镍基粉末高温合金冶金工艺的研究与发展

镍 基粉末 高温合金 冶金工 艺的研究 与发展
45
在先采用氩气雾化制粉工艺的情况下 , 转而把旋转电 极制粉工艺做为高温合金粉末生产的主要方法。对于 氩雾化粉末来说 , 其发展方向就是向无陶瓷和粉末细
化方向发展 , 而对于等离子旋转电极制粉工艺来说 , 就是通过提高电极转速或电极棒直径来提高细粉收 得率。
44
材料工程 /2002年 3期
镍基粉末高温合金冶金工艺的研究与发展
Research and Dev elo pment of P /M Superalloy M etallurgic Techniques
国为民 , 冯 涤 , 吴剑涛 , 张凤戈 , 张 莹 , 张义文 (钢铁研究总院 , 北京 100081) GUO Wei -mi n, FENG Di, W U Ji an-tao, ZHAN G Feng-g e, ZHAN G Ying, ZHAN G Yi-w en
1 制粉及粉末处理工艺
1. 1 制粉工艺 制粉工艺的目的 , 是要获得气体含量低 , 有一定 颗粒大小 ( - 60 ～ + 300目 ) 和形态好 (最好是球 状 ) 的预合金粉末 , 这也是决定粉末高温合金质量的 关键。 一般来说 , 高温合金的制粉工艺有惰性气体雾 化法 ( AA法 ) , 旋转电极法 ( REP法 ) 和溶入气体雾 化法等三种 [2 ] , 其中 A A 法和 P REP法应用广泛 , 制 粉工艺的原理如图 1所示。
粉末高温合金与传统的铸锻高温合金相比 , 具有 组织均匀 , 无宏观偏析 , 以及屈服强度高、 疲劳性能 好等优点 , 用其制造涡轮盘等关键部件可以满足先进 高推比发动机的要求。 世界上粉末冶金高温合金工艺 诞生于 60年代末 , 历经三十多年的发展 , 粉末冶金高 温合金工艺已进入崭新的发展阶段 , 成为当前高性 能、 高使用温度先进燃气发动机涡轮材料制造最成熟 和最可靠的方法。 镍基粉末高温合金涡轮盘已广泛用 于美、 俄、 英等国各种先进航空发动机的研制和生产 中 , 在粉末高温合金研究领域 , 美国和俄罗斯居于世 界领先地位 [1 ]。 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。
( Cent ral Iron and Steel Insti tut e, Beiji ng 100081, Chi na)
摘要: 叙述和分析了镍基粉末高温合金冶金工艺三十多年来在制粉及粉末处 理工艺、 成型工艺、 热处理工艺等方面的 研究成果和存在的问题 , 总结了粉末高温合金冶金工艺今后的主要发展方向。 关键词: 高温合金 ; 粉末冶金工艺 ; 研究和发展 中图分类号: T F124 文献标识码: A 文章编号: 1001-4381 ( 2002) 03-0044-05
2 成型工艺
2. 1 粉末高温合金的压实成型工艺
对于镍基高温合金 , 目前常用的压实成型工艺有 热等静压 ( HIP) , 热挤压 ( EX) , 包套锻造 ( F)、 等 温锻造 ( HIF) 和超塑性锻造等。
46
材料工程 /2002年 3期
粉末高温合金的直接热等静压成型工艺是俄罗 斯的主导成型工艺 , 经过二十多年的发展 , 已日趋成 熟和完善。 目前其主要发展方向是利用热等静压技术 的特点开发复合组件等新产品。 挤压对于粉末高温合 金是一种较好的压实工艺 , 也是粉末高温合金压实成 型使用最多的一种工艺。挤压后的坯料可以继续进行 锻造或轧制。 由于在剪切时产生一个剪切效应 , 颗粒 的切变破碎了原来的颗粒边界 , 增强了颗粒间的结
图 1 制粉工艺原理简图 ( a) PREP; ( b ) A A Fig. 1 Ill ust ration of pow der p roducing process
旋转电极法指将原料合金作为旋转自耗电极 , 用 固定的钨电极产生的电弧或用等离子电弧连续熔化 电极 , 旋转电极端部熔化的金属液滴在离心力作用下 飞出 , 形成细小的球状颗粒 , 颗粒大小是由电功率参 数 , 电极直径 , 电极转速等参数决定的。 一般电极直 径为 50～ 75mm, 由于没有坩埚耐火材料的污染 , 因 而粉末的气体含量保持原来合金的水平。 与 AA法相 比 , 粉末粒度好 , 圆整 , 无空心粉和串状粉 , 但粒度 分布比较窄 ,细颗粒组分低 (如图 2所示 ) ,同时 P REP 法设备也比氩气雾化复杂。旋转电极法中尤以等离子 旋转电极法 ( P REP法 ) 最具有优点 , 目前俄罗斯的 镍基高温合金粉末制备主要采用这种工艺。 我国也是
图 2 粉末的形貌 ( a) PR EP粉末 ; ( b) A A粉末 Fig. 2 Prof il e of powd er ( a) PR EP powd er ( b ) A A powd er
1. 2 粉末处理工艺 通常 , 粉末的处理工艺主要包括粉末的筛分处 理 , 静电去除陶瓷夹杂处理 , 气体浮选 , 气流磨 , 真 空脱气处理等。 其中 , 主要的是筛分和静电分离非金 属夹杂处理。 俄罗斯和中国都把其作为主要粉末处理 手段。表 1是 FG H95粉末原粉 , 筛分和静电分离后粉 末中夹杂的数量变化。 真空预脱气处理工艺也是粉末处理的一个重要 手段 [3 ] , 能有效地减少和最大限度的消除热等静压后 合金中的残留气孔 , 从而改善合金性能 , 图 3是采用 脱气预处理工艺前后的残留气孔洞组织对比照片。 其 它如气体浮选 , 气流磨等处理工艺 , 基本上是处于研 究使用状态 , 不能形成粉末处理工艺的主流。 自粉末
低周疲劳寿命
高Βιβλιοθήκη Baidu
损伤容限
差
使用温度 /℃
650
较低
好
最好
一般
750
700～ 750
一般直接 HIP 成型的等 离子旋转 电极 FGH95 (或 Rene95等 ) 的晶粒度为 6～ 8级 , 而氩气雾化超细 粉末直接热等静压成型 , 热处理后可获得 10～ 12级 晶粒度。 热等静压+ 包套锻造的 FGH95合金晶粒度 可达 9～ 11级 , 而挤压+ 等温锻造的氩气雾化粉末高 温合金可获得 12～ 14级的晶粒组织。 粉末高温合金 的热处理制度为固溶处理+ 时效处理。 只不过针对具
1029. 7M Pa
980. 7M Pa
9 70. 9MPa
f700℃ = 10150h f750℃ = 100h f7 50℃ = 100h
686. 5M Pa
686. 5M Pa
6 86. 5MPa
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′(主要强化相 ) 和碳化物 ( M C, M6 C, M23 C6 , M7 C3 ) 所组成 , 在热处理过程中 也可能出现 T CP相 (σ、 M 和 lav es相等 ) , 图 5是 F GH95粉末 ( PREP粉 ) 涡轮盘的组织结构。 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。 但随着损伤容限设计要求的提出 , Rene88DT 等合金 的 γ′相含量有所下降 ( 45% ) , 强度降低 , 但持久抗断 裂韧性等性能明显提高。 表 2是美、 俄等几种粉末高 温合金性能的比较。
镍 基粉末 高温合金 冶金工 艺的研究 与发展
47
体的合金 , 固溶处理后淬火介质不同 (油淬 , 盐淬 , 风 冷空冷等 ) 同时 , 时效制度不同 (一次时效、 二次时 效等 )。 俄罗斯粉末高温合金的固溶处理温度比英美
3 组织、 性能和热处理工艺
表 2 三 种常见粉末高温合金的性能比较 Table 2 Pro per ties comparison o f 3 kind o f PM supera lloy
合金牌号
Ren e95
Ren e88D T
ЭП741НП
( Al+ Ti )%
6%
5. 8%
6. 8%
20℃σ0. 2
图 4 FG H95粉末涡轮盘成型工艺示意图 Fi g. 4 Illus t ration of FG H95 dis cs f orming process
的均匀性及控制原有夹杂形状改变等方面仍有待于 提高和完善 , 但该工艺对于提高直接热等静压件的疲 劳强度和拉伸屈服强度等具有重要作用 , 通过该工艺 能够获得满足性能要求的粉末高温合金制件。 2. 2 不同压实成型工艺的对比研究 对比研究了 HIP、 HIP+ HIF (热等静压+ 等温 锻 ) , EX (挤压 ) 三种不同成型工艺 FG H95合金的性 能 , 结果表明 [5 ] , 热挤压合金的拉伸强度塑性和持久 性能都明显优于另外两种成型工艺合金。 而 HIP+ HIF成型工艺合金的强度和塑性也比直接 HIP合金 有所提高 , 但持久强度几乎无变化。 实际上 , 研究实 践也表明 , 直接 HIP合金的持久性能稳定 , 但直接 HIP成型工艺对粉末的质 量 (无空心粉 , 气体含量 低 ) 等要求较高。 对于我们来说 , 在今后几年的粉末 冶金高温合金工艺的研究中 , 必须把直接 HIP压实成 型工艺作为重点研究方向。
Abstract: Research achiev ement on pow der producing , pow der t rea ting , f orming process. hea tt rea tm ent of Ni-base superalloy is present ed and analy zed, a nd problems i s also discussed. The major tendency of P /M superallo y m etallurgic technics i s i ndica ted. Key words: superallo y; P / M metallurgic techniques; research a nd development
126
113
93. 5
σb
162
150
143
δ
10
20
25
拉伸 650℃σ0. 2
117
110
90. 5
性能
σb
145
14
134
Kg /m m2
δ
8
18
22
750℃σ0. 2
107
105
94
σb
116
128
114
δ
14
16
持久强度
f650℃ ≥ 50h f650℃ ≥ 100h f6 50℃ = 100h
合 , 所以该工艺对于含氧量高 , P PB (原始粉末颗粒 边界 ) 形成倾向较大的氩雾化粉末显得更为重要。 在 美国 , 粉末高温合金涡轮盘的成型工艺主要是挤压+ 等温锻造。 我国在参考分析了美、 俄等国压实成型工 艺的基础上 , 结合我国无大型挤压机和等温锻造机的 情况 , 将粉末涡轮盘的压实成型工艺定位在热等静压 + 包套锻造工艺上 [4 ] , 工艺流程如图 4示。 十几年的研究实践表明 , 虽然该工艺在盘件变形
表 1 100g不同处理工艺粉末中的平均夹杂数量 Table 1 Inclusio n av erag e o f 100 g rain o f pow de r afte r different pro cess
夹杂尺寸 /μm
夹杂总数
粉末状态
50～ 100 100～ 150150～ 200200～ 250 > 250 个 / 100g
原始粉末
4
5
2
1
2
14
筛分后
4
<4
1
0
0
<9
静电分离 < 1
<1
0
0
0
<2
冶金高温合金工艺诞生三十多年来 , 粉末处理工艺一 直没有捷径可走 , 传统的去除陶瓷夹杂 , 降低气体含 量始终是粉末处理工艺研究和发展的目标和动力源 泉。
图 3 直接 HIP FG H95合金真空预脱气处理工艺前、 后的残留气体孔洞 ( a) 处理前 ; ( b ) 处理后 Fi g. 3 Residual gas cavi t y of HIP FG H95 al loy bef ore ( a) and af ter ( b) degasi ng i n vacu um