先进高温合金制备工艺 流程

在发动机研制中，高温合金材料用量已占到发动机总量的40%~60%。所以，高温合金材料也被誉为“先进发动机基石"。这段时间，小编将带大家深度了解先进高温合金的制备工艺，分析测试以及应用。

高温合金简介

高温合金，顾名思义就是能在较高温度（900℃以上）环境内使用，并在一定应力条件下长时间服役的合金。高温合金分为三类材料:760℃高温材料、1200℃高温材料和1500℃高温材料，抗拉强度800MPa。或者说是指在760--1500℃以上及一定应力条件下长期工作的高温金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料[1]。

广义上的高温合金指的是能够在高温下抗氧化或腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作的一类合金，包括铸造高温合金、金属间化合物等高温金属材料。狭义上的高温合金是以铁、镍、钴为基，能在大约600℃以上的高温下抗氧化或腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作的一类合金。高温合金自诞生以来从原来的铁、镍、钴为基，不断发展和演变，以及引入新的加工工艺，从传统的铸造高温合金和变形高温合金，发展出粉末高温合金、氧化物弥散强化（ODS）合金、金属间化合物等新型高温合金，从而大大扩展了高温合金的内涵。

高温合金在材料工业中主要是为航空航天产业服务。伴随着航空航天产业的发展，我国已经建立起自己的高温合金体系，从而形成了一定的产业规模。高温合金由于其优良的耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等性能，已经逐步应用到电力、汽车、冶金、玻璃制造、原子能等工业领域，从而大大扩展了对高温合金的需求。

高温合金制备工艺

高温合金的几种成型方法的工艺路线

高温合金所具有的耐高温、耐腐蚀等性能主要取决于它的化学组成和组织结构。

高温合金材料成分十分复杂，含有铬、铝等活泼元素，在氧化或热腐蚀环境中表现为化学不稳定，同时机加工制成的零件表面留下加工硬化和残余应力等缺陷，为材料的化学性能和力学性能带来十分不利的影响。由于合金化程度高，高温合金材料极易产生成分偏析，这种偏析对铸造高温合金和变形高温合金的组织与性能都有重大影响。高温合金的这些特点决定了它区别于普通金属材料的加工工艺[1, 2]。

高温合金的发展是合金理论与生产工艺技术不断改善和革新的过程，通过合金强化+工艺强化来结合不断提高合金的材料性能。合金强化包括合金固溶强化、第二相强化剂晶界强化等；工艺强化包括改善冶炼、凝固结晶、热加工、热处理及表面处理等环节改善合金组织结构等。

高温合金的生产工艺主要包含熔炼、铸造、热处理三个过程。生产工艺对高温合金材料力学性能的影响重大，一项新工艺的引入，往往使高温合金的性能获得一个飞跃，发展一批新型高温合金，进而推动一代航空发动机和航空飞机的发展。老型号的合金也可以改善工艺达到材料性能的提高。

高温合金材料制备技术与工艺仍处于不断的进步和创新中。比如，冶炼工艺采用了真空感应+电渣重熔+真空自豪熔炼三联工艺，真空自耗熔炼采用了先进熔炼控制方法等；通过定向凝固柱晶合金和单晶合金工艺技术提高材料的高温强度；采用粉末冶金方法减少合金元素的偏析和提高材料强度等。此外，氧化物弥散强化高温合金、金属间化合物高温材料也在不断发展和创新中。

粉末冶金氧化物弥散强化（ODS）高温合金制备工艺

粉末冶金高温合金是20世纪60年代发展起来的一种先进髙温合金制备工艺,由于用极细的金属粉末作为原材料,经过热固结成型及后续热加工处理得到的合金组织均匀,晶粒细小,无宏观偏析现象,而且合金的高温强度、蠕变性能及疲劳性能优异,因此很快成为航空发动机、核工业的耐热部件的材料[3]。

氧化物弥散强化(ODS)高温合金是一类粉末高温合金,其突出特点是在高温(1000一1350℃)下具有较高的强度。对于传统高温合金及粉末高温合金来说,Y'析出相及碳(氮)化物强化是其主要的强化手段。但在高温下,Y'析出相及碳(氮)化物发生粗化和溶解于基体而失去强化作用。

氧化物弥散强化(ODS)高温合金,是将细小的氧化物颗粒(一般选用Y2O3)均匀地分散于高温合金基体中,通过阻碍位错的运动而产生强化效果的一类合金。

在已经发展的高温合金中，多采用沉淀强化来提高材料的强度，当材料的服役温度达到一个临界值时，沉淀相就不可避免的发生聚集、长大及溶解从而大大降低材料的高温强度。于是，人们通过粉末冶金的途径在合金基体中均勻加入在高温状态下具有高稳定性的细小氧化物来提髙材料的高温强度。但是，通过传统的冶炼及冶金技术不可能将这种般细小氧化物（d＜50nm）均匀加入基体中，从而限制了这种氧化物弥散强化合金的发展。直到70年代初INCO公司*发明了机械合金化(MA)新工艺，解决了ODS合金氧化物均勻分布的问题，使合金得到快速发展，其中某些合金己经达到工业化生产水平。

以下将以氧化物弥散强化高温合金为例，了解高温合金的制备工艺[4]。

粉末的制备

高温合金粉末的制备有三种制粉工艺:气体雾化法、旋转电极法、真空雾化法。而ODS高温合金粉末的制备方法与上述制粉方法有着本质的差异,其关键是将超细的氧化物质点均匀分散于合金粉末中。常用的是以下四种方法：

(l)机械合金化(MA)法

机械合金化是用高能研磨机或球磨机实现固态合金化的过程,由美国INCO公司于上世纪六十年代末研发,是异类物质实现微混合的*方法。现在,ODS高温合金大多数是采用MA技术将超细的氧化物颗粒均匀地分散到合金基体中。含有弥散氧化物颗粒的机械合金化粉末经固结处理后,便可得到密实的合金材料,机械合金化是制备ODS高温合金的关键技术之一。

(2)内氧化法

内氧化法是利用合金中含量少、并且对氧有很强亲和力的合金元素与氧反应,生成氧化物质点作为弥散相。

(3)化学共沉淀法

化学共沉淀法的原理是在所配制的溶液中加入合适的沉淀剂,并把pH控制值在适当范围内,以制备出超细颗粒的前驱体沉淀物,再经陈化、过滤、洗涤、干燥以及热分解得到纳米级的复合氧化物粉末。

(4)预合金雾化粉末

将预先配置好的合金在雾化过程惰性气体的保护下进行熔化,在雾化气体中加入氧气,使雾化液滴在冷凝过程中氧化增氧,控制气氛中氧的含量获得不同的氧含量的雾化气体,并通过雾化参数的控制获得要求的粉末粒度[5]。

热固结成型

松散的高温合金粉末只有通过固结工艺,才能得到*致密化的材料。固结的主要方法有热等静压(HIP)、热挤压等。

(1)热等静压(Hot isostatic pressing,HIP)

热等静压是一种在真空条件下利用高温高压手段将粉末热固结成型的工艺。

热等静压工艺的关键在于温度、压力和时间的控制,首先热等静压的温度不能过高,这样可以避免弥散相的长大;其次,热等静压的压力选择应高于相对应温度合金材料的屈服应力,使粉末颗粒能够有效变形并发生冶金结合,消除材料空隙,提高合金致密度;保压时间的选择也很关键,时间太长已经致密化的合金在高温高压条件下组织发生变化,时间太短则不能有效致密化。

(2)热挤压(hotextrusion,HE)

ODS高温合金一般采用热挤压工艺固结,可以将粉末包套直接挤压成形,也可以将合金化粉末经热等静压密实后再进行二次挤压成形