粉末高温合金讲解
FGH4097基沉淀强化型粉末冶金高温合金
元 C
素CrNi源自CoW Mo AlTi
Fe Nb Hf
质
量
分 0.02-0 8.00-1
余
数 .06
0.00
／
%
15.0016.50
≤ 4.80- 3.50- 4.85- 1.60-
0. 5.90 4.20 5.25 2.00
50
2.40- 0.1002.80 0.400
元
Zr
B
素
Ce
Mg
Mn Si
S
P
ON
-
质
量
≤
≤≤
≤
分 0.010- 0.006- 0.005- 0.002- ≤ ≤
0.
0.00 0.01
0.00 -
数 0.015 0.015 0.010 0.050 0.15 0.20
00
9
5
5
／
7
%
FGH4097 物理及力学性能
密度
熔点
8.26g/cm³
1290℃-1350℃
FGH4097 热处理制度 制度Ⅰ：1200℃±10℃*8h/FC→(1150-1170)℃/AC+(800-900)℃*(25-40)h/AC； 制度Ⅱ：1200℃±10℃*4h/AC+(950-650)℃*(3-20)h/AC(三级时效)。
粉末高温合金的应用与发展
$,)& 目 ’$,&%" *+ ! $(-& 目 ’$)." *+ !
" $ /)" *# ! 氩气雾化采用了细粉 $.() 目 制造技术如快速凝固旋转气体雾化和超声 气体雾化等许多新技术 $细粉收得率提高 ! 应用细粉的目的主要是为了控制夹杂尺 寸$改善合金热工艺性能!
(&/$ 图 $(,/# 用 发 动 机 $ ( 0&8 $ 它 也 使
>%+ 合金也是第二代粉末高温合金$由
法国国家宇航研究院’巴黎矿业学院试验室 和 ).?@A 公 司 研 制 的 $ 已 被 选 中 用 于
9:;!++32 材料为例 $从合金研制到盘件装
机试车 $ 全部研究项目在短短四年内就完 成了 ! 另外第二代粉末盘研制继承了早期 粉末盘研制的技术及人才力量 $ 为其快速 发展提供了条件 ! 据报道 $234!5567 材料 四年研制共投资 -)& 万美元! 俄罗斯粉末高温合金的研究与 发展 俄罗斯早在上世纪 %& 年代初期 $几乎 是在美国发展粉末高温合金材料和盘件制
粉末高温合金的应用与发展
>J)I3KK8LMN5L7*IN*OIP)Q)87KR)*5I7SIA#/IFTK)6N88794
!汪武祥
何峰 邹金文 # 北京航空材料研究院
涡
轮盘是航空发动机最重要的核心热 端部件之一 !随着高推比 #高功重比
表 .I 粉末高温合金在高性能发动机上的应用 合金牌号及特点 第一代 发动机 推重比 : 发动机 军用飞机
1>8B.( 公司新型的 .++ 先进燃气涡轮
发动机高压压气机的涡轮盘! 在晶粒度相同 的情况下 $>%+ 的蠕变强度高于 )>%""$裂 纹扩展速率则低于 )>%""! 通过改变加工工 艺和最终热处理$ 可以调整 >%+ 的拉伸性 能和蠕变性能而不影响它的损伤容限性能! 国外在对新合金发展的同时 $ 也对现 有的粉末冶金材料进行挖潜 ! 如对细晶的
粉末高温合金材料的力学特性及其在涡轮盘上的应用研究
应用实践
连接方式：在涡轮盘上应用粉末高温合金材料时，应采用适应高温环境的连 接方式，如激光熔化焊接、电子束焊接等高能束焊接方法，以确保连接部位的强 度和可靠性。
背景
背景
粉末高温合金材料是一种通过粉末冶金工艺制备的合金，具有优异的抗氧化、 抗蠕变和抗疲劳性能。自20世纪60年代粉末高温合金材料问世以来，一直是航空、 航天、能源等领域的重要候选材料。随着涡轮盘在航空、航天、能源等领域的应 用越来越广泛，对于粉末高温合金材料在涡轮盘上的应用研究也日益受到。
材料选择
镍基单晶合金是一种先进的材料，因其出色的高温强度、良好的抗氧化性和 抗腐蚀性，广泛应用于航空、航天和能源等领域。特别是在冷却涡轮叶片上的应 用，其力学特性发挥着至关重要的作用。本次演示将对镍基单晶合金的力学特性 进行深入探讨，并分析其在冷却涡轮叶片上的应用。
二、镍基单晶合金的力学特性
二、镍基单晶合金的力学特性
内容摘要
在石油和化工领域，粉末高温合金可用于制造高温炉具和反应器等关键设备， 提高设备的耐高温性能和抗腐蚀性能。
内容摘要
总之，粉末高温合金作为一种具有优异高温性能和抗氧化性能的合金材料， 在航空、航天、石油和化工等领域有着广泛的应用前景。随着科技的不断发展， 粉末高温合金的研究和应用也将不断深入和扩展，为我国的经济发展和科技进步 做出更加重要的贡献。
三、镍基单晶合金在冷却涡轮叶 片上的应用分析
三、镍基单晶合金在冷却涡轮叶片上的应用分析
粉末冶金高温合金
发展过程
粉末冶金高温合金在高温合金中起强化作用的析出相（金属间化合物或碳化物）随温度升高会重新溶入基体。 因此，高温合金的最高工作温度必然受强化相溶解温度的限制。为解决这一问题，从50年代起美国克里门斯(ns) 和格雷戈里(E.Gregory)等人开始了氧化物弥散强化高温合金的研究。
成分性能
粉末冶金高温合金几种常用沉淀强化型粉末高温合金的化学成分见表1。这些合金与同牌号的用铸造或变形工 艺制备的高温合金相比，含碳量较低，可以避免在粉末颗粒边界析出碳化物膜,影响材料性能。表1中的MERL76合 金是在IN 100合金成分的基础上降低碳含量，并加入强碳化物形成元素铌和铪，这就消除了粉末颗粒表面不良问 题，提高了合金强度，并且可以采用直接热等静压成形工艺。
用粉末冶金工艺制取的高温合金。现代喷气推进技术的发展，对高温合金工作温度及性能的要求日益提高。 用变形工艺和铸造工艺制备高合金化的高温合金，由于铸锭偏析严重、加工性能差和成形困难，已不能满足要求。 而采用粉末冶金工艺，由于粉末颗粒细小，凝固速度快，合金成分均匀，因而产品没有宏观偏析，性能稳定,加工 性能良好,而且可以进一步提高合金化程度。在粉末冶金技术中采用热等静压直接成形或用超塑性等温锻造成接近 制品尺寸的工艺,还可以提高金属利用率,减少机械加工量，从而降低成本。粉末冶金技术的缺点是金属粉末易于 氧化和污染，工艺要求严格。按合金强化方式可分为沉淀强化型和氧化物弥散强化型两类（见金属的强化）。
粉末冶金高温合金
几种常用的沉淀强化型粉末高温合金的性能见表 2。这些合金的屈服强度和疲劳强度显然高于同牌号的铸造 成形和变形高温合金。
高品质粉末高温合金涡轮盘成型工艺研究与示范
高品质粉末高温合金涡轮盘成型工艺研究与示范
高品质粉末高温合金涡轮盘成型工艺研究与示范是指对高品质粉末高温合金涡轮盘的成型工艺进行研究，并进行示范生产。
高品质粉末高温合金涡轮盘是一种重要的高温结构部件，广泛应用于航空、航天、能源等领域。
该研究首先对高品质粉末高温合金的成分、微观结构、力学性能等进行分析和研究，以确定适合成型工艺的材料特性和要求。
然后，针对涡轮盘的形状、尺寸和结构要求，研发适用于高品质粉末高温合金的成型工艺，包括粉末冶金成型技术、热等静压成型技术、射频等离子熔凝成型技术等。
在工艺研究的基础上，进行示范生产，对设计的成型工艺进行实际应用和验证。
通过试验生产和性能测试，评估成型工艺的可行性和效果，并对工艺进行优化。
同时，还可以开展高品质粉末高温合金涡轮盘的仿真模拟研究，以提高成型工艺的精度和效率。
高品质粉末高温合金涡轮盘成型工艺研究与示范的目的是提供一种先进、可靠的涡轮盘成型工艺，提高高品质粉末高温合金涡轮盘的制造质量和生产效率，满足航空、航天、能源等领域对高温结构部件的需求。
粉末高温合金材料的研究开题报告-北科大
目录1 文献综述 (1)1.1 粉末高温合金的概况 (1)1.1.1 镍基高温合金的特点 (1)1.1.2 粉末高温合金的特点 (2)1.1.3 粉末制备方法的比较 (3)1.1.4 成形工艺的比较 (4)1.1.5 热处理工艺 (4)1.1.6 研究发展前景 (6)1.2 粉末高温合金组织缺陷的来源及分析 (8)1.2.1 原始颗粒边界的来源及分析 (8)1.2.2 夹杂物的来源及分析 (11)1.2.3 热诱导孔洞的来源及分析 (18)1.3 粉末高温合金的组织缺陷的控制 (20)1.3.1 原始颗粒边界的控制 (20)1.3.2 夹杂物的控制 (21)1.3.3 热诱导孔洞的控制 (24)2 选题报告 (26)2.1 课题来源与选题意义 (26)2.2 课题研究主要内容及具体方案 (27)2.3 课题研究时间安排 (28)参考文献 (29)1文献综述1.1粉末高温合金的概况粉末高温合金（Powder Metallurgy Superalloy ），总的来说是用粉末冶金工艺制成的高温合金，具体是通过制备粉末、成形、固实、烧结工艺过程来制造的高温合金。
1.1.1镍基高温合金的特点从三代典型粉末高温合金的成分中，如从表1中可以看出，基本上粉末高温合金的Ni质量分数ω(Ni)≥50% 。
表1 三代典型粉末高温合金的成分（质量分数%）[1]例如第一代的René95合金、MERL76 合金，IN100合金等，第二代的René88DT合金、AF115合金、N18合金等，以及第三代的René104 (ME3)、Alloy10合金、RR1000合金等典型的粉末高温合金，都是以Ni元素作为基体的。
一般情况下，高温合金的基体元素有三种，分别是铁、钴、镍元素。
它们的合金强化的特点不同，基本特性也有差异。
以镍作为一种最佳的基体元素，才使得镍基高温合金成为最佳的高温合金系列，那么它的突出特点[2]是：（1）镍基面心立方结构，没有同素异构转变，而铁、钴室温下分别为体心立方和密排六方结构，高温下为面心立方奥氏体结构。
718合金粉末
718合金粉末
718合金粉末是一种高温合金加工材料，主要由镍、铬、钼和铁等元素组成。
它具有极高的耐腐蚀性和高温强度，广泛应用于航空航天、化工、能源和船舶等领域。
718合金粉末的制备方法主要有燃气等离子喷射法、机械球磨法和化学还原法等多种方式。
其中，燃气等离子喷射法是目前应用最广泛的制备方法之一，它能够制备出具有较高致密性和均匀微观结构的718合金粉末。
718合金粉末的应用主要是通过粉末冶金技术制备出高温合金部件，如涡轮叶片、燃气轮盘和燃烧室等。
在制备过程中，通过烧结、热压和热等静压等技术，可以使718合金粉末具有良好的机械性能和高温稳定性。
总的来说，718合金粉末是一种十分重要的高温合金加工材料，具有广泛的应用前景和巨大的市场潜力。
- 1 -。
粉末冶金在燃气轮机涡轮盘中的应用
高性能粉末高温合金在涡轮轮盘中的应用涡轮盘是发动机重要的热端部件之一, 它在极为苛刻的条件下工作,船舶运行时承受着启动-停车循环中的机械应力和温差引起的热应力的叠加作用, 因而要求材料具有足够的力学性能和理化性能, 特别是在使用温度范围内要有尽可能高的低周循环疲劳和热疲劳性能, 这是确定涡轮盘工作寿命的关键因素。
粉末（镍基）高温合金由于具有无宏观偏析、晶粒细小、组织均匀和热加工性能好等优点,很快成为高推重比船舶发动机涡轮盘等关键热端部件的首选材料。
一．国内外发展情况俄罗斯粉末高温合金的研究始于60年代末,1978 年, 粉末高温合金涡轮盘正式在军用发动机上使用, 至今已有20多年。
而美国则在1971年由普·惠公司将铸造合金IN100制成合金粉末, 经挤压塑性等温锻工艺制成涡轮盘、压气机转子。
GE 公司还发展了高蠕变性能的AF115粉末合金, 与高拉伸强度的粉末相配合, 为制造双性能盘提供了有利条件。
在制造工艺方面,欧美国家采用的则是氢气雾化的制粉工艺, 以挤压和等温锻为主的成形工艺。
而俄罗斯在近几年也已建立了大气和真空条件下的等温锻装置, 开展了粉末高温合金等温锻和超塑性锻造的研究。
我国粉末盘的研制从80年代初开始, 重点仿制了高拉伸强度粉末合金, 进行了母合金熔炼, 氢气雾化制粉, 粉末处理, 等静压成形,等温锻, 热处理, 超声检验及表面强化等研究。
90 年代初从俄罗斯引进大型的用于工业化生产的等离子旋转电极制粉设备及盘件生产线, 进行了包套模锻盘的试验研制, 发现了存在的一些问题。
因此, 目前我国倾向于采用HIP等温锻或热模锻工艺路线。
80 年代以前, 粉末盘材料的研究主要追求高强度。
近年来, 随着设计结构完整性大纲的贯彻, 出现了适应损伤容限设计的第二代粉末盘材料。
这类材料的特点是裂纹扩展速率比传统粉末盘合金明显降低, 缺口扩展速率对环境的变化不敏感。
这样, 盘件的检修周期可以大大延长, 明显降低了运行费用。
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本国在涡轮盘材料和结构设计上与国外的差距依然很大。
为了满足国内发动机的迫切需求，应当在参照国外先进制 备工艺的基础上，加大对大型先进设备的引进与投入，争
取实现跨越式发展，早日实现本国高性能粉末盘的工程化
应用。
•
参考文献
[1] 邹金文, 汪武祥. 粉末高温合金研究进展与应用[J]. 航空 材料学报, 2007, 26(3): 244-250. [2] 国为民, 冯涤, 吴剑涛等. 镍基粉末高温合金冶金工艺的
下图是新型第三代粉末高温合金的热处理工艺曲线图。
图2 合金的热处理工艺曲线
粉末高温合金的发展前景
粉末高温合金的发展已经进行了近50年，在生产工艺 逐渐趋予成熟的条件下，今后一系列性能更为优异的合金
也将被相继开发出来，今后具体发展方向可分为以下几个
方面[5]： (1)粉末制备
粉末的制备包括制粉和粉末处理。目前，主要制粉工艺
除此之外，粉末高温合金的固结成形工艺还有真空烧结、
压力烧结、金属注射成形(MIM)以及喷射成形(Osprey) 工 艺。
热加工及热处理工艺 粉末高温合金的锻造成型主要是与热等静压和热挤压相 结合使用的，锻造变形主要可以消除PPB(原始颗粒边界)和
枝晶，还可以对夹杂起到破碎作用，由于在形变过程中晶粒
众所周知，高温合金的化学成分是非常复杂的。除杂
质元素外，一般都含有十几种合金元素。可根据它在合金中 的基本作用归纳为六个主要方面： （1）形成面心立方元素：镍、铁、钴和锰构成高温合金 的奥氏体基体γ。
（2）表面稳定元素：铬、铝、钛、钽。铬和铝主要提高
合金抗氧化能力，钛和钽有利于抗热腐蚀。
（3）固溶强化元素：钨、钼、铬、铌、钽和铝，溶解于 γ基体强化固溶体。 （4）金属间化合物强化元素：铝、钛、铌、钽、鉿和钨 形成金属间化合物Ni3Al、Ni3Nb、Ni3Ti等强化合金。
拟预测淬火过程的应力分布及温度场分布情况，优化设计
合金成分、热等静压包套、锻造模具等，随着粉末高温合 金技术的不断发展，计算机模拟技术的应用将会越来越广
泛。
结束语
由于粉末高温合金被首选用作高推重比航空发动机涡 轮盘材料，具有重要的战略意义，因此各国对这方面的研 究都比较重视。本国自从20世纪70年代末开展了粉末高温 合金的研究以来，也取得了长足的进步。但就目前来说，
标题：粉末高温合金
开 篇 引 言
粉末高温合金是20世纪60年代诞生的新一
代高温合金材料，由于用精细的金属粉末作为 成形材料，经过热加工处理得到的合金组织均 匀、无宏观偏析、合金化程度高，而且具有屈 服强度高和疲劳性能好等一系列优点，因此， 很快成为高推重比航空发动机涡轮盘等关键部 件的首选材料。以下我就粉末高温合金作几点 介绍。
化物M3B2，硫化物M2SC等相。
'
这些相在合金中起着不同作用, 有些是高温合金的主 要强化相如γ′相 ，有些损害合金的强度和延性相的分析包
括组成相的形态、分布、数量、结构、成分及其变化规律
是控制性能的重要环节。
三、Ni基粉末高温合金的组织 高温合金从基体上主要可以分为铁基、镍基和钻基高 温合金。由于镍基高温合金具有良好的综合性能，故得到 了广泛的应用。镍基粉末高温合金的组织结构主要是由面 心立方结构的奥氏体（基体）、γ′相 （ 主要强化相）和碳
元素， 通过固溶强化、时效强化和晶界强化使合金获得足 够的高温强度和其他综合性能。由于成分复杂，合金组成
相也甚多。就实用的铁基、镍基、钴基合金来说，目前常
见的组成相多达十余种，如碳化物 M 23C6 , M 6C, M12C, MC ， 金属间化合物 ', ', '', , , Laves, , G, ，硼
的基础上适当降低碳含量，添加了MC型强碳化物形成元素 Nb、Hf等，以防止形成原始粉末颗粒边界PPB而发展起来的
，第一代粉末高温合金中强化相γ含量高，晶粒细小，抗拉
强度高，其使用温度通常在650℃[3]。
•
为了提高第一代粉末高温合金的疲劳抗力和使用温度，
第二代粉末高温合金增大了第一代高温合金的晶粒度，使得 其抗拉强度较低，但具有较高的蠕变强度、裂纹扩展抗力及 损伤容限。 • 为了获得更好的性能，第三代粉末高温合金在合金成分
[5] 张义文,上官永恒. 粉末冶金高温合金的研究与发展[J ] . 粉
末冶金工业,2004 ,14 (6) :30 - 43.
[6] R.J. Mitchell, M. Preuss, S.Tin, et al. The influence of cooling rate from temperatures above the γ′solvus on morphology,
化物（MC、M6C、M23C6、M7C3）所组成。随着合金的发
展， γ′相形成元素（Al+Ti）的含量也越来越高， γ′相的数 量最高增加到65%，合金强度不断提高[2]。
粉末高温合金的发展历程和研究现状
发展历程：
•
经过近40年的发展，镍基粉末高温合金目前已经历了第
一代、第二代和第三代的研制历程。 • 第一代粉末高温合金是在变形盘件合金或铸造叶片合金
展历史表明涡轮盘材料性能一直是制约其技术性能、可靠
性及安全性的关键因素之一。随着高性能航空发动机的发 展，对涡轮盘材料的性能要求越来越高越来越严格，传统
的铸锻高温合金由于合金化程度的提高，铸锭偏析严重，
压力加工成型困难，已难以满足要求。
于20世纪60年代开始研发的新一代高温合金材料— 粉末高温合金，利用粉末冶金工艺生产，以精细金属粉 末作为成形材料，采用预合金粉末、热等静压、挤压、
上进行了优化，提高了合金化程度，并采用了合适的冶金工 艺，获得的合金组织较前两代更为理想，因此第三代粉末高
温合金具备了强度和损伤容限兼优的性能特点，而且可以在
很高的温度下使用[4]。
研究现状：
由于粉末高温合金的研制技术难度高、投资大、涉及
的学科领域广，目前世界上只有美国和俄罗斯研究较深入 ，技术相对成熟；而英国、法国、德国和中国也正在进行
包括氩气雾化(AA)和等离子旋转电极法(PREP)都在积极改 进，尽量降低粉末粒度和杂质含量。沿着制造超纯净细粉 方向发展。另外，对粉末进行真空脱气和双韧化处理，提 高压实盘坯的致密度和改善材料的强度和塑性，也是一个 重要的研究内容。
(2)热处理工艺
热处理工艺是制备高性能粉末高温合金的关键技术之
一，由于在淬火过程中开裂问题经常发生，因此，如何选 择合适的淬火介质或者合理的冷却曲线降低淬裂几率是热
2
内 容 导 览
粉末高温合金概述 粉末高温合金的研究现状 粉末高温合金的制备方法 粉末高温合金的发展前景
粉末高温合金概述
一、粉末高温合金的研究背景： 涡轮盘是燃气涡轮发动机关键件之一。其工作条件十
分苛刻，在高温、高转速、高应力、高速气流下工作，涡
轮盘各部承受不同的交变负荷，其工作状况直接影响发动 机的可靠性、安全性和耐久性。航空燃气涡轮发动机的发
粉末高温合部件的研究和生产。在粉末高温合金的领域，
美国和俄罗斯工艺各异，都居于世界领先地位。我国于上 世纪70年代末开展粉末高温合金研究，目前研制粉末高温 合金的单位主要有钢铁研究总院、北京航空材料研究院 (621所)和北京科技大学等。
粉末高温合金的制备方法
目前粉末冶金高温合金的工艺流程大致如下: 预合金 粉末的制造→压实(热压、热等静压、挤压等) →热加工 变形(模锻、轧制、等温锻等) →机加工→无损检测→热 处理[2]。这些制造工艺水平的高低决定着合金的组织和性 能，对合金的晶粒度，基体中强化相尺寸、形状、分布和
mismatch and hardness in advanced polycrystalline nickelbase superalloys[J]. Materials Science and Engineering A, 2008, 473: 158-165.
用AA 制粉工艺生产高温合金粉末。
表1 三种制粉工艺特性比较 生产工艺
粉末形状 及特征 粉末粒度 粒度分布 粉末纯度
AA
粉末主要 为球形,空 心粉较多 范围宽,平 均粒度较 细。 纯度较差, 有坩埚等 污染。 氧含量较 高
PREP(REP)
粉末为球形,表面光 洁,空心粉少。 粒度分布范围较窄, 平均粒度较粗,一般 大于50μm。 纯度较高,基本保持 母合金棒料的水平, 无坩埚污染。 氧含量较低,与母合 金棒料相当,小于70 ×10 - 6 。
研究与发展[J]. 材料工程, 2002, 3: 44-48.
[3] 张义文, 上官永恒. 粉末高温合金的研究与发展[J]. 粉末 冶金工业, 2004, 14(6): 30-42. [4] 胡本芙, 刘国权, 贾成厂等. 新型高性能粉末高温合金的 研究与发展[J]. 材料工程, 2008, 2: 49-53.
同时使碳化物的分布更加合理，组织更加稳定，从而进一步
提高性能。时效制度的两个主要参数就是时效的温度和时效 的次数。一般二次时效后，细小γ′相含量将增加[6]。
对于镍基粉末高温合金的热处理工艺来说，固溶处理
是为了溶解基体内的碳化物、 γ′相等，从而得到均匀的固
溶体，以便时效时均匀地析出γ′相，另外通过固溶处理还 可以获得适宜的晶粒度，以便提高合金的强度或高温蠕变 性能等。固溶温度的高低通常是以γ′相的溶解温度为基准 的。一般在低于γ′相溶解温度进行固溶处理，得到细晶组 织，屈服强度和疲劳性能好；而在γ′相溶解温度以上进行 固溶处理，得到粗晶组织，蠕变强度高和裂纹扩展速率低 。
数量等有直接的影响。
制粉与成型工艺 粉末的制备是粉末高温合金生产过程中最重要的环 节，粉末的质量直接影响零件的性能，目前在实际生产中
主要采用AA 工艺、PREP(REP) 工艺和溶氢雾化( SHA)