粉末高温合金的发展及应用

高温合金是指能够在 650℃以上长期使用的，具有良好的抗氧化性、抗腐蚀性能、优异的拉伸、持久、疲劳性能和长期组织稳定性等综合性能的一类材料。高温合金通常是以第Ⅷ主族元素（铁、钴、镍等）为基，加入大量强化元素而形成的一类合金。它是为了满足各种高温使用条件下的现代航空航天技术的要求而发展起来的，先进的航空航天发动机一直是显示高温合金生命力最活跃的领域，高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室、核反应堆、潜艇、火力发电厂和石油化工设备等高温部件。

　　传统的高温合金主要是通过铸造的方法制备的，它的主要强化机制有固溶强化、沉淀强化、晶界强化、弥散强化。但是随着使用要求的提高，传统铸造的合金在变形以及其他后期的处理中存在很大的困难，主要的一条就是高温合金的强度很大。所以对于成形后的零件尽量少加工或者不加工成了一种生产理念被提上日程，直到20世纪70年代这种理想才成为现实。

　　1962 年美国杜邦公司根据二氧化钍在钨中具有弥散强化作用的原理，研制出一种用粉末冶金工艺制成的二氧化钍弥散强化的高温材料，称之为TD镍，从而开始了粉末冶金高温合金的生产。用粉末冶金方法生产高温合金，是20世纪70年代出现的一项新技术。随着新型燃气轮发动机涡轮进口温度的提高，要求高温合金具有更高的使用温度和更优异的力学性能。原来航空发动机上所使用的铸—锻高温合金，存在有合金铸锭内成分偏析严重，组织极不均匀，热工艺性能恶化，成形非常困难，已难于满足新型发动机的要求。采用粉末冶金方法生产高温合金时，由于制粉过程中每个粉末颗粒都是由微量液体金属快速冷凝而成，所以成分偏析仅被限制在粉末颗粒的尺寸之内，用这样的粉末压制成的坯料具有均匀的细晶组织，并能很好的解决成分偏析等问题。 由于组织均匀和晶粒细小，能使粉末制件得到优异的力学性能和热工艺性能，从而减轻发动机重量并降低成本。有些合金，含有较多的 γ′相，其铸锭不能锻造。然而这些合金的粉末却可以通过一定的技术进行而形成具有很细晶粒组织的坯料，再进行超塑性等温锻造。另外，采用粉末工艺还可净化毛坯，简化工序，提高材料利用率，降低成本 10%~50%。对于 Astroloy 合金，粉末高温合金使屈服强度提高约 15%，持久寿命延长了 100%。

　　粉末冶金高温合金通常按合金强化方式分为弥散强化型和沉淀强化型两类。弥散强化型高温合金是用惰性氧化物来强化的，这种氧化物的物理和化学性能高度稳定 , 在一般沉淀强化相软化、聚集甚至溶解的温度下 , 仍保持相当高的强化效果。由于这种惰性氧化物必须弥散均匀分布才有强化效果，且它与基体合金比重相差悬殊，无法用常规的熔炼工艺来生产，而只能采用粉末冶金方法。沉淀强化型高温合金，它是为了克服常规熔炼工艺的缺点，提高高温合金的综合性能，并为提高合金利用率而发展起来的。与相同成分的铸造合金相比，沉淀强化型高温合金的成分偏析小，初熔温度高，有害相析出的倾向小，提高了合金的综合性能 ；并且能使本来难于变形的合金成型，减少了切削加工量，提高了合金的利用率。特别是随着高温合金成分日趋复杂、零件尺寸不断增大，这种粉末冶金高温合金显示出更大的优越性。

　　粉末高温合金的制备关键的几个技术主要有：一、粉末制备。粉末的制备包括制粉和粉末处理。目前，主要制粉工艺氩气雾化法和旋转电极雾化法都在积极改进工艺，尽量降低粉末粒度和杂质含量，沿着制造无陶瓷、超纯净细粉方向发展（-325 目，1100℃），组织稳定（与铁基合金相比）、有害相少、耐氧化腐蚀能力强，可在高温较大应力条件下工作（与钴基合金相比），所以研究和应用最多。而随着人们对镍基高温合金的研究经历，可以将镍基高温合金分为三代。其中，第一代镍基粉末高温合金中γ′相含量通常高于50％，晶粒高度细化，屈服强度较高，但抗裂纹扩展能力差，持久性能低，使用温度达700℃；第二代镍基粉末高温合金中γ′相含量通常低于50％，晶粒适中，虽然拉伸强度较第一代有所降低，但损伤容限性能和高温持久性能较第一代明显提高，使用温度达750℃；第三代镍基粉末高温合金的性能特点是拉伸强度介于第一代与第二代，裂纹扩展速率比第二代还低，综合性能优异，可 靠性更强，使 用温 度达到800℃以上。镍基粉末高温合金中通常含有Ｃｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ等微量元素。合金元素的强化效应包括固溶强化、第二相强化以及晶界强化。其中Ｃｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ是主要的固溶强化元素，Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ是γ′相析出元素。

　　粉末的处理工艺通常包括筛分、非金属夹杂物的静电去除、气体浮选、气流磨、真空脱气处理等，主要是筛分和非金属夹杂物静电去除。真空预脱气处理工艺也是粉末处理的一个重要环节，可有效地减少和避免原始颗粒边界（PPB）和热诱导孔洞（TIP）缺陷问题，从而改善合金性能。其他如气体浮选、气流磨等处理工艺，基本上处于研究试用状态，不能形成粉末处理工艺的主流。

　　在粉末高温合金领域，通常采用热等静压或热挤压工艺。此外，还有模压成形、注射成形以及真空烧结、压力烧结等。粉末高温合金的直接热等静压工艺是俄罗斯的主导工 艺，经 过20多 年 的 发 展，已日趋成熟和 完善。热等静压成形工艺参数主要有温度、压力和时间。一般来说在γ′相固溶温度以下进行热等静压时，合金的持久性能差，有缺口敏感性，而当热等静压温度高于γ′相固溶温度时，合金持久寿命增高，但强度降低。热挤压成形在国外应用较多，美国90％以上的镍基粉末高温合金的成形都采用这种方法。李力等人针对FGH4095合金，对比研究了“直接热等静压”、“热等静压＋等温锻造”、“热挤压”三种不同成形工艺。结果表明，经热挤压工艺处理，合金的拉伸强度、塑性和持久性能最好。经“热等静压＋等温锻造”成形，合金的强度和塑性也比直接热等静压合金有所提高，但持久强度几乎无变化。实际上，研究实践也表明，直接热等静压合金的持久性能稳定，但直接热等静压成形工艺对粉末的质量（无空心粉，气体含量低等）要求较高。

　　在粉末烧结之后，还需要进行后续的热处理。主要为了消除成形过程产生的残余应力和获得粗大的柱状晶组织，提高材料沿晶粒长度方向的高温强度。

　　高温合金中主要的强化相是γ’相，其数量的多少以及在材料中的形态分布是材料各种性能的主要影响因素。有学者对FGH98I和FGH96分别在1191和1150℃固溶5min，然后分别以10.8、4.3、0.4和0.1℃/s的速率冷至室温。结果显示，随冷却速率增加，晶界γ’相形貌、尺寸和形态均有明显变化，晶界宽度明显变细。随冷却速率减小，晶内γ’相的形状由简单的圆形向复杂形态变化。

　　同时该作者对γ’相的不稳定形态以及其中典型的γ’相扇形组织作了具体的分析。在不同的冷却速度下均可以看到合金试样中的扇形组织，如图3所示。γ’相形态失稳形式常常是很多单一颗粒γ’相在发生分裂的同时，也发生不稳定长出，特别是在慢冷或高温时效时，不稳定长出的γ’相（凸起）不会再发生分裂，因为它与集体已失去共格，不会产生点阵错配引发弹性应变能。γ’相不稳定长出形态是由于基体内局部溶质原子浓度变化导致γ’相的非平衡性生长，如立方形γ’相也有尖瓣状突起，球形γ’相长成“花椰菜”形状等。实际上，在很多合金中观察到的枝晶状γ’相均可视为不稳定长出现象。通过FESEM的微观组织观察发现，合金中有许多凸起的花瓣状γ’相，表明他们可以从γ’母相上任何部位形成和长出，并未受弹性应变能控制，故可认为不稳定长出和γ’相与基体之间的晶格错配度无关。

　　笔者认为合金 的γ’相扇形组织是由手指形二次γ’相枝晶和其相间的γ相基体组成，其形态的尺寸、间距和面积分数敏感于合金固溶冷却速率，晶界是γ’相扇形组织优先形核场所，不被钉扎的晶界，易形成γ’相扇形组织；高过饱和度的晶界处小尺度的成分偏聚区是γ’相扇形组织的非均匀形核点，通过自身浓度梯队扩散长大，垂直于晶界呈非对称生长；γ’相扇形组织在高温时效处理后发生形态失稳，沿枝晶干发生分断后，渐变成低能的立方形γ’相，增加了γ’相的稳定性。

　　当下，粉末冶金技术在高温合金中的应用日益广泛，将粉末冶金技术渗透到高温合金制备中是科技的一大进步，我们有信心有理由相信粉末高温合金将越走越远，越来越有前景。