CN108611507B

CN108611507B - 一种基于粉末再加工的热等静压近净成形方法

Info

Publication number: CN108611507B
Application number: CN201810375751.XA
Authority: CN
Inventors: 邱春雷
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2038-04-25
Also published as: CN108611507A

Abstract

本发明公开了一种基于粉末再加工的热等静压近净成形方法，包括如下步骤：对合金粉末颗粒进行再加工，得到表面形貌和/或颗粒形状重塑的合金粉末颗粒，实现合金粉末颗粒的表面上的氧、碳、氮等元素的重新分布以及表面存在的团聚夹杂物的分散；以及对经过表面形貌和/或颗粒形状重塑的合金粉末颗粒进行热等静压成形，制备粉末冶金高温合金。本发明通过对合金粉末颗粒进行再加工以重塑合金粉末颗粒的表面形貌和/或颗粒形状，将氧、碳、氮等元素的分布打乱，同时将粉末颗粒表面存在的团聚夹杂物打散，从而防止在热等静压中形成原始颗粒界面(PPBs)。

Description

一种基于粉末再加工的热等静压近净成形方法

技术领域

本申请涉及多组元合金粉末冶金成形技术领域，具体但不排除其他领域，涉及一种基于粉末再加工的热等静压近净成形方法以及一种再加工后的合金粉末及其合金制品。

背景技术

热等静压因其高温高压的工艺特点能将金属粉末颗粒100％致密化，从而成为粉末冶金最重要的一种技术，在制造航空航天部件方面得到广泛的应用。结合模具的优化设计，该技术在近净成形或净成形部件方面具有巨大的潜力及优势。

然而，大多数多组元(元素数≥2个)合金粉末(如高温合金粉末)在热等静压成形的过程中往往会在热等静压后的合金材料内部形成原始颗粒界面(PPBs)。这种PPBs缺陷会严重影响材料的高温拉伸、疲劳及持久寿命等性能。此外，合金粉末中存在的夹杂物团聚也可能残留在热等静压后的材料中，影响材料的疲劳性能。因此，目前利用热等静压制备部件的过程基本上是先将粉末通过热等静压工艺制成块体材料，然后对块体材料进行等温锻造以消除热等静压过程中形成的缺陷比如PPBs，同时将材料中可能存在的团聚夹杂物打散，最后再用机加工的方法将块体材料制备成所需部件。

目前的这种热等静压+等温锻造+机加工工艺制备多组元合金部件是一个非常昂贵的过程。热等静压使用金属粉末，而粉末材料本身就比传统铸造制备的铸锭要贵，同时等温锻造及大量的机加工需要耗费大量的能源，而且机加工过程还会浪费大量的原材料，机加工刀具损耗也很大。总之，利用该工艺制备航空部件的买对飞比率(buy-to-fly ratio)跟传统的铸造+热机械加工+机加工工艺一样差。

相比而言，结合热等静压及模具优化设计直接制备出接近最终形状的部件，即热等静压近净成形技术，则具有巨大的优势。由于该技术不需要热机械加工及大量的机加工，所以可以节省大量的能耗、材料、制部件的周期及成本。然而，该技术要取代目前的热等静压+等温锻造+机加工工艺需要克服PPBs及团聚夹杂物等缺陷，使其制备的材料及部件能满足力学性能方面的要求。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出了一个全新的解决PPBs的技术方案。与目前的在热等静压之中和之后采取措施(如通过提高热等静压温度或利用等温锻造来消除PPBs)不同，本发明是通过对合金粉末颗粒进行再加工以重塑合金粉末颗粒的表面形貌(比如打破粉末颗粒的表面的枝晶结构)和/或颗粒形状(如将球形的粉末颗粒变为不规则的扁平状的颗粒)，将O、C、N等元素的分布打乱，同时将粉末颗粒表面存在的团聚夹杂物打散，从而防止在热等静压中形成PPBs。本发明的技术方案是预防性的，而不像目前的工艺主要是在热等静压后采取措施，后者导致热等静压近净成形变得不可能而前者能使热等静压近净成形得以实现。

此外，目前热等静压工艺使用的基本都是呈球形的合金粉末颗粒，且球形颗粒的表面基本上呈球形的枝晶结构，而未提到使用具有例如不规则的扁平状的颗粒的合金粉末进行热等静压。

根据本发明的一方面，提供了一种基于粉末再加工的热等静压近净成形方法，包括如下步骤：

(a)对合金粉末颗粒进行再加工，得到表面形貌和/或颗粒形状重塑的合金粉末颗粒，实现合金粉末颗粒的表面上的氧、碳、氮元素的重新分布以及表面存在的团聚夹杂物的分散；

(b)对经过表面形貌和/或颗粒形状重塑的合金粉末颗粒进行热等静压成形，制备粉末冶金高温合金。

在一些实施方式中，步骤(a)中，所述再加工可以是在真空或者保护性气氛中对所述合金粉末颗粒进行研磨、球磨、气磨，所述表面形貌重塑可以是改变所述合金粉末颗粒的表面的枝晶结构，所述颗粒形状重塑是将球形的粉末颗粒变为不规则的扁平状颗粒。

在一些实施方式中，步骤(a)中所制得的表面形貌重塑的合金粉末颗粒可以包括扁平状颗粒和近球形颗粒，其中，所述扁平状颗粒的比率λ大于35％，所述近球形颗粒的球形度Ψ小于0.94，

其中，所述扁平状颗粒定义为颗粒表面最长的长度与最短的长度之比φ＞1.8的颗粒，所述扁平状颗粒的比例λ定义为扁平状颗粒数与总颗粒数的比率，

粉末颗粒的球形度Ψ定义为跟该颗粒具有相同体积的球形颗粒的表面积与该颗粒的表面积的比率，即，

其中，V_P为颗粒的体积，A_p为颗粒的表面积。

在一些实施方式中，所述扁平状颗粒的比率λ大于60％，所述近球形颗粒的球形度Ψ小于0.91。

在一些实施方式中，所述扁平状颗粒的比率λ大于80％，所述近球形颗粒的球形度Ψ小于0.85。

在一些实施方式中，可以利用卧式球磨机对所述合金粉末颗粒进行再加工。

在一些实施方式中，再加工时，所述卧式球磨机中的球料比为5:1，球的粒径为3毫米，球磨轴转速为900转/分钟，球磨时间为20-40分钟。

在一些实施方式中，步骤(a)中，所述合金粉末颗粒可以为气体雾化制得的球形颗粒。

在一些实施方式中，所述热等静压成形的工艺参数可以为温度1110℃-1180℃，压力100MPa，保温4小时。

根据本发明的另一方面，提供一种利用基于粉末再加工的热等静压近净成形方法制得的合金粉末，所述合金粉末为FGH96、FGH95、FGH97、FGH98、FGH99、René95、Inconel718、René88DT、Udimet 720、Udimet 720Li、N18、AF115、RR1000、Alloy10、NR3、NF3、LSHR、ME3、René104合金粉末。

根据本发明的又一方面，提供一种利用基于粉末再加工的热等静压近净成形方法制得的合金制品，所述合金制品用于航空部件以及用于能源领域的容器、球阀、管道、泵壳等。

本发明的有益效果：

(1)本发明省略了目前热等静压后续需要的热机械加工及大量的机加工过程，极大节省合金部件制造过程中所需消耗的材料，大幅缩短制造周期，提高制造效率同时降低制造成本以及制造部件对环境的污染和影响。

(2)通过在合金粉末进行热等静压之前对其进行再加工，使团聚态的夹杂物及热等静压中形成的氧化物、碳化物或氮化物沉淀相更加均匀地分散分布，从而提高合金材料的高温拉伸、疲劳及蠕变等性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为未再加工的RR1000粉末颗粒热等静压前后的扫描电镜(SEM)图。

图2为本发明的卧式高能球磨机的结构示意图(a)和工作原理图(b)。

图3为FGH96合金粉末颗粒球磨前的SEM图。

图4为球磨20分钟后的FGH96合金粉末颗粒的SEM图。

图5为球磨30分钟后的FGH96合金粉末颗粒的SEM图。

图6为球磨40分钟后的FGH96合金粉末颗粒的SEM图。

图7为未经球磨的FGH96合金粉末颗粒热等静压后的SEM图(a-b)和金相图(c)。

图8为球磨30分钟后的FGH96合金粉末颗粒热等静压后的SEM图(a-b)和金相图(c)。

图9为球磨40分钟后的FGH96合金粉末颗粒热等静压后的SEM图(a)和金相图(b)。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。

通常，金属粉末颗粒的表面会比内部含有更多的O、C、N等元素，在热等静压过程中，这些元素会与合金里的某些金属元素反应形成近乎连续性地钉扎分布在粉末颗粒表面的氧化物、碳化物或者氮化物等沉淀相，在热等静压致密化过程中阻止粉末颗粒内部的晶粒向周围粉末颗粒内部生长扩展，从而导致原先粉末颗粒的球形表面残留在热等静压的材料里形成PPBs。如图1所示，图1(a)示出了气体雾化制得的RR1000粉末颗粒的形貌；图1(b)示出了RR1000粉末颗粒的横截面，可以很明显看出粉末颗粒内部存在很多细小的晶粒；图1(c)-(d)为RR1000粉末颗粒热等静压后形成的PPBs及其上的氧化物沉淀相。

基于此，本申请对金属粉末颗粒进行了再加工，以重塑粉末颗粒表面的形貌，实现重新分布颗粒表面O、C、N等元素以及分散粉末颗粒表面存在的团聚夹杂物。这里提出的再加工可以通过诸如球磨、气磨或者其他能重塑粉末颗粒表面形貌的方法来进行。特别地，为了防止再加工过程中合金粉末颗粒受到污染，粉末的再加工将在真空或者保护性气氛(如氩气)中进行。

优选地，本申请采用卧式高能球磨机对高温合金粉末进行研磨加工(如图2(a)-(b)所示)。相比其它球磨机(例如行星式球磨机)，卧式球磨机的研磨轴具有快速旋转的能力，使其研磨介质能够获得一个极高的相对速度(约14m/s)，是传统球磨设备的3倍多，因此可满足本申请高效快速球磨的需求。此外，这种球磨机可以提供真空或者保护性气氛以及实时冷却的能力，使粉末加工不存在盲区保证粉末的均匀加工。最后，这种球磨机下加工的粉末颗粒可在惰性气体或真空条件下轻易装卸载。

下面结合具体实施方式对本申请作进一步说明。

为清楚说明，下面以气体雾化制得的FGH96合金粉末颗粒为例。应该理解，本发明也可以适用于其它多元合金粉末，例如，FGH95、FGH97、FGH98、FGH99、René95、Inconel 718、René88DT、Udimet 720、Udimet 720Li、N18、AF115、RR1000、Alloy10、NR3、NF3、LSHR、ME3、René104等合金粉末。

图3(a)-(c)为球磨前的FGH96合金粉末颗粒的不同放大倍数下的SEM图，其中，FGH96合金粉末颗粒几乎都呈现出球形形貌,且合金粉末颗粒表面基本上呈球形的枝晶结构。

为定量描述球磨效果，本申请引入颗粒球形度Ψ和扁平状颗粒比例λ。其中，一个粉末颗粒的球形度Ψ定义为跟该颗粒具有相同体积的一个球形颗粒的表面积与该颗粒的表面积的比率，即，

其中，V_P为颗粒的体积，A_p为颗粒的表面积。

扁平状颗粒定义为颗粒表面最长的长度与最短的长度(及厚度)之比率φ＞1.8的颗粒。扁平状颗粒比例λ定义为扁平状颗粒数与总颗粒数的比率。

假设球磨前的合金粉末颗粒中，扁平状颗粒比例λ＝0，颗粒球形度Ψ＝1.0。

实施例一

将气体雾化制得的FGH96合金粉末放入卧式球磨机(型号：HCX-2L)进行再加工，球料比为5:1，球磨轴转速为900转/分钟，球磨20分钟后制得再加工后的FGH96合金粉末。

图4(a)-(b)为FGH96合金粉末颗粒球磨20分钟后的不同倍数下的SEM图，此时FGH96合金粉末颗粒的完整球形形貌已经被破坏，大多数颗粒呈现不规则形状，其中，有些粉末颗粒呈现扁平形状，有些颗粒呈现近球形。基于所获得的SEM图，对该球磨后的FGH96合金粉末颗粒进行测量、分析及统计后得出：球磨20分钟后的合金粉末中的扁平状颗粒比率φ约为35％，近球形颗粒的球形度Ψ约为0.94。

实施例二

将气体雾化制得的FGH96合金粉末放入卧式球磨机(型号：HCX-2L)进行再加工，球料比为5:1，球磨轴转速为900转/分钟，球磨30分钟后制得再加工后的FGH96合金粉末。

图5(a)-(c)为FGH96合金粉末颗粒球磨30分钟后的不同倍数下的SEM图，此时FGH96合金粉末颗粒中越来越多颗粒呈现扁平形状，合金粉末颗粒表面已经变得非常不规则，粉末颗粒(包括近球形的粉末颗粒)的表面结构已经发生很大改变，枝晶结构已经消失。这意味着颗粒的表层已经受到破坏，颗粒表面的C,O,N等元素的分布可以预期已经被改变。

基于所获得的SEM图，对该球磨后的FGH96合金粉末颗粒进行测量、分析及统计后得出：球磨30分钟后的合金粉末中的扁平状颗粒比率φ约为60％，近球形颗粒的球形度Ψ约为0.91。

实施例三

将气体雾化制得的FGH96合金粉末放入卧式球磨机(型号：HCX-2L)进行再加工，球料比为5:1，球磨轴转速为900转/分钟，球磨40分钟后制得再加工后的FGH96合金粉末。

图6(a)-(b)为FGH96合金粉末颗粒球磨40分钟后的不同倍数下的SEM图，此时FGH96合金粉末颗粒中大部分颗粒呈扁平形状。基于所获得的SEM图，对该球磨后的FGH96合金粉末颗粒进行测量、分析及统计后得出：球磨40分钟后的合金粉末中的扁平状颗粒比率φ约为80％，近球形颗粒的球形度Ψ约为0.85。

为进一步验证，将未经球磨、球磨30分钟和球磨40分钟的FGH96合金粉末分别在温度1110℃-1180℃(优选1110℃)，压力100MPa下进行热等静压成形，保温4小时,得到FGH96高温合金1#、2#和3#。

图7(a)-(c)为未经球磨的FGH96合金粉末热等静压后形成的FGH96高温合金1#的SEM图和金相图。如图所示，FGH96高温合金1#的微观结构上有很多近球形的连续的原始颗粒界面(PPBs)，细小TiC颗粒(图中细小的黑色沉淀相)连续钉扎在PPBs上。

图8(a)-(c)为球磨30分钟后的FGH96合金粉末热等静压后形成的FGH96高温合金2#的SEM图和金相图。如图所示，FGH96高温合金2#的微观结构上已经基本不存在近球形连续性的原始颗粒界面(PPBs)，形成的TiC颗粒(细小黑色沉淀相)也是断断续续分布在样品内部。

图9(a)-(b)为球磨40分钟后的FGH96合金粉末热等静压后形成的FGH96高温合金3#的SEM图和金相图。如图所示，FGH96高温合金3#的微观结构上已经完全看不到完整的近球形原始颗粒界面(PPBs)。

可见，当FGH96合金粉末球磨20分钟以上时，即，粉末颗粒中的扁平状颗粒比率占到35％以上，近球形颗粒的球形度达到0.94以下时，颗粒表面的枝晶结构开始被破坏，热等静压成形后的高温合金中的PPBs开始显著降低。当FGH96合金粉末球磨30分钟以上时，即，粉末颗粒中的扁平状颗粒比率占到60％以上，近球形颗粒的球形度达到0.91以下时，所有颗粒表面的枝晶结构基本都被完全破坏，热等静压成形后所形成的样品内部已经不存在近球形连续性的PPBs,形成的TiC沉淀相颗粒也没有连续性地分布，而是断断续续分散在样品内部。可以预见PPBs的消失及碳化物沉淀相的非连续分布将会提高相关重要的力学性能如高温强度和塑性，疲劳和蠕变寿命等。为验证此点，申请人对球磨40分钟的粉末热等静压制品和未球磨的粉末热等静压制品做了力学性能测试，发现前者比后者的高温塑性/延伸率(700摄氏度)提高了一倍以上。

优选地，可以在对再加工后的合金粉末进行热等静压前，对模具进行优化设计,可以通过对再加工后的合金粉末热等静压进行数值模拟以预测初始模具在热等静压后的最终形状，将模拟的最终形状及尺寸与所要求的部件形状及尺寸进行比对以进一步改进模具的设计，最终实现合金部件的近净成形。

特别地，本发明所形成的合金制品可用于航空部件如涡轮盘，机匣子等以及用于能源领域的容器、球阀、管道、泵壳等。

以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims

1.一种基于粉末再加工的热等静压近净成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

(a)对合金粉末颗粒进行再加工，得到表面形貌重塑和/或颗粒形状重塑的合金粉末颗粒，实现合金粉末颗粒的表面上的氧、碳、氮元素的重新分布以及表面存在的团聚夹杂物的分散；

步骤(a)中所制得的颗粒形状重塑的合金粉末颗粒包括扁平状颗粒和近球形颗粒，其中，所述扁平状颗粒的比率λ大于35％，所述近球形颗粒的球形度Ψ小于0.94，

其中，V_P为颗粒的体积，A_p为颗粒的表面积；

利用卧式球磨机对所述合金粉末颗粒进行再加工；

(b)对经过表面形貌重塑和/或颗粒形状重塑的合金粉末颗粒进行热等静压成形，制备粉末冶金高温合金。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，再加工时，所述卧式球磨机中的球料比为5:1，球的粒径为3毫米，球磨轴转速为900转/分钟，球磨时间为20-40分钟。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)中，所述合金粉末颗粒为气体雾化制得的球形颗粒。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热等静压成形的工艺参数为温度1110℃-1180℃，压力100MPa，保温4小时。

5.一种利用权利要求1-4之一制得的合金粉末，其特征在于，所述合金粉末为FGH96、FGH95、FGH97、FGH98、FGH99、René95、Inconel718、René88DT、Udimet 720、Udimet 720Li、N18、AF115、RR1000、Alloy10、NR3、NF3、LSHR、ME3、René104合金粉末。

6.一种利用权利要求1-4之一制得的合金制品，其特征在于，所述合金制品用于航空部件以及用于能源领域的容器、球阀、管道、泵壳。