粉體，是如何卡了先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的脖子？

作為“工業(yè)之花”的航空發(fā)動(dòng)機(jī)是航空航天工業(yè)中的核心技術(shù)部件之一，其四大熱端部件分別為燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤，其中渦輪盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)四大熱端部件中質(zhì)量占比最大的部件，目前航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤件應(yīng)用的主要材料是粉末高溫合金(Powder Metallurgy Superalloy)。

（圖源：Pratt & Whitney）

由于發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤在工作服役過程中會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，渦輪盤周邊齒輪位置會(huì)承受較大的離心力，并且應(yīng)力分布復(fù)雜，因此對(duì)粉末高溫合金材料的各項(xiàng)指標(biāo)要求很高，例如：需要良好的抗機(jī)械疲勞性能、熱膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度、低周疲勞性能以及蠕變性能。

粉末高溫合金是采用粉末冶金工藝生產(chǎn)的高溫合金。在制粉過程中粉末顆粒是由微量液體快速凝固形成，成分偏析被限制在粉末顆粒尺寸以內(nèi)，消除了常規(guī)鑄造中的宏觀偏析，同時(shí)快速凝固后的粉末具有組織均勻和晶粒細(xì)小的突出優(yōu)點(diǎn)，顯著提高了合金的力學(xué)性能和熱工藝性能。粉末高溫合金因此成為現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤等關(guān)鍵部件的必選材料，粉末渦輪盤的使用成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要標(biāo)志。

高溫合金粉體制備方法

粉末高溫合金的制備工藝主要包括母合金熔煉、粉體制備、粉體固結(jié)成形、熱處理。其中成形過程中粉體的質(zhì)量直接影響到最終零件的性能好壞，而粉體的質(zhì)量取決于粉體制備工藝，因此粉體制備是粉末高溫合金生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。為滿足各種成形工藝對(duì)粉體的要求，粉體的制備方法多種多樣。

粉末高溫合金渦輪盤的制備工藝路線（來源：周亞洲）

俄羅斯主要采用等離子旋轉(zhuǎn)電極（PREP）法制備高溫合金粉體，而歐美國(guó)家主要采用氬氣霧化（AA）法。

AA又分為真空感應(yīng)熔化氣體霧化(VIGA)和電極感應(yīng)熔化氣體霧化(EIGA)法。VIGA的細(xì)粉收得率高，生產(chǎn)成本低，在工業(yè)上應(yīng)用廣泛。但VIGA中高溫熔體與陶瓷坩堝等耐火材料長(zhǎng)時(shí)間接觸，可能導(dǎo)致霧化過程中粉體引入夾雜物。EIGA采用無坩堝感應(yīng)熔化，更適用于高潔凈度金屬粉體的制備。

等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PREP）在制粉時(shí)，是將旋轉(zhuǎn)電極放入霧化室中，利用外加熱源在電極端面上形成熔融金屬薄膜，電極高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，熔融金屬在離心力的作用下形成細(xì)小液滴，結(jié)晶形成金屬粉體。采用該法制得的粉體球形度較好，粒度分布均勻，粉體表面光潔。

兩種制粉工藝特性比較

粉體與粉末高溫合金的缺陷

與傳統(tǒng)的鑄/鍛工藝相比，粉末冶金工藝消除了宏觀偏析，改善了合金的組織，提高了盤件性能。但是，由于其獨(dú)特的工藝步驟也帶來了一些不可避免的缺陷，粉末高溫合金中的主要缺陷有原始顆粒邊界(Prior Particle Boundary，PPB)與夾雜(Inclusion)。

PPB是粉末高溫合金的主要缺陷之一。普遍認(rèn)為PPB的形成離不開粉體顆粒表面、碳、氧3個(gè)因素，即原始顆粒邊界上碳和氧的共存和相互作用。PPB阻礙了粉體顆粒間的擴(kuò)散和冶金結(jié)合，并且一旦形成就很難在隨后的熱處理過程中消除。嚴(yán)重的PPB會(huì)顯著降低合金的塑性和疲勞壽命，甚至造成制件在使用過程中發(fā)生斷裂等惡性事故。PPB是在粉體制備和隨后的熱等靜壓過程中形成的，制粉期間，粉體在冷卻過程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的元素偏析，同時(shí)還會(huì)生成一定數(shù)量的氧化物質(zhì)點(diǎn)。

夾雜物是制約合金潔凈度提升的主要因素，且夾雜物的遺傳性較強(qiáng)，難以完全去除。因此，夾雜物問題一直是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。夾雜物主要來源于母合金熔煉和制粉過程，因此需要嚴(yán)格控制熔煉和制粉工藝，從源頭上減少夾雜物。

通過選取合適的制粉工藝、嚴(yán)格控制制粉過程以及對(duì)粉體進(jìn)行后處理可有效減少粉體中的夾雜物。首先，應(yīng)優(yōu)先考慮使用EIGA工藝。因?yàn)镋IGA具有無耐火材料污染、能耗小的優(yōu)勢(shì)，但該技術(shù)存在霧化效率低、粉體粒度大的缺點(diǎn)，該缺點(diǎn)可通過后續(xù)的粉體篩分克服。其次，制粉過程中應(yīng)保持高的惰性氣體純度，并杜絕制粉和粉體處理系統(tǒng)中橡膠等有機(jī)物污染粉體。最后，粉體先經(jīng)過篩分獲得所需粒度范圍，并篩去大尺寸和細(xì)小尺寸的夾雜物，再采用靜電分離工藝去除夾雜物。

粉末高溫合金面臨的另一大挑戰(zhàn)是合金制品的成本居高不下，這嚴(yán)重限制了其推廣應(yīng)用。究其原因，首先就是合金的細(xì)粉收得率不理想，提高粉末高溫合金的細(xì)粉收得率可以從原材料優(yōu)化、使用合適的制粉及后處理工藝入手。

首先，使用高純凈度的母合金棒材，減少雜質(zhì)含量。其次，優(yōu)先考慮使用EIGA工藝制粉。與VIGA和PREP工藝相比，EIGA工藝制備的粉體更細(xì)、更潔凈，細(xì)粉收得率更高。未來EIGA工藝的細(xì)粉收得率還可通過優(yōu)化霧化參數(shù)和改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高。最后，對(duì)粉體進(jìn)行篩分、靜電分離等后處理工藝以增加細(xì)粉的比例，提高粉體的細(xì)粉收得率。

粉體裝備工藝發(fā)展

作為我國(guó)金屬新材料研發(fā)基地、冶金行業(yè)重大關(guān)鍵與共性技術(shù)的創(chuàng)新基地，中國(guó)鋼研在粉末高溫合金領(lǐng)域深耕40余載，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，已有若干牌號(hào)的粉末高溫合金用于多種型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

1978年其開始從德國(guó)Heraeus引進(jìn)65 kg VIGA制粉裝置以及粉體處理等設(shè)備，并自行設(shè)計(jì)和制造了一臺(tái)國(guó)內(nèi)最大的直徑為?690 mm的熱等靜壓機(jī)，配備了一臺(tái)500 T的等溫鍛造機(jī)，于1980年底基本上建成了一條粉末高溫合金研制生產(chǎn)線。

為改善粉末質(zhì)量、提高盤件的可靠性，從1992年開始從俄羅斯引進(jìn)先進(jìn)的等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝（PREP）制粉設(shè)備，之后陸續(xù)引進(jìn)了粉末篩分、粉末靜電分離、粉末裝套脫氣封焊以及大型真空退火爐等設(shè)備，于1994年在河北涿州建成了第一條粉末高溫合金生產(chǎn)線。

隨著2005年FGH4095合金渦輪盤擋板轉(zhuǎn)入批量生產(chǎn)，及FGH4097合金渦輪盤訂貨需求的增加，粉體的需求量逐年增大，陸續(xù)對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備的機(jī)械和電器控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，控制單元實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，同時(shí)在2011年7月8日啟動(dòng)了第二條粉末高溫合金生產(chǎn)線的建設(shè)，包括PREP制粉、粉末篩分、粉末靜電分離等設(shè)備完全實(shí)現(xiàn)了自主設(shè)計(jì)和制造。

2017年從德國(guó)引進(jìn)了電極感應(yīng)熔化氣體霧化（EIGA）制粉設(shè)備，不僅可以生產(chǎn)用于粉末盤的鎳基高溫合金粉體，還可以生產(chǎn)增材制造所需的鎳基高溫合金、鈦合金及其他難熔合金粉體。

從2017年開始對(duì)PREP制粉設(shè)備進(jìn)行自主技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了制粉用棒料直徑由?50 mm到?60 mm再到?75 mm的技術(shù)升級(jí)，粉體產(chǎn)能分別提高了0.44、1.25倍，大大提高了生產(chǎn)效率。

總結(jié)與展望

在粉末高溫合金生產(chǎn)工藝過程中，高溫合金粉體的制備是最為關(guān)鍵的工序之一，制備出球形度好、粒徑小、分布均勻、夾雜物含量低的高溫合金粉體可以保證粉末高溫合金盤件的關(guān)鍵性能指標(biāo)，同時(shí)也是我國(guó)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)對(duì)粉末高溫合金關(guān)鍵熱端部件的迫切需求。但是目前我國(guó)在粉末高溫合金部件原材料粉體的制備方面與歐美等國(guó)家仍有一定的差距。

美歐等西方國(guó)家多采用AA粉體+HEX+ITF工藝制備粉末盤，粉體粒度不大于53μm或不大于45μm；俄羅斯采用PREP粉體+As-HIP工藝制造粉末盤，粉體粒度為50～140μm。為了進(jìn)一步降低粉體中的夾雜尺寸，俄羅斯也在考慮采用更細(xì)的粉體，并開展了相關(guān)的試驗(yàn)研究。

粉體制備方面，專家建議國(guó)內(nèi)應(yīng)進(jìn)一步提高AA細(xì)粉(不大于53μm或不大于45μm)收得率；采用75 mm合金棒料制粉，提高50～100μm的PREP粉體收得率，降低成本。棒料直徑?75 mm的PREP制粉設(shè)備應(yīng)盡快實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)能、降低生產(chǎn)成本及改善粉末質(zhì)量。軍用和商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展前景廣闊，對(duì)粉末盤的需求市場(chǎng)很大，應(yīng)盡早放量投入VIGA制粉設(shè)備，以滿足粉末盤生產(chǎn)工藝的要求。

參考來源：

[1]張義文等，粉末高溫合金研究進(jìn)展，鋼鐵研究總院高溫材料研究所

[2]胡連喜等，粉末冶金高溫合金研究及發(fā)展現(xiàn)狀，哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬精密熱加工國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

[3]張義文等，粉末高溫合金研究進(jìn)展，北京鋼研高納科技股份有限公司

[4]王杰等，粉末高溫合金的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)，鋼鐵研究總院高溫材料研究所

[5]吳嘉倫，EIGA高溫合金細(xì)粉收得率與粉體流動(dòng)性優(yōu)化及機(jī)理研究，北京科技大學(xué)