FGH97 合金高壓渦輪盤(pán)熱等靜壓成形技術(shù)研究

文／李治華，邰清安·中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限責(zé)任公司

劉建濤·北京鋼研高納科技股份有限公司

FGH97(FGH4097)合金為鎳基γ'相沉淀強(qiáng)化型粉末冶金高溫合金，基體為γ 相，是我國(guó)研制的新型粉末高溫合金，該合金在650 ～750℃溫度區(qū)間具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤(pán)、篦齒盤(pán)等關(guān)鍵熱端部件的制造。

熱等靜壓(HIP-Hot Isostatic Pressing)工藝是一種以氮?dú)?、氬氣等惰性氣體為傳壓介質(zhì)，一定的溫度和壓力共同作用于密閉容器中的制品，對(duì)制品進(jìn)行壓制燒結(jié)處理的技術(shù)。HIP 成形技術(shù)，是在冷等靜壓和熱壓技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的綜合工藝，最早開(kāi)始用于難成形材料的制坯和擴(kuò)散連接。但隨著HIP 設(shè)備和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，HIP 在近凈成形難加工材料復(fù)雜零件方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)了出來(lái)，成為當(dāng)今世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家研究的熱點(diǎn)。熱等靜壓技術(shù)早期主要用于核燃料的制備。國(guó)內(nèi)導(dǎo)彈研究院的海泓分析了鈦合金粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并采用鈦合金粉末冶金技術(shù)成形出性能優(yōu)越的空對(duì)空導(dǎo)彈伺服機(jī)構(gòu)殼體。

本文研究的高壓渦輪盤(pán)是Ⅰ類(lèi)轉(zhuǎn)動(dòng)件(圖1)，材料為FGH97 合金，單級(jí)結(jié)構(gòu)，高壓渦輪盤(pán)圓周上有90 個(gè)樅樹(shù)型榫槽，用于裝配高壓渦輪工作葉片，并通過(guò)鎖板固定，榫槽底部加工φ6.7mm 的斜孔，用于給高壓渦輪工作葉片提供冷氣。本文旨在采用熱等靜壓工藝，成形出尺寸和表面質(zhì)量滿(mǎn)足加工要求、組織性能滿(mǎn)足盤(pán)件技術(shù)要求的粉末制件，實(shí)現(xiàn)FGH97合金盤(pán)件的研制。

高壓渦輪盤(pán)熱等靜壓成形工藝

高壓渦輪盤(pán)主要制備工藝流程為：真空感應(yīng)冶煉母合金棒料→等離子旋轉(zhuǎn)電極法(PREP)制備粉末→粉末處理→粉末裝套→熱等靜壓成形(HIP)→機(jī)加工(去包套皮)→熱處理(固溶+時(shí)效)→理化檢驗(yàn)(切除試樣環(huán))。

圖1 高壓渦輪盤(pán)零件圖

圖2 真空感應(yīng)爐及FGH97 合金棒料

FGH97 合金熔煉

FGH97 合金棒料熔煉在VIDP400 型真空感應(yīng)熔煉爐(德國(guó)ALD 公司)中完成。VIDP400 熔煉爐裝爐量為(2450±50)kg/爐，澆注過(guò)程采用2 次擋渣，1 次過(guò)濾的方式，澆注的合金棒料具有純凈度高、氣體含量低等優(yōu)點(diǎn)。圖2 為VIDP400 型真空感應(yīng)熔煉爐和FGH97 合金棒料。

FGH97 合金粉末制備

FGH97 合金粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝(PREP)制備，PREP 法粉末制備原理(圖3)：等離子弧將高速旋轉(zhuǎn)的棒料端面熔化，在離心力的作用下，液態(tài)金屬薄膜流向棒料端面的邊緣，由于表面張力的作用，液膜并不能立即從棒料端面甩出去，而是形成了“冠”。金屬的質(zhì)量增加到其離心力超過(guò)表面張力時(shí)形成了小液滴。在惰性氣體中液滴以很高的速度冷卻，凝固成球形粉末顆粒。

圖3 PREP 工藝制粉原理圖

FGH97 合金高壓渦輪盤(pán)所用的粉末粒度范圍為50 ～ 150μm，粉末形貌見(jiàn)圖4。

圖4 FGH97 合金粉末

FGH97 合金粉末處理

PREP 制備的FGH97 合金粉末需要經(jīng)過(guò)篩分到需要的粒度范圍。篩分后的粉末(50 ～100μm)須通過(guò)靜電分離(ESS)處理。靜電分離是利用電暈放電現(xiàn)象以及金屬粉末和非金屬夾雜物介電常數(shù)不同而進(jìn)行分離的。目前廣泛使用的高壓電暈靜電分離原理見(jiàn)圖5。

圖5 靜電分離原理圖

FGH97 合金渦輪盤(pán)熱等靜壓成形

將檢驗(yàn)合格的合金粉末裝到包套中，脫氣封焊后用于熱等靜壓壓制成形。將待壓制的包套置入熱等靜壓機(jī)腔體中，將氬氣通入熱等靜壓機(jī)的爐膛中，爐膛四周采用加熱體加熱，隨著溫度的升高，氣體壓力不斷增加，由于氣壓向各方向是等值傳遞的，從而對(duì)工件的各個(gè)方向施加相等的壓力，以達(dá)到固結(jié)粉末、HIP 成形的目的。其優(yōu)點(diǎn)是能成形較復(fù)雜形狀的工件，并能使粉末均勻壓實(shí)，以獲得均勻致密的組織。FGH97 合金渦輪盤(pán)采用溫度為(1200±10)℃，壓力不低于120MPa，保溫保壓時(shí)間不少于2h 的熱等靜壓工藝。

FGH97 合金渦輪盤(pán)熱處理

FGH97 合金盤(pán)件熱處理工藝為固溶處理+三級(jí)時(shí)效處理；固溶處理工藝參數(shù)為1200℃×4h，空冷；一級(jí)時(shí)效處理工藝參為：910℃×3h，空冷；二級(jí)時(shí)效處理工藝參為：750℃×8h，空冷；三級(jí)時(shí)效處理工藝參為：700℃×17h，空冷。

高壓渦輪盤(pán)粉末制件性能檢測(cè)

力學(xué)性能

本批渦輪盤(pán)共2.5 件，其中0.5 件為解剖件。分別在解剖件和試環(huán)上進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。從表中數(shù)據(jù)可以看出：FGH97 合金渦輪盤(pán)無(wú)論是試驗(yàn)環(huán)還是解剖件力學(xué)性能均達(dá)到了技術(shù)條件的要求。

高低倍組織

FGH97 合金渦輪盤(pán)粉末件低倍試樣在解剖件縱向切取，低倍檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6，鍛件的低倍組織均勻，未見(jiàn)裂紋、非金屬夾雜物、孔洞等缺陷，滿(mǎn)足技術(shù)要求。

圖6 FGH97 合金渦輪盤(pán)低倍組織

FGH97 合金渦輪盤(pán)高倍組織見(jiàn)圖7，組織均勻，平均晶粒度為7 ～7.5 級(jí)，滿(mǎn)足技術(shù)條件要求。

圖7 FGH97 合金渦輪盤(pán)高倍組織

表1 FGH97 合金渦輪盤(pán)性能檢測(cè)結(jié)果

粉末顆粒缺陷

如圖7 所示，未發(fā)現(xiàn)粉末顆粒邊界，粉末顆粒內(nèi)顯微孔洞等級(jí)1，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

無(wú)損檢測(cè)

雜波檢測(cè)結(jié)果都在φ0.8-12dB 范圍，未見(jiàn)單顯，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。熒光檢驗(yàn)按HB/Z 61-1998 進(jìn)行，無(wú)非金屬夾雜物等缺陷。

半成品低倍腐蝕檢查

在半成品零件上進(jìn)行低倍腐蝕檢測(cè)，無(wú)顯微孔洞、裂紋缺陷，無(wú)粗晶、無(wú)非金屬夾雜物。

結(jié)論

⑴FGH97 合金渦輪盤(pán)的組織和性能均能滿(mǎn)足技術(shù)條件的要求；

⑵FGH97 合金渦輪盤(pán)超聲波檢查無(wú)缺陷，滿(mǎn)足φ0.8-12dB，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求；腐蝕、熒光等檢查無(wú)缺陷，滿(mǎn)足技術(shù)條件的要求；

⑶利用熱等靜壓工藝能夠生產(chǎn)出合格的FGH97合金高壓渦輪盤(pán)。