粉末高温合金讲解

高品质粉末高温合金涡轮盘成型工艺研究与示范
高品质粉末高温合金涡轮盘成型工艺研究与示范是指对高品质粉末高温合金涡轮盘的成型工艺进行研究，并进行示范生产。

高品质粉末高温合金涡轮盘是一种重要的高温结构部件，广泛应用于航空、航天、能源等领域。

该研究首先对高品质粉末高温合金的成分、微观结构、力学性能等进行分析和研究，以确定适合成型工艺的材料特性和要求。

然后，针对涡轮盘的形状、尺寸和结构要求，研发适用于高品质粉末高温合金的成型工艺，包括粉末冶金成型技术、热等静压成型技术、射频等离子熔凝成型技术等。

在工艺研究的基础上，进行示范生产，对设计的成型工艺进行实际应用和验证。

通过试验生产和性能测试，评估成型工艺的可行性和效果，并对工艺进行优化。

同时，还可以开展高品质粉末高温合金涡轮盘的仿真模拟研究，以提高成型工艺的精度和效率。

高品质粉末高温合金涡轮盘成型工艺研究与示范的目的是提供一种先进、可靠的涡轮盘成型工艺，提高高品质粉末高温合金涡轮盘的制造质量和生产效率，满足航空、航天、能源等领域对高温结构部件的需求。

目录1 文献综述 (1)1.1 粉末高温合金的概况 (1)1.1.1 镍基高温合金的特点 (1)1.1.2 粉末高温合金的特点 (2)1.1.3 粉末制备方法的比较 (3)1.1.4 成形工艺的比较 (4)1.1.5 热处理工艺 (4)1.1.6 研究发展前景 (6)1.2 粉末高温合金组织缺陷的来源及分析 (8)1.2.1 原始颗粒边界的来源及分析 (8)1.2.2 夹杂物的来源及分析 (11)1.2.3 热诱导孔洞的来源及分析 (18)1.3 粉末高温合金的组织缺陷的控制 (20)1.3.1 原始颗粒边界的控制 (20)1.3.2 夹杂物的控制 (21)1.3.3 热诱导孔洞的控制 (24)2 选题报告 (26)2.1 课题来源与选题意义 (26)2.2 课题研究主要内容及具体方案 (27)2.3 课题研究时间安排 (28)参考文献 (29)1文献综述1.1粉末高温合金的概况粉末高温合金（Powder Metallurgy Superalloy ），总的来说是用粉末冶金工艺制成的高温合金，具体是通过制备粉末、成形、固实、烧结工艺过程来制造的高温合金。

1.1.1镍基高温合金的特点从三代典型粉末高温合金的成分中，如从表1中可以看出，基本上粉末高温合金的Ni质量分数ω(Ni)≥50% 。

表1 三代典型粉末高温合金的成分（质量分数%）[1]例如第一代的René95合金、MERL76 合金，IN100合金等，第二代的René88DT合金、AF115合金、N18合金等，以及第三代的René104 (ME3)、Alloy10合金、RR1000合金等典型的粉末高温合金，都是以Ni元素作为基体的。

一般情况下，高温合金的基体元素有三种，分别是铁、钴、镍元素。

它们的合金强化的特点不同，基本特性也有差异。

以镍作为一种最佳的基体元素，才使得镍基高温合金成为最佳的高温合金系列，那么它的突出特点[2]是：（1）镍基面心立方结构，没有同素异构转变，而铁、钴室温下分别为体心立方和密排六方结构，高温下为面心立方奥氏体结构。

718合金粉末
718合金粉末是一种高温合金加工材料，主要由镍、铬、钼和铁等元素组成。

它具有极高的耐腐蚀性和高温强度，广泛应用于航空航天、化工、能源和船舶等领域。

718合金粉末的制备方法主要有燃气等离子喷射法、机械球磨法和化学还原法等多种方式。

其中，燃气等离子喷射法是目前应用最广泛的制备方法之一，它能够制备出具有较高致密性和均匀微观结构的718合金粉末。

718合金粉末的应用主要是通过粉末冶金技术制备出高温合金部件，如涡轮叶片、燃气轮盘和燃烧室等。

在制备过程中，通过烧结、热压和热等静压等技术，可以使718合金粉末具有良好的机械性能和高温稳定性。

总的来说，718合金粉末是一种十分重要的高温合金加工材料，具有广泛的应用前景和巨大的市场潜力。

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高性能粉末高温合金在涡轮轮盘中的应用涡轮盘是发动机重要的热端部件之一, 它在极为苛刻的条件下工作,船舶运行时承受着启动-停车循环中的机械应力和温差引起的热应力的叠加作用, 因而要求材料具有足够的力学性能和理化性能, 特别是在使用温度范围内要有尽可能高的低周循环疲劳和热疲劳性能, 这是确定涡轮盘工作寿命的关键因素。

粉末（镍基）高温合金由于具有无宏观偏析、晶粒细小、组织均匀和热加工性能好等优点,很快成为高推重比船舶发动机涡轮盘等关键热端部件的首选材料。

一．国内外发展情况俄罗斯粉末高温合金的研究始于60年代末,1978 年, 粉末高温合金涡轮盘正式在军用发动机上使用, 至今已有20多年。

而美国则在1971年由普·惠公司将铸造合金IN100制成合金粉末, 经挤压塑性等温锻工艺制成涡轮盘、压气机转子。

GE 公司还发展了高蠕变性能的AF115粉末合金, 与高拉伸强度的粉末相配合, 为制造双性能盘提供了有利条件。

在制造工艺方面,欧美国家采用的则是氢气雾化的制粉工艺, 以挤压和等温锻为主的成形工艺。

而俄罗斯在近几年也已建立了大气和真空条件下的等温锻装置, 开展了粉末高温合金等温锻和超塑性锻造的研究。

我国粉末盘的研制从80年代初开始, 重点仿制了高拉伸强度粉末合金, 进行了母合金熔炼, 氢气雾化制粉, 粉末处理, 等静压成形,等温锻, 热处理, 超声检验及表面强化等研究。

90 年代初从俄罗斯引进大型的用于工业化生产的等离子旋转电极制粉设备及盘件生产线, 进行了包套模锻盘的试验研制, 发现了存在的一些问题。

因此, 目前我国倾向于采用HIP等温锻或热模锻工艺路线。

80 年代以前, 粉末盘材料的研究主要追求高强度。

近年来, 随着设计结构完整性大纲的贯彻, 出现了适应损伤容限设计的第二代粉末盘材料。

这类材料的特点是裂纹扩展速率比传统粉末盘合金明显降低, 缺口扩展速率对环境的变化不敏感。

这样, 盘件的检修周期可以大大延长, 明显降低了运行费用。

世界有色金属1999年第12期WOR LD NONFERROUS METALS粉末高温合金盘件北京航空材料研究院　邹金文1　概述随着航空工业的发展,现代燃气涡轮发动机正向推力大、油耗低、推重比高和使用寿命长的方向发展,这一发展要通过压气机增压比的提高和涡轮进口温度的提高,以及在设计上采用一定的措施来实现。

涡轮盘是发动机重要部件之一,飞行时承受起动、停车循环的机械应力和温差引起的热应力的迭加作用,工作条件极为苛刻,因此对制造涡轮盘件的高温合金提出了更高的要求,要求具有良好的力学性能、理化性能及热工艺性能,特别是在使用温度范围内要有尽可能高的低周疲劳和热疲劳性能,这是确定涡轮工作寿命的关键因素。

为了解决高合金化常规铸锻材料造成的成分偏析和变形加工困难,60年代末期,随着粉末冶金技术的发展,特别是高纯预合金粉末及热等静压技术的兴起,生产出了粉末高温合金涡轮盘件,目前已成为制造高性能涡轮盘最成熟可靠的方法。

2　粉末高温合金特点2.1　粉末高温合金优点2.1.1　消除偏析雾化制粉时每一个细小的粉末颗粒以高达102～105℃/s 的速度冷却,每颗粉末相当于一个显微铸锭,消除了宏观偏析,显微偏析被限制在1.5μm 的枝晶间,用这样的粉末压制成的涡轮盘件毛坯具有均匀的显微组织,避免了常规铸锭中由于偏析造成的低倍缺陷。

2.1.2　细化晶粒由于粉末颗粒是超细晶粒的多晶体,沉淀强化相以极为细小分散的方式存在,这使得压出来的毛坯具有均匀的细晶组织,从而可以提高盘件的强度和低周疲劳寿命,降低力学性能的分散性。

2.1.3　改善工艺性能由于粉末高温合金压坯具有均匀的细晶组织,这样的压坯具有超塑性,大大改善了合金的冷热加工性能。

2.1.4　降低成本利用超塑性锻造和热等静压近尺寸成形技术,可以提高材料利用率,降低昂贵的材料消耗,并可简化工序,因而可使盘件生产成本大为降低。

2.1.5　减轻重量由于粉末高温合金力学性能分散度减小,提高了材料的最低设计应力,减轻了盘件重量。

粉末高温合金涡轮盘组织均匀、晶粒细小、无明显偏析、合金化程度高、抗屈服强度高、抗疲惫性能好，是高推比发动机涡轮盘等部件的首选材料；而与变形高温合金相比，它降低了原材料的消耗，金属的利用率大大进步，本钱低；涡轮盘寿命也明显进步，由原来的1032h进步到1500h。

但同时也增加了车削加工过程的难度，粉末冶金零件的切削车削加工性较差, 一般只能低速车削加工, 并且在使用普通的刀片时刀具磨损很快,刀尖钝化严重, 车削加工质量难以保证。

现结合现场所做粉末高温合金盘的切削试验，介绍一下不同的刀具对的试验车削加工情况。

2 粉末高温合金的切削性能粉末高温合金具有组织均匀、晶粒细小、屈服强度高、抗疲惫性能好等优点，但是由于其中含有很多（如铬、钴、钼、铌、镍、铁、钽等）高熔点合金元素且g相含量高，使得粉末高温合金得到很大的强化效应，在一定的温度范围内，随温度升高，其硬度反而有所进步，由于其材料本身的化学成分及独特的多孔性结构，在较小的面积内其硬度值也有一定的波动。

即使测得的宏观硬度为20~35 HRC，但组成零件的颗粒硬度会高达60HRC，这些硬颗粒会导致严重而急剧的刃口磨损，因此粉末冶金高温合金是典型的难车削加工材料。

涡轮盘的切削试验试验目的：选择好的品牌、好的刀具材料，优化切削参数。

试验刀具：焊接硬质合金刀具、涂层硬质合金刀具、超硬刀具、陶瓷刀具。

试验机床：CK61100（转速范围：4~400r/min。

最小进给0.001m/min；最大回转直径1000mm）。

工艺要求：工件材料FGH96，材料硬度（HB）>388，工件直径610mm；车削加工方法：车削。

丈量仪器：千分表、卡尺。

试验结果与分析1 焊接硬质合金刀具切削试验根据上述粉末高温合金的切削性能分析可知：粉末高温合金比变形高温合金更难车削加工，所以在焊接硬质合金刀具几何角度的选择上，刀具前角应略小，以保证刀具的刀尖强度。

研究中在FGH96 涡轮盘粗车削加工时通过比较试验终极采用YD类的焊接刀具，试验时切削参数如下：切削速度v=10~30m/min，切削深度ap=0.25mm，进给速度f=0.1~0.2mm/r。

高温合金是在高温下具有较高力学性能、抗氧化和抗热腐蚀性能的合金。

高温合金按基体成分可分为镍基高温合金、铁镍基高温合金和钴基高温合金，其中镍基高温合金发展最快，使用也最广，铁镍基高温合金次之。

按强化方式分为固溶强化合金和析出强化合金（或称时效沉淀强化合金）等。

按成型方式和生产工艺分为变形合金、铸造合金、粉末冶金合金和机械合金化合金。

固溶强化高温合金的基体为面心立方点阵的固溶体，在其固溶度范围内通过添加铬、钴、钼、钨、铌等元素，提高原子间结合力，产生点阵畸变，降低堆垛层错能，阻止位错运动，提高再结晶温度来强化固溶体。

固溶强化的效果取决于合金化元素的原子尺寸及加入量。

原子半径较大、熔点较高的钼和钨具有较好固溶强化作用，两者总含量可达18%~20%。

铬可防止高温氧化和热腐蚀，但含量过高会降低γ’相的固溶度，使合金的热强性下降。

镍基固溶强化高温合金一般均具有优良的抗氧化、抗热腐蚀性能，塑性较高、焊接性能好，但热性相对较低。

铁镍基固溶强化高温合金，虽然与镍基固熔强化高温合金相比在热强性、抗氧化和抗热腐蚀等方面略差一些，但仍具有良好的力学性能、较好冷热加工工艺性能和焊接性能。

析出强化高温合金是在固溶强化高温合金的基础上，通过添加较多的铝、钛、铌等元素而发展的。

这些无元素除了强化固溶体外，通过时效处理，与镍结合形成共格稳定、成分复杂的Ni3(Al Ti)相(也就是γ’相，具有长程有序的面心立方结构)或Ni3(Nb AI Ti)相（也就是γ’’相，有序体心四方结构）金属间化合物，同时钨、钼、铬等元素与碳形成各种碳化物（如MC M6C M23C6等）由于γ’(γ’’)相和碳化物存在，使合金的热强性大大提高。

此外，这类合金中还可以加入微量的硼、锆和稀士元素、形成间隙相，强化晶界。

近年来发展的一些合金，往往采用固溶，析出和晶界多种方式强化，使合金具有优良的综合性能。

随着AI Ti Nb 等γ’(γ’’)相形成元素含量的提高，其强化效果也增大，热强性提高，但合金的冷热加工性能和焊接性能随之下降。

国内粉末高温合金的生产工艺随着航空航天技术的飞速进展，对高推比、高功重比先进航空发动机热端部件的性能要求愈加提高，尤其对涡轮盘的强韧性、疲惫性、牢靠性及耐久性等力学性能提出了更高要求。

但由于涡轮盘材料合金化程度的提高，合金偏析严峻，热工艺性能恶化，采纳传统的铸锻工艺技术制造的高温合金涡轮盘无法满意高推重比先进发动机的要求；而采纳粉末冶金技术制取的粉末高温合金，粉末细小，合金成分匀称，制件性能稳定，热加工变形性能较好，合金化程度提高，特殊是合金的屈服强度和抗疲惫性有显著提高。

在粉末冶金高温合金领域，只有美国、俄罗斯等少数几个国家把握了相关的生产技术。

目前，我国主要有钢铁讨论总院、北京科技大学、北京航材院等几家单位从事粉末高温合金的应用讨论。

一、国内粉末高温合金的讨论进展为满意对高性能航空发动机进展需求，国内20世纪70年月末已开头粉末高温合金方面的讨论。

80年月末，钢铁讨论总院初步建成一条粉末高温合金研制生产线。

1984年，采纳“氩气雾化工艺制粉+包套模锻”的生产工艺胜利研制出某发动机涡轮盘，其根本性能接近美国同类产品的标准水平。

1994年，引进俄罗斯的等离子旋转电极制粉工艺设备以及粉末处理、大型真空退火炉等设备，并从荷兰引进用于无损探伤的大型超声波水浸探伤仪。

目前，我国已形成“等离子旋转电极工艺制粉+热等静压成形+包套模锻+热处理”等完整的粉末盘生产工艺。

我国经过几十年的进展讨论，已胜利建立了粉末高温合金材料体系。

第一代高强型粉末高温合金FGH95，相当于美国一代合金Ren‘95，其使用温度为650℃。

直接热等静压工艺生产的FGH95粉末涡轮盘及导流盘己完成生产定型。

其次代粉末高温合金FGH96属损伤容限型粉末高温合金，相当于美国二代合金Ren‘88DT，该合金使用温度为750℃，具有良好的抗疲惫裂纹扩展性能。

FGH96合金全尺寸涡轮盘采纳的生产工艺为“热等静压+等温锻+热处理”。

此外，在俄罗斯ЭП741HП合金的根底上改良而成的FGH97合金也马上获得应用。

①粉末冶金 Ni 2C r 2W 2Co 2Fe 2C 高温合金的制备黄新民( 合肥工业大学 ,安徽 合肥 ,230009)摘 要 : 真空熔炼的 Ni 2C r 2W 2C o 2Fe 2C 合金是一种性能优良的高温合金 ,但其价格较贵难以广泛应用 。

探索了 以粉末冶金方法制备这种高温合金的可能性 ,用此法可大大降低生产成本 ,对工业生产有指导意义 。

关键词 : 粉末冶金 ; 高温合金 ; 制备Ni 2C r 2W 2C o 2Fe 2C 高温合金是近年来发展的一种高温耐蚀耐磨合金 。

国外少数厂家已通过真空熔炼法生成该高温合金 ,并用来制造高温耐磨耐蚀的零部件 , 应用结果显示该高温合金性能优异 。

但真空熔炼法生 产的零件成本高 ,价格较贵 。

用粉末冶金法生产这种 高温合金 ,零件成本将大大降低 。

粉末冶金高温合金已有诸多报道 1 ～4。

不过对于该合金 , 粉末冶金法能 否获得同样的组织性能还有待于进一步探索 。

本文拟 定部分烧结工艺以探讨工艺参数对粉末冶金态高温合 金组织结构的影响 ,为应用粉末冶金态高温合金提供 初步的理论基础 。

磨损实验在 MM - 200 型磨损试验机上进行 。

磨损块是高温合金 ,对磨环是钒钛耐磨铸铁 。

采用无润 滑磨损 ,相对转速为 400 r Πmin ,载荷为 200 N 。

磨损量 以磨痕体积表示 ,磨损量是 5 块试样的平均值 。

实验结果与分析讨论粉末冶金 Ni 2C r 2W 2C o 2Fe 2C 高温合金在不同烧结温度下所获得的组织见图 1 。

由图可见 , 烧结态的合 金组织基本分为四个相 。

首先是大块的基体 ,电子衍 射结果表明是 γ 相 , 基体周围是块状的碳化物 M 7 C 3 和边界呈锯齿状的碳化物 M 6 C ; 部分基体中还存在少 量二次析出相 M 12 C Ⅱ ,见图 2 。

合金结构 X 射线衍射 示于图 3 。

1 260 ℃烧结的合金组织中 M 7 C 3 碳化物呈 大块状分布 ,总体上碳化物含量不高 ;1 280 ℃烧结 ,合 金组织组成没有变化 。