在發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，高溫合金材料用量已占到發(fā)動(dòng)機(jī)總量的40%~60%。所以，高溫合金材料也被譽(yù)為“先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)基石"。這段時(shí)間，小編將帶大家深度了解先進(jìn)高溫合金的制備工藝，分析測(cè)試以及應(yīng)用。

高溫合金簡(jiǎn)介

高溫合金，顧名思義就是能在較高溫度（900℃以上）環(huán)境內(nèi)使用，并在一定應(yīng)力條件下長(zhǎng)時(shí)間服役的合金。高溫合金分為三類材料:760℃高溫材料、1200℃高溫材料和1500℃高溫材料，抗拉強(qiáng)度800MPa。或者說(shuō)是指在760--1500℃以上及一定應(yīng)力條件下長(zhǎng)期工作的高溫金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，已成為軍民用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的關(guān)鍵材料[1]。

廣義上的高溫合金指的是能夠在高溫下抗氧化或腐蝕，并能在一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類合金，包括鑄造高溫合金、金屬間化合物等高溫金屬材料。狹義上的高溫合金是以鐵、鎳、鈷為基，能在大約600℃以上的高溫下抗氧化或腐蝕，并能在一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類合金。高溫合金自誕生以來(lái)從原來(lái)的鐵、鎳、鈷為基，不斷發(fā)展和演變，以及引入新的加工工藝，從傳統(tǒng)的鑄造高溫合金和變形高溫合金，發(fā)展出粉末高溫合金、氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）合金、金屬間化合物等新型高溫合金，從而大大擴(kuò)展了高溫合金的內(nèi)涵。

高溫合金在材料工業(yè)中主要是為航空航天產(chǎn)業(yè)服務(wù)。伴隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)建立起自己的高溫合金體系，從而形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。高溫合金由于其優(yōu)良的耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等性能，已經(jīng)逐步應(yīng)用到電力、汽車、冶金、玻璃制造、原子能等工業(yè)領(lǐng)域，從而大大擴(kuò)展了對(duì)高溫合金的需求。

高溫合金制備工藝

高溫合金的幾種成型方法的工藝路線

高溫合金所具有的耐高溫、耐腐蝕等性能主要取決于它的化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)。

高溫合金材料成分十分復(fù)雜，含有鉻、鋁等活潑元素，在氧化或熱腐蝕環(huán)境中表現(xiàn)為化學(xué)不穩(wěn)定，同時(shí)機(jī)加工制成的零件表面留下加工硬化和殘余應(yīng)力等缺陷，為材料的化學(xué)性能和力學(xué)性能帶來(lái)十分不利的影響。由于合金化程度高，高溫合金材料極易產(chǎn)生成分偏析，這種偏析對(duì)鑄造高溫合金和變形高溫合金的組織與性能都有重大影響。高溫合金的這些特點(diǎn)決定了它區(qū)別于普通金屬材料的加工工藝[1, 2]。

高溫合金的發(fā)展是合金理論與生產(chǎn)工藝技術(shù)不斷改善和革新的過(guò)程，通過(guò)合金強(qiáng)化+工藝強(qiáng)化來(lái)結(jié)合不斷提高合金的材料性能。合金強(qiáng)化包括合金固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化劑晶界強(qiáng)化等；工藝強(qiáng)化包括改善冶煉、凝固結(jié)晶、熱加工、熱處理及表面處理等環(huán)節(jié)改善合金組織結(jié)構(gòu)等。

高溫合金的生產(chǎn)工藝主要包含熔煉、鑄造、熱處理三個(gè)過(guò)程。生產(chǎn)工藝對(duì)高溫合金材料力學(xué)性能的影響重大，一項(xiàng)新工藝的引入，往往使高溫合金的性能獲得一個(gè)飛躍，發(fā)展一批新型高溫合金，進(jìn)而推動(dòng)一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和航空飛機(jī)的發(fā)展。老型號(hào)的合金也可以改善工藝達(dá)到材料性能的提高。

高溫合金材料制備技術(shù)與工藝仍處于不斷的進(jìn)步和創(chuàng)新中。比如，冶煉工藝采用了真空感應(yīng)+電渣重熔+真空自豪熔煉三聯(lián)工藝，真空自耗熔煉采用了先進(jìn)熔煉控制方法等；通過(guò)定向凝固柱晶合金和單晶合金工藝技術(shù)提高材料的高溫強(qiáng)度；采用粉末冶金方法減少合金元素的偏析和提高材料強(qiáng)度等。此外，氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金、金屬間化合物高溫材料也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新中。

粉末冶金氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）高溫合金制備工藝

粉末冶金高溫合金是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)髙溫合金制備工藝,由于用極細(xì)的金屬粉末作為原材料,經(jīng)過(guò)熱固結(jié)成型及后續(xù)熱加工處理得到的合金組織均勻,晶粒細(xì)小,無(wú)宏觀偏析現(xiàn)象,而且合金的高溫強(qiáng)度、蠕變性能及疲勞性能優(yōu)異,因此很快成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)、核工業(yè)的耐熱部件的材料[3]。

氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)高溫合金是一類粉末高溫合金,其突出特點(diǎn)是在高溫(1000一1350℃)下具有較高的強(qiáng)度。對(duì)于傳統(tǒng)高溫合金及粉末高溫合金來(lái)說(shuō),Y'析出相及碳(氮)化物強(qiáng)化是其主要的強(qiáng)化手段。但在高溫下,Y'析出相及碳(氮)化物發(fā)生粗化和溶解于基體而失去強(qiáng)化作用。

氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)高溫合金,是將細(xì)小的氧化物顆粒(一般選用Y2O3)均勻地分散于高溫合金基體中,通過(guò)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生強(qiáng)化效果的一類合金。

在已經(jīng)發(fā)展的高溫合金中，多采用沉淀強(qiáng)化來(lái)提高材料的強(qiáng)度，當(dāng)材料的服役溫度達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，沉淀相就不可避免的發(fā)生聚集、長(zhǎng)大及溶解從而大大降低材料的高溫強(qiáng)度。于是，人們通過(guò)粉末冶金的途徑在合金基體中均勻加入在高溫狀態(tài)下具有高穩(wěn)定性的細(xì)小氧化物來(lái)提髙材料的高溫強(qiáng)度。但是，通過(guò)傳統(tǒng)的冶煉及冶金技術(shù)不可能將這種般細(xì)小氧化物（d＜50nm）均勻加入基體中，從而限制了這種氧化物彌散強(qiáng)化合金的發(fā)展。直到70年代初INCO公司*發(fā)明了機(jī)械合金化(MA)新工藝，解決了ODS合金氧化物均勻分布的問(wèn)題，使合金得到快速發(fā)展，其中某些合金己經(jīng)達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)水平。

以下將以氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金為例，了解高溫合金的制備工藝[4]。

粉末的制備

高溫合金粉末的制備有三種制粉工藝:氣體霧化法、旋轉(zhuǎn)電極法、真空霧化法。而ODS高溫合金粉末的制備方法與上述制粉方法有著本質(zhì)的差異,其關(guān)鍵是將超細(xì)的氧化物質(zhì)點(diǎn)均勻分散于合金粉末中。常用的是以下四種方法：

(l)機(jī)械合金化(MA)法

機(jī)械合金化是用高能研磨機(jī)或球磨機(jī)實(shí)現(xiàn)固態(tài)合金化的過(guò)程,由美國(guó)INCO公司于上世紀(jì)六十年代末研發(fā),是異類物質(zhì)實(shí)現(xiàn)微混合的*方法?，F(xiàn)在,ODS高溫合金大多數(shù)是采用MA技術(shù)將超細(xì)的氧化物顆粒均勻地分散到合金基體中。含有彌散氧化物顆粒的機(jī)械合金化粉末經(jīng)固結(jié)處理后,便可得到密實(shí)的合金材料,機(jī)械合金化是制備ODS高溫合金的關(guān)鍵技術(shù)之一。

(2)內(nèi)氧化法

內(nèi)氧化法是利用合金中含量少、并且對(duì)氧有很強(qiáng)親和力的合金元素與氧反應(yīng),生成氧化物質(zhì)點(diǎn)作為彌散相。

(3)化學(xué)共沉淀法

化學(xué)共沉淀法的原理是在所配制的溶液中加入合適的沉淀劑,并把pH控制值在適當(dāng)范圍內(nèi),以制備出超細(xì)顆粒的前驅(qū)體沉淀物,再經(jīng)陳化、過(guò)濾、洗滌、干燥以及熱分解得到納米級(jí)的復(fù)合氧化物粉末。

(4)預(yù)合金霧化粉末

將預(yù)先配置好的合金在霧化過(guò)程惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行熔化,在霧化氣體中加入氧氣,使霧化液滴在冷凝過(guò)程中氧化增氧,控制氣氛中氧的含量獲得不同的氧含量的霧化氣體,并通過(guò)霧化參數(shù)的控制獲得要求的粉末粒度[5]。

熱固結(jié)成型

松散的高溫合金粉末只有通過(guò)固結(jié)工藝,才能得到*致密化的材料。固結(jié)的主要方法有熱等靜壓(HIP)、熱擠壓等。

(1)熱等靜壓(Hot isostatic pressing,HIP)

熱等靜壓是一種在真空條件下利用高溫高壓手段將粉末熱固結(jié)成型的工藝。

熱等靜壓工藝的關(guān)鍵在于溫度、壓力和時(shí)間的控制,首先熱等靜壓的溫度不能過(guò)高,這樣可以避免彌散相的長(zhǎng)大;其次,熱等靜壓的壓力選擇應(yīng)高于相對(duì)應(yīng)溫度合金材料的屈服應(yīng)力,使粉末顆粒能夠有效變形并發(fā)生冶金結(jié)合,消除材料空隙,提高合金致密度;保壓時(shí)間的選擇也很關(guān)鍵,時(shí)間太長(zhǎng)已經(jīng)致密化的合金在高溫高壓條件下組織發(fā)生變化,時(shí)間太短則不能有效致密化。

(2)熱擠壓(hotextrusion,HE)

ODS高溫合金一般采用熱擠壓工藝固結(jié),可以將粉末包套直接擠壓成形,也可以將合金化粉末經(jīng)熱等靜壓密實(shí)后再進(jìn)行二次擠壓成形