俄罗斯粉末高温合金工艺的研究和发展

作者简介:国为民,34岁,博士　高级工程师,从事粉末高温合金研究工作。收稿日期:1999-10-08

俄罗斯粉末高温合金工艺的研究和发展

国为民 冯　涤

(钢铁研究总院　北京100081)

摘　要:总结和分析了俄罗斯粉末高温合金工艺研究的成果和发展方向,介绍了粉末涡轮盘的质量控制原则和其他方面的发展动态。关键词:粉末高温合金,工艺,发展

中图分类号:TF125.2+12

RE SE ARCH AND DEVEL OPMENT OF POW DER ME TALLUR GY SUPERALLOY IN RUSSIA

Guo Wei -min Feng Di

(Central Iron &Steel Research Institute ,BeiJing 100081,China )

A bstract :The research and development of powder metallurgy superalloy in Russia have been r eviewed .The manufacture pr oc ess and quality c ontr ol of powder tur bine disk ha ve been intro -duced .

Key words :Powder metallurgy superalloy ,process ,development

1　前言

粉末(镍基)高温合金晶粒细小,组织

均匀,无宏观偏析,合金化程度高,屈服强度高,疲劳性能好,是制造高推比新型发动机涡轮盘等部件的最佳材料。自1971年美国P &W 公司将铸造合金IN -100制成预合金粉末,并经挤压加超塑性等温锻造工艺制成涡轮盘、压气机盘等9个零件起,世界上粉末高温合金发展至今已近30年历史[1]。俄罗斯粉末高温合金的研究起始于60年代末,1978年粉末高温合金涡轮盘正式在军用发动机上使用,至今已有20多年。目前在粉末高温合金领域,美国和俄罗斯工艺各

异,都居于世界领先地位。

俄罗斯的粉末高温合金发展始于军用航空领域,并逐渐扩展到民用航空领域,在

80年代末研制出ПС-90A 民用航空发动机盘件。到1993年已累计生产各类粉末高温合金盘件25000个,短寿命设计要求的部件单件工作时间达1500h ,长寿命要求的部件单件工作时间达10000h ,总的工作时间超过了1百万h [2],到1995年已装机使用盘、轴类件总数超过了40000件。全俄生产粉末高温合金的单位有两个,一个是全俄轻合金研究院(ВИЛС),另一个是斯图宾斯克冶金联合体(C MK )。全俄轻合金研究院有两条粉末生产线,旧生产线的设备是自

第10卷　第1期2000年2月 粉末冶金工业PO WDER MET ALLURG Y INDUSTRY

Vol .10No .1

Feb .2000

DOI :10.13228/j .boyuan .issn 1006-6543.2000.01.007

己设计制造的,新生产线设备是自己设计由德国海拉斯公司制造的,具有年产两万个涡轮盘的能力,斯图宾斯克冶金联合体拥有三台制粉设备。年产高温合金粉末7000t,可年产粉末涡轮盘40000件。俄罗斯已研制的6个牌号的粉末高温合金依次为ЭΠ741Π;ЭΠ741HΠ;ЭΠ741HΠУ;ЭΠ962Π;ЭΠ975Π;ЭΠ962HΠ;其中ЭΠ741HΠ合金用量最大,用途最广,使用温度达700℃,ЭΠ962Π为高强合金,与美国Rene95类似,ЭΠ975Π的使用温度可达750℃,而ЭΠ962HΠ合金是正处于研制阶段的新型粉末高温合金,室温抗拉强度达1550MPa以上,750℃,100h的持久应力达750MPa。俄罗斯粉末涡轮盘的主导制造工艺路线为:母合金熔炼及电极棒浇注加工※等离子旋转电极制粉※粉末处理※粉末装套及封焊※热等静压成形※热处理※机加工※检验※成品。

俄罗斯粉末高温合金的制造工艺历经20多年的发展,积累了丰富的经验,同时又有很多的创新,了解和掌握俄罗斯粉末高温合金工艺技术的成功经验和发展动态,对我国粉末高温合金的研制工作是大有益处的。

2　粉末高温合金工艺研究的发展

2.1　发展真空冶炼工艺,提高电极棒的纯度和成形性

等离子旋转电极法制粉与氩气雾化方法不同,必须先制备电极。电极棒的制造过程包括冶炼、浇注、端部切除及表面加工和真空退火等工序,其中熔炼和浇注是最主要的环节,决定了其他工序的质量。电极棒的纯度主要是指气体(氧、氮)含量,其他元素(铝、钼、硒等)含量,硫、磷杂质及各种非金属夹杂(陶瓷、熔渣等),其中非金属夹杂将直接影响到粉末的质量,是评价粉末是否合格的一个重要指标。俄罗斯前期采用的熔炼工艺是真空感应熔炼(BИП)。在1984年以前浇注的电极棒尺寸为55mm×600mm,到1986年时,浇注的电极棒尺寸已全部改为85mm×1000mm,到目前为止,轻合金研究院的熔炼工艺主要还是真空感应熔炼。但在斯图宾斯克冶金联合体,在1990年以后已逐步采用真空感应+真空自耗重熔的熔炼工艺(BИΠ+BDΠ),并至今得到普及。具体工艺过程是:真空感应熔炼浇注出63mm×1350mm的铸锭,切除端部并进行表面加工,获得63mm×1200mm的铸锭,然后进行真空自耗重熔浇注成83mm×700mm的电极棒,机加工后得到76mm×600mm的电极棒。这种双联工艺对减少电极棒中非金属夹杂的数量和尺寸效果都是显著的,如表1所示。

表1　不同熔炼工艺对非金属夹杂尺寸和数量的影响

熔炼工艺

1kg粉末不同尺寸(μm)的非金属夹杂的数量/个

50～100100～160160～200200～250250～300>300总计

BИП601201301002320453粉末雾化后BИП+BDП81217149565未经筛分　BИП457885741610308粒度分级　BИП+BDП68866741筛分后

平均统计研究结果表明,由于采用了BИП+B DП双联熔炼工艺,其浇注的电极棒雾化成粉末并筛分后与直接BИП熔炼工艺相比,粉末中的非金属夹杂数量都明显减少,上述研究结果是建立在按获得50～200μm粒度粉末的雾化工艺上的。由表中结

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第1期 国为民等:俄罗斯粉末高温合金工艺的研究和发展