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

高溫合金簡介

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)力條件下長時間服役的合金。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?；蛘哒f是指在760--1500℃以上及一定應(yīng)力條件下長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)力作用下長期工作的一類合金。高溫合金自誕生以來從原來的鐵、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程，通過合金強(qiáng)化+工藝強(qiáng)化來結(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、熱處理三個過程。生產(chǎn)工藝對高溫合金材料力學(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飛躍，發(fā)展一批新型高溫合金，進(jìn)而推動一代航空發(fā)動機(jī)和航空飛機(jī)的發(fā)展。老型號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。對于傳統(tǒng)高溫合金及粉末高溫合金來說,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,通過阻礙位錯的運(yùn)動而產(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)化來提高材料的強(qiáng)度，當(dāng)材料的服役溫度達(dá)到一個臨界值時，沉淀相就不可避免的發(fā)生聚集、長大及溶解從而大大降低材料的高溫強(qiáng)度。于是，人們通過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)小氧化物來提髙材料的高溫強(qiáng)度。但是，通過傳統(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)合金化的過程,由美國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、過濾、洗滌、干燥以及熱分解得到納米級的復(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、壓力和時間的控制,首先熱等靜壓的溫度不能過高,這樣可以避免彌散相的長大;其次,熱等靜壓的壓力選擇應(yīng)高于相對應(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;保壓時間的選擇也很關(guān)鍵,時間太長已經(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