粉末高温合金的研究与发展
粉末冶金工业第14卷 第6期Vol. 14No. 6
POWDER METALL URG Y IN D USTR Y 2004年12月Dec. 2004
粉末高温合金的研究与发展
张义文1, 上官永恒2
(11钢铁研究总院高温材料研究所, 北京100081; 21北京有色金属研究总院, 北京100088)
摘 要:概述了粉末高温合金、工艺、应用和最新研究成果, 论述了粉末高温合金中存在的缺陷
以及减弱和消除这些缺陷所采取得措施, 探讨了粉末高温合金今后的发展方向。关键词:粉末高温合金; 涡轮盘; 缺陷; 工艺中图分类号:TF123. 7 文献标识码:A文章编号:1006-6543(2004) 06-0030-14
RESEARCH AND DEV ELOPM EN T IN P/M SU ZHANG Yi 2w en , (High Temperature Materials 100081,China ; 21Beijing G eneral , beijing 100088,China )
Abstract well as results of recent researches of P/M superalloys are P/M superalloys and the methods of eliminating them are introduced. Meanwhile future development of P/M superalloys is discussed. K ey w ords :P/M superalloy ;turbine disk ;defect ;process
粉末高温合金是用粉末冶金工艺生产的高温合金。粉末高温合金的研究始于上一世纪六十年代初。粉末高温合金解决了传统的铸锻高温合金由于合金化程度的提高, 铸锭偏析严重, 热加工性能差, 成形困难等问题, 是现代高推重比航空发动机涡轮盘等关键部件的必选材料。
美国、俄罗斯、英国、法国、德国、加拿大、瑞典、中国、日本、意大利以及印度等国家在粉末高温合金方面开展了研究工作, 但是只有美国、俄罗斯、英国、法国、德国等国家掌握了工业生产工艺[1]。目前只有美国、俄罗斯、法国、英国能研发粉末高温合金并建立了自己的合金牌号。
粉末高温合金主要用于制造航空发动机的涡轮盘、压气机盘、鼓筒轴、封严盘、封严环、导风轮以及涡轮盘高压挡板等高温承力转动部件。经过近四十年的发展, 研制并应用了以Ren é95为代表的第一代和以Ren é88D T 为代表的第二代粉末高温合金。目
前先进的航空发动机普遍采用了IN100、Ren é95、LC Astroloy 、M ERL76、AP1、U720、ЭП741НП、RR1000、Ren é88D T 、N18等粉末涡轮盘和压气机
盘。英、法、德等国也将粉末盘用于先进的飞机发动机上。美国于1997年将双性能粉末盘用于第四代高性能发动机。此外, 粉末盘还用于航天火箭发动机以及地面燃气、燃气涡轮动力装置。
粉末高温合金需要解决的两大难题是消除缺陷和降低成本, 这也是影响粉末高温合金广泛应用的主要因素。
本文主要综述了国内外粉末高温合金的发展状况、近年来的研究进展和未来的发展动向, 希望能对我国粉末高温合金的发展起到借鉴和指导作用。美国于上一世纪六十年代初制定了一项先进涡
轮发动机材料研究计划(简称MA TE 计划) , 美国国家宇航局研究中心根据该项计划与发动机制造厂、金属生产和制造厂签订了合同, 共同研制粉末高温
收稿日期:2003-05-29
作者简介:张义文(1964-) , 男(汉) , 内蒙呼伦贝尔市人, 教授级高工, 从事粉末高温合金研发工作。
第6期 张义文:粉末高温合金的研究与发展
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合金。
美国P &WA公司首先于1972年, 采用氩气雾化(AA ) 制粉+热挤压(HEX ) +等温锻造(ITF ) 工艺(称为G aterezing 工艺) 研制成功了IN100粉末高温合金, 用作F100发动机的压气机盘和涡轮盘等11个部件, 装在F15和F16飞机上。该公司又于1976年采用直接热等静压(As 2HIP ) 工艺研制出了LC Astroloy (低碳Astroloy ) 粉末涡轮盘, 以取代原
ЭП741П合金粉末涡轮盘和压气机盘, 并提供给了用户。ВИЛС从1981年开始工业批生产和提供军机用ЭП741НП粉末盘和轴, 从1984年开始批生产民机用粉末盘。八十年代以后又研制出ЭП962П、ЭП975П、ЭИ698П和ЭП962НП粉末高温合金。在航空、航天上使用最多的是ЭП741НП合金, 主要用于制造航空发动机的各类盘件、轴和环形件等, 包括涡轮盘、压气机盘、鼓筒机轴、封严环、旋转导风轮、封严篦齿盘、封严篦齿环、封严圈、支撑环、导流板以及喷嘴等, 盘件尺寸为Ф400～600mm , 使用的航空发动机主要有Д30Ф6、РД233、ПС90A 、АЛ231Ф、АЛ231ФП等。ЭП741НП合金还用于制造运载液(带轴) 等, 叶轮尺寸为Ф300～, 使用的发动机有Р、2000年俄罗斯生, 近5万件粉末盘和轴, [2]。ЭП741НП, 被推荐为用做各类宇航, 包括民用发动机关键部件的材料。从八十年代初开始, 采用As 2HIP 工艺对双性能粉末盘开展了研究工作, 但未实际应用。
九十年代初俄罗斯又研制出中等合金化的ЭИ698П粉末高温合金, 拓宽了粉末高温合金的领域。ЭИ698П合金主要用于地面燃气传输动力装置ГТУ210、ГТУ212、ГТУ216、ГТЭ225的盘件, 其尺寸为Ф500～700mm 。
英国Wiggin Alloys 公司(原为Henry Wiggin 公司) 在1975年装备了一条具有年产1000t 高温合金粉末的生产线, 配备了热等静压机和等温锻造机。Wiggin Alloys 公司与Rolls Royce 公司合作研制成功了AP1(原为AP K 21) 粉末高温合金涡轮盘, 用在RB211发动机上。德国M TU 公司的RB199发动
来的Waspaloy 合金变形涡轮盘, 1977年用于J T8D 217R 和TF 230发动机上。1979年该公司又研制成功了M ERL76粉末涡轮盘, 用于J T9D 、J T10D (PW2073) 等发动机, 其中J T9D 217R 发动机于1983年装配在B7472300飞机上。美国GEAE 公司于1972年采用AA 制粉+As 2HIP 工艺研制成功了Ren é95粉末涡轮盘, 于1973年首先用于军用直升机的T 2700发动机上, 采用As 2HIP 工艺于1978年又完成了F404发动机的压气机盘、轴的研制, 装配在TF/A 218飞机, 后2HIPRen é95粉末盘应用F101发动机上F404发动机的TF/A 218飞机压轮盘破裂失事后, 对Ren é95, 采用HIP +ITF 或HEX +ITF 工艺, 调整后的Ren é95粉末盘
用于F404、F101和F110发动机上。T 2700发动机上的Ren é95合金零件至今仍全部采用As 2HIP 工艺生产, 使用中未出现任何问题。美国Special Met 2als 公司研制的U720粉末盘也已在发动机上使用。
为了提高发动机的安全可靠性和使用寿命, GEAE 公司根据空军的要求, 采用AA 制粉+HEX +ITF 工艺, 于1988年研制出了Ren é88D T 粉末盘, 用于GE80E1、CFM5625C2和GE90发动机上, 其中GE90发动机首先装配在波音777民航机上。美国在军机和民机上都在使用Ren é88D T 粉末盘。
美国从七十年代末开始对双性能粉末盘开展了大量的研究工作, 于1997年将双性能粉末盘用在了第四代战斗机F22的发动机F119上。
俄罗斯粉末高温合金的研究始于上一世纪六十
) 于1973年建年代末。全俄轻合金研究院(ВИЛС
立了粉末高温合金研发实验室, 开始研制粉末盘, 其生产工艺为等离子旋转电极工艺(PREP ) 制粉+As 2HIP 成形。于1974年研制出了第一个Ф560mm 的
机使用了AP1粉末高温合金涡轮盘。法国研制出
N18粉末高温合金涡轮盘, 用在M88发动机上。
日本神户制钢公司于1984年建立了一条粉末高温合金生产线, 具有年产100t 粉末的能力, 还装备了热等静压机和等温锻造机, 对IN100、M ERL76、Ren é95、AF115等粉末高温合金以及双性能粉末盘开展了研究工作, 但未得到实际应用。
我国粉末高温合金的研究始于1977年。当时钢铁研究总院(CISRI ) 从德国Heraeus 引进了氩气雾化制粉装置以及粉末处理等设备, 并自行设计和制造了一台国内最大的直径为Ф690mm 的热等静
ЖС6У和ЭП741П粉末涡轮盘, 并于1975年生产
出了第一个工业批生产的大尺寸军机用ЖС6У和
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压机, 配备了一台500t 的等温锻造机, 于1980年底基本上建成了一条粉末高温合金研制生产线。采用AA 制粉+HIP 成形+包套模锻工艺, 于1984年底研制出了Ф420mm 涡轮盘。从“八五”开始CIS 2RI 陆续从俄罗斯引进了先进的等离子旋转电极工 Ren é95粉末高温合金是GEAE 公司在变形
Ren é95合金的基础上降低碳含量研制而成的, 该合金是目前650℃下抗拉强度最高的粉末高温合金, GEAE 公司还研制出了高蠕变性能的AF115合金。IN100是P &WA公司研制的粉末高温合金, 该合金原为用于叶片的铸造合金, 碳含量高达0118%, 在粉末颗粒表面形成PPB , 必须进行HEX 。HEX 可以使粉末发生剪切变形, 有利于破碎粉末颗粒表面的碳化物和氧化物膜, 促进粉末之间的扩散和固结, 消除PPB 。M ERL76合金是由P &WA公司的材料工程和研究实验室(M ERL ) 研制的高强粉末高温合金。它是将IN100合金的成分加以调整, 添加了Nb 和少量的Hf , PPB , 提高了塑性并强化了合金, V 以提高抗腐蚀性AP1合金(Alloy 公司, 其成分基本与Astroloy , (与LC As 2相同) , 以消除PPB 。ЭП741НП合金是俄罗斯ВИЛС在变形合金ЭП741的基础上, 通过稍微调整化学成分、提高γ′相形成元素(Ti 、AI 和Nb ) 的含量、改变热处理工艺, 研制出的粉末高温合金。在此基础上, 通过增加二次时效以消除二次碳化物在晶界上的大量析出, 研制出了ЭП741НП改型的粉末高温合金ЭП741НПУ。112 第二代粉末高温合金第二代粉末高温合金是在第一代粉末高温合金的基础上研制而成的, 其特点是晶粒粗大, 抗拉强度较第一代低, 但具有较高的蠕变强度、裂纹扩展抗力以及损伤容限, 最高使用温度为700～750℃。目前有美国研制的Ren é88D T 合金、法国研制的N18合金以及英国研制的RR1000合金, 并都得到了实际应用。
根据1982年USAF 提出的ENSIP 要求, 需要提高疲劳抗力和使用温度, 降低成本和提高发动机的寿命、安全可靠性, 美国GEAE 公司于1983年开始研制新型合金。GEAE 公司根据损伤容限设计原则, 在Ren é95合金的基础上, 降低了Al 、Ti 、Nb 含量, 从而降低了γ′相含量; 提高了W 、Mo 、Co 含量, 加强了固溶强化效果, 弥补了由于γ′相含量低引起的强度下降; 增加了Cr 含量, 提高了抗氧化性, 于1988年研制成功了称之为第二代的粉末高温合金, 被命名为Ren é88D T (D T 2Damage Tolerant 损伤容
艺(PREP ) 制粉设备以及粉末处理、大型真空退火炉等仪器设备, 从荷兰引进了大型超声波水浸探伤设备, 已安装在CISRI 涿州基地并正常使用。目前, CISRI 已经基本具备了镍基高温合金粉末生产、处
理以及包套压实成形所需的基础设备。
“八五”期间, 在PREP 制粉工艺、粉末性能测试、粉末处理工艺、粉末包套的设计、热等静压工艺、包套锻造工艺、热处理工艺、合金组织性能等方面做了大量的研究工作, 摸索并确定了盘坯的成形工艺, 初步确定了盘件的热处理工艺, 攻克了包套锻造开裂以及淬火裂纹等关键问题。1995年4月在西南铝加工厂的30000t 水压机上, 使用粒度为150μm 的PREP 粉末, 采用HIP 艺, Ф630mm 的, 。
“八五”和“期间, 使用粒度为50～150μm 的PREP 粉末, 还成功地研制出F GH95粉末涡轮盘挡板, 并且在某新型高推重比发动机上得到了使用。
1 合金研究
111 第一代粉末高温合金
以Ren é95为代表的第一代粉末高温合金是在变形盘件合金或铸造叶片合金的基础上略加调整, 适当降低碳含量以及添加了MC 型强碳化物形成元素Nb 、Hf 等, 以防止形成PPB 发展而来的。其特点是γ′相含量高(一般大于45%) , 一般在低于γ′相固溶温度以下固溶处理, 晶粒细小, 抗拉强度高, 使用温度为650℃。第一代典型的粉末高温合金的主要特性见表1。
表1 第一代几种典型粉末高温合金的特性
合金
IN100
MERL76LC Astroloy (AP1)
Ren é95U720ЭП741НП
γ′含量γ′完全固溶固相线
61644550-60
[***********]140180
[***********]245260密度-[***********]1108135
限) 。Ren é88D T 合金的化学成分和特性分别见表2
第6期 张义文:粉末高温合金的研究与发展
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和表3。Ren é88D T 合金具有良好的蠕变、拉伸和损伤容限的综合性能, 与第一代Ren é95合金相比, 该合金的抗伸强度虽然降低了10%, 但疲劳裂纹扩展
速率却降低了50%(见图1) , 使用温度由650℃提
表2 第二代粉末高温合金的主要化学成分(质量分数) /%
合金
Ren é88DT N18RR1000
C [1**********]27
Cr [1**********]5
Co [1**********]0
W 410--Mo 410613415
AI 2104135310
Ti 3174135410
Nb 017--B [**************]
Zr [1**********]6
Hf -0150175
Ta --115
(Al +Ti +Nb +Ta +Hf )
6149129125
表3 第二代粉末高温合金的特性
γ密度使用温度′含量γ′完全固溶固相线
/%温度/℃温度/℃/℃-3
Ren é88DT [**************]50N[***********]0合金
RR1000
46
1160
--
750
高到750℃。Ren é88D T 合金用于制造高压涡轮盘
和封严环等, 采用热压+HEX +ITF 工艺, 挤压比为7:1。Ren é88D T 粉末盘首先用于PW4084和GE90发动机上, 装配在B777民航机上。目前, 美国在军用和民用发动机上大量使用é88D T 粉末盘。 N18是法国专门为,SN ECMA 和在合金的基础上, , γ′相含量, 其抗拉强度较高, 裂纹扩展速率低, 长时使用温度为700
℃, 短时使用温度为750℃。使用AA 粉, 粒度为-200目(小于75μm ) , 采用HEX +ITF 工艺, 用于M88发动机的高压涡轮盘和压气机盘。
英国RR 公司于九十年代初开始研制第二代粉末高温合金RR1000, 最高使用温度为750℃。
为满足我国高推重比航空发动机的设计要求和跟踪世界涡轮盘材料的发展, 我国也开展了第二代粉末高温合金F GH96的研究工作。“九五”期间, 对
图1 Ren é88DT 与Ren é95合金疲劳裂纹扩展速率的比较
650℃,20cyc/min ,115KSI ,R =0105mm
合金成分确定、粉末的特性、HIP 工艺参数、锻造工艺参数、热处理工艺、合金组织和性能进行了研究, 取得了阶段性的进展。表4给出了第二代粉末高温合金的应用情况。
表4 第二代粉末高温合金的应用
国家、公司
美国GEAE
合金Ren é88DT
部件
涡轮盘等涡轮盘等涡轮盘等涡轮盘等涡轮盘等
发动机
CF6-80E1CFM56-5C2
GE90M88
推重比618515
-1010
生产工艺
HEX +ITF HEX +ITF HEX +ITF HEX +ITF HIP +ITF
法国SN ECMA 中国CISRI +BIAM
N18FGH96
某发动机
使用情况民机A330、B767使用民机A340使用民机B777、A330使用军机“阵风”使用
在研
2 粉末盘生产工艺的发展
粉末盘的生产可以采用多种不同的工艺, 但总的要求是在惰性气氛下制备和处理粉末, 采用热成
形工艺使粉末固结密实。在选择生产工艺路线时, 主要依据零件形状和使用寿命的要求、生产成本、工艺技术水平以及现有条件等综合因素而确定。目前美国等西方国家采用AA 粉末+HEX +ITF 工艺生产压气机盘和涡轮盘等, 采用AA 粉末+As 2HIP 成
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形工艺生产小型涡轮盘、鼓筒轴、涡轮盘挡板以及封严环等。俄罗斯采用PREP 粉末+As 2HIP 工艺生产发动机的压气机盘、涡轮盘、鼓筒轴以及封严环等高温承力转动件。211 粉末制备工艺
粉末的制备是粉末高温合金生产过程中最重要
的环节, 粉末的质量直接影响零件的性能, 所以在粉
末制备工艺方面开展了大量的研究工作, 试验了多种工艺方法。目前在实际生产中主要采用AA 工艺、PREP (REP ) 工艺和溶氢雾化(SHA ) 工艺, 三种制粉工艺特性比较见表5。粉末形貌见图2。
表5 三种制粉工艺特性比较
生产工艺
粉末形状及特征粉末粒度粉末纯度氧含量粒度控制因素生产效率
AA
PREP (REP )
SHA
粉末主要为球形, 空心粉较多。粒度分布范围宽, 平均粒度较细。纯度较差, 有坩埚等污染。氧含量较高。粉末为球形, 表面光洁, 空心粉少。粉末形状最不规则, 呈球形和片
状, 表面粗糙, 有疏松。
粒度分布范围较窄, 平均粒度较粒度分布范围宽, 平均粒度较粗。粗, 一般大于50μm 。
纯度较高, 基本保持母合金棒料的纯度较差, 有坩埚污染。水平,
无坩埚污染。
氧含量较低, 与母合金棒料相当, , 导管孔径, 真 中等
小于70×10-6。
喷嘴设计, 氩气压力, 金属流大小。 最高
图2 AA 粉末(a ) 、PREP 粉末(b ) 和SHA 粉末(c ) 形貌
俄罗斯和我国采用PREP 制粉工艺, 美国等国
家主要采用AA 制粉工艺生产高温合金粉末。212 成形工艺
因为粉末是球形的以及在冷态下粉末本身的硬度和强度很高, 在室温下实际上是很难压制成形的。因此采用热成形工艺, 主要有HIP 、热压、热模锻、ITF 和HEX 。除此之外, 粉末高温合金的固结成形工艺还有真空烧结、压力烧结、金属注射成形(MIM ) 以及喷射成形(Osprey ) 工艺。由于存在孔洞等缺陷, 目前Osprey 工艺在制造粉末盘上还没得到应用。根据不同机种的要求, 盘件制造工艺分别为As 2HIP 、HIP +热模锻、HIP +ITF 、HEX +ITF 、热压成形+HEX +ITF 、HIP +HEX +ITF 。不同工艺生产的盘件对室温和高温拉伸强度影响不大, 但经锻造后的持久强度、低周疲劳寿命(LCF ) 得到了改善。
美国早期采用-60目(小于250μm ) 粉末, 由于粉末粒度较粗, 大颗粒夹杂物较多, 容易引起疲劳裂纹而降低合金的性能, 之后降低了粉末粒度。采用-150目(小于100μm ) AA 粉末+As 2HIP 成形工艺生产直升机涡轮盘以及鼓筒轴、涡轮盘挡板、封严环等。目前使用-270目(小于53μm ) 或-325目(小于45μm ) AA 粉末, 夹杂物和空心粉问题得到了显著改善[3], 采用HEX +ITF 工艺制造粉末盘。
目前, 俄罗斯使用50～140μmPREP 粉末, 全部采用As 2HIP 成形工艺制造粉末盘等部件。我国采用As 2HIP 成形工艺制造小型粉末盘和涡轮盘挡板, 采用HIP +包套锻造工艺生产粉末盘。表6给出了盘件不同生产工艺的比较。
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表6 盘件不同生产工艺的比较
工艺
As 2HIP
HIP 成形+热模锻HIP 成形+ITF HEX +ITF
优点
适应性强, 工艺最简单, 成本最低
工艺较简单, 成本较低变形均匀, 工艺较简单变形均匀, 消除缺陷变形均匀, 消除缺陷变形均匀, 消除缺陷
缺点
危险性大,
不能完全消除缺陷变形不均匀, 存在部分缺陷存在部分缺陷
工艺较复杂, 成本较高工艺复杂, 成本高工艺最复杂, 成本最高
组织特点 接近理论密度, 各向同性组织细化组织细化组织细化组织均匀细化组织均匀细化
应用
美国、俄罗斯现在使用美国等国家以前使用美国等国家使用美国等国家使用美国等国家现在使用美国等国家现在使用
热压成形+HEX +ITF HIP 成形+HEX +ITF
3 新合金、新工艺的研究及应用
3
11 新合金的研究
美国在第二代粉末高温合金Ren é88D T 的基础上, 研发出了CH 259A 、CH99、C498合金, 在AF115
合金的基础上研发出了Alloy10、M E3等合金。法
国在N18的基础上研发出了NR3、NR4、NR6等合金, 这些合金被称为第三代粉末高温合金(成分见表7) 。其特点是在高于γ′相完全固溶温度固溶处理, 抗拉强度高于第二代, , 裂纹扩展速率) 750℃。
表7 () /%
合金
C498Alloy10NR3
C [1**********]24
Cr 12101Co 11514165
W -17-1215313
Al 03183165
410318515
Nb -118-Ta 410019-B [1**********]13
Zr [1**********]24
Hf --0103
(Al +Ti +1210
1013912
(见表8) 。ЭП962НП合金准备尝试生产ДП282
发动机用直径为Ф250mm 的盘件[4]。
表8 ЭП962НП和ЭП741НП粉末高温
合金的相组成和临界点
合金ЭП741НПЭП962НП
γ′含量
/%6057
碳化物含量
/%01350129
T γ′T s
11801200
12701250
γ 注:T γ2′相完全溶解温度, T s 2合金的熔点。′
312 SS 2HIP 成形工艺
在接近合金固相线温度(亚固相线) 下HIP (SS 2HIP ) 成形, 虽然晶粒有所长大, 但是消除了细粉在HIP 过程中形成的PPB 。SS 2HIP 成形坯能保证锻
造所需的塑性, 这样就可以直接等温锻造(ITF ) , 省
图3 C498合金在650℃疲劳裂纹扩展速率
去HEX 工序, 简化了工艺, 降低了成本[5]。313 双性能粉末盘的制造工艺
俄罗斯在ЭП741НП合金基础上, 通过调整合金成分, 研制出新一代粉末高温合金ЭП962НП。ЭП962НП具有像ЭП962П一样高的强度, 像ЭП975П一样的热强性, 而塑性指标与ЭП741НП相当, 具有比ЭП741НП更高的γ′相完全溶解温度
涡轮盘在工作过程中不同部位承受的温度和应力载荷不同。轮毂承受高应力和较低温度, 轮缘承受较低应力和较高温度。这就要求轮缘部分在高温下具有高的持久、蠕变强度和损伤容限, 轮毂部分在
较低温度下具有高的屈服强度和低周疲劳性能, 这
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就是双性能涡轮盘。
美国虽然于1977年实施了双性能粉末盘的研究计划, 但是直到1997年才应用到发动机上。英国、俄罗斯、日本以及中国等国家也开展了双性能粉末盘的研究工作, 尚处于研究阶段, 没得到实际应用。
双性能盘包括单一合金双重组织和双合金双重组织两大类型, 其制造工艺包括以下工艺或其组合
(1) 热机械处理(TMP ) ; (2) As 2HIP 成形; (3) HIP 或扩散连接; (4) 超塑性锻造; (5) 锻造增强连接(FEB ) ; (6) 梯度(双重) 热处理。31311 双合金双性能粉末盘
双合金双性能粉末盘用两种合金制造而成, 要求轮缘部分合金具有良好的高温性能, 毂部分合金具有高的屈服强度。美国在双合金双性能粉末盘方面开展了大量的研究工作, 见表9[6,7]。
表9 双合金双性能粉末盘
轮缘
轮毂
Ren é95Ren é95
LC Astroloy MERL76
AF115Ren é95
PA101MERL76
LC Astroloy LC Astroloy MERL76
Ren é95
AF115IN100
KM4SR3
Ren é88DT HK44
Mar 2M247U720
俄罗斯采用HIP 扩散连接工艺制造双合金双
性能粉末盘[8]。日本采用HIP 成形+超塑性锻造工艺制造双合金双性能粉末盘。比如轮毂采用TMP 23合金, 轮缘采用AF115合金, 轮毂和轮缘分别HIP 成形, , 到
公司
GEAE SM
盘制造技术的关键, 。31312 织, 获得了双重组织, 使盘。
AF115、U720、DTP 、IN100、Alloy10以及ME3等单合金双性能粉末盘的研究结果见表10[5,9]。
表10 单合金双性能粉末盘
AF115U720
P &WAWyman 2G ordon
DTP IN100Alloy10
工 艺
选择性热机械处理工艺; HIP 成形后, 轮毂部分锻造获得细晶组织, 轮缘部分不锻造仍然保持热等静压态粗晶组织, 热处理后获得了双重组织。
梯度热处理工艺:在亚固相线下HIP (SS 2HIP ) 成形后, ITF 获得细晶组织, 再进行梯度热处理, 轮毂部分在γ′完全固溶温度以下28℃, 轮缘部分在γ′完全固溶温度以上28℃同时固溶处理, 轮毂部分获得细晶组织, 轮缘部分获得粗晶组织。
双重热处理工艺:HEX +ITF 后轮毂和轮缘两部分同时固溶处理, 轮毂部分温度低于轮缘部分, 轮毂部分获得细晶组织, 轮缘部分获得粗晶组织。
双显微组织热处理(DMHT ) :HIP +HEX +ITF 获得细晶组织, 轮毂部分在低于γ′完全固溶温度以下固溶处理, 轮缘部分在高于γ′完全固溶温度以上固溶处理, 轮毂部分获得细晶组织, 轮缘部分获得粗晶组织。
美国P &WA公司用D TP IN100(D TP 2双重热处理双性能) 合金, 采用双重热处理工艺制造出了双性能粉末盘, 于1997年装配在第四代战斗机F22的F119发动机上。
CISRI 拟采用特殊的热处理工艺制造单合金双性能粉末盘。HIP +F 获得具有均匀细晶组织的盘坯, 然后进行特殊热处理, 使盘坯的轮缘部分获得粗晶组织, 轮毂部分仍然保持锻造态所具有的细晶组织。
此外, 美国对小型涡轮发动机上使用的双性能粉末涡轮进行了研究。涡轮通常采用精密铸造工艺制造, 其优点是比较经济。小型燃气涡轮发动机采用双性能粉末涡轮, 可以提高使用温度和寿命。表11给出了叶片和盘采用HIP 扩散连接工艺制造的
几种双性能粉末涡轮[10]。
表11 几种双性能粉末涡轮
叶片
DSC 2103合金
DS MAR 2M247合金叶片环SC MAR 2M247合金IN713LC 合金
盘
HIP 成形PA101粉末盘HIP 成形PA101粉末盘HIP 成形Ren é95粉末盘HIP 成形LC Astroloy 粉末盘
4 缺陷
粉末高温合金的缺陷与传统的铸锻高温合金的
缺陷有所不同, 它主要是由粉末冶金工艺过程带来的, 其类型有:热诱导孔洞(TIP ) 、原始颗粒边界
第6期 张义文:粉末高温合金的研究与发展
・37・
(PPB ) 、夹杂物和异金属等。411 热诱导孔洞
热诱导孔洞是由不溶于合金的残留氩气或氦气所引起的。在热成形加热或热处理过程中, 这些残留气体膨胀, 形成了不连续的孔洞。如果冷却后没有施加其它变形工艺, 孔洞将滞留在合金中。合金中TIP 来源:首先是雾化制粉过程中, 惰性气体被包覆在粉末颗粒内部形成了空心粉; 第二是粉末脱气不完全, 粉末颗粒表面存在着吸附的氩气或氦气; 第三是包套有细微泄漏, 在热等静压过程中, 高压的氩气会压入包套中, 在热处理过程中聚集膨胀。热诱导孔洞成为合金的裂纹源, 导致合金拉伸强度和屈服强度下降, 尤其是低周疲劳性能严重降低[11～15]。
在AA 制粉过程中, 惰性气体压力、金属溶液流速以及喷嘴形状等因素影响空心粉的形成。俄罗斯对PREP 大量的研究工作[14,16,17], 过程中, 包裹着气体, 滴时, 。粉, 棒料转速、雾化室内混合惰性气体的压力以及混合惰性气体的组成是影响孔洞形成的主要因素。随着棒料转速的提高, 空心粉增多; 在同一转速下细粉中空心粉少于粗粉; 雾化室内混合惰性气体压力降低, 空心粉量减少; 混合惰性气体中氩气含量提高, 空心粉量减少。孔洞的大小由粉末粒度决定并且呈线性关系, 孔洞的平均直径约为粉末直径的1/3。PREP 粉末中空心粉数量小于1%, 粉末中孔洞体积不超过4×10-2%, 而在密实材料中不超过1×10-3%。在粉
减少粉末颗粒间隙惰性气体含量。412 原始颗粒边界
原始颗粒边界(PPB ) 来源于制粉、粉末处理等工艺过程。粉末在快速凝固时,MC 型碳化物优先在颗粒表面形核, 其成分取决于合金的成分, 但通常富集Ti 。在HIP 处理过程中碳化物的成分、组织发生变化, 但位置不变, 在粉末颗粒边界形成连续MC 型碳化物。这样粉末在HIP 过程中与粉末内部迁移的C 一起在粉末颗粒边界产生了(Ti 、Nb ) C 1-x O x 和大γ′的聚集, 形成了原始颗粒边界(PPB ) 。PPB 阻碍了粉末颗粒之间的扩散和冶金结合, 并且一旦形成很难在随后的热处理过程中消除, 构成了断裂源, 降低了合金的塑性和疲劳寿命。
国内外学者在PPB ～], 有效地PPB (1) 调整合金化学成, 加入Hf 、Nb 等强碳化物形成元素; , 将松散粉末先在较低的M 23C 6型碳化物稳定温度范围内进行预热处理, 在
颗粒内部树枝间形成M 23C 6型碳化物, 再升至较高的MC 型碳化物稳定温度范围进行HIP 压实, 以减少直接HIP 时在粉末颗粒表面析出稳定的MC 型碳化物; (3) 采用两步法HIP 工艺, 在加热过程中先
) 保温, 然后再升高到在较低温度下(低于1050℃
HIP 温度压实; (4) 在略低于固相线的高温下进行HIP 处理(SS 2HIP ) , 然后再进行热变形获得所需晶粒组织; (5) 采用热塑性加工工艺, 可以破碎颗粒表面氧化物膜, 而且在低于MC 型碳化物形成温度下进行HIP ; (6) 采用热挤压工艺可以破碎PPB ; (7) 避免粉末与有机物接触, 以免形成“反应缺陷”2PPB ; (8) 在略低于固相线的高温下固溶处理(SS 2ST ) 。美国Ingesten 等人在总结和归纳的基础上, 提出了PPB 评级方法[18], 分为四级, 第四级最为严重。413 夹杂物夹杂物严重降低合金的力学性能和使用寿命, 尤其是低周疲劳寿命(LCF ) 和塑性, 因此国内外学者进行了大量的研究工作。41311 母合金中夹杂物
在PREP 制粉工艺中, 母合金棒料中夹杂物主要是熔渣和陶瓷。CISRI 的研究表明, 母合金棒料中夹杂物为Al 2O 3、SiO 2、CaO 、MgO 等陶瓷氧化物, 熔渣的主要成分为O 、Al 、Ca 、Ti 、Cr 、C , 为氧化物和
末粒度为50～140μm 的粉末盘中存在的单独孔洞
不允许超过1×10-2mm 2, 孔洞总量不允许超过5×10-4%, 在这样的控制条件下, 孔洞对使用性能没有负面的影响。
美国Crucible 公司进行了孔洞对合金力学性能影响的研究, 用合金在1200℃加热4h 引起的密度变化来度量TIP 的量值, 并确定了合金密度变化不大于013%作为TIP 的容限和检验标准。
因此, 针对上述热诱导孔洞的来源, 主要采取以下措施降低或消除热诱导孔洞:(1) 制定合理的制粉工艺参数, 降低空心粉含量; (2) 对包套认真检漏, 确保包套不产生微漏; (3) 加强粉末热动态真空脱气,
粉末冶金工业 第14卷・38・
少量碳化物组成的混合物。俄罗斯ВИЛС建立了棒料中非金属夹杂物及其它缺陷的检验标准。对母合金棒料中的缺陷(熔渣、氧化膜和氮化物) 进行了分级, 与Willian Metals 方法相同。根据数量和尺寸每一种缺陷分为三级。缺级等级的评定方法是, 用金相显微镜观察显微组织, 放大倍数为200倍, 在5根棒料上分别取样, 每根取2个试样, 取自棒料底部的中心和边缘, 总计10个试样。41312 粉末中夹杂物
AA 制粉过程中夹杂物的种类有有机夹杂物、无
出的几率非常低。一般用人工掺夹杂物的方法进行
研究和评估夹杂物的类型、尺寸、位置对性能的影响以及在合金中的行为变化, 在这方面国外学者做了大量的实验研究工作[22～28]。总结如下:(1) 夹杂物在合金中是随机分布的, 其处于合金的表面或亚表面的可能性依赖于夹杂物的尺寸。夹杂物尺寸越大, 处于表面或亚表面的可能性越大, 对合金的LCF 寿命影响越大; (2) 夹杂物是低周疲劳的裂纹源; (3) 夹杂物明显降低了塑性和LCF 寿命, 而且易形成淬火裂纹; (4) HIP 后夹杂物基本不改变形貌或略微球形化, 有机物附近存在严重的PPB ; (5) 锻造后有机物改变了形貌, 被压扁拉长了, 锻造后PPB 得到了改善, 减少和分散了, 也分散了, ; (6) 对LCF 寿命, 而, 甚至更加有害, ; (7) HIP +HEX 和HEX +F 能,HIP +HEX 的LCF 寿命比HIP 好得多, 而且提高了塑性。
表12给出了国外在一些粉末高温合金中人工掺夹杂物的研究状况。
CISRI 在粒度为50～100μm 的F GH95合金粉末中, 人工掺入5种氧化物和4种有机物, 尺寸为50～500μm 5种, 每1kg 粉末中掺入2000颗, 进行了HIP 、HIP +F 工艺试验。结果表明, HIP 态合金中Al 2O 3、SiO 2、MgO 等保持原貌, 无反应区。硅酸铝和焊渣类与合金发生了反应, 其周围存在贫γ′区, 扩大了影响范围。有机类与粉末表面的Al 、Ti 、O 等元素发生反应, 形成了“反应PPB ”。HIP +F 态合金中Al 2O 3、SiO 2、MgO 形态基本保持不变, 但出现裂纹或破碎和分散, 漏包材料、焊渣以及有机类尺寸明显变大、变扁, HIP 过程形成的PPB 没有完全消失。尺寸小于500μm 的有机类夹杂物对盘件径向LCF 影响较小, 对轴向影响较大; 尺寸越大, 离试样表面越近, 对LCF 寿命的影响越大。SICRI 的研究结果与国外基本一致。41315 减少夹杂物的措施(PREP 制粉工艺)
(1) 制备纯净的母合金棒料。a ) 在真空感应熔炼过程中, ВИЛС采用挡渣和泡沫陶瓷过滤器。ВИЛС的研究表明, 使用孔径为1～3mm 的(Al 2O 3+ZrO 2) 泡沫陶瓷过滤器使棒坯中的夹杂由316颗/kg 降到78颗/kg , 粒度为50～200μm 粉末中的夹杂降到71颗/kg ;b ) 采用钢液熔体高温处理技术能
机夹杂物和异金属等三种。细小稳定的氧化物来自熔炼过程的脱氧剂, 粗大稳定的氧化物来自炉衬和漏包的耐火材料, 粗大可还原性氧化物来自熔炼过程, 氧化皮、焊渣来自粉末处理和包套; 有机夹杂物来自粉末处理线的真空密封件、真空泵油和塑料和橡皮管等; 异金属来自前批雾化和处理的粉末[21]。
CISRI 的研究表明, PREP 是陶瓷夹杂、熔渣、熔渣主要是由PREP , 其成分, 有机类主要成分为C 、O 、Ca 、Al , 异金属很难发现。
俄罗斯ВИЛС研究结果表明, PREP 粉末中熔渣和陶瓷颗粒在夹杂总量中分别占53%和47%, 异金属来源于棒料支撑辊的磨损和等离子枪的铜阳极烧损。41313 合金中的夹杂物
合金中夹杂物可分为无机物、有机物和异金属三大类, 无机类包括分散陶瓷块和聚集陶瓷块。CISRI 的研究结果表明, 陶瓷夹杂物出现的几率最
高, 有机物出现的几率很低, 异金属几乎观察不到。HIP 态和HIP +F (锻造) 态合金中夹杂物类型与粉末中的基本一致, HIP 态合金中夹杂物形状基本没发生变化。HIP +F 合金中陶瓷块断裂, 但形貌变化不大, 有机物和聚集陶瓷块形状变为不规则, 呈扁平状, 这表明夹杂物在锻造过程中发生了变形, 沿垂直与锻造方向上变扁, 尺寸扁大, 但绝大多数小于400μm (粉末粒度小于100μm ) , 这一结果与国外基本一致。
41314 人工掺夹杂物的研究
由于粉末中夹杂物的绝对数量很少, 一般10亿个粉末颗粒中只有几个夹杂物, 所以夹杂物被检测
第6期 张义文:粉末高温合金的研究与发展
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表12 国外人工掺夹杂物的研究状况
国家美国GEAE
合金
Ren é95
粉末粒度
/μm
夹杂物纯Al 2O 3+纯SiO 2
类型无机类
数量
70颗/Ib
尺寸/μm
150～250、510～840840～1190、1190～1700
工艺
HIP HIP HIP HIP HIP ,HIP +F HIP +HEX HIP +ITF HIP +ITF HIP +ITF HIP ,HEX , HEX +ITF HIP , HIP HIP HIP HIP HIP HEX +ITF HEX +ITF
HIP HIP HIP HIP ,HIP +ITF HIP ,HIP +ITF HIP ,HIP +ITF
HIP HIP ,HIP +ITF HIP ,HIP +ITF
性能测试拉伸, 持久,LCF 拉伸, 持久,LCF 拉伸, 持久,LCF 拉伸, 持久,LCF 拉伸,LCF
LCF
LC Astroloy M2钢
Ren é95Ren é95
纯Al 2O 3丁晴橡胶
纯Al 2O 3丁晴橡胶真空油
异金属异金属无机类有机类无机类有机类有机类有机类无机类无机类有机类有机类无机类无机类无机类无机类无机类无机类无机类无机类有机类
011%011%1000颗/Ib 500颗/Ib 1000颗/Ib 3500颗/Ib 1ml/Ib 3500颗/Ib
-113×105颗/kg 249/kg 240/kg /220/220颗/kg 242颗/kg 680颗/kg 36颗/kg 4～40×10-4%2～20×10
-4
%
拉伸,LCF
拉伸,LCF 拉伸,LCF 拉伸,LCF 拉伸,LCF
LCF LCF LCF LCF LCF LCF LCF LCF LCF LCF LCF LCF 、FCGR
LCF
Ren é95
Ren é95
Ren
毛纤维
丁晴橡胶氟橡胶红硅树脂Al 2O 3纯Al 2O 3
纯SiO 2纯Al 2O 3、纯MgO
纯Al 2O 3硅酸铝
硅酸铝
Al 2O 3+SiO 2、
Cr 2O 3
美国PWA LC MERL76
5×10-4wt %
-011889g/kg 011889g/kg 25～100颗/cm 3
10mg/kg 70mg/kg
美国SM
英国WA 、IA
U720AP1
拉伸,LCF ,FCGR
拉伸,LCF ,CGR
LCF LCf LCF
德国M TU APK -1AP1
橡胶粉
提高棒料的纯洁度和使组织细化均匀。熔体高温处
γ+γ) 共晶分布均理使棒料中碳化物分布均匀, (′
匀、尺寸减小, 粉末组织细化、显微硬度提高, 细粉收得率提高,50～200μm 粉末中50～100μm 粉末比例提高了近25%;c ) ВИЛС还研究了冶炼工艺对棒料中非金属夹杂的影响。结果表明, 与真空感应熔炼相比, 真空感应+真空自耗重熔对去除夹杂没有效果, 真空感应+电渣重熔和真空感应+电子束重熔对去除夹杂有明显效果, 减少60%以上; d ) CIS 2RI 引入真空感应熔炼+电渣快速重熔(ESRR ) 双联工艺制备母合金棒料新技术。SRR 可以有效地去除非金属夹杂物, 降低气体含量。
(2) 气体净化。制粉过程中惰性气体中的氧和
水分与粉末表面富集的Ti 、Zr 、Al 易形成氧化膜, 应尽量降低惰性气体中的氧、水分和杂质含量, 使用净化后的高纯惰性气体, 氧和水分含量应控制在小于4×10-6。
(3) 粉末静电处理。要降低粉末中夹杂物数量, 解决办法是对筛分后的粉末进行静电分离(ESS ) 处理, 这是工业生产中有效的方法。俄罗斯ВИЛС研究结果指出, 对于粒度为50～140μm 的粉末, 非金属夹杂物的去除率为8415%。
CISRI 研究表明, ESS 处理对于粒度小于200
μm 的Al 2O 3颗粒去除效果明显, 去除率大于76%, 对于粒度范围为100～150μm 的Al 2O 3颗粒的去除效果最佳, 去除率达8313%[29]。
粉末冶金工业 第14卷・40・
(4) 使用细粉。因为夹杂物的最大尺寸是由粉mm 平底孔) , 使用的聚焦探头的频率为5MHz 或10MHz 。目前限制探测灵敏度的主要因素是组织
末粒度决定的, 所以要减少夹杂物尺寸, 必须降低粉末粒度, 这也是目前解决夹杂物问题的最有效的办法。比如, 美国使用的AA 粉, 粒度由最初的-60目(小于250μm ) 降到-150目(小于150μm ) , 现在使用粒度为-270目(小于50μm ) 和-325目(小于40μm ) 的细粉。俄罗斯使用的PREP 粉, 粒度由400μm 降到315μm 、200μm , 正在使用粒度为50～140μm 粉末, 准备使用粒度为50～100μm 的粉
11]末[10、。根据零件使用条件的要求, 我国目前使用粒度为50～150μm 和50～100μm 的两种粒度的
比较粗大。俄罗斯已建立了超声信号特征与组织及性能的统计关系, 可以很好的分析晶粒度、异常晶粒组织、粉末尺寸以及孔洞含量等组织异常现象, 预测材料性能。
我国As 2HIP 部件超声探伤采用接触法, 探头频率为10MHz 。夹杂物的检测:能检测出大于200μm 的夹杂物, 小于200μm 的检测概率很低。粉末粒度为50～150μm , 大于200μm 的可能性很小, 很难检测出来。孔洞检测:孔洞的存在造成密度和弹性模量降低, 在超声特性上表现为声速下降。一般常用声速值来评价材料中的孔洞。CISRI 研究表明,F GH95,As 6000m/s 左右时, 则认为材料是非致, 。锻件采用水浸探伤法。锻造后, 由体型缺陷变成了垂直与锻造方向的面型缺陷。锻态晶粒细小, 组织均匀, 在探伤中由材料引起的噪声非常低, 可以采用高频率探头对锻件中的细小缺陷进行超声检测。CISRI 研究表明, 采用25MHz 聚焦探头完全可以将锻件中尺寸大于50μm 的夹杂检测出来, 其中尺寸大于100μm 的夹杂检出概率较高(大于90%) 。
若缺陷为无机物, 当量尺寸与实际尺寸对应得较好; 若缺陷为有机物, 当量尺寸与实际尺寸有一定的出入。水浸探伤系统可以很好地对粉末盘进行超声检测、无损评价和质量控制。
粉末。
CISRI 还研究出了去除粉末中夹杂物的LJ 新工艺, 在原有静电处理的基础上, 进一步降低了粉末中夹杂物含量, 取得了明显的效果。
对PREP 工艺有效地解决夹杂物的根本措施是:第一, 从源头着手, 制备高纯净的母合金棒料二, 使用细粉, 决定的, 量。
5 盘件检验
粉末盘的全面检验包括化学成分、力学性能、显微组织及断口、低倍、荧光以及超声检验等[1]。俄罗斯早期ПС290A 民用发动机, 粉末粒度为50～200μm , 盘件荧光检验表面缺陷和致密度, 允许尺寸小于012mm 的非金属夹杂物不多于3个, 低倍组织中不允许有肉眼可见的孔洞和裂纹, 粗晶不应超过2mm , 显微组织中允许个别PPB 和颗粒内部显微孔洞, 在215cm 试样上不允许存在多于6个孔洞聚集体或5级单个孔洞, 不允许有残余显微孔洞、热诱导孔洞以及网状颗粒边界。
先进发动机的设计具有高温、高压、高转速、轻(三高一轻”) 的特点, 从单纯追求高性能转变重量“
为致力于“四高”指标:高性能、高耐久性、高可靠性、高维修性。无损检测是高可靠性的重要保证。
美国等西方国家对盘件超声探伤采用水浸法。俄罗斯采用接触法, 早期超声检测标准是, 轮缘及轮辐为018mm 当量平底孔反射, 轮毂为112mm 当量平底孔反射。从1994年4月1日起使用粉末粒度为50～140μm , 采用相应为014mm/018mm 的超声检测标准, 与目前美国和欧洲的相当(Ф014
2
6 发展方向
粉末高温合金经历了上一世纪七十年代和八十
年代的两个快速发展阶段, 生产工艺已经成熟, 在航空发动机上得到了大量使用。进入九十年代以后, 在合金的设计、研发以及新工艺应用方面都取得了重大进展, 第二代粉末盘和双性能盘得到了应用。为了提高盘件的使用温度、安全可靠性、使用寿命以及发动机的推重比, 为了使粉末高温合金得到推广使用, 今后的发展方向包括:研制新合金, 开发和推广使用新工艺; 使用双性能粉末盘; 研发超纯净粉末的制备技术; 加强粉末盘的寿命预测; 降低成本。611 第三代粉末高温合金的应用研究
美、法等国开展了第三代粉末高温合金的研究,
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第6期 张义文:粉末高温合金的研究与发展
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目前尚处于实验室研究阶段, 需要对合金成分进行优化、组织和性能进行全面研究以及工艺试验的应用研究。第三代粉末高温合金的研究将为二十一世纪的推重比12～15以及20的航空发动机的研发做技术储备。
612 双性能粉末盘的使用
615 无损检测技术
加强定量关系的研究, 比如晶粒尺寸与杂波之间的定量关系。对于粗晶组织虽然有文献报道[5], 可以采用多区探伤的方法, 多个水浸聚焦探头可以提高检测精度, 但还需要加强应用研究。进一步开发和应用自动跟踪零件外形的超声探伤技术。
双性能粉末盘的特点是符合涡轮盘工况特点, 充分发挥材料性能潜力, 优化涡轮盘结构设计, 减轻盘件的重量, 提高发动机的推重比。所以使用双性能粉末盘是研制高推重比航空发动机必备的关键技术之一, 比如第三代粉末高温合金Alloy10和M E3采用DMHT 工艺用于制造双性能粉末盘。今后需要加强研究和完善双性能粉末盘制造工艺, 降低成本, 推广应用。613 低成本工艺的研究与应用61311 As 2HIP 近净尺寸成形工艺
7 结束语
(1) 经过近四十年的发展, 粉末高温合金的生产
工艺、检测技术以及质量控制已经成熟和稳定。美国等西方国家采用AA 粉末+HEX +ITF 工艺制造
粉末盘, 粉末粒度为-270目(小于50μm ) 或-325目(小于40μm ) 。粉末+As 2HIP 140μm 。
(、民机上大量使用。美
采用As 2HIP 可以简化工艺, 降低成本。As 2HIP 是包套的设计和制定, PPB 。截至生产并提供了, As 2HIP 工艺制造的ПС90A 用ЭП741НП粉末盘的价格仅是相同尺寸的Ren é88D T 粉末盘的1/8～1/12[3]。这说明As 2HIP 工艺有很大的应用前景, 是今后制造粉末盘的主要方向之一。
61312 SS 2HIP +ITF 成形工艺
在接近合金固相线温度(亚固相线) 下HIP (SS 2HIP ) 成形, 虽然晶粒有所长大, 但是消除了细粉在HIP 过程中形成的PPB 。SS 2HIP 成形坯能保证锻
D TP IN100双性能F22的F119发动机上, 未来高性能发动机将采用双性能粉末盘。目前正在研发第三代粉末高温合金, 其性能特点是:抗拉强度介于第一代和第二代之间, 裂纹扩展速率比第二代合金Ren é88D T 还低。SS 2HIP 工艺解决了PPB 问题, 省去了HEX , 可以直接ITF 粉末盘, 简化
了工序, 降低了成本, 该工艺已用于制造小型盘件, 有待于推广应用。
(3) F GH95粉末高温合金大型涡轮盘的锻造成功充分说明了, 在现阶段我国没有大型挤压机和等温锻造设备的条件下, 走PREP 制粉+HIP 成形+包套锻造的工艺路线, 制造大型粉末涡轮盘件是可行的。
(4) 我国粉末涡轮盘的制造工艺与美国、俄罗斯不同, 不能完全照搬他们的技术标准。笔者认为对目前我国粉末涡轮盘暂行技术条件, 应在自己研究工作的基础上, 在满足发动机实际需求的前提下, 制定出适合我国工艺特色的技术条件, 逐步提高粉末涡轮盘的质量, 这样才能使我国粉末涡轮盘迈出使用的第一步。参考文献
[1]АношкинНФ, МушенковаГА, СафроновВПидр1
造所需的塑性, 这样就可以直接ITF , 省去HEX , 简化了工序, 降低了成本, 是具有实用价值和前途的粉
末盘的制造工艺。614 加强寿命预测方法研究
为了提高发动机的安全可靠性, 必须提高粉末盘寿命预测的准确性。由于夹杂物的存在导致了粉末高温合金低周疲劳失效机制的特殊性, 需要开发新的寿命预测方法。美国GEAE 公司在1997年正式公开了粉末高温合金的LCF 的预测方法, 目前还处于研究之中。夹杂物的尺寸及位置对LCF 的影响明显, 现在从理论上还无法根据载荷形式、夹杂物特征准确地预测合金的LCF , 需要进一步加LCF 与夹杂物特性的关系研究强理论研究。
Тенденциираэвитияметаллургиигранулжаропрочных
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・国外信息・
粉末冶金钛合金在医用人工种植牙用材料领域中应用的探索
文献标识码:D
由于钛金属具有良好的与生物兼容性和机械性能, 。在口, 现在多, 用粉末冶金方法制造有可能降低这种产品的生产成本。Mikael Eriksson 等开发出来, 工艺是以冷等静压方法成形, , 99%, 以这种方法制作的钛墩帽表面几乎没有孔洞, , 、压制及烧结等工艺参数。
, 尝试以高速压制工艺来低成本的生产这些材料。在2003年西班牙巴仑西亚召开的欧洲粉末冶金协会年度会议上, 出现了由同一批作者发表的两篇关于以高速压制方法对钛粉和钛/羟基钛混合粉进行压制, 探索钛合金在医用人工种植牙用材料领域中应用的文章。这些瑞典科技工作者做的一个实验是以3g 高纯钛粉(44μm 以下) 装入模具中, 高速压制的能量分别是1×335J 、2×335J 及5×335J , 脱模后生坯的高度是415mm , 生坯的相对密度分别是9315%、9815%和9818%, 用扫描电镜观察生坯断面, 发现高速压制能量为1×335J 样品的断面上有一个心部密度较高的区域和外层密度较低的区域, 在两个区域间一个明显的界面, 高速压制能量更高的样品心部高密度区向外延伸, 甚至整个样品都是高密度区, 而如果以扫描电镜观察以冷等静压方法制备的样品的断面, 发现从表层至心部密度变化不明显。
颌骨组织的表面多孔、较脆弱, 而钛金属很硬, 钛金属与牙直接接触易造成牙齿的损伤, 如果在钛制材料的表面覆上羟基钛等材料的薄膜, 会有利于钛金属周围骨组织在受擦伤后的愈合。现在采用的方法是在钛合金表面以等离子喷涂等方法使其覆一层羟基钛薄膜, 这种膜的存在有利于与金属接触而受到擦伤的骨组织的愈合, 但在经历一段时间后这种膜会逐渐退化或脱离基体。使用钛为基体含羟基钛的复合材料可使上述情况有所改善。科技人员所做的另一个实验是将钛粉(44μm 以下) 与重量百分比5%的羟基钛粉(90～125μm ) 混合, 不加入添加剂, 取样品2g , 放入同样的圆柱形模具中, 高速压制的能量是5×335J , 获得生坯的相对密度是9812%, 由于羟在钛在800℃会分解, 要求以高速压制法制成的生坯在500～700℃烧结, 而不是通常致密化烧结的约1200℃。结果表明:样品在500℃烧结10h 后的相对密度是99%,700℃烧结1h 后的相对密度是9911%,900℃烧结011h 后的相对密度是9912%, 所有样品中羟基钛与钛间都没有出现反应层, 虽然在700～900℃烧结的样品中有一些孔洞(孔径约012μm ) , 但由于生坯的密度很高, 对材料的机械性能并无明显影响。但要知道这种金属材料是否适合被安装在人体内, 还需要做进一步的生物性能的检测。晓松摘译自《Powder Metallurgy 》,2003,46(4) :301
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