高溫合金粉末在包套裝粉過程中的機(jī)理研究

朱石剛 羅 成 瞿宗宏 白瑞敏

（1.空裝駐西安地區(qū)第二軍事代表室，陜西 西安 710000；2.西安歐中材料科技有限公司，陜西 西安 710018）

0 引言

在航空發(fā)動機(jī)高溫合金粉末渦輪盤的生產(chǎn)過程中，熱等靜壓包套的裝粉過程是極為重要的，粉末在裝入包套的過程中要經(jīng)過振動、加熱和除氣，其中振動主要是增大高溫合金粉末填充密度，如包套的裝粉相對密度即振實密度，當(dāng)裝粉振實密度不足時，可能會在熱等靜壓過程中因包套變形不均勻或過大導(dǎo)致出現(xiàn)包套泄露的嚴(yán)重問題。同時，因為粉末流動的特性，所以包套中各部位的相對密度是有所不同的，在熱等靜壓完成后，會出現(xiàn)包套成形不規(guī)則的問題，圓形盤狀包套會成形為橢圓形狀，影響粉末盤后續(xù)的加工余量，可能會導(dǎo)致無法加工成最終的盤件[1]。因此，在包套裝粉時，往往需要給包套施加一定的振動，來提高包套內(nèi)部粉末的相對密度，改變粉末在包套內(nèi)的分布，由于粉末的特性、包套形狀以及振動平臺的影響，很難使粉末在包套內(nèi)部完全致密且均勻填充滿包套。

1 高溫合金粉末特性

等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉制備的高溫合金粉末是一種球形粉末，其機(jī)械和耐熱性能在很大程度上取決于它們的化學(xué)成分、物理特性和技術(shù)特性。物理特性是由粉末顆粒的形狀、大小、分布方式、比表面和比重五個特征決定的；技術(shù)特性的特征在于堆積密度、流動性、振實密度、休止角[2]。

等離子旋轉(zhuǎn)電極制備的粉末的最重要特征之一是球形，如圖1所示，它決定了粉末堆積密度和流動性等。堆積密度是單位體積的自由散布粉末的質(zhì)量，并用作其堆積特性。目前使用的高溫合金粉末顆粒尺寸為50μm~150μm，占比達(dá)到85%。該文研究的高溫合金其理論密度為8.34g/cm3，堆積密度為4.90g/cm3~5.02g/cm3，但通過特殊選擇的餾分，密度可以達(dá)到5.2g/cm3。經(jīng)過振動壓實后顆粒的密度可增加到5.5g/cm3，比堆積密度高6%~9%，在某些情況下，具有簡單幾何形狀的包套及最佳粒度組成，裝粉密度可以達(dá)5.7g/cm3。

圖1 等離子旋轉(zhuǎn)電極制備的高溫合金粉末

流動性即粉末以一定速度從孔中流出的能力，是粉末一個非常重要的特征[3]，基于粉末的這種特性，將顆粒填充到包套中的過程就是基于這一特征。流動性取決于許多因素，包括密度、分?jǐn)?shù)組成、顆粒表面的形狀和狀態(tài)、外部環(huán)境等。影響流動性的主要因素是顆粒彼此之間的摩擦和黏附，這阻礙了它們的相互移位[4]。流動性通常隨著粒度縮小而降低，但是具有球形表面的顆粒其流動性與粒度的大小相關(guān)性不大。

該文研究發(fā)現(xiàn)，流動性通常取決于其制備方法，定義為50g粉末通過錐形漏斗中直徑為2.5mm的校準(zhǔn)孔流出的時間來衡量粉末的流動性。對等離子旋轉(zhuǎn)電極制備的粉末，在完全均為球形粉末時通常在20s之內(nèi)。當(dāng)表面黏附有小顆粒，即衛(wèi)星粉時，如圖2所示，流出的時間增加到了24s，這時由于小顆粒的存在，增加了粉末顆粒之間的附著力，休止角分別為21°和27°~30°。

圖2 表面黏附有小顆粒的粉末

當(dāng)幾個緊密相互壓緊的顆粒形成拱形并阻塞了通過孔的通道時，形成了拱形效果，粉末顆粒從料斗流出的過程可以分為三個階段，如圖3所示。

圖3 粉末顆粒流出料斗的各個階段

在材料流出的第一階段，當(dāng)漏斗出口未開始出粉時，粉末上部形成初始的靜止?fàn)顟B(tài)，靜止?fàn)顟B(tài)時上部保持相應(yīng)的休止角β。當(dāng)粉末柱下降時，首先從粉末的中部開始流出，附近的表面顆粒將參與運(yùn)動并形成漏斗形狀，即第二階段。粉末顆粒的運(yùn)動是分層進(jìn)行的，在物料流出時的漏斗角增加到等于塌陷角的臨界值時，顆粒之間的內(nèi)聚力將不能保持該角度，顆粒層破裂并且漏斗角變得等于休止角，即第三階段。之后重復(fù)該過程，塌陷角取決于散裝物料本身的物理和機(jī)械參數(shù)、出口的幾何形狀、容量和尺寸的比率[5]。

2 包套振動裝粉試驗

2.1 裝粉密度

鎳基高溫耐熱合金顆粒在航空發(fā)動機(jī)渦輪盤的制造中，面臨著許多沒有及時解決的問題，其中之一就是用粉末填充大而復(fù)雜的幾何形狀鋼包套時，在顆粒進(jìn)入包套以及在其振動壓實過程中，粉末密度在整個體積上分布不均勻，導(dǎo)致密封包套進(jìn)行熱等靜壓后其形狀變形不規(guī)則。如果能以最大的裝粉密度均勻地將粉末填充至包套中，則可以獲得最小加工余量的產(chǎn)品。

用于增大裝粉密度最常用的方法是振動。振動對分散材料的技術(shù)性能有重大影響，因此會導(dǎo)致其密度增加或減少。將壓實顆粒開始運(yùn)動的條件作為閾值P，則振動的選擇條件如公式（1）所示。

式中：B為粉末顆粒的振幅；v為粉末顆粒的振動頻率；g為重力加速度。

2.2 振動裝粉試驗

將包套裝夾在振動平臺上，振動平臺的振幅不會隨負(fù)載質(zhì)量而變化。通過用氦氣填充包套內(nèi)部空間（精度為±100cm3）的方法，測量試驗所用包套的內(nèi)部空腔體積。

當(dāng)包套中自由填充滿粉末時，裝粉密度為4.89g/cm3~5.01g/cm3，然后施加振動，在振動壓實的初始階段，密度迅速增加至5.2g/cm3~5.3g/cm3，此后很長一段時間振動壓實，密度增加緩慢。此時，在較大振動頻率及振幅大于1mm的情況下，處于振動沸騰的狀態(tài)。為了停止該過程，必須將振動幅度降低2.5~3倍，但振動頻率應(yīng)大于40Hz。在振動臺上，通過改變頻率和振幅：當(dāng)頻率35Hz~42Hz，振幅0.25mm~0.3mm時，可獲得更高的裝粉密度。

試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用粉末垂直填充包套時，粉末的最大密度達(dá)到5.5g/cm3~5.6g/cm3，是所用高溫合金理論密度8.34g/cm3[7]的66%~67%。當(dāng)包套充滿自由流動的粉末時，可觀察到形成了5種不同大小的顆粒的區(qū)域，如圖4所示。

圖4 粉末自由填充包套中顆粒的分布圖

區(qū)域A，位于包套的垂直軸周圍并且位于顆粒通過其進(jìn)入包套的孔的相對側(cè)。它是在灌裝初期形成的，沒有明顯的偏析，細(xì)小部分均勻地分布在顆粒團(tuán)中。

B區(qū)位于A區(qū)上方，其特點是細(xì)粉部分的含量增加。

C區(qū)是均勻條帶的區(qū)域。每層在高度上都有不均勻的分?jǐn)?shù)組成：下部富含小顆粒，小顆粒經(jīng)“篩分”通過較大的顆粒層，大顆粒主要集中在上部，條紋的傾斜角對應(yīng)等于高溫合金粉末的休止角。

在區(qū)域D中，當(dāng)顆粒下落時，小顆粒在較大的沖擊下沿下落路徑被壓實，因此塌陷角變得大于休止角。當(dāng)顆粒堆積在圓錐體中時，它們會定期塌陷，然后重復(fù)該過程。

E區(qū)中，只有大顆粒分布，然后向下滾動到粉末圓錐體的底部。

為了防止上述粉末偏析的結(jié)果，在粉末完全充滿包套后使用振動混合[6]。在20Hz的振動頻率和0.7mm的振動幅度下，上下錐體受到破壞，增大了粉末相對密度。將振動頻率增加到25Hz~35Hz，振動10min后，整個包套的體積中的分餾物成分變得均勻，隨著顆粒變得更致密，它們的運(yùn)動速度會降低并且當(dāng)相對密度達(dá)到65%以上時，顆粒會完全停止運(yùn)動。

對沿包套的垂直和水平軸截取的顆粒樣品的分?jǐn)?shù)組成，該文研究發(fā)現(xiàn)，它們在幾乎整個體積中的組成與初始體積相對應(yīng)[7]。這表明振動混合可以使顆粒分布相對均勻。然而，當(dāng)在不同振動模式的影響下目視觀察顆粒的運(yùn)動時，都能觀察到大顆粒層篩分細(xì)顆粒的效果，篩分的顆粒層的高度達(dá)到幾毫米，篩分時間取決于初始顆粒的分?jǐn)?shù)組成和振動時間。

如果在自由裝滿包套后再進(jìn)行振動，振動須在高負(fù)荷條件下長時間振動才能達(dá)到最大相對密度。在實際生產(chǎn)中，為提高粉末裝實的效率，通常采用裝粉和振動同時進(jìn)行，即裝粉一段時間后，開啟振動一段時間然后停止，如其反復(fù)直至包套裝滿。

3 裝粉密度對熱等靜壓包套變形的影響

在熱等靜壓之后，由于裝粉時粉末粒度的偏析，導(dǎo)致各部位振實的相對密度不同[8]，導(dǎo)致成形的圓盤包套為橢圓形。圓盤包套沿將顆粒填充軸的直徑比與其垂直方向的直徑大5mm~10mm（分別為φ451mm和φ446mm）。這是由于大多數(shù)分布在包套的垂直軸上的細(xì)分散顆粒的相對密度高于水平軸且當(dāng)填充粉末的過程接近最后階段，它們在包套頂部的重新分布是困難的。因此，在填充軸的左側(cè)和右側(cè)會形成粗粒含量高的區(qū)域，這會導(dǎo)致在熱壓期間出現(xiàn)較大的收縮。如果將圓盤的直徑增加到1000mm或更大，則粉末的分離偏析過程將變得更加嚴(yán)重，因此有必要制定一套措施來改進(jìn)用顆粒填充包套的技術(shù)，在后續(xù)過程再解決熱等靜壓后圓盤坯料變?yōu)闄E圓形的問題。

4 結(jié)論

首先高溫合金粉末在包套中的裝粉密度與粉末特性、包套形狀以及振動形式有關(guān)。其次，粉末在填充包套時，會在包套內(nèi)部自由形成不同的粒度區(qū)域，通過改變振動頻率和振幅，可以讓包套內(nèi)的粉末流動，提高裝粉振實密度。最后，裝粉密度對包套熱等靜壓后的形狀有十分重要的影響，當(dāng)粉末裝粉密度不均勻時，會導(dǎo)致圓形盤狀包套呈現(xiàn)橢圓形狀，對其他形狀的包套也會導(dǎo)致形狀不規(guī)則，影響后續(xù)盤件的加工，需要通過一定技術(shù)手段減少和解決這一問題。