粉末高温合金讲解

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1、 标题：粉末高温合金 2 开 篇 引 言 粉末高温合金是20世纪60年代诞生的新一 代高温合金材料，由于用精细的金属粉末作为 成形材料，经过热加工处理得到的合金组织均 匀、无宏观偏析、合金化程度高，而且具有屈 服强度高和疲劳性能好等一系列优点，因此， 很快成为高推重比航空发动机涡轮盘等关键部 件的首选材料。以下我就粉末高温合金作几点 介绍。 内 容 导 览 粉末高温合金概述 粉末高温合金的研究现状 粉末高温合金的制备方法 粉末高温合金的发展前景 粉末高温合金概述 一、粉末高温合金的研究背景： 涡轮盘是燃气涡轮发动机关键件之一。其工作条件十 分苛刻，在高温、高转速、高应力、高速气流下工作，涡 轮

2、盘各部承受不同的交变负荷，其工作状况直接影响发动 机的可靠性、安全性和耐久性。航空燃气涡轮发动机的发 展历史表明涡轮盘材料性能一直是制约其技术性能、可靠 性及安全性的关键因素之一。随着高性能航空发动机的发 展，对涡轮盘材料的性能要求越来越高越来越严格，传统 的铸锻高温合金由于合金化程度的提高，铸锭偏析严重， 压力加工成型困难，已难以满足要求。 于20世纪60年代开始研发的新一代高温合金材料 粉末高温合金，利用粉末冶金工艺生产，以精细金属粉 末作为成形材料，采用预合金粉末、热等静压、挤压、 等温锻造、热处理等冶金方法制造成盘件。粉末高温合 金解决了传统的铸锻高温合金铸锭偏析严重、热加工性 能差、

3、成形 困难等问题，具有合金化程度高、晶粒细小 、组织均匀、屈服强度高、疲劳性能好等优点，是现代 高推重比发动机涡轮盘等关键部件的首选材料1。 二、粉末高温合金的化学成分和相组成 1、粉末高温合金中涉及的化学成分 众所周知，高温合金的化学成分是非常复杂的。除杂 质元素外，一般都含有十几种合金元素。可根据它在合金中 的基本作用归纳为六个主要方面： （1）形成面心立方元素：镍、铁、钴和锰构成高温合金 的奥氏体基体。 （2）表面稳定元素：铬、铝、钛、钽。铬和铝主要提高 合金抗氧化能力，钛和钽有利于抗热腐蚀。 （3）固溶强化元素：钨、钼、铬、铌、钽和铝，溶解于 基体强化固溶体。 （4）金属间化合物强化元

4、素：铝、钛、铌、钽、鉿和钨 形成金属间化合物Ni3Al、Ni3Nb、Ni3Ti等强化合金。 （5）碳化物、硼化物强化元素：碳、硼、铬、钨、钼、 钒、铌、钽、铪、锆和氮，主要形成初生和次生的各种类型 碳化物和硼化物强化合金。 （6）晶界和枝晶间强化元素：硼、铈、钇、锆和铪，这 些元素以间隙原子或第二相形式强化晶界。 2、粉末高温合金中的相 高温合金通常采用复杂合金化， 加入大量的镍、铬、 钨、铂、铌、钽、铝、钒及微量的碳、硼、铪、锆、铅等 元素， 通过固溶强化、时效强化和晶界强化使合金获得足 够的高温强度和其他综合性能。由于成分复杂，合金组成 相也甚多。就实用的铁基、镍基、钴基合金来说，目前常

5、见的组成相多达十余种，如碳化物 ， 金属间化合物 ，硼 化物M3B2，硫化物M2SC等相。 这些相在合金中起着不同作用, 有些是高温合金的主 要强化相如相 ，有些损害合金的强度和延性如所谓的 TCP相 等相。因此对合金组成相的分析包 括组成相的形态、分布、数量、结构、成分及其变化规律 是控制性能的重要环节。 三、Ni基粉末高温合金的组织 高温合金从基体上主要可以分为铁基、镍基和钻基高 温合金。由于镍基高温合金具有良好的综合性能，故得到 了广泛的应用。镍基粉末高温合金的组织结构主要是由面 心立方结构的奥氏体（基体）、相 （ 主要强化相）和碳 化物（MC、M6C、M23C6、M7C3）所组成。随着

6、合金的发 展， 相形成元素（Al+Ti）的含量也越来越高， 相的数 量最高增加到65%，合金强度不断提高2。 粉末高温合金的发展历程和研究现状 发展历程： 经过近40年的发展，镍基粉末高温合金目前已经历了第 一代、第二代和第三代的研制历程。 第一代粉末高温合金是在变形盘件合金或铸造叶片合金 的基础上适当降低碳含量，添加了MC型强碳化物形成元素 Nb、Hf等，以防止形成原始粉末颗粒边界PPB而发展起来的 ，第一代粉末高温合金中强化相含量高，晶粒细小，抗拉 强度高，其使用温度通常在6503。 为了提高第一代粉末高温合金的疲劳抗力和使用温度， 第二代粉末高温合金增大了第一代高温合金的晶粒度，使得 其

7、抗拉强度较低，但具有较高的蠕变强度、裂纹扩展抗力及 损伤容限。 为了获得更好的性能，第三代粉末高温合金在合金成分 上进行了优化，提高了合金化程度，并采用了合适的冶金工 艺，获得的合金组织较前两代更为理想，因此第三代粉末高 温合金具备了强度和损伤容限兼优的性能特点，而且可以在 很高的温度下使用4。 研究现状： 由于粉末高温合金的研制技术难度高、投资大、涉及 的学科领域广，目前世界上只有美国和俄罗斯研究较深入 ，技术相对成熟；而英国、法国、德国和中国也正在进行 粉末高温合部件的研究和生产。在粉末高温合金的领域， 美国和俄罗斯工艺各异，都居于世界领先地位。我国于上 世纪70年代末开展粉末高温合金研究

8、，目前研制粉末高温 合金的单位主要有钢铁研究总院、北京航空材料研究院 (621所)和北京科技大学等。 粉末高温合金的制备方法 目前粉末冶金高温合金的工艺流程大致如下: 预合金 粉末的制造压实(热压、热等静压、挤压等) 热加工 变形(模锻、轧制、等温锻等) 机加工无损检测热 处理2。这些制造工艺水平的高低决定着合金的组织和性 能，对合金的晶粒度，基体中强化相尺寸、形状、分布和 数量等有直接的影响。 制粉与成型工艺 粉末的制备是粉末高温合金生产过程中最重要的环 节，粉末的质量直接影响零件的性能，目前在实际生产中 主要采用AA 工艺、PREP(REP) 工艺和溶氢雾化( SHA) 工艺，三种制粉工艺

9、特性比较见表15。粉末形貌见图15 。俄罗斯和我国采用PREP 制粉工艺，美国等国家主要采 用AA 制粉工艺生产高温合金粉末。 表1 三种制粉工艺特性比较 生产工艺 AA PREP(REP) SHA 粉末形状 及特征 粉末主要 为球形,空 心粉较多 粉末为球形,表面光 洁,空心粉少。 粉末形状最不规则 , 呈球形和片状,表 面粗糙,有疏松。 粉末粒度 粒度分布 范围宽,平 均粒度较 细。 粒度分布范围较窄, 平均粒度较粗,一般 大于50m。 粒度分布范围宽, 平均粒度较粗。 粉末纯度 纯度较差, 有坩埚等 污染。 纯度较高,基本保持 母合金棒料的水平, 无坩埚污染。 纯度较差,有坩埚 污染。

10、氧含量氧含量较 高 氧含量较低,与母合 金棒料相当,小于70 10 - 6 。 氧含量较高 生产效率最高最低中等 图1 AA 粉末(a) 、PREP 粉末(b) 和SHA 粉末(c) 形貌 因为粉末是球形的，以及在冷态下粉末本身的硬度和 强度很高，在室温下实际上是很难压制成形的。因此采用 热成形工艺，主要有HIP、热压、热模锻、ITF 和HEX。 除此之外，粉末高温合金的固结成形工艺还有真空烧结、 压力烧结、金属注射成形(MIM)以及喷射成形(Osprey) 工 艺。 热加工及热处理工艺 粉末高温合金的锻造成型主要是与热等静压和热挤压相 结合使用的，锻造变形主要可以消除PPB(原始颗粒边界)和

11、 枝晶，还可以对夹杂起到破碎作用，由于在形变过程中晶粒 发生形变再结晶，因而锻造后台金组织的晶粒细化，一般可 达ASTM9级以上。固此锻造成型的粉末高温合金的拉伸和屈 服强度较高，疲劳性能好。 粉末高温合金的热处理工艺直接影响合金的晶粒度，基 体中相的形状、数量和尺寸及分布等。热处理工艺参数 主要包括固溶温度、保温时间、淬火介质和淬火温度及时效 制度等。其中时效制度主要是保证更多的细小相析出， 同时使碳化物的分布更加合理，组织更加稳定，从而进一步 提高性能。时效制度的两个主要参数就是时效的温度和时效 的次数。一般二次时效后，细小相含量将增加6。 对于镍基粉末高温合金的热处理工艺来说，固溶处理

12、是为了溶解基体内的碳化物、 相等，从而得到均匀的固 溶体，以便时效时均匀地析出相，另外通过固溶处理还 可以获得适宜的晶粒度，以便提高合金的强度或高温蠕变 性能等。固溶温度的高低通常是以相的溶解温度为基准 的。一般在低于相溶解温度进行固溶处理，得到细晶组 织，屈服强度和疲劳性能好；而在相溶解温度以上进行 固溶处理，得到粗晶组织，蠕变强度高和裂纹扩展速率低 。 下图是新型第三代粉末高温合金的热处理工艺曲线图。 图2 合金的热处理工艺曲线 粉末高温合金的发展前景 粉末高温合金的发展已经进行了近50年，在生产工艺 逐渐趋予成熟的条件下，今后一系列性能更为优异的合金 也将被相继开发出来，今后具体发展方向

13、可分为以下几个 方面5： (1)粉末制备 粉末的制备包括制粉和粉末处理。目前，主要制粉工艺 包括氩气雾化(AA)和等离子旋转电极法(PREP)都在积极改 进，尽量降低粉末粒度和杂质含量。沿着制造超纯净细粉 方向发展。另外，对粉末进行真空脱气和双韧化处理，提 高压实盘坯的致密度和改善材料的强度和塑性，也是一个 重要的研究内容。 (2)热处理工艺 热处理工艺是制备高性能粉末高温合金的关键技术之 一，由于在淬火过程中开裂问题经常发生，因此，如何选 择合适的淬火介质或者合理的冷却曲线降低淬裂几率是热 处理过程中的重要技术环节。如可以选择比水、油或盐浴 更佳冷却速度的喷射液体或气体快冷，以及采用两种冷却

14、 介质匹配形成高温区冷却速度慢低温区冷却速度快的冷却 曲线等，希望从根本上消除淬火开裂问题，得到低变形、 无开裂的高性能粉末高温合金。 (3)计算机模拟技术 计算机模拟技术现在逐渐成为粉末高温合金工艺中非 常重要的研究内容。目前，在欧美等国，计算机模拟技术 在粉末盘生产的全过程中都得到了应用。如利用计算机模 拟预测淬火过程的应力分布及温度场分布情况，优化设计 合金成分、热等静压包套、锻造模具等，随着粉末高温合 金技术的不断发展，计算机模拟技术的应用将会越来越广 泛。 由于粉末高温合金被首选用作高推重比航空发动机涡 轮盘材料，具有重要的战略意义，因此各国对这方面的研 究都比较重视。本国自从20世

15、纪70年代末开展了粉末高温 合金的研究以来，也取得了长足的进步。但就目前来说， 本国在涡轮盘材料和结构设计上与国外的差距依然很大。 为了满足国内发动机的迫切需求，应当在参照国外先进制 备工艺的基础上，加大对大型先进设备的引进与投入，争 取实现跨越式发展，早日实现本国高性能粉末盘的工程化 应用。 结束语 参考文献 1 邹金文, 汪武祥. 粉末高温合金研究进展与应用J. 航空 材料学报, 2007, 26(3): 244-250. 2 国为民, 冯涤, 吴剑涛等. 镍基粉末高温合金冶金工艺的 研究与发展J. 材料工程, 2002, 3: 44-48. 3 张义文, 上官永恒. 粉末高温合金的研究与

16、发展J. 粉末 冶金工业, 2004, 14(6): 30-42. 4 胡本芙, 刘国权, 贾成厂等. 新型高性能粉末高温合金的 研究与发展J. 材料工程, 2008, 2: 49-53. 5 张义文,上官永恒. 粉末冶金高温合金的研究与发展J . 粉 末冶金工业,2004 ,14 (6) :30 - 43. 6 R.J. Mitchell, M. Preuss, S.Tin, et al. The influence of cooling rate from temperatures above the solvus on morphology, mismatch and hardness in advanced polycrystalline nickel- base super