等离子旋转电极法prep制造镍基高温合金粉末中的夹杂物

等离子旋转电极法prep制造镍基高温合金粉末中的夹杂物

粉末技术在代替高火晶的工艺中的应用是一个重要的开发。然而,粉末冶金工艺最大的弊病之一——夹杂物问题也同时困扰着粉末高温合金的生产,影响着产品的质量。世界上发达国家从20世纪60年代末研制粉末高温合金以来一直致力于夹杂物的研究。我国自20世纪70年代末开始研制粉末高温合金后亦从未间断过对夹杂物的探讨,并取得了较大的进展。本文主要研究了近十年来用等离子旋转电极法(PREP)生产的粉末及其PM合金中的夹杂物。1形态、粒度范围对残余物粒径的影响鉴于PREP法的制粉特点是粉末粒度分布比较集中,夹杂物尺寸取决于粉末的粒度范围。经过筛分和静电分离处理后多数夹杂物可予以去除,但部分熔渣及粉粘不同类型夹杂物尚无有效的去除方法。1.1陶瓷及熔渣的分级粉末中夹杂物的形态主要分为两种:独立存在的夹杂物和粉粘夹杂物。按来源可分为:①由母合金带入的陶瓷或熔渣;②由制粉和粉末处理系统带入的异金属或有机类夹杂物。成品粉中夹杂物的宽度一般小于筛网孔径的对角线,长度约200μm。1.2镍基高温合金成品粉末检测结果粉末中夹杂物的数量与每炉母合金的质量、惰性气体介质的纯度、制粉和粉末处理时的工艺参数以及整个系统的洁净度有着密切的关系。对十几炉批PREP法制得的镍基高温合金原始粉末进行检测所得结果列于表1。目前,钢铁研究总院用PREP法制造的粒度为50～100μm和50～150μm的镍基高温合金成品粉末中夹杂物的数量少于20个/kg。定量分析结果如图1所示。2混合材料对组织和性能的影响2.1热等静压和冷热合成件中的混合物2.1.1成形件的探伤检测采用ϕ0.8平底孔、10MHz平探头,用接触法对[热等静压(HIP)+热处理(HT)]成形件进行探伤,未发现超标的缺陷。对成形件取样进行组织检测,发现有极少量尺寸小于100μm的夹杂物。其中熔渣类有贫γ′区,其范围比夹杂物尺寸大1～2倍[见图2(a)],而铝+硅或铝含量高的陶瓷类夹杂物却无反应区。2.1.2低周疲劳寿命对16炉批产品进行室温拉伸、高温拉伸、光滑持久、蠕变和缺口周期持久等性能测试,结果表明,其性能均达到技术标准中的A级或B级。还发现:合金中存在小于100μm的夹杂物对上述性能无影响,但低周疲劳寿命对夹杂物极为敏感。试样在538℃、应变量ε=0.0078～0.0002时进行低周疲劳寿命测试,尽管疲劳周期N已超过5000周,但最终断裂的疲劳源仍是夹杂物(见表2)。2.2热等、静压、精炼、加热合成件中的混合物2.2.1缺陷解剖分析采用ϕ0.4平底孔、10MHz探头进行超声波水浸探伤,探测[热等静压+锻造(F)+热处理]成形件的内部缺陷。在盘件的横截面上探伤定位,然后解剖分析,发现:夹杂物尺寸一般在200～600μm范围,多为破碎状,存在贫γ′区[见图2(b)];也有长条状,而且沿晶界蔓延。其类型分为3种:①氧、铝、硅含量高的陶瓷类;②氧、铝、钙、钛、铬等含量高的熔渣类;③碳、氧、钙、铝含量高的有机类。其中熔渣类夹杂物占多数,这与HIP态合金及粉末的检测结果一致,但夹杂物尺寸有所增大。2.2.2残余物的临界尺寸各种文献和试验结果都证明合金的疲劳寿命对夹杂物最敏感。由文献中的公式i=k·K3ff3得知,夹杂物尺寸i与合金的强度降低因子Kf的立方成正比。影响疲劳寿命的夹杂物的临界尺寸取决于其在试样中的位置。夹杂物尺寸越大,离表面越近,对疲劳寿命的影响越大。合金经锻造变形发生了再结晶,其中的夹杂物被压扁、断裂或破碎。在锻件横截面上夹杂物的尺寸和影响范围增大。因此,锻件轴向上的夹杂物面积普遍大于径向上的夹杂物面积。所以,锻件轴向试样的低周疲劳寿命明显低于径向试样(见表3)。3fgh95合金粉末的制备为深入系统地了解各类夹杂物对粉末高温合金组织和性能的影响,本试验将实际粉末冶金工艺中各环节可能产生的夹杂物进行了分类:①有机类——真空橡胶、聚四氟乙烯和漆片;②无机物——镁砂、SiO2、Al2O3、硅酸铝和焊渣。将以上两类夹杂物破碎成不同粒度,将同一类型和粒度的夹杂物按不同的比例掺入洁净的粒度为50～100μm的FGH95合金粉末中。待夹杂物与粉末充分混合,并脱气、装套、封焊后进行热等静压(HIP)、锻造(F)和热处理(HT)。3.1金相改性粉末颗粒具有较高熔点的SiO2、Al2O3和MgO在HIP后的合金中仍保持原始形貌,未发现明显的反应区。而硅酸铝和焊渣类周围存在贫γ′区。有机夹杂物在HIP过程中发生分解扩散,并与粉末表面的铝、钛、氧等元素发生反应,形成粉末颗粒边界(PPB),部分残渣分布在粉末颗粒之间,阻碍了粉末的压实。粉末高温合金中非金属夹杂物的变形行为较为复杂,它不仅取决于夹杂物的类型,而且与夹杂物的成分及变形温度密切相关。FGH95合金在1140℃经64%变形量锻造后,其中SiO2、Al2O3和MgO夹杂物本体出现裂纹或断裂分散。硅酸铝和焊渣类夹杂物的尺寸明显增大或被拉长。除Al2O3和MgO之外,其他无机夹杂物与基体发生化学反应后出现了明显的贫γ′区[见图3(a)],夹杂物的影响范围扩大。锻造变形后,未分解的有机夹杂物明显被拉长,在HIP过程中产生的PPB没有完全消失[见图3(b)]。3.2夹合物的掺杂物对低周疲劳寿命的影响在锻件径向上取样进行低周疲劳试验,试验结果见表4。由试验结果得知,掺入尺寸为50～500μm有机夹杂物,试样在疲劳断裂或未断裂、室温下拉断的断口上均未见明显的夹杂物和PPB,裂纹源区内碳和氧的含量普遍高,径向试样的低周疲劳寿命全部大于5000周。在掺入无机夹杂物的试样断口疲劳源区清楚地看到氧、铝、硅和镁等元素含量高的夹杂物(见图4)。由于是沿锻造盘坯的径向取样,所以断口上夹杂物尺寸普遍小于掺入的夹杂物的尺寸。夹杂物对性能的影响不仅取决于其化学性质,更与夹杂物的可变形性、膨胀系数及弹性模量等物理特性有着密切的关系。这些因素使夹杂物在合金中产生应力集中,在较低的应力作用下夹杂物周围发生局部的塑性变形。随着试验周次的增加,这种局部塑性变形受到夹杂物的阻碍,迫使夹杂物与基体界面受阻突起。本次试验只按有机和无机两种类型分别将夹杂物掺入合金粉末,所以不能判断哪种夹杂物更不利于疲劳寿命。但可以得出如下结论:掺入尺寸小于500μm的有机夹杂物对径向试样的低周疲劳寿命影响不大。夹杂物尺寸愈大,离试样表面愈近,则应力集中愈严重,愈容易因产生疲劳裂纹而断裂。4去除混合物质的措施4.1国外熔渣法非织造材料陶瓷和熔渣主要来自母合金,从成品粉的检测结果看,熔渣类夹杂物多于陶瓷类,且难以去除。要减少熔渣类夹杂物,必须从源头抓起。这方面国外有许多先进技术可以借鉴,比如采用电渣快速重熔工艺制造母合金棒料可有效地去除非金属夹杂物并减少气体成分。目前,我国正在开展这方面的工作并取得了初步的成效。4.2合金材料制粉过程①提高惰性气体的纯净度。②为防止带入异金属,必须调整好制粉工艺参数,避免等离子枪起弧时铜喷嘴熔化污染粉末;建议采用与母合金相同的合金材料制造制粉设备的鼓轮和压紧辊轴;工作室内壁必须抛光和磨平;更换制粉合金时,必须按操作规程要求彻底洗炉。③调整静电分离去除夹杂物的工艺参数。④据文献报导,采用气动和摩擦电净化粉末,可去除非金属夹杂物并降低氧含量。作者采用流态化静电工艺去除夹杂物和短流程筛分工艺处理粉末,达到了减少夹杂物数量和控制其尺寸的效果。⑤提高细粉收得率,减小成品粉的粒度。4.3有机杂质污染粉末严格杜绝在制粉、粉末处理和运输系统中的真空油、橡胶、汽油挥发物等有机杂质污染粉末。被真空油轻微污染的粉末可以通过高温真空热处理使有机物分解、挥发,但必须考虑到真空度、温度、保温时间和粉末铺开厚度等各种参数。5残余物对不锈钢的疲劳性能和力学性能的影响(1)用PREP法制造的粉末中夹杂物主要是母合金带入的陶瓷、熔渣及由制粉、粉末处理系统带入的有机类杂质和异金属。成品粉中的夹杂物数量少于20个/kg。(2)用50～100μm和50～150μm粉末直接热等静压成形产品的主要力学性能已达到了A级或B级标准。不过,夹杂物的存在将降低合金的疲劳寿命。(3)在(热等静压+锻造)的解剖盘件中,夹杂物对径向试样的低周疲劳性能没有影响,对轴向试样的低周疲劳性能有一定影响。(4)掺入夹杂物的试验结果表明:经热等静压、锻造和热处理,尺