國內粉末高溫合金的生產工藝

國內粉末高溫合金的生產工藝

隨著航空航天技術的飛速進展，對高推比、高功重比先進航空發(fā)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、疲憊性、牢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，合金偏析嚴峻，熱工藝性能惡化，采納傳統(tǒng)的鑄鍛工藝技術制造的高溫合金渦輪盤無法滿意高推重比先進發(fā)動機的要求；而采納粉末冶金技術制取的粉末高溫合金，粉末細小，合金成分勻稱，制件性能穩(wěn)定，熱加工變形性能較好，合金化程度提高，特殊是合金的屈服強度和抗疲憊性有顯著提高。在粉末冶金高溫合金領域，只有美國、俄羅斯等少數(shù)幾個國家把握了相關的生產技術。目前，我國主要有鋼鐵討論總院、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討論。

一、國內粉末高溫合金的討論進展

為滿意對高性能航空發(fā)動機進展需求，國內20世紀70年月末已開頭粉末高溫合金方面的討論。80年月末，鋼鐵討論總院初步建成一條粉末高溫合金研制生產線。1984年，采納“氬氣霧化工藝制粉+包套模鍛”的生產工藝勝利研制出某發(fā)動機渦輪盤，其根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。我國經過幾十年的進展討論，已勝利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。其次代粉末高溫合金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℃，具有良好的抗疲憊裂紋擴展性能。FGH96合金全尺寸渦輪盤采納的生產工藝為“熱等靜壓+等溫鍛+熱處理”。此外，在俄羅斯ЭП741HП合金的根底上改良而成的FGH97合金也馬上獲得應用。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納的工藝，后者主要是美國等國所主要采納的工藝。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(tài)下，接收離子流，使自耗電極端部熔化；熔融液態(tài)金屬在離心旋轉力的作用下霧化，形成小液滴飛濺，由于外表張力的作用，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，粉末粒度可掌握在較窄的范圍內。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、外表光滑干凈、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，并凝聚成微細的粉末顆粒。氬氣霧化（AA）工藝采納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很多新技術，細粉收得率顯著提高。討論說明，減小夾雜物尺寸主要可改善合金的熱工藝性能，降低其對合金疲憊壽命的影響。傳統(tǒng)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，但俄羅斯始終在使用等離子旋轉電極工藝，所生產的數(shù)萬個渦輪盤件產品亦能夠滿意先進航空發(fā)動機的使用需求。

三、粉末高溫合金的主要生產設備

1制粉設備依據不同的生產工藝，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局部組成。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，裝料室中的安排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，將其旋轉并沿軸向漸漸推動霧化室。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(tài)金屬在離心力的作用下霧化飛射，在惰性氣體的環(huán)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、霧化塔及分別器三局部組成。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(tǒng)；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充滿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別器中，在此處將精細粉末、粗大粉末與霧化氣體分別。金屬粉末最終收集至位于旋風分別器下面的底箱中。該類設備制造廠家主要有德國ALD真空工業(yè)股份公司，其在全世界范圍內已有數(shù)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展設計、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愛護下，會有惰性氣體在粉末外表殘留。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峻不良影響。因此，需對制得的粉末進展篩分、去夾雜、脫氣及粉末外表等質量處理。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，進展封焊。封焊質量是保證粉末成型的關鍵因素之一。假如封焊質量不達標，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(tǒng)，整個工藝全部在真空狀態(tài)下進展。該類設備為非標設備，國內目前的數(shù)臺設備全部為烏克蘭巴頓討論所的產品或與其進展技術合作制造的非標設備。

四、結語

1