粉末高溫合金課件

1、粉末高溫合金粉末高溫合金開(kāi) 篇 引 言 粉末高溫合金是20世紀(jì)60年代誕生的新一代高溫合金材料，由于用精細(xì)的金屬粉末作為成形材料，經(jīng)過(guò)熱加工處理得到的合金組織均勻、無(wú)宏觀偏析、合金化程度高，而且具有屈服強(qiáng)度高和疲勞性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，很快成為高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)等關(guān)鍵部件的首選材料。以下我就粉末高溫合金作幾點(diǎn)介紹。開(kāi) 篇 引 言 粉末高溫合金是20世紀(jì)60年代誕生的新內(nèi) 容 導(dǎo) 覽 粉末高溫合金概述粉末高溫合金的研究現(xiàn)狀 粉末高溫合金的制備方法粉末高溫合金的發(fā)展前景內(nèi) 容 導(dǎo) 覽 粉末高溫合金概述粉末高溫合金的研究現(xiàn)狀 粉末高溫合金課件粉末高溫合金課件二、粉末高溫合金的化學(xué)成分和相組

2、成1、粉末高溫合金中涉及的化學(xué)成分 眾所周知，高溫合金的化學(xué)成分是非常復(fù)雜的。除雜質(zhì)元素外，一般都含有十幾種合金元素。可根據(jù)它在合金中的基本作用歸納為六個(gè)主要方面： （1）形成面心立方元素：鎳、鐵、鈷和錳構(gòu)成高溫合金的奧氏體基體。 （2）表面穩(wěn)定元素：鉻、鋁、鈦、鉭。鉻和鋁主要提高合金抗氧化能力，鈦和鉭有利于抗熱腐蝕。二、粉末高溫合金的化學(xué)成分和相組成 （3）固溶強(qiáng)化元素：鎢、鉬、鉻、鈮、鉭和鋁，溶解于基體強(qiáng)化固溶體。 （4）金屬間化合物強(qiáng)化元素：鋁、鈦、鈮、鉭、鉿和鎢形成金屬間化合物Ni3Al、Ni3Nb、Ni3Ti等強(qiáng)化合金。 （5）碳化物、硼化物強(qiáng)化元素：碳、硼、鉻、鎢、鉬、釩、鈮、鉭、

3、鉿、鋯和氮，主要形成初生和次生的各種類(lèi)型碳化物和硼化物強(qiáng)化合金。 （6）晶界和枝晶間強(qiáng)化元素：硼、鈰、釔、鋯和鉿，這些元素以間隙原子或第二相形式強(qiáng)化晶界。 （3）固溶強(qiáng)化元素：鎢、鉬、鉻、鈮、鉭和鋁，溶解于 2、粉末高溫合金中的相 高溫合金通常采用復(fù)雜合金化， 加入大量的鎳、鉻、鎢、鉑、鈮、鉭、鋁、釩及微量的碳、硼、鉿、鋯、鉛等元素， 通過(guò)固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化使合金獲得足夠的高溫強(qiáng)度和其他綜合性能。由于成分復(fù)雜，合金組成相也甚多。就實(shí)用的鐵基、鎳基、鈷基合金來(lái)說(shuō)，目前常見(jiàn)的組成相多達(dá)十余種，如碳化物 ， 金屬間化合物 ，硼化物M3B2，硫化物M2SC等相。 2、粉末高溫合金中的相 這些

4、相在合金中起著不同作用, 有些是高溫合金的主要強(qiáng)化相如相 ，有些損害合金的強(qiáng)度和延性如所謂的TCP相 等相。因此對(duì)合金組成相的分析包括組成相的形態(tài)、分布、數(shù)量、結(jié)構(gòu)、成分及其變化規(guī)律是控制性能的重要環(huán)節(jié)。 這些相在合金中起著不同作用, 有些是 三、Ni基粉末高溫合金的組織 高溫合金從基體上主要可以分為鐵基、鎳基和鉆基高溫合金。由于鎳基高溫合金具有良好的綜合性能，故得到了廣泛的應(yīng)用。鎳基粉末高溫合金的組織結(jié)構(gòu)主要是由面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體（基體）、相 （ 主要強(qiáng)化相）和碳化物（MC、M6C、M23C6、M7C3）所組成。隨著合金的發(fā)展， 相形成元素（Al+Ti）的含量也越來(lái)越高， 相的數(shù)量最高增加

5、到65%，合金強(qiáng)度不斷提高2。 三、Ni基粉末高溫合金的組織粉末高溫合金的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀發(fā)展歷程： 經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，鎳基粉末高溫合金目前已經(jīng)歷了第一代、第二代和第三代的研制歷程。 第一代粉末高溫合金是在變形盤(pán)件合金或鑄造葉片合金的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低碳含量，添加了MC型強(qiáng)碳化物形成元素Nb、Hf等，以防止形成原始粉末顆粒邊界PPB而發(fā)展起來(lái)的，第一代粉末高溫合金中強(qiáng)化相含量高，晶粒細(xì)小，抗拉強(qiáng)度高，其使用溫度通常在6503。 粉末高溫合金的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀發(fā)展歷程： 為了提高第一代粉末高溫合金的疲勞抗力和使用溫度，第二代粉末高溫合金增大了第一代高溫合金的晶粒度，使得其抗拉強(qiáng)度較低，但具有較

6、高的蠕變強(qiáng)度、裂紋擴(kuò)展抗力及損傷容限。 為了獲得更好的性能，第三代粉末高溫合金在合金成分上進(jìn)行了優(yōu)化，提高了合金化程度，并采用了合適的冶金工藝，獲得的合金組織較前兩代更為理想，因此第三代粉末高溫合金具備了強(qiáng)度和損傷容限兼優(yōu)的性能特點(diǎn)，而且可以在很高的溫度下使用4。 為了提高第一代粉末高溫合金的疲勞抗力和使用溫度， 研究現(xiàn)狀： 由于粉末高溫合金的研制技術(shù)難度高、投資大、涉及的學(xué)科領(lǐng)域廣，目前世界上只有美國(guó)和俄羅斯研究較深入，技術(shù)相對(duì)成熟；而英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)和中國(guó)也正在進(jìn)行粉末高溫合部件的研究和生產(chǎn)。在粉末高溫合金的領(lǐng)域，美國(guó)和俄羅斯工藝各異，都居于世界領(lǐng)先地位。我國(guó)于上世紀(jì)70年代末開(kāi)展粉末高溫

7、合金研究，目前研制粉末高溫合金的單位主要有鋼鐵研究總院、北京航空材料研究院(621所)和北京科技大學(xué)等。 研究現(xiàn)狀：粉末高溫合金的制備方法 目前粉末冶金高溫合金的工藝流程大致如下: 預(yù)合金粉末的制造壓實(shí)(熱壓、熱等靜壓、擠壓等) 熱加工變形(模鍛、軋制、等溫鍛等) 機(jī)加工無(wú)損檢測(cè)熱處理2。這些制造工藝水平的高低決定著合金的組織和性能，對(duì)合金的晶粒度，基體中強(qiáng)化相尺寸、形狀、分布和數(shù)量等有直接的影響。粉末高溫合金的制備方法 目前粉末冶金高溫合金的工藝流程大 制粉與成型工藝 粉末的制備是粉末高溫合金生產(chǎn)過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)，粉末的質(zhì)量直接影響零件的性能，目前在實(shí)際生產(chǎn)中主要采用AA 工藝、PREP(

8、REP) 工藝和溶氫霧化( SHA) 工藝，三種制粉工藝特性比較見(jiàn)表15。粉末形貌見(jiàn)圖15。俄羅斯和我國(guó)采用PREP 制粉工藝，美國(guó)等國(guó)家主要采用AA 制粉工藝生產(chǎn)高溫合金粉末。 制粉與成型工藝表1 三種制粉工藝特性比較生產(chǎn)工藝 AAPREP(REP) SHA 粉末形狀及特征粉末主要為球形,空心粉較多 粉末為球形,表面光潔,空心粉少。 粉末形狀最不規(guī)則, 呈球形和片狀,表面粗糙,有疏松。 粉末粒度粒度分布 范圍寬,平均粒度較細(xì)。 粒度分布范圍較窄, 平均粒度較粗,一般大于50m。 粒度分布范圍寬,平均粒度較粗。 粉末純度 純度較差,有坩堝等污染。 純度較高,基本保持母合金棒料的水平,無(wú)坩堝污染

9、。 純度較差,有坩堝污染。 氧含量氧含量較高氧含量較低,與母合金棒料相當(dāng),小于70 10 - 6 。 氧含量較高生產(chǎn)效率最高最低中等表1 三種制粉工藝特性比較生產(chǎn)工藝 AAPREP(REP)圖1 AA 粉末(a) 、PREP 粉末(b) 和SHA 粉末(c) 形貌圖1 AA 粉末(a) 、PREP 粉末(b) 和SHA 因?yàn)榉勰┦乔蛐蔚?，以及在冷態(tài)下粉末本身的硬度和強(qiáng)度很高，在室溫下實(shí)際上是很難壓制成形的。因此采用熱成形工藝，主要有HIP、熱壓、熱模鍛、ITF 和HEX。除此之外，粉末高溫合金的固結(jié)成形工藝還有真空燒結(jié)、壓力燒結(jié)、金屬注射成形(MIM)以及噴射成形(Osprey) 工藝。 因?yàn)?/p>

10、粉末是球形的，以及在冷態(tài)下粉末本身熱加工及熱處理工藝 粉末高溫合金的鍛造成型主要是與熱等靜壓和熱擠壓相結(jié)合使用的，鍛造變形主要可以消除PPB(原始顆粒邊界)和枝晶，還可以對(duì)夾雜起到破碎作用，由于在形變過(guò)程中晶粒發(fā)生形變?cè)俳Y(jié)晶，因而鍛造后臺(tái)金組織的晶粒細(xì)化，一般可達(dá)ASTM9級(jí)以上。固此鍛造成型的粉末高溫合金的拉伸和屈服強(qiáng)度較高，疲勞性能好。熱加工及熱處理工藝 粉末高溫合金的熱處理工藝直接影響合金的晶粒度，基體中相的形狀、數(shù)量和尺寸及分布等。熱處理工藝參數(shù)主要包括固溶溫度、保溫時(shí)間、淬火介質(zhì)和淬火溫度及時(shí)效制度等。其中時(shí)效制度主要是保證更多的細(xì)小相析出，同時(shí)使碳化物的分布更加合理，組織更加穩(wěn)定，

11、從而進(jìn)一步提高性能。時(shí)效制度的兩個(gè)主要參數(shù)就是時(shí)效的溫度和時(shí)效的次數(shù)。一般二次時(shí)效后，細(xì)小相含量將增加6。粉末高溫合金課件 對(duì)于鎳基粉末高溫合金的熱處理工藝來(lái)說(shuō)，固溶處理是為了溶解基體內(nèi)的碳化物、 相等，從而得到均勻的固溶體，以便時(shí)效時(shí)均勻地析出相，另外通過(guò)固溶處理還可以獲得適宜的晶粒度，以便提高合金的強(qiáng)度或高溫蠕變性能等。固溶溫度的高低通常是以相的溶解溫度為基準(zhǔn)的。一般在低于相溶解溫度進(jìn)行固溶處理，得到細(xì)晶組織，屈服強(qiáng)度和疲勞性能好；而在相溶解溫度以上進(jìn)行固溶處理，得到粗晶組織，蠕變強(qiáng)度高和裂紋擴(kuò)展速率低。 對(duì)于鎳基粉末高溫合金的熱處理工藝來(lái)說(shuō)，固溶處理是下圖是新型第三代粉末高溫合金的熱處理

12、工藝曲線(xiàn)圖。 圖2 合金的熱處理工藝曲線(xiàn)下圖是新型第三代粉末高溫合金的熱處理工藝曲線(xiàn)圖。 圖2 合粉末高溫合金的發(fā)展前景 粉末高溫合金的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)行了近50年，在生產(chǎn)工藝逐漸趨予成熟的條件下，今后一系列性能更為優(yōu)異的合金也將被相繼開(kāi)發(fā)出來(lái)，今后具體發(fā)展方向可分為以下幾個(gè)方面5： (1)粉末制備 粉末的制備包括制粉和粉末處理。目前，主要制粉工藝包括氬氣霧化(AA)和等離子旋轉(zhuǎn)電極法(PREP)都在積極改進(jìn)，盡量降低粉末粒度和雜質(zhì)含量。沿著制造超純凈細(xì)粉方向發(fā)展。另外，對(duì)粉末進(jìn)行真空脫氣和雙韌化處理，提高壓實(shí)盤(pán)坯的致密度和改善材料的強(qiáng)度和塑性，也是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。粉末高溫合金的發(fā)展前景 粉末高

13、溫合金的 (2)熱處理工藝 熱處理工藝是制備高性能粉末高溫合金的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于在淬火過(guò)程中開(kāi)裂問(wèn)題經(jīng)常發(fā)生，因此，如何選擇合適的淬火介質(zhì)或者合理的冷卻曲線(xiàn)降低淬裂幾率是熱處理過(guò)程中的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。如可以選擇比水、油或鹽浴更佳冷卻速度的噴射液體或氣體快冷，以及采用兩種冷卻介質(zhì)匹配形成高溫區(qū)冷卻速度慢低溫區(qū)冷卻速度快的冷卻曲線(xiàn)等，希望從根本上消除淬火開(kāi)裂問(wèn)題，得到低變形、無(wú)開(kāi)裂的高性能粉末高溫合金。 (2)熱處理工藝 (3)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù) 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)現(xiàn)在逐漸成為粉末高溫合金工藝中非常重要的研究?jī)?nèi)容。目前，在歐美等國(guó)，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在粉末盤(pán)生產(chǎn)的全過(guò)程中都得到了應(yīng)用。如利用計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)淬火

14、過(guò)程的應(yīng)力分布及溫度場(chǎng)分布情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)合金成分、熱等靜壓包套、鍛造模具等，隨著粉末高溫合金技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。粉末高溫合金課件 由于粉末高溫合金被首選用作高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)材料，具有重要的戰(zhàn)略意義，因此各國(guó)對(duì)這方面的研究都比較重視。本國(guó)自從20世紀(jì)70年代末開(kāi)展了粉末高溫合金的研究以來(lái)，也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但就目前來(lái)說(shuō)，本國(guó)在渦輪盤(pán)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與國(guó)外的差距依然很大。為了滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的迫切需求，應(yīng)當(dāng)在參照國(guó)外先進(jìn)制備工藝的基礎(chǔ)上，加大對(duì)大型先進(jìn)設(shè)備的引進(jìn)與投入，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，早日實(shí)現(xiàn)本國(guó)高性能粉末盤(pán)的工程化應(yīng)用。結(jié)束語(yǔ) 結(jié)束語(yǔ)參考文獻(xiàn) 1 鄒金

15、文, 汪武祥. 粉末高溫合金研究進(jìn)展與應(yīng)用J. 航空材料學(xué)報(bào), 2007, 26(3): 244-250. 2 國(guó)為民, 馮滌, 吳劍濤等. 鎳基粉末高溫合金冶金工藝的研究與發(fā)展J. 材料工程, 2002, 3: 44-48. 3 張義文, 上官永恒. 粉末高溫合金的研究與發(fā)展J. 粉末冶金工業(yè), 2004, 14(6): 30-42. 4 胡本芙, 劉國(guó)權(quán), 賈成廠(chǎng)等. 新型高性能粉末高溫合金的研究與發(fā)展J. 材料工程, 2008, 2: 49-53. 參考文獻(xiàn)5 張義文,上官永恒. 粉末冶金高溫合金的研究與發(fā)展J . 粉末冶金工業(yè),2004 ,14 (6) :30 - 43.6 R.J. Mitchell, M. Preuss, S.Tin, et al. Th