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。