粉末高（gāo）溫合金是製造高性能航（háng）空發動機渦輪盤等轉動部件的關鍵（jiàn）材（cái）料。針對（duì）國外粉（fěn）末高溫合金的研究曆史和現狀，結合粉末高溫合金的製備（bèi）工藝流（liú）程,重點對比分析了國內（nèi）外不同粉（fěn）末（mò）製（zhì）備工藝、粉末固結工藝、盤件成形工（gōng）藝（yì）的特點。

 

由於高溫合金具有合金化程度高的（de）特點，鑄錠偏析問題十分突出，熱加工性能差，采用傳統的鑄鍛工藝很難（nán）成型。而粉（fěn）末高溫合金利用粉末（mò）冶金方法製（zhì）備高（gāo）溫合金，具（jù）有成（chéng）分均勻，無宏觀偏析，製（zhì）件性能穩定，熱加工變形（xíng）性能較好等優點。因此，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，隨著快速凝固氣霧化粉（fěn）末製備（bèi）技術（shù）的興起，1965年發展了高純預合金粉末製備技術[2]。美國P＆WA(Pratt＆WhitneyAircraft)公司（sī）首先將Astroloy合金（jīn）製成預合（hé）金粉末，成功地鍛造出力學性能相當或略高（gāo）於鑄鍛高溫合金Waspaloy的（de）盤件，開創（chuàng）了粉末高溫合金盤件用（yòng）於航空發動機的先河。P＆WA公司於1972年將IN100粉末高溫（wēn）合金製備的壓氣機盤和渦輪盤等11個部件用於（yú）F100發動（dòng）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（jiē）段（duàn）。

 

 

 

為滿足新一代航空發動機的需求,相繼出現了由美國國家航空航天（tiān）局(NASA)、普惠、通用公司合作開發的Rene104高溫合金、Honeywell公司開發出來的Alloy10高溫合金（jīn）以及由NASA幵發的LSHR高溫（wēn）合金等眾多具有優良綜合（hé）性能（néng）的粉末鎳基高溫合（hé）金。Rene104合金（jīn）與美國其他粉末冶（yě）金高溫合金的製備工藝類似,釆用氬氣霧化工藝製備合金粉（fěn）末,之後壓實成形,通過熱擠壓（yā）獲得完全再結晶組織的棒（bàng）料,再通過超塑性等溫鍛造工藝獲（huò）得（dé）零部件毛坯,經過熱處（chù）理和機加工獲得最終的（de）零部件（jiàn）。

 

美國鎳基粉末高溫合金生產工（gōng）藝的特點主要在於其特殊的合金粉（fěn）末製備方法，即氬氣霧化法，以（yǐ）及隨後進行的“熱（rè）擠壓+等溫鍛造（zào）”工藝成型（xíng），該工（gōng）藝製備（bèi）的零部件組（zǔ）織（zhī）均（jun1）勻，無宏觀偏析，熱加工（gōng）性能好。

 

俄羅斯幾乎與美國在同一個（gè）時期開始該合金的研製（zhì）工作，在（zài）這一領域進行了開拓性的研究工作，發展了（le）具有自身特色的鎳（niè）基（jī）粉（fěn）末高溫合金製備技術，並（bìng）取得了重要成果。

 

蘇聯的（de）全俄輕合金研究院在20世紀80年代成（chéng）立了粉末高溫合金研發實驗（yàn）室，開始研製鎳基粉末高溫（wēn）合金。從此，蘇聯在粉末（mò）高溫合金領域占據了一（yī）席之地。蘇聯製備粉末高溫合金（jīn）的主要（yào）工藝（yì）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末預處理一包套封焊及除氣一熱等（děng）靜壓（yā）成型一熱處理一機加工一成品。

 

 

英、法等國在鎳基粉末高溫合金研製（zhì）領域也同樣展開了研究工作[3]。英國威合金公司(WigginAlloys)在1975年裝備了一條年產1000t粉末高溫合金的生產線,同（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,成功研製出AP-1鎳基粉末高溫合金,並（bìng）應用在RB211發動機上,隨後（hòu）德國默透公司將該合金用（yòng）於RB199發動機上。法國通過調整（zhěng）Astroloy合金的成分,進一步將低碳含量,研製出N18鎳基粉末高溫合金,並用於M88發動機上。隨後,法國又陸續開發了N19、NR3、NR6等粉末高溫合金。

 

 

 

目前我國已經形成了等離子旋轉電極霧化製粉+熱等靜壓成型+包套鍛造+熱（rè）處理”的鎳基（jī）粉末（mò）高溫合金製備工藝路線。

 

美（měi）國粉末高溫合金組織（zhī）均勻、性能穩定，其工藝的主要（yào）特點（diǎn）是釆用氬氣霧（wù）化製粉+熱擠壓+等溫鍛造成型（xíng）。而俄羅斯開（kāi）創了粉末（mò）高溫合金製備工藝的又一領域，其粉末高溫（wēn）合金的生產工藝（yì）是：合金熔煉及加工電極+等離子旋轉電極製備合（hé）金（jīn）粉末+粉末處理+包套製作及封焊+熱等靜（jìng）壓成型+熱處理+機加（jiā）工[4]。

 

我國粉末高溫合金的製備工藝在借鑒俄羅斯的（de）基礎上，進行了適合我國（guó）國情的調整。生產（chǎn）粉（fěn）末高（gāo）溫（wēn）合金的一般工藝流程如（rú）下：

 

圖（tú）3  粉（fěn）末高溫合金（jīn）製備的工藝流程

 

1、粉（fěn）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（dài）,霧化法被首次應用在鐵粉製備（bèi）領域。經過幾十年的（de）發展,該方法仍然是製備合（hé）金粉末的重要方法。

 

目前在實際生產中（zhōng）主要采（cǎi）用氬氣（qì）霧化法(AA)和等離子旋轉電極霧化法(PREP)，示意（yì）圖如圖4所示[6]。

 

 

氬氣霧化法是用氬氣吹噴融化（huà）的高溫合金流,而製得（dé）合金粉末。如圖4(a)所示,氬氣霧化（huà）係統含有一套很長的冷卻塔,冷卻塔的頂部安裝了噴嘴,可以噴出高壓的氬氣,使熔化的金屬被迅速分散成液滴。霧化過程（chéng）中氬氣的熱擴散（sàn）可能會導致氣壓差,使噴嘴（zuǐ）處氬氣停流,為了避免這種情況出現,多（duō）餘的氬氣將在冷卻塔（tǎ）重新冷卻、回流（liú）到熔化室。這使得將（jiāng）大體積鑄（zhù）錠霧化成粉得以實現。在實（shí）際霧化過程中,熔化室和冷卻塔之間會保持約（yuē）0.2atm的壓差。凝固的金屬顆粒在霧化係統底部的冷卻區域（yù）進一步被（bèi）冷卻,並被輸送到一係（xì）列的手套箱中進行粒度（dù）篩分。

 

等離子旋轉電極霧化製粉（fěn）法不僅可（kě）以霧化低（dī）熔點的金屬（shǔ）和（hé）合（hé）金,還可以製取難熔金屬粉末。如圖4(b),將要霧化的金屬或合金製備成直徑50mm圓棒狀旋轉自耗電極,固定在送料器上（shàng）,通過真空泵將粉末收集室先抽成（chéng）真空,然後充入氬氣,使粉末收集室內保持氬氣微正壓,通過固定的鎢電極產生電弧使金屬或合金熔（róng）化。當自耗電極快速旋轉時（shí）,離心力使熔化的金屬或合金液滴飛出,熔滴在尚（shàng）未碰到收集室器（qì）壁以前,就凝固於（yú）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（yú）等離子旋轉電（diàn）極霧（wù）化法不受熔化（huà）坩堝的汙染（rǎn）,生產（chǎn）的粉末十（shí）分純淨,尤其適（shì）用於高溫（wēn）合金（jīn）的製備。

 

在（zài）高溫（wēn）合（hé）金粉末工業生產中，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。

 

 

 

2、粉末（mò）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（zài）燒結溫度（dù）下容易氧化，這造成了高溫合金粉末不能（néng）采用通常的直（zhí）接（jiē）燒結工藝來成形。對（duì）於粉末高溫合金來說，往往要求在高溫高（gāo）壓的環境下成形。目前常用的有真空熱壓成形(VacuumHotPressing)、熱等靜壓成（chéng）形(HotIsostaticPressing)、電火花燒結(SparkSintering)、擠壓(Extrusion)、鍛造(Forging)等成形方（fāng）法。在上述粉（fěn）末固結工藝中，粉末渦輪盤用得最多的是（shì）熱（rè）等靜（jìng）壓成形和熱擠壓。表3為高溫合金粉末不同固結工藝的特點對比[8]。

 

 

熱擠壓成形在歐美等國應用較多，由普惠公司首先使用，美國大部分鎳基粉末高溫合金都采用該方法成形。該方（fāng）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、變形程度高，粉末顆粒承受剪切力和熱壓力，使粉（fěn）末中的枝（zhī）晶破碎。由此方法得到的合金晶粒細小，具有（yǒu）一定的超塑（sù）性。將材料在（zài）細晶超（chāo）塑性狀態下（xià）鍛造成型，再通過熱處理得到力學性能良好的高溫合金。

 

英（yīng）美等發達國家也（yě）有采用熱等靜壓+等溫鍛（duàn）造的工藝使粉末高溫（wēn）合金成型。該方法由通用公司首先（xiān）采用，等（děng）溫鍛造是（shì）鍛造的一（yī）種形式，將合金粉末在真（zhēn）空下（xià）裝（zhuāng）入包套（tào）並熱等靜壓成型，隨後將成型之後的包套放在（zài）模具（jù）中，以較慢（màn）變形速率進行熱變形。其特點是晶粒細（xì）小，組織均勻，精度高，節省材料，降低機加工成本。同時，等溫鍛造也存在一些缺點，比（bǐ）如，模具材（cái）料及其（qí）加工成本（běn）高，生產效率較低，鍛造條件要求較高，引起高成本（běn）等。

 

我國目前尚沒有大型(35000)立式（shì）擠壓機（jī），不（bú）能采用熱擠壓（yā）+等（děng）溫鍛造的（de）工藝。北京（jīng）航空材料研究院（yuàn）和北京鋼鐵研（yán）究總院等單位均（jun1）配備了大型熱等（děng）靜壓機，但等溫鍛造設備及（jí）模具等關鍵（jiàn）問題尚不（bú）能完全解決。目前，我國在製備鎳基粉末（mò）高溫合金方麵多釆用直接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（gōng）藝，一般工藝流程是將處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（fěn）末繼續除氣，然後封（fēng）焊。將封好的包套置入熱等靜壓爐中，升溫至一定（dìng）溫度保溫，以一定（dìng）的（de）氬氣保持壓力。

 

從而（ér）使粉末達到致密的狀態（tài），並（bìng）具（jù）備所需要的力學性（xìng）能。直接熱（rè）等靜壓成型（xíng）的（de）工（gōng）藝取得成功，降低（dī）成本（běn）左右。發動機上使用的零件，至（zhì）今仍采（cǎi）用直接熱等靜（jìng）壓狀態的零件。

 

在上述粉末固結工藝（yì）中，熱等靜壓和熱擠壓是主要的密實工藝。這兩種工藝都是在一定的溫度和壓力下的粉（fěn）末熱塑性變（biàn）形和再（zài）結（jié）晶過程，但是熱擠壓工藝的粉末變形量和變形速率更大。

 

3、盤件成形工藝

 

 

盤件成形工藝[9]主要有直接（jiē）熱等靜壓成形和鍛造成形，對於直接熱等靜壓成形（xíng）生（shēng）產的粉末盤件，粉末固結（jié）和（hé）盤件成形是在（zài）同一HIP工（gōng）序（xù）中完成的。俄（é）羅斯粉末高溫合金的主導成（chéng）形工藝是直接熱等靜壓(As-HIP)成形，在（zài）熱等靜壓過（guò）程中材料收縮（suō）和應力狀（zhuàng）態的研究及包套（tào）的計算機模擬輔（fǔ）助設計等（děng）方麵都居世界前列（liè），經過四十餘年的發展，HIP成形工藝日趨完善。與俄羅斯相比，美國粉末盤件的成形工藝種類更為豐富，包括As-HIP成形（xíng）、熱模鍛、ITF(等溫鍛)等工藝。我國（guó）的粉末高溫（wēn）合金盤件采用直接熱等靜壓成形和鍛造成（chéng）形2種工藝製備[10]。FGH97粉末（mò）盤（pán）件的製備（bèi）工藝流程與俄羅斯EP741NP合金完全相（xiàng）同，采用直接熱等靜壓工藝成形。