由於高溫合金具有合金化程度高的特點，鑄錠偏析問題十（shí）分突出，熱加工性能差，采用（yòng）傳統的鑄鍛工藝很難成型。而粉末高溫合金利用粉末冶金方法製備高溫合金，具有成分均勻，無宏觀偏析，製件性能穩定，熱加工（gōng）變形性能較（jiào）好等優點。因此，粉末高溫（wēn）合金在各個領域都具有（yǒu）廣闊的發展前景[1]。

 

上世紀60年代初（chū），隨著快速凝固氣（qì）霧化粉末製備技術的興起，1965年發展了高純預合金（jīn）粉末製備技術[2]。美國P＆WA(Pratt＆WhitneyAircraft)公司首先將Astroloy合金製成預合金粉（fěn）末，成功地鍛造出力（lì）學性能相當或略高於鑄鍛高（gāo）溫合金Waspaloy的盤件，開創了粉末高溫合金盤件用於航空發動機（jī）的先河。P＆WA公司於1972年（nián）將IN100粉（fěn）末高溫合（hé）金製備的壓氣機盤和渦輪盤（pán）等11個部（bù）件用於（yú）F100發動機，裝配在F15和F16飛機上，從此粉末高溫合金進入了實際應用階段。

 

 

圖1 F15的動力係統——普（pǔ）拉特（tè）•惠特尼F100發動機

 

為滿足新一代航空發動機的需求,相繼出現了由（yóu）美國（guó）國家航空航天局(NASA)、普惠、通（tōng）用公司合作（zuò）開發（fā）的Rene104高溫合（hé）金、Honeywell公司開發出來的Alloy10高溫合金以及（jí）由NASA幵發的LSHR高溫合（hé）金等眾（zhòng）多具有優良綜（zōng）合（hé）性能的粉末鎳（niè）基（jī）高溫合金（jīn）。Rene104合金與美國（guó）其他粉末冶（yě）金高溫合金（jīn）的（de）製備工藝類似,釆用氬氣霧化（huà）工藝製（zhì）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,再通過超塑性等溫鍛（duàn）造工藝獲得零部件毛坯,經過熱處理和機加（jiā）工獲得最終的零部件。

 

美國鎳基粉末高溫合金生產工（gōng）藝的特點主（zhǔ）要在於（yú）其特殊的合金粉末製（zhì）備方法，即氬氣霧化法，以及隨後進行的“熱擠壓+等（děng）溫鍛造”工藝成型，該（gāi）工藝製備的零部件組（zǔ）織（zhī）均勻，無（wú）宏觀偏析，熱加工性能好（hǎo）。

 

俄羅斯幾乎與美國在同一個時期開始該（gāi）合金的研製工作，在這一領域進行了開拓（tuò）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（bèi）技術，並取（qǔ）得了重要成果。

 

蘇聯的全俄輕合金研究院在20世紀80年代成立了粉末高溫合金（jīn）研發實驗（yàn）室，開始研製鎳基粉末高溫合金。從此，蘇聯在粉末高溫合（hé）金領域占據了一席（xí）之地。蘇聯製（zhì）備粉末高溫合金（jīn）的主要工藝與美國大不相同：高溫合金電極棒的製備一（yī）等離（lí）子旋轉電極霧化製粉一粉（fěn）末預處理一包（bāo）套封焊及除氣一熱等靜壓成型一熱處理一機加工一（yī）成品。

 

圖2 RB199型3軸渦輪風扇發動機

 

英、法等國在（zài）鎳基粉（fěn）末高溫合（hé）金（jīn）研製領域也同樣展（zhǎn）開了研究工作[3]。英國威（wēi）合金公司(WigginAlloys)在1975年裝備了一條年產1000t粉末高溫合金的生產線,同時配備了熱等靜壓機及等溫鍛造機（jī）。英國羅羅公司(Rolls-Royce)和威合金公司合作,成功（gōng）研製（zhì）出AP-1鎳基粉末高溫合金,並應用在RB211發動機上,隨後德國默透公司將該合金用於RB199發動機上。法（fǎ）國通過（guò）調整Astroloy合金的成分,進（jìn）一步將低碳含量,研製出N18鎳基粉末高溫合金,並用於M88發動（dòng）機（jī）上。隨後,法國又陸續開發了N19、NR3、NR6等粉末高溫合金。

 

表1粉末高溫合金型號、生產（chǎn）工藝及應（yīng）用[4]

 

注：HIP—HotIsostaticPressing：熱等靜（jìng）壓工藝；

HIF—HotIsostaticForging：等溫鍛造工藝；

HEX—HotExtrusion：熱擠壓工（gōng）藝；

 

目前我（wǒ）國已經形成了等離子旋轉電極霧（wù）化製粉（fěn）+熱等靜壓（yā）成型+包套鍛造（zào）+熱處理”的鎳基粉（fěn）末高溫合金製備工藝路線（xiàn）。

 

美（měi）國（guó）粉末（mò）高溫合金組織均勻（yún）、性能穩定，其工藝的主要特點（diǎn）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（chuàng）了粉末高溫（wēn）合金製備工藝的（de）又一領域（yù），其粉末高（gāo）溫合金的生產工藝是：合金熔煉及加工電極+等離子旋轉（zhuǎn）電極製備合金粉末+粉末處理+包套製作及封焊+熱等靜壓成型+熱處理+機加工[4]。

 

我國粉末高溫合金的製備工（gōng）藝在借鑒俄羅斯的基礎上，進行（háng）了適合我國國情的調整。生產粉（fěn）末高溫（wēn）合金的一般工藝流程如下：

圖（tú）3  粉末高溫（wēn）合（hé）金製備的工藝流（liú）程

 

1、粉末製備工藝

 

目前為止,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。經過幾十年的發展,該方法仍然是製備合金粉末（mò）的重（chóng）要方法。

 

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

 

圖4 霧化製粉方法示意圖(a)氬氣霧化法；(b)等離子旋轉電極霧化法[6]

 

氬氣霧化法是用氬氣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（wù）化係統含有一（yī）套很長的冷卻塔,冷卻塔的頂部（bù）安裝了噴嘴,可以噴出高壓的氬氣,使熔化的金屬（shǔ）被迅（xùn）速分散成液滴。霧化過程中氬氣的熱擴散可（kě）能會導致氣壓差,使（shǐ）噴嘴處氬氣停流,為了避免這種情況出現,多餘的氬氣將在冷卻塔重新冷卻、回流到熔化室。這使得將大體積鑄錠霧化成粉得以實現。在實際霧化過程中,熔化（huà）室和冷卻塔之間會保持（chí）約0.2atm的壓差。凝固的金屬顆粒在霧化係統底部的冷卻區域進一步（bù）被冷卻,並被輸送到一係列的手套箱中（zhōng）進行粒度篩分。

 

等（děng）離子旋轉電極霧化（huà）製粉法不僅可以霧（wù）化低熔點的金屬（shǔ）和合金,還可以製（zhì）取難熔金屬粉末。如圖4(b),將要霧化的金屬（shǔ）或合金製備成直徑50mm圓棒狀旋（xuán）轉自（zì）耗電極,固定在送料器上,通過真空泵（bèng）將粉末收集室先抽成真空,然（rán）後充入氬（yà）氣,使粉（fěn）末收集室內保持氬氣（qì）微正壓,通過固定的鎢電極產生電弧使金屬或合（hé）金熔化。當自耗電極快速旋轉時,離（lí）心力使熔化的金屬或合金液滴飛（fēi）出,熔滴在尚（shàng）未碰到收集室（shì）器壁以前,就凝固於惰性氣體氣氛之中。旋轉電極（jí）轉速在10000-20000r/min之（zhī）間,生產的粉末粒度較大。由於等離子旋（xuán）轉電極霧化法不受熔（róng）化坩堝的汙染,生產的粉末十分（fèn）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（chǎn）中，美國和西方國家主要使用AA法，俄羅斯（sī）使用PREP法，我國使用PREP法和AA法。2種製粉方（fāng）法特性（xìng）比較[7]見表2。

 

表2  兩種製粉方（fāng）法特性比較

 

 

2、粉末固結(consolidation)工（gōng）藝

 

由於高溫合（hé）金粉末往往（wǎng）含（hán）有Cr，Ti，Al等難燒結（jié）元素，同時這些（xiē）元素在燒結（jié）溫度下容易氧（yǎng）化，這造成了高溫合金粉末不能采用通常的直接（jiē）燒結工藝（yì）來成形（xíng）。對於粉（fěn）末高溫合（hé）金來說，往往要求在高溫高壓的環境（jìng）下成形。目前常用的有（yǒu）真空熱壓成形(VacuumHotPressing)、熱等靜壓成形(HotIsostaticPressing)、電火花燒結（jié）(SparkSintering)、擠壓(Extrusion)、鍛造(Forging)等成形方法。在上述粉末固結工藝中，粉（fěn）末渦輪盤用得最多的是熱等靜壓成形和熱擠壓。表3為高溫合（hé）金粉末不同固（gù）結工（gōng）藝的特點對比[8]。

 

表3  不同高溫合金粉末固結工藝的特點

 

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

 

英美等發達國（guó）家也有采用熱等靜壓（yā）+等溫鍛造的工藝使粉末高溫合金成型。該方（fāng）法由通用公司（sī）首先采用，等溫鍛造是鍛（duàn）造的一種形式，將合金粉末在真空（kōng）下裝入包套並熱等靜壓成型，隨（suí）後將（jiāng）成型之（zhī）後的包套放在模具中，以（yǐ）較慢（màn）變形速率進（jìn）行熱（rè）變形。其特點是晶粒細小，組織均勻，精度高，節省（shěng）材（cái）料，降低機加工成本。同時，等（děng）溫鍛造也（yě）存在一些缺點，比如，模具材料及其加工成（chéng）本（běn）高，生產效率較低，鍛造條件要求較（jiào）高，引（yǐn）起（qǐ）高成本等。

 

我（wǒ）國目（mù）前尚沒有大型(35000)立式擠壓（yā）機，不能采用熱（rè）擠壓+等溫鍛造的（de）工藝。北京航空材料研究（jiū）院和（hé）北京鋼鐵研究總院等單位均配備了大型熱等靜壓機，但等溫鍛（duàn）造設備及模具等關鍵問題尚不能完全解（jiě）決。目前，我國（guó）在製備鎳基粉末高溫（wēn）合金（jīn）方麵多釆用直接（jiē）熱等靜壓成型或熱等靜壓+包套鍛造工藝，同時也在發展等溫鍛造。

 

對於熱等靜壓工藝，一般工藝流程是將處（chù）理後的高溫合金粉末裝入碳鋼（gāng）或不鏽鋼包套（tào）中，並抽成真空，在常溫或一定溫度下使粉末繼續除氣，然後封焊。將封好的包套置入熱等靜壓爐中，升溫至一定溫度保溫，以一（yī）定的（de）氬氣保持（chí）壓力。

 

從而使粉末達到致密的狀態，並具備所需要的力學性能。直接熱等（děng）靜壓（yā）成型的工藝取得成功，降低成本左右。發動機上（shàng）使（shǐ）用的零件，至今仍采用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（rè）擠壓是主要的密實（shí）工藝（yì）。這兩種工藝都（dōu）是在一定的（de）溫度（dù）和壓（yā）力下的粉末熱塑性變形（xíng）和再結晶過程，但（dàn）是熱擠壓工藝的粉末變形量和變形速（sù）率更大。

 

3、盤件成形工（gōng）藝

 

盤（pán）件成形工藝（yì）[9]主要有直接熱等靜壓成形和鍛（duàn）造成形（xíng），對於直接熱等靜壓成形生產的粉末盤件，粉末固結和（hé）盤件成形是在同一HIP工序中完成的。俄羅斯粉末高（gāo）溫合金的（de）主導成形工藝是（shì）直接熱等靜壓(As-HIP)成形，在熱等（děng）靜壓過程中（zhōng）材料收縮和應力（lì）狀態的研究及包套的計（jì）算機模擬輔助設計等方麵都居世界前列，經過四（sì）十餘年的發展，HIP成形工藝日趨完善。與俄（é）羅斯相比，美國粉末盤件的成形（xíng）工藝種類更為豐富，包括As-HIP成形、熱模鍛、ITF(等溫鍛)等工藝。我國的粉末高溫（wēn）合金盤件采用直接熱等（děng）靜壓成形和鍛造成形2種工藝製備[10]。FGH97粉末盤件的製備工藝流（liú）程與俄羅斯EP741NP合金完全相同，采用直接熱等靜壓工藝（yì）成形。