粉末冶金高溫合金

粉末冶金高溫合金

正文

用粉末冶金工藝製取的高溫合金。現代噴氣推進技術的發展，對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製備高合金化的高溫合金，由於鑄錠偏析嚴重、加工性能差和成形困難，已不能滿足要求。而採用粉末冶金工藝，由於粉末顆粒細小，凝固速度快，合金成分均勻，因而產品沒有巨觀偏析，性能穩定,加工性能良好,而且可以進一步提高合金化程度。在粉末冶金技術中採用熱等靜壓直接成形或用超塑性等溫鍛造成接近製品尺寸的工藝,還可以提高金屬利用率,減少機械加工量，從而降低成本。粉末冶金技術的缺點是金屬粉末易於氧化和污染，工藝要求嚴格。按合金強化方式可分為沉澱強化型和氧化物彌散強化型兩類（見金屬的強化）。
沉澱強化型粉末高溫合金 60年代初，美國開始用普通粉末冶金工藝製取高溫合金，未能成功。60年代末，改用惰性氣體（或真空）霧化製取預合金粉，並採用熱等靜壓、熱擠壓和超塑性等溫鍛造等現代粉末冶金工藝，製成了高溫合金。英、美等國研製成的幾種粉末高溫合金，已用於製造高推重比（推力／重量）發動機的高壓壓氣機盤和渦輪盤。美國用快速凝固制粉工藝製成的新合金已加工成為氣冷渦輪葉片,正在試用。圖1所示為用高溫合金粉末製造的渦輪盤。

粉末冶金高溫合金

成分和性能 幾種常用沉澱強化型粉末高溫合金的化學成分見表1。這些合金與同牌號的用鑄造或變形工藝製備的高溫合金相比，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合金成分的基礎上降低碳含量，並加入強碳化物形成元素鈮和鉿，這就消除了粉末顆粒表面不良問題，提高了合金強度，並且可以採用直接熱等靜壓成形工藝。

粉末冶金高溫合金

幾種常用的沉澱強化型粉末高溫合金的性能見表 2。這些合金的屈服強度和疲勞強度顯然高於同牌號的鑄造成形和變形高溫合金。

粉末冶金高溫合金

製造工藝 沉澱強化型粉末高溫合金的製造工藝特點是採用全惰性工藝，即霧化制粉和粉末處理均在氬氣保護下或真空中進行，以避免合金粉的氧化。工藝步驟如下：①預合金粉的製備。主要採用氬氣霧化法、真空霧化法、鏇轉電極霧化法等。②粉末處理。在氬氣保護下進行篩分、混料、去除氧化物夾雜，然後進行真空脫氣。③裝套和焊封。在真空中將粉末裝入軟鋼、不鏽鋼或玻璃－陶瓷型包套中，然後焊封。④熱壓成形和熱加工。主要採用熱等靜壓或熱擠壓，也可再進行熱模鍛或超塑性等溫鍛造。⑤超音波檢驗。⑥熱處理和機械加工。
為提高沉澱強化型粉末高溫合金的某些性能，還可採用一些新工藝，比較重要的有：①快速凝固制粉。粉末冷卻速度可以達到106℃／秒,因而進一步減少了偏析，使合金的成分和組織更加均勻，同時也擴大了合金的固溶度範圍，可以繼續提高合金化程度，創製出強度和使用溫度更高的合金，用以製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晶的組織，而盤件中心部位獲得細晶組織，以製取雙重性能盤，滿足渦輪盤的使用要求。③熱塑加工工藝。將預合金粉預先進行冷加工，使粉末內部儲存應變能，從而降低合金的再結晶溫度，這樣就可以在較低的壓力和較低的溫度下進行熱等靜壓，以獲得完全再結晶的細晶組織，使材料具有超塑性，可以採用超塑性等溫鍛造工藝；熱塑工藝可以擴大粉末粒度的套用範圍，從而提高了粉末的利用率。
氧化物彌散強化型高溫合金 以熱穩定性高的超細氧化物質點均勻分布在金屬或合金基體內，起彌散強化作用的高溫合金材料。簡稱 ODS（oxide dispersionstrengthening）高溫合金。
發展過程 在高溫合金中起強化作用的析出相（金屬間化合物或碳化物）隨溫度升高會重新溶入基體。因此，高溫合金的最高工作溫度必然受強化相溶解溫度的限制。為解決這一問題，從50年代起美國克里門斯(W.S.Cremens)和格雷戈里 (E.Gregory)等人開始了氧化物彌散強化高溫合金的研究。
60年代初，美國一家公司用化學共沉澱法研製出以ThO2為彌散相的TD-Ni合金，這種合金抗氧化性差,中溫強度低;隨後又研製出TD-NiCr、TD-NiW、TD-nimo和TD-NiCrMo等。同時,其他研究者相繼開展了各種氧化物(如Y2O3、Al2O3、MgO、ZrO2及HfO2等)的彌散強化合金的研究。70年代初，美國班傑明(J.S.Benjamin)等人採用高能機械合金化工藝研製成既有金屬間化合物沉澱強化又有氧化物彌散強化的新型 ODS合金。1972年採用定向再結晶工藝──ZAP(zone aligned polycrystals)對某些ODS合金進行處理,得到晶粒長寬比較大的纖維狀晶粒組織，進一步改善了ODS合金的性能。
成分和性能 在70年代，ODS合金迅速發展起來,到目前已有十餘種牌號,其中性能較好的有鎳基、鐵基ODS高溫合金，見表3。

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ODS高溫合金具有良好的抗氧化抗熱腐蝕性能,優異的高溫持久強度和疲勞性能。沉澱強化型高溫合金加氧化物彌散強化後,工作溫度顯著提高,已有可能用於製作1100℃的渦輪葉片。典型的ODS合金同定向結晶MAR-M200（添加鉿）鑄造合金1000小時持久強度對比見圖2。

粉末冶金高溫合金

ODS合金在高溫下具有較高的持久強度,是由於氧化物質點顆粒細小，彌散分布均勻，高溫穩定性好。氧化物質點尺寸一般小於500┱，極少數達1000┱,見圖3。

粉末冶金高溫合金

ODS 合金可用於製造噴氣發動機、工業燃氣輪機的高溫部件，如火焰筒、導向葉片及渦輪葉片等。圖4是用MA754和MA956合金製成的在1200℃下工作的渦輪葉片。
製造工藝 按合金類型常用的有以下兩種：

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① 固溶強化型彌散強化合金的生產，一般採用化學共沉澱法，即首先將金屬氧化物製成水溶膠並同基體各組元金屬鹽的混合水溶液和沉澱劑三者置於特定的容器中，使之生成以氧化物質點為核心的複合沉澱物，經過各種熱處理製成材料。
② 沉澱強化型彌散強化合金的生產，採用機械合金化工藝，即將金屬粉末、中間合金粉和氧化物粉置於攪拌式球磨機中，在真空或保護氣氛下通過鋼球的碾壓作用，原料粉被破碎、混合和冷焊合，達到合金化，其合金化過程見圖5。用此法生產的合金有 MA754、MA956、MA6000、ODS-WAZ-D等。其工藝流程如圖6所示。

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機械合金化 ODS合金的出現為工作溫度更高、性能更好的高溫合金的發展開闢了新的前景。
參考書目
　C.T. Sims,W.C.Hagel,The Superalloys,John Wiley & Sons,New York,1972.
　G.H.Gessinger,Powder Metallurgy of Superalloys Recent Devel opment，International Conference ONP/M Superalloys,Zurich,Nov.pp.16～20,1980.
　J. S. Benjamin,The Production Structure and Properties of ODS Alloys,Symposium of Superalloys,Schenectady,May,pp.12～13,1981.

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