粉體，是如何卡了先進航空發動機的脖子？

作為“工業之花”的航空發動機是航空航天工業中的核心技術部件之一，其四大熱端部件分別為燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤，其中渦輪盤是航空發動機四大熱端部件中質量占比最大的部件，目前航空航天發動機渦輪盤件應用的主要材料是粉末高溫合金(Powder Metallurgy Superalloy)。

（圖源：Pratt & Whitney）

由于發動機渦輪盤在工作服役過程中會產生很大的熱應力，渦輪盤周邊齒輪位置會承受較大的離心力，并且應力分布復雜，因此對粉末高溫合金材料的各項指標要求很高，例如：需要良好的抗機械疲勞性能、熱膨脹系數、屈服強度、低周疲勞性能以及蠕變性能。

粉末高溫合金是采用粉末冶金工藝生產的高溫合金。在制粉過程中粉末顆粒是由微量液體快速凝固形成，成分偏析被限制在粉末顆粒尺寸以內，消除了常規鑄造中的宏觀偏析，同時快速凝固后的粉末具有組織均勻和晶粒細小的突出優點，顯著提高了合金的力學性能和熱工藝性能。粉末高溫合金因此成為現代高性能航空發動機渦輪盤等關鍵部件的必選材料，粉末渦輪盤的使用成為先進航空發動機的重要標志。

高溫合金粉體制備方法

粉末高溫合金的制備工藝主要包括母合金熔煉、粉體制備、粉體固結成形、熱處理。其中成形過程中粉體的質量直接影響到最終零件的性能好壞，而粉體的質量取決于粉體制備工藝，因此粉體制備是粉末高溫合金生產過程中的重要環節。為滿足各種成形工藝對粉體的要求，粉體的制備方法多種多樣。

粉末高溫合金渦輪盤的制備工藝路線（來源：周亞洲）

俄羅斯主要采用等離子旋轉電極（PREP）法制備高溫合金粉體，而歐美國家主要采用氬氣霧化（AA）法。

AA又分為真空感應熔化氣體霧化(VIGA)和電極感應熔化氣體霧化(EIGA)法。VIGA的細粉收得率高，生產成本低，在工業上應用廣泛。但VIGA中高溫熔體與陶瓷坩堝等耐火材料長時間接觸，可能導致霧化過程中粉體引入夾雜物。EIGA采用無坩堝感應熔化，更適用于高潔凈度金屬粉體的制備。

等離子旋轉電極法（PREP）在制粉時，是將旋轉電極放入霧化室中，利用外加熱源在電極端面上形成熔融金屬薄膜，電極高速旋轉時，熔融金屬在離心力的作用下形成細小液滴，結晶形成金屬粉體。采用該法制得的粉體球形度較好，粒度分布均勻，粉體表面光潔。

兩種制粉工藝特性比較

粉體與粉末高溫合金的缺陷

與傳統的鑄/鍛工藝相比，粉末冶金工藝消除了宏觀偏析，改善了合金的組織，提高了盤件性能。但是，由于其獨特的工藝步驟也帶來了一些不可避免的缺陷，粉末高溫合金中的主要缺陷有原始顆粒邊界(Prior Particle Boundary，PPB)與夾雜(Inclusion)。

PPB是粉末高溫合金的主要缺陷之一。普遍認為PPB的形成離不開粉體顆粒表面、碳、氧3個因素，即原始顆粒邊界上碳和氧的共存和相互作用。PPB阻礙了粉體顆粒間的擴散和冶金結合，并且一旦形成就很難在隨后的熱處理過程中消除。嚴重的PPB會顯著降低合金的塑性和疲勞壽命，甚至造成制件在使用過程中發生斷裂等惡性事故。PPB是在粉體制備和隨后的熱等靜壓過程中形成的，制粉期間，粉體在冷卻過程中會出現不同程度的元素偏析，同時還會生成一定數量的氧化物質點。

夾雜物是制約合金潔凈度提升的主要因素，且夾雜物的遺傳性較強，難以完全去除。因此，夾雜物問題一直是研究的重點和難點。夾雜物主要來源于母合金熔煉和制粉過程，因此需要嚴格控制熔煉和制粉工藝，從源頭上減少夾雜物。

通過選取合適的制粉工藝、嚴格控制制粉過程以及對粉體進行后處理可有效減少粉體中的夾雜物。首先，應優先考慮使用EIGA工藝。因為EIGA具有無耐火材料污染、能耗小的優勢，但該技術存在霧化效率低、粉體粒度大的缺點，該缺點可通過后續的粉體篩分克服。其次，制粉過程中應保持高的惰性氣體純度，并杜絕制粉和粉體處理系統中橡膠等有機物污染粉體。最后，粉體先經過篩分獲得所需粒度范圍，并篩去大尺寸和細小尺寸的夾雜物，再采用靜電分離工藝去除夾雜物。

粉末高溫合金面臨的另一大挑戰是合金制品的成本居高不下，這嚴重限制了其推廣應用。究其原因，首先就是合金的細粉收得率不理想，提高粉末高溫合金的細粉收得率可以從原材料優化、使用合適的制粉及后處理工藝入手。

首先，使用高純凈度的母合金棒材，減少雜質含量。其次，優先考慮使用EIGA工藝制粉。與VIGA和PREP工藝相比，EIGA工藝制備的粉體更細、更潔凈，細粉收得率更高。未來EIGA工藝的細粉收得率還可通過優化霧化參數和改進噴嘴結構進一步提高。最后，對粉體進行篩分、靜電分離等后處理工藝以增加細粉的比例，提高粉體的細粉收得率。

粉體裝備工藝發展

作為我國金屬新材料研發基地、冶金行業重大關鍵與共性技術的創新基地，中國鋼研在粉末高溫合金領域深耕40余載，形成了具有自主知識產權的核心技術，已有若干牌號的粉末高溫合金用于多種型號航空發動機。

1978年其開始從德國Heraeus引進65 kg VIGA制粉裝置以及粉體處理等設備，并自行設計和制造了一臺國內最大的直徑為?690 mm的熱等靜壓機，配備了一臺500 T的等溫鍛造機，于1980年底基本上建成了一條粉末高溫合金研制生產線。

為改善粉末質量、提高盤件的可靠性，從1992年開始從俄羅斯引進先進的等離子旋轉電極工藝（PREP）制粉設備，之后陸續引進了粉末篩分、粉末靜電分離、粉末裝套脫氣封焊以及大型真空退火爐等設備，于1994年在河北涿州建成了第一條粉末高溫合金生產線。

隨著2005年FGH4095合金渦輪盤擋板轉入批量生產，及FGH4097合金渦輪盤訂貨需求的增加，粉體的需求量逐年增大，陸續對生產線設備的機械和電器控制系統進行了改造，控制單元實現了國產化，同時在2011年7月8日啟動了第二條粉末高溫合金生產線的建設，包括PREP制粉、粉末篩分、粉末靜電分離等設備完全實現了自主設計和制造。

2017年從德國引進了電極感應熔化氣體霧化（EIGA）制粉設備，不僅可以生產用于粉末盤的鎳基高溫合金粉體，還可以生產增材制造所需的鎳基高溫合金、鈦合金及其他難熔合金粉體。

從2017年開始對PREP制粉設備進行自主技術改造，實現了制粉用棒料直徑由?50 mm到?60 mm再到?75 mm的技術升級，粉體產能分別提高了0.44、1.25倍，大大提高了生產效率。

總結與展望

在粉末高溫合金生產工藝過程中，高溫合金粉體的制備是最為關鍵的工序之一，制備出球形度好、粒徑小、分布均勻、夾雜物含量低的高溫合金粉體可以保證粉末高溫合金盤件的關鍵性能指標，同時也是我國航空渦輪發動機行業對粉末高溫合金關鍵熱端部件的迫切需求。但是目前我國在粉末高溫合金部件原材料粉體的制備方面與歐美等國家仍有一定的差距。

美歐等西方國家多采用AA粉體+HEX+ITF工藝制備粉末盤，粉體粒度不大于53μm或不大于45μm；俄羅斯采用PREP粉體+As-HIP工藝制造粉末盤，粉體粒度為50～140μm。為了進一步降低粉體中的夾雜尺寸，俄羅斯也在考慮采用更細的粉體，并開展了相關的試驗研究。

粉體制備方面，專家建議國內應進一步提高AA細粉(不大于53μm或不大于45μm)收得率；采用75 mm合金棒料制粉，提高50～100μm的PREP粉體收得率，降低成本。棒料直徑?75 mm的PREP制粉設備應盡快實現工業化生產，以提高生產效率和產能、降低生產成本及改善粉末質量。軍用和商用航空發動機發展前景廣闊，對粉末盤的需求市場很大，應盡早放量投入VIGA制粉設備，以滿足粉末盤生產工藝的要求。

參考來源：

[1]張義文等，粉末高溫合金研究進展，鋼鐵研究總院高溫材料研究所

[2]胡連喜等，粉末冶金高溫合金研究及發展現狀，哈爾濱工業大學金屬精密熱加工國家級重點實驗室

[3]張義文等，粉末高溫合金研究進展，北京鋼研高納科技股份有限公司

[4]王杰等，粉末高溫合金的研究進展與發展趨勢，鋼鐵研究總院高溫材料研究所

[5]吳嘉倫，EIGA高溫合金細粉收得率與粉體流動性優化及機理研究，北京科技大學