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【摘要】粉末高溫合金是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的新型高溫合金，以金屬粉末為原材料，經(jīng)過后續(xù)熱加工處理，得到具有較高抗拉強(qiáng)度和良好的抗疲勞性能的合金[1]。本文首先明確了高溫合金的概念、分類等，之后介紹了粉末高溫合金的目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，最后著重介紹了目前常見的粉末高溫合金的制備技術(shù)。
【關(guān)鍵詞】粉末高溫合金；高溫合金；氣霧化法制粉； PREP法；熱處理。
1前言
渦輪盤被譽(yù)為“航空發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟部件”，主要采用高溫合金制造。高溫合金可以在高溫的工況下承受復(fù)雜的機(jī)械應(yīng)力，且可在嚴(yán)苛的工作環(huán)境下仍具備耐蝕、耐磨、抗蠕變性和抗疲勞等優(yōu)良性能。因此，高溫合金成為航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。
高溫合金是指以鎳、鐵和鈷為基體，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作，能承受較大復(fù)雜應(yīng)力、并具有表面穩(wěn)定性的一類金屬材料。根據(jù)材料成形方法，高溫合金可以分類為鑄造高溫合金、變形高溫合金和新型高溫合金[2]。粉末高溫合金作為新型高溫合金的一種，較傳統(tǒng)的鑄造變形高溫合金，具備成分均勻、晶粒細(xì)小、屈服強(qiáng)度高、抗疲勞性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的新型高溫合金首選材料[7]。
2粉末高溫合金概念
粉末高溫合金（Powder Metallurgy Superalloy）是指采用粉末冶金工藝生產(chǎn)的高合金化程度的高溫合金材料[8]。通常是以鎳為基體，添加有Co、Cr、W、Mo、Al、Ti、Nb、Ta等多種合金元素的一類具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗疲勞和抗熱腐蝕等綜合性能的合金，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸、渦輪盤擋板、渦輪盤等關(guān)鍵熱端部件的首選材料[9]。
3粉末高溫合金發(fā)展現(xiàn)狀
目前世界上只有美國、俄羅斯、英國、法國、中國等少數(shù)國家具備粉末高溫合金研發(fā)、生產(chǎn)能力，其中美國和俄羅斯是粉末高溫合金研制和工程化應(yīng)用最成功的國家，所生產(chǎn)的粉末高溫合金制品被用于多個(gè)型號(hào)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。[8]
在粉末高溫合金領(lǐng)域，歐美等國已經(jīng)研制出了第四代粉末高溫合金。第一代為650℃高強(qiáng)型粉末高溫合金，如René95、IN100等；第二代為750℃損傷容限型粉末高溫合金，如René88DT、N18等；第三代為高強(qiáng)損傷容限型粉末高溫合金，如René104/ME3、Alloy10、LSHR和RR1000等；第四代粉末高溫合金是在第三代的基礎(chǔ)上，通過成分調(diào)整和工藝優(yōu)化來獲得更高的工作溫度，使其具有高強(qiáng)度、高損傷容限和高工作溫度的特點(diǎn)。[6]
俄羅斯幾乎和美國同時(shí)開展粉末高溫合金的研究，與美國相比，俄羅斯粉末高溫合金牌號(hào)較少，目前廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的只有ЭΠ741HΠ，該合金具有優(yōu)異的綜合高溫性能，使用溫度為650～750℃。2004年后俄羅斯新研制了BBП系列粉末高溫合金，與ЭΠ741HΠ合金相比，BBП系列合金的室溫強(qiáng)度、持久強(qiáng)度、低周疲勞性能更高，目前尚未獲得規(guī)�；瘧�(yīng)用[8]。
中國粉末高溫合金的研究起步相對(duì)較晚，開始于20世紀(jì)70年代后期。目前，我國已成功研制出第一代高強(qiáng)型和第二代損傷容限型粉末高溫合金，正在研制高強(qiáng)損傷容限型第三代粉末高溫合金，并對(duì)高工作溫度、高強(qiáng)度和高損傷容限的新型第四代粉末高溫合金開展了補(bǔ)充探索研究。[1，2，6]
4粉末高溫合金制備技術(shù)
粉末高溫合金的制備主要涉及到粉末的制備、粉末熱固結(jié)成形、熱處理等工藝過程，如圖1所示。主要采用的加工路線有3種：①制粉+熱固結(jié)成型+熱處理；②制粉+熱固結(jié)成型+熱鍛造+熱處理；③制粉+熱固結(jié)成型+熱擠壓+熱鍛造+熱處理。[9]
圖1 粉末高溫合金三條主要制備路線圖
4.1粉末制備
粉末制備是粉末高溫合金生產(chǎn)過程中非常重要的環(huán)節(jié)。目前高溫合金粉末制備主要有Ar氣霧化法制粉(AA粉)和等離子旋轉(zhuǎn)電極法制粉(PREP粉)2種方法。
（1）氣霧化法制粉[6]
氣霧化制粉屬于物理外混合式二流破碎制粉方法，具有時(shí)間短、溫度梯度高、合金狀態(tài)變化復(fù)雜的特點(diǎn)，是一種復(fù)雜的物理冶金過程。真空感應(yīng)熔煉氣霧化(VIGA)制粉設(shè)備示意圖如圖2所示，主要分為真空系統(tǒng)、感應(yīng)熔煉系統(tǒng)、氣源、霧化系統(tǒng)以及粉末收集系統(tǒng)，相應(yīng)的制粉過程分為熔煉、霧化、液滴凝固與粉末收集4個(gè)過程。
圖2 真空感應(yīng)熔煉氣霧化制粉設(shè)備示意圖
Ar氣霧化制粉的優(yōu)勢(shì)在于可以制備比較細(xì)小的球形高溫合金粉末，通過篩分去除較大的夾雜顆粒，從而降低夾雜的有害影響。未來高溫合金Ar氣霧化制粉技術(shù)將繼續(xù)朝著高純、細(xì)化、窄粒度、少夾雜、高球形度以及高效率和低成本的方向發(fā)展。
（2）等離子旋轉(zhuǎn)電極法制粉[7]
等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PREP）是通過等離子弧熔化高速旋轉(zhuǎn)的母合金棒料端部，在離心力作用下合金液滴飛射，并在惰性氣體介質(zhì)中以約104℃/s的速度，靠表面張力的作用凝固成球形的顆粒。PREP制粉工藝如圖3所示。粉末具備球形度好、表面光亮、潔凈，物理工藝性能好的特性。
圖3 PREP工藝制粉示意圖
歐美等先進(jìn)工業(yè)發(fā)達(dá)國家采用Ar氣霧化法制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)用粉末高溫合金，AA粉粒度較細(xì)，制坯后組織均勻性好，夾雜物尺寸小。俄羅斯粉采用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)用粉末高溫合金[6]，PREP粉末粒度較大、分布范圍較窄，由于制備過程不使用坩堝，因此粉末潔凈度較高，非金屬夾雜數(shù)量較少，氧含量較低，并且粉末球形度高，流動(dòng)性好。在我國兩種工藝都得到實(shí)際應(yīng)用。[8]
4.2高溫合金粉末固結(jié)成型工藝
由于高溫合金中往往含有Cr、Ti、Al等難燒結(jié)元素，高溫合金燒結(jié)通常要在高溫高壓環(huán)境中真空封裝后才能進(jìn)行。目前采用的高溫合金粉末固結(jié)工藝有：真空熱壓成形、熱等靜壓成形、熱擠壓、等溫鍛造等。其中，熱等靜壓和熱擠壓工藝使用最為廣泛。[9]
（1）熱等靜壓技術(shù)
熱等靜壓處理的基本原理是以氣體或液體作為壓力介質(zhì)，使材料在加熱過程中經(jīng)受各向均衡的壓力，借助于高溫與高壓的共同作用促進(jìn)材料致密化和元素?cái)U(kuò)散[4]。熱等靜壓過程使內(nèi)部的孔隙和微裂紋等缺陷閉合，起到提高鑄件整體力學(xué)性能的目的[10]。
圖4 熱等靜壓成型工藝
（2）熱擠壓技術(shù)[12]
熱擠壓是指將坯料加熱至再結(jié)晶溫度以上，使其在強(qiáng)烈的擠壓力作用下，從擠壓�？谥辛鞒龌蛄魅爰�(xì)小的模腔中，最終獲得所需加工件的壓力加工方法。通常熱擠壓的工藝為：首先將坯料加熱到需要的溫度，若坯料表面有氧化皮產(chǎn)生，則應(yīng)立即將其去除，之后立即將坯料裝填入型腔內(nèi)進(jìn)行擠壓，經(jīng)過單道次擠壓即可得到所需工件。其工藝流程如圖5所示。
圖5 熱擠壓工藝流程圖
相對(duì)于其他壓力加工方法，用熱擠壓方法加工的擠壓件，機(jī)械加工余量很小，表面精度較高。熱擠壓工藝加工的零件具有明顯強(qiáng)于其他加工工藝的機(jī)械性能。但熱擠壓的工作環(huán)境以及變形方式也有自身的局限性，主要表現(xiàn)在擠壓件表面氧化嚴(yán)重，質(zhì)量差；生產(chǎn)條件惡劣，對(duì)模具要求苛刻，模具使用壽命較低。
4.3熱處理工藝[11]
高溫合金熱處理工藝是指高溫合金材料在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻的方式，以獲得預(yù)期組織和性能的一種金屬熱加工工藝，是改變合金顯微組織、挖掘合金潛力、改善其綜合性能的關(guān)鍵手段之一。近年來研究較為深入的熱處理工藝主要是固溶處理和時(shí)效處理。
固溶處理是指在高于高溫合金組織內(nèi)析出相的全溶溫度，使合金中各種分布不均勻的析出相充分溶解至基體相中，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化固溶體并提高韌性及抗蝕性能，消除殘余應(yīng)力的作用，以便繼續(xù)加工成型，并為后續(xù)時(shí)效處理析出均勻分布的強(qiáng)化相做準(zhǔn)備。
時(shí)效熱處理是指在強(qiáng)化相析出的溫度區(qū)間內(nèi)加熱并保溫一定時(shí)間，使高溫合金的強(qiáng)化相均勻地沉淀析出，碳化物等均勻分布，從而實(shí)現(xiàn)硬化合金和提高其強(qiáng)度的作用。
5結(jié)論
粉末高溫合金優(yōu)良的綜合性能決定了其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主動(dòng)力裝置、飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置(APU)、增材制造高性能技術(shù)構(gòu)件上均有一定的應(yīng)用[6]。我國在粉末高溫合金領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)步，部分粉末高溫合金制件已獲得應(yīng)用，但是與美歐、俄羅斯等航空強(qiáng)國相比，差距仍然巨大。隨著我國航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)的粉末高溫合金將迎來一個(gè)大發(fā)展的時(shí)代。
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（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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