先進高溫合金製備工藝 流程

在發動機研製中，高溫合金材料用量已占到發動機總量的40%~60%。所以，高溫合金材料也被譽為(wei) “先進發動機基石"。這段時間，小編將帶大家深度了解先進高溫合金的製備工藝，分析測試以及應用。

高溫合金簡介

高溫合金，顧名思義(yi) 就是能在較高溫度（900℃以上）環境內(nei) 使用，並在一定應力條件下長時間服役的合金。高溫合金分為(wei) 三類材料:760℃高溫材料、1200℃高溫材料和1500℃高溫材料，抗拉強度800MPa。或者說是指在760--1500℃以上及一定應力條件下長期工作的高溫金屬材料，具有優(you) 異的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，已成為(wei) 軍(jun) 民用燃氣渦輪發動機熱端部件不可替代的關(guan) 鍵材料[1]。

廣義(yi) 上的高溫合金指的是能夠在高溫下抗氧化或腐蝕，並能在一定應力作用下長期工作的一類合金，包括鑄造高溫合金、金屬間化合物等高溫金屬材料。狹義(yi) 上的高溫合金是以鐵、鎳、鈷為(wei) 基，能在大約600℃以上的高溫下抗氧化或腐蝕，並能在一定應力作用下長期工作的一類合金。高溫合金自誕生以來從(cong) 原來的鐵、鎳、鈷為(wei) 基，不斷發展和演變，以及引入新的加工工藝，從(cong) 傳(chuan) 統的鑄造高溫合金和變形高溫合金，發展出粉末高溫合金、氧化物彌散強化（ODS）合金、金屬間化合物等新型高溫合金，從(cong) 而大大擴展了高溫合金的內(nei) 涵。

高溫合金在材料工業(ye) 中主要是為(wei) 航空航天產(chan) 業(ye) 服務。伴隨著航空航天產(chan) 業(ye) 的發展，我國已經建立起自己的高溫合金體(ti) 係，從(cong) 而形成了一定的產(chan) 業(ye) 規模。高溫合金由於(yu) 其優(you) 良的耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等性能，已經逐步應用到電力、汽車、冶金、玻璃製造、原子能等工業(ye) 領域，從(cong) 而大大擴展了對高溫合金的需求。

高溫合金製備工藝

高溫合金的幾種成型方法的工藝路線

高溫合金所具有的耐高溫、耐腐蝕等性能主要取決(jue) 於(yu) 它的化學組成和組織結構。

高溫合金材料成分十分複雜，含有鉻、鋁等活潑元素，在氧化或熱腐蝕環境中表現為(wei) 化學不穩定，同時機加工製成的零件表麵留下加工硬化和殘餘(yu) 應力等缺陷，為(wei) 材料的化學性能和力學性能帶來十分不利的影響。由於(yu) 合金化程度高，高溫合金材料極易產(chan) 生成分偏析，這種偏析對鑄造高溫合金和變形高溫合金的組織與(yu) 性能都有重大影響。高溫合金的這些特點決(jue) 定了它區別於(yu) 普通金屬材料的加工工藝[1, 2]。

高溫合金的發展是合金理論與(yu) 生產(chan) 工藝技術不斷改善和革新的過程，通過合金強化+工藝強化來結合不斷提高合金的材料性能。合金強化包括合金固溶強化、第二相強化劑晶界強化等；工藝強化包括改善冶煉、凝固結晶、熱加工、熱處理及表麵處理等環節改善合金組織結構等。

高溫合金的生產(chan) 工藝主要包含熔煉、鑄造、熱處理三個(ge) 過程。生產(chan) 工藝對高溫合金材料力學性能的影響重大，一項新工藝的引入，往往使高溫合金的性能獲得一個(ge) 飛躍，發展一批新型高溫合金，進而推動一代航空發動機和航空飛機的發展。老型號的合金也可以改善工藝達到材料性能的提高。

高溫合金材料製備技術與(yu) 工藝仍處於(yu) 不斷的進步和創新中。比如，冶煉工藝采用了真空感應+電渣重熔+真空自豪熔煉三聯工藝，真空自耗熔煉采用了先進熔煉控製方法等；通過定向凝固柱晶合金和單晶合金工藝技術提高材料的高溫強度；采用粉末冶金方法減少合金元素的偏析和提高材料強度等。此外，氧化物彌散強化高溫合金、金屬間化合物高溫材料也在不斷發展和創新中。

粉末冶金氧化物彌散強化（ODS）高溫合金製備工藝

粉末冶金高溫合金是20世紀60年代發展起來的一種先進髙溫合金製備工藝,由於(yu) 用極細的金屬粉末作為(wei) 原材料,經過熱固結成型及後續熱加工處理得到的合金組織均勻,晶粒細小,無宏觀偏析現象,而且合金的高溫強度、蠕變性能及疲勞性能優(you) 異,因此很快成為(wei) 航空發動機、核工業(ye) 的耐熱部件的材料[3]。

氧化物彌散強化(ODS)高溫合金是一類粉末高溫合金,其突出特點是在高溫(1000一1350℃)下具有較高的強度。對於(yu) 傳(chuan) 統高溫合金及粉末高溫合金來說,Y'析出相及碳(氮)化物強化是其主要的強化手段。但在高溫下,Y'析出相及碳(氮)化物發生粗化和溶解於(yu) 基體(ti) 而失去強化作用。

氧化物彌散強化(ODS)高溫合金,是將細小的氧化物顆粒(一般選用Y2O3)均勻地分散於(yu) 高溫合金基體(ti) 中,通過阻礙位錯的運動而產(chan) 生強化效果的一類合金。

在已經發展的高溫合金中，多采用沉澱強化來提高材料的強度，當材料的服役溫度達到一個(ge) 臨(lin) 界值時，沉澱相就不可避免的發生聚集、長大及溶解從(cong) 而大大降低材料的高溫強度。於(yu) 是，人們(men) 通過粉末冶金的途徑在合金基體(ti) 中均勻加入在高溫狀態下具有高穩定性的細小氧化物來提髙材料的高溫強度。但是，通過傳(chuan) 統的冶煉及冶金技術不可能將這種般細小氧化物（d＜50nm）均勻加入基體(ti) 中，從(cong) 而限製了這種氧化物彌散強化合金的發展。直到70年代初INCO公司*發明了機械合金化(MA)新工藝，解決(jue) 了ODS合金氧化物均勻分布的問題，使合金得到快速發展，其中某些合金己經達到工業(ye) 化生產(chan) 水平。

以下將以氧化物彌散強化高溫合金為(wei) 例，了解高溫合金的製備工藝[4]。

粉末的製備

高溫合金粉末的製備有三種製粉工藝:氣體(ti) 霧化法、旋轉電極法、真空霧化法。而ODS高溫合金粉末的製備方法與(yu) 上述製粉方法有著本質的差異,其關(guan) 鍵是將超細的氧化物質點均勻分散於(yu) 合金粉末中。常用的是以下四種方法：

(l)機械合金化(MA)法

機械合金化是用高能研磨機或球磨機實現固態合金化的過程,由美國INCO公司於(yu) 上世紀六十年代末研發,是異類物質實現微混合的*方法。現在,ODS高溫合金大多數是采用MA技術將超細的氧化物顆粒均勻地分散到合金基體(ti) 中。含有彌散氧化物顆粒的機械合金化粉末經固結處理後,便可得到密實的合金材料,機械合金化是製備ODS高溫合金的關(guan) 鍵技術之一。

(2)內(nei) 氧化法

內(nei) 氧化法是利用合金中含量少、並且對氧有很強親(qin) 和力的合金元素與(yu) 氧反應,生成氧化物質點作為(wei) 彌散相。

(3)化學共沉澱法

化學共沉澱法的原理是在所配製的溶液中加入合適的沉澱劑,並把pH控製值在適當範圍內(nei) ,以製備出超細顆粒的前驅體(ti) 沉澱物,再經陳化、過濾、洗滌、幹燥以及熱分解得到納米級的複合氧化物粉末。

(4)預合金霧化粉末

將預先配置好的合金在霧化過程惰性氣體(ti) 的保護下進行熔化,在霧化氣體(ti) 中加入氧氣,使霧化液滴在冷凝過程中氧化增氧,控製氣氛中氧的含量獲得不同的氧含量的霧化氣體(ti) ,並通過霧化參數的控製獲得要求的粉末粒度[5]。

熱固結成型

鬆散的高溫合金粉末隻有通過固結工藝,才能得到*致密化的材料。固結的主要方法有熱等靜壓(HIP)、熱擠壓等。

(1)熱等靜壓(Hot isostatic pressing,HIP)

熱等靜壓是一種在真空條件下利用高溫高壓手段將粉末熱固結成型的工藝。

熱等靜壓工藝的關(guan) 鍵在於(yu) 溫度、壓力和時間的控製,首先熱等靜壓的溫度不能過高,這樣可以避免彌散相的長大;其次,熱等靜壓的壓力選擇應高於(yu) 相對應溫度合金材料的屈服應力,使粉末顆粒能夠有效變形並發生冶金結合,消除材料空隙,提高合金致密度;保壓時間的選擇也很關(guan) 鍵,時間太長已經致密化的合金在高溫高壓條件下組織發生變化,時間太短則不能有效致密化。

(2)熱擠壓(hotextrusion,HE)

ODS高溫合金一般采用熱擠壓工藝固結,可以將粉末包套直接擠壓成形,也可以將合金化粉末經熱等靜壓密實後再進行二次擠壓成形