一文解密粉末高溫合金：從微觀顆粒到高端應(yīng)用的核心科技

2025-01-14 13:39:42 作者：材易通來源：材易通分享至：

高溫合金是指以第珊主族元素（鐵、鈷、鎳）為基，加入大量強(qiáng)化元素，能在 600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料。高溫合金具有較高的高溫強(qiáng)度以及良好的抗氧化、抗熱腐蝕、抗疲勞性能，在高溫下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性，因此，也被稱為熱強(qiáng)合金、耐熱合金或超合金。此前我們已經(jīng)對高溫合金進(jìn)行了詳細(xì)的講解，有需要了解的小伙伴可以點(diǎn)擊鏈接查看。

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傳統(tǒng)的變形高溫合金,隨著合金化程度的提高,偏析加重,成形困難,已難以滿足要求。粉末冶金工藝,以其特有的成分均勻、無宏觀偏析,熱加工性能好、具有超塑性,金屬利用率高,強(qiáng)度和高溫疲勞性能好等優(yōu)勢,在20世紀(jì)70年代以來得到迅速發(fā)展,并成功應(yīng)用于軍用和民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)上,大大提高了飛機(jī)發(fā)動機(jī)的性能,成為公認(rèn)的高性能先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)渦輪盤的首選材料。本期小編應(yīng)各位小伙伴的呼聲整理了粉末高溫合金的科普文，需要的小伙伴點(diǎn)贊收藏哦！

粉末高溫合金的基本概述

粉末高溫合金是一種基于粉末冶金技術(shù)制造的高性能材料，專為在高溫和極端環(huán)境下工作而設(shè)計(jì)。其主要特點(diǎn)是能夠在高溫條件下保持優(yōu)異的機(jī)械性能、抗腐蝕性和抗氧化性。這類材料廣泛應(yīng)用于航空航天、燃?xì)廨啓C(jī)、核電及化工等領(lǐng)域，是現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)不可或缺的重要支柱。

粉末高溫合金的制備通過將不同成分的金屬粉末混合并致密化，形成均勻微觀結(jié)構(gòu)，從而克服了傳統(tǒng)鑄造和鍛造工藝的缺陷。這種方法能更精準(zhǔn)地調(diào)控材料的微觀組織與成分分布，使其在高溫環(huán)境下的表現(xiàn)更加優(yōu)越。與傳統(tǒng)鑄造材料相比，粉末高溫合金還表現(xiàn)出更高的組織穩(wěn)定性和抗疲勞性能，這使其在苛刻工況下的壽命大幅延長。

從所屬細(xì)分行業(yè)來看，高溫合金材料屬于新材料領(lǐng)域中的高端金屬結(jié)構(gòu)材料，其綜合性能優(yōu)越，具有優(yōu)秀的高溫強(qiáng)度及塑性，良好的抗氧化及抗熱腐蝕性能，優(yōu)異的抗蠕變性能、抗斷裂性能和良好的組織穩(wěn)定性，已成為多個重要工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵特種材料。

粉末高溫合金的發(fā)展始于20世紀(jì)50年代。隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)鑄造高溫合金逐漸暴露出晶粒粗大、成分偏析、缺陷難以控制等問題，難以滿足噴氣發(fā)動機(jī)和燃?xì)鉁u輪日益苛刻的使用要求。粉末冶金技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這些問題提供了新的思路。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)動機(jī)的渦輪盤等多種關(guān)鍵零件上廣泛應(yīng)用，當(dāng)前國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。

粉末高溫合金發(fā)展簡史

1950-1970年代：

粉末高溫合金技術(shù)初見雛形，研究重點(diǎn)集中于制備技術(shù)與性能表征。最早期的應(yīng)用是航空發(fā)動機(jī)中的小型零部件。此階段的粉末高溫合金多基于傳統(tǒng)鑄造高溫合金的成分。

1980-1990年代：

隨著氣霧化技術(shù)和熱等靜壓（HIP）技術(shù)的發(fā)展，粉末高溫合金的制備工藝得到了顯著改進(jìn)，合金強(qiáng)度和可靠性顯著提升。研究人員逐漸認(rèn)識到微觀結(jié)構(gòu)對高溫性能的重要性，推動了合金設(shè)計(jì)的精細(xì)化。

2000年代至今：

粉末高溫合金的性能不斷優(yōu)化，微觀組織控制技術(shù)逐漸成熟。隨著增材制造技術(shù)（如激光熔化沉積、電子束熔化）的興起，粉末高溫合金的應(yīng)用范圍進(jìn)一步拓展。不僅在航空航天等傳統(tǒng)領(lǐng)域，其在能源、醫(yī)療和高端裝備制造中的應(yīng)用也日益廣泛。

粉末高溫合金材料的性能特征：

粉末高溫合金的優(yōu)異性能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

高溫強(qiáng)度
- 在高溫下仍能保持較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，適用于渦輪葉片等高溫承載部件。其強(qiáng)度源自精細(xì)的晶粒和析出強(qiáng)化機(jī)制。
抗蠕變性能
- 在長期高溫工作條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗蠕變性能，能夠抵抗材料在應(yīng)力作用下的永久變形。這主要得益于其均勻的晶粒和分布合理的第二相顆粒。
抗氧化性和耐腐蝕性
- 表面能夠形成穩(wěn)定的保護(hù)膜，防止氧化和腐蝕，尤其適用于高溫氧化和化學(xué)腐蝕環(huán)境。特別是在含硫氣氛中，粉末高溫合金具有獨(dú)特優(yōu)勢。
微觀組織均勻性
- 粉末冶金技術(shù)制備的材料具有均勻的組織結(jié)構(gòu)，減少了傳統(tǒng)鑄造工藝中的偏析現(xiàn)象，提高了材料的可靠性。
疲勞抗性
- 粉末高溫合金的均勻組織和致密微觀結(jié)構(gòu)賦予其極高的抗疲勞性能，尤其在循環(huán)載荷和熱循環(huán)條件下表現(xiàn)卓越。

粉末高溫合金的分類

根據(jù)合金的基體元素、性能特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域的需求，粉末高溫合金可以分為以下幾類：

鎳基粉末高溫合金
- 特點(diǎn)：鎳基合金是目前使用最廣泛的高溫合金，具有卓越的高溫強(qiáng)度、抗蠕變性和抗氧化性能。這些性能得益于其主要基體金屬鎳的高熔點(diǎn)及其對鋁和鈦等強(qiáng)化元素的優(yōu)良兼容性。鎳基合金中常添加鉻以提高抗腐蝕性，同時通過鋁和鈦的析出強(qiáng)化形成γ′相（Ni3Al）。
- 應(yīng)用：鎳基合金廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)燃燒室、渦輪葉片及導(dǎo)向葉片等高溫部件，是燃?xì)鉁u輪核心部件的首選材料。
鈷基粉末高溫合金
- 特點(diǎn)：鈷基高溫合金以其在高溫氧化環(huán)境下的優(yōu)異表現(xiàn)而著稱，特別適用于需要長時間承受高溫?zé)岣g的場合。鈷基合金因其良好的延展性和韌性，能夠更有效地抵抗熱疲勞和熱震。其基體結(jié)構(gòu)通常含有碳化物和析出相強(qiáng)化，但與鎳基合金相比，其高溫強(qiáng)度稍低。
- 應(yīng)用：鈷基合金主要用于航空航天燃燒室、渦輪殼體以及化工行業(yè)中抗腐蝕性要求高的部件。
鐵基粉末高溫合金
- 特點(diǎn)：鐵基合金是一種成本較低的高溫合金，適合在中高溫條件下工作。鐵基合金中常摻入鉻、鎳、鉬等元素以提高其抗氧化和抗腐蝕性能，但其高溫性能較鎳基和鈷基合金遜色。
- 應(yīng)用：鐵基高溫合金適用于化工設(shè)備中的耐熱部件、鍋爐熱端組件及部分中溫燃?xì)鉁u輪組件。
復(fù)合型粉末高溫合金
- 特點(diǎn)：復(fù)合型合金通過組合多種金屬基體元素的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了性能的協(xié)同優(yōu)化。例如，基于鎳-鈷復(fù)合體系的高溫合金既具有鎳基合金的高溫強(qiáng)度，又兼?zhèn)淞蒜捇辖鸬哪透g性。此類合金在一些極端環(huán)境下具有不可替代的優(yōu)勢。
- 應(yīng)用：復(fù)合型粉末高溫合金主要用于特殊高溫環(huán)境中的關(guān)鍵部件，例如需要承受強(qiáng)熱流和復(fù)雜應(yīng)力的核反應(yīng)堆核心部件。
新型超高溫粉末合金
- 特點(diǎn)：新型超高溫合金是近年來發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域，旨在滿足極端溫度（超過1200°C）的工作需求。通常采用高熔點(diǎn)元素如錸、鉭、錸-銥等材料制備，具有極高的熱穩(wěn)定性和抗氧化能力。
- 應(yīng)用：主要用于超高溫燃?xì)鉁u輪、尖端航空航天技術(shù)以及高溫核能裝置中的核心部件。

粉末高溫合金的生產(chǎn)工藝

粉末高溫合金的生產(chǎn)工藝總體上是通過在惰性氣氛保護(hù)下制備和處理金屬粉末，然后利用熱成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)粉末的固結(jié)與致密化。經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，目前主要形成了兩種代表性工藝路線：以歐美國家為主的“氬氣霧化法 (AA) 制粉 + 熱擠壓 (HEX) + 等溫鍛造 (ITF)”工藝，以及以俄羅斯為主的“轉(zhuǎn)電極法 (PREP) 制粉 + 熱等靜壓 (HIP) 直接成形”工藝。

粉末高溫合金盤件制造的主要工藝流程

我國在粉末高溫合金制造領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，研發(fā)了一條“等離子旋轉(zhuǎn)電極法 (PREP) 制粉 + 熱等靜壓 (HIP) 成形 + 包套鍛造/熱處理”的工藝路線。利用該工藝成功生產(chǎn)出大尺寸的FGH4095粉末渦輪盤。此外，通過直接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，已完成試車并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)能力。\n\n在第2代粉末高溫合金FGH4096的研發(fā)中，雙性能渦輪盤的研究工作取得了突破性進(jìn)展。采用“PREP + 直接HIP + 等溫鍛造”工藝，攻克了粉末純凈度等關(guān)鍵技術(shù)難題，成功研制出用于某高推重比發(fā)動機(jī)的FGH4096合金渦輪盤。通過細(xì)晶鍛造與梯度熱處理工藝的結(jié)合，制備出具有雙顯微組織特性的盤坯，其輪緣晶粒度達(dá)5～6級，輪轂晶粒度達(dá)10～11級。這些成果標(biāo)志著我國在高性能粉末高溫合金領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重要技術(shù)突破。

為解決粉末高溫合金渦輪盤中存在的夾雜物尺寸超標(biāo)、超聲檢測不合格等關(guān)鍵問題，我國深入開展了“擠壓+等溫鍛造”工藝的研究，并取得了重要進(jìn)展。近期，我國在北重集團(tuán)3.6萬噸黑色金屬擠壓機(jī)上成功擠壓出用于航空發(fā)動機(jī)渦輪盤的粉末高溫合金棒坯。這一成果標(biāo)志著我國在粉末高溫合金制造技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大突破。研究表明，在擠壓過程中，原始顆粒邊界（PPB）被有效消除，夾雜物沿?cái)D壓方向得到充分破碎和延展。在隨后的等溫鍛造階段，這些夾雜物在垂直于鍛造方向的平面內(nèi)進(jìn)一步被細(xì)化和彌散分布，從而顯著改善了材料的均勻性和綜合性能。此外，我國在粉末高溫合金擠壓變形研究中也取得了積極進(jìn)展，尤其是在有限元模擬技術(shù)方面。通過模擬包覆擠壓過程，可以系統(tǒng)分析模具結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝條件等對擠壓過程的影響，為優(yōu)化模具設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)構(gòu)組合提供了科學(xué)依據(jù)。目前，“擠壓開坯+等溫鍛造”工藝已被確立為我國粉末高溫合金渦輪盤制造的核心發(fā)展方向之一。這一技術(shù)路線的突破為提高渦輪盤的性能和質(zhì)量奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時也為我國高端制造業(yè)提供了重要支撐。

粉末高溫合金中的缺陷及影響

粉末高溫合金在制備和加工過程中可能產(chǎn)生多種缺陷，這些缺陷直接影響材料的性能和可靠性，尤其是在高溫、高應(yīng)力條件下的應(yīng)用。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。

1. 夾雜物

缺陷描述：夾雜物是制備過程中外界雜質(zhì)（如氧化物、硫化物、氮化物）或未充分反應(yīng)的化合物顆粒，通常來源于制粉、混粉和燒結(jié)過程。

影響：

機(jī)械性能降低：夾雜物是潛在的裂紋源，導(dǎo)致材料的抗疲勞性能和高溫強(qiáng)度下降。
檢測不合格：夾雜物容易在超聲檢測中暴露，影響零部件質(zhì)量評價。
使用壽命縮短：夾雜物的存在可能導(dǎo)致裂紋在高應(yīng)力環(huán)境下快速擴(kuò)展，降低構(gòu)件的可靠性。

2. 原始顆粒邊界（PPB）

缺陷描述：原始顆粒邊界是制粉后顆粒間的結(jié)合弱區(qū)，其主要表現(xiàn)為未完全消除的界面化學(xué)雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷。

影響：

抗蠕變性能減弱：在高溫高應(yīng)力環(huán)境下，PPB容易成為蠕變變形的起始點(diǎn)。
延展性降低：PPB導(dǎo)致材料在受力時更易發(fā)生斷裂，降低了整體塑性。
疲勞壽命減少：PPB的存在容易引發(fā)局部應(yīng)力集中，加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。

3. 孔隙和氣孔

缺陷描述：孔隙和氣孔是粉末冶金過程中未完全致密化的結(jié)果，可能由氣體殘留、燒結(jié)不足或粉末分布不均引起。

影響：

強(qiáng)度損失：孔隙降低了材料的整體強(qiáng)度和密度。
疲勞裂紋萌生：孔隙是裂紋形成的核心部位，容易在循環(huán)載荷下擴(kuò)展。
韌性降低：氣孔的存在削弱了材料的抗沖擊能力和延展性。

綜上所述，粉末高溫合金的缺陷主要集中在夾雜物、孔隙、PPB等方面，這些缺陷對材料的強(qiáng)度、疲勞壽命、高溫性能等核心指標(biāo)有顯著負(fù)面影響。通過優(yōu)化制粉工藝（如氣霧化或等離子旋轉(zhuǎn)電極法）、提高致密化技術(shù)（如熱等靜壓和等溫鍛造）以及加強(qiáng)質(zhì)量檢測，可以有效減少缺陷，提高粉末高溫合金的性能和可靠性。這些改進(jìn)措施對于滿足航空航天、燃?xì)鉁u輪等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅懿牧系膰?yán)格要求具有重要意義。

高溫金屬粉末常用生產(chǎn)方法

金屬粉末的生產(chǎn)方法種類繁多，包括固體破碎法、球磨法、霧化法、電解法和化學(xué)法等。針對增材制造的需求，由于其對粉末的流動性和填充性要求較高，球形粉末成為首選材料。在眾多制備技術(shù)中，霧化法被廣泛認(rèn)為是生產(chǎn)增材制造用金屬粉末的最理想方法。同時，旋轉(zhuǎn)電極法因其能夠制備出高純度、高球形度的粉末，近年來也逐漸在增材制造粉體材料的制備中得到應(yīng)用。

這里說明：鎳基高溫合金球形粉末的制備基本工藝流程包括：母合金的冶煉與加工→制粉→粉末篩分→（電選分離雜質(zhì)）→粉末性能檢測。其中，母合金熔煉、霧化制粉以及電選分離雜質(zhì)是確保高品質(zhì)粉末的重要關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

母合金熔煉技術(shù)

高溫合金母合金的熔煉對高品質(zhì)球形粉末的制備至關(guān)重要，但熔煉過程中可能引入夾雜物、縮孔、疏松等缺陷，影響粉末質(zhì)量。為解決這些問題，通常采用真空感應(yīng)熔煉（VIM）+電渣重熔（ESR）/真空電弧重熔（VAR）的多聯(lián)精煉工藝。真空感應(yīng)熔煉可精確控制成分并制備自耗電極，電渣重熔可有效去除非金屬夾雜，真空電弧重熔進(jìn)一步消除宏觀偏析，獲得組織均勻、純凈度高的母合金。電渣重熔因其卓越的夾雜物去除能力，是高溫合金母合金精煉的優(yōu)選工藝，為高質(zhì)量粉末的生產(chǎn)提供了保障。

俄羅斯自20世紀(jì)90年代起廣泛應(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，顯著提升了母合金的純凈度。2002年，鋼鐵研究總院設(shè)計(jì)并建造了首臺超小斷面真空/惰性氣體保護(hù)快速電渣爐，通過該工藝制備的FGH95母合金顯著降低了氧含量，減少了Al和Ti的燒損，同時減少了非金屬夾雜物的尺寸和數(shù)量。泡沫陶瓷過濾技術(shù)利用陶瓷板過濾器對金屬熔體進(jìn)行過濾，同樣能夠有效去除夾雜物和有害元素，北京科技大學(xué)、中科院金屬所等單位已通過該技術(shù)取得了良好成果。此外，日本的旋轉(zhuǎn)鑄錠工藝、北京航材院的優(yōu)質(zhì)高溫合金錠生產(chǎn)技術(shù)，以及西北工業(yè)大學(xué)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，也在合金凈化方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。近年來，電磁凈化技術(shù)和超聲波處理技術(shù)等新型技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，為提升母合金純凈度提供了新的思路。隨著航空發(fā)動機(jī)對粉末高溫合金性能和可靠性的要求不斷提高，研發(fā)高效率、低成本、高純凈的母合金熔煉與凈化技術(shù)成為未來發(fā)展的重要方向。

制粉

粉末制備是粉末高溫合金生產(chǎn)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。通過制備出尺寸細(xì)小均勻、球形度高且氣體和夾雜物含量低的粉末，可以顯著減少甚至消除PPB和夾雜物等冶金缺陷，改善合金盤件的組織和性能，確保其質(zhì)量。目前，先進(jìn)的粉末制備技術(shù)是生產(chǎn)高品質(zhì)高溫合金粉末的關(guān)鍵，主要工藝包括真空感應(yīng)熔化氣霧化法（VIGA）、等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉技術(shù)（PREP）、電極感應(yīng)氣體霧化法（EIGA）以及等離子霧化法（PA）。這些技術(shù)為高溫合金的高性能化提供了重要保障。

1）真空感應(yīng)熔化氣霧化法（VIGA）

真空感應(yīng)熔化氣霧化法（VIGA）是一種在真空環(huán)境下制備金屬粉末的工藝。其過程包括利用感應(yīng)加熱技術(shù)熔化爐料，并在達(dá)到一定溫度后向熔煉室和霧化室充入惰性霧化氣體。熔融金屬通過噴嘴流入霧化室后，利用高壓惰性氣體將金屬液流破碎成細(xì)小液滴，液滴在高速冷卻中凝固形成金屬粉末。該方法能夠高效制備尺寸細(xì)小、球形度高的粉末，適用于高品質(zhì)金屬粉末的生產(chǎn)。

真空感應(yīng)熔化氣霧化法（VIGA）示意圖

目前，真空感應(yīng)熔化氣霧化制粉技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于鎳基高溫合金粉末的制備，還可用于多種金屬材料的粉末化生產(chǎn)，包括不銹鋼（如316L、174PH）、鈷基合金（如CoCrMo、CoCrW、CoCrMoW）、鈦及鈦合金（如TC4、TC11、TA15、TiAl4822、Ti2AlNb）以及其他鎳基合金（如FGH95、FGH96、FGH97、GH4169）和稀有金屬粉末。這一技術(shù)因其高效性和適用性廣泛，被廣泛應(yīng)用于高性能金屬粉末的生產(chǎn)領(lǐng)域。

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)利用離心霧化原理，在惰性氣體環(huán)境下，通過等離子電弧快速熔化旋轉(zhuǎn)棒料，熔融金屬在離心力作用下形成液滴，并在濺射室內(nèi)快速凝固成顆粒，最終收集于粉末罐中。該技術(shù)適用于制備高反應(yīng)性金屬、耐熱鎳基和鈦合金粉末。據(jù)悉，國內(nèi)制造等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備的企業(yè)包括湖南頂立科技、湖南久泰、西安賽隆等，所生產(chǎn)的設(shè)備通過電機(jī)驅(qū)動棒料旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可達(dá)1000015000 r/min，制得粉末的粒度D50一般大于100 μm。相比之下，俄羅斯在PREP設(shè)備領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，其Granule 2000型設(shè)備設(shè)計(jì)先進(jìn)，棒料轉(zhuǎn)速可達(dá)2000025000 r/min，制備的粉末粒度更小（D50約為60 μm），球形度高、氧氮含量低、無衛(wèi)星粉，性能優(yōu)異。最新的Granule 2500型設(shè)備進(jìn)一步優(yōu)化了電極旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速達(dá)到25000~30000 r/min，顯著提高了粉末細(xì)度和質(zhì)量。PREP制粉法中，粉末粒度與棒料轉(zhuǎn)速成反比，轉(zhuǎn)速越高，粉末粒度越小，這使得高轉(zhuǎn)速設(shè)備在制備高品質(zhì)金屬粉末方面具有明顯優(yōu)勢。

3）等離子霧化法（PA法）

等離子霧化法（PA法）是一種通過等離子槍加熱金屬絲材，熔化并霧化生成球形粉末的技術(shù)。該方法由M.EntezaRian于1998年提出并申請專利，目前加拿大AP&C公司在該領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位，掌握成套技術(shù)專利。PA法的原理是在惰性氣體保護(hù)下，利用等離子槍將合金絲材熔化成金屬蒸汽，通過氣淬冷卻使其快速團(tuán)聚并形成超細(xì)合金粉末。該工藝制得的粉末粒徑分布窄（10~150μm），其中50μm以下粉末占比約40%，球形度高且雜質(zhì)含量低，細(xì)粉收得率極高。然而，PA法的主要限制在于原料需為較細(xì)的絲材，制造成本較高且制粉效率較低。\n\n目前，加拿大AP&C公司的等離子霧化設(shè)備配備全自動監(jiān)控系統(tǒng)和氣體回收裝置，確保粉末質(zhì)量穩(wěn)定性并降低生產(chǎn)成本。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)高品質(zhì)球形金屬粉末，涵蓋純鈦及鈦合金、鎳基合金等材料領(lǐng)域。

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)，具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)量大、粉末粒徑細(xì)小的特點(diǎn)。其原理是在惰性氣體保護(hù)下，將母合金棒料通過送料裝置送入錐形超高頻感應(yīng)線圈，尖端逐漸熔化形成連續(xù)可控的金屬液流，在重力作用下流入霧化室。高壓惰性氣體將液流破碎成小液滴，小液滴在霧化室內(nèi)迅速球化并凝固形成金屬粉末。EIGA法的關(guān)鍵優(yōu)勢在于整個熔化過程不使用坩堝或?qū)Я髯?，顯著減少非金屬雜質(zhì)的引入。與VIGA法相比，EIGA法制備的粉末粒度更小，Dv(50)一般控制在50~100 μm之間，粉末球形度高，幾乎沒有片狀物，且生產(chǎn)效率更高。德國ALD公司通過優(yōu)化該技術(shù)，開發(fā)了多種型號的制粉設(shè)備，廣泛應(yīng)用于鈦及鈦合金粉末材料的科研與生產(chǎn)。日本OSAKA鈦公司使用EIGA法制備的Ti6Al4V粉末粒徑Dv(50)約40 μm，球形度高，雜質(zhì)含量少，并已在增材制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

電選分離技術(shù)

電選分離技術(shù)是去除高溫合金粉末中非金屬夾雜物的關(guān)鍵方法，其利用金屬粉末和非金屬夾雜物電性能的差異，通過電暈放電使粉末顆粒帶電，從而實(shí)現(xiàn)分離。在靜電分離過程中，金屬粉末因電導(dǎo)率高快速釋放電荷，在重力和離心力作用下進(jìn)入成品區(qū)，而非金屬夾雜物因電導(dǎo)率低被吸附到輥筒上并最終刷除。研究表明，電暈極電壓和輥筒轉(zhuǎn)速是影響分離效果的主要因素。以最佳工藝參數(shù)（電暈極電壓40kV，輥筒轉(zhuǎn)速50r/min）對50～100μm夾雜物處理時，去除率可達(dá)76.7%。此外，北京鋼鐵研究總院和北京航空材料研究院等單位已成功研發(fā)摩擦電選分離設(shè)備，其分離率超過85%，并可在高純惰性氣體保護(hù)下完成，避免粉末氧化。然而，當(dāng)前電選技術(shù)分離范圍有限，僅能處理一定粒度范圍的夾雜物，分離效率和效果仍需進(jìn)一步提升。未來的發(fā)展方向是擴(kuò)大分離粒度范圍和提高去除效率，以更好滿足高溫合金粉末生產(chǎn)的需求。

粉末篩分

在金屬粉末生產(chǎn)中，霧化后的后處理過程對最終粉末特性至關(guān)重要，包括氧化鈍化、分級（篩分或空氣分級）和混合，以獲得均勻的粉末批次。粉末篩分用于去除雜質(zhì)并獲得所需粒度的粉末，為避免篩分過程中粉末氧化，篩分機(jī)通常在真空或惰性氣體保護(hù)下運(yùn)行。篩分工藝的關(guān)鍵參數(shù)是振幅和振動頻率，VIGA法制備的原粉一般需通過100目預(yù)篩，以防較大異形物體損壞篩網(wǎng)。此外，改善鈍化后粉末流動性的方法多樣，目前已開發(fā)多種技術(shù)來量化粉末的流變性（流動性和鋪展性），但不同方法之間的相關(guān)性尚不明確。除了漏斗流速法外（ASTM B213/ISO 4490/ASTM B964），尚未有其他廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)方法。同時，增材制造對金屬粉末流動性的可接受值仍缺乏明確共識，未來需要進(jìn)一步研究和量化以提高粉末的性能適配性。

粉末高溫合金的應(yīng)用

1. 航空發(fā)動機(jī)渦輪盤

應(yīng)用背景：
粉末高溫合金廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的渦輪盤部件，這是發(fā)動機(jī)的核心部件之一，需要在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速下長時間運(yùn)行。

材料與技術(shù)：

常用粉末高溫合金：FGH95、FGH96、FGH4096等鎳基合金。
制備工藝：采用真空感應(yīng)熔煉氣霧化法（VIGA）制粉，結(jié)合“擠壓開坯+等溫鍛造”工藝制備高性能渦輪盤。

應(yīng)用優(yōu)勢：

細(xì)晶組織提高了抗蠕變性能和疲勞強(qiáng)度。
減少了冶金缺陷（如夾雜物、PPB），顯著提升部件壽命和可靠性。

2. 燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件

應(yīng)用背景：
燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室和渦輪葉片需要承受極高溫度和氧化環(huán)境，是關(guān)鍵的高溫部件。

材料與技術(shù)：

常用粉末高溫合金：IN738、Rene 95、GH4169等鎳基合金。
制備工藝：采用等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉技術(shù)（PREP）生產(chǎn)高純度球形粉末，確保葉片性能的一致性。

應(yīng)用優(yōu)勢：

優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能，延長部件使用壽命。
球形粉末使得增材制造（3D打?。┘夹g(shù)可用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的生產(chǎn)。

3. 航天器熱屏蔽材料

應(yīng)用背景：
航天器的熱屏蔽材料需要在高溫和極端輻射環(huán)境下保持穩(wěn)定，粉末高溫合金為該領(lǐng)域提供了優(yōu)質(zhì)材料選擇。

材料與技術(shù)：

常用粉末高溫合金：NiAl基、TiAl基合金（如TiAl4822、Ti2AlNb）。
制備工藝：使用EIGA法制粉，結(jié)合增材制造技術(shù)，生產(chǎn)輕量化、復(fù)雜形狀的熱屏蔽部件。

應(yīng)用優(yōu)勢：

提供優(yōu)異的高溫抗氧化和抗腐蝕性能。
顯著減輕航天器重量，提高推進(jìn)效率。

4. 醫(yī)療植入物

應(yīng)用背景：
粉末高溫合金也用于醫(yī)療植入物，如髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的人工替代物，必須滿足高強(qiáng)度、耐腐蝕及生物相容性要求。

材料與技術(shù)：

常用粉末高溫合金：鈷基合金（CoCrMo）、鈦合金（Ti6Al4V）。
制備工藝：等離子霧化法（PA）生產(chǎn)的高球形粉末用于金屬增材制造技術(shù)。

應(yīng)用優(yōu)勢：

提供高度定制化的植入物，適配患者的解剖結(jié)構(gòu)。
高純凈度和表面光潔度，減少生物排斥反應(yīng)。

5. 核能反應(yīng)堆組件

應(yīng)用背景：
核反應(yīng)堆中某些部件（如控制棒、燃料包殼）需要在高溫、高輻射和腐蝕環(huán)境下運(yùn)行。

材料與技術(shù)：

常用粉末高溫合金：NiCr基和CoCr基合金。
制備工藝：真空熔融氣霧化技術(shù)（VIGA）生產(chǎn)高純粉末，結(jié)合熱等靜壓（HIP）成形技術(shù)。

應(yīng)用優(yōu)勢：

高溫抗氧化性和抗輻射性能，確保組件長期穩(wěn)定運(yùn)行。
微觀組織均勻，延長使用壽命。

結(jié)語

粉末高溫合金作為現(xiàn)代工業(yè)與高科技領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵材料，憑借其卓越的高溫強(qiáng)度、抗蠕變性能和耐腐蝕性，在航空航天、能源、醫(yī)療以及增材制造等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。從渦輪盤、燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件到醫(yī)療植入物和核反應(yīng)堆組件，粉末高溫合金以其高純凈度和優(yōu)異的性能為高端裝備的可靠運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障。先進(jìn)的制粉技術(shù)如VIGA、PREP和PA法，結(jié)合高效的精煉和凈化工藝，進(jìn)一步推動了高性能合金粉末的研發(fā)與應(yīng)用。

未來，隨著對高性能材料需求的不斷增長，粉末高溫合金技術(shù)將持續(xù)創(chuàng)新與優(yōu)化，特別是在提高純凈度、擴(kuò)大應(yīng)用范圍和降低生產(chǎn)成本方面。新型凈化技術(shù)和精密制造工藝的突破，必將為粉末高溫合金在更多高端領(lǐng)域的應(yīng)用鋪平道路?？梢灶A(yù)見，粉末高溫合金將繼續(xù)在驅(qū)動工業(yè)進(jìn)步和科技創(chuàng)新的過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，為人類探索未知提供無限可能。

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