCN–WC–HfN ceramics% 材料编号 TiC TiN WC HfN Ni Re R0 30 30 15 15 10.0 0 R1 30 30 15 15 8.0 2.0 R2 30 30 15 15 7.5 2.5 R3 30 30 15 15 7.0 3.0 根据表1称量原料粉末，置于球磨罐中进行球磨，球磨介质为硬质合金球和无水乙醇，球磨时间72 h。将球磨后的浆料置入干燥箱中干燥。随后，用100目的网筛过筛，倒入直径为50 mm的石墨模具中，完成素坯的制备。使用ZT-40-20型真空热压烧结炉烧结素坯，其中烧结温度为1550 ℃，保温时间为60 min，升温速率为10 ℃·min−1，烧结压力为30 MPa。烧结后的材料经切割、粗磨、细磨、抛光等工艺制成3 mm×4 mm×40 mm的试样条。
1.2 表征方法
依据GB/T6569-2006[17]采用三点抗弯法在CREE-8003G材料试验机上测试材料的抗弯强度，其跨距为30 mm，加载速度为0.5 mm·min−1。依据GB/T16534-2009[18]在HVS-30硬度计上测试材料的维氏硬度，加载载荷196 N，保压15 s。采用压痕法[19]测试材料的断裂韧度。力学性能的测试均以15个测试结果的算术平均值作为测试结果。使用RAY-10AX-X-ray型X射线衍射仪（X-ray diffraction，XRD）和能谱仪（energy disperse spectroscope，EDS）分析材料的物相组成，并通过Supra-55型扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）观察材料的抛光面和断口形貌。
2. 结果与讨论
2.1 物相组成
图1是所制备TiCN–WC–HfN（R3）陶瓷的X射线衍射图谱。由图1可见，陶瓷试样的主要相为TiC0.41N0.50、WC、HfN和TiC，同时，含有少量的Ni和Re。图谱中未发现TiN，而有大量TiC0.41N0.50固溶体和一定量TiC，这表明在热压烧结过程中，几乎所有TiN与大部分TiC发生了固溶，形成了TiC0.41N0.50固溶体。Verma等[20]在研究TiCN基陶瓷材料时发现了少量(Ti,W)(C,N)固溶体，但在本研究的X射线衍射图谱中并未发现，可能是其含量较少，无法被检测到。
图2是TiCN–WC–HfN陶瓷的抛光面形貌及相组成。由图2（a）可见，材料由黑色相、白色相、浅灰色相和深灰色相组成。由图2（b）可见，深灰色相所占面积最大，其次依次为浅灰色、白色相和黑色相。图3是各相的能谱分析。由图3（a）可见，黑色相中的C和Ti元素含量较高，其中C的原子数分数为42.88%，Ti的原子数分数为42.40%，其比接近1:1，结合X射线衍射图谱分析可知，黑色相的主要成分是TiC。同理，由图3（b）可见，白色相中N和Hf元素含量较高，其中N的原子数分数为43.09%，Hf的原子数分数为41.52%，其比接近1:1，结合X射线衍射图谱结果可知，白色相的主要成分是HfN。由图3（c）可见，浅灰色相中C和W元素含量较高，其原子数分数分别为47.31.%和44.92%，其比接近1:1，结合X射线衍射图谱分析可知，浅灰色相的主要成分是WC。浅灰色相的边界较为平直，晶粒形貌近似四边形，这与杨方等[21]所报道的WC形貌基本一致。由图3（d）可见，深灰色相中Ti、C和N原子含量较高，其原子数分数分别为48.41%、19.27%和25.06%，其比接近1.0:0.4:0.5，结合X射线衍射图谱分析可知，深灰色相的主要成分是TiC0.41N0.50。此外，陶瓷相在液相金属Ni和Re中完成溶解–析出–结晶后，Ni和Re会粘附在晶粒周围；同时，在烧结压力的作用下，液相金属Ni和Re会填充到晶粒间的空隙中；Ni和Re在黑色相、白色相、浅灰色相和深灰色相的能谱中均有体现，但其含量相对较低。
![]()
图 2 TiCN–WC–HfN陶瓷显微形貌（a）及相组成（b）Figure 2. Microstructure (a) and phase composition (b) of the TiCN–WC–HfN ceramics![]()
图 3 TiCN–WC–HfN陶瓷各相能谱分析:（a）黑色相；（b）白色相；（c）浅灰色相；（d）深灰色相Figure 3. EDS analysis of the TiCN–WC–HfN ceramics: (a) black phase; (b) white phase; (c) light gray phase; (d) gray phase2.2 TiCN–WC–HfN陶瓷的微观组织
图4是TiCN–WC–HfN陶瓷的断口形貌。由图可见，随着Re摩尔分数从0增到3.0%，晶粒呈先变大后变小的趋势，甚至发生了晶粒聚集，如图中虚线框所示，这表明Re在一定程度上具有抑制晶粒长大的作用。同时，在试样R0～试样R3中均存在凹坑，如图中实线圆圈所示，且试样R2中的凹坑最多。这些凹坑是由材料中小晶粒拔出所致（如图中箭头所示）；在材料的断裂过程中，这些小晶粒可起到钉扎作用，这有利于材料力学性能的提高。另外，试样中均存在解理面（如图中实线框所示），试样R0中的解理面相对较少，晶粒断面相对平整；而试样R1～试样R3中的解理面较多，这表明晶粒断裂时非一次性直接断裂，而是在外力的作用下逐渐断裂，这种断裂会消耗更多的断裂能，有利于材料抗弯强度和断裂韧度的提高。试样R0和试样R3存在晶粒聚集现象，其中试样R3中的晶粒发生了严重聚集，这会削弱材料的力学性能。
![]()
图 4 TiCN–WC–HfN陶瓷断口形貌：（a）R0；（b）R1；（c）R2；（d）R3Figure 4. Fracture morphologies of the TiCN–WC–HfN ceramics: (a) R0; (b) R1; (c) R2; (d) R32.3 TiCN–WC–HfN陶瓷的力学性能
图5是Re含量（摩尔分数）对TiCN–WC–HfN陶瓷力学性能的影响。由图可见，当Re的摩尔分数由0增到3.0%时，材料的硬度、抗弯强度和断裂韧度均先增大后减小；当Re的摩尔分数为2.5%时，材料的力学性能最优，其维氏硬度为(19.25±0.21) GPa、抗弯强度为(1304±23) MPa、断裂韧度为(7.73±0.22) MPa∙m1/2；而当Re摩尔分数为0时，材料的力学性能分别为(18.04±0.18) GPa、(1021±19) MPa和(7.11±0.19) MPa∙m1/2。当Re摩尔分数为2.5%时，材料在断裂过程中，其断口上较多的小晶粒被拔出形成凹坑，以及晶粒在断裂过程中形成解离面都需要消耗大量的断裂能，这是其力学性能较高的主要原因。当Re摩尔分数为3.0%时，材料的抗弯强度和维氏硬度发生了较大幅度的降低，这是由晶粒的严重聚集造成的。
![]()
图 5 Re含量对TiCN–WC–HfN陶瓷力学性能的影响Figure 5. Relationship between the Re content and mechanical properties of the TiCN–WC–HfN ceramics图6为TiCN–WC–HfN（R3）陶瓷的裂纹扩展路径。由图可见，裂纹扩展时发生了偏转和桥连。裂纹偏转和裂纹桥连会消耗更多的断裂能，这有利于材料断裂韧度的提高[22]。此外，在裂纹扩展时，存在沿晶扩展和穿晶扩展，即材料在断裂时发生了沿晶断裂和穿晶断裂，这种沿晶与穿晶并存的断裂方式也有助于材料断裂韧度的提高[23]。
![]()
图 6 TiCN–WC–HfN（R3）陶瓷裂纹扩展路径Figure 6. Crack propagation of the TiCN–WC–HfN (R3) ceramics3. 结论
（1）烧结后的TiCN–WC–HfN–Ni–Re陶瓷材料由TiC0.41N0.50、WC、HfN、TiC、Ni和Re组成，其中TiC0.41N0.50是TiC与TiN在烧结过程中生成的固溶体。
（2）在TiCN–WC–HfN陶瓷的断口上存在凹坑和解理面。当Re摩尔分数为0时，其断口上的解理面相对较少，晶粒的断面相对平整；当Re摩尔分数为2.5%时，材料断口上的凹坑较多；当Re摩尔分数为0和3.0%时，材料断口上存在晶粒聚集的现象。
（3）当Re摩尔分数由0增到3.0%时，材料的硬度、抗弯强度和断裂韧度均先增大后减小。当Re摩尔分数为2.5%时，材料的力学性能最优，其维氏硬度为(19.25±0.21) GPa、抗弯强度为(1304±23) MPa、断裂韧度为(7.73±0.22) MPa∙m1/2。材料在断裂过程中存在穿晶断裂和沿晶断裂，裂纹发生了偏转和桥连。
-
![]()
图 1 雾化粉末扫描电子显微形貌：（a）、（d）WA粉；（b）、（e）GA粉；（c）、（f）PREP粉
Figure 1. SEM images of the atomized powders: (a), (d) WA powders; (b), (e) GA powders; (c), (f) PREP powders
![]()
图 2 雾化粉末截面的背散射电子扫描图：（a）WA粉；（b）GA粉；（c）PREP粉
Figure 2. Backscattered electron scanning images of the atomized powders cross section: (a) WA powders; (b) GA powders; (c) PREP powders
![]()
图 4 采用不同雾化粉经过热等静压后样品的微观组织：（a）WA粉；（b）GA粉；（c）PREP粉
Figure 4. SEM images of the samples after hot isostatic pressing using the different atomized powders: (a) WA powders; (b) GA powders; (c) PREP powders
![]()
图 5 粒状贝氏体组织透射电镜形貌：（a）明场像；（b）M–A岛选区电子衍射图
Figure 5. TEM images of the granular bainite structure: (a) bright field; (b) SAED pattern of M–A
![]()
图 6 粒状贝氏体组织（a）及其C元素面分布图（b）
Figure 6. Granular bainite structure (a) and the corresponding C distribution (b)
![]()
图 7 粉末烧结样品的反极图和相分布：（a）、（b）WA粉；（c）、（d）GA粉；（e）、（f）PREP粉
Figure 7. IPF and phase distribution of the sintered samples: (a), (b) WA powders, (c), (d) GA powders; (e), (f) PREP powders
![]()
图 8 原始颗粒边界处夹杂物背散射图像：（a）WA粉；（b）GA粉；（c）PREP粉
Figure 8. BSE images of the inclusions in PPBs: (a) WA powders; (b) GA powders; (c) PREP powders
![]()
图 9 原始颗粒边界处夹杂物的场发射电子探针图像：（a）WA粉；（b）GA粉；（c）PREP粉
Figure 9. EPMA images of the inclusions in PPBs: (a) WA powders; (b) GA powders; (c) PREP powders
![]()
图 12 烧结样品拉伸断口形貌：（a）、（d）WA粉；（b）、（e）GA粉；（c）、（f）PREP粉
Figure 12. Tensile fracture morphology of the sintered samples: (a), (d) WA powders, (b), (e) GA powders; (c), (f) PREP powders
表 1 雾化钢粉化学成分(质量分数)
Table 1 Chemical Composition of the three atomized steel powders %
粉末 C O Si Mn Cr Ni Mo V Fe WA粉 0.25 0.426 0.98 1.13 1.28 1.76 0.31 0.11 余量 GA粉 0.25 0.037 1.09 1.15 1.13 1.74 0.28 0.11 余量 PREP粉 0.26 0.018 0.94 1.12 1.23 1.75 0.28 0.11 余量 
下载: 导出CSV
表 2 3种雾化粉末的物理性质
Table 2 Physical properties of the atomized powders
粉末类型 流动性 / [s·(50 g)‒1] 松装密度 / (g·cm‒3) 振实密度 / (g·cm‒3) 粒度分布 / μm D10 D50 D90 WA粉末 46.50 3.42 4.50 8.15 30.2 103.0 GA粉末 23.60 4.46 4.95 8.81 34.7 99.2 PERP粉末 13.99 4.62 4.95 46.90 81.4 148.0
下载: 导出CSV
-
[1] 袁书强, 沈正祥, 周春华, 等. 不同热处理条件下30CrMnSiNi2A钢的组织性能研究. 材料科学与工艺, 2015, 23(2): 125 DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20150222 Yuan S Q, Shen Z X, Zhou C H, et al. Microstructure and property of 30CrMnSiNi2A in different heat treatment. Mater Sci Technol, 2015, 23(2): 125 DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20150222
[2] 姚草根, 孟烁, 李秀林, 等. 粉末氧含量对热等静压FGH4169合金力学性能与组织的影响. 粉末冶金材料科学与工程, 2017, 22(1): 33 DOI: 10.3969/j.issn.1673-0224.2017.01.006 Yao C G, Meng S, Li X L, et al. Effect of powder oxygen content on mechanical properties and microstructure of FGH4169 alloy. Mater Sci Eng Powder Metall, 2017, 22(1): 33 DOI: 10.3969/j.issn.1673-0224.2017.01.006
[3] Higashi M, Kanno N. Effect of initial powder particle size on the hot workability of powder metallurgy Ni-based superalloys. Mater Des, 2020, 194: 108926 DOI: 10.1016/j.matdes.2020.108926
[4] Sreenu B, Sarkar R, Kumar S S S, et al. Microstructure and mechanical behaviour of an advanced powder metallurgy nickel base superalloy processed through hot isostatic pressing route for aerospace applications. Mater Sci Eng A, 2020, 797: 140254 DOI: 10.1016/j.msea.2020.140254
[5] You D D, Wang Y H, Yang C, et al. Comparative analysis of the hot-isostatic-pressing densification behavior of atomized and milled Ti6Al4V powders. J Mater Res Technol, 2020, 9(3): 3091 DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.01.055
[6] Guo R P, Xu L, Chen Z Y, et al. Effect of powder surface state on microstructure and tensile properties of a novel near α-Ti alloy using hot isostatic pressing. Mater Sci Eng A, 2017, 706: 57 DOI: 10.1016/j.msea.2017.08.096
[7] Shulga A V. Enhancing the ductility of ferritic/martensitic stainless steel through the use of PM HIP manufacturing techniques. Eng Fail Anal, 2015, 56: 512 DOI: 10.1016/j.engfailanal.2014.11.019
[8] Irukuvarghula S, Hassanin H, Cayron C, et al. Effect of powder characteristics and oxygen content on modifications to the microstructural topology during hot isostatic pressing of an austenitic steel. Acta Mater, 2019, 172: 6 DOI: 10.1016/j.actamat.2019.03.038
[9] Sergi A, Khan R H U, Attallah M M. The role of powder atomisation route on the microstructure and mechanical properties of hot isostatically pressed Inconel 625. Mater Sci Eng A, 2021, 808: 140950 DOI: 10.1016/j.msea.2021.140950
[10] Long A P, Li S L, Wang H, et al. Characterization of oxide on the water-atomized FeMn powder surface. Appl Surf Sci, 2014, 295: 180 DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.12.183
[11] 高正江, 张国庆, 李周, 等. 粉末粒度和氧含量对HIP态FGH96合金组织的影响. 稀有金属, 2012, 36(4): 665 DOI: 10.3969/j.issn.0258-7076.2012.04.026 Gao Z J, Zhang G Q, Li Z, et al. Effect of size distribution and oxygen content of powder on microstructure of HIPed superalloy FGH96. Chin J Rare Met, 2012, 36(4): 665 DOI: 10.3969/j.issn.0258-7076.2012.04.026
[12] Mostafaei A, Hilla C, Stevens E L, et al. Comparison of characterization methods for differently atomized nickel-based alloy 625 powders. Powder Technol, 2018, 333: 180 DOI: 10.1016/j.powtec.2018.04.014
[13] Guo R P, Xu L, Zong B Y P, et al. Characterization of prealloyed Ti–6Al–4V powders from EIGA and PREP process and mechanical properties of HIPed powder compacts. Acta Metall Sinica, 2017, 30(8): 735 DOI: 10.1007/s40195-017-0540-4
[14] Chen Y, Zhang J Y, Wang B, et al. Comparative study of IN600 superalloy produced by two powder metallurgy technologies: argon atomizing and plasma rotating electrode process. Vacuum, 2018, 156: 302 DOI: 10.1016/j.vacuum.2018.07.050
[15] 侯维强, 孟杰, 梁静静, 等. 增材制造用高温合金粉末制备技术及研究进展. 粉末冶金技术, 2022, 40(2): 131 DOI: 10.19591/j.cnki.cn11-1974/tf.2021030038 Hou W Q, Meng J, Liang J J, et al. Preparation technology and research progress of superalloy powders used for additive manufacturing. Powder Metall Technol, 2022, 40(2): 131 DOI: 10.19591/j.cnki.cn11-1974/tf.2021030038
[16] Ohtani H, Okaguchi S, Fujishiro Y, et al. Morphology and properties of low-carbon bainite. Metall Trans A, 1990, 21(3): 877 DOI: 10.1007/BF02656571
[17] Shim D H, Lee T, Lee J, et al. Increased resistance to hydrogen embrittlement in high-strength steels composed of granular bainite. Mater Sci Eng A, 2017, 700: 473 DOI: 10.1016/j.msea.2017.06.043
[18] 何国爱, 丁晗晖, 刘琛仄, 等. 粉末特性对镍基粉末冶金高温合金组织及热变形行为的影响. 中国有色金属学报, 2016, 26(1): 37 DOI: 10.19476/j.ysxb.1004.0609.2016.01.006 He G A, Ding H H, Liu C Z, et al. Effect of powder characteristics on microstructure and deformation activation energy of nickel based superalloy. Chin J Nonferrous Met, 2016, 26(1): 37 DOI: 10.19476/j.ysxb.1004.0609.2016.01.006
[19] Zumsande K, Weddeling A, Hryha E, et al. Characterization of the surface of Fe–19Mn–18Cr–C–N during heat treatment in a high vacuum—An XPS study. Mater Charact, 2012, 71: 66 DOI: 10.1016/j.matchar.2012.06.002
-
期刊类型引用(2)
1. 初建鹏，冯建程，鞠翔宇，姜涛. 动载作用下高强度钢的层裂特性研究. 兵器材料科学与工程. 2024(02): 129-135 . 
百度学术
2. 班伟，陈嘉琪，刘璐璐，葛涛，张帅. 紧耦合气雾化喷嘴流场特性研究. 粉末冶金技术. 2024(03): 312-319 . 本站查看
其他类型引用(0)
计量
- 文章访问数: 418
- HTML全文浏览量: 86
- PDF下载量: 73
- 被引次数: 2
