粉末高溫合金課件

1、粉末高溫合金粉末高溫合金開 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)過熱加工處理得到的合金組織均勻、無宏觀偏析、合金化程度高，而且具有屈服強度高和疲勞性能好等一系列優(yōu)點，因此，很快成為高推重比航空發(fā)動機渦輪盤等關(guān)鍵部件的首選材料。以下我就粉末高溫合金作幾點介紹。開 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?？筛鶕?jù)它在合金中的基本作用歸納為六個主要方面： （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）固溶強化元素：鎢、鉬、鉻、鈮、鉭和鋁，溶解于基體強化固溶體。 （4）金屬間化合物強化元素：鋁、鈦、鈮、鉭、鉿和鎢形成金屬間化合物Ni3Al、Ni3Nb、Ni3Ti等強化合金。 （5）碳化物、硼化物強化元素：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型碳化物和硼化物強化合金。 （6）晶界和枝晶間強化元素：硼、鈰、釔、鋯和鉿，這些元素以間隙原子或第二相形式強化晶界。 （3）固溶強化元素：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， 通過固溶強化、時效強化和晶界強化使合金獲得足夠的高溫強度和其他綜合性能。由于成分復(fù)雜，合金組成相也甚多。就實用的鐵基、鎳基、鈷基合金來說，目前常見的組成相多達十余種，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化相如相 ，有些損害合金的強度和延性如所謂的TCP相 等相。因此對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）的含量也越來越高， 相的數(shù)量最高增加

5、到65%，合金強度不斷提高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)展起來的，第一代粉末高溫合金中強化相含量高，晶粒細(xì)小，抗拉強度高，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，使得其抗拉強度較低，但具有較

6、高的蠕變強度、裂紋擴展抗力及損傷容限。 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度和損傷容限兼優(yōu)的性能特點，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和俄羅斯研究較深入，技術(shù)相對成熟；而英國、法國、德國和中國也正在進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，美國和俄羅斯工藝各異，都居于世界領(lǐng)先地位。我國于上世紀(jì)70年代末開展粉末高溫

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(熱壓、熱等靜壓、擠壓等) 熱加工變形(模鍛、軋制、等溫鍛等) 機加工無損檢測熱處理2。這些制造工藝水平的高低決定著合金的組織和性能，對合金的晶粒度，基體中強化相尺寸、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表15。粉末形貌見圖15。俄羅斯和我國采用PREP 制粉工藝，美國等國家主要采用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 因為粉末是球形的，以及在冷態(tài)下粉末本身的硬度和強度很高，在室溫下實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。 因為

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，還可以對夾雜起到破碎作用，由于在形變過程中晶粒發(fā)生形變再結(jié)晶，因而鍛造后臺金組織的晶粒細(xì)化，一般可達ASTM9級以上。固此鍛造成型的粉末高溫合金的拉伸和屈服強度較高，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、保溫時間、淬火介質(zhì)和淬火溫度及時效制度等。其中時效制度主要是保證更多的細(xì)小相析出，同時使碳化物的分布更加合理，組織更加穩(wěn)定，

11、從而進一步提高性能。時效制度的兩個主要參數(shù)就是時效的溫度和時效的次數(shù)。一般二次時效后，細(xì)小相含量將增加6。粉末高溫合金課件 對于鎳基粉末高溫合金的熱處理工藝來說，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，以便時效時均勻地析出相，另外通過固溶處理還可以獲得適宜的晶粒度，以便提高合金的強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行固溶處理，得到細(xì)晶組織，屈服強度和疲勞性能好；而在相溶解溫度以上進行固溶處理，得到粗晶組織，蠕變強度高和裂紋擴展速率低。 對于鎳基粉末高溫合金的熱處理工藝來說，固溶處理是下圖是新型第三代粉末高溫合金的熱處理

12、工藝曲線圖。 圖2 合金的熱處理工藝曲線下圖是新型第三代粉末高溫合金的熱處理工藝曲線圖。 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發(fā)出來，今后具體發(fā)展方向可分為以下幾個方面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，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，對粉末進行真空脫氣和雙韌化處理，提高壓實盤坯的致密度和改善材料的強度和塑性，也是一個重要的研究內(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，由于在淬火過程中開裂問題經(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降低淬裂幾率是熱處理過程中的重要技術(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等，希望從根本上消除淬火開裂問題，得到低變形、無開裂的高性能粉末高溫合金。 (2)熱處理工藝 (3)計算機模擬技術(shù) 計算機模擬技術(shù)現(xiàn)在逐漸成為粉末高溫合金工藝中非常重要的研究內(nèi)容。目前，在歐美等國，計算機模擬技術(shù)在粉末盤生產(chǎn)的全過程中都得到了應(yīng)用。如利用計算機模擬預(yù)測淬火

14、過程的應(yīng)力分布及溫度場分布情況，優(yōu)化設(shè)計合金成分、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，計算機模擬技術(shù)的應(yīng)用將會越來越廣泛。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)動機渦輪盤材料，具有重要的戰(zhàn)略意義，因此各國對這方面的研究都比較重視。本國自從20世紀(jì)70年代末開展了粉末高溫合金的研究以來，也取得了長足的進步。但就目前來說，本國在渦輪盤材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計上與國外的差距依然很大。為了滿足國內(nèi)發(fā)動機的迫切需求，應(yīng)當(dāng)在參照國外先進制備工藝的基礎(chǔ)上，加大對大型先進設(shè)備的引進與投入，爭取實現(xiàn)跨越式發(fā)展，早日實現(xiàn)本國高性能粉末盤的工程化應(yīng)用。結(jié)束語 結(jié)束語參考文獻 1 鄒金

15、文, 汪武祥. 粉末高溫合金研究進展與應(yīng)用J. 航空材料學(xué)報, 2007, 26(3): 244-250. 2 國為民, 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, 劉國權(quán), 賈成廠等. 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