粉末鐵基高溫合金的制備工藝研究＊

崔大偉

（濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061）

粉末鐵基高溫合金的制備工藝研究＊

崔大偉

（濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061）

采用粉末機(jī)械合金化－溫壓成型－真空燒結(jié)等方法制備了氧化物彌散強(qiáng)化鐵基高溫合金MA956，并對(duì)其制備工藝和組織性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，高能振動(dòng)球磨4h粉末顆粒細(xì)小均勻，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了合金化，將其在120℃、500MPa條件下進(jìn)行溫壓成型，壓坯密度比常溫模壓工藝提高了0.3g／cm3；燒結(jié)溫度對(duì)燒結(jié)體組織和性能有較大的影響，粉末壓坯在1350℃燒結(jié)其致密度最高，為90.8%，且顯微組織致密性好。

鐵基高溫合金；氧化物彌散強(qiáng)化；機(jī)械合金化；溫壓；真空燒結(jié)

鐵基高溫合金廣義地講是指以鐵為基體，使用溫度為600℃－850℃的奧氏體型耐熱鋼和高溫合金，被廣泛用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)耐高溫抗氧化部件以及能源、化工等工業(yè)部門(mén)的耐高溫材料等［1］。鐵基高溫合金的熱穩(wěn)定性和抗氧化性雖然比鎳基和鈷基高溫合金稍差，但考慮到我國(guó)鎳、鈷資源匱乏，而鐵資源豐富，用鐵代替鎳鈷，對(duì)于節(jié)約短缺的戰(zhàn)略元素，推動(dòng)我國(guó)宇航工業(yè)的發(fā)展具有特殊重要的意義［2］。

氧化物彌散強(qiáng)化（oxide dispersion strengthened，ODS）高溫合金是在高溫合金中加入Y2O3、A12O3、Th O2等高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的納米氧化物顆粒，使其均勻分散在基體中，通過(guò)阻礙位錯(cuò)和晶界運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生強(qiáng)化的一類(lèi)高溫合金［3］。ODS高溫合金從20世紀(jì)初就開(kāi)始研究，直到1970年代機(jī)械合金化技術(shù)（mechanical alloying，MA）發(fā)明后才得到快速發(fā)展，MA也成為制備ODS高溫合金的關(guān)鍵技術(shù)之一［4］，采用此技術(shù)相繼研制成功了MA753、MA754、MA6000、MA956等有代表性的ODS鎳基、鐵基和鈷基高溫合金。ODS鐵基高溫合金具有良好的室溫高溫拉伸性能、高溫蠕變性能、疲勞性能、抗氧化性能，在高溫、高強(qiáng)度中子輻射、高濃度氮和核反應(yīng)堆冷卻液環(huán)境中具有良好的綜合性能，在航空航天、核工業(yè)及其他高溫抗氧化環(huán)境中具有廣泛的應(yīng)用前景［5］。MA956合金是目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用范圍最廣的ODS鐵基高溫合金，其在氧化氣氛下使用溫度高達(dá)1350℃，抗氧化性能和抗腐蝕性能居各類(lèi)高溫合金之首位，還具有良好的加工性能，可以進(jìn)行冷加工和焊接，因此被廣泛用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯、殼體、活塞環(huán)和復(fù)合層板等［6］。

本文先采用機(jī)械合金化方法獲得以Y2O3作為彌散相的鐵基高溫合金粉末，然后采用溫壓成型—真空燒結(jié)工藝制備了ODS鐵基高溫合金，并對(duì)機(jī)械合金化粉末的相結(jié)構(gòu)、微觀形貌、合金燒結(jié)體的組織結(jié)構(gòu)及燒結(jié)性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的鐵基高溫合金是在MA956合金（Fe－20Cr－4.5Al－0.5Ti－0.5Y2O3）的成分基礎(chǔ)上添加了部分固溶強(qiáng)化元素Mo，其化學(xué)成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)所采用的原料粉末及規(guī)格分別為：Fe粉（純度99.98%，－500目）、Cr粉（純度99.95%，－250目）、Al粉（純度99.98%，－250目）、Ti粉（純度99.89%，－250目）、Mo粉（純度99.99%，－400目）及Y2O3粉（純度99.99%，－400目）。將上述粉末按表1所示成分配比進(jìn)行稱(chēng)重混合后，與不銹鋼磨球一起放入不銹鋼真空球磨罐中，在三維振動(dòng)型高能球磨機(jī)上進(jìn)行機(jī)械合金化實(shí)驗(yàn)。球磨機(jī)的振動(dòng)頻率為1000次／分，采用Φ8mm的不銹鋼磨球，球料比為10：1，球磨時(shí)間為0－4h，為防止粉末球磨過(guò)程中發(fā)生氧化，球磨前將球磨罐先抽真空，然后再充滿(mǎn)純氬氣，此過(guò)程反復(fù)三次，以盡量排除罐內(nèi)的空氣。將球磨粉末中加入1.5%的硬脂酸鋅作為潤(rùn)滑劑，在120℃、500MPa的工藝條件下溫壓成Φ10mm的圓柱試樣，隨后進(jìn)行真空燒結(jié)致密化，燒結(jié)溫度為1250℃－1350℃，燒結(jié)時(shí)間為2h。

采用Dmax－RB型旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線(xiàn)衍射儀（Cu Kα譜線(xiàn)，λ＝0.15405nm）對(duì)球磨粉末進(jìn)行物相分析，用S250－MK2型掃描電鏡對(duì)球磨粉末的組織形貌進(jìn)行觀察，用阿基米德排水法測(cè)量燒結(jié)試樣的密度，用XJP－200型光學(xué)顯微鏡對(duì)燒結(jié)試樣的微觀組織進(jìn)行觀察。

表1 鐵基高溫合金的成分（wt%）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉末的X射線(xiàn)衍射分析

圖1是原始混合粉末經(jīng)過(guò)高能振動(dòng)球磨0.5h和4h后粉末樣品的X射線(xiàn)衍射圖。從圖1可以看出，球磨4h的粉末相對(duì)于0.5h的粉末衍射峰有很大的變化，球磨0.5h的粉末樣品的主要組分Fe、Cr、Al等元素主要還是以單質(zhì)形式存在，說(shuō)明此時(shí)合金化程度仍較輕；而球磨4h后Cr和Al的衍射峰都基本消失了，F(xiàn)e的衍射峰盡管存在，但是此時(shí)Cr和Al都已經(jīng)和Fe分別形成了Fe－Cr固溶體和Fe3Al金屬間化合物，說(shuō)明高能振動(dòng)球磨4h后機(jī)械合金化過(guò)程已經(jīng)基本完成，形成的Fe3Al可以成為鐵基高溫合金的強(qiáng)化相。在衍射峰中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Ti峰和Y2O3峰，可能是由于它們含量過(guò)少，因而難以通過(guò)粉末的X射線(xiàn)衍射檢測(cè)到。

圖1 高能振動(dòng)球磨0.5h、4h后粉末的X射線(xiàn)衍射圖

2.2 機(jī)械合金化粉末的形貌分析

高能球磨過(guò)程是一個(gè)粉末顆粒破碎與冷焊相互作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在球磨過(guò)程中冷焊與破碎的主次關(guān)系在不同的階段是不同的，在球磨的開(kāi)始階段，粉末較為粗大，此時(shí)破碎過(guò)程占據(jù)主導(dǎo)作用，粉末顆粒不斷細(xì)化，晶粒內(nèi)畸變不斷增加；隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，粉末顆粒尺寸變細(xì)，破碎變的愈來(lái)愈困難，同時(shí)顆粒細(xì)化的過(guò)程中會(huì)有新鮮的表面不斷形成，這些新鮮表面之間的接觸會(huì)導(dǎo)致冷焊逐漸占優(yōu)勢(shì)，當(dāng)顆粒的破碎與冷焊最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，繼續(xù)球磨粉末顆粒尺寸不再細(xì)化，甚至發(fā)生粗化。圖2（a）和圖2（b）分別是高能振動(dòng)球磨0.5h和4h粉末的SEM照片。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，球磨0.5h由于時(shí)間太短，粉末顆粒未能充分破碎細(xì)化，顆粒尺寸仍比較粗大，粒徑大小分布較不均勻，顆粒形狀也比較不規(guī)則；球磨4h粉末顆粒明顯細(xì)化，此時(shí)冷焊與破碎已經(jīng)達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，粉末顆粒尺寸大小均勻，粒度分布較窄，焊合粉末的形狀較為規(guī)則，粉末顆粒中的片層結(jié)構(gòu)變得細(xì)小難以分辨，顆粒內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了比較均勻的合金化。

圖2 高能振動(dòng)球磨粉末的SEM照片（a）0.5h；（b）4h

2.3 球磨粉末的溫壓成型

由于機(jī)械合金化粉末的加工硬化和晶格畸變嚴(yán)重，硬脆的粉末顆粒壓制性能較差，因而采用普通常溫模壓工藝很難獲得高的壓坯密度。溫壓成型是指采用特殊的粉末加溫、粉末輸送和模具加熱系統(tǒng)，將加有特殊潤(rùn)滑劑的預(yù)合金粉末和模具加熱至130℃－150℃，同時(shí)為保證良好的粉末流動(dòng)性和粉末充填行為，將溫度波動(dòng)控制在±2.5℃以?xún)?nèi)，然后按傳統(tǒng)粉末壓制工藝進(jìn)行壓制的一項(xiàng)新型粉末冶金生產(chǎn)技術(shù)。與傳統(tǒng)的粉末冶金壓制工藝相比，溫壓成型具有零件壓坯密度高、壓坯強(qiáng)度高、壓制壓力和脫模力低、壓坯密度分布均勻且燒結(jié)性能好等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦头勰┮苯鸪尚凸に囍唬?］。

實(shí)驗(yàn)對(duì)振動(dòng)球磨4h的粉末加入1.5%的硬脂酸鋅潤(rùn)滑劑，在500MPa壓力下分別進(jìn)行了常溫壓制和溫壓成型（120℃），測(cè)得壓坯密度分別為5.81g／cm3和6.12g／cm3，可見(jiàn)通過(guò)采用溫壓技術(shù)，使得鐵基合金粉末零件的壓坯密度比常溫模壓工藝提高了0.3g／cm3，而且溫壓成型的樣品與常溫壓制的樣品相比，其表面更加光潔，脫模更容易，成品率比較高，發(fā)生掉邊、掉角和分層的現(xiàn)象很少。

2.4 燒結(jié)工藝及燒結(jié)性能

將振動(dòng)球磨4h的粉末進(jìn)行溫壓成型后，分別于1250℃、1280℃、1310℃和1350℃進(jìn)行真空燒結(jié)，對(duì)所得的燒結(jié)樣品進(jìn)行了密度測(cè)試和金相組織觀察。圖3出示了粉末壓坯的燒結(jié)溫度與燒結(jié)密度的關(guān)系，可以看到隨著燒結(jié)溫度的逐漸升高，燒結(jié)密度也不斷提高。當(dāng)燒結(jié)溫度為1350℃時(shí)，燒結(jié)體的密度達(dá)到最大值6.71g／cm3，相對(duì)密度為90.8%。

圖4是粉末壓坯在不同溫度燒結(jié)后的SEM照片，可見(jiàn)燒結(jié)溫度越高，燒結(jié)體的孔隙度越低。從圖4（a）可以看到顆粒之間明顯的輪廓以及較多的連通大孔洞，說(shuō)明燒結(jié)溫度過(guò)低，元素不能充分?jǐn)U散，導(dǎo)致其致密度較低，通過(guò)能譜掃描發(fā)現(xiàn)Al元素聚集在顆粒邊緣，這可能是因?yàn)锳l元素熔點(diǎn)比較低，從而在燒結(jié)過(guò)程以液體的形式析出，阻礙了燒結(jié)致密化的進(jìn)行；隨著燒結(jié)溫度的升高，元素的擴(kuò)散變得更容易，顆粒之間間隙和空洞逐漸減少，燒結(jié)致密度也不斷提高，從圖4（d）中可以看到燒結(jié)體中只存在較少量孔洞，且大部分孔洞發(fā)生球化。

圖3 燒結(jié)體的燒結(jié)溫度與密度關(guān)系

圖4 粉末壓坯在不同溫度燒結(jié)的SEM形貌（a）1250℃；（b）1280℃；（c）1310℃；（d）1350℃

3 結(jié)論

本文采用高能振動(dòng)球磨工藝獲得了氧化物彌散強(qiáng)化鐵基高溫合金粉末，然后利用粉末冶金溫壓成型－真空燒結(jié)等方法制備了MA956鐵基高溫合金。研究表明，高能振動(dòng)球磨0.5h由于時(shí)間太短，粉末顆粒未能充分破碎細(xì)化，合金化程度較輕；球磨4h粉末顆粒細(xì)小均勻，顆粒內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了比較均勻的合金化。將球磨4h粉末在120℃、500MPa條件下進(jìn)行溫壓成型，壓坯密度比常溫模壓工藝提高了0.3g／cm3。隨著燒結(jié)溫度的升高，粉末壓坯的燒結(jié)密度不斷提高，孔隙度逐漸降低。當(dāng)燒結(jié)溫度為1350℃時(shí)，燒結(jié)體的密度達(dá)到最大值6.71g／cm3，相對(duì)密度為90.8%，其微觀組織中只存在較少量孔洞，且大部分孔洞發(fā)生球化。

［1］黃乾堯，李漢康.高溫合金［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2000：4－12.

［2］師昌緒，仲增墉.我國(guó)高溫合金的發(fā)展與創(chuàng)新［J］.金屬學(xué)報(bào)，2010，46（11）：1281－1288.

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［4］Benjamin J S.Fundamentals of mechanical alloying［J］.Materials Science Forum，1992，88（3）：l－7.

［5］劉祖銘，張劉杰，劉詠，等.氧化物彌散強(qiáng)化鐵基高溫合金研究現(xiàn)狀［C］／／2009全國(guó)粉末冶金學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2009：45－51.

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（責(zé)任編輯：肖恩忠）

Preparation Technology of Iron Base Superalloy by Powder Metallurgy

CUI Da－wei
（Weifang University，Weifang 261061，China）

Oxide dispersion strengthened iron base superalloy M956 was prepared using powder metallurgy technology，including mechanical alloying，warm compaction and vacuum sintering.The preparation process，microstructure and property of this superalloy were also investigated.The results show that when high－energy vibration ball milling for 4h，the grains of the iron base superalloy powders are small and uniform，and their element alloying process has been finished.The powders milled for 4h were molded by warm compaction with 500MPa at 100℃，and the density of green compacts is 0.3g／cm3higher than those by cold pressing.The sintered body with a maximum relative density 90.8%can be obtained by vacuum sintering at 1350℃，showing a compact microstructure.

iron base superalloy，oxide dispersion strengthening，mechanical alloying，warm compaction，vacuum sintering

2011－08－20

山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金項(xiàng)目（BS2010CL046）

崔大偉（1975－），男，山東寒亭人，濰坊學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院副教授，博士。研究方向：粉末冶金制備鐵基合金，不銹鋼工藝。

TG454 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671－4288（2011）06－0099－04