國內粉末高溫合金的生產工藝范文

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隨著航空航天技術的飛速發展，對高推比、高功重比先進航空發動機熱端部件的性能要求愈加提高，尤其對渦輪盤的強韌性、疲勞性、可靠性及耐久性等力學性能提出了更高要求。但由于渦輪盤材料合金化程度的提高，合金偏析嚴重，熱工藝性能惡化，采用傳統的鑄鍛工藝技術制造的高溫合金渦輪盤無法滿足高推重比先進發動機的要求；而采用粉末冶金技術制取的粉末高溫合金，粉末細小，合金成分均勻，制件性能穩定，熱加工變形性能較好，合金化程度提高，特別是合金的屈服強度和抗疲勞性有顯著提高。在粉末冶金高溫合金領域，只有美國、俄羅斯等少數幾個國家掌握了相關的生產技術。目前，我國主要有鋼鐵研究總院、北京科技大學、北京航材院等幾家單位從事粉末高溫合金的應用研究。

一、國內粉末高溫合金的研究發展

為滿足對高性能航空發動機發展需求，國內20世紀70年代末已開始粉末高溫合金方面的研究。80年代末，鋼鐵研究總院初步建成一條粉末高溫合金研制生產線。1984年，采用“氬氣霧化工藝制粉+包套模鍛”的生產工藝成功研制出某發動機渦輪盤，其基本性能接近美國同類產品的標準水平。1994年，引進俄羅斯的等離子旋轉電極制粉工藝設備以及粉末處理、大型真空退火爐等設備，并從荷蘭引進用于無損探傷的大型超聲波水浸探傷儀。目前，我國已形成“等離子旋轉電極工藝制粉+熱等靜壓成形+包套模鍛+熱處理”等完整的粉末盤生產工藝。我國經過幾十年的發展研究，已成功建立了粉末高溫合金材料體系。第一代高強型粉末高溫合金FGH95，相當于美國一代合金Ren‘95，其使用溫度為650℃。直接熱等靜壓工藝生產的FGH95粉末渦輪盤及導流盤己完成生產定型。第二代粉末高溫合金FGH96屬損傷容限型粉末高溫合金，相當于美國二代合金Ren‘88DT，該合金使用溫度為750℃，具有良好的抗疲勞裂紋擴展性能。FGH96合金全尺寸渦輪盤采用的生產工藝為“熱等靜壓+等溫鍛+熱處理”。此外，在俄羅斯ЭП741HП合金的基礎上改進而成的FGH97合金也即將獲得應用。當前，第三代“高強度+損傷容限特型”粉末高溫合金正在研制中，其使用溫度可達800℃以上。

二、粉末高溫合金的主要生產工藝等離子旋轉電極工藝

目前，各國粉末高溫合金制備的常用粉末制備方法有兩種，即等離子旋轉電極（PREP）制備工藝和氬氣霧化（AA）制備工藝，前者主要是俄羅斯主要采用的工藝，后者主要是美國等國所主要采用的工藝。等離子旋轉電極工藝（PlasmaRotatingElectrodeProcessing，簡稱PREP工藝）首先是將制粉的合金制成自耗電極，在高速旋轉的狀態下，接收離子流，使自耗電極端部熔化；熔融液態金屬在離心旋轉力的作用下霧化，形成小液滴飛濺，由于表面張力的作用，液滴凝固成球形的粉末顆粒。該工藝制備的粉末氧含量及非金屬夾雜含量低，粉末球形度高，粉末粒度可控制在較窄的范圍內。該制備工藝關鍵設備為等離子旋轉電極制粉設備。等離子旋轉電極工藝制得的粉末粒度分布較窄，成品粉收得率較高；球形度好、表面光滑潔凈、氧含量低于0.006%、物理性能良好。氬氣霧化工藝氬氣霧化工藝（ArgonAtomizing，簡稱AA工藝）是運用高速運動的氬氣流，將熔融金屬液切斷、分散、裂化為微小液滴。金屬液滴沿著霧化氬氣的運動方向運動，霧化氬氣對金屬液滴急劇冷卻而產生的熱應力作用使液滴粘化，并凝結成微細的粉末顆粒。氬氣霧化（AA）工藝采用了細粉制造技術如快速凝固旋轉氣體霧化和超聲氣體霧化等許多新技術，細粉收得率顯著提高。研究表明，減小夾雜物尺寸主要可改善合金的熱工藝性能，降低其對合金疲勞壽命的影響。傳統來說俄羅斯多使用等離子旋轉電極工藝，而歐美國家多使用氬氣霧化工藝。一般來說氬氣霧化工藝所制備的高溫合金粉末粒度更小，但俄羅斯一直在使用等離子旋轉電極工藝，所生產的數萬個渦輪盤件產品亦能夠滿足先進航空發動機的使用需求。

三、粉末高溫合金的主要生產設備

1制粉設備根據不同的生產工藝，粉末高溫合金制粉設備主要有兩類：等離子旋轉電極制粉設備和氬氣霧化制粉設備。等離子旋轉電極制粉設備主體由霧化室、機械傳動室和裝料室三部分組成。霧化室用以完成高溫合金自耗電極的旋轉霧化，等離子槍插入霧化室中；機械傳動室與霧化室相通，合金棒料在機械傳動室旋轉并沿軸向移動；自耗電極裝入裝料室，裝料室中的分配機構將自耗電極傳送到機械傳動室。機械傳動室內，機械機構壓緊自耗電極，將其旋轉并沿軸向逐漸推進霧化室。在密封的霧化室中，高速旋轉的自耗電極端部因接收等離子槍產生等離子流而熔化；薄層液態金屬在離心力的作用下霧化飛射，在惰性氣體的環境下以約104℃/s的速度冷卻。液滴凝固成球形粉末，最終將金屬粉末收集至密閉容器里。氬氣霧化制粉設備主體分為真空室、霧化塔及分離器三部分組成。合金在真空室的坩堝中熔化、精煉和脫氣，精煉熔化金屬通過一個預熱中間包倒入噴氣管系統；此處，熔體流被高壓氬氣流所分散。霧化塔直接位于霧化噴嘴下面，分散的微小金屬液滴彌漫在霧化塔中凝固成粉末顆粒。生成的粉末氣體混合物通過輸送管輸送至旋風分離器中，在此處將精細粉末、粗大粉末與霧化氣體分離。金屬粉末最終收集至位于旋風分離器下面的底箱中。該類設備制造廠家主要有德國ALD真空工業股份公司，其在全世界范圍內已有數十臺以上的制粉設備投入運行。國內主要有錦州航星真空設備有限公司，其主要是與國內科研院所合作進行設計、制造，公司本身無自己的霧化技術。

2粉末處理設備合金粉在整個生產過程始終在惰性氣體保護下，會有惰性氣體在粉末表面殘留。同時，存在的陶瓷粉等夾雜，以及粉間、包套內的空氣均會對渦輪盤的組織性能產生嚴重不良影響。因此，需對制得的粉末進行篩分、去夾雜、脫氣及粉末表面等質量處理。粉末處理設備主要包括篩分設備、去除夾雜設備、分級合批設備和粉末改性處理設備。

3包套封焊設備高溫合金粉末經過合批及處理后需要裝入包套，進行封焊。封焊質量是保證粉末成型的關鍵因素之一。如果封焊質量不達標，包套內部和外界有氣流溝通，不僅會造成整個包套內的高溫合金粉末報廢，同時由于包套內滲進的高壓氣體，在熱等靜壓泄壓時可能會造成包套的爆炸，造成事故。包套封焊設備主要包括粉末輸送、高溫除氣、填充、振實及電子束封焊系統，整個工藝全部在真空狀態下進行。該類設備為非標設備，國內目前的數臺設備全部為烏克蘭巴頓研究所的產品或與其進行技術合作制造的非標設備。

四、結語

1）我國實現了第二代損傷容限型粉末高溫合金的成熟應用。2）等離子旋轉電極制粉設備制備的粉末氧含量及非金屬夾雜含量低，粉末球形度高。3）氬氣霧化制粉工藝向超純凈細粉方向發展。制粉采用新技術，細粉收得率提高。

作者：孫黎 邵長星 曾瑩雪 單位：中國航空規劃建設發展有限公司