高性能粉末冶金材料.详解

粉末冶金钛合金的发展
混合元素法与预合金化法都能够成功地制备钛合 金，但成本仍然是推广应用的关键。 与常规钛合金相比，有序的钛铝金属间化合物更 难以热加工与机械加工。 钛合金的机械合金化研究仍处于初期阶段，但却 展示了最佳作为高温应用的弥散向体积分数的潜 力。 颗粒增强钛基复合材料正在设计、基体和颗粒的 成分及可生产性3个方向发展。
双性能粉末盘

双性能粉末盘的特点是盘件不同部位具有 不同的晶粒组织，可以满足涡轮盘实际工 况需要，代表今后涡轮盘制造的发展方向。 因此，制备双性能涡轮盘对研制高推重比 先进航空发动机非常重要。然而双性能盘 的制备技术复杂，工艺难以掌握，所以， 如何完善双性能粉末盘的制备工艺以及降 低生产成本都将是今后各国研究的重点。
3.1粉末高温合金 3.1.1总论 定义：以Fe、Co、Ni为基的具有高的室温 和高温强度的合金 粉末冶金、高强度、组织均匀、韧性、 MA、沉淀强化、弥散强化 3.1.2粉末制备与特性 雾化法、理由、偏析 3.1.2.1 惰性气体雾化 3.1.2.2真空
高温合金


以Fe、Co、Ni为基的具有高的室温与高温强度的合金。 Super alloy （超合金，高温合金） 高温合金。铁基、镍基和钴基高温合金的总称。在高温时 有很高的持久、蠕变和疲劳强度，其使用温度可达1100℃ 左右。其典型组织为：奥氏体基体和弥散分布于其中的强 化相，它可以是碳化物相、金属间化合物相或稳定化合物 质点。根据合金成分和使用上的需求，可选择电弧炉、感 应炉、真空感应炉进行一次熔炼或用真空白耗炉或电渣炉 对母合金进行重熔，还有用电子束或低压等离子体作为高 热能源进行熔炼的工艺。在铸造工艺上，除常规的精密铸 造外，定向结晶和单晶技术已得到广泛应用，快速凝固粉 末冶金和机械合金化工艺也是两种制备方法。高温合金广 泛应用于航空、航天、舰船、机车、发电以及石油化工等 工业中。
粉末高温合金的新发展

旋转电极雾化制粉 热等静压
热处理工艺

热处理工艺是制备高性能粉末高温合金的关键技术之 一，由于在淬火过程中开裂问题经常发生，因此，如 何选择合适的淬火介质或者合理的冷却曲线以及先进 的冷却技术是降低淬裂几率是热处理过程中的重要技 术环节。如可以选择比水、油或盐浴更佳冷却速度的 喷射液体或气体快冷，以及采用两种冷却介质匹配形 成高温区冷却速度慢低温区冷却速度快的冷却曲线， 还有可以采用二级盐浴冷却等，希望从根本上消除淬 火开裂问题，得到低变形、无开裂的高性能粉末高温 合金。
3.高性能粉末冶金材料
3.0 概述 孔隙、成分、组织偏析

定义：采用传统的或特殊的粉末冶金方
法所制备的性能更高的粉末冶金材料。
高性能(High Performance)： 物理性能：光、电、磁、热、辐射 等 化学性能：耐腐蚀性等 力学性能：强度、韧性 等

使用粉末冶金材料的理由
结构材料：主要考虑其力学性能
功能材料：力学性能以外的性能
减少偏析 成分偏析：材料不同的部位元素的比例不同 组织偏析：材料不同的部位微观结构不同 细化晶粒 直接成形，减少机加工

达成手段
有效地消除残留在材料内的一切形式的孔隙。 ——全致密化（Full Density Technology ） （结构材料：力学性能） 热压 粉末高温合金 热等静压 粉末高速钢 热锻 粉末不锈钢 热挤压 粉末轧制 粉末钛合金
达成手段
提高密度、调整最佳组织 （功能材料：物理性能） 以磁性材料为例 粉末颗粒的大小（与一个磁畴相当） 颗粒的形状，容易取向 成分的调整
全致密化技术


全致密化技术(Full Density Technique)：热 压、热等静压、热挤压、粉末热煅 近终成形(Near Net Shape Process): 优点：材料与能量的合理利用 成分设计的灵活性 微观组织的完整性
计算机模拟技术

计算机模拟技术现在逐渐成为粉末高温合 金工艺中非常重要的研究内容。目前，在 欧美等国，计算机模拟技术在粉末盘生产 的全过程中都得到了应用。如利用计算机 模拟预测淬火过程的应力分布及温度场分 布情况，优化设计合金成分、热等静压包 套、锻造模具等，随着粉末高温合金技术 的不断发展，计算机模拟技术的应用将更 为广泛。
（2）新型钛合金成形技术



钛粉激光成形技术是在惰性气体中采用大功率激 光将钛粉或钛合金粉沉积载基体上预成形，制出 的部件在数控设备由计算机辅助设计软件控制加 工。该技术对制备小批量零件比较经济，与传统 的铸造加工相比，该工艺可减少80%的废料，可 以降低成本、缩短生产时间。 快速全向压制技术是将预合金粉末压制成致密零 件的工艺。快速是指在全负荷下保证雅致的保压 时间一般不超过5分钟，全向是指在全负荷下施加 于粉末的应力状态近于等静压。 粉末热锻或热轧工艺能够制取相对密度大于98% 的材料，克服了一般粉末冶金零件密度低的缺点， 且性能优异、材料利用率高。
3.2.3 致密化工艺 3.2.3.1 混合粉法 混料→冷压成形→真空烧结→二次加工 成分灵活、综合效果好、节约成本、动态 性能 3.2.3.2 热等静压(HIP) 准等静压 真空热压
金属包套 金属粉 装粉、密封 陶瓷模 加工 去套 热等静压 组装焊接 抽空密封
3.2.4 性能与应用 孔隙度 预合金粉末略高 应用、耐蚀、高强度、比强度 过滤皿、飞 机件 3.3 粉末高速工具钢 含有较多的W、MoCr、Mn、V、Co等合金 元素，不仅在室温下有高的硬度、强度、 耐蚀性和一定的韧性，而且在热处理后能 在600℃保持HRC60 以上的硬度。

粉末的制备包括制粉和粉末处理。目前，主要制 粉工艺AA法和PREP法都在积极改进工艺，尽量 降低粉末粒度和杂质含量，沿着制造无陶瓷、超 纯净细粉方向发展(-325目，<45 μm)。 目前，无 陶瓷熔炼技术如等离子体冷壁坩埚熔炼，细粉制 造技术如快速凝固旋转技术气体雾化和超声气体 雾化等都得到发展。另外，对粉末进行真空脱气 和双韧化处理(颗粒界面韧化+热处理强韧化)，提 高压实盘坯的致密度和改善材料的强度和塑性， 也是一个重要的研究内容。
预合金法

将预合金化的粉末采用陶瓷或金属包套封 装后热等静压成形。预合金法主要用来制 备全致密化、高性能的航空产品。对于全 致密部件，即使是少量的污染也会使疲劳 性能大幅度下降，可以用真空雾化或等离 子体旋转电极工艺来制造纯净的钛粉。对 于预合金法，热等静压是最基本的成形方 法，但是真空热压、挤压和快速全方位压 制也已被成功利用。
盘件不同部位OM照片
3.2粉末钛合金 比强度、中温强度、耐蚀、资源丰富 冶炼、加工、制造费用高、活性高（﹥Al） 3.2.1合金体系 hcp bcc 882.5℃ α β 元素 α 稳定 Al、O、N、C β 稳定 Mo、V、Nb 中 稳定 Sn、Ge、Ca
3.2.2粉末制备 金属热还原（Mg、Na） 熔盐电解 → 海绵钛 → 破碎 氢化-脆氢 离心雾化 → 粉末 热还原：TiO2 + 2Cl2 → TiCl4 + 2CO TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2 氢化： 吸氢变脆（100ppm） → 破碎 → 脆氢
典型的高温合金简介
以Ni基高温合金为例 强化机理： 金属间化合物 Ni3Al的强度随温度的升高而增大 合金元素的添加 Ti、Cr、Co、Mn、W、V、Ta等 弥散强化 氧化物质点等
高温合金的制造方法与最高使用温度
牌号
Mar-M247
制备方法
铸造
最高使用温 度（K）
1230
TMD-5
混合元素法

将原料钛粉和母合金粉或其他需要添加的元素粉 混合后进行模压或冷等静压成形，在真空中烧结。 混合元素法制备钛合金时，经415MPa冷压，致密 度能够达到85%～90%，再经真空烧结，致密度 能够达到95%～99%，控制粉末粒度能够生产出 99%致密的制件。对于粉末冶金钛合金来说，只 有彻底清除其中的孔隙，才能够使合金在以疲劳 特性为构建性能的领域得到应用。混合元素法生 产的零件成本低，但致密度也低。因此，高致密 度、高性能的航空产品通常采用预合金法制备。
Twin spool shaft to turn the fan and the compressors
DS and single crystalline alloys
N18等温锻造件
粉末高温合金的发展历程 FGH4095
MERL76全尺寸锻造盘件
FGH4096
LSHR盘件
EP741NPHIP件
3.1.2.3 离心雾化 1.旋转电极 纯度高、分布窄 2.电子束旋转 3.1.2.4 快速凝固 1.成分偏析、枝晶（一次枝晶、二次枝晶） 2.快速凝固技术 制粉方法： 强制对流冷却离心雾化：熔化 甩出 喷气 冷却 连续抽丝机械粉碎 超声雾化 无偏析、颗粒细
3.1.3 固结与成形 预合金粉、成形性差、模压 3.1.3.1 HIP及类似工艺 陶瓷模（多孔）、大气压固结（细粉、强 化剂、真空）、流动模 3.1.3.2 热压 3.1.3.3 热锻 3.1.3.4 喷雾锻造 3.1.4 沉淀强化高温合金 通过基体中析出和在晶界析出碳化物的高 温合金

粉末高温合金的制备工艺

粉末高温合金的制备工艺把包括母合金感 应熔炼，制粉（氩气雾化、旋转电机雾化 等），粉末预处理，粉末装套及封焊，热 等静压、热处理等。其中，制粉和热处理 是粉末盘制备的关键环节，高纯净度和粒 度合适的优质粉末是制备高性能粉末盘的 前提，而通过恰当的热处理得到理想的显 微组织才能保证合金具有优异的力学性能。
3.1.5 氧化物弥散强化型高温合金 由热稳定性好的超细氧化物质量均匀、弥 散在不同高温合金基体中起补充强化作用 的合金。 性能 工艺 ①原料：MA、变形、断裂、耐蚀、方式 ②固结、热机械加工、包套、加热、挤压加 工
粉末高温合金
熔融铸造方法的问题 合金元素的偏析（各组元的凝固特性不同） 强化颗粒的偏析（密度的差异、与基体的 润湿性） 粉末冶金的工艺 粉末制造 → 配比混合 →成形 → 烧结
粉末冶金钛合金的新型制造技术 （1）新型制粉技术

雾化制粉技术制备钛粉是将钛或钛合金的液滴通 过急剧冷却，形成非晶、准晶、微晶钛粉末。雾 化技术对钛粉的应用，无论是对粉末冶金钛合金 成分设计还是对合金的显微组织及性能，都产生 了深刻的影响。雾化技术主要有二流雾化和离心 雾化两类。超声雾化是气体雾化技术中较为先进 的一种，用高达2.5马赫的高速高频脉冲气流作为 介质，具有很高的雾化效率。离心雾化技术的特 点是避免了坩埚与中间包等材料的污染，是目前 制备高纯、无污染球形粉末的理想技术，但是生 产能力较低，成本较高。
4 双性能涡轮盘的设计
涡轮盘实际工作状况 轮缘
高温低应力 蠕变性能 持久性能 粗晶
轮心
低温高应力 拉伸强度 疲劳抗力 细晶
双晶粒组织盘 提高发动机推重比
U720合金性能随晶粒尺寸的变化 (J.C.William, et al. Acta Mater. 2003(51), p5775)
2.盘件不同部位晶粒度
TMD-12
定向凝固
单晶
1273
1323
TMO-2
弥散强化
1443
Fan
Compressor T<650℃
Polycrystalline cast, wrought and PM alloys
Combustors
Thrust
Air Inlet
Low pressure turbine T<850℃
喷射wenku.baidu.com形
自20世纪80年代初出现的喷射成形(Spray Forming)工艺，近年来也得到了长足进步。
该工艺最大特点 是直接将液态金 属制取整体致密、 组织细化、成分 均匀和结构完整 并接近零件实际 形状的坯件，工 序简单、成本较 低，相当或高于 粉末冶金工艺的 强度与持久寿命 等。
粉末制备
粉末冶金钛合金的应用


混合元素法钛合金产品主要应用是电化学 和其他的耐蚀应用的工业纯钛过滤器、化 学加工工业的纯钛零件、Ti-6Al-4V零件、 叶轮或旋转装置等形状复杂的零件。 预合金化法在宇航工业应用广泛，例如F100发动机的连杆臂、F-14飞机身壳体的支 撑装置、F-18飞机发动机安装座支撑配件、 F-107飞机发动机的径流压气机叶轮等。