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【摘要】粉末高溫合金是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的新型高溫合金,，以金屬粉末為原材料，經(jīng)過(guò)后續(xù)熱加工處理,，得到具有較高抗拉強(qiáng)度和良好的抗疲勞性能的合金^[1],。本文首先明確了高溫合金的概念、分類(lèi)等,，之后介紹了粉末高溫合金的目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,，最后著重介紹了目前常見(jiàn)的粉末高溫合金的制備技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】粉末高溫合金,；高溫合金,；氣霧化法制粉； PREP法,；熱處理,。

1前言

渦輪盤(pán)被譽(yù)為“航空發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟部件”，主要采用高溫合金制造,。高溫合金可以在高溫的工況下承受復(fù)雜的機(jī)械應(yīng)力,，且可在嚴(yán)苛的工作環(huán)境下仍具備耐蝕、耐磨,、抗蠕變性和抗疲勞等優(yōu)良性能。因此,，高溫合金成為航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵材料,。

高溫合金是指以鎳、鐵和鈷為基體,，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作,，能承受較大復(fù)雜應(yīng)力、并具有表面穩(wěn)定性的一類(lèi)金屬材料,。根據(jù)材料成形方法,，高溫合金可以分類(lèi)為鑄造高溫合金、變形高溫合金和新型高溫合金^[2],。粉末高溫合金作為新型高溫合金的一種,，較傳統(tǒng)的鑄造變形高溫合金，具備成分均勻,、晶粒細(xì)小,、屈服強(qiáng)度高、抗疲勞性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的新型高溫合金首選材料^[7],。

2粉末高溫合金概念

粉末高溫合金（Powder Metallurgy Superalloy）是指采用粉末冶金工藝生產(chǎn)的高合金化程度的高溫合金材料^[8],。通常是以鎳為基體，添加有Co,、Cr,、W、Mo,、Al,、Ti、Nb,、Ta等多種合金元素的一類(lèi)具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度,、抗疲勞和抗熱腐蝕等綜合性能的合金，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸,、渦輪盤(pán)擋板,、渦輪盤(pán)等關(guān)鍵熱端部件的首選材料^[9]。

3粉末高溫合金發(fā)展現(xiàn)狀

目前世界上只有美國(guó),、俄羅斯,、英國(guó)、法國(guó),、中國(guó)等少數(shù)國(guó)家具備粉末高溫合金研發(fā),、生產(chǎn)能力，其中美國(guó)和俄羅斯是粉末高溫合金研制和工程化應(yīng)用最成功的國(guó)家,，所生產(chǎn)的粉末高溫合金制品被用于多個(gè)型號(hào)的航空發(fā)動(dòng)機(jī),。^[8]

在粉末高溫合金領(lǐng)域，歐美等國(guó)已經(jīng)研制出了第四代粉末高溫合金,。第一代為650℃高強(qiáng)型粉末高溫合金,，如René95、IN100等,；第二代為750℃損傷容限型粉末高溫合金,，如René88DT、N18等,；第三代為高強(qiáng)損傷容限型粉末高溫合金,，如René104/ME3、Alloy10,、LSHR和RR1000等,；第四代粉末高溫合金是在第三代的基礎(chǔ)上，通過(guò)成分調(diào)整和工藝優(yōu)化來(lái)獲得更高的工作溫度,，使其具有高強(qiáng)度,、高損傷容限和高工作溫度的特點(diǎn),。^[6]

俄羅斯幾乎和美國(guó)同時(shí)開(kāi)展粉末高溫合金的研究，與美國(guó)相比,，俄羅斯粉末高溫合金牌號(hào)較少,，目前廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的只有ЭΠ741HΠ，該合金具有優(yōu)異的綜合高溫性能,，使用溫度為650～750℃,。2004年后俄羅斯新研制了BBП系列粉末高溫合金，與ЭΠ741HΠ合金相比,，BBП系列合金的室溫強(qiáng)度,、持久強(qiáng)度、低周疲勞性能更高,，目前尚未獲得規(guī)�,；瘧�(yīng)用^[8]。

中國(guó)粉末高溫合金的研究起步相對(duì)較晚,，開(kāi)始于20世紀(jì)70年代后期,。目前，我國(guó)已成功研制出第一代高強(qiáng)型和第二代損傷容限型粉末高溫合金,，正在研制高強(qiáng)損傷容限型第三代粉末高溫合金,，并對(duì)高工作溫度、高強(qiáng)度和高損傷容限的新型第四代粉末高溫合金開(kāi)展了補(bǔ)充探索研究,。[1,，2，6]

4粉末高溫合金制備技術(shù)

粉末高溫合金的制備主要涉及到粉末的制備,、粉末熱固結(jié)成形,、熱處理等工藝過(guò)程，如圖1所示,。主要采用的加工路線(xiàn)有3種：①制粉+熱固結(jié)成型+熱處理,；②制粉+熱固結(jié)成型+熱鍛造+熱處理；③制粉+熱固結(jié)成型+熱擠壓+熱鍛造+熱處理,。^[9]

圖1 粉末高溫合金三條主要制備路線(xiàn)圖

4.1粉末制備

粉末制備是粉末高溫合金生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié)。目前高溫合金粉末制備主要有Ar氣霧化法制粉(AA粉)和等離子旋轉(zhuǎn)電極法制粉(PREP粉)2種方法,。

（1）氣霧化法制粉^[6]

氣霧化制粉屬于物理外混合式二流破碎制粉方法,，具有時(shí)間短、溫度梯度高,、合金狀態(tài)變化復(fù)雜的特點(diǎn),，是一種復(fù)雜的物理冶金過(guò)程。真空感應(yīng)熔煉氣霧化(VIGA)制粉設(shè)備示意圖如圖2所示,，主要分為真空系統(tǒng),、感應(yīng)熔煉系統(tǒng)、氣源、霧化系統(tǒng)以及粉末收集系統(tǒng),，相應(yīng)的制粉過(guò)程分為熔煉,、霧化、液滴凝固與粉末收集4個(gè)過(guò)程,。

圖2 真空感應(yīng)熔煉氣霧化制粉設(shè)備示意圖

Ar氣霧化制粉的優(yōu)勢(shì)在于可以制備比較細(xì)小的球形高溫合金粉末,，通過(guò)篩分去除較大的夾雜顆粒，從而降低夾雜的有害影響,。未來(lái)高溫合金Ar氣霧化制粉技術(shù)將繼續(xù)朝著高純,、細(xì)化、窄粒度,、少夾雜,、高球形度以及高效率和低成本的方向發(fā)展。

（2）等離子旋轉(zhuǎn)電極法制粉^[7]

等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PREP）是通過(guò)等離子弧熔化高速旋轉(zhuǎn)的母合金棒料端部,，在離心力作用下合金液滴飛射,，并在惰性氣體介質(zhì)中以約104℃/s的速度，靠表面張力的作用凝固成球形的顆粒,。PREP制粉工藝如圖3所示,。粉末具備球形度好、表面光亮,、潔凈,，物理工藝性能好的特性。

圖3 PREP工藝制粉示意圖

歐美等先進(jìn)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家采用Ar氣霧化法制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)用粉末高溫合金,，AA粉粒度較細(xì),，制坯后組織均勻性好，夾雜物尺寸小,。俄羅斯粉采用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)用粉末高溫合金^[6],，PREP粉末粒度較大、分布范圍較窄,，由于制備過(guò)程不使用坩堝,，因此粉末潔凈度較高，非金屬夾雜數(shù)量較少,，氧含量較低,，并且粉末球形度高，流動(dòng)性好,。在我國(guó)兩種工藝都得到實(shí)際應(yīng)用,。^[8]

4.2高溫合金粉末固結(jié)成型工藝

由于高溫合金中往往含有Cr、Ti,、Al等難燒結(jié)元素,，高溫合金燒結(jié)通常要在高溫高壓環(huán)境中真空封裝后才能進(jìn)行,。目前采用的高溫合金粉末固結(jié)工藝有：真空熱壓成形、熱等靜壓成形,、熱擠壓,、等溫鍛造等。其中,，熱等靜壓和熱擠壓工藝使用最為廣泛,。^[9]

（1）熱等靜壓技術(shù)

熱等靜壓處理的基本原理是以氣體或液體作為壓力介質(zhì)，使材料在加熱過(guò)程中經(jīng)受各向均衡的壓力,，借助于高溫與高壓的共同作用促進(jìn)材料致密化和元素?cái)U(kuò)散[4],。熱等靜壓過(guò)程使內(nèi)部的孔隙和微裂紋等缺陷閉合，起到提高鑄件整體力學(xué)性能的目的^[10],。

圖4 熱等靜壓成型工藝

（2）熱擠壓技術(shù)^[12]

熱擠壓是指將坯料加熱至再結(jié)晶溫度以上,，使其在強(qiáng)烈的擠壓力作用下，從擠壓�,？谥辛鞒龌蛄魅爰�(xì)小的模腔中,，最終獲得所需加工件的壓力加工方法。通常熱擠壓的工藝為：首先將坯料加熱到需要的溫度,，若坯料表面有氧化皮產(chǎn)生,，則應(yīng)立即將其去除，之后立即將坯料裝填入型腔內(nèi)進(jìn)行擠壓,，經(jīng)過(guò)單道次擠壓即可得到所需工件,。其工藝流程如圖5所示。

圖5 熱擠壓工藝流程圖

相對(duì)于其他壓力加工方法,，用熱擠壓方法加工的擠壓件,，機(jī)械加工余量很小，表面精度較高,。熱擠壓工藝加工的零件具有明顯強(qiáng)于其他加工工藝的機(jī)械性能,。但熱擠壓的工作環(huán)境以及變形方式也有自身的局限性，主要表現(xiàn)在擠壓件表面氧化嚴(yán)重,，質(zhì)量差,；生產(chǎn)條件惡劣，對(duì)模具要求苛刻,，模具使用壽命較低,。

4.3熱處理工藝^[11]

高溫合金熱處理工藝是指高溫合金材料在固態(tài)下，通過(guò)加熱,、保溫和冷卻的方式，以獲得預(yù)期組織和性能的一種金屬熱加工工藝,，是改變合金顯微組織,、挖掘合金潛力,、改善其綜合性能的關(guān)鍵手段之一,。近年來(lái)研究較為深入的熱處理工藝主要是固溶處理和時(shí)效處理,。

固溶處理是指在高于高溫合金組織內(nèi)析出相的全溶溫度，使合金中各種分布不均勻的析出相充分溶解至基體相中,，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化固溶體并提高韌性及抗蝕性能,，消除殘余應(yīng)力的作用,，以便繼續(xù)加工成型，并為后續(xù)時(shí)效處理析出均勻分布的強(qiáng)化相做準(zhǔn)備,。

時(shí)效熱處理是指在強(qiáng)化相析出的溫度區(qū)間內(nèi)加熱并保溫一定時(shí)間,，使高溫合金的強(qiáng)化相均勻地沉淀析出，碳化物等均勻分布,，從而實(shí)現(xiàn)硬化合金和提高其強(qiáng)度的作用,。

5結(jié)論

粉末高溫合金優(yōu)良的綜合性能決定了其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主動(dòng)力裝置、飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置(APU),、增材制造高性能技術(shù)構(gòu)件上均有一定的應(yīng)用^[6],。我國(guó)在粉末高溫合金領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)步，部分粉末高溫合金制件已獲得應(yīng)用,，但是與美歐,、俄羅斯等航空強(qiáng)國(guó)相比，差距仍然巨大,。隨著我國(guó)航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展,，國(guó)內(nèi)的粉末高溫合金將迎來(lái)一個(gè)大發(fā)展的時(shí)代。

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（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）

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