消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，屬于粉末冶金材料領(lǐng)域。對(duì)霧化粉末進(jìn)行機(jī)械球磨處理，然后進(jìn)行粉末熱固結(jié)成形，制備粉末冶金高溫合金。霧化粉末經(jīng)過機(jī)械球磨，得到表面活化的實(shí)心粉末，在熱固結(jié)成形時(shí)，可以有效消除粉末顆粒原始邊界，提高界面結(jié)合強(qiáng)度；消除霧化粉末的空心缺陷和凝固縮孔，釋放封閉在粉末空心缺陷中的殘留氣體，從而消除內(nèi)部孔洞和熱誘導(dǎo)孔洞。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備和工藝無特別要求，有利于規(guī)?；苽浜蛻?yīng)用。
【專利說明】
消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，屬于粉末冶金材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]粉末冶金高溫合金的原始顆粒邊界(PPB)、內(nèi)部孔洞或熱誘導(dǎo)孔洞等缺陷是粉末高溫合金的主要缺陷，一旦形成，很難消除，嚴(yán)重降低合金的力學(xué)性能。
[0003]針對(duì)粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界缺陷，中國(guó)專利CN102409276A，公開了一種消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界的方法，對(duì)直接熱等靜壓后的粉末冶金高溫合金進(jìn)行高溫固溶處理，高溫固溶處理溫度為1180?1220°C，保溫時(shí)間為1.5?4h，能夠有效地消除或減弱原始顆粒邊界。中國(guó)專利CN102676881A，公開了一種消除原始顆粒邊界的鎳基粉末冶金高溫合金，該合金包括FGH4096和FGH4097，此兩種合金在冶煉過程中另加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.15-0.9%的Hf，加入元素Hf在粉末顆粒內(nèi)部形成MC型碳化物，以減少在原始顆粒邊界析出，從而使直接熱等靜壓后的鎳基粉末冶金高溫合金進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理后，消除鎳基粉末冶金高溫合金中的原始顆粒邊界，在力學(xué)性能上表現(xiàn)為改善了合金的缺口敏感性。中國(guó)專利CN103551573A，公開了一種可避免原始顆粒邊界相析出的高溫合金粉末熱等靜壓工藝。其中，第一步的熱等靜壓溫度應(yīng)高于合金粉末的低熔點(diǎn)相的初熔溫度且低于完全均勻化合金的固相線以上15°C，氣體壓力應(yīng)大于或等于90MPa，時(shí)間大于或等于20分鐘且小于或等于I個(gè)小時(shí)。第一步完成后，停止加熱，將粉末包套隨爐冷卻至合金粉末的低熔點(diǎn)相的初熔溫度以下保溫，保溫過程即為第二步；第二步的保持時(shí)間大于或等于2小時(shí)，以保證第一步后冷卻過程中形成的低熔點(diǎn)相能夠在保溫過程中完全溶解，壓力大于或等于90MPa，第二步完成后停止加熱隨爐冷卻至室溫。該發(fā)明可以避免碳化物等析出相沿粉末原始顆粒邊界析出，從而得到致密且顯微組織為等軸晶的合金。中國(guó)專利CN103447341A，公開了一種粉末高溫合金制坯的等通道擠壓模具，用于改善粉末高溫合金坯料組織特征，坯料進(jìn)入模具后，其截面分別經(jīng)過圓截面到橢圓截面扭轉(zhuǎn)到圓截面，這種變形為扭轉(zhuǎn)剪切變形和擠壓變形的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一道次擠壓過程中多種變形模式的組合。在變形扭轉(zhuǎn)過渡段，由于橢圓扭轉(zhuǎn)面的扭轉(zhuǎn)變形，坯料在剪切應(yīng)力的作用下，發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和剪切應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)晶粒的剪切破碎，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。同時(shí)，由于坯料受到型腔的限制，處于壓應(yīng)力狀態(tài)下的坯料晶間變形困難，可抑制變形體原存在的各種微觀缺陷的發(fā)展。該發(fā)明晶粒細(xì)化效果明顯，原始顆粒邊界消除徹底，粉末高溫合金坯料的綜合力學(xué)性能得到明顯提高。
[0004]上述發(fā)明都是通過對(duì)粉末成形后的坯體進(jìn)行處理來消除粉末顆粒原始邊界，是在粉末顆粒原始邊界形成之后采取的補(bǔ)救措施。受工藝因素的制約，粉末顆粒原始邊界的消除效果有限，或無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。
[0005]對(duì)于如何消除粉末冶金高溫合金的孔洞缺陷，上述發(fā)明專利則沒有涉及。
[0006]粉末高溫合金中的孔洞缺陷包括內(nèi)部孔洞和熱誘導(dǎo)孔洞。其中，內(nèi)部孔洞主要是由粉末空心缺陷導(dǎo)致的殘留孔洞，熱誘導(dǎo)孔洞是殘留氣體在熱處理過程中產(chǎn)生膨脹導(dǎo)致的孔洞缺陷。因此，粉末空心缺陷是導(dǎo)致粉末高溫合金出現(xiàn)孔洞缺陷的主要來源。
[0007]粉末空心是霧化粉末中普遍存在的缺陷，這是霧化工藝特點(diǎn)決定的，無法避免。霧化粉末內(nèi)部形成的空心是完全封閉的，在后續(xù)粉末成形過程中難以消除，殘留在材料內(nèi)部形成殘留孔洞。封閉在霧化空心缺陷中的殘留氣體，在隨后的熱處理過程中發(fā)生膨脹，形成熱誘導(dǎo)孔洞，或誘發(fā)裂紋。這些孔洞嚴(yán)重降低粉末高溫合金的力學(xué)性能，特別是持久壽命和疲勞性能。
[0008]目前霧化工藝制備的粉末中，大粒徑粉末的空心率比較高。長(zhǎng)期以來，本領(lǐng)域采取粉末篩分的方法去除空心粉。篩分方法可以去除大尺寸空心粉末，但不能完全去除空心粉末，因?yàn)檫^篩的小尺寸粉末也會(huì)出現(xiàn)空心缺陷。針對(duì)霧化粉末出現(xiàn)的空心缺陷，通常采用控制霧化工藝來進(jìn)行控制。但是，霧化工藝特點(diǎn)決定了通過控制霧化工藝只能降低粉末空心率，不能完全消除粉末空心缺陷。
[0009]針對(duì)粉末空心缺陷導(dǎo)致的粉末高溫合金材料內(nèi)部孔洞和熱誘導(dǎo)孔洞，國(guó)內(nèi)外未見通過消除霧化合金粉末空心缺陷，進(jìn)而消除內(nèi)部孔洞和熱誘導(dǎo)孔洞的公開報(bào)道。
[0010]至今為止，國(guó)內(nèi)外未見通過球磨處理消除霧化合金粉末空心缺陷，獲得表面活化的實(shí)心粉末，進(jìn)而消除粉末顆粒原始邊界、內(nèi)部孔洞和熱誘導(dǎo)孔洞的公開報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法。
[0012]本發(fā)明一種消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，首先對(duì)霧化法制備的高溫合金粉末進(jìn)行機(jī)械球磨處理，制備得到表面活化的實(shí)心粉末，然后進(jìn)行粉末熱固結(jié)成形，制備粉末冶金高溫合金。
[0013]本發(fā)明一種消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，所述霧化合金粉末的粒度小于等于150μπι(-100目)，優(yōu)選為小于等于106μπι(-150目)，進(jìn)一步優(yōu)選為小于等于75 μ m (-200目)。
[0014]本發(fā)明一種消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，球磨時(shí)，所用球磨機(jī)為行星式球磨機(jī)、攪拌式球磨機(jī)、滾筒式球磨機(jī)中的一種，優(yōu)選為行星式球磨機(jī)。
[0015]本發(fā)明一種消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，球磨在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行。
[0016]本發(fā)明一種消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，將霧化粉末入球磨罐，球料比:(8?12): 1，在行星式球磨機(jī)中球磨，球磨轉(zhuǎn)速為250?350r/min，時(shí)間為I?4h。
[0017]本發(fā)明一種消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，將霧化粉末入球磨罐，球料比為(8?15): 1，在攪拌球磨機(jī)中球磨，球磨轉(zhuǎn)速為60?150r/min，時(shí)間為2 ?6h ;
[0018]本發(fā)明一種消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，熱固結(jié)成形采用熱等靜壓成形、熱擠壓成形、等離子燒結(jié)成形中的一種成型方式。
[0019]本發(fā)明一種消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，所述熱等靜壓成形是:1000?1250°c /100?150MPa/4h熱等靜壓成形。
[0020]本發(fā)明一種消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，所述熱擠壓成形是:將步驟一所得混合粉末裝入鋼包套，對(duì)包套內(nèi)抽真空至10 1Pa以下，除氣60min以上，封焊；然后在900?1200°C進(jìn)行熱擠壓成形；所述熱擠壓成形的擠壓比為(6?15):1。
[0021]本發(fā)明一種消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，所述等離子燒結(jié)成形是:1000?1250°C /40?150MPa/5?1min等離子燒結(jié)成形。
[0022]本發(fā)明一種消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，將熱固結(jié)成形后的高溫合金材料進(jìn)行固溶和時(shí)效處理；固溶工藝參數(shù)為:1000?1250°C保溫I?2h后，空冷，時(shí)效處理工藝參數(shù)為:700?900°C保溫4?10h，空冷。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0024]本專利提出對(duì)霧化粉末進(jìn)行機(jī)械球磨處理，提高粉末表面活性，消除粉末顆粒內(nèi)部空心缺陷，從而消除粉末顆粒原始邊界、內(nèi)部孔洞和熱誘導(dǎo)孔洞，提高綜合力學(xué)性能。
[0025]霧化粉末經(jīng)過球磨處理，使粉末表面活化，獲得高表面活性粉末，在熱固結(jié)成形時(shí)，可以有效消除粉末原始邊界，提高界面結(jié)合強(qiáng)度；粉末經(jīng)球磨產(chǎn)生變形，消除粉末顆粒內(nèi)部空心缺陷和凝固縮孔，獲得完全實(shí)心粉末，封閉在粉末空心中的氣體得到釋放，從而在熱固結(jié)成形時(shí)有效消除內(nèi)部孔洞和熱誘導(dǎo)孔洞，改善綜合力學(xué)性能；霧化粉末經(jīng)過球磨處理產(chǎn)生變形，有利于再結(jié)晶形成等軸晶組織，提高性能。
[0026]綜上所述，一種消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，對(duì)霧化預(yù)合金粉末進(jìn)行球磨處理，獲得高表面活性實(shí)心粉末，再進(jìn)行熱固結(jié)成形，制備得到粉末冶金高溫合金。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，有利于規(guī)模化制備和應(yīng)用。
【附圖說明】
[0027]附圖1是本發(fā)明對(duì)比例采用霧化鎳基高溫合金粉末進(jìn)行等離子燒結(jié)成形制備的Renel04鎳基高溫合金金相顯微組織。
[0028]附圖2是本發(fā)明實(shí)施例1鎳基高溫合金霧化粉末截面掃描電鏡(SEM)圖
[0029]附圖3是本發(fā)明實(shí)施例1鎳基高溫合金霧化粉末經(jīng)機(jī)械球磨后的粉末截面SEM圖
[0030]附圖4是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例I霧化鎳基高溫合金粉末經(jīng)機(jī)械球磨后，等離子燒結(jié)成形制備的Renel04鎳基高溫合金金相顯微組織。
[0031]從附圖1的金相觀察結(jié)果可知，霧化粉末直接成形制備的鎳基高溫合金顯微組織出現(xiàn)了明顯的原始顆粒邊界(PPB)，附圖1中的1、2所指示均為原始顆粒邊界。
[0032]從附圖2的SEM觀察結(jié)果可知，實(shí)施實(shí)例I中部分霧化粉末出現(xiàn)了明顯的空心缺陷，附圖2中3、4、5、6均為空心缺陷。
[0033]從附圖3的SEM觀察結(jié)果可知，實(shí)施實(shí)例I中霧化粉末經(jīng)機(jī)械球磨后，粉末截面沒有觀察到空心現(xiàn)象。
[0034]從附圖4的光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果可知，實(shí)施例1制備的鎳基高溫合金顯微組織，沒有觀察到明顯的原始顆粒邊界。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0036]對(duì)比例:霧化粉末直接等離子燒結(jié)制備Renel04鎳基高溫合金
[0037]將氣體霧化Renel04鎳基預(yù)合金粉末(成分為N1-13Co-16Cr-4Mo-4W_2.2A1-3.7T1-0.77Nb(wt% ))進(jìn)行等離子燒結(jié)，工藝參數(shù)為1150°C /40MPa/保溫5min，再進(jìn)行固溶處理:1180°C固溶/lh/爐冷，然后進(jìn)行815°C /8h時(shí)效處理，得到鎳基高溫合金。
[0038]附圖1是本對(duì)比例制備的Renel04鎳基高溫合金的顯微組織，可以觀察到明顯的原始顆粒邊界，見附圖1中的1、2所指示的部位。
[0039]實(shí)施例1:
[0040]將氣體霧化Renel04鎳基預(yù)合金粉末裝入球磨罐，球料比:10:1，在氬氣保護(hù)下，在行星球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，球磨轉(zhuǎn)速為250r/min，球磨時(shí)間為1.5h，得到球磨鎳基高溫合金粉末。
[0041]將球磨鎳基高溫合金粉末在1150°C /40MPa進(jìn)行等離子燒結(jié)，保溫5min，然后進(jìn)行固溶處理:1180°C固溶/lh/爐冷，然后進(jìn)行815°C /8h時(shí)效處理，得到鎳基高溫合金。
[0042]附圖2是本實(shí)施例霧化粉末截面掃描電鏡(SEM)圖片，圖中部分粉末出現(xiàn)了明顯的空心缺陷，見附圖2中3、4、5、6所指示。附圖3為本實(shí)施例霧化粉末經(jīng)機(jī)械球磨后，粉末截面SEM圖，沒有觀察到粉末空心現(xiàn)象。附圖4是本實(shí)施例制備的鎳基粉末高溫合金的金相顯微組織，沒有觀察到明顯的原始顆粒邊界。
[0043]實(shí)施例2:
[0044]將氣體霧化Renel04鎳基預(yù)合金粉末裝入球磨罐，在氬氣保護(hù)中，在攪拌式球磨機(jī)中球磨，球磨轉(zhuǎn)速為100r/min，球磨時(shí)間為3h，得到球磨鎳基高溫合金粉末。
[0045]將球磨粉末裝入鋼包套，抽真空除氣、焊封；在1100°C進(jìn)行熱擠壓成型，擠壓比為10:1，獲得高致密度的鎳基合金棒材；最后在1115°C固溶lh+1170°C固溶3h/空冷，845 °C時(shí)效4h+760°C時(shí)效8h/空冷，得到鎳基高溫合金。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:首先對(duì)霧化法制備的高溫合金粉末進(jìn)行機(jī)械球磨處理，制備得到表面活化的實(shí)心粉末，然后進(jìn)行粉末熱固結(jié)成形，制備粉末冶金高溫合金。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:所述霧化合金粉末的粒度小于等于150 μ m。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:球磨時(shí)，所用球磨機(jī)為行星式球磨機(jī)、攪拌式球磨機(jī)、滾筒式球磨機(jī)中的一種。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:球磨在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:將霧化粉末入球磨罐，球料比:(8?12): 1，在行星式球磨機(jī)中球磨，球磨轉(zhuǎn)速為250 ?350r/min，時(shí)間為 I ?4h。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:將霧化粉末入球磨罐，球料比為(8?15):1，在攪拌球磨機(jī)中球磨，球磨轉(zhuǎn)速為60?150r/min，時(shí)間為2?6h。7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:熱固結(jié)成形采用熱等靜壓成形、熱擠壓成形、等離子燒結(jié)成形中的一種成型方式。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，其特征在于: 熱等靜壓成形工藝參數(shù)是:1000?1250°C /100?150MPa/4h ； 熱擠壓成形工藝參數(shù)是:在900?1200°C進(jìn)行熱擠壓成形；所述熱擠壓成形的擠壓比為(6 ?15):1 ; 等離子燒結(jié)成形工藝參數(shù)是:1000?1250°C /40?150MPa/5?lOmin。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:將熱固結(jié)成形后的高溫合金材料進(jìn)行固溶和時(shí)效處理。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的消除粉末冶金高溫合金原始顆粒邊界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:固溶處理工藝參數(shù)為:1000?1250°C保溫I?2h，空冷；時(shí)效處理工藝參數(shù)為:700?900°C保溫4?1h,空冷。
【文檔編號(hào)】C22C1/04GK106032554SQ201510103503
【公開日】2016年10月19日
【申請(qǐng)日】2015年3月9日
【發(fā)明人】劉祖銘, 蘇鵬飛, 黃伯云, 段清龍, 郭旸, 麻夢(mèng)梅
【申請(qǐng)人】中南大學(xué)