粉末冶金高温合金

　　用粉末冶金工艺制取的高温合金。现代喷气推进技术的发展，对高温合金工作温度及性能的要求日益提高。用变形工艺和铸造工艺制备高合金化的高温合金，由于铸锭偏析严重、加工性能差和成形困难，已不能满足要求。而采用粉末冶金工艺，由于粉末颗粒细小，凝固速度快，合金成分均匀，因而产品没有宏观偏析，性能稳定,加工性能良好,而且可以进一步提高合金化程度。在粉末冶金技术中采用热等静压直接成形或用超塑性等温锻造成接近制品尺寸的工艺,还可以提高金属利用率,减少机械加工量，从而降低成本。粉末冶金技术的缺点是金属粉末易于氧化和污染，工艺要求严格。按合金强化方式可分为沉淀强化型和氧化物弥散强化型两类（见金属的强化）。

　　沉淀强化型粉末高温合金  60年代初，美国开始用普通粉末冶金工艺制取高温合金，未能成功。60年代末，改用惰性气体（或真空）雾化制取预合金粉，并采用热等静压、热挤压和超塑性等温锻造等现代粉末冶金工艺，制成了高温合金。英、美等国研制成的几种粉末高温合金，已用于制造高推重比（推力／重量）发动机的高压压气机盘和涡轮盘。美国用快速凝固制粉工艺制成的新合金已加工成为气冷涡轮叶片,正在试用。图1所示为用高温合金粉末制造的涡轮盘。

　　成分和性能  几种常用沉淀强化型粉末高温合金的化学成分见表1。这些合金与同牌号的用铸造或变形工艺制备的高温合金相比，含碳量较低，可以避免在粉末颗粒边界析出碳化物膜,影响材料性能。表1中的MERL76合金是在IN 100合金成分的基础上降低碳含量，并加入强碳化物形成元素铌和铪，这就消除了粉末颗粒表面不良问题，提高了合金强度，并且可以采用直接热等静压成形工艺。 　　几种常用的沉淀强化型粉末高温合金的性能见表 2。这些合金的屈服强度和疲劳强度显然高于同牌号的铸造成形和变形高温合金。

　　制造工艺  沉淀强化型粉末高温合金的制造工艺特点是采用全惰性工艺，即雾化制粉和粉末处理均在氩气保护下或真空中进行，以避免合金粉的氧化。工艺步骤如下：①预合金粉的制备。主要采用氩气雾化法、真空雾化法、旋转电极雾化法等。②粉末处理。在氩气保护下进行筛分、混料、去除氧化物夹杂，然后进行真空脱气。③装套和焊封。在真空中将粉末装入软钢、不锈钢或玻璃－陶瓷型包套中，然后焊封。④热压成形和热加工。主要采用热等静压或热挤压，也可再进行热模锻或超塑性等温锻造。⑤超声波检验。⑥热处理和机械加工。
　　为提高沉淀强化型粉末高温合金的某些性能，还可采用一些新工艺，比较重要的有：①快速凝固制粉。粉末冷却速度可以达到10⁶℃／秒,因而进一步减少了偏析，使合金的成分和组织更加均匀，同时也扩大了合金的固溶度范围，可以继续提高合金化程度，创制出强度和使用温度更高的合金，用以制作多层薄片式气冷涡轮叶片。②特殊热处理工艺。梯度退火热处理可以使叶片获得定向再结晶的组织，而盘件中心部位获得细晶组织，以制取双重性能盘，满足涡轮盘的使用要求。③热塑加工工艺。将预合金粉预先进行冷加工，使粉末内部储存应变能，从而降低合金的再结晶温度，这样就可以在较低的压力和较低的温度下进行热等静压，以获得完全再结晶的细晶组织，使材料具有超塑性，可以采用超塑性等温锻造工艺；热塑工艺可以扩大粉末粒度的应用范围，从而提高了粉末的利用率。

　　氧化物弥散强化型高温合金  以热稳定性高的超细氧化物质点均匀分布在金属或合金基体内，起弥散强化作用的高温合金材料。简称 ODS（oxide dispersionstrengthening）高温合金。
　　发展过程  在高温合金中起强化作用的析出相（金属间化合物或碳化物）随温度升高会重新溶入基体。因此，高温合金的最高工作温度必然受强化相溶解温度的限制。为解决这一问题，从50年代起美国克里门斯(W.S.Cremens)和格雷戈里 (E.Gregory)等人开始了氧化物弥散强化高温合金的研究。
　　60年代初，美国一家公司用化学共沉淀法研制出以ThO₂为弥散相的TD-Ni合金，这种合金抗氧化性差,中温强度低;随后又研制出TD-NiCr、TD-NiW、TD-NiMo和TD-NiCrMo等。同时,其他研究者相继开展了各种氧化物(如Y₂O₃、Al₂O₃、MgO、ZrO₂及HfO₂等)的弥散强化合金的研究。70年代初，美国本杰明(J.S.Benjamin)等人采用高能机械合金化工艺研制成既有金属间化合物沉淀强化又有氧化物弥散强化的新型 ODS合金。1972年采用定向再结晶工艺──ZAP(zone aligned polycrystals)对某些ODS合金进行处理,得到晶粒长宽比较大的纤维状晶粒组织，进一步改善了ODS合金的性能。
　　成分和性能  在70年代，ODS合金迅速发展起来,到目前已有十余种牌号,其中性能较好的有镍基、铁基ODS高温合金，见表3。

　　ODS高温合金具有良好的抗氧化抗热腐蚀性能,优异的高温持久强度和疲劳性能。沉淀强化型高温合金加氧化物弥散强化后,工作温度显著提高,已有可能用于制作1100℃的涡轮叶片。典型的ODS合金同定向结晶MAR-M200（添加铪）铸造合金1000小时持久强度对比见图2。 　　ODS合金在高温下具有较高的持久强度,是由于氧化物质点颗粒细小，弥散分布均匀，高温稳定性好。氧化物质点尺寸一般小于500┱，极少数达1000┱,见图3。 　　ODS 合金可用于制造喷气发动机、工业燃气轮机的高温部件，如火焰筒、导向叶片及涡轮叶片等。图4是用MA754和MA956合金制成的在1200℃下工作的涡轮叶片。
　　制造工艺  按合金类型常用的有以下两种： 　　① 固溶强化型弥散强化合金的生产，一般采用化学共沉淀法，即首先将金属氧化物制成水溶胶并同基体各组元金属盐的混合水溶液和沉淀剂三者置于特定的容器中，使之生成以氧化物质点为核心的复合沉淀物，经过各种热处理制成材料。
　　② 沉淀强化型弥散强化合金的生产，采用机械合金化工艺，即将金属粉末、中间合金粉和氧化物粉置于搅拌式球磨机中，在真空或保护气氛下通过钢球的碾压作用，原料粉被破碎、混合和冷焊合，达到合金化，其合金化过程见图5。用此法生产的合金有 MA754、MA956、MA6000、ODS-WAZ-D等。其工艺流程如图6所示。 机械合金化 ODS合金的出现为工作温度更高、性能更好的高温合金的发展开辟了新的前景。
　　参考书目
　C.T. Sims,W.C.Hagel,The Superalloys,John Wiley & Sons,New York,1972.
　G.H.Gessinger,Powder Metallurgy of Superalloys Recent Devel opment，International Conference onP/M Superalloys,Zurich,Nov.pp.16～20,1980.
　J. S. Benjamin,The Production Structure and Properties of ODS Alloys,Symposium of Superalloys,Schenectady,May,pp.12～13,1981.