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【摘要】粉末高溫合金是20世紀60年代出現的新型高溫合金，以金屬粉末為原材料，經過后續熱加工處理，得到具有較高抗拉強度和良好的抗疲勞性能的合金[1]。本文首先明確了高溫合金的概念、分類等，之后介紹了粉末高溫合金的目前國內外研究現狀，最后著重介紹了目前常見的粉末高溫合金的制備技術。
【關鍵詞】粉末高溫合金；高溫合金；氣霧化法制粉； PREP法；熱處理。
1前言
渦輪盤被譽為“航空發動機的心臟部件”，主要采用高溫合金制造。高溫合金可以在高溫的工況下承受復雜的機械應力，且可在嚴苛的工作環境下仍具備耐蝕、耐磨、抗蠕變性和抗疲勞等優良性能。因此，高溫合金成為航空航天領域的關鍵材料。
高溫合金是指以鎳、鐵和鈷為基體，能在600℃以上的高溫及一定應力作用下長期工作，能承受較大復雜應力、并具有表面穩定性的一類金屬材料。根據材料成形方法，高溫合金可以分類為鑄造高溫合金、變形高溫合金和新型高溫合金[2]。粉末高溫合金作為新型高溫合金的一種，較傳統的鑄造變形高溫合金，具備成分均勻、晶粒細小、屈服強度高、抗疲勞性強等優勢，成為業內公認的新型高溫合金首選材料[7]。
2粉末高溫合金概念
粉末高溫合金（Powder Metallurgy Superalloy）是指采用粉末冶金工藝生產的高合金化程度的高溫合金材料[8]。通常是以鎳為基體，添加有Co、Cr、W、Mo、Al、Ti、Nb、Ta等多種合金元素的一類具有優異的高溫強度、抗疲勞和抗熱腐蝕等綜合性能的合金，是航空發動機渦輪軸、渦輪盤擋板、渦輪盤等關鍵熱端部件的首選材料[9]。
3粉末高溫合金發展現狀
目前世界上只有美國、俄羅斯、英國、法國、中國等少數國家具備粉末高溫合金研發、生產能力，其中美國和俄羅斯是粉末高溫合金研制和工程化應用最成功的國家，所生產的粉末高溫合金制品被用于多個型號的航空發動機。[8]
在粉末高溫合金領域，歐美等國已經研制出了第四代粉末高溫合金。第一代為650℃高強型粉末高溫合金，如René95、IN100等；第二代為750℃損傷容限型粉末高溫合金，如René88DT、N18等；第三代為高強損傷容限型粉末高溫合金，如René104/ME3、Alloy10、LSHR和RR1000等；第四代粉末高溫合金是在第三代的基礎上，通過成分調整和工藝優化來獲得更高的工作溫度，使其具有高強度、高損傷容限和高工作溫度的特點。[6]
俄羅斯幾乎和美國同時開展粉末高溫合金的研究，與美國相比，俄羅斯粉末高溫合金牌號較少，目前廣泛應用于航空發動機制造的只有ЭΠ741HΠ，該合金具有優異的綜合高溫性能，使用溫度為650～750℃。2004年后俄羅斯新研制了BBП系列粉末高溫合金，與ЭΠ741HΠ合金相比，BBП系列合金的室溫強度、持久強度、低周疲勞性能更高，目前尚未獲得規模化應用[8]。
中國粉末高溫合金的研究起步相對較晚，開始于20世紀70年代后期。目前，我國已成功研制出第一代高強型和第二代損傷容限型粉末高溫合金，正在研制高強損傷容限型第三代粉末高溫合金，并對高工作溫度、高強度和高損傷容限的新型第四代粉末高溫合金開展了補充探索研究。[1，2，6]
4粉末高溫合金制備技術
粉末高溫合金的制備主要涉及到粉末的制備、粉末熱固結成形、熱處理等工藝過程，如圖1所示。主要采用的加工路線有3種：①制粉+熱固結成型+熱處理；②制粉+熱固結成型+熱鍛造+熱處理；③制粉+熱固結成型+熱擠壓+熱鍛造+熱處理。[9]
圖1 粉末高溫合金三條主要制備路線圖
4.1粉末制備
粉末制備是粉末高溫合金生產過程中非常重要的環節。目前高溫合金粉末制備主要有Ar氣霧化法制粉(AA粉)和等離子旋轉電極法制粉(PREP粉)2種方法。
（1）氣霧化法制粉[6]
氣霧化制粉屬于物理外混合式二流破碎制粉方法，具有時間短、溫度梯度高、合金狀態變化復雜的特點，是一種復雜的物理冶金過程。真空感應熔煉氣霧化(VIGA)制粉設備示意圖如圖2所示，主要分為真空系統、感應熔煉系統、氣源、霧化系統以及粉末收集系統，相應的制粉過程分為熔煉、霧化、液滴凝固與粉末收集4個過程。
圖2 真空感應熔煉氣霧化制粉設備示意圖
Ar氣霧化制粉的優勢在于可以制備比較細小的球形高溫合金粉末，通過篩分去除較大的夾雜顆粒，從而降低夾雜的有害影響。未來高溫合金Ar氣霧化制粉技術將繼續朝著高純、細化、窄粒度、少夾雜、高球形度以及高效率和低成本的方向發展。
（2）等離子旋轉電極法制粉[7]
等離子旋轉電極法（PREP）是通過等離子弧熔化高速旋轉的母合金棒料端部，在離心力作用下合金液滴飛射，并在惰性氣體介質中以約104℃/s的速度，靠表面張力的作用凝固成球形的顆粒。PREP制粉工藝如圖3所示。粉末具備球形度好、表面光亮、潔凈，物理工藝性能好的特性。
圖3 PREP工藝制粉示意圖
歐美等先進工業發達國家采用Ar氣霧化法制備航空發動機用粉末高溫合金，AA粉粒度較細，制坯后組織均勻性好，夾雜物尺寸小。俄羅斯粉采用等離子旋轉電極霧化制備航空發動機用粉末高溫合金[6]，PREP粉末粒度較大、分布范圍較窄，由于制備過程不使用坩堝，因此粉末潔凈度較高，非金屬夾雜數量較少，氧含量較低，并且粉末球形度高，流動性好。在我國兩種工藝都得到實際應用。[8]
4.2高溫合金粉末固結成型工藝
由于高溫合金中往往含有Cr、Ti、Al等難燒結元素，高溫合金燒結通常要在高溫高壓環境中真空封裝后才能進行。目前采用的高溫合金粉末固結工藝有：真空熱壓成形、熱等靜壓成形、熱擠壓、等溫鍛造等。其中，熱等靜壓和熱擠壓工藝使用最為廣泛。[9]
（1）熱等靜壓技術
熱等靜壓處理的基本原理是以氣體或液體作為壓力介質，使材料在加熱過程中經受各向均衡的壓力，借助于高溫與高壓的共同作用促進材料致密化和元素擴散[4]。熱等靜壓過程使內部的孔隙和微裂紋等缺陷閉合，起到提高鑄件整體力學性能的目的[10]。
圖4 熱等靜壓成型工藝
（2）熱擠壓技術[12]
熱擠壓是指將坯料加熱至再結晶溫度以上，使其在強烈的擠壓力作用下，從擠壓模口中流出或流入細小的模腔中，最終獲得所需加工件的壓力加工方法。通常熱擠壓的工藝為：首先將坯料加熱到需要的溫度，若坯料表面有氧化皮產生，則應立即將其去除，之后立即將坯料裝填入型腔內進行擠壓，經過單道次擠壓即可得到所需工件。其工藝流程如圖5所示。
圖5 熱擠壓工藝流程圖
相對于其他壓力加工方法，用熱擠壓方法加工的擠壓件，機械加工余量很小，表面精度較高。熱擠壓工藝加工的零件具有明顯強于其他加工工藝的機械性能。但熱擠壓的工作環境以及變形方式也有自身的局限性，主要表現在擠壓件表面氧化嚴重，質量差；生產條件惡劣，對模具要求苛刻，模具使用壽命較低。
4.3熱處理工藝[11]
高溫合金熱處理工藝是指高溫合金材料在固態下，通過加熱、保溫和冷卻的方式，以獲得預期組織和性能的一種金屬熱加工工藝，是改變合金顯微組織、挖掘合金潛力、改善其綜合性能的關鍵手段之一。近年來研究較為深入的熱處理工藝主要是固溶處理和時效處理。
固溶處理是指在高于高溫合金組織內析出相的全溶溫度，使合金中各種分布不均勻的析出相充分溶解至基體相中，從而實現強化固溶體并提高韌性及抗蝕性能，消除殘余應力的作用，以便繼續加工成型，并為后續時效處理析出均勻分布的強化相做準備。
時效熱處理是指在強化相析出的溫度區間內加熱并保溫一定時間，使高溫合金的強化相均勻地沉淀析出，碳化物等均勻分布，從而實現硬化合金和提高其強度的作用。
5結論
粉末高溫合金優良的綜合性能決定了其在航空發動機的主動力裝置、飛機輔助動力裝置(APU)、增材制造高性能技術構件上均有一定的應用[6]。我國在粉末高溫合金領域取得了很大的進步，部分粉末高溫合金制件已獲得應用，但是與美歐、俄羅斯等航空強國相比，差距仍然巨大。隨著我國航空航天技術的飛速發展，國內的粉末高溫合金將迎來一個大發展的時代。
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（中國粉體網編輯整理/星耀）
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