粉末冶金高溫合金成分和性能

幾種常用沉淀強(qiáng)化型粉末高溫合金的化學(xué)成分見表1。這些合金與同牌號(hào)的用鑄造或變形工藝制備的高溫合金相比，含碳量較低，可以避免在粉末顆粒邊界析出碳化物膜,影響材料性能。表1中的MERL76合金是在IN 100合金成分的基礎(chǔ)上降低碳含量，并加入強(qiáng)碳化物形成元素鈮和鉿，這就消除了粉末顆粒表面不良問(wèn)題，提高了合金強(qiáng)度，并且可以采用直接熱等靜壓成形工藝。

粉末冶金高溫合金

幾種常用的沉淀強(qiáng)化型粉末高溫合金的性能見表 2。這些合金的屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度顯然高于同牌號(hào)的鑄造成形和變形高溫合金。

粉末冶金高溫合金

用粉末冶金工藝制成的高溫合金。

　　粉末冶金高溫合金通常按合金強(qiáng)化方式分為彌散強(qiáng)化型和沉淀強(qiáng)化型兩類。彌散強(qiáng)化型高溫合金是用惰性氧化物來(lái)強(qiáng)化的，這種氧化物的物理和化學(xué)性能高度穩(wěn)定，在一般沉淀強(qiáng)化相軟化、聚集甚至溶解的溫度下，仍保持相當(dāng)高的強(qiáng)化效果。由于這種惰性氧化物必須彌散均勻分布才有強(qiáng)化效果，且它與基體合金比重相差懸殊，無(wú)法用常規(guī)的熔煉工藝來(lái)生產(chǎn)，而只能采用粉末冶金方法。彌散強(qiáng)化高溫合金除了用內(nèi)氧化、化學(xué)共沉淀、選擇性還原等方法制取外，1970年美國(guó)的J.S.本杰明又首次用機(jī)械合金化新工藝制成了用氧化釔彌散強(qiáng)化的高溫合金。機(jī)械合金化是用金屬粉或中間合金粉與氧化物彌散相混合，在高能球磨機(jī)中球磨，使粉末反復(fù)焊合、破碎，從而使每一顆粉末成為“顯微合金”顆粒。這種新的工藝方法可以制造成分十分復(fù)雜的彌散強(qiáng)化高溫合金。

用粉末冶金工藝制取的高溫合金?，F(xiàn)代噴氣推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高溫合金工作溫度及性能的要求日益提高。用變形工藝和鑄造工藝制備高合金化的高溫合金，由于鑄錠偏析嚴(yán)重、加工性能差和成形困難，已不能滿足要求。而采用粉末冶金工藝，由于粉末顆粒細(xì)小，凝固速度快，合金成分均勻，因而產(chǎn)品沒(méi)有宏觀偏析，性能穩(wěn)定,加工性能良好,而且可以進(jìn)一步提高合金化程度。在粉末冶金技術(shù)中采用熱等靜壓直接成形或用超塑性等溫鍛造成接近制品尺寸的工藝,還可以提高金屬利用率,減少機(jī)械加工量，從而降低成本。粉末冶金技術(shù)的缺點(diǎn)是金屬粉末易于氧化和污染，工藝要求嚴(yán)格。按合金強(qiáng)化方式可分為沉淀強(qiáng)化型和氧化物彌散強(qiáng)化型兩類（見金屬的強(qiáng)化）。

沉淀強(qiáng)化型粉末高溫合金 60年代初，美國(guó)開始用普通粉末冶金工藝制取高溫合金，未能成功。60年代末，改用惰性氣體（或真空）霧化制取預(yù)合金粉，并采用熱等靜壓、熱擠壓和超塑性等溫鍛造等現(xiàn)代粉末冶金工藝，制成了高溫合金。英、美等國(guó)研制成的幾種粉末高溫合金，已用于制造高推重比（推力/重量）發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)盤和渦輪盤。美國(guó)用快速凝固制粉工藝制成的新合金已加工成為氣冷渦輪葉片,正在試用。用高溫合金粉末制造的渦輪盤。

粉末冶金高溫合金

沉淀強(qiáng)化型粉末高溫合金的制造工藝特點(diǎn)是采用全惰性工藝，即霧化制粉和粉末處理均在氬氣保護(hù)下或真 空中進(jìn)行，以避免合金粉的氧化。工藝步驟如下：①預(yù)合金粉的制備。主要采用氬氣霧化法、真空霧化法、旋轉(zhuǎn)電極霧化法等。②粉末處理。在氬氣保護(hù)下進(jìn)行篩分、混料、去除氧化物夾雜，然后進(jìn)行真空脫氣。③裝套和焊封。在真空中將粉末裝入軟鋼、不銹鋼或玻璃－陶瓷型包套中，然后焊封。④熱壓成形和熱加工。主要采用熱等靜壓或熱擠壓，也可再進(jìn)行熱模鍛或超塑性等溫鍛造。⑤超聲波檢驗(yàn)。⑥熱處理和機(jī)械加工。

為提高沉淀強(qiáng)化型粉末高溫合金的某些性能，還可采用一些新工藝，比較重要的有：①快速凝固制粉。粉末冷卻速度可以達(dá)到106℃/秒,因而進(jìn)一步減少了偏析，使合金的成分和組織更加均勻，同時(shí)也擴(kuò)大了合金的固溶度范圍，可以繼續(xù)提高合金化程度，創(chuàng)制出強(qiáng)度和使用溫度更高的合金，用以制作多層薄片式氣冷渦輪葉片。②特殊熱處理工藝。梯度退火熱處理可以使葉片獲得定向再結(jié)晶的組織，而盤件中心部位獲得細(xì)晶組織，以制取雙重性能盤，滿足渦輪盤的使用要求。③熱塑加工工藝。將預(yù)合金粉預(yù)先進(jìn)行冷加工，使粉末內(nèi)部?jī)?chǔ)存應(yīng)變能，從而降低合金的再結(jié)晶溫度，這樣就可以在較低的壓力和較低的溫度下進(jìn)行熱等靜壓，以獲得完全再結(jié)晶的細(xì)晶組織，使材料具有超塑性，可以采用超塑性等溫鍛造工藝；熱塑工藝可以擴(kuò)大粉末粒度的應(yīng)用范圍，從而提高了粉末的利用率。

氧化物彌散強(qiáng)化型高溫合金 以熱穩(wěn)定性高的超細(xì)氧化物質(zhì)點(diǎn)均勻分布在金屬或合金基體內(nèi)，起彌散強(qiáng)化作用的高溫合金材料。簡(jiǎn)稱 ODS（oxide dispersionstrengthening）高溫合金。

在高溫合金中起強(qiáng)化作用的析出相（金屬間化合物或碳化物）隨溫度升高會(huì)重新溶入基體。因此，高溫合 金的最高工作溫度必然受強(qiáng)化相溶解溫度的限制。為解決這一問(wèn)題，從50年代起美國(guó)克里門斯(W.S.Cremens)和格雷戈里(E.Gregory)等人開始了氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金的研究。 　　

60年代初，美國(guó)一家公司用化學(xué)共沉淀法研制出以ThO2為彌散相的TD-Ni合金，這種合金抗氧化性差,中溫強(qiáng)度低;隨后又研制出TD-NiCr、TD-NiW、TD-NiMo和TD-NiCrMo等。同時(shí),其他研究者相繼開展了各種氧化物(如Y?O?、Al?O3、MgO、ZrO?及HfO?等)的彌散強(qiáng)化合金的研究。70年代初，美國(guó)本杰明(J.S.Benjamin)等人采用高能機(jī)械合金化工藝研制成既有金屬間化合物沉淀強(qiáng)化又有氧化物彌散強(qiáng)化的新型 ODS合金。1972年采用定向再結(jié)晶工藝──ZAP(zone aligned polycrystals)對(duì)某些ODS合金進(jìn)行處理,得到晶粒長(zhǎng)寬比較大的纖維狀晶粒組織，進(jìn)一步改善了ODS合金的性能。 　　

在70年代，ODS合金迅速發(fā)展起來(lái),到目前已有十余種牌號(hào),其中性能較好的有鎳基、鐵基ODS高溫合金。

粉末冶金高溫合金

ODS高溫合金具有良好的抗氧化抗熱腐蝕性能,優(yōu)異的高溫持久強(qiáng)度和疲勞性能。沉淀強(qiáng)化型高溫合金 加氧化物彌散強(qiáng)化后,工作溫度顯著提高,已有可能用于制作1100℃的渦輪葉片。典型的ODS合金同定向結(jié)晶MAR-M200（添加鉿）鑄造合金1000小時(shí)持久強(qiáng)度對(duì)比見圖2。

粉末冶金高溫合金

ODS合金在高溫下具有較高的持久強(qiáng)度,是由于氧化物質(zhì)點(diǎn)顆粒細(xì)小，彌散分布均勻，高溫穩(wěn)定性好。氧化物質(zhì)點(diǎn)尺寸一般小于500┱，極少數(shù)達(dá)1000┱,見圖2。

粉末冶金高溫合金

ODS 合金可用于制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的高溫部件，如火焰筒、導(dǎo)向葉片及渦輪葉片等。用MA754和MA956合金制成的在1200℃下工作的渦輪葉片。

按合金類型常用的有以下兩種：

粉末冶金高溫合金粉末冶金高溫合金

　① 固溶強(qiáng)化型彌散強(qiáng)化合金的生產(chǎn)，一般采用化學(xué)共沉淀法，即首先將金屬氧化物制成水溶膠并同基體各組元金屬鹽的混合水溶液和沉淀劑三者置于特定的容器中，使之生成以氧化物質(zhì)點(diǎn)為核心的復(fù)合沉淀物，經(jīng)過(guò)各種熱處理制成材料。

② 沉淀強(qiáng)化型彌散強(qiáng)化合金的生產(chǎn)，采用機(jī)械合金化工藝，即將金屬粉末、中間合金粉和氧化物粉置于攪拌式球磨機(jī)中，在真空或保護(hù)氣氛下通過(guò)鋼球的碾壓作用，原料粉被破碎、混合和冷焊合，達(dá)到合金化，其合金化過(guò)程。用此法生產(chǎn)的合金有 MA754、MA956、MA6000、ODS-WAZ-D等。其工藝流程。

粉末冶金高溫合金粉末冶金高溫合金

機(jī)械合金化 ODS合金的出現(xiàn)為工作溫度更高、性能更好的高溫合金的發(fā)展開辟了新的前景。

粉末冶金鎳基高溫合金是一種采用粉末冶金工藝制備的合金化程度高、晶粒細(xì)小的合金。

中文名稱

粉末冶金鎳基高溫合金

英文名稱

powder metallurgy nickel based superalloy

定　　義

采用粉末冶金工藝制備的鎳基高溫合金材料。合金化程度高、晶粒細(xì)小、組織均勻、加工性能好、高溫持久、蠕變、疲勞性能高等優(yōu)點(diǎn)，是先進(jìn)高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤等理想材料。

應(yīng)用學(xué)科

材料科學(xué)技術(shù)（一級(jí)學(xué)科），金屬材料（二級(jí)學(xué)科），特殊用途金屬材料（三級(jí)學(xué)科），高溫合金（四級(jí)學(xué)科）

主要用以生產(chǎn)沉淀強(qiáng)化型和氧化物彌散強(qiáng)化型高溫合金。這種工藝可使一般不能變形的鑄造高溫合金獲得可塑性甚至超塑性。