由於高溫合金具有合金化程度高的特點，鑄錠偏析問題（tí）十分突出，熱加工（gōng）性能差，采用傳統的鑄（zhù）鍛工藝很（hěn）難成（chéng）型。而粉末高溫合金利用粉末冶金（jīn）方法製備高溫合金，具有成分均勻，無宏觀偏析（xī），製件性（xìng）能穩定（dìng），熱加工變形性能較好等優點。因此，粉末（mò）高（gāo）溫（wēn）合金在（zài）各個領域都具有廣闊的發展前景[1]。

 

上世紀60年代初（chū），隨著快速凝固（gù）氣霧化粉末製備技術的興起（qǐ），1965年發（fā）展了高純預合金粉末製備技術[2]。美國P＆WA(Pratt＆WhitneyAircraft)公（gōng）司首先將Astroloy合金製成預合金（jīn）粉末，成功地鍛造出力學性能相當或略高於鑄鍛高溫（wēn）合金Waspaloy的盤件，開創了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粉末高溫合金（jīn）製（zhì）備的壓氣機盤和渦輪盤等11個部件用於（yú）F100發動機，裝配在F15和F16飛（fēi）機上，從此粉末高溫合金進入了實際（jì）應用階（jiē）段。

 

 

圖1 F15的動力係統——普拉特•惠特尼F100發動機

 

為滿足新一代（dài）航（háng）空（kōng）發動機的需求,相繼出現了由美國國家航空（kōng）航天（tiān）局(NASA)、普惠、通用公司合作開發的Rene104高溫合金（jīn）、Honeywell公司（sī）開發出來的Alloy10高溫合金以及由NASA幵發的（de）LSHR高溫（wēn）合金等眾多（duō）具有優良綜合性能的粉末鎳基高溫合（hé）金。Rene104合金與美國其他粉末冶金高（gāo）溫合金（jīn）的（de）製備工藝類似,釆用氬氣霧化工藝製備合（hé）金（jīn）粉（fěn）末,之後壓實成形,通過熱擠壓獲得完全再結晶組織的棒料,再通過超塑性等溫鍛造工藝獲得零部件毛坯,經過熱處理和機加工獲得最終的零部件。

 

美國鎳基粉末（mò）高溫合金生產工藝的特點主要在於其特殊的合金粉末製備方法（fǎ），即氬氣霧化法，以及隨後進行的“熱擠壓+等溫鍛造”工藝（yì）成型，該工藝製備的零部件組織均勻（yún），無宏觀偏析，熱加工性能好。

 

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

 

蘇聯的全俄輕合金研究院（yuàn）在20世（shì）紀80年代成立了粉末高（gāo）溫合金（jīn）研發實驗（yàn）室，開始研製鎳基粉末高溫合金。從此（cǐ），蘇（sū）聯在粉末高溫合金領（lǐng）域（yù）占據了一席之地。蘇聯製備粉末高溫合金的主要工藝與美國大不相同：高溫合金電極棒的製備一等離子旋轉電極霧化製粉（fěn）一粉末預處理一包套封焊（hàn）及除氣一熱等靜壓成型一（yī）熱處理一機加工一成品。

 

圖2 RB199型3軸渦輪風扇發動（dòng）機

 

英、法等國在鎳基粉末高溫合金研製領域也同（tóng）樣展（zhǎn）開了研究工作[3]。英國威合金公司(WigginAlloys)在1975年裝（zhuāng）備了一條年產1000t粉末高溫合金的生產線（xiàn）,同時配備了熱等靜壓機及等（děng）溫鍛（duàn）造機。英國羅羅公司(Rolls-Royce)和威合金公司合作,成功研製出AP-1鎳基粉末高（gāo）溫合金,並應用在RB211發動機上,隨後德國默透公司將該合（hé）金（jīn）用於RB199發動機上。法國通過調（diào）整（zhěng）Astroloy合金的成分,進一步將低碳含量,研製出N18鎳基粉（fěn）末高溫（wēn）合金,並用於（yú）M88發動機上。隨（suí）後,法國（guó）又陸續開發了N19、NR3、NR6等粉末高溫合（hé）金。

 

表（biǎo）1粉（fěn）末高溫合金型號、生產工藝及應用[4]

 

注：HIP—HotIsostaticPressing：熱等靜壓工藝；

HIF—HotIsostaticForging：等溫鍛造工藝；

HEX—HotExtrusion：熱擠壓工藝；

 

目前我國已經形成了等離子旋轉電極霧化製粉+熱（rè）等靜壓成型+包套（tào）鍛造+熱處理”的鎳基粉末高溫合（hé）金（jīn）製備工藝路線。

 

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氬（yà）氣霧化（huà）製粉+熱擠壓+等（děng）溫鍛造成型。而俄羅斯開創（chuàng）了粉（fěn）末高溫合金製備工藝的又一領域，其粉末高溫合金的生產工藝是：合金熔（róng）煉及加工電（diàn）極（jí）+等離子旋轉電極製（zhì）備合金（jīn）粉末+粉末處理+包套製作及封焊+熱（rè）等靜壓（yā）成型+熱處理+機加工[4]。

 

我國（guó）粉末高溫（wēn）合（hé）金的製備工藝在借鑒（jiàn）俄羅斯的基礎（chǔ）上，進行了適合我國國情的調整。生產粉末高溫合金的一般工藝流程如（rú）下：

圖3  粉末高溫合金製備的工（gōng）藝流程

 

1、粉末（mò）製備（bèi）工藝

 

目前為止,高溫合金製粉方法中（zhōng）最重（chóng）要的就是霧（wù）化法。19世紀（jì）30年代,霧化（huà）法被首次應用在鐵粉（fěn）製備領域（yù）。經過幾十年的（de）發展,該方法仍然是製備合金粉末的重要方法。

 

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

 

圖4 霧化製粉方法示意圖(a)氬氣霧化法；(b)等離（lí）子旋轉（zhuǎn）電極霧化法[6]

 

氬氣霧化法是用氬（yà）氣吹（chuī）噴融化的高溫合金流,而製得合金粉末。如圖4(a)所示,氬氣（qì）霧化係統含有一（yī）套很長的冷卻塔,冷卻塔的頂部安裝了噴嘴（zuǐ）,可以噴出高壓的氬氣（qì）,使熔化的金屬被迅速（sù）分散成液滴。霧化過程中氬氣的熱擴散可能會導（dǎo）致氣（qì）壓差,使（shǐ）噴嘴處（chù）氬氣停流,為了避免這種情況出現,多餘的（de）氬氣將在冷卻塔重新冷卻、回流（liú）到熔化室。這使得將大體積鑄錠霧化成粉得以實現。在實際霧化過程中,熔化室和（hé）冷卻塔之間會保持約0.2atm的壓差。凝固的金屬顆粒（lì）在霧化係統（tǒng）底部的冷卻區域進一步被冷卻,並被輸送到一係列的手套箱中進（jìn）行粒度篩分。

 

等離子旋轉電極霧化製粉（fěn）法不僅可以霧化低熔點的（de）金屬和合金,還可以製（zhì）取難熔金屬粉末。如圖（tú）4(b),將要霧化的金屬或合金製備（bèi）成（chéng）直徑50mm圓棒狀旋轉自耗電（diàn）極（jí）,固定在送料器上,通過真空泵將粉末（mò）收集室（shì）先抽（chōu）成真空,然後充入氬（yà）氣,使粉末收集室內保持氬氣微正壓,通過（guò）固定的鎢電極產生電弧使金屬或合金熔化。當自耗電極快速旋轉時,離心力使熔化的金屬或（huò）合金（jīn）液滴飛出,熔滴在尚未（wèi）碰到收集室器壁以前,就凝固於惰性氣體氣氛之中。旋（xuán）轉電極轉速在10000-20000r/min之間（jiān）,生（shēng）產的粉（fěn）末粒度較大。由於等離子（zǐ）旋轉（zhuǎn）電極霧化法不受熔化坩（gān）堝的汙染,生產的粉末十分純淨,尤（yóu）其（qí）適用於高溫合金的製備。

 

在高溫合金粉末工業生產中，美國和西方國（guó）家主要使用AA法，俄羅斯（sī）使用PREP法，我國使用PREP法和（hé）AA法。2種製粉方法特性比較[7]見表2。

 

表2  兩種製粉方法特（tè）性比較

 

 

2、粉末固（gù）結(consolidation)工藝

 

由於高溫合金粉末往往（wǎng）含有Cr，Ti，Al等（děng）難（nán）燒（shāo）結元素，同時這些元素在（zài）燒結溫度下容易氧化，這造成了高溫合金粉末（mò）不能采用通常的直接燒結工藝來成形。對於粉末高溫（wēn）合金（jīn）來說，往往要求在（zài）高（gāo）溫高壓的環境（jìng）下成形。目前常用的有真空熱壓成形(VacuumHotPressing)、熱等靜壓成形(HotIsostaticPressing)、電火花燒結(SparkSintering)、擠壓(Extrusion)、鍛造(Forging)等成形（xíng）方法。在上述粉末固（gù）結工（gōng）藝中，粉末渦輪（lún）盤用得最多的是熱等靜壓（yā）成形和熱擠壓。表3為高溫合金粉（fěn）末不同固結工藝（yì）的特點對比[8]。

 

表3  不（bú）同高溫合金粉末（mò）固（gù）結工藝的特（tè）點

 

熱擠壓（yā）成形在歐美等國應用較（jiào）多，由普惠公司首先使用，美國大部分鎳基粉末高溫合金都采用該方法成形。該方法是（shì）直接將合金粉（fěn）末擠壓成坯（pī）體，合（hé）金粉末在真空下（xià）裝（zhuāng）入包套在擠壓過程中成型。髙溫擠壓成型的過程（chéng）中，包套（tào）內的粉末顆粒變形量大、變形程度高，粉（fěn）末顆粒承受剪切力和熱壓力（lì），使粉（fěn）末中（zhōng）的枝晶破碎。由此方法得到的合（hé）金晶粒細小，具有一定的超塑性。將材料在細晶超塑（sù）性（xìng）狀態下（xià）鍛造成型（xíng），再通過熱處理得（dé）到力學性能良好的高溫合金（jīn）。

 

英美等（děng）發達國家也有采（cǎi）用熱（rè）等靜壓+等溫鍛造的工藝使粉末高溫合金成（chéng）型。該方法由通用公司首先采用，等溫（wēn）鍛造是鍛造的（de）一種形式，將合金粉末在真空下裝入包套並熱等靜（jìng）壓成型，隨後將成型之後的包套放在模具中，以較慢變（biàn）形速率進行熱變形。其（qí）特點是晶粒細小，組織均勻，精度高，節省材料，降低機加工成本。同時，等溫鍛造也存在一些（xiē）缺點，比如（rú），模具材料及其加工成本（běn）高，生產效率較低，鍛造條件要求較高，引起高（gāo）成本等。

 

我國目前（qián）尚沒有大型（xíng）(35000)立式擠壓機，不能采用熱（rè）擠壓+等溫（wēn）鍛造的（de）工藝。北京航空（kōng）材料研究院和北京鋼鐵研究總院等單位均配備了（le）大型熱等靜壓機，但等溫鍛造設備及模（mó）具等關鍵問題（tí）尚不（bú）能完全（quán）解決。目前，我國在製備鎳基粉末高溫合金方麵多釆用直接熱等靜壓成型或熱等靜壓+包套鍛造工藝，同時也在發展等溫鍛造。

 

對於熱等靜壓工藝，一般工藝（yì）流程是將處理後的高溫合金粉末裝入碳鋼或不鏽鋼包套中，並抽成真空，在常溫或一定（dìng）溫度下使粉末（mò）繼續除氣，然（rán）後封焊。將封好的包套置入熱等靜壓爐（lú）中（zhōng），升溫至一定溫度保（bǎo）溫，以一定的（de）氬氣保持（chí）壓（yā）力。

 

從而（ér）使粉末達到致密的狀態，並（bìng）具備所需（xū）要的力學性能。直接熱等靜壓成型（xíng）的工藝取得成功，降低成（chéng）本左右。發動機上使用（yòng）的零件，至（zhì）今仍采用直接（jiē）熱等靜（jìng）壓狀態的零件。

 

在（zài）上述粉末固結（jié）工藝中，熱等靜壓和熱擠壓（yā）是主要的密實工藝（yì）。這（zhè）兩（liǎng）種工（gōng）藝都（dōu）是在一定的溫（wēn）度和（hé）壓力下的粉末熱塑性變（biàn）形和再結晶過程，但是熱擠（jǐ）壓工藝的粉末變形量和變形速率更大。

 

3、盤（pán）件成形工藝

 

盤（pán）件成形工藝[9]主要有直接熱等靜壓成形和鍛（duàn）造成形，對於直接熱等靜壓（yā）成（chéng）形生產的粉末盤件，粉末固結和盤（pán）件成形是（shì）在同一HIP工序中完成的。俄羅（luó）斯粉末（mò）高溫合金的主（zhǔ）導成形工藝是直接熱等靜壓(As-HIP)成形，在熱等靜壓過（guò）程中材料收縮（suō）和應（yīng）力（lì）狀態的研究及包套的計（jì）算機模擬（nǐ）輔助設計等方麵都居世界（jiè）前列，經過四十餘年的（de）發（fā）展，HIP成形工藝日趨（qū）完（wán）善。與俄羅（luó）斯相比，美國粉末盤件的成形工藝種類更為豐富，包（bāo）括（kuò）As-HIP成形、熱模鍛、ITF(等溫（wēn）鍛（duàn）)等（děng）工藝。我國的粉末高溫合金盤件采用直接熱等靜壓（yā）成形和鍛（duàn）造成形2種工藝製備[10]。FGH97粉末盤件的製備工藝流（liú）程與俄羅斯EP741NP合金完全相同，采用直接熱等靜壓工藝（yì）成形。