先進粉末高溫合金製備工藝詳解
點擊量:1387 發布時間:2017-01-24 作者:快猫视频APP下载安装(上海(hǎi))增材製造技術(shù)有(yǒu)限公司
由於高溫合金具有合金化程度高的特點,鑄錠(dìng)偏析問題十分突出(chū),熱加工性能差(chà),采用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(fèn)均勻,無宏觀偏析,製(zhì)件性能穩定,熱加工變形性(xìng)能較(jiào)好等優點。因此(cǐ),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(nián)代初,隨著快速(sù)凝固氣霧化粉末製(zhì)備技術的興起,1965年發展了高純預合金粉末製備技術[2]。美國P&WA(Pratt&WhitneyAircraft)公司首先將Astroloy合金製成預合金粉末,成功地鍛造出(chū)力學性能相當或(huò)略高於鑄鍛高溫(wēn)合金Waspaloy的(de)盤件,開創了粉末高溫合金盤件用於(yú)航(háng)空發動機的先河。P&WA公(gōng)司於1972年將IN100粉末高溫合金製備的壓氣機盤和渦(wō)輪盤等11個(gè)部件用於F100發動(dòng)機(jī),裝配在F15和F16飛機上,從(cóng)此粉末高溫合金進入了實際應用階段。
圖1 F15的(de)動力係統——普拉特•惠特尼F100發(fā)動機
為(wéi)滿足新一代航空發動機的需求,相繼出(chū)現了由美國國家航空航天局(NASA)、普惠、通用公司(sī)合作開發的Rene104高溫合金、Honeywell公司開發出來的Alloy10高溫合金以及由NASA幵發的LSHR高溫(wēn)合金等眾多具有優(yōu)良綜合性能的粉末鎳基高溫合金。Rene104合金與美國其他粉末冶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(tōng)過熱擠壓獲得完全再結晶組織的棒(bàng)料,再通過超(chāo)塑性等溫鍛造(zào)工藝(yì)獲得零部件(jiàn)毛坯,經過熱處理和機加工獲得最終的零部件。
美國鎳基粉(fěn)末高溫合金(jīn)生產工藝的特點主要在於其特殊的合金粉末製備方法,即氬氣霧化法,以及隨後進(jìn)行的“熱(rè)擠壓+等(děng)溫鍛造”工藝成型(xíng),該工藝製備的(de)零部件組織均勻,無宏觀偏析,熱加工性能好。
俄羅斯(sī)幾乎與美(měi)國(guó)在同一個時期開始該合金的研製工(gōng)作,在這一領域進(jìn)行了開拓性的研究工作,發展(zhǎn)了具有自身特色的(de)鎳基粉末高溫合金製備技術,並取得(dé)了重要成果。
蘇聯的全俄輕合金研究院在20世紀80年(nián)代成立了粉末高溫合金研發實驗室,開始研製(zhì)鎳基粉末高溫合金。從此(cǐ),蘇聯在粉末高溫合金領域占據了一(yī)席之地。蘇聯製備(bèi)粉末高溫合金的主要工藝(yì)與美國大不相同:高溫合金電極棒的製備一等離子(zǐ)旋轉電極霧化製粉一(yī)粉末預處理一包套封焊及除氣一熱(rè)等靜壓成型一熱處(chù)理一機加工一成品。
圖2 RB199型3軸渦輪風扇發動機
英、法(fǎ)等國在鎳基粉末高溫合金研製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(zhuāng)備了一條年產1000t粉末高溫合金的生(shēng)產線,同時配備(bèi)了熱等靜壓機及等溫鍛造機。英國羅羅公(gōng)司(Rolls-Royce)和(hé)威合金公司(sī)合作,成功研製出AP-1鎳基粉末高溫合金,並應用在(zài)RB211發動機上,隨後德(dé)國默透公司將該合金用於RB199發(fā)動機上。法國通過調整Astroloy合金的成分,進一步將低碳含量,研(yán)製出N18鎳基粉末高溫合金,並用於M88發動機上(shàng)。隨(suí)後,法國又陸續開(kāi)發了N19、NR3、NR6等粉末高溫合金。
表1粉末(mò)高溫合金型號、生產工藝及應(yīng)用(yòng)[4]
注:HIP—HotIsostaticPressing:熱等靜(jìng)壓工藝;
HIF—HotIsostaticForging:等溫鍛造工藝;
HEX—HotExtrusion:熱擠壓工藝;
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(tào)鍛(duàn)造+熱處理”的鎳基粉末高溫合金製備工藝路線。
美國粉末高溫(wēn)合金組織均勻、性能穩定(dìng),其工藝的主要特點是釆用氬氣霧化製粉+熱擠壓+等溫鍛造(zào)成型。而俄羅斯開創了粉末高溫合金製(zhì)備工藝的又一領域,其粉末(mò)高(gāo)溫合金的(de)生產工藝是:合金熔煉及加工電極(jí)+等離子旋轉電極製備合金粉末+粉末處(chù)理+包套製作及封焊+熱等靜壓成型+熱處理+機加(jiā)工[4]。
我國粉末(mò)高(gāo)溫合金的製備工(gōng)藝在借鑒俄羅斯的基(jī)礎上,進行了適合我(wǒ)國國情的調整。生產粉末高溫合金的一般工(gōng)藝流程如下:
圖3 粉末高溫合金製備的工藝流程
1、粉末製(zhì)備工藝
目前為止,高溫(wēn)合金製粉方法中最(zuì)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(nián)的發展,該方法(fǎ)仍然是製備合金粉末的重要方法。
目前(qián)在實(shí)際生產中主(zhǔ)要采用氬氣霧化法(AA)和等離子旋轉電極霧(wù)化法(PREP),示意圖如圖4所示(shì)[6]。
圖4 霧化製粉方法示(shì)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流,而製得合金粉末(mò)。如圖4(a)所示,氬氣(qì)霧化係統含有一套很長(zhǎng)的冷(lěng)卻塔,冷卻(què)塔的頂部安裝了噴(pēn)嘴,可(kě)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(guò)程中氬氣的熱擴散可能會導致(zhì)氣壓差,使噴嘴處氬(yà)氣停流,為了避免這種情況出現,多餘的氬氣將在冷卻塔(tǎ)重新冷卻、回流到熔化室。這使得將大體積鑄錠(dìng)霧化成粉得以實現。在實際(jì)霧化過程中,熔化室和冷卻塔之間(jiān)會保持約0.2atm的壓(yā)差(chà)。凝固的金屬顆粒在(zài)霧(wù)化係(xì)統底部的冷(lěng)卻區域進一步(bù)被冷(lěng)卻,並被輸送到一係列的手套箱中進行粒度篩分。
等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化製粉法不僅可以霧(wù)化低熔點的金屬和合金,還可(kě)以製取難熔金屬粉末。如圖4(b),將要霧化的金屬或合金製(zhì)備成直徑50mm圓棒狀旋轉(zhuǎn)自耗電極,固定在送料器上,通過真空(kōng)泵將粉末收集室先抽成真空,然後(hòu)充(chōng)入氬氣(qì),使粉末收集室內保持氬氣微正壓,通過(guò)固定的鎢電極產生電弧使金屬或合金熔化。當自耗電極快速旋轉時,離心(xīn)力使熔化(huà)的金屬或(huò)合金液滴飛出,熔滴在尚未碰到收集室器壁以前,就凝固(gù)於惰性氣(qì)體氣氛之(zhī)中。旋轉電極轉速在10000-20000r/min之(zhī)間(jiān),生產(chǎn)的粉末粒度較(jiào)大。由於等離子旋(xuán)轉電極霧化法不受熔化坩堝(guō)的汙染,生產的粉末(mò)十分純(chún)淨,尤其(qí)適用於高溫合金的製備。
在高溫合金粉末工(gōng)業生產(chǎn)中,美國和西方國家主要使(shǐ)用AA法,俄羅斯使用PREP法,我國使用PREP法(fǎ)和AA法。2種製粉(fěn)方法(fǎ)特性比較[7]見表2。
表2 兩種(zhǒng)製(zhì)粉(fěn)方法特性比較
2、粉(fěn)末(mò)固結(consolidation)工藝
由於高溫合金粉末(mò)往往含有(yǒu)Cr,Ti,Al等難(nán)燒結元素,同時(shí)這些元素在燒結溫度下容易氧化,這造(zào)成了(le)高溫合金粉末(mò)不能采用通常的(de)直接燒結(jié)工藝(yì)來成形。對於粉末高(gāo)溫合金來說,往往要求在高溫(wēn)高壓(yā)的環境下成形。目前常用的有真空熱(rè)壓成形(xíng)(VacuumHotPressing)、熱等靜(jìng)壓成形(HotIsostaticPressing)、電火花燒結(SparkSintering)、擠(jǐ)壓(Extrusion)、鍛造(Forging)等成形(xíng)方法。在上述粉末固結工藝中,粉末渦輪盤用得(dé)最多的是熱等靜壓成形和熱擠壓。表3為高溫合金粉末不(bú)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(tè)點
熱擠壓(yā)成形在歐美等國應用較多,由普(pǔ)惠公司首先使(shǐ)用,美國大部分鎳基粉末(mò)高溫合金都采用該方法(fǎ)成形。該方法是直接將合金粉末擠壓(yā)成坯體,合金粉末在真空下(xià)裝入包(bāo)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(chéng)度高(gāo),粉末顆粒承受剪切(qiē)力和熱壓力,使粉末(mò)中的枝晶破(pò)碎。由此方法得到的合(hé)金晶粒細小,具有一定的超塑性。將材料在細晶超塑性狀態下鍛造(zào)成型(xíng),再通過熱處理得到力學性能良好的高溫合金。
英美等發達國家也有采用熱等靜壓+等溫鍛造的工藝使粉(fěn)末高溫合金成型。該方(fāng)法由通用公司首(shǒu)先采用,等溫鍛造是鍛(duàn)造的一種形式,將合金粉末在(zài)真空下裝入包(bāo)套(tào)並熱等靜(jìng)壓成(chéng)型,隨後將成型之後的包套放在模具中,以較慢變形(xíng)速率進(jìn)行熱變形。其特點(diǎn)是晶粒細小,組織均勻,精度高,節省材料,降低機加工成本(běn)。同時,等溫鍛造(zào)也存在一些缺點,比(bǐ)如,模具材料及其加工成本高,生產效(xiào)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(dà)型(35000)立式擠(jǐ)壓(yā)機,不(bú)能采用熱擠壓+等(děng)溫(wēn)鍛造的工藝。北京航空材料研(yán)究院(yuàn)和北京鋼鐵研究(jiū)總院等單位均配備了大型熱等靜(jìng)壓機,但等溫鍛造設備及模具等(děng)關鍵問題尚不能完(wán)全解決。目前,我國在製備鎳基粉末高溫(wēn)合金方麵(miàn)多釆用直接熱等(děng)靜壓成型或熱等靜(jìng)壓+包套鍛造工藝,同時也在發展等(děng)溫鍛造。
對於熱等靜壓工藝,一(yī)般(bān)工藝流程是將處理後(hòu)的高溫合金粉(fěn)末裝入碳鋼或不鏽鋼包套中,並(bìng)抽成真空,在常溫或一定溫度下使粉末(mò)繼續除氣,然後封焊(hàn)。將封好的包套置入熱等靜壓爐中,升溫至一定溫度保溫,以一定的氬氣保持(chí)壓力。
從而使粉末(mò)達到致密的狀態,並具備所(suǒ)需要的力學性能。直接(jiē)熱等靜壓成型的工藝取得成功,降低成本左右。發(fā)動機上使用的零件,至今仍采用直接熱等靜壓狀態的零件。
在(zài)上述粉末固結工藝中,熱等靜壓和熱擠壓是主要的密實工(gōng)藝。這兩(liǎng)種工藝都是在一定的溫度(dù)和壓力下的粉(fěn)末熱塑性變形和再結晶過程,但是熱(rè)擠壓工藝的粉末(mò)變形量和變(biàn)形速率更大。
3、盤件成(chéng)形工(gōng)藝
盤件成形(xíng)工藝[9]主要有直接熱等靜(jìng)壓成形和鍛造成形,對於直接(jiē)熱等靜壓成形生產的粉末盤件(jiàn),粉末(mò)固結和盤件(jiàn)成形是在同一HIP工序中完成的。俄羅斯粉(fěn)末高(gāo)溫合金的主(zhǔ)導成形(xíng)工藝是直接熱等靜壓(As-HIP)成形,在熱等靜壓過程中材料收縮和(hé)應力狀態的(de)研究及(jí)包套的計算機模擬輔助設計等方麵都居世界前列(liè),經過四十餘(yú)年的發展,HIP成(chéng)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、熱(rè)模鍛、ITF(等溫鍛)等工藝(yì)。我國的粉末高溫合金(jīn)盤件(jiàn)采用直接熱等靜壓成形和鍛造成形2種工藝製備(bèi)[10]。FGH97粉末盤件的製(zhì)備工藝流程與俄羅斯EP741NP合金(jīn)完全相同,采用直接熱等靜壓工藝成(chéng)形。
上一篇:3D打印市場、走勢及瓶頸
下一篇:電鍍錫鈷合金(jīn)工藝應用