粉末高温合金

表1 三种制粉工艺特性比较
生产工艺 AA
PREP(REP)
SHA
粉末形状 及特征
粉末粒度 粒度分布 粉末纯度
氧含量
粉末主要 为球形,空
心粉较多
范围宽,平 均粒度较 细。
纯度较差, 有坩埚等
污染。
氧含量较 高
生产效率 最高
粉末为球形,表面光 洁,空心粉少。
粒度分布范围较窄, 平均粒度较粗,一般 大于50μm。 纯度较高,基本保持 母合金棒料的水平, 无坩埚污染。
[4] 胡本芙, 刘国权, 贾成厂等. 新型高性能粉末高温合金的 研究与发展[J]. 材料工程, 2008, 2: 49-53.
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• 参考文献
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TCP相 ,Laves, 等相。因此对合金组成相的分析包
括组成相的形态、分布、数量、结构、成分及其变化规律 是控制性能的重要环节。
三、Ni基粉末高温合金的组织 高温合金从基体上主要可以分为铁基、镍基和钻基高
温合金。由于镍基高温合金具有良好的综合性能，故得到 了广泛的应用。镍基粉末高温合金的组织结构主要是由面 心立方结构的奥氏体（基体）、γ′相 （ 主要强化相）和碳 化物（MC、M6C、M23C6、M7C3）所组成。随着合金的发 展， γ′相形成元素（Al+Ti）的含量也越来越高， γ′相的数 量最高增加到65%，合金强度不断提高[2]。
研究现状：
由于粉末高温合金的研制技术难度高、投资大、涉及 的学科领域广，目前世界上只有美国和俄罗斯研究较深入 ，技术相对成熟；而英国、法国、德国和中国也正在进行 粉末高温合部件的研究和生产。在粉末高温合金的领域， 美国和俄罗斯工艺各异，都居于世界领先地位。我国于上 世纪70年代末开展粉末高温合金研究，目前研制粉末高温 合金的单位主要有钢铁研究总院、北京航空材料研究院 (621所)和北京科技大学等。
（5）碳化物、硼化物强化元素：碳、硼、铬、钨、钼、 钒、铌、钽、铪、锆和氮，主要形成初生和次生的各种类型 碳化物和硼化物强化合金。
（6）晶界和枝晶间强化元素：硼、铈、钇、锆和铪，这 些元素以间隙原子或第二相形式强化晶界。
2、粉末高温合金中的相 高温合金通常采用复杂合金化， 加入大量的镍、铬、
钨、铂、铌、钽、铝、钒及微量的碳、硼、铪、锆、铅等 元素， 通过固溶强化、时效强化和晶界强化使合金获得足 够的高温强度和其他综合性能。由于成分复杂，合金组成 相也甚多。就实用的铁基、镍基、钴基合金来说，目前常
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Hale Waihona Puke Baidu
内容导览
粉末高温合金概述 粉末高温合金的研究现状 粉末高温合金的制备方法
粉末高温合金的发展前景
二、粉末高温合金的化学成分和相组成 1、粉末高温合金中涉及的化学成分
众所周知，高温合金的化学成分是非常复杂的。除杂 质元素外，一般都含有十几种合金元素。可根据它在合金中 的基本作用归纳为六个主要方面：
粉末高温合金的发展历程和研究现状
发展历程： • 经过近40年的发展，镍基粉末高温合金目前已经历了第 一代、第二代和第三代的研制历程。 • 第一代粉末高温合金是在变形盘件合金或铸造叶片合金 的基础上适当降低碳含量，添加了MC型强碳化物形成元素 Nb、Hf等，以防止形成原始粉末颗粒边界PPB而发展起来的 ，第一代粉末高温合金中强化相γ含量高，晶粒细小，抗拉 强度高，其使用温度通常在650℃[3]。
对于镍基粉末高温合金的热处理工艺来说，固溶处理 是为了溶解基体内的碳化物、 γ′相等，从而得到均匀的固 溶体，以便时效时均匀地析出γ′相，另外通过固溶处理还 可以获得适宜的晶粒度，以便提高合金的强度或高温蠕变 性能等。固溶温度的高低通常是以γ′相的溶解温度为基准 的。一般在低于γ′相溶解温度进行固溶处理，得到细晶组 织，屈服强度和疲劳性能好；而在γ′相溶解温度以上进行 固溶处理，得到粗晶组织，蠕变强度高和裂纹扩展速率低 。
粉末高温合金
开篇引言
粉末高温合金是20世纪60年代诞生的新一 代高温合金材料，由于用精细的金属粉末作为 成形材料，经过热加工处理得到的合金组织均 匀、无宏观偏析、合金化程度高，而且具有屈 服强度高和疲劳性能好等一系列优点，因此， 很快成为高推重比航空发动机涡轮盘等关键部 件的首选材料。以下我就粉末高温合金作几点 介绍。
粉末形状最不规则 , 呈球形和片状,表 面粗糙,有疏松。 粒度分布范围宽, 平均粒度较粗。
纯度较差,有坩埚 污染。
氧含量较低,与母合 金棒料相当,小于70 ×10 - 6 。
最低
氧含量较高 中等
图1 AA 粉末(a) 、PREP 粉末(b) 和SHA 粉末(c) 形貌
因为粉末是球形的，以及在冷态下粉末本身的硬度和 强度很高，在室温下实际上是很难压制成形的。因此采用 热成形工艺，主要有HIP、热压、热模锻、ITF 和HEX。 除此之外，粉末高温合金的固结成形工艺还有真空烧结、 压力烧结、金属注射成形(MIM)以及喷射成形(Osprey) 工 艺。
热加工及热处理工艺 粉末高温合金的锻造成型主要是与热等静压和热挤压相
结合使用的，锻造变形主要可以消除PPB(原始颗粒边界)和 枝晶，还可以对夹杂起到破碎作用，由于在形变过程中晶粒 发生形变再结晶，因而锻造后台金组织的晶粒细化，一般可 达ASTM9级以上。固此锻造成型的粉末高温合金的拉伸和屈 服强度较高，疲劳性能好。
（1）形成面心立方元素：镍、铁、钴和锰构成高温合金 的奥氏体基体γ。
（2）表面稳定元素：铬、铝、钛、钽。铬和铝主要提高 合金抗氧化能力，钛和钽有利于抗热腐蚀。
（3）固溶强化元素：钨、钼、铬、铌、钽和铝，溶解于 γ基体强化固溶体。
（4）金属间化合物强化元素：铝、钛、铌、钽、鉿和钨 形成金属间化合物Ni3Al、Ni3Nb、Ni3Ti等强化合金。
粉末高温合金的制备方法
目前粉末冶金高温合金的工艺流程大致如下: 预合金 粉末的制造→压实(热压、热等静压、挤压等) →热加工 变形(模锻、轧制、等温锻等) →机加工→无损检测→热 处理[2]。这些制造工艺水平的高低决定着合金的组织和性 能，对合金的晶粒度，基体中强化相尺寸、形状、分布和 数量等有直接的影响。
(2)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。
结束语
由于粉末高温合金被首选用作高推重比航空发动机涡 轮盘材料，具有重要的战略意义，因此各国对这方面的研 究都比较重视。本国自从20世纪70年代末开展了粉末高温 合金的研究以来，也取得了长足的进步。但就目前来说， 本国在涡轮盘材料和结构设计上与国外的差距依然很大。 为了满足国内发动机的迫切需求，应当在参照国外先进制 备工艺的基础上，加大对大型先进设备的引进与投入，争 取实现跨越式发展，早日实现本国高性能粉末盘的工程化 应用。
下图是新型第三代粉末高温合金的热处理工艺曲线图。 图2 合金的热处理工艺曲线
粉末高温合金的发展前景
粉末高温合金的发展已经进行了近50年，在生产工艺 逐渐趋予成熟的条件下，今后一系列性能更为优异的合金 也将被相继开发出来，今后具体发展方向可分为以下几个 方面[5]： (1)粉末制备 粉末的制备包括制粉和粉末处理。目前，主要制粉工艺 包括氩气雾化(AA)和等离子旋转电极法(PREP)都在积极改 进，尽量降低粉末粒度和杂质含量。沿着制造超纯净细粉 方向发展。另外，对粉末进行真空脱气和双韧化处理，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。
制粉与成型工艺
粉末的制备是粉末高温合金生产过程中最重要的环 节，粉末的质量直接影响零件的性能，目前在实际生产中 主要采用AA 工艺、PREP(REP) 工艺和溶氢雾化( SHA) 工艺，三种制粉工艺特性比较见表1[5]。粉末形貌见图1[5] 。俄罗斯和我国采用PREP 制粉工艺，美国等国家主要采 用AA 制粉工艺生产高温合金粉末。
(3)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会越来越广 泛。
• 为了提高第一代粉末高温合金的疲劳抗力和使用温度， 第二代粉末高温合金增大了第一代高温合金的晶粒度，使得 其抗拉强度较低，但具有较高的蠕变强度、裂纹扩展抗力及 损伤容限。 • 为了获得更好的性能，第三代粉末高温合金在合金成分 上进行了优化，提高了合金化程度，并采用了合适的冶金工 艺，获得的合金组织较前两代更为理想，因此第三代粉末高 温合金具备了强度和损伤容限兼优的性能特点，而且可以在 很高的温度下使用[4]。
粉末高温合金的热处理工艺直接影响合金的晶粒度，基 体中γ′相的形状、数量和尺寸及分布等。热处理工艺参数 主要包括固溶温度、保温时间、淬火介质和淬火温度及时效 制度等。其中时效制度主要是保证更多的细小γ′相析出， 同时使碳化物的分布更加合理，组织更加稳定，从而进一步 提高性能。时效制度的两个主要参数就是时效的温度和时效 的次数。一般二次时效后，细小γ′相含量将增加[6]。
见的组成相多达十余种，如碳化物 M 23C 6,M 6C ,M 12C ,M C
， 金属间化合物 ', ', '',, ,L a v e s , ,G , ，硼
化物M3B2，硫化物M2SC等相。
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这些相在合金中起着不同作用, 有些是高温合金的主 要强化相如γ′相 ，有些损害合金的强度和延性如所谓的