張 強(qiáng) ，鄭 亮 ，許文勇 ，李 周 ，張國慶 ，謝建新

1) 北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院, 北京 100083 2) 中國航發(fā)北京航空材料研究院先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100095 3) 北京科技大學(xué)北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心, 北京 100083

?通信作者, E-mail: zhangqiang0_2019@163.com (張強(qiáng))；liang.zheng@biam.ac.cn (鄭亮)；g.zhang@126.com (張國慶)

粉末渦輪盤是高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的核心熱端部件之一。鎳基粉末高溫合金合金化程度高、組織均勻，具有良好的抗疲勞和蠕變性能、優(yōu)異的耐腐蝕性能和抗高溫氧化性能，目前已成為先進(jìn)粉末渦輪盤的首選材料[1?3]。近年來，隨著高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷發(fā)展，對(duì)粉末渦輪盤的綜合性能要求不斷提高，制備高品質(zhì)的鎳基高溫合金粉末成為高性能粉末渦輪盤的基礎(chǔ)和保障。

粉末渦輪盤用鎳基高溫合金粉末的制備方法主要包括氬氣霧化法（argon atomization，AA）和等離子旋轉(zhuǎn)電極法（plasma rotating electrode atomization，PREP）。相比于等離子旋轉(zhuǎn)電極粉，氬氣霧化粉粒度更小，制坯后組織均勻性更好，產(chǎn)生的夾雜物尺寸更小，有利于消除缺陷。歐美等國家和地區(qū)主要采用氬氣霧化法制備鎳基高溫合金粉末，制備出滿足粉末渦輪盤性能要求的鎳基粉末高溫合金[1,4]。

氬氣霧化鎳基高溫合金粉末的尺寸和形貌以微米級(jí)球形顆粒為主。與塊體材料相比，球形粉末由于極大的比表面積，極易在霧化、轉(zhuǎn)移和存儲(chǔ)過程中發(fā)生氣體吸附行為而使氧含量增加，并在粉末表面形成氧化物，導(dǎo)致粉末在固結(jié)過程中形成缺陷，顯著降低粉末冶金鎳基高溫合金制件的力學(xué)性能[5?6]。雖然通過提高氬氣純度和優(yōu)化霧化工藝的方式，可以獲得氧含量很低的鎳基高溫合金粉末，但霧化成形后的粉末在后處理過程中（粉末篩分、存儲(chǔ)、真空脫氣等環(huán)節(jié)）不可避免受到有氧環(huán)境的污染，降低粉末的純凈度。選擇合理的粉末存儲(chǔ)方式，可以有效降低粉末后處理過程中的氣體吸附，防止粉末的進(jìn)一步氧化。真空脫氣處理可以明顯促進(jìn)粉末表面的氣體脫附，進(jìn)一步降低粉末的氧含量[7]。結(jié)合粉末渦輪盤用鎳基粉末高溫合金的發(fā)展歷程，本文重點(diǎn)介紹了氬氣霧化鎳基高溫合金粉末特性，以期獲得高品質(zhì)的鎳基高溫合金粉末，為發(fā)展高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)粉末渦輪盤提供可靠原材料。

1 鎳基粉末高溫合金的發(fā)展

1.1 國外鎳基粉末高溫合金發(fā)展概況

當(dāng)前，歐美等國家和地區(qū)的鎳基粉末高溫合金已經(jīng)發(fā)展到了第四代，如圖1[1]所示，并廣泛應(yīng)用于軍、民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)。典型鎳基粉末高溫合金的主要特性如表1所示[8?9]。其中，第一代為以René95和IN100為代表的650℃高強(qiáng)型（高γ′相含量）粉末高溫合金，其成分沿用了鑄造高溫合金和鑄鍛高溫合金的成分；第二代為以René88DT 和N18為代表的750℃損傷容限型粉末高溫合金，相比于第一代鎳基粉末高溫合金，適當(dāng)降低了強(qiáng)度水平 （降低γ′相含量），調(diào)整了晶粒尺寸，提高了抗裂紋擴(kuò)展性能，使合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、耐腐蝕和抗高溫氧化性能；第三代為以LSHR 和RR1000為代表的高強(qiáng)損傷容限型粉末高溫合金，在提高強(qiáng)度（高γ′相含量）的同時(shí)，進(jìn)一步提高了抗裂紋擴(kuò)展能力，工作溫度達(dá)到800℃；第四代鎳基粉末高溫合金以ME501為代表，是在第三代的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整成分和優(yōu)化工藝，使合金在具有高強(qiáng)度和高損傷容限前提下，工作溫度提高到815℃以上[8]。綜合來看，鎳基粉末高溫合金的發(fā)展趨勢具有“三高一低”的特點(diǎn)，即高強(qiáng)度、高工作溫度、高組織穩(wěn)定性和低疲勞裂紋擴(kuò)展速率，四代鎳基粉末高溫合金的各項(xiàng)性能對(duì)比如圖2 所示[10]。

圖2 四代鎳基粉末高溫合金性能對(duì)比[10]Fig.2 Comprehensive properties of the four generation nickelbased powder metallurgy superalloys[10]

表1 國外典型鎳基粉末高溫合金特性[8?9]Table1 Characteristicsof thetypical nickel-based powder metallurgy superalloys[8?9]

圖1 鎳基粉末高溫合金發(fā)展歷史[1]Fig.1 Development of the nickel-based powder metallurgy superalloys[1]

相對(duì)于采用氬氣霧化粉+熱等靜壓（hot isostatic pressing，HIP）+熱擠壓（hot extrusion，HEX）+熱等溫鍛造（hot isothermal forging，HIF）+熱處理 （heat treatment，HT）工藝制備粉末渦輪盤的歐美國家，俄羅斯主要采用等離子旋轉(zhuǎn)電極粉+直接熱等靜壓（As-HIP）+熱處理（HT）工藝制備粉末渦輪盤。全俄輕合金研究院（VILS）在多年的粉末高溫合金研究中取得了明顯進(jìn)展，設(shè)計(jì)出以эп741нп合金為代表的鎳基粉末高溫合金，使用溫度在650～750℃之間，廣泛應(yīng)用于軍用或民用飛機(jī)的粉末渦輪盤[11]。在此基礎(chǔ)上，全俄輕合金研究院自2004年開始研制ввп系列鎳基粉末高溫合金，包括вв750п、вв751п、вв752п和вв753п合金，進(jìn)一步提升了綜合力學(xué)性能，滿足了新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)粉末渦輪盤的使用要求[12]。

1.2 國內(nèi)鎳基粉末高溫合金發(fā)展概況

相比于歐美等國家和地區(qū)，我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)粉末渦輪盤的研制工作起步較晚。目前已有兩代鎳基粉末高溫合金得到廣泛應(yīng)用，分別為以FGH95 合金為代表的第一代高強(qiáng)型合金和以FGH96為代表的第二代損傷容限型合金。FGH96是國內(nèi)當(dāng)前粉末渦輪盤的主力合金，采用氬氣霧化粉+熱等靜壓+熱等溫鍛造制備的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高、低壓渦輪盤、封嚴(yán)盤和擋板等關(guān)鍵部件和采用等離子旋轉(zhuǎn)電極粉+直接熱等靜壓工藝制作的擋板和彈性環(huán)等均完成了試車和裝機(jī)考核，得到廣泛應(yīng)用。近年來，國內(nèi)對(duì)以FGH98和FGH99為代表的高強(qiáng)損傷容限型鎳基粉末高溫合金的研究工作已取得明顯進(jìn)展，并開始初步探索第四代鎳基粉末高溫合金，其發(fā)展歷程如圖1所示[1]。表2為我國當(dāng)前研制出的三代典型鎳基粉末高溫合金主要特性[13?14]。

表2 國內(nèi)典型鎳基粉末高溫合金特性[13?14]Table 2 Characteristics of the typical domestic nickel-based powder metallurgy superalloys[13?14]

雖然我國粉末渦輪盤的研究和應(yīng)用取得了顯著成果，但在鎳基粉末高溫合金的設(shè)計(jì)方面，早期還主要依賴于仿制歐美和俄羅斯等國家和地區(qū)。為全面加速材料從設(shè)計(jì)到工程化應(yīng)用的進(jìn)程，大幅度提升新材料的研發(fā)效率，我國于2015年啟動(dòng)了“材料基因工程重點(diǎn)專項(xiàng)”[15]。該專項(xiàng)為先進(jìn)粉末渦輪盤用鎳基粉末高溫合金的研制提供了新的解決思路，大幅度提高了我國粉末高溫合金材料的研發(fā)能力。

2 氬氣霧化制粉技術(shù)

目前，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)粉末渦輪盤普遍采用氬氣霧化粉作為原材料，主要原因在于氬氣霧化粉粒度更小，制坯后組織均勻性更好，產(chǎn)生的夾雜物尺寸更小，有利于消除缺陷。氬氣霧化法主要包括真空感應(yīng)熔煉氣霧化法（vacuum induction melting gas atomization，VIGA）和改進(jìn)型的電極感應(yīng)熔煉氣霧化法（electrode induction melting gas atomization，EIGA）。

2.1 真空感應(yīng)熔煉氣霧化法

真空感應(yīng)熔煉氣霧化法是目前應(yīng)用最普遍的金屬粉末制備技術(shù)，其制粉原理如圖3所示[1]。母合金在真空環(huán)境下的坩堝中經(jīng)中頻感應(yīng)加熱，完成熔煉和脫氣過程；隨后熔融金屬流經(jīng)導(dǎo)流管，形成穩(wěn)定的液流，液流在緊耦合式霧化噴嘴的控制下被高壓氣體剪切，克服表面張力而破碎成細(xì)小的金屬液滴；破碎的金屬液滴受氣流曳力、重力和熱泳力的作用，在霧化室中不斷冷卻、球化，快速凝固成不同粒徑的球形粉末，最終分級(jí)收集于粉罐中。霧化過程一般使用高純氬氣作為高壓氣體，以避免粉末凝固過程中發(fā)生氧化或引入雜質(zhì)元素。液流破碎過程中，高溫金屬液流與高壓冷氣流進(jìn)行了廣泛的熱和能量交換，使霧化后的金屬液滴具有很高的冷卻速率（>105K?s?1），得到胞狀晶和樹枝晶的混合凝固組織，且元素偏析少[16]。

圖3 真空感應(yīng)熔煉氣霧化法制粉原理圖[1]Fig.3 Schematic of VIGA powder production[1]

在真空感應(yīng)熔煉氣霧化法氣霧化過程中，金屬液流受到高速氣流的沖擊而解體，形成細(xì)小的熔滴。這些熔滴由于表面張力的作用，在下降過程中具有形成球體的趨勢，因而一般氣體霧化的金屬粉末以球形為主。氣霧化粉末的球形度主要取決于金屬熔體破碎后熔滴球化時(shí)間和凝固時(shí)間的相對(duì)大小。當(dāng)熔滴的球化時(shí)間比凝固時(shí)間短時(shí)，在凝固前能夠進(jìn)行充分的球化，則凝固后所得粉末多為規(guī)則球形；反之則熔滴在凝固前不能進(jìn)行充分的球化，凝固后將形成不規(guī)則形狀的粉末顆粒[17]。其中，本課題組采用真空感應(yīng)熔煉氣霧化法制備的鎳基高溫合金粉末（FGH95、FGH96和GH3536），粉末球形度均達(dá)到了0.9[18?19]。對(duì)于真空感應(yīng)熔煉氣霧化粉，粉末球形度隨粒徑的增大而減小，粉末顆粒越大，表面張力越小，液滴球化的趨勢也越小，快速凝固后的粗粉容易出現(xiàn)衛(wèi)星粉和空心粉[20]。

2.2 電極感應(yīng)熔煉氣霧化法

電極感應(yīng)熔煉氣霧化法屬于一種改進(jìn)型的真空感應(yīng)熔煉氣霧化法，主要是采用高頻感應(yīng)線圈代替真空感應(yīng)熔煉氣霧化法的陶瓷坩堝來熔煉母合金，以避免熔煉過程中活潑金屬與陶瓷坩堝發(fā)生反應(yīng)而形成非金屬夾雜物，進(jìn)而導(dǎo)致母合金受污染，其制粉原理如圖4所示[21]。將母合金棒材加工成帶錐形角的電極棒，置于感應(yīng)線圈中心位置的正上方，待電極棒穿過感應(yīng)線圈并逐漸熔化后，液滴順著錐形角自由落入（無導(dǎo)流管）氬氣霧化室，隨后在霧化室中經(jīng)歷霧化、冷卻、球化和凝固的過程，最終實(shí)現(xiàn)潔凈合金粉末的制備[21?22]。

圖4 電極感應(yīng)熔煉氣霧化法制粉原理圖[21]Fig.4 Schematic of EIGA powder production[21]

電極感應(yīng)熔煉氣霧化粉與真空感應(yīng)熔煉氣霧化粉的粉末形貌和凝固組織基本一致，由于可以避免熔煉過程中活潑金屬與陶瓷坩堝發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)前電極感應(yīng)熔煉氣霧化法主要集中在活性較高的合金粉末制備上，如Ti 及Ti 合金粉末[22]。同時(shí)由于母合金需要提前加工成一定尺寸的合金棒料，因此存在生產(chǎn)成本高、效率低等問題。因此，對(duì)于鎳基高溫合金，由于活潑金屬元素含量較低（與坩堝反應(yīng)很少），采用真空感應(yīng)熔煉氣霧化法制備鎳基高溫合金粉末，更有利于滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)用粉末渦輪盤的大批量使用要求。

3 氬氣霧化鎳基高溫合金粉末特性

3.1 粉末形貌與粒度控制

氬氣霧化鎳基高溫合金粉末（FGH96）在凝固過程中經(jīng)過快速凝固（冷卻速率>105K·s?1），粉末以球形為主，表面凝固組織為樹枝晶和胞狀晶組成的混合凝固組織，如圖5（a）～圖5（d）所示[23]。隨著粉末粒度的減小，粉末表面凝固組織逐漸由樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪罹ЫM織。這主要是由粉末在霧化過程中不同的冷卻速度導(dǎo)致的，粒度較大的粉末冷卻速度相對(duì)較慢，容易形成枝晶組織；而粒度較小的粉末冷卻速度較快，容易形成胞狀晶組織[24]。隨著粉末粒度的降低，形成胞狀晶為主、樹枝晶為輔的混合組織，減少枝晶偏析，有利于粉末內(nèi)部組織的均勻性。

圖5 不同尺寸氬氣霧化FGH96粉末的表面和內(nèi)部凝固組織：（a）表面組織，104～147μm；（b）表面組織，61～104μm； （c）表面組織，38～61μm；（d）表面組織，＜38μm；（e）內(nèi)部組織，104～147μm；（f）內(nèi)部組織，61～104μm；（g）內(nèi)部組織，38～61μm；（h）內(nèi)部組織，＜38μm[23]Fig.5 Surface and interior microstructures of the argon atomized FGH96 powders with the different particle sizes:(a)surface microstructures,104～147μm;(b)surface microstructures,61～104μm;(c)surface microstructures,38～61μm;(d)surface microstructures,<38μm;(e)interior microstructures,104～147μm;(f)interior microstructures,61～104μm;(g)interior microstructures,38～61μm;(h)interior microstructures,<38μm[23]

與粉末表面形貌類似，氬氣霧化FGH96合金粉末顆粒內(nèi)部也呈現(xiàn)出樹枝晶和胞狀晶混合組織，如圖5（e）～圖5（h）所示[23]。相對(duì)于粉末表面，內(nèi)部枝晶組織的形成受粉末粒度的影響程度較小，在粒度小于38μm 的粉末顆粒中仍有少量枝晶組織存在，粉末顆粒表面和內(nèi)部組織的差別是由不同位置冷速不同造成的。粉末的樹枝晶和胞狀晶混合凝固組織表明，對(duì)于高合金化的鎳基高溫合金，提高氣體霧化過程中冷卻速度，促進(jìn)形成粒度更小的粉末，有助于抑制枝晶偏析，為合金均勻化創(chuàng)造有利條件。

由于氬氣霧化法制備鎳基高溫合金粉末的主要優(yōu)勢在于可以制備比較細(xì)小的球形粉末，通過篩分去除較大的夾雜顆粒，降低夾雜的有害影響。因此，制粉過程中的粒度控制尤為重要。鎳基高溫合金粉末粒度不僅影響粉末收得率，同時(shí)也會(huì)影響粉末質(zhì)量。所制備的鎳基高溫合金粉末越細(xì)，粉末收得率越高，則粉末渦輪盤件的制造成本越低。粉末的粒度受到霧化噴嘴結(jié)構(gòu)、霧化氣體壓力等諸多因素的影響，在氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)研究和金屬霧化過程分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行霧化噴嘴改進(jìn)和設(shè)計(jì)[25?27]。通過研究霧化噴嘴結(jié)構(gòu)和霧化工藝參數(shù)對(duì)粉末粒度的影響[27?28]，實(shí)現(xiàn)對(duì)氬氣霧化法制備鎳基高溫合金粉末粒度的有效控制。

3.2 粉末氧化特性

常規(guī)工藝制備的鎳基高溫合金鑄鍛件氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.002%～0.003%，然而在真空感應(yīng)熔煉和霧化制粉的過程中，粉末極大的比表面積導(dǎo)致氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.010%以上。隨著粉末粒度、存儲(chǔ)及處理?xiàng)l件變化，氧含量會(huì)進(jìn)一步增加，導(dǎo)致粉末冶金鎳基高溫合金制件的氧含量通常比鑄件或鍛件的氧含量高一個(gè)數(shù)量級(jí)。鑒于此，本課題組[29]研究了不同存儲(chǔ)環(huán)境（真空、高純Ar、空氣、高純O2）和不同存儲(chǔ)時(shí)間（0～500 d）下FGH96高溫合金粉末的氧含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、元素化學(xué)狀態(tài)和氧化層厚度變化情況，并分析了粉末氧含量的增加對(duì)合金熱變形行為的影響，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，粉末經(jīng)長時(shí)存儲(chǔ)后，其氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)和表面NiO/Ni(OH)2層厚度從初始值（約為0.0120%和3.8 nm）增加到 （約為0.0200%和10 nm）穩(wěn)定值；存儲(chǔ)初期（7～15 d），高純O2環(huán)境下存儲(chǔ)的粉末具有最高的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)（約為0.0213%），而真空環(huán)境下存儲(chǔ)粉末的氧含量最低，差距接近0.0025%；長時(shí)存儲(chǔ)后粉末氧含量的增加，進(jìn)一步導(dǎo)致合金熱加工性能的降低。

圖6 存儲(chǔ)條件對(duì)鎳基粉末高溫合金粉末表面狀態(tài)及熱變形行為的影響[29]Fig.6 Influence of storage conditionson the powder surface state and hot deformation behavior of PM nickel-based superalloys[29]

鎳基高溫合金粉末表面極易形成厚度均勻的表面氧化層（厚度為數(shù)納米），如圖7所示[30]。粉末表面氧化層作為元素?cái)U(kuò)散阻擋層，具有較低的表面張力，會(huì)嚴(yán)重影響粉末的固態(tài)燒結(jié)和熔融行為；同時(shí)表面氧化導(dǎo)致高溫固結(jié)過程中粉末內(nèi)部溶解氧的增加，顯著降低合金制件的力學(xué)性能[5?6]。Rao等[31]研究了不同氧含量的IN718高溫合金粉末對(duì)于熱等靜壓態(tài)制件組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)雖然熱等靜壓態(tài)制件的顯微組織特征不隨氧含量變化，但網(wǎng)狀原始顆粒邊界（prior particle boundaries，PPBs）含量隨氧含量的增加而顯著增加，同時(shí)發(fā)生再結(jié)晶并形成退火孿晶帶。對(duì)于直接熱等靜壓態(tài)和熱等靜壓+熱處理態(tài)的制件，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度不受氧含量所影響，而高溫階段的延展性隨氧含量的增加而顯著惡化。針對(duì)Fe基、Nb?Si基和Nb基金屬粉末表面氧化物對(duì)組織和后續(xù)熱加工的影響已有一些研究[32?34]。由于復(fù)雜的合金成分和元素偏析行為，對(duì)鎳基高溫合金粉末表面氧化物的研究主要集中在其作為碳化物析出相的形核中心，促進(jìn)形成由碳化物、氧化物和大尺寸γ′相組成的原始顆粒邊界缺陷上[35?36]。有關(guān)鎳基高溫合金粉末表面的氧化行為和氧化物形成機(jī)制，以及氧化物對(duì)合金力學(xué)性能的影響機(jī)制有待研究者進(jìn)一步研究。

圖7 FGH96高溫合金粉末表面氧化層分布[30]：（a）表面氧化層納米束電子衍射圖譜；（b）表面氧化層高角環(huán)形暗場掃描透射顯微形貌；（c）Ni、O、Ti、Cr、Co和Al 能譜分析Fig.7 Surface oxide layer distribution of the FGH96 superalloy powders[30]:(a)nano-beam electron diffraction patterns of the surface layer regions;(b)high angle annular dark field-scanning transmission electron microscope image of the surface oxide layers;(c)the corresponding energy disperse spectroscope maps of Ni,O,Ti,Cr,Co,and Al

3.3 粉末氣體脫附行為

氬氣霧化法制備的鎳基高溫粉末在霧化、轉(zhuǎn)移、存儲(chǔ)和固結(jié)過程中不僅發(fā)生表面氧化，還會(huì)出現(xiàn)明顯的氣體吸附行為。對(duì)于金屬粉末表面的吸附氣體，研究者往往通過真空脫氣的預(yù)處理方式進(jìn)行消除。這種預(yù)處理通常是在動(dòng)態(tài)真空條件下對(duì)金屬粉末進(jìn)行加熱，加熱過程中粉末表面的脫氣行為主要包括兩種：一種是吸附在粉末表面的氣體和水蒸氣的直接脫除；另一種是粉末表面的金屬氧化物和金屬碳氧化物在還原過程中解吸出更多的氣體[7,37]。日本Yamasaki 團(tuán)隊(duì)[38?41]利用程序升溫脫附（temperature programmed desorption，TPD）模擬真空脫氣處理工藝，分別研究了快速凝固Al?Mn?Zr、Al?Zn?Mg/Al?Ti?Fe 和Al?Ti?Fe?Cr 等合金粉末的表面特征和脫氣動(dòng)力學(xué)，明確了鋁基合金粉末在程序升溫條件控制下，表面發(fā)生物理脫附和化學(xué)脫附的詳細(xì)過程。Estrada 等[37]運(yùn)用熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方式對(duì)Al?Si?X合金粉末氣體脫附和演變情況進(jìn)行半定量分析，研究粉末表面氧化、水合、水合物分解和升溫脫附等物理和化學(xué)反應(yīng)，表明溫度是氣體解吸熱力學(xué)的最關(guān)鍵參數(shù)。目前針對(duì)粉末脫氣行為的研究主要集中在鋁合金粉末，對(duì)高溫合金粉末的脫氣行為研究工作涉及相對(duì)較少。Whitman 等[7]利用熱重–氣質(zhì)聯(lián)用（TG–GCMS）方式對(duì)IN625高溫合金粉末進(jìn)行了氣體脫附分析，確定了固溶強(qiáng)化型高溫合金粉末在相關(guān)后處理工藝下的氧化行為。近來，本課題組利用程序升溫脫附和質(zhì)譜儀相結(jié)合（原位TPD–MS）的表征方式，研究了不同合金成分（FGH96、IN718和IN625）和粒度（＜48μm、48～106μm 和106～150 μm）對(duì)鎳基高溫合金粉末氣體脫附行為的影響，結(jié)果如圖8所示[30]。如圖所示，粉末表面氣體脫附主要發(fā)生在100～650℃范圍內(nèi)，其中350～520℃為脫附峰值范圍；隨著活潑金屬元素（Al 和Ti）含量的增加和粉末粒度的減小，鎳基高溫合金粉末的氣體脫附量明顯增加。在此基礎(chǔ)上，課題組進(jìn)一步優(yōu)化鎳基高溫合金粉末的真空脫氣溫度參數(shù)，促進(jìn)粉末表面的氣體脫附，降低了粉末的氧含量，取得顯著效果。

圖8 合金成分和粒度對(duì)鎳基高溫合金粉末氣體脫附行為的影響：（a）氫氣脫附；（b）水蒸氣脫附；（c）氧氣脫附； （d）二氧化碳脫附；（e）一氧化碳脫附[30]Fig.8 Effects of the composition and particle size on the degassing behavior of nickel-based superalloy powders:(a)H2 degassing;(b)H2O degassing;(c)O2 degassing;(d)CO2 degassing;(e)CO degassing[30]

3.4 粉末的缺陷及控制措施

近凈成形熱等靜壓工藝是利用鎳基高溫合金粉末制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)用粉末渦輪盤的必要步驟，然而經(jīng)熱等靜壓工藝固結(jié)粉末后，往往產(chǎn)生三類主要缺陷：原始顆粒邊界、熱誘導(dǎo)孔洞（thermally induced pores，TIPs）和非金屬夾雜物（non-metallic inclusions，NMIs），這三類缺陷均與鎳基高溫合金粉末的缺陷密切相關(guān)。

3.4.1 空心粉

空心粉是氬氣霧化粉中一類典型缺陷，主要是霧化過程中氬氣與熔融液滴相互作用而形成，其形成過程如圖9所示[42]。通常，動(dòng)能較大的高速氬氣流會(huì)將熔融液滴完全破碎，破碎后的細(xì)化液滴凝固形成細(xì)小粉末，如圖9（a）所示；當(dāng)破碎液滴后，氬氣流的動(dòng)能減弱，繼續(xù)與液滴作用時(shí)，無法將液滴破碎，從而滯留在液滴內(nèi)部，凝固后形成單個(gè) （圖9（b））或多個(gè)（圖9（c））氣孔的空心粉；當(dāng)氬氣沒有完全進(jìn)入熔融液滴，液滴已經(jīng)凝固，則形成開孔空心粉，如圖9（d）所示。對(duì)于開孔空心粉中的氬氣，可以通過真空脫氣的方式進(jìn)行消除；而對(duì)于閉孔空心粉內(nèi)的氬氣，則難以通過真空脫氣方式進(jìn)行去除。

與圖9（b）和圖9（c）類似，熔融液滴的袋式破碎機(jī)制是促進(jìn)形成閉孔空心粉的主要原因，如圖10所示[43?45]。霧化過程中，氣流的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致液流前端形成不穩(wěn)定液膜，霧化氣體的沖擊會(huì)使液膜破碎不完全，導(dǎo)致霧化氣體被裹入液滴，在袋狀液滴開口處結(jié)合前，霧化氣體沒有及時(shí)逸出時(shí)，就會(huì)形成閉孔空心粉。空心粉是引起鎳基粉末高溫合金中熱誘導(dǎo)孔洞缺陷的主要原因之一，考慮到空心粉的形成機(jī)理，通過制定合適的霧化參數(shù)（霧化壓力、熔體溫度和熔體流速等）和優(yōu)化霧化噴嘴布局是減少閉孔空心粉的主要措施[43?44]；而真空脫氣措施可以有效減少開孔空心粉的含量[42,46]。通過上述不同方法相結(jié)合的方式，在消除閉孔空心粉的同時(shí)降低開孔空心粉的含量，是減少或消除合金中熱誘導(dǎo)孔洞缺陷的有效措施。

圖9 空心粉形成機(jī)理示意圖[42]：（a）熔融液滴破碎； （b）單個(gè)氣孔空心粉；（c）多個(gè)氣孔空心粉；（d）開孔空心粉Fig.9 Schematic of the hollow powder formation mechanism[42]:(a)droplet split;(b)single bubble;(c)multi bubble;(d)open hollow powder

圖10 袋式破碎機(jī)制形成空心粉[45]：（a）～（e）空心粉形成過程；（f）空心粉微觀形貌Fig.10 Evolution of the hollow powders formed by bag breakup mechanism[45]:(a)~(e)hollow powder formation process;(f)hollow powder in optical microscope

3.4.2 衛(wèi)星粉

對(duì)于氬氣霧化鎳基高溫合金粉末，衛(wèi)星粉普遍存在，其表現(xiàn)形式一般為大尺寸的球形粉末表面粘附有一顆或多顆小尺寸粉末顆粒，形成衛(wèi)星狀的粉末結(jié)構(gòu)，具體形成過程如圖11所示[45]。普遍認(rèn)為[45,47]，衛(wèi)星粉的出現(xiàn)歸因于小尺寸粉末顆粒與大尺寸粉末顆粒在霧化室中向下飛行過程中的碰撞粘連。粉末霧化過程中，熔融的大尺寸液滴會(huì)破碎成為大量小液滴，這些小液滴具有不同的飛行速度和凝固狀態(tài)。通常，小尺寸液滴的飛行速度更快，導(dǎo)致小液滴捕捉到大液滴并粘附在其上面；同時(shí)，小液滴的具有更快的凝固速度，因此冷卻后的小液滴會(huì)碰撞并焊接在大液滴上，形成衛(wèi)星粉。一些未凝固完全的粉末相碰撞，則會(huì)造成粉末粘結(jié)或變形為不規(guī)則粉末。也有研究表明[47]，已經(jīng)凝固的細(xì)小粉末被回旋氣流卷吸到噴嘴下方的噴射區(qū)內(nèi)，并與還未完全凝固的液滴發(fā)生碰撞，導(dǎo)致形成衛(wèi)星粉。

圖11 衛(wèi)星粉的形成過程[45]：（a）液滴破碎；（b）衛(wèi)星粉形成；（c）不同X 點(diǎn)液滴速率；（d）衛(wèi)星粉微觀形貌Fig.11 Evolution of satellite powders[45]:(a)droplet breakup;(b)satellite powder formation;(c)velocity of droplet in different X positions(Y=60 mm);(d)satellite powder in optical microscope

鑒于衛(wèi)星粉的形成特點(diǎn)，通過調(diào)整工藝參數(shù)使熔融液滴破碎成尺寸均勻的液滴，是減少衛(wèi)星粉形成的有效措施[45]。通過擴(kuò)大破碎區(qū)域（如增加氣體注入距離或減小氣體注入角度）和加快液滴的冷卻速度，向霧化室引入輔助氣流或優(yōu)化霧化室結(jié)構(gòu) （抑制霧化室內(nèi)氣流回旋），盡量避免液滴的碰撞，也可以在一定程度上減少衛(wèi)星粉的形成[44]。

3.4.3 高氧含量粉

粉末由于極大的比表面積，在霧化、轉(zhuǎn)移、存儲(chǔ)和固結(jié)過程中出現(xiàn)表面氧化和氣體吸附，導(dǎo)致氧含量明顯增加，形成高氧含量粉末。由于粉末氧化形成的表面氧化物（如ZrO2、Al2O3和TiO2）可作為析出相MC型碳化物（M主要是Ti和Nb）的形核核心，極大促進(jìn)碳化物沿原始顆粒邊界析出 （圖12[48]）；而粉末表面吸附的氣體和水蒸氣則會(huì)在粉末顆粒之間的邊界處形成孔洞，導(dǎo)致合金中熱誘導(dǎo)孔洞缺陷的形成。因此，高氧含量鎳基高溫合金粉末是形成原始顆粒邊界和熱誘導(dǎo)孔洞缺陷的重要原因，控制粉末氧含量可以有效減少和消除缺陷。

圖12 熱等靜壓態(tài)FGH96高溫合金中原始顆粒邊界缺陷的組成[48]：（a）原始顆粒邊界缺陷；（b）原始顆粒邊界缺陷各種析出相分布；（c）γ′相選區(qū)電子衍射斑；（d）MC型碳化物選區(qū)電子衍射斑；（e）ZrO2 選區(qū)電子衍射斑；（f）Al2O3選區(qū)電子衍射斑Fig.12 Composition of the PPBs defects in HIPed FGH96 superalloys[48]:(a)PPBs;(b) precipitation phase distribution in PPBs;(c)selected area electron diffraction(SAED) patterns of γ′ phase;(d)SAED patterns of MC-type carbides;(e)SAED patterns of ZrO2;(f)SAED patterns of Al2O3

可以通過提高惰性霧化氣體純度和設(shè)備真空度有效防止霧化過程中粉末的氧化[1]，還可以通過選擇合適的粉末存儲(chǔ)和篩分環(huán)境，減少粉末與有氧環(huán)境接觸來防止粉末在轉(zhuǎn)移、篩分和存儲(chǔ)過程中的進(jìn)一步氧化[29,49]。對(duì)FGH95合金粉末進(jìn)行真空脫氣處理，利用粉末在動(dòng)態(tài)加熱過程中吸附氣體的脫附，可以顯著降低粉末的氧含量，從而實(shí)現(xiàn)在粉末未固結(jié)階段減少或消除原始顆粒邊界和熱誘導(dǎo)孔洞缺陷的目的[46]。當(dāng)粉末固結(jié)之后，通過引入熱擠壓、等溫鍛造等變形工藝將原始顆粒邊界缺陷進(jìn)行破碎，從而減弱或消除原始顆粒邊界缺陷的危害，是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的方式[50]。對(duì)熱等靜壓態(tài)IN718合金制件在高溫條件下進(jìn)行固溶處理，使原始顆粒邊界缺陷的析出相發(fā)生回溶，可有效減弱原始顆粒邊界[51]；提高RR1000和IN718高溫合金的熱等靜壓溫度 （高于γ′完全固溶溫度），可以促進(jìn)晶界越過原始顆粒邊界缺陷而長大，從而減少原始顆粒邊界缺陷的含量，然而過高的溫度反而會(huì)明顯降低合金力學(xué)性能[52?53]。

3.4.4 非金屬夾雜物粉

鎳基高溫合金粉末中的非金屬夾雜物會(huì)嚴(yán)重影響粉末渦輪盤件的綜合力學(xué)性能。非金屬夾雜物種類繁多，既有在熔煉和澆注過程中混入的金屬液中原有耐火材料（來自坩堝、導(dǎo)流管和噴嘴等）及反應(yīng)生成的外來夾雜物[54]，也有金屬液脫氧和凝固時(shí)生成的反應(yīng)物所形成的內(nèi)生夾雜物[55?56]。外來夾雜物的尺寸較大（尺寸大于100μm），外形一般不規(guī)則，在合金鑄錠中的分布無規(guī)律；內(nèi)生夾雜物尺寸較小，一般介于1～100μm，分布較為均勻，對(duì)合金力學(xué)性能的影響更小[56?57]。對(duì)于真空感應(yīng)熔煉氣霧化粉，外來夾雜物和內(nèi)生夾雜物都可能涉及；而由于采用高頻感應(yīng)線圈代替陶瓷坩堝，電極感應(yīng)熔煉氣霧化粉的非金屬夾雜物主要是內(nèi)生夾雜物。

對(duì)于當(dāng)前的氬氣霧化制粉技術(shù)，很難完全避免非金屬夾雜物的產(chǎn)生。減少鎳基高溫合金粉末中非金屬夾雜物的有效措施主要包括：（1）提高母合金熔煉和霧化環(huán)境的純凈度，改善耐火材料性能以防止脫落[58]；（2）使用粒度較小的粉末，減小非金屬夾雜物的尺寸；（3）采用靜電分離或水淘洗等方法對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行分離；（4）采用噴丸強(qiáng)化工藝改善材料表面狀態(tài)，建立可靠的超聲無損檢測等無損檢測分析技術(shù)[59]。

4 增材制造用鎳基高溫合金粉末

近年來，隨著金屬增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)增材制造用金屬粉末的質(zhì)量要求不斷提高。當(dāng)前，氬氣霧化法和等離子旋轉(zhuǎn)電極法可直接制得球形金屬粉末，成為增材制造用金屬粉末的主要制備方法。等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備的粉末球形度高，但受工藝原理限制，細(xì)粉收得率較低，適用于制備送粉增材制造用粉體；而氬氣霧化法制備的粉末具有球形度高、粉末粒度分布可調(diào)控范圍大等優(yōu)勢，在增材制造技術(shù)上的應(yīng)用更為廣泛[47]。

隨著增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，采用氬氣霧化法制備高質(zhì)量的鎳基高溫合金粉末，具有重要應(yīng)用前景。與粉末渦輪盤用鎳基高溫合金粉末類似，增材制造用鎳基高溫合金粉末需要具有窄粒度分布、低氧含量、高純度、高球形度和良好流動(dòng)性的特點(diǎn)[44]。粉末流動(dòng)性直接影響打印過程中鋪粉的均勻性和送粉過程的穩(wěn)定性。粉末流動(dòng)性與粉末形貌、粒度分布和松裝密度密切相關(guān)。粉末顆粒越大、球形度越高、松裝密度更好（粒度組成中極細(xì)粉末所占比例越小），其流動(dòng)性越好。隨著增材制造成本控制的要求不斷提高，提高粉末的細(xì)粉收得率、批次穩(wěn)定性和循環(huán)利用率具有重要意義[44,60?62]。因此，在獲得優(yōu)質(zhì)鎳基高溫合金粉末的前提下，通過改進(jìn)制粉工藝來提高增材制造所需粒度段粉末收得率是未來的研究重點(diǎn)[44,62]。

5 總結(jié)與展望

隨著高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷發(fā)展，對(duì)高品質(zhì)鎳基高溫合金粉末的需求更加迫切。針對(duì)氬氣霧化鎳基高溫合金粉末的各項(xiàng)特性，獲得小粒度、低氧含量、少空心粉、少夾雜物、高球形度和低成本的粉末，是未來粉末渦輪盤用鎳基高溫合金粉末的發(fā)展方向。隨著對(duì)氬氣霧化設(shè)備的不斷升級(jí)和優(yōu)化，制備出的鎳基高溫合金粉末基本滿足當(dāng)前粉末渦輪盤件的制備需求；未來粉末渦輪盤用鎳基高溫合金粉末的質(zhì)量優(yōu)化將朝著優(yōu)化粉末篩分和存儲(chǔ)環(huán)境、降低氣體吸附量和控制成本（余粉回收利用）等方向發(fā)展。

當(dāng)前，針對(duì)航空航天領(lǐng)域?qū)υ霾闹圃旒夹g(shù)的重大需求，制備適用于增材制造的高品質(zhì)鎳基高溫合金粉末，提高增材制造所需粒度段粉末收得率，對(duì)于促進(jìn)增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義，也為氬氣霧化鎳基高溫合金粉末的發(fā)展提出新要求。