粉末高溫合金的成分及生產(chǎn)工藝

粉末高溫合金的成分及生產(chǎn)工藝各國(guó)研制成功的粉末高溫合金有10余種，其中作用較廣的有IN100,Rene’95,MERL76,Rene’88DT，3H741HH等。它們都屬于沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金，化學(xué)成分見表15所示。表15幾種國(guó)外粉末高溫合金的化學(xué)成分合金牌號(hào)CCrCoWMo合金成分/(%)AlTiNbVHfZrBNi1N100<0.11014—3.55.54.5—1.0—0.050.01余Rene’95<0.11483.53.53.52.55.5——0.050.01余MERL760.0352.518.5—3.05.04.31.4—0.40.060.02余Rene’88DT0.031613442.13.10.7——0.030.015余3n74iHn0.059.0165.33.75.01.82.6—0.255015<0.015余FGH95是我國(guó)研制的第一個(gè)粉末高溫合金，其成分相當(dāng)于美國(guó)GE公司的Rene’95合金（表16），是一種高合金化的r，相沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金，其rf體積含量為50%?55%，r，形成元素含量（原子）為28%。它是當(dāng)前6500吏用條件下強(qiáng)度水平最高的渦輪盤材料。除用于高、低壓渦輪盤外，也可用于壓氣機(jī)盤、渦輪軸、渦輪擋環(huán)、高溫密封件等高溫零件。表16FGH95粉末高溫合金化學(xué)成分元素含量％元素含量％CCrNiCoWMoAlTiNbBZr0.04?0.0912.00?14.00余7.00?9.003.30?3.703.30?3.702.30?3.703.30?2.703.30?3.700.006?0.0150.03?0.07FeTaMnSiPSONH雜質(zhì)，不大于0.5000.2000.1500.2000.0150.0150.0100.0050.001根據(jù)不同使用要求，對(duì)粉末高溫合金可以采用HIP（熱等靜壓）直接成形、HIP+模鍛、HIP+等溫鍛和擠壓+等溫鍛等不同工藝路線。在我國(guó)沒(méi)有大型擠壓機(jī)和大型等溫鍛造機(jī)的條件下，曾選用HIP+包套模鍛的成形工藝路線，模鍛出中420mm和中630mm的全尺寸渦輪盤，盤件的性能基本達(dá)到了美國(guó)同類合金Rene’95技術(shù)條件的要求。存在的問(wèn)題是粉末中的陶瓷夾雜含量較高，致使材料性能不太穩(wěn)定。采用等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備制得粉末，其粉末質(zhì)量大幅度提高。中420mmFGH95粉末高溫合金渦輪盤的制造工藝流程如圖24所示。圖24粉末盤制造工藝流程（1） 母合金熔煉用200kg真空感應(yīng)爐冶煉，熔煉溫度1550°C,真空度1.3x10-iPa，澆注成中80x1000mm的圓棒，處理后準(zhǔn)備重熔噴粉。（2） 霧化制粉用65kg真空感應(yīng)爐一氬氣霧化裝置將母合金重熔，熔液經(jīng)漏嘴流下，用高壓氬氣將其霧化成粉末。澆注溫度為1520C，氬氣噴吹壓力為1.6?1.8MPa。（3） 粉末處理粉末高溫合金對(duì)粉末質(zhì)量要求十分嚴(yán)格。FGH95合金粉末在氬氣保護(hù)下篩分，粒度為-150日。粉末經(jīng)靜電分離法去除陶瓷夾雜。在3.99x10-3Pa的真空下，加熱300C，去除粉末表面吸附的氣體。在真空下將粉末裝入不銹鋼套，搖實(shí)，焊封。鋼套尺寸為中240x380mm，裝粉質(zhì)量為82?88kg。（4） 熱等靜壓成形HIP工藝參數(shù)為1120C，110MPa，3h，爐冷。（5） 自由鍛制坯HIP錠坯在12000t水壓機(jī)上進(jìn)行自由鍛預(yù)制坯。加熱溫度為1120C，分兩火鍛造，總變形量為61%。盤坯模鍛自由鍛坯在12000t水壓機(jī)上進(jìn)行模鍛。加熱溫度為1200C一火鍛成。熱處理和時(shí)效強(qiáng)化型高溫合金的熱處理工藝相類似，進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理。熱處理規(guī)范為：1120C1h,油冷+870C1h,空冷+650C24h,空冷。在上述工藝流程中，第4、第5和第6項(xiàng)為粉末壓實(shí)成形階段。通過(guò)壓實(shí)工藝，不但要獲得一定形狀和尺寸的鍛件或預(yù)成形件，使粉末材料致密化，達(dá)到理論密度，而且要使材料的組織發(fā)生顯著的變化。鍛造加熱溫度對(duì)FGH95合金顯微組織和力學(xué)性能影響的研究表明，合金在1080?1140°C加熱，所得組織均勻，品粒細(xì)小，各項(xiàng)力學(xué)性能都能達(dá)到技術(shù)條件要求；而在1160°C加熱，由于大部分了'相溶解，晶粒長(zhǎng)大，雖然持久強(qiáng)度提高，但屈服強(qiáng)度明顯降低。鍛造變形量對(duì)FGH95合金顯微組織和力學(xué)性能影響的研究結(jié)果表明，熱等靜壓坯經(jīng)鍛造變形后，破碎了原始顆粒邊界(PPB)和鑄態(tài)枝品組織。變形量由42%增加到77%，枝品組織從1.99%減少到0.39%。由于組織的改善，鍛造合金的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和塑性，都比熱等靜壓態(tài)的合金明顯提高。若采用熱擠壓工藝，由于粉末顆粒受到了強(qiáng)烈的剪切變形，高倍組織中已觀察不到枝品組織和PPB，是完全再結(jié)品的細(xì)品組織。變形速度對(duì)FGH95合金的變形抗力和塑性影響也很大，慢速變形時(shí)，變形抗力降低，塑性提高。按圖24工藝流程制得的FGH95粉末高溫合金盤件，其低倍組織均勻，無(wú)宏觀偏析，品粒細(xì)小。高倍組織如圖25所示，其基體為奧氏體，組織均勻，品粒細(xì)小，品粒度為ASTM13?14級(jí)?；w上彌散分布著不同尺寸的r'相，0.5?1.5um的大r'相分布于晶界，品內(nèi)為細(xì)小的r'相，枝品區(qū)有規(guī)則排列的r'相，品內(nèi)和品界存在著微量MC和M23C6型碳化物和M3B2型硼化物°FGH95盤件的全面性能優(yōu)異，有待進(jìn)一步完善工藝，為我國(guó)的高推比發(fā)動(dòng)機(jī)提供高性能、可靠的盤件和其他熱端部件。在美國(guó)，粉末冶金IN100合金渦輪盤是采用熱擠壓+超塑性等溫鍛造工藝制造的。其最佳超塑溫度范圍是1036?1093C最大m值為0.5,最大延伸率為100%。鎳基合金成功地進(jìn)行等溫鍛造的關(guān)鍵是鍛造前形成細(xì)晶組織并在鍛造中維持細(xì)小晶粒組織。因此像IN100及Rene’95和Astroloy合金因含有大量r，相，在等溫鍛造中可防止晶粒長(zhǎng)大，容易獲得所必須的超塑性性能。對(duì)于等溫鍛造，采用帶精確速度控制的液壓機(jī)，典型的滑塊速度在0.04?0.4mm/s范圍中。在等溫鍛造時(shí)，模具必須在980?1095。0溫度下保持其