高性能粉末冶金材料

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1、3.高性能粉末冶金材料,3.0 概述 孔隙、成分、组织偏析 定义：采用传统的或特殊的粉末冶金方法所制备的性能更高的粉末冶金材料。 高性能(High Performance)： 物理性能：光、电、磁、热、辐射 等 化学性能：耐腐蚀性等 力学性能：强度、韧性 等,使用粉末冶金材料的理由,结构材料：主要考虑其力学性能 功能材料：力学性能以外的性能 减少偏析 成分偏析：材料不同的部位元素的比例不同 组织偏析：材料不同的部位微观结构不同 细化晶粒 直接成形，减少机加工,达成手段,有效地消除残留在材料内的一切形式的孔隙。 全致密化（Full Density Technology ） （结构材料：力学性能）

2、 热压 热等静压 热锻 热挤压 粉末轧制,粉末高温合金 粉末高速钢 粉末不锈钢 粉末钛合金,达成手段,提高密度、调整最佳组织 （功能材料：物理性能） 以磁性材料为例 粉末颗粒的大小（与一个磁畴相当） 颗粒的形状，容易取向 成分的调整,全致密化技术,全致密化技术(Full Density Technique)：热压、热等静压、热挤压、粉末热煅 近终成形(Near Net Shape Process): 优点：材料与能量的合理利用 成分设计的灵活性 微观组织的完整性,3.1粉末高温合金 3.1.1总论 定义：以Fe、Co、Ni为基的具有高的室温和高温强度的合金 粉末冶金、高强度、组织均匀、韧性、

3、MA、沉淀强化、弥散强化 3.1.2粉末制备与特性 雾化法、理由、偏析 3.1.2.1 惰性气体雾化 3.1.2.2真空,高温合金,以Fe、Co、Ni为基的具有高的室温与高温强度的合金。Super alloy （超合金，高温合金） 高温合金。铁基、镍基和钴基高温合金的总称。在高温时有很高的持久、蠕变和疲劳强度，其使用温度可达1100左右。其典型组织为：奥氏体基体和弥散分布于其中的强化相，它可以是碳化物相、金属间化合物相或稳定化合物质点。根据合金成分和使用上的需求，可选择电弧炉、感应炉、真空感应炉进行一次熔炼或用真空白耗炉或电渣炉对母合金进行重熔，还有用电子束或低压等离子体作为高热能源进行熔炼的

4、工艺。在铸造工艺上，除常规的精密铸造外，定向结晶和单晶技术已得到广泛应用，快速凝固粉末冶金和机械合金化工艺也是两种制备方法。高温合金广泛应用于航空、航天、舰船、机车、发电以及石油化工等工业中。,典型的高温合金简介,以Ni基高温合金为例 强化机理： 金属间化合物 Ni3Al的强度随温度的升高而增大 合金元素的添加 Ti、Cr、Co、Mn、W、V、Ta等 弥散强化 氧化物质点等,高温合金的制造方法与最高使用温度,3.1.2.3 离心雾化 1.旋转电极 纯度高、分布窄 2.电子束旋转 3.1.2.4 快速凝固 1.成分偏析、枝晶（一次枝晶、二次枝晶） 2.快速凝固技术 制粉方法： 强制对流冷却离心雾

5、化：熔化 甩出 喷气冷却 连续抽丝机械粉碎 超声雾化 无偏析、颗粒细,3.1.3 固结与成形 预合金粉、成形性差、模压 3.1.3.1 HIP及类似工艺 陶瓷模（多孔）、大气压固结（细粉、强化剂、真空）、流动模 3.1.3.2 热压 3.1.3.3 热锻 3.1.3.4 喷雾锻造 3.1.4 沉淀强化高温合金 通过基体中析出和在晶界析出碳化物的高温合金,3.1.5 氧化物弥散强化型高温合金 由热稳定性好的超细氧化物质量均匀、弥散在不同高温合金基体中起补充强化作用的合金。 性能 工艺 原料：MA、变形、断裂、耐蚀、方式 固结、热机械加工、包套、加热、挤压加工,粉末高温合金,熔融铸造方法的问题 合

6、金元素的偏析（各组元的凝固特性不同） 强化颗粒的偏析（密度的差异、与基体的润湿性） 粉末冶金的工艺 粉末制造 配比混合 成形 烧结,粉末高温合金的制备工艺,粉末高温合金的制备工艺把包括母合金感应熔炼，制粉（氩气雾化、旋转电机雾化等），粉末预处理，粉末装套及封焊，热等静压、热处理等。其中，制粉和热处理是粉末盘制备的关键环节，高纯净度和粒度合适的优质粉末是制备高性能粉末盘的前提，而通过恰当的热处理得到理想的显微组织才能保证合金具有优异的力学性能。,喷射成形,自20世纪80年代初出现的喷射成形(Spray Forming)工艺，近年来也得到了长足进步。,该工艺最大特点是直接将液态金属制取整体致密、组

7、织细化、成分均匀和结构完整并接近零件实际形状的坯件，工序简单、成本较低，相当或高于粉末冶金工艺的强度与持久寿命等。,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AA法和PREP法都在积极改进工艺，尽量降低粉末粒度和杂质含量，沿着制造无陶瓷、超纯净细粉方向发展(-325目，45 m)。 目前，无陶瓷熔炼技术如等离子体冷壁坩埚熔炼，细粉制造技术如快速凝固旋转技术气体雾化和超声气体雾化等都得到发展。另外，对粉末进行真空脱气和双韧化处理(颗粒界面韧化+热处理强韧化)，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。,粉末高温合金的新发展,旋转电极雾化制粉 热等静压,热

8、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以及先进的冷却技术是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，还有可以采用二级盐浴冷却等，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。,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

9、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更为广泛。,双性能粉末盘,双性能粉末盘的特点是盘件不同部位具有不同的晶粒组织，可以满足涡轮盘实际工况需要，代表今后涡轮盘制造的发展方向。因此，制备双性能涡轮盘对研制高推重比先进航空发动机非常重要。然而双性能盘的制备技术复杂，工艺难以掌握，所以，如何完善双性能粉末盘的制备工艺以及降低生产成本都将是今后各国研究的重点。,3.2粉末钛合金 比强度、中温强度、耐蚀、资源丰富 冶炼、加工、制造费用高、活性高（Al） 3.2.1合金体系 hcp bcc 882.5 元素 稳

10、定 Al、O、N、C 稳定 Mo、V、Nb 中 稳定 Sn、Ge、Ca,3.2.2粉末制备 金属热还原（Mg、Na） 熔盐电解 海绵钛 破碎 氢化-脆氢 离心雾化 粉末 热还原：TiO2 + 2Cl2 TiCl4 + 2CO TiCl4 + 2Mg Ti + 2MgCl2 氢化： 吸氢变脆（100ppm） 破碎 脆氢,3.2.3 致密化工艺 3.2.3.1 混合粉法 混料冷压成形真空烧结二次加工 成分灵活、综合效果好、节约成本、动态性能 3.2.3.2 热等静压(HIP) 准等静压 真空热压,3.2.4 性能与应用 孔隙度 预合金粉末略高 应用、耐蚀、高强度、比强度 过滤皿、飞机件 3.3 粉

11、末高速工具钢 含有较多的W、MoCr、Mn、V、Co等合金元素，不仅在室温下有高的硬度、强度、耐蚀性和一定的韧性，而且在热处理后能在600保持HRC60 以上的硬度。,混合元素法,将原料钛粉和母合金粉或其他需要添加的元素粉混合后进行模压或冷等静压成形，在真空中烧结。混合元素法制备钛合金时，经415MPa冷压，致密度能够达到85%90%，再经真空烧结，致密度能够达到95%99%，控制粉末粒度能够生产出99%致密的制件。对于粉末冶金钛合金来说，只有彻底清除其中的孔隙，才能够使合金在以疲劳特性为构建性能的领域得到应用。混合元素法生产的零件成本低，但致密度也低。因此，高致密度、高性能的航空产品通常采用

12、预合金法制备。,预合金法,将预合金化的粉末采用陶瓷或金属包套封装后热等静压成形。预合金法主要用来制备全致密化、高性能的航空产品。对于全致密部件，即使是少量的污染也会使疲劳性能大幅度下降，可以用真空雾化或等离子体旋转电极工艺来制造纯净的钛粉。对于预合金法，热等静压是最基本的成形方法，但是真空热压、挤压和快速全方位压制也已被成功利用。,粉末冶金钛合金的新型制造技术 （1）新型制粉技术,雾化制粉技术制备钛粉是将钛或钛合金的液滴通过急剧冷却，形成非晶、准晶、微晶钛粉末。雾化技术对钛粉的应用，无论是对粉末冶金钛合金成分设计还是对合金的显微组织及性能，都产生了深刻的影响。雾化技术主要有二流雾化和离心雾化两

13、类。超声雾化是气体雾化技术中较为先进的一种，用高达2.5马赫的高速高频脉冲气流作为介质，具有很高的雾化效率。离心雾化技术的特点是避免了坩埚与中间包等材料的污染，是目前制备高纯、无污染球形粉末的理想技术，但是生产能力较低，成本较高。,（2）新型钛合金成形技术,钛粉激光成形技术是在惰性气体中采用大功率激光将钛粉或钛合金粉沉积载基体上预成形，制出的部件在数控设备由计算机辅助设计软件控制加工。该技术对制备小批量零件比较经济，与传统的铸造加工相比，该工艺可减少80%的废料，可以降低成本、缩短生产时间。 快速全向压制技术是将预合金粉末压制成致密零件的工艺。快速是指在全负荷下保证雅致的保压时间一般不超过5分

14、钟，全向是指在全负荷下施加于粉末的应力状态近于等静压。 粉末热锻或热轧工艺能够制取相对密度大于98%的材料，克服了一般粉末冶金零件密度低的缺点，且性能优异、材料利用率高。,粉末冶金钛合金的应用,混合元素法钛合金产品主要应用是电化学和其他的耐蚀应用的工业纯钛过滤器、化学加工工业的纯钛零件、Ti-6Al-4V零件、叶轮或旋转装置等形状复杂的零件。 预合金化法在宇航工业应用广泛，例如F-100发动机的连杆臂、F-14飞机身壳体的支撑装置、F-18飞机发动机安装座支撑配件、F-107飞机发动机的径流压气机叶轮等。,粉末冶金钛合金的发展,混合元素法与预合金化法都能够成功地制备钛合金，但成本仍然是推广应用

15、的关键。 与常规钛合金相比，有序的钛铝金属间化合物更难以热加工与机械加工。 钛合金的机械合金化研究仍处于初期阶段，但却展示了最佳作为高温应用的弥散向体积分数的潜力。 颗粒增强钛基复合材料正在设计、基体和颗粒的成分及可生产性3个方向发展。,3.3.1高速钢 牌号 合金元素的作用 W：碳化物形成元素，提高红硬性 Mo：可代替W，热淬性好 Cr：提高淬透性V提高红硬性 Co：使碳化物形成元素进入奥氏体区 C：提高硬度、淬透性,粉末冶金高速钢优异的性能,无偏析、晶粒细小、碳化物细小； 热加工性能好； 可切削性能好； 热处理变形小； 高温硬度、韧性等力学性能好； 扩大高速钢合金含量，开发新的超硬高速钢；

16、 扩大使用领域。,3.3.2粉末高速钢及制造工艺 特点：消除宏观成分与组织的不均匀 碳化物颗粒大大减小 减小奥氏体长大的倾向 热塑性性好，加工性改善 被磨削性提高23倍 加热时间缩短，淬硬性和回火硬度提高 提高b 、H0、KIC 热处理变形小，仅为十分之一 切削性能、刀具寿命提高24倍 成本越提高50% 铣刀、钻头、绞刀、扩孔刀、罗纹锥,工艺 ASP工艺：气雾化预制合金粉、CIP成形 HIP CPM工艺：气雾化预制合金粉、包套HIP 高温烧结工艺：预合金粉CIP模压烧结 3.3.3 粉末高速钢的热处理指标,高速钢粉末,高速钢粉末是将原料感应熔化，采用气雾化或水雾化工艺制备的。气雾化不锈钢粉末的松装密度高、颗粒呈球形、含氧量低；水雾化不锈钢粉末呈不规则形状，适合于常规模压与烧结。,ASP工艺,将合金熔体在惰性气体中雾化成粉末，将制得的球形粉末装于薄板制的圆形包套中，尽量使粉末颗