粉末（mò）高溫合金是製造高性能航空發動機渦輪盤等轉動部件的關（guān）鍵材料。針對國外粉（fěn）末高溫合金的研究曆史和現狀，結合粉末（mò）高溫合金的製備工藝流程,重點對比（bǐ）分析了國內外不同粉末製備工藝、粉末固結工藝、盤件（jiàn）成形工（gōng）藝的特點。

 

由於高溫合金具有合金化程度高的特點，鑄錠偏析問題十分突出，熱加工性能差，采用傳統的鑄鍛工藝很難成型。而粉末高溫合金利用粉末冶金方法製備高溫合金，具有成（chéng）分均（jun1）勻，無宏觀偏析，製件性能穩定，熱加工變形性能較好等優點。因此，粉末高溫合（hé）金在各個領域都具有廣闊的發展前景[1]。

 

上世紀60年代初，隨著快速凝固氣霧化粉末製備技術的興起，1965年發展了高純預合金（jīn）粉末製備技（jì）術（shù）[2]。美國P＆WA(Pratt＆WhitneyAircraft)公司（sī）首先將Astroloy合金製成（chéng）預合金粉末（mò），成功地鍛造出力學性（xìng）能相當或略高於鑄（zhù）鍛高溫合（hé）金（jīn）Waspaloy的盤件（jiàn），開創了（le）粉末高溫合金盤件用於航空發動機的先河。P＆WA公司於1972年將IN100粉（fěn）末高溫合金製備的壓氣機盤和渦輪盤等11個部件用於（yú）F100發動機，裝（zhuāng）配在F15和F16飛機上，從（cóng）此粉末高（gāo）溫合金進（jìn）入了實際應用階段。

 

 

 

為滿足新一代航空發動機的需求,相繼出現了由美國國家航空航天局（jú）(NASA)、普惠、通用公司合作開發（fā）的Rene104高溫合金、Honeywell公司開（kāi）發出來的Alloy10高溫合（hé）金以及由NASA幵發的（de）LSHR高溫合金等眾多具有優（yōu）良綜合性（xìng）能的粉末鎳基高溫合金。Rene104合金（jīn）與美國其他（tā）粉末冶金高溫合金的製備工藝類似,釆（biǎn）用氬氣霧化工（gōng）藝製備合金粉末,之後（hòu）壓實成形,通過熱擠壓獲（huò）得完全再結晶組織的棒料,再通過超塑性等（děng）溫鍛造工藝獲得零部件毛坯,經過（guò）熱處理和機加工獲（huò）得最終（zhōng）的零部件。

 

美國鎳基粉末（mò）高溫合金生產工（gōng）藝的特點主要（yào）在於（yú）其特殊的合金粉（fěn）末（mò）製備方法，即氬氣霧化法，以及隨後進（jìn）行的“熱擠（jǐ）壓（yā）+等溫鍛造（zào）”工藝成型，該工藝製備（bèi）的零部件組織均勻，無宏觀偏析，熱加工性能好。

 

俄羅斯幾乎與美國在同一個時期開始該合金的研製工作，在這一領域進行了開拓性的研究工作，發展了具（jù）有自身特色的鎳基粉末高溫合金製（zhì）備技術，並取得了重要成果。

 

蘇聯的全俄輕合金研究院在20世紀80年（nián）代成立了粉末高溫合金研發實驗室（shì），開始研製鎳基粉末高溫合金。從此，蘇聯在粉（fěn）末高溫合金領域占據了一席之地。蘇（sū）聯製備粉末高溫合金的主要工藝與美國大不（bú）相同：高溫合（hé）金電極棒的製備一等離子旋轉電極霧化（huà）製粉一粉末預處理一包套封焊及除氣一熱等靜壓成型一熱處理一（yī）機（jī）加工一成品。

 

 

英、法等國在鎳基（jī）粉末高溫合金研製領域也同樣展開了研究工（gōng）作[3]。英（yīng）國威合金公司(WigginAlloys)在1975年裝備了一條年產1000t粉（fěn）末（mò）高溫合金的生產線,同時配（pèi）備了熱等靜壓機及等溫鍛造機（jī）。英國羅羅公司(Rolls-Royce)和威合金公司合（hé）作,成功研（yán）製（zhì）出（chū）AP-1鎳基粉末高溫合金,並應用在RB211發動機上,隨（suí）後德國默透公司將該合金用於RB199發動機上。法國（guó）通過調整Astroloy合金的成分,進一步將低碳含量,研製（zhì）出N18鎳基粉末高溫（wēn）合金,並用於M88發動機上。隨後,法國又陸續開發（fā）了N19、NR3、NR6等粉末高溫合金。

 

 

 

目前我國已經形成了（le）等離子旋轉電極霧（wù）化製粉+熱等靜壓成（chéng）型+包套鍛造+熱處理（lǐ）”的鎳（niè）基粉（fěn）末高溫合金製（zhì）備工藝（yì）路線。

 

美國粉末高溫合金組織均勻、性能穩定，其工藝的主要特點是釆用（yòng）氬氣霧化製粉+熱擠壓+等溫鍛造成型（xíng）。而俄羅斯開創（chuàng）了粉末高溫（wēn）合金製備工藝的又一（yī）領域（yù），其粉末高溫合金的生產工（gōng）藝是：合金熔煉及加工電極+等離子旋轉電（diàn）極製備合金粉末（mò）+粉末（mò）處理+包套製作及封焊+熱等靜壓成型+熱處理+機加工[4]。

 

我國粉末高溫合金的製備工藝在借鑒俄羅斯的基礎（chǔ）上，進行了適合我（wǒ）國國情的調整。生（shēng）產粉末高溫合金的一般工藝流程如下：

 

圖（tú）3  粉末高溫（wēn）合金製備的工藝流程

 

1、粉末製（zhì）備工藝

 

目（mù）前為（wéi）止,高溫（wēn）合金（jīn）製粉方法中最重要的就是霧化法。19世紀30年代,霧化法被首次應用在鐵粉製備（bèi）領域。經過幾十年的發展,該方法仍然是製備合金粉末（mò）的重要方法。

 

目前在實際生產中主要采用氬氣霧化法(AA)和等離子旋轉電極霧化法(PREP)，示意圖如圖4所示[6]。

 

 

氬氣霧化法是用氬氣吹（chuī）噴融化的高溫合金流,而製得合金粉末（mò）。如（rú）圖4(a)所示,氬氣霧化（huà）係統含有一套很長的冷卻塔,冷卻（què）塔的頂部安裝了噴嘴,可（kě）以噴出高壓的（de）氬氣,使熔化（huà）的金屬（shǔ）被迅速分散成液滴（dī）。霧（wù）化過程中氬氣的熱擴散可（kě）能會導致氣壓差,使噴嘴處氬氣停（tíng）流,為了（le）避免這種情況出現,多餘的氬氣（qì）將在冷卻塔重（chóng）新冷卻（què）、回流到熔化室。這使得將大體積鑄（zhù）錠霧化成粉得以實現。在實際霧化過程中,熔（róng）化室和冷卻塔之間（jiān）會保持約0.2atm的壓差（chà）。凝固的金（jīn）屬顆粒在霧化係統底部的冷卻區域進一步被冷卻,並被輸送到一係列的手套（tào）箱中進行粒度篩分。

 

等離子旋轉電極霧化製粉法不僅可（kě）以霧化低熔（róng）點的金屬和合金,還可以（yǐ）製取難熔金屬粉末。如圖4(b),將（jiāng）要霧化的金屬或合金製（zhì）備成直徑（jìng）50mm圓棒狀旋轉自耗電極,固定在送料器上,通過真空泵將粉末收集室先抽成（chéng）真空,然後充入氬氣,使粉末收集（jí）室內保持氬氣微正壓,通過固定的鎢電極（jí）產生電弧使金（jīn）屬或合金熔化。當自耗電極快速旋轉時,離心力使熔化的金屬或合金液滴飛出,熔滴在尚未碰到收集室器壁（bì）以前,就凝固於惰（duò）性氣（qì）體氣氛之中。旋轉電極轉速在10000-20000r/min之間,生產的粉末粒度（dù）較大。由於等離子（zǐ）旋轉電極霧化法不（bú）受熔（róng）化坩（gān）堝的汙染,生產的粉末十分純（chún）淨（jìng）,尤其適用（yòng）於高溫合金的製備。

 

在高溫合金粉末工業（yè）生產中，美國和西方國家主（zhǔ）要使用AA法（fǎ），俄羅斯使用PREP法，我國使用PREP法（fǎ）和AA法。2種製粉方法特性（xìng）比較[7]見表2。

 

 

 

2、粉末固結(consolidation)工藝

 

由於高溫合（hé）金粉末往往含有Cr，Ti，Al等（děng）難燒結元（yuán）素，同時這些元（yuán）素在燒結溫（wēn）度下容易氧化，這造成了高溫合金粉末不能采用通常（cháng）的直（zhí）接燒結工藝來成形。對於（yú）粉末高溫合金來說，往往（wǎng）要（yào）求在（zài）高溫高壓的環境下成形。目前常用的有真空熱壓成形(VacuumHotPressing)、熱等（děng）靜壓成形（xíng）(HotIsostaticPressing)、電火花燒結(SparkSintering)、擠壓(Extrusion)、鍛造(Forging)等成形（xíng）方法。在上述（shù）粉末固結工藝中，粉末渦輪盤用得最（zuì）多的是熱等靜壓成形和熱擠壓。表3為高（gāo）溫合金粉（fěn）末不同固結工藝的特點對比[8]。

 

 

熱（rè）擠壓成形在歐美（měi）等國應（yīng）用較（jiào）多，由普惠公司首先使（shǐ）用，美國大部分鎳（niè）基粉末高溫合（hé）金（jīn）都采用該方法成形。該（gāi）方法是直接將合金粉末擠壓成（chéng）坯體（tǐ），合金粉末在真空下裝入包套在擠壓過程中成型（xíng）。髙溫擠壓成型（xíng）的（de）過程中，包套內的（de）粉末顆粒（lì）變形量大、變形程度高（gāo），粉（fěn）末顆粒承受剪切力（lì）和（hé）熱壓（yā）力（lì），使粉末（mò）中的枝晶破碎。由此方法得（dé）到的合金晶粒細小，具有一定的超塑性。將材料在（zài）細晶超（chāo）塑（sù）性（xìng）狀態（tài）下鍛造成型，再通過熱處理得到力學性能良好的高溫合金。

 

英美等發達國家也有采用熱等靜（jìng）壓+等溫鍛造的工藝使粉末高溫合金成型。該方法由通用公司首先（xiān）采用，等溫鍛造是鍛造的一種（zhǒng）形式，將合金粉末在真空下裝入包套並熱等靜壓成型，隨後（hòu）將成型之後的包套放在模具中，以較慢變形速率進行熱變形。其特點是晶粒細小，組織均勻，精度高，節省（shěng）材料，降低機加工成本。同時，等溫鍛造也存在一些缺點，比如，模具材料及其加工成本高，生產效率較低，鍛（duàn）造條件要求較高，引起高成本等。

 

我國目前尚沒有大型(35000)立式擠壓機（jī），不能采（cǎi）用熱擠壓+等溫鍛造的工藝。北京航（háng）空材料研究（jiū）院和北京鋼鐵研究總院（yuàn）等單（dān）位均配備了大型熱等靜壓機，但等溫鍛造設備及模具等關鍵問（wèn）題尚不能（néng）完全解決。目（mù）前，我國在製備鎳基（jī）粉末高溫合金（jīn）方麵多釆用直（zhí）接（jiē）熱等靜壓（yā）成型或熱等靜壓+包（bāo）套（tào）鍛造工藝，同（tóng）時（shí）也在發展等溫鍛造。

 

對於熱（rè）等靜壓工藝，一（yī）般工藝流程是將處理後的高溫合金粉末裝（zhuāng）入碳鋼或不鏽鋼包套（tào）中，並（bìng）抽（chōu）成真空，在常溫或一定溫度下（xià）使粉（fěn）末繼續除氣，然後封焊。將封好的（de）包套置（zhì）入熱等（děng）靜壓爐中，升溫（wēn）至一定溫度保溫，以一定的氬氣保（bǎo）持壓力。

 

從而使粉末（mò）達到致密的狀態，並具備所需要的力學性能。直接熱等靜壓成型的工藝取得成功，降低成本左右。發動機上使用（yòng）的零件，至今仍采用直接熱等靜壓狀態的零件（jiàn）。

 

在上述粉末固結工藝中，熱等（děng）靜壓和（hé）熱擠壓是主（zhǔ）要的密實工藝。這兩（liǎng）種工藝都是在一定的溫度和壓力下的粉末熱塑性變形和再結晶過程，但是熱擠壓工藝的粉末變形量和變形速率更大。

 

3、盤件成形工藝（yì）

 

 

盤件（jiàn）成（chéng）形工藝[9]主要有直接熱等（děng）靜壓成形和鍛造成形，對（duì）於直接（jiē）熱等靜壓成形生產的粉末盤件，粉末固（gù）結和盤件成形是在同一HIP工序（xù）中完成的。俄羅斯粉末高（gāo）溫合金的主導成形工藝是直接熱等靜壓(As-HIP)成形，在熱等靜壓過程中（zhōng）材料收縮和應（yīng）力狀態（tài）的研究（jiū）及包套的計算機模（mó）擬輔助設計等（děng）方麵都居世界前列，經過四十餘年的發（fā）展，HIP成形工藝（yì）日趨完（wán）善。與俄羅斯相比，美國粉末盤件（jiàn）的成形工藝種類更為豐富，包括As-HIP成（chéng）形、熱模鍛、ITF(等（děng）溫鍛)等工藝。我國的粉末高溫合金盤件采用直接熱等靜（jìng）壓成形和鍛造成形2種工藝製備[10]。FGH97粉末盤件的製備工藝流程與俄（é）羅斯EP741NP合金完全相同，采用直接熱等靜壓工藝成形。