由於高溫合金具有合金化程度高的（de）特點，鑄錠偏析問題十（shí）分突出，熱加工性能差，采用傳統（tǒng）的鑄鍛工藝很難成型。而粉末（mò）高溫合（hé）金利用粉末冶金方法製備高溫合金，具有成分均勻（yún），無（wú）宏觀偏析，製（zhì）件性能穩定（dìng），熱加工變形性能較好等優點。因（yīn）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（zhe）快速凝固（gù）氣霧化粉末製備技術的興起，1965年發展（zhǎn）了高純預合（hé）金粉末製（zhì）備技（jì）術[2]。美國P＆WA(Pratt＆WhitneyAircraft)公司首先將Astroloy合金製成預（yù）合金粉末，成功地鍛造出（chū）力學性能相當或（huò）略高於鑄鍛高（gāo）溫合金Waspaloy的盤件，開創了粉末高溫合金盤件用於航空發（fā）動機的先河。P＆WA公司於1972年將IN100粉末高溫合金製備的（de）壓氣機盤（pán）和渦輪盤等11個部件（jiàn）用於F100發動機（jī），裝配在（zài）F15和F16飛機上，從（cóng）此粉（fěn）末高溫（wēn）合金進入了實際應用階段。

 

 

圖1 F15的動力係統——普拉特•惠特尼F100發動（dòng）機

 

為滿足新一代航空發動機的需求,相繼出現了由美國（guó）國家航（háng）空航天（tiān）局(NASA)、普惠、通用公（gōng）司合作開發的Rene104高溫合金、Honeywell公司開發出（chū）來的Alloy10高溫合金以及由NASA幵（jiān）發的LSHR高溫合金等眾多具有優良綜合性能（néng）的粉末鎳基高溫合金。Rene104合金與美國其他粉末冶金高溫合金的製備工藝類似,釆用氬氣（qì）霧（wù）化工藝製備合金粉末,之後壓實成形,通過熱（rè）擠壓獲得完全再結晶組織的棒料（liào）,再通過超塑性等溫鍛造工藝獲得零部件毛坯（pī）,經過熱處理和（hé）機加工（gōng）獲得最終的零部件。

 

美（měi）國鎳基粉末高溫（wēn）合金生產工藝的特點主要在於其特（tè）殊（shū）的合（hé）金粉末（mò）製備方法，即（jí）氬氣（qì）霧化法，以及隨後進行的“熱擠壓+等（děng）溫鍛造”工藝（yì）成型，該工藝製備的零部件組織均勻，無宏觀偏析，熱加工性能好。

 

俄（é）羅斯幾乎與美國在同一個時期開始該合金的研製工作，在（zài）這一領域進行（háng）了開拓性的研究工作，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（qīng）合金研究院在20世紀（jì）80年代成立了（le）粉末高溫合金研發實驗（yàn）室，開始研製鎳（niè）基粉末高溫合（hé）金。從（cóng）此，蘇聯在粉末高溫合金（jīn）領域占據了一席之地。蘇聯製備粉末高（gāo）溫合金的主要（yào）工藝與美國大不相同：高溫合金電（diàn）極（jí）棒的製備一等離子（zǐ）旋轉（zhuǎn）電極霧化（huà）製粉一粉末預處理一包（bāo）套封焊及除氣一熱等靜（jìng）壓成型一熱處理一機（jī）加工一成品。

 

圖2 RB199型3軸渦輪風扇發動機

 

英（yīng）、法等國（guó）在鎳基粉末（mò）高溫合金研製領域也同樣展開了（le）研究工作[3]。英國威（wēi）合金公司(WigginAlloys)在1975年裝備（bèi）了一（yī）條年產1000t粉末高溫（wēn）合金的生產線,同（tóng）時配備了熱等靜壓機及等溫鍛造機。英國羅羅公司(Rolls-Royce)和威合金公司合作（zuò）,成功研製出AP-1鎳基粉末高溫（wēn）合金,並應用在RB211發動機上,隨後德（dé）國默透公司（sī）將該合金用於RB199發動機上。法國通過調整Astroloy合金的成（chéng）分,進一步將低碳含量,研（yán）製出N18鎳基粉末高溫合（hé）金,並用於M88發動機（jī）上。隨後,法國又陸續開（kāi）發了N19、NR3、NR6等粉（fěn）末高溫合金。

 

表1粉末高溫（wēn）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（qián）我國已經形成了等離子旋轉（zhuǎn）電極霧化製粉+熱等靜壓成型+包套鍛造（zào）+熱處理”的（de）鎳基粉末高溫合金製備（bèi）工藝路線。

 

美國粉（fěn）末高溫合金組織均勻（yún）、性能（néng）穩（wěn）定，其工藝的主要特點是釆用氬氣霧化製粉+熱擠壓+等溫鍛造成型。而俄羅斯（sī）開創了粉末（mò）高溫（wēn）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（jīn）熔煉及加（jiā）工電極+等離子旋轉電極製備合金（jīn）粉末（mò）+粉末處理+包套製作及封（fēng）焊+熱等靜壓成型+熱處（chù）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上，進行了適合我國國（guó）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藝流程

 

1、粉末製備工藝

 

目前為止,高溫（wēn）合金製粉方法（fǎ）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（jīng）過幾十（shí）年的發展,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（cǎi）用氬氣霧化法(AA)和等離子旋轉電極霧（wù）化法(PREP)，示意圖如圖4所示[6]。

 

圖4 霧化（huà）製粉方法示意圖(a)氬氣霧化法；(b)等離子旋轉電極霧化（huà）法[6]

 

氬氣霧（wù）化法是用氬（yà）氣吹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）霧化係統含有一套很長的冷卻塔,冷卻塔的頂（dǐng）部安裝了（le）噴嘴,可以噴（pēn）出高壓的氬氣（qì）,使熔化的金屬被迅速分散成液滴。霧化過程中氬氣的熱（rè）擴散可能會導致氣壓差,使噴（pēn）嘴處氬氣停流,為了避免這種情況出現,多（duō）餘的（de）氬（yà）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（wù）化成粉得以實現。在實際（jì）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（gù）的金屬顆粒在霧化係統底部的冷卻區域進一步被（bèi）冷卻,並被輸送到一係列的手套（tào）箱（xiāng）中進行粒度篩分（fèn）。

 

等離子旋（xuán）轉（zhuǎn）電極霧化製粉法不（bú）僅可以霧化低熔點的金屬和（hé）合金,還可以製取難熔金（jīn）屬粉末。如圖（tú）4(b),將要霧化的金屬或（huò）合金（jīn）製備成（chéng）直徑50mm圓棒狀旋轉（zhuǎn）自耗電極（jí）,固定（dìng）在送料（liào）器上,通過真（zhēn）空泵將粉末收集室先（xiān）抽成真空,然後充入氬氣（qì）,使粉末收集室內保持（chí）氬氣微正（zhèng）壓,通過固定的鎢電極產生電弧使金屬或合金熔化。當自耗電（diàn）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（zài）尚未碰到收集室器壁以前,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。由於等離子旋轉電極霧化法（fǎ）不受熔（róng）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（shēng）產中（zhōng），美國和西方國家主要使用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。

 

表2  兩種製粉方法特性比較

 

 

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下容易氧化，這（zhè）造成了高溫合金粉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，往往要求在高溫高壓（yā）的環境下成形（xíng）。目（mù）前常用的有真空熱壓成（chéng）形(VacuumHotPressing)、熱等靜壓成形(HotIsostaticPressing)、電火花燒結(SparkSintering)、擠壓(Extrusion)、鍛造(Forging)等成（chéng）形方（fāng）法。在上述（shù）粉末固結工藝中，粉末渦輪盤用得最多的是熱等靜壓成形和熱擠壓。表3為高溫（wēn）合金粉末不同固結工藝的特點對比[8]。

 

表3  不同高溫合金粉（fěn）末固結工藝（yì）的特（tè）點

 

熱（rè）擠壓成（chéng）形在歐美等國應用較多，由普惠公司首先使用（yòng），美國大部分鎳基粉末高溫合金都采用該方法成形。該方法是直接將合金粉末擠壓成坯體（tǐ），合金粉末在真空（kōng）下裝入包套在擠壓過程中成型。髙溫擠壓成型的過程中，包套內的粉末顆粒變形量大、變形（xíng）程度高，粉末顆粒承（chéng）受剪切（qiē）力和熱壓力，使粉（fěn）末中的枝晶破碎。由此方法得到的合金晶粒細小（xiǎo），具有一定（dìng）的超塑性。將材料在細晶超塑性狀態（tài）下鍛造成型，再通（tōng）過熱處理得到力學性能良好的高溫合金。

 

英美等（děng）發達國家也有采（cǎi）用熱等靜壓+等溫鍛造的工藝使粉末高溫合金成型。該（gāi）方法由通用公司首先采用，等溫鍛造是鍛造的一種形式，將合金粉末在真空下裝入包套並熱等靜壓成型，隨後將成型（xíng）之後的包套放在模具中，以較慢變形速率進行熱（rè）變形。其（qí）特點是晶粒細小，組織均（jun1）勻，精度高，節省材料，降低機加工（gōng）成本。同時，等溫鍛造也存在一些缺點，比如，模具材料及其加（jiā）工成本高，生產效率較低，鍛造條件要求較高，引起高成本等。

 

我國目前尚沒有大型(35000)立式擠壓機，不能采用熱擠壓+等溫鍛（duàn）造（zào）的工藝。北京航空材料研（yán）究院和北京鋼鐵研究總院等單位均配備了（le）大型（xíng）熱（rè）等靜壓機，但等（děng）溫（wēn）鍛造（zào）設備（bèi）及模具等（děng）關鍵（jiàn）問題尚不能完全解（jiě）決。目前，我國（guó）在製備鎳基粉末高溫合金方麵多釆用直接（jiē）熱等靜壓成型或熱（rè）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，一般工藝流（liú）程是（shì）將處理後（hòu）的高（gāo）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）溫度下使粉末繼續除氣，然後封焊（hàn）。將封好的包套（tào）置入熱等靜（jìng）壓（yā）爐中，升（shēng）溫至一定溫度保溫，以一定的氬氣保（bǎo）持（chí）壓力。

 

從而使粉末達到致（zhì）密的狀態，並具備所需要的力學（xué）性能。直接熱等靜壓成型（xíng）的工藝取得成功，降低成本左右。發動機上使用（yòng）的零（líng）件，至今仍（réng）采用直接熱等靜（jìng）壓狀態的零件。

 

在上述粉末固結工藝中，熱等靜壓和熱擠壓是主要（yào）的（de）密實工藝。這兩種工藝都是在一定的溫度和壓力下的粉末熱塑性（xìng）變形和再結晶過（guò）程，但是熱擠壓工藝的粉末變形量和變形速率更大（dà）。

 

3、盤（pán）件成形工藝

 

盤件成形工藝[9]主要有直接熱等靜壓成形和鍛造成形，對於直接熱等靜壓成形生產的粉末盤件，粉末固結（jié）和盤件成形是在同一HIP工（gōng）序中完成的。俄羅斯粉末（mò）高溫合金的主導成形（xíng）工藝是直接熱等靜壓(As-HIP)成形，在熱等靜壓過程中材料收縮和應力狀態的研（yán）究及包套的計（jì）算機模擬輔助設計等方麵都居世界前列，經過四十餘年（nián）的發展，HIP成形（xíng）工藝（yì）日趨完善。與俄羅斯相比（bǐ），美國粉（fěn）末盤件的成形工藝種類更為豐富，包括As-HIP成（chéng）形、熱模鍛、ITF(等溫鍛)等工藝。我國的粉末高溫合金盤件采用直接熱等靜壓成形（xíng）和鍛造成形2種工藝製備[10]。FGH97粉末盤件的製備工藝（yì）流程與俄羅斯（sī）EP741NP合金完全相同，采用直接熱等靜壓工藝成形。