消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法
【专利摘要】本发明公开了一种消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，属于粉末冶金材料领域。对雾化粉末进行机械球磨处理，然后进行粉末热固结成形，制备粉末冶金高温合金。雾化粉末经过机械球磨，得到表面活化的实心粉末，在热固结成形时，可以有效消除粉末颗粒原始边界，提高界面结合强度；消除雾化粉末的空心缺陷和凝固缩孔，释放封闭在粉末空心缺陷中的残留气体，从而消除内部孔洞和热诱导孔洞。本发明工艺简单，对设备和工艺无特别要求，有利于规模化制备和应用。
【专利说明】
消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，属于粉末冶金材料领域。
【背景技术】
[0002]粉末冶金高温合金的原始颗粒边界(PPB)、内部孔洞或热诱导孔洞等缺陷是粉末高温合金的主要缺陷，一旦形成，很难消除，严重降低合金的力学性能。
[0003]针对粉末冶金高温合金原始颗粒边界缺陷，中国专利CN102409276A，公开了一种消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界的方法，对直接热等静压后的粉末冶金高温合金进行高温固溶处理，高温固溶处理温度为1180?1220°C，保温时间为1.5?4h，能够有效地消除或减弱原始颗粒边界。中国专利CN102676881A，公开了一种消除原始颗粒边界的镍基粉末冶金高温合金，该合金包括FGH4096和FGH4097，此两种合金在冶炼过程中另加入质量百分数为0.15-0.9%的Hf，加入元素Hf在粉末颗粒内部形成MC型碳化物，以减少在原始颗粒边界析出，从而使直接热等静压后的镍基粉末冶金高温合金进行标准热处理后，消除镍基粉末冶金高温合金中的原始颗粒边界，在力学性能上表现为改善了合金的缺口敏感性。中国专利CN103551573A，公开了一种可避免原始颗粒边界相析出的高温合金粉末热等静压工艺。其中，第一步的热等静压温度应高于合金粉末的低熔点相的初熔温度且低于完全均匀化合金的固相线以上15°C，气体压力应大于或等于90MPa，时间大于或等于20分钟且小于或等于I个小时。第一步完成后，停止加热，将粉末包套随炉冷却至合金粉末的低熔点相的初熔温度以下保温，保温过程即为第二步；第二步的保持时间大于或等于2小时，以保证第一步后冷却过程中形成的低熔点相能够在保温过程中完全溶解，压力大于或等于90MPa，第二步完成后停止加热随炉冷却至室温。该发明可以避免碳化物等析出相沿粉末原始颗粒边界析出，从而得到致密且显微组织为等轴晶的合金。中国专利CN103447341A，公开了一种粉末高温合金制坯的等通道挤压模具，用于改善粉末高温合金坯料组织特征，坯料进入模具后，其截面分别经过圆截面到椭圆截面扭转到圆截面，这种变形为扭转剪切变形和挤压变形的结合，实现了一道次挤压过程中多种变形模式的组合。在变形扭转过渡段，由于椭圆扭转面的扭转变形，坯料在剪切应力的作用下，发生转动和剪切应变，实现晶粒的剪切破碎，达到细化晶粒的效果。同时，由于坯料受到型腔的限制，处于压应力状态下的坯料晶间变形困难，可抑制变形体原存在的各种微观缺陷的发展。该发明晶粒细化效果明显，原始颗粒边界消除彻底，粉末高温合金坯料的综合力学性能得到明显提高。
[0004]上述发明都是通过对粉末成形后的坯体进行处理来消除粉末颗粒原始边界，是在粉末颗粒原始边界形成之后采取的补救措施。受工艺因素的制约，粉末颗粒原始边界的消除效果有限，或无法实现工业应用。
[0005]对于如何消除粉末冶金高温合金的孔洞缺陷，上述发明专利则没有涉及。
[0006]粉末高温合金中的孔洞缺陷包括内部孔洞和热诱导孔洞。其中，内部孔洞主要是由粉末空心缺陷导致的残留孔洞，热诱导孔洞是残留气体在热处理过程中产生膨胀导致的孔洞缺陷。因此，粉末空心缺陷是导致粉末高温合金出现孔洞缺陷的主要来源。
[0007]粉末空心是雾化粉末中普遍存在的缺陷，这是雾化工艺特点决定的，无法避免。雾化粉末内部形成的空心是完全封闭的，在后续粉末成形过程中难以消除，残留在材料内部形成残留孔洞。封闭在雾化空心缺陷中的残留气体，在随后的热处理过程中发生膨胀，形成热诱导孔洞，或诱发裂纹。这些孔洞严重降低粉末高温合金的力学性能，特别是持久寿命和疲劳性能。
[0008]目前雾化工艺制备的粉末中，大粒径粉末的空心率比较高。长期以来，本领域采取粉末筛分的方法去除空心粉。筛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，因为过筛的小尺寸粉末也会出现空心缺陷。针对雾化粉末出现的空心缺陷，通常采用控制雾化工艺来进行控制。但是，雾化工艺特点决定了通过控制雾化工艺只能降低粉末空心率，不能完全消除粉末空心缺陷。
[0009]针对粉末空心缺陷导致的粉末高温合金材料内部孔洞和热诱导孔洞，国内外未见通过消除雾化合金粉末空心缺陷，进而消除内部孔洞和热诱导孔洞的公开报道。
[0010]至今为止，国内外未见通过球磨处理消除雾化合金粉末空心缺陷，获得表面活化的实心粉末，进而消除粉末颗粒原始边界、内部孔洞和热诱导孔洞的公开报道。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于提供一种消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法。
[0012]本发明一种消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，首先对雾化法制备的高温合金粉末进行机械球磨处理，制备得到表面活化的实心粉末，然后进行粉末热固结成形，制备粉末冶金高温合金。
[0013]本发明一种消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，所述雾化合金粉末的粒度小于等于150μπι(-100目)，优选为小于等于106μπι(-150目)，进一步优选为小于等于75 μ m (-200目)。
[0014]本发明一种消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，球磨时，所用球磨机为行星式球磨机、搅拌式球磨机、滚筒式球磨机中的一种，优选为行星式球磨机。
[0015]本发明一种消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，球磨在惰性气体保护下进行。
[0016]本发明一种消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，将雾化粉末入球磨罐，球料比:(8?12): 1，在行星式球磨机中球磨，球磨转速为250?350r/min，时间为I?4h。
[0017]本发明一种消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，将雾化粉末入球磨罐，球料比为(8?15): 1，在搅拌球磨机中球磨，球磨转速为60?150r/min，时间为2 ?6h ;
[0018]本发明一种消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，热固结成形采用热等静压成形、热挤压成形、等离子烧结成形中的一种成型方式。
[0019]本发明一种消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，所述热等静压成形是:1000?1250°c /100?150MPa/4h热等静压成形。
[0020]本发明一种消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，所述热挤压成形是:将步骤一所得混合粉末装入钢包套，对包套内抽真空至10 1Pa以下，除气60min以上，封焊；然后在900?1200°C进行热挤压成形；所述热挤压成形的挤压比为(6?15):1。
[0021]本发明一种消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，所述等离子烧结成形是:1000?1250°C /40?150MPa/5?1min等离子烧结成形。
[0022]本发明一种消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，将热固结成形后的高温合金材料进行固溶和时效处理；固溶工艺参数为:1000?1250°C保温I?2h后，空冷，时效处理工艺参数为:700?900°C保温4?10h，空冷。
[0023]本发明的优点和积极效果:
[0024]本专利提出对雾化粉末进行机械球磨处理，提高粉末表面活性，消除粉末颗粒内部空心缺陷，从而消除粉末颗粒原始边界、内部孔洞和热诱导孔洞，提高综合力学性能。
[0025]雾化粉末经过球磨处理，使粉末表面活化，获得高表面活性粉末，在热固结成形时，可以有效消除粉末原始边界，提高界面结合强度；粉末经球磨产生变形，消除粉末颗粒内部空心缺陷和凝固缩孔，获得完全实心粉末，封闭在粉末空心中的气体得到释放，从而在热固结成形时有效消除内部孔洞和热诱导孔洞，改善综合力学性能；雾化粉末经过球磨处理产生变形，有利于再结晶形成等轴晶组织，提高性能。
[0026]综上所述，一种消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，对雾化预合金粉末进行球磨处理，获得高表面活性实心粉末，再进行热固结成形，制备得到粉末冶金高温合金。本发明工艺简单，生产效率高，有利于规模化制备和应用。
【附图说明】
[0027]附图1是本发明对比例采用雾化镍基高温合金粉末进行等离子烧结成形制备的Renel04镍基高温合金金相显微组织。
[0028]附图2是本发明实施例1镍基高温合金雾化粉末截面扫描电镜(SEM)图
[0029]附图3是本发明实施例1镍基高温合金雾化粉末经机械球磨后的粉末截面SEM图
[0030]附图4是本发明实施实例I雾化镍基高温合金粉末经机械球磨后，等离子烧结成形制备的Renel04镍基高温合金金相显微组织。
[0031]从附图1的金相观察结果可知，雾化粉末直接成形制备的镍基高温合金显微组织出现了明显的原始颗粒边界(PPB)，附图1中的1、2所指示均为原始颗粒边界。
[0032]从附图2的SEM观察结果可知，实施实例I中部分雾化粉末出现了明显的空心缺陷，附图2中3、4、5、6均为空心缺陷。
[0033]从附图3的SEM观察结果可知，实施实例I中雾化粉末经机械球磨后，粉末截面没有观察到空心现象。
[0034]从附图4的光学显微镜观察结果可知，实施例1制备的镍基高温合金显微组织，没有观察到明显的原始颗粒边界。
【具体实施方式】
[0035]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0036]对比例:雾化粉末直接等离子烧结制备Renel04镍基高温合金
[0037]将气体雾化Renel04镍基预合金粉末(成分为N1-13Co-16Cr-4Mo-4W_2.2A1-3.7T1-0.77Nb(wt% ))进行等离子烧结，工艺参数为1150°C /40MPa/保温5min，再进行固溶处理:1180°C固溶/lh/炉冷，然后进行815°C /8h时效处理，得到镍基高温合金。
[0038]附图1是本对比例制备的Renel04镍基高温合金的显微组织，可以观察到明显的原始颗粒边界，见附图1中的1、2所指示的部位。
[0039]实施例1:
[0040]将气体雾化Renel04镍基预合金粉末装入球磨罐，球料比:10:1，在氩气保护下，在行星球磨机中进行球磨，球磨转速为250r/min，球磨时间为1.5h，得到球磨镍基高温合金粉末。
[0041]将球磨镍基高温合金粉末在1150°C /40MPa进行等离子烧结，保温5min，然后进行固溶处理:1180°C固溶/lh/炉冷，然后进行815°C /8h时效处理，得到镍基高温合金。
[0042]附图2是本实施例雾化粉末截面扫描电镜(SEM)图片，图中部分粉末出现了明显的空心缺陷，见附图2中3、4、5、6所指示。附图3为本实施例雾化粉末经机械球磨后，粉末截面SEM图，没有观察到粉末空心现象。附图4是本实施例制备的镍基粉末高温合金的金相显微组织，没有观察到明显的原始颗粒边界。
[0043]实施例2:
[0044]将气体雾化Renel04镍基预合金粉末装入球磨罐，在氩气保护中，在搅拌式球磨机中球磨，球磨转速为100r/min，球磨时间为3h，得到球磨镍基高温合金粉末。
[0045]将球磨粉末装入钢包套，抽真空除气、焊封；在1100°C进行热挤压成型，挤压比为10:1，获得高致密度的镍基合金棒材；最后在1115°C固溶lh+1170°C固溶3h/空冷，845 °C时效4h+760°C时效8h/空冷，得到镍基高温合金。
【主权项】
1.消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:首先对雾化法制备的高温合金粉末进行机械球磨处理，制备得到表面活化的实心粉末，然后进行粉末热固结成形，制备粉末冶金高温合金。2.根据权利要求1所述的消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:所述雾化合金粉末的粒度小于等于150 μ m。3.根据权利要求1所述的消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:球磨时，所用球磨机为行星式球磨机、搅拌式球磨机、滚筒式球磨机中的一种。4.根据权利要求3所述的消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:球磨在惰性气体保护下进行。5.根据权利要求3所述的消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:将雾化粉末入球磨罐，球料比:(8?12): 1，在行星式球磨机中球磨，球磨转速为250 ?350r/min，时间为 I ?4h。6.根据权利要求3所述的消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:将雾化粉末入球磨罐，球料比为(8?15):1，在搅拌球磨机中球磨，球磨转速为60?150r/min，时间为2?6h。7.根据权利要求1-6任意一项所述的消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:热固结成形采用热等静压成形、热挤压成形、等离子烧结成形中的一种成型方式。8.根据权利要求7所述的消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，其特征在于: 热等静压成形工艺参数是:1000?1250°C /100?150MPa/4h ； 热挤压成形工艺参数是:在900?1200°C进行热挤压成形；所述热挤压成形的挤压比为(6 ?15):1 ; 等离子烧结成形工艺参数是:1000?1250°C /40?150MPa/5?lOmin。9.根据权利要求8所述的消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:将热固结成形后的高温合金材料进行固溶和时效处理。10.根据权利要求9所述的消除粉末冶金高温合金原始颗粒边界和孔洞缺陷的方法，其特征在于:固溶处理工艺参数为:1000?1250°C保温I?2h，空冷；时效处理工艺参数为:700?900°C保温4?1h,空冷。
【文档编号】C22C1/04GK106032554SQ201510103503
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2015年3月9日
【发明人】刘祖铭, 苏鹏飞, 黄伯云, 段清龙, 郭旸, 麻梦梅
【申请人】中南大学