鎳基高溫合金粉末制備技術(shù)及未來(lái)發(fā)展現(xiàn)狀

      高溫合金又稱耐熱合金或超合金，是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600°C以上的高溫抗氧化、抗腐蝕、抗蠕變，并能在較高的機(jī)械應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一種合金，尤其是鎳基高溫合金可在650~1000°C高溫下具有更為優(yōu)異的強(qiáng)度、抗氧化性和耐蝕性。因此，高溫合金目前是屹立于金字塔尖的尖端工業(yè)材料，既是航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件、航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)各種高溫部件的關(guān)鍵材料，又廣泛運(yùn)用于工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、能源、化工等工業(yè)部門。

      粉末高溫合金作為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵熱端部件的優(yōu)選材料，主要用于制造渦輪盤、壓氣機(jī)盤、鼓筒軸和渦輪盤高壓擋板等發(fā)動(dòng)機(jī)熱端高溫承力部件^[1-2]。粉末高溫合金是以金屬粉末作為原材料，經(jīng)過(guò)后續(xù)熱加工處理，得到具有較高抗拉強(qiáng)度和良好抗疲勞性能的合金。粉末高溫合金經(jīng)歷了三代發(fā)展，已在先進(jìn)軍、民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤等多種關(guān)鍵零件上廣泛應(yīng)用^[3-4]，當(dāng)前國(guó)際粉末高溫合金研發(fā)已經(jīng)進(jìn)入第四代。粉末高溫合金鑄錠內(nèi)部無(wú)宏觀偏析、微觀組織均勻、晶粒細(xì)小，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和熱加工性能，可有效地保證發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性，而且可近凈成形，制造周期短，生產(chǎn)成本較低^[2-5]。

      本文簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外粉末高溫合金的發(fā)展?fàn)顩r，著重綜述了高溫合金粉末制備技術(shù)的研究進(jìn)展、存在的問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展方向。

1 粉末高溫合金研究現(xiàn)狀

1.1 粉末高溫合金生產(chǎn)工藝

      粉末高溫合金生產(chǎn)工藝的總體思路是在惰性氣氛保護(hù)下制備和處理粉末，然后采用熱成形工藝使粉末固結(jié)并致密化。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，基本形成了以歐美等西方國(guó)家為代表的“氬氣霧化法(AA)制粉+熱擠壓(HEX)+等溫鍛造(ITF)”工藝，和以俄羅斯為代表的“轉(zhuǎn)電極法(PREP)制粉+熱等靜壓(HIP)直接成形”工藝兩條工藝路線。

      我國(guó)研發(fā)的工藝路線為“等離子旋轉(zhuǎn)電極法(PREP)制粉+熱等靜壓(IP)成形+包套鍛造/熱處理”，采用該工藝成功生產(chǎn)出大尺寸FGH4095粉末渦輪盤。采用直接HIP成形工藝制備的粉末高溫合金渦輪擋板和小尺寸渦輪盤均已通過(guò)試車，并形成了批量生產(chǎn)能力^[6]。第2代粉末高溫合金FGH4096雙性能渦輪盤的研究工作，也取得了突破性進(jìn)展。采用“PREP+直接HIP+等溫鍛造”工藝，突破了粉末純凈度等關(guān)鍵技術(shù)，研制出了某高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)用FGH4096合金渦輪盤。通過(guò)細(xì)晶鍛造和梯度熱處理工藝的運(yùn)用，獲得了輪緣晶粒度為5～6級(jí)、輪轂晶粒度為10～11級(jí)的雙顯微組織盤坯^[7]。

      為解決粉末高溫合金渦輪盤存在的夾雜物尺寸超標(biāo)、超聲檢測(cè)不合格等問(wèn)題，我國(guó)開展了“擠壓+等溫鍛造”的工藝研究，目前已取得重要進(jìn)展。近期我國(guó)在北重集團(tuán)的3.6萬(wàn)噸黑色金屬擠壓機(jī)上成功擠壓出航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤用粉末高溫合金棒坯，標(biāo)志著我國(guó)粉末高溫合金技術(shù)取得重大突破。研究表明在擠壓過(guò)程中消除了原始顆粒邊界（PPB），夾雜物沿著擠壓方向得到有效破碎，在后續(xù)的鍛造過(guò)程中，在垂直于鍛造方向的平面內(nèi)，夾雜物得到進(jìn)一步的破碎和彌散^[8]。針對(duì)粉末高溫合金擠壓變形過(guò)程，特別是在有限元模擬技術(shù)方面，我國(guó)也開始了探索性研究。通過(guò)對(duì)包覆擠壓過(guò)程的模擬，可以系統(tǒng)分析模具結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對(duì)擠壓過(guò)程的影響，從而確定模具結(jié)構(gòu)的最佳組合^[9]?！皵D壓開坯+等溫鍛造”工藝已成為我國(guó)粉末高溫合金渦輪盤的重要發(fā)展方向之一。

1.2 粉末高溫合金中的缺陷及其影響

      夾雜物、PPB和熱誘導(dǎo)孔洞（TIP）是粉末高溫合金的3大缺陷，嚴(yán)重影響粉末高溫合金零件的性能。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)缺陷的來(lái)源及其對(duì)合金性能的影響進(jìn)行了大量的研究和分析，并就減輕和消除缺陷提出了相應(yīng)的措施和方法。

      夾雜物對(duì)粉末高溫合金的各種力學(xué)性能，尤其是低周疲勞性能有重要影響。粉末高溫合金中的夾雜物包括氧化物、有機(jī)物、異金屬等顆粒物，其中的陶瓷、熔渣等氧化物夾雜主要來(lái)源于母合金熔煉和制粉裝置的坩堝、漏包、噴嘴的耐火材料及熔煉過(guò)程中的脫氧產(chǎn)物和氬氣中的固體雜質(zhì)；橡膠、纖維等有機(jī)物來(lái)源于儲(chǔ)粉罐、閥門、粉末制備及處理設(shè)備的真空系統(tǒng)的污染；異金屬來(lái)源于上批霧化合金或包套材料。

      PPB是粉末顆粒表面吸附的O，C元素在熱等靜壓過(guò)程中與粉末組成元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在顆粒邊界析出的網(wǎng)狀的碳氧化合物^[10]。這種弱界面阻礙了金屬顆粒間的擴(kuò)散和連接，成為合金的斷裂源和裂紋擴(kuò)展通道，降低了合金的塑性和疲勞壽命。PPB的根源為粉末表面的O，C含量，降低C含量、加入Nb，Hf等強(qiáng)碳化物形成元素、粉末真空除氣是消除PPB的主要方法，后續(xù)也可以通過(guò)熱處理、優(yōu)化熱等靜壓工藝等方法消除。

      TIP是由于不溶于合金的氬氣在熱等靜壓過(guò)程中受熱膨脹而形成的不連續(xù)孔洞。它會(huì)使工件發(fā)生翹曲，顯著降低合金的拉伸、持久、抗蠕變等性能。粉末高溫合金中殘留的氬氣主要來(lái)源于霧化制粉過(guò)程中液滴包裹氬氣形成的空心粉，另外粉末表面吸附的氬氣未完全脫除或包套密封不嚴(yán)也會(huì)引起TIP^[11]。

      綜上所述，粉末高溫合金3大缺陷都與合金粉末的質(zhì)量有直接關(guān)系。無(wú)夾雜、無(wú)空心粉、低氣體含量的高品質(zhì)高溫合金粉末的制備技術(shù)，是粉末高溫合金發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。

2 高溫金屬粉末常用生產(chǎn)工藝

      金屬粉末的生產(chǎn)方法很多，包括固體破碎法、球磨法、霧化法、電解法和化學(xué)法等。對(duì)于增材制造來(lái)說(shuō)，需要的是球形粉末，霧化法被認(rèn)為是生產(chǎn)增材制造用金屬粉末最理想的方法。此外旋轉(zhuǎn)電極法也逐漸用于增材制造粉體材料的制備^[12]。

      鎳基高溫合金球形粉末制備的基本工藝流程如下：母合金冶煉和加工→制粉→粉末篩分→（電選分離除雜）→粉末性能檢驗(yàn)，其中母合金熔煉、霧化法制粉和電選分離除雜是獲得高品質(zhì)粉末的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.1 母合金熔煉技術(shù)

      高溫合金母合金熔煉技術(shù)對(duì)于制備高品質(zhì)球形粉末起著決定性的作用，原材料中的雜質(zhì)、氧氮?dú)浜康戎苯佑绊懛勰┵|(zhì)量。高溫合金母合金的熔煉通常采用真空感應(yīng)熔煉技術(shù)，該技術(shù)在精確控制合金成分、去除合金中氣體雜質(zhì)及有害元素方面優(yōu)勢(shì)顯著。但是由于陶瓷坩堝的使用，母合金中不可避免的會(huì)引入陶瓷和熔渣夾雜缺陷。此外，母合金在凝固過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生縮孔、疏松、偏析等缺陷。

      上述缺陷可以在鑄造高溫合金后續(xù)的感應(yīng)熔化澆注成零件毛坯過(guò)程中消除，但是對(duì)高溫合金粉末的制備卻會(huì)產(chǎn)生較大影響。母合金中的夾雜物在制粉過(guò)程中無(wú)法去除，縮孔、疏松等缺陷還會(huì)造成空心粉和粉末表面的氧化。因此，有必要采取相應(yīng)措施消除真空感應(yīng)熔煉母合金中的夾雜物和缺陷。在高純凈度鑄造、鍛造高溫合金生產(chǎn)工業(yè)中普遍采用二聯(lián)或三聯(lián)工藝，即真空感應(yīng)熔煉+電渣重熔/真空電弧重熔。真空感應(yīng)熔煉制備具有適合化學(xué)成分的自耗電極，電渣重熔過(guò)程去除脆性的氧化物夾雜獲得較高的純凈度，最后通過(guò)真空電弧重熔獲得無(wú)宏觀偏析、組織均勻的毛坯。電渣重熔工藝是去除合金中非金屬夾雜物最有效的精煉工藝之一，可以有效去除大尺寸外來(lái)夾雜，使內(nèi)生夾雜彌散細(xì)化分布，是粉末高溫合金母合金二次精煉的優(yōu)選工藝。

      俄羅斯在20世紀(jì)90年代就開始廣泛應(yīng)用真空感應(yīng)熔煉+電渣重熔工藝生產(chǎn)粉末高溫合金母合金錠^[13]。2002年，鋼鐵研究總院自行設(shè)計(jì)，建造了世界上首臺(tái)超小斷面(50 mm)真空/惰性氣體保護(hù)快速電渣爐，并于2004年成功制備出高溫合金電渣錠。研究表明，采用惰性氣體保護(hù)電渣重熔工藝制備的FGH95母合金，O含量降低，Al，Ti燒損量減小，非金屬夾雜物尺寸和數(shù)量都顯著下降^[14]。

      泡沫陶瓷過(guò)濾技術(shù)也是去除高溫合金中非金屬夾雜物的有效方法。該技術(shù)主要采用由細(xì)密的陶瓷枝干骨架構(gòu)成的三維連續(xù)網(wǎng)狀泡沫陶瓷板過(guò)濾器對(duì)金屬熔體進(jìn)行過(guò)濾，可以濾掉合金熔體中的夾雜物顆粒、液態(tài)熔劑夾雜及部分有害的金屬元素^{[15, 16]}。北京科技大學(xué)、營(yíng)口市鎂質(zhì)材料研究所、東北大學(xué)、中科院金屬所等科研單位均采用氧化鋁基陶瓷過(guò)濾器對(duì)高溫合金進(jìn)行了過(guò)濾凈化處理試驗(yàn)，均能有效去除高溫合金中的夾雜物^[17]。

      此外，日本發(fā)展的旋轉(zhuǎn)鑄錠工藝^[16]、北京航材院研究出的優(yōu)質(zhì)高溫合金錠生產(chǎn)制造技術(shù)(BIAM優(yōu)質(zhì)工藝)^[17]、西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)的電磁軟接觸成形凈化技術(shù)和復(fù)合熔鹽凈化技術(shù)等都對(duì)去除夾雜、凈化合金有良好的效果。近幾年發(fā)展較快的新型凈化技術(shù)，如電磁凈化技術(shù)和超聲波處理技術(shù)等先進(jìn)交叉學(xué)科技術(shù)，正成為合金凈化領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。

      上述合金凈化技術(shù)有的已經(jīng)在高溫合金凈化中廣泛應(yīng)用，有的還有待于進(jìn)一步完善和發(fā)展。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展要求粉末高溫合金有更高的力學(xué)性能和可靠性，對(duì)母合金的純凈度也提出了更高的要求。對(duì)于粉末高溫合金母合金生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，研究和開發(fā)高效率、低成本、高純凈、無(wú)夾雜的母合金錠熔煉和凈化技術(shù)是未來(lái)發(fā)展的重要方向。

2.2 制粉

      粉末制備是粉末高溫合金生產(chǎn)中的第一道工序，也是最為關(guān)鍵的工序之一。制備出尺寸細(xì)小均勻、球形度好、氣體和夾雜物含量低的高溫合金粉末，可以降低甚至消除合金中的PPB和夾雜物等缺陷，顯著改善合金盤件的組織和性能。因此，先進(jìn)的粉末制備技術(shù)是獲得高品質(zhì)的高溫合金粉末，從而消除合金內(nèi)部冶金缺陷，保證高溫合金盤件質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

      粉末高溫合金領(lǐng)域的研究人員對(duì)多種粉末制備工藝進(jìn)行了大量深入的研究。目前制備球形金屬粉末主要有真空感應(yīng)熔化氣霧化法（VIGA法）、等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉技術(shù)（PREP法）、電極感應(yīng)氣體霧化法（EIGA法）和等離子霧化法（PA法）。

2.2.1 真空感應(yīng)熔化氣霧化法（VIGA法）

      真空感應(yīng)熔化氣霧化法是指在真空環(huán)境下，使用線圈感應(yīng)加熱原理熔化爐料，達(dá)到一定溫度后，熔煉室和霧化室充入霧化氣體，然后開始澆鋼液至中間包，通過(guò)噴嘴形成金屬液流流入霧化室^[18]，然后利用高壓惰性氣體作為霧化介質(zhì)來(lái)破碎連續(xù)的金屬液流，從而迅速凝固成細(xì)小的顆粒，即金屬粉末。圖1為氣霧化原理示意圖。

圖1 真空感應(yīng)熔化氣霧化法示意圖^[19]

      圖2為真空感應(yīng)熔化氣霧化工藝生產(chǎn)的粉末，從表面形貌可見(jiàn)氣霧化法所得粉末粒度分布分散，一般約幾微米到一百多微米，球形度偏好，但存在衛(wèi)星粉、黏連粉等。

圖2 真空感應(yīng)熔化氬氣霧化法所制粉末的形貌

      氣霧化法制備的粉末存在大量非球形粉，且存在衛(wèi)星粉、黏連粉、空心粉、粒度分散、非金屬雜質(zhì)較多等問(wèn)題。

      目前歐美國(guó)家的主流制粉方式為氣霧化制粉，其中GE公司、ALD等公司在氣霧化制粉設(shè)備領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。國(guó)內(nèi)也有不少制造真空感應(yīng)熔化氣霧化設(shè)備的公司，比如：沈陽(yáng)真空技術(shù)研究所湖南久泰、湖南天際智慧等。使用VIGA法生產(chǎn)金屬粉末材料的公司，國(guó)外有山特維克、赫格納斯、歐瑞康、LPW、泰科納、TLS等。國(guó)內(nèi)也有不少優(yōu)秀的金屬粉末供應(yīng)商，比如北京鋼研高納、北京中航邁特、江蘇威拉里、無(wú)錫飛而康等。

      目前，使用真空感應(yīng)熔化氣霧化制粉，除了鎳基高溫合金粉末外，其他金屬粉末材料有：不銹鋼316L、174PH；鈷基合金CoCrMo、CoCrW、CoCrMoW；鈦和鈦合金TC4、TC11TA15、TiAl4822、Ti2AlNb；鎳基合金FGH95、FGH96、FGH97、GH4169、稀有金屬等。

2.2.2 等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉技術(shù)（PREP法）

      等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉技術(shù)用于制備高反應(yīng)性金屬、耐熱鎳和鈦合金等的金屬粉末，該技術(shù)采用離心霧化的原理，在惰性氣體環(huán)境下，等離子發(fā)生器與電極產(chǎn)生電弧，電弧的溫度能迅速熔化快速旋轉(zhuǎn)的棒料，熔融金屬在表面張力的作用下進(jìn)行離心霧化，離心霧化的小液滴在濺射室內(nèi)快速凝固成顆粒，最后顆粒沉積落入收粉罐中，PREP法離心霧化原理見(jiàn)圖3。

1—棒料；2—等離子發(fā)生器；3—液態(tài)金屬膜；4—等離子火焰；5—濺射室

圖3 等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉離心霧化示意圖^[19]

      等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉技術(shù)生產(chǎn)的粉末具有球形度好、粒度集中、表面光潔度高、氣體含量低、純凈度高等優(yōu)點(diǎn)。

      據(jù)了解，國(guó)內(nèi)制造等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備的公司，如湖南頂立科技、湖南久泰、西安賽隆等，制造的等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備^[20]的原理圖如圖4所示。采用此原理工作的PREP設(shè)備，棒料的旋轉(zhuǎn)單純的依靠電機(jī)帶動(dòng)，目前能達(dá)到10000~15000 r/min，該轉(zhuǎn)速制得的粉末粒度D50基本大于100 μm。

1-抽真空口；2-艙室；3-棒料；4-電機(jī)；5-等離子發(fā)生器

圖4 國(guó)內(nèi)等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備原理圖^[21]

      目前，俄羅斯的等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備是領(lǐng)先世界的，圖5是俄羅斯Granule 2000型等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備^[22]，其設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)與圖4完全不同，靜態(tài)真空系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)、等離子發(fā)生器、棒料旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、艙室設(shè)計(jì)、加料設(shè)計(jì)、氣體系統(tǒng)等都優(yōu)于國(guó)內(nèi)的PREP設(shè)備設(shè)計(jì)，Granule 2000型等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備轉(zhuǎn)速能達(dá)到20000~25000 r/min^[21]。

圖5 俄羅斯某等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備^[22]

      俄羅斯最新一代Granule 2500型等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備的棒料轉(zhuǎn)速能達(dá)到25000~30000 r/min，改良電極旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)后使得轉(zhuǎn)速更高更穩(wěn)定，因此制得的球形粉粒度更小。PREP制粉法中，粉末粒度與棒料轉(zhuǎn)速成反比，即轉(zhuǎn)速越快，粉末粒度越小。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有使用Granule 2000型等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備的公司，其棒料轉(zhuǎn)速能達(dá)到20000~25000 r/min，該設(shè)備制得的粉末粒度D50約為60 μm，粉末較細(xì)，球形度高、氧氮增量低、空心粉少、粒度集中、不存在衛(wèi)星粉等^[21]。

2.2.3 等離子霧化法（PA法）

      等離子霧化法（PA法）是一種用等離子槍霧化金屬液滴后制備球形粉末的方法^[23]。此法最早由M.EntezaRian等^[24]提出并于1998年申請(qǐng)專利^[25]，現(xiàn)加拿大AP&C公司是全球等離子霧化技術(shù)的領(lǐng)先者，該公司擁有該設(shè)備成套技術(shù)專利。

      等離子霧化法實(shí)質(zhì)也是一種氣霧化制粉技術(shù)，其原理是：在惰性氣體保護(hù)下，使用等離子槍加熱合金絲材，熔化、蒸發(fā)成金屬蒸汽，隨后通過(guò)氣淬冷卻技術(shù)，讓飽和的金屬蒸汽快速團(tuán)聚、形核、長(zhǎng)大，得到超細(xì)合金粉末^[26]。等離子體霧化法制備的合金粉末粒徑分布較窄，為10~150 μm，50 μm以下粉末約占40%，細(xì)粉收得率極高；此外，PA法制備的粉末也具有較高的球形度和較低的雜質(zhì)含量^[23]。PA法主要缺點(diǎn)是原材料為較細(xì)的絲材，而絲材原料的制造成本比母合金棒料高，且制粉效率低。

      目前，加拿大AP&C公司的等離子霧化設(shè)備裝備有全自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)和氣體回收裝置，保證了粉末質(zhì)量穩(wěn)定性，同時(shí)通過(guò)氣體回收降低了生產(chǎn)成本。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)高品質(zhì)球形金屬粉末，粉末種類涉及純鈦及鈦合金、鎳基合金等。

2.2.4 電極感應(yīng)氣體霧化法（EIGA法）

      電極感應(yīng)熔化氣霧化法（EIGA法）是一種不使用陶瓷坩堝的超潔凈氣體霧化制粉技術(shù)，兼具氣霧化生產(chǎn)效率高、產(chǎn)量大、粉末粒徑細(xì)小等特點(diǎn)^[27]，EIGA 法霧化制粉原理：在惰性氣體保護(hù)下，將母合金棒料安裝在送料裝置上，以一定的旋轉(zhuǎn)速度和下降速度進(jìn)入下方錐形線圈^[12]，棒料尖端通過(guò)錐形超高頻感應(yīng)線圈加熱逐漸熔化，形成直徑大小連續(xù)可控的合金液流，在重力作用下熔體液流直接流入或滴入下方的霧化室，在高壓惰性氣體作用下，將合金液流破碎成小液滴，小液滴在霧化室內(nèi)在自身表面張力作用下，迅速球化并凝固形成金屬粉末。

      在EIGA法制粉技術(shù)中，母合金的整個(gè)熔化過(guò)程不使用坩堝以及導(dǎo)流嘴等耐火材料，減少了非金屬雜質(zhì)的引入；相比于VIGA法制得的粉末，EIGA法粉末粒度較小，不存在大量的片狀物，粉末粒度Dv(50)可控制在50~100 μm 左右，生產(chǎn)效率較高。

      德國(guó)ALD公司通過(guò)優(yōu)化電極感應(yīng)氣霧化技術(shù)工藝，先后設(shè)計(jì)開發(fā)了多種型號(hào)電極感應(yīng)氣霧化制粉爐設(shè)備，用于鈦及鈦合金粉末材料的科研和生產(chǎn)，該類設(shè)備在全球范圍內(nèi)獲得推廣。日本OSAKA鈦公司采用電極感應(yīng)氣霧化法制備的Ti6Al4V粉末中位粒徑Dv(50)約40 μm左右，粉末球形度高，衛(wèi)星顆粒少，非金屬夾雜少，在增材制造領(lǐng)域獲得應(yīng)用^{[28, 29]}。

2.3 電選分離技術(shù)

      電選分離技術(shù)是去除粉末中非金屬夾雜物的關(guān)鍵技術(shù)，其原理是通過(guò)電暈放電現(xiàn)象使粉末顆粒帶電，然后利用金屬粉末和非金屬夾雜物之間電性能的不同進(jìn)行分離。圖6為高壓靜電分離原理的示意圖。

圖6 電選分離設(shè)備原理示意圖

      靜電分離裝置由兩個(gè)電極組成，細(xì)金屬絲為負(fù)極，接地并有一定轉(zhuǎn)速的大直徑金屬卷筒為正極。當(dāng)兩級(jí)電位差達(dá)到一定值時(shí)，兩極間發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，含有非金屬夾雜的金屬粉末經(jīng)給料器落入輥筒表面形成的電暈電場(chǎng)后，與飛向正極的電子和負(fù)離子相遇，使其帶上輥筒負(fù)電荷。由于金屬粉末電導(dǎo)率較高，獲得的負(fù)電荷在與輥筒接觸后快速釋放，在重力和離心力作用下從輥筒前方落入成品粉收集區(qū)；而非金屬夾雜物由于電導(dǎo)率低，不易失去電荷，庫(kù)侖力和靜電吸附作用下被吸附在輥筒上，在隨輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)到后方時(shí)被輥刷刷下。

      北京鋼鐵研究總院應(yīng)用進(jìn)口德國(guó)海拉斯高壓電暈靜電分離器對(duì)摻入Al₂O₃夾雜的高溫合金粉末進(jìn)行了電選分離處理。研究表明，輥筒轉(zhuǎn)速和電暈極電壓是影響分離效果的主要因素，電暈極電壓越高，輥筒轉(zhuǎn)速越慢，分離效果越好。該工藝采用最佳參數(shù)(電暈極電壓40 kV，輥筒轉(zhuǎn)速50 r/min)，對(duì)50～100μm的非金屬夾雜物的去除效果顯著，去除率可達(dá)76.7%^[30]。北京航空材料研究院自行研制開發(fā)的粉末摩擦電選分離與夾雜檢測(cè)設(shè)備，對(duì)夾雜物也有較好的去除效果。研究結(jié)果表明，經(jīng)該設(shè)備電選后分離率高達(dá)85%以上，同時(shí)對(duì)粉末中夾雜進(jìn)行檢測(cè)^[31]，且高溫合金粉末電選分離過(guò)程必須在高純的惰性氣體保護(hù)下完成，以防止粉末的氧化和粉末表面對(duì)O，C元素的吸附。

      綜上所述，電選分離技術(shù)在我國(guó)高溫合金粉末生產(chǎn)中已經(jīng)取得了一定的應(yīng)用，但是分離范圍較窄，只能分離一定粒度范圍內(nèi)的非金屬夾雜，分離效率和分離效果有待進(jìn)一步提高，對(duì)于非金屬夾雜還不能保證100%去除。高溫合金粉末的電選分離技術(shù)未來(lái)應(yīng)該向去除較大顆粒夾雜物和提高去除效果兩個(gè)方向發(fā)展。

2.4 粉末篩分

      除霧化過(guò)程外，確定粉末特性的另一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程是金屬粉末原料的后處理。這包括粉未顆粒的氧化鈍化、分級(jí)（即篩分或空氣分級(jí)）和混合，以獲得最終的均勻粉未批量。粉末篩分是為了獲得所需粒度的粉末，根據(jù)所需粉末的尺寸與雜質(zhì)尺寸的不同，除去部分雜質(zhì)。篩分機(jī)在為真空狀態(tài)或者惰性氣體保護(hù)下工作，為防止粉末在篩分過(guò)程中被氧化。篩分工藝的主要參數(shù)是振動(dòng)篩振幅和振動(dòng)頻率。一般情況下，VIGA法制粉的原粉都應(yīng)該經(jīng)過(guò)100目的預(yù)篩，以防霧化過(guò)程產(chǎn)生的較大的異形物體損壞、堵塞篩網(wǎng)。

      此外，還有各種技術(shù)可以改善粉末在鈍化后的流動(dòng)性。目前有多種方法可量化粉未流變性(流動(dòng)性和鋪展性)，但它們之間的相關(guān)性尚未完全確定。除了最簡(jiǎn)單的漏斗流速法(ASTM B213/ISO 4490/ASTM B964)外，沒(méi)有其他方法被廣泛使用。對(duì)于特定金屬合金來(lái)說(shuō)，什么是可接受的流動(dòng)性值，AM界還缺乏充分的認(rèn)識(shí)，因此有必要對(duì)增材制造的粉末流動(dòng)性進(jìn)行更多的定量研究。

3 粉末的可重復(fù)使利用

      以航空航天和整形外科為首的行業(yè)正在迅速采用AM金屬粉末。由于AM金屬粉末是成本的主要驅(qū)動(dòng)因素之一，尤其是在高性能應(yīng)用領(lǐng)域，因此人們對(duì)粉末的再利用產(chǎn)生了濃厚的興趣。由于只有一小部分粉末會(huì)熔化并融合到零件中，因此其余粉末可以多次使用，直到達(dá)到特定應(yīng)用中粉未不能再使用的條件為止。

      鎳合金718具有優(yōu)異的機(jī)械性能和抗氧化/抗腐蝕性能，于20世紀(jì)60年代首次問(wèn)世，克服了超合金焊接性低的缺陷。Deng等人^[32]六次重復(fù)使用100千克鎳合金718(PSD 45-106 μm)在粉末床熔融（E-PBF）機(jī)器上制造零件。通過(guò)電極感應(yīng)熔化惰性氣體霧化工藝(EIGA)生產(chǎn)粉未，在重復(fù)使用過(guò)程中粉末沒(méi)有與原始粉末一起再生。與原始粉未相比，再利用粉未中的元素組成沒(méi)有發(fā)生明顯變化，只有氧元素從0.014 wt%增加到0.022 wt%。在第六次構(gòu)建后，從不同位置收集的粉未顆粒的化學(xué)成分也沒(méi)有變化，元素組成仍符合合金的特定要求。在重復(fù)使用周期后，流動(dòng)性和PSD數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯變化。不過(guò)，第六次構(gòu)建周期后的PSD數(shù)據(jù)顯示，顆粒的平均直徑略有增加。說(shuō)明鎳合金718粉末在電子束下是穩(wěn)定的，可以經(jīng)過(guò)多次重復(fù)使用，而粉末尺寸和化學(xué)成分不會(huì)發(fā)生明顯變化。

      Gruber等人^[33]也報(bào)告稱，重復(fù)使用的718鎳粉末中的氧含量略有增加(14次重復(fù)使用后，原始粉末中的氧含量從146 ppm增至266 ppm)。據(jù)觀察，在E-PBF機(jī)器中使用70 h后，粉未顆粒表面形成了Al₂O₃納米顆粒。鎳718合金中的Ni、Cr、A1、Fe和Ti等元素在氧氣存在下極易形成氧化物，可能形成NiO、CrO、A1₂O₃、FeO/Fe₂O₃或TiO/TiO₂。根據(jù)埃林厄姆圖，在這些氧化物中，Al₂O₃形成的吉布斯自由能是最低的，因此其穩(wěn)定性最穩(wěn)定。

      根據(jù)熱力學(xué)原理，在鎳718合金中形成Al₂O₃比形成其他氧化物更有利。在E-PBF過(guò)程中，A1、Ti、Fe或Cr的氧化似乎不可避免，但極低的氧氣濃度可以抑制此類氧化物在粉末表面形成^[34]。因?yàn)檫@些元素熔點(diǎn)處的氧平衡分壓必須低于10^-7~10^-9 mbar才能避免這些氧化。另一方面，E-PBE設(shè)備中的高生產(chǎn)溫度會(huì)導(dǎo)致氧氣的高擴(kuò)散率。因此，存在發(fā)生反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。在L-PBF和E-PBF工藝之后，觀察到Cr₂O₃和Al₂O₃在粉未表面形成，雖然Cr₂O₃與Al₂O₃相比對(duì)氧的親和力較低，但其形成在動(dòng)力學(xué)上是有利的，特別是考慮到其在鎳718合金中的含量較高^[35]。在重復(fù)使用周期中，可以預(yù)計(jì)現(xiàn)有氧化物在AM工藝中暴露于高溫時(shí)會(huì)逐漸分解成最穩(wěn)定的氧化物(即Al₂O₃)^[36]。

4 結(jié)語(yǔ)

      我國(guó)在粉末高溫合金的研制和生產(chǎn)工藝各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)方面，都進(jìn)行了大量的科研和技術(shù)開發(fā)工作，特別是在高溫合金粉末制備等關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了突破，保證了我國(guó)粉末高溫合金關(guān)鍵零部件的組織和性能，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化做出了突出貢獻(xiàn)。以消除粉末高溫合金中3大缺陷、提高粉末成型件整體性能為目標(biāo)，未來(lái)的高溫合金粉末必須向高純凈細(xì)粉方向發(fā)展。

      (1)在熔煉技術(shù)上，應(yīng)積極采用“三聯(lián)”熔煉工藝，大力發(fā)展陶瓷過(guò)濾技術(shù)和其他先進(jìn)合金凈化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)母合金的高純凈熔煉。

      (2)提高霧化制粉設(shè)備能力和技術(shù)水平，不斷提高粉末純凈度和細(xì)粉收得率。對(duì)于VIGA法來(lái)說(shuō)，在提高50 μm以下細(xì)粉收得率的同時(shí)，還要注意控制夾雜物數(shù)量和顆粒形貌；對(duì)于PREP法來(lái)說(shuō)，要進(jìn)一步提高電極直徑和轉(zhuǎn)速，提高50～100 μm之間的粉末收得率。

      (3)進(jìn)一步發(fā)展電選分離技術(shù)，提高非金屬夾雜的去除效果和分離效率，擴(kuò)大可分離顆粒尺寸范圍。

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