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隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)高推比、高功重比先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的性能要求愈加提高，尤其對(duì)渦輪盤的強(qiáng)韌性、疲勞性、可靠性及耐久性等力學(xué)性能提出了更高要求。但由于渦輪盤材料合金化程度的提高，合金偏析嚴(yán)重，熱工藝性能惡化，采用傳統(tǒng)的鑄鍛工藝技術(shù)制造的高溫合金渦輪盤無(wú)法滿足高推重比先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求；而采用粉末冶金技術(shù)制取的粉末高溫合金，粉末細(xì)小，合金成分均勻，制件性能穩(wěn)定，熱加工變形性能較好，合金化程度提高，特別是合金的屈服強(qiáng)度和抗疲勞性有顯著提高。在粉末冶金高溫合金領(lǐng)域，只有美國(guó)、俄羅斯等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家掌握了相關(guān)的生產(chǎn)技術(shù)。目前，我國(guó)主要有鋼鐵研究總院、北京科技大學(xué)、北京航材院等幾家單位從事粉末高溫合金的應(yīng)用研究。

一、國(guó)內(nèi)粉末高溫合金的研究發(fā)展

為滿足對(duì)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展需求，國(guó)內(nèi)20世紀(jì)70年代末已開始粉末高溫合金方面的研究。80年代末，鋼鐵研究總院初步建成一條粉末高溫合金研制生產(chǎn)線。1984年，采用“氬氣霧化工藝制粉+包套模鍛”的生產(chǎn)工藝成功研制出某發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤，其基本性能接近美國(guó)同類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)水平。1994年，引進(jìn)俄羅斯的等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉工藝設(shè)備以及粉末處理、大型真空退火爐等設(shè)備，并從荷蘭引進(jìn)用于無(wú)損探傷的大型超聲波水浸探傷儀。目前，我國(guó)已形成“等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝制粉+熱等靜壓成形+包套模鍛+熱處理”等完整的粉末盤生產(chǎn)工藝。我國(guó)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展研究，已成功建立了粉末高溫合金材料體系。第一代高強(qiáng)型粉末高溫合金FGH95，相當(dāng)于美國(guó)一代合金Ren‘95，其使用溫度為650℃。直接熱等靜壓工藝生產(chǎn)的FGH95粉末渦輪盤及導(dǎo)流盤己完成生產(chǎn)定型。第二代粉末高溫合金FGH96屬損傷容限型粉末高溫合金，相當(dāng)于美國(guó)二代合金Ren‘88DT，該合金使用溫度為750℃，具有良好的抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能。FGH96合金全尺寸渦輪盤采用的生產(chǎn)工藝為“熱等靜壓+等溫鍛+熱處理”。此外，在俄羅斯ЭП741HП合金的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的FGH97合金也即將獲得應(yīng)用。當(dāng)前，第三代“高強(qiáng)度+損傷容限特型”粉末高溫合金正在研制中，其使用溫度可達(dá)800℃以上。

二、粉末高溫合金的主要生產(chǎn)工藝等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝

目前，各國(guó)粉末高溫合金制備的常用粉末制備方法有兩種，即等離子旋轉(zhuǎn)電極（PREP）制備工藝和氬氣霧化（AA）制備工藝，前者主要是俄羅斯主要采用的工藝，后者主要是美國(guó)等國(guó)所主要采用的工藝。等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝（PlasmaRotatingElectrodeProcessing，簡(jiǎn)稱PREP工藝）首先是將制粉的合金制成自耗電極，在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，接收離子流，使自耗電極端部熔化；熔融液態(tài)金屬在離心旋轉(zhuǎn)力的作用下霧化，形成小液滴飛濺，由于表面張力的作用，液滴凝固成球形的粉末顆粒。該工藝制備的粉末氧含量及非金屬夾雜含量低，粉末球形度高，粉末粒度可控制在較窄的范圍內(nèi)。該制備工藝關(guān)鍵設(shè)備為等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備。等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝制得的粉末粒度分布較窄，成品粉收得率較高；球形度好、表面光滑潔凈、氧含量低于0.006%、物理性能良好。氬氣霧化工藝氬氣霧化工藝（ArgonAtomizing，簡(jiǎn)稱AA工藝）是運(yùn)用高速運(yùn)動(dòng)的氬氣流，將熔融金屬液切斷、分散、裂化為微小液滴。金屬液滴沿著霧化氬氣的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，霧化氬氣對(duì)金屬液滴急劇冷卻而產(chǎn)生的熱應(yīng)力作用使液滴粘化，并凝結(jié)成微細(xì)的粉末顆粒。氬氣霧化（AA）工藝采用了細(xì)粉制造技術(shù)如快速凝固旋轉(zhuǎn)氣體霧化和超聲氣體霧化等許多新技術(shù)，細(xì)粉收得率顯著提高。研究表明，減小夾雜物尺寸主要可改善合金的熱工藝性能，降低其對(duì)合金疲勞壽命的影響。傳統(tǒng)來(lái)說(shuō)俄羅斯多使用等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝，而歐美國(guó)家多使用氬氣霧化工藝。一般來(lái)說(shuō)氬氣霧化工藝所制備的高溫合金粉末粒度更小，但俄羅斯一直在使用等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝，所生產(chǎn)的數(shù)萬(wàn)個(gè)渦輪盤件產(chǎn)品亦能夠滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用需求。

三、粉末高溫合金的主要生產(chǎn)設(shè)備

1制粉設(shè)備根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝，粉末高溫合金制粉設(shè)備主要有兩類：等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備和氬氣霧化制粉設(shè)備。等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備主體由霧化室、機(jī)械傳動(dòng)室和裝料室三部分組成。霧化室用以完成高溫合金自耗電極的旋轉(zhuǎn)霧化，等離子槍插入霧化室中；機(jī)械傳動(dòng)室與霧化室相通，合金棒料在機(jī)械傳動(dòng)室旋轉(zhuǎn)并沿軸向移動(dòng)；自耗電極裝入裝料室，裝料室中的分配機(jī)構(gòu)將自耗電極傳送到機(jī)械傳動(dòng)室。機(jī)械傳動(dòng)室內(nèi)，機(jī)械機(jī)構(gòu)壓緊自耗電極，將其旋轉(zhuǎn)并沿軸向逐漸推進(jìn)霧化室。在密封的霧化室中，高速旋轉(zhuǎn)的自耗電極端部因接收等離子槍產(chǎn)生等離子流而熔化；薄層液態(tài)金屬在離心力的作用下霧化飛射，在惰性氣體的環(huán)境下以約104℃/s的速度冷卻。液滴凝固成球形粉末，最終將金屬粉末收集至密閉容器里。氬氣霧化制粉設(shè)備主體分為真空室、霧化塔及分離器三部分組成。合金在真空室的坩堝中熔化、精煉和脫氣，精煉熔化金屬通過(guò)一個(gè)預(yù)熱中間包倒入噴氣管系統(tǒng)；此處，熔體流被高壓氬氣流所分散。霧化塔直接位于霧化噴嘴下面，分散的微小金屬液滴彌漫在霧化塔中凝固成粉末顆粒。生成的粉末氣體混合物通過(guò)輸送管輸送至旋風(fēng)分離器中，在此處將精細(xì)粉末、粗大粉末與霧化氣體分離。金屬粉末最終收集至位于旋風(fēng)分離器下面的底箱中。該類設(shè)備制造廠家主要有德國(guó)ALD真空工業(yè)股份公司，其在全世界范圍內(nèi)已有數(shù)十臺(tái)以上的制粉設(shè)備投入運(yùn)行。國(guó)內(nèi)主要有錦州航星真空設(shè)備有限公司，其主要是與國(guó)內(nèi)科研院所合作進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造，公司本身無(wú)自己的霧化技術(shù)。

2粉末處理設(shè)備合金粉在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程始終在惰性氣體保護(hù)下，會(huì)有惰性氣體在粉末表面殘留。同時(shí)，存在的陶瓷粉等夾雜，以及粉間、包套內(nèi)的空氣均會(huì)對(duì)渦輪盤的組織性能產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響。因此，需對(duì)制得的粉末進(jìn)行篩分、去夾雜、脫氣及粉末表面等質(zhì)量處理。粉末處理設(shè)備主要包括篩分設(shè)備、去除夾雜設(shè)備、分級(jí)合批設(shè)備和粉末改性處理設(shè)備。

3包套封焊設(shè)備高溫合金粉末經(jīng)過(guò)合批及處理后需要裝入包套，進(jìn)行封焊。封焊質(zhì)量是保證粉末成型的關(guān)鍵因素之一。如果封焊質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，包套內(nèi)部和外界有氣流溝通，不僅會(huì)造成整個(gè)包套內(nèi)的高溫合金粉末報(bào)廢，同時(shí)由于包套內(nèi)滲進(jìn)的高壓氣體，在熱等靜壓泄壓時(shí)可能會(huì)造成包套的爆炸，造成事故。包套封焊設(shè)備主要包括粉末輸送、高溫除氣、填充、振實(shí)及電子束封焊系統(tǒng)，整個(gè)工藝全部在真空狀態(tài)下進(jìn)行。該類設(shè)備為非標(biāo)設(shè)備，國(guó)內(nèi)目前的數(shù)臺(tái)設(shè)備全部為烏克蘭巴頓研究所的產(chǎn)品或與其進(jìn)行技術(shù)合作制造的非標(biāo)設(shè)備。

四、結(jié)語(yǔ)

1）我國(guó)實(shí)現(xiàn)了第二代損傷容限型粉末高溫合金的成熟應(yīng)用。2）等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備制備的粉末氧含量及非金屬夾雜含量低，粉末球形度高。3）氬氣霧化制粉工藝向超純凈細(xì)粉方向發(fā)展。制粉采用新技術(shù)，細(xì)粉收得率提高。

作者：孫黎 邵長(zhǎng)星 曾瑩雪 單位：中國(guó)航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司