粉末高溫合金是製造高性能航空發動機渦（wō）輪（lún）盤等轉動部（bù）件的關鍵（jiàn）材料。針對國外粉（fěn）末高溫（wēn）合金的研究曆史（shǐ）和現狀，結合粉末高溫合金（jīn）的製備工藝流（liú）程（chéng）,重點對比分析了國內外不同粉末（mò）製備工藝、粉（fěn）末固結工藝、盤件成形工藝的特點。

 

由於高溫合金具有合金化程度高的特點，鑄錠（dìng）偏（piān）析問題十分突出，熱（rè）加工性能差，采（cǎi）用傳統的鑄鍛（duàn）工（gōng）藝很難成型。而粉末高溫合金（jīn）利用粉末冶（yě）金方法製備高溫合（hé）金，具（jù）有成分均勻，無宏觀偏析，製（zhì）件性能穩定，熱加工變形（xíng）性能較好（hǎo）等優點。因此，粉末高溫合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（fěn）末製備技（jì）術的（de）興起，1965年發展了高純預合金粉末製備技術[2]。美國P＆WA(Pratt＆WhitneyAircraft)公司首先將Astroloy合（hé）金製（zhì）成預合金粉末，成功地鍛造出（chū）力學性能（néng）相當或略高於鑄鍛高溫合金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（gōng）司於（yú）1972年將IN100粉末（mò）高溫合金製備的壓氣機盤和渦輪盤等11個部件用於F100發動機，裝（zhuāng）配在F15和F16飛機上（shàng），從此粉末高溫合金進入了實際應用階段。

 

 

 

為滿足新一代航空發動機的需求,相繼出現了（le）由美國國家航（háng）空航天局(NASA)、普惠、通用公司合作開發的Rene104高溫合金、Honeywell公（gōng）司開發出來的（de）Alloy10高溫合金（jīn）以及由NASA幵發的LSHR高溫合金等（děng）眾多具有優良綜合性（xìng）能的粉（fěn）末鎳基高溫合金。Rene104合金與美國其他粉末冶金高溫合（hé）金的（de）製備工藝類似（sì）,釆用氬氣霧化工藝製備合金（jīn）粉末,之後壓實成形,通過熱擠壓獲得完全再結晶組織的棒料,再（zài）通過超（chāo）塑性等溫鍛（duàn）造工藝獲得零部件毛坯,經過熱處理和機（jī）加工獲得最終的零部件。

 

美國（guó）鎳基粉末高溫合金生產工藝的特點主要在於（yú）其特殊的（de）合金粉末製備方法，即氬氣霧化法，以及隨後進行的“熱擠壓+等溫鍛造”工藝成型，該工藝製備的零部件組織均勻，無宏觀偏（piān）析（xī），熱加工（gōng）性能好。

 

俄羅（luó）斯幾乎與（yǔ）美國在同一個時期開始該合金（jīn）的研製工作，在這一領域進行了開拓（tuò）性的（de）研究工作，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世紀80年代成立了粉末高溫合金研發實驗室，開始研製鎳基粉末高溫合金。從此，蘇聯在粉（fěn）末高（gāo）溫合金領域占據了一席之地（dì）。蘇聯（lián）製備粉末高溫合金的主要工（gōng）藝與美國（guó）大不相同：高溫（wēn）合金電極（jí）棒的製備一等離子（zǐ）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（rè）處理一（yī）機加工（gōng）一成品。

 

 

英、法等國在鎳基粉末（mò）高溫合金研製領域也同樣展開了研究工作[3]。英國威合金公司(WigginAlloys)在（zài）1975年（nián）裝備了一條年產1000t粉末高溫合金的生產線,同時（shí）配備了熱等靜壓機及等溫鍛造機。英國羅羅公（gōng）司(Rolls-Royce)和威合金公司合作,成功研製出AP-1鎳基粉末高溫合金,並應用在RB211發動機上（shàng）,隨後德國默透公司將（jiāng）該合金用於RB199發動機上。法國通過調整Astroloy合金的成分,進一步將低（dī）碳含量,研製（zhì）出N18鎳（niè）基粉末高（gāo）溫合（hé）金,並（bìng）用於M88發動機上（shàng）。隨後,法國又陸續開發了N19、NR3、NR6等粉末高溫合金。

 

 

 

目前（qián）我國已經形成了（le）等離子旋轉電極霧（wù）化製（zhì）粉+熱等靜壓成型+包套鍛造+熱處理”的鎳基粉末高溫合金製備工藝路線。

 

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氣霧化製粉+熱擠壓（yā）+等溫鍛造成型。而俄羅斯開創了粉（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（chǎn）工藝（yì）是：合金熔煉（liàn）及加工電極+等離子旋轉電極製備合金粉（fěn）末+粉末處理+包套製作及封焊+熱等靜壓成型+熱處理+機加工[4]。

 

我國（guó）粉末高溫合金（jīn）的製備工（gōng）藝在借鑒俄羅斯的（de）基（jī）礎上，進行了適合我（wǒ）國國情的調整。生產粉末高溫合金的一般工藝流程如下：

 

圖3  粉末高溫合金製備的工（gōng）藝（yì）流程

 

1、粉末（mò）製（zhì）備工藝

 

目前為（wéi）止,高溫合金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領域。經過幾（jǐ）十年的發展,該（gāi）方法仍然是製備合金粉末的（de）重要方法。

 

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

 

 

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

 

等離子旋轉電極（jí）霧化製粉法不僅可以霧化低熔點的金屬和合金,還可以製取難熔（róng）金屬粉末。如（rú）圖4(b),將要霧化的金屬或（huò）合金製備（bèi）成直（zhí）徑50mm圓棒狀旋轉自耗電極,固定在送料器上,通過真空泵將（jiāng）粉（fěn）末收集室先抽成真空,然後充入氬氣,使粉末收集室內保持氬氣微正壓,通過固定的鎢電極產生電弧使金屬或合金熔化。當自耗（hào）電極（jí）快（kuài）速旋轉時,離心力使熔化的（de）金屬或合金液（yè）滴飛出,熔滴在尚未碰到收集室器（qì）壁以（yǐ）前,就凝固於惰性氣體氣氛之中。旋轉電極轉速在10000-20000r/min之間,生產的粉末粒度較大（dà）。由於等離子旋轉電極霧化法（fǎ）不（bú）受熔化坩堝的汙染,生產的粉末十分純淨,尤其適用於高溫合金的製備。

 

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

 

 

 

2、粉末固結(consolidation)工藝

 

由於高溫合金粉末往往含有Cr，Ti，Al等難燒結元素，同時這些元素在燒結溫度（dù）下容易氧化，這造成了高溫合金粉（fěn）末不能采用通常的直接燒結工藝來成形。對於粉末高溫合金來說，往往要求在高（gāo）溫高壓的環境下成形。目前常用的有真空熱壓成形(VacuumHotPressing)、熱等靜壓成形（xíng）(HotIsostaticPressing)、電火花（huā）燒結(SparkSintering)、擠壓(Extrusion)、鍛造(Forging)等成形方法。在（zài）上述粉末固結工藝中（zhōng），粉末渦輪盤用得最多的是熱等靜壓成形和熱擠（jǐ）壓（yā）。表3為高溫合金粉末不同固結工藝的特點（diǎn）對比[8]。

 

 

熱擠壓成（chéng）形在歐美等國應用較多，由（yóu）普惠公司（sī）首先使用，美國大部分鎳基粉末高溫合金都采用該方（fāng）法成形。該方法是直接將合金粉（fěn）末擠壓成坯體，合金粉末在真空下裝入包（bāo）套在擠（jǐ）壓過程中成（chéng）型。髙溫（wēn）擠壓成型的過程中，包套（tào）內的粉末顆粒變形量大、變形程度高，粉末顆粒承受（shòu）剪（jiǎn）切力和熱壓力，使粉末中的枝晶破碎。由此（cǐ）方法得到的合金晶粒細小，具有（yǒu）一定的超塑性。將材料在細晶超塑（sù）性狀態（tài）下鍛造成型，再通過熱處理得到力學性能良（liáng）好的（de）高溫合金。

 

英美等發達國家也有采用（yòng）熱等靜壓（yā）+等溫鍛造（zào）的工藝使粉末高溫合金成型。該方法由通用公司首先采用，等溫鍛（duàn）造是鍛造的一種形（xíng）式，將合金粉末在真空下裝入包套並熱等（děng）靜壓成型，隨後將成型之後的包套放在模具中，以較慢變（biàn）形（xíng）速率進行熱變形。其特點是晶粒細小，組織（zhī）均勻，精度高，節省材料，降低機加工成本。同時，等溫（wēn）鍛造也存在一些缺點（diǎn），比如，模具材料及其加工成本高，生（shēng）產效率較低，鍛造條件（jiàn）要求較高，引（yǐn）起高成（chéng）本等。

 

我國目（mù）前尚沒有大型(35000)立式擠壓機，不能采用熱擠壓+等溫鍛（duàn）造的工藝。北京航空材料研（yán）究院和北京鋼鐵研究總院（yuàn）等單位均配備了大（dà）型熱等靜（jìng）壓機（jī），但等溫鍛造（zào）設（shè）備及模具等關鍵問題尚不能完全解決（jué）。目前，我國（guó）在製（zhì）備鎳基粉（fěn）末高溫合（hé）金（jīn）方麵多釆用直接熱（rè）等靜壓成（chéng）型或熱等靜（jìng）壓+包套鍛造工藝，同時也在發展等（děng）溫鍛造。

 

對於熱等靜（jìng）壓工藝，一（yī）般工藝流程是將處理後的高溫合金粉末裝入碳鋼（gāng）或不鏽鋼包套中，並抽成真空，在常溫或一（yī）定溫度下使粉末繼（jì）續（xù）除氣，然後封焊。將封好的包套置入熱等靜壓爐中，升溫至一定溫度保（bǎo）溫，以一定的（de）氬氣保持壓力。

 

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

 

在上述粉末固結工藝中，熱等靜壓（yā）和熱擠壓是主要的密實工藝（yì）。這兩種工（gōng）藝都是在一（yī）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

 

 

盤件成形（xíng）工藝[9]主要有直接熱等靜壓（yā）成形和鍛造成形，對於直接熱等靜壓成形生產的（de）粉末盤件（jiàn），粉末固結和盤件成形是在同一HIP工序中完成的（de）。俄羅斯粉末高（gāo）溫合金的主導成形工藝是直接熱（rè）等靜壓(As-HIP)成形，在熱等靜壓過程中材料收縮和應力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前列，經過四十餘（yú）年的（de）發（fā）展，HIP成形工藝日趨完善。與俄羅斯相比，美國粉末盤件的成形工藝種類更為豐富，包括As-HIP成形、熱模鍛、ITF(等溫鍛)等工藝。我（wǒ）國的粉末高溫合金盤件采（cǎi）用直接熱等靜壓成形和鍛造成（chéng）形2種工（gōng）藝製備[10]。FGH97粉末盤件（jiàn）的製（zhì）備工藝流程與俄（é）羅斯EP741NP合金完（wán）全相同，采用直接熱等靜（jìng）壓（yā）工藝成形。