粉末鐵基高溫合金的制備工藝研究＊

崔大偉

（濰坊學院，山東 濰坊 261061）

粉末鐵基高溫合金的制備工藝研究＊

崔大偉

（濰坊學院，山東 濰坊 261061）

采用粉末機械合金化－溫壓成型－真空燒結等方法制備了氧化物彌散強化鐵基高溫合金MA956，并對其制備工藝和組織性能進行了研究。結果表明，高能振動球磨4h粉末顆粒細小均勻，已經基本實現了合金化，將其在120℃、500MPa條件下進行溫壓成型，壓坯密度比常溫模壓工藝提高了0.3g／cm3；燒結溫度對燒結體組織和性能有較大的影響，粉末壓坯在1350℃燒結其致密度最高，為90.8%，且顯微組織致密性好。

鐵基高溫合金；氧化物彌散強化；機械合金化；溫壓；真空燒結

鐵基高溫合金廣義地講是指以鐵為基體，使用溫度為600℃－850℃的奧氏體型耐熱鋼和高溫合金，被廣泛用于制作航空發動機、燃氣輪機耐高溫抗氧化部件以及能源、化工等工業部門的耐高溫材料等［1］。鐵基高溫合金的熱穩定性和抗氧化性雖然比鎳基和鈷基高溫合金稍差，但考慮到我國鎳、鈷資源匱乏，而鐵資源豐富，用鐵代替鎳鈷，對于節約短缺的戰略元素，推動我國宇航工業的發展具有特殊重要的意義［2］。

氧化物彌散強化（oxide dispersion strengthened，ODS）高溫合金是在高溫合金中加入Y2O3、A12O3、Th O2等高熱穩定性和化學穩定性的納米氧化物顆粒，使其均勻分散在基體中，通過阻礙位錯和晶界運動而產生強化的一類高溫合金［3］。ODS高溫合金從20世紀初就開始研究，直到1970年代機械合金化技術（mechanical alloying，MA）發明后才得到快速發展，MA也成為制備ODS高溫合金的關鍵技術之一［4］，采用此技術相繼研制成功了MA753、MA754、MA6000、MA956等有代表性的ODS鎳基、鐵基和鈷基高溫合金。ODS鐵基高溫合金具有良好的室溫高溫拉伸性能、高溫蠕變性能、疲勞性能、抗氧化性能，在高溫、高強度中子輻射、高濃度氮和核反應堆冷卻液環境中具有良好的綜合性能，在航空航天、核工業及其他高溫抗氧化環境中具有廣泛的應用前景［5］。MA956合金是目前產量最大、應用范圍最廣的ODS鐵基高溫合金，其在氧化氣氛下使用溫度高達1350℃，抗氧化性能和抗腐蝕性能居各類高溫合金之首位，還具有良好的加工性能，可以進行冷加工和焊接，因此被廣泛用作航空發動機燃燒室內襯、殼體、活塞環和復合層板等［6］。

本文先采用機械合金化方法獲得以Y2O3作為彌散相的鐵基高溫合金粉末，然后采用溫壓成型—真空燒結工藝制備了ODS鐵基高溫合金，并對機械合金化粉末的相結構、微觀形貌、合金燒結體的組織結構及燒結性能進行了研究。

1 實驗材料及方法

實驗設計的鐵基高溫合金是在MA956合金（Fe－20Cr－4.5Al－0.5Ti－0.5Y2O3）的成分基礎上添加了部分固溶強化元素Mo，其化學成分如表1所示。實驗所采用的原料粉末及規格分別為：Fe粉（純度99.98%，－500目）、Cr粉（純度99.95%，－250目）、Al粉（純度99.98%，－250目）、Ti粉（純度99.89%，－250目）、Mo粉（純度99.99%，－400目）及Y2O3粉（純度99.99%，－400目）。將上述粉末按表1所示成分配比進行稱重混合后，與不銹鋼磨球一起放入不銹鋼真空球磨罐中，在三維振動型高能球磨機上進行機械合金化實驗。球磨機的振動頻率為1000次／分，采用Φ8mm的不銹鋼磨球，球料比為10：1，球磨時間為0－4h，為防止粉末球磨過程中發生氧化，球磨前將球磨罐先抽真空，然后再充滿純氬氣，此過程反復三次，以盡量排除罐內的空氣。將球磨粉末中加入1.5%的硬脂酸鋅作為潤滑劑，在120℃、500MPa的工藝條件下溫壓成Φ10mm的圓柱試樣，隨后進行真空燒結致密化，燒結溫度為1250℃－1350℃，燒結時間為2h。

采用Dmax－RB型旋轉陽極X射線衍射儀（Cu Kα譜線，λ＝0.15405nm）對球磨粉末進行物相分析，用S250－MK2型掃描電鏡對球磨粉末的組織形貌進行觀察，用阿基米德排水法測量燒結試樣的密度，用XJP－200型光學顯微鏡對燒結試樣的微觀組織進行觀察。

表1 鐵基高溫合金的成分（wt%）

2 實驗結果與分析

2.1 粉末的X射線衍射分析

圖1是原始混合粉末經過高能振動球磨0.5h和4h后粉末樣品的X射線衍射圖。從圖1可以看出，球磨4h的粉末相對于0.5h的粉末衍射峰有很大的變化，球磨0.5h的粉末樣品的主要組分Fe、Cr、Al等元素主要還是以單質形式存在，說明此時合金化程度仍較輕；而球磨4h后Cr和Al的衍射峰都基本消失了，Fe的衍射峰盡管存在，但是此時Cr和Al都已經和Fe分別形成了Fe－Cr固溶體和Fe3Al金屬間化合物，說明高能振動球磨4h后機械合金化過程已經基本完成，形成的Fe3Al可以成為鐵基高溫合金的強化相。在衍射峰中沒有發現Ti峰和Y2O3峰，可能是由于它們含量過少，因而難以通過粉末的X射線衍射檢測到。

圖1 高能振動球磨0.5h、4h后粉末的X射線衍射圖

2.2 機械合金化粉末的形貌分析

高能球磨過程是一個粉末顆粒破碎與冷焊相互作用的動態過程，在球磨過程中冷焊與破碎的主次關系在不同的階段是不同的，在球磨的開始階段，粉末較為粗大，此時破碎過程占據主導作用，粉末顆粒不斷細化，晶粒內畸變不斷增加；隨著球磨時間的延長，粉末顆粒尺寸變細，破碎變的愈來愈困難，同時顆粒細化的過程中會有新鮮的表面不斷形成，這些新鮮表面之間的接觸會導致冷焊逐漸占優勢，當顆粒的破碎與冷焊最終達到動態平衡時，繼續球磨粉末顆粒尺寸不再細化，甚至發生粗化。圖2（a）和圖2（b）分別是高能振動球磨0.5h和4h粉末的SEM照片。通過對比可以發現，球磨0.5h由于時間太短，粉末顆粒未能充分破碎細化，顆粒尺寸仍比較粗大，粒徑大小分布較不均勻，顆粒形狀也比較不規則；球磨4h粉末顆粒明顯細化，此時冷焊與破碎已經達到了動態平衡，粉末顆粒尺寸大小均勻，粒度分布較窄，焊合粉末的形狀較為規則，粉末顆粒中的片層結構變得細小難以分辨，顆粒內已經實現了比較均勻的合金化。

圖2 高能振動球磨粉末的SEM照片（a）0.5h；（b）4h

2.3 球磨粉末的溫壓成型

由于機械合金化粉末的加工硬化和晶格畸變嚴重，硬脆的粉末顆粒壓制性能較差，因而采用普通常溫模壓工藝很難獲得高的壓坯密度。溫壓成型是指采用特殊的粉末加溫、粉末輸送和模具加熱系統，將加有特殊潤滑劑的預合金粉末和模具加熱至130℃－150℃，同時為保證良好的粉末流動性和粉末充填行為，將溫度波動控制在±2.5℃以內，然后按傳統粉末壓制工藝進行壓制的一項新型粉末冶金生產技術。與傳統的粉末冶金壓制工藝相比，溫壓成型具有零件壓坯密度高、壓坯強度高、壓制壓力和脫模力低、壓坯密度分布均勻且燒結性能好等技術優點，已成為當今極具發展潛力的新型粉末冶金成型工藝之一［7］。

實驗對振動球磨4h的粉末加入1.5%的硬脂酸鋅潤滑劑，在500MPa壓力下分別進行了常溫壓制和溫壓成型（120℃），測得壓坯密度分別為5.81g／cm3和6.12g／cm3，可見通過采用溫壓技術，使得鐵基合金粉末零件的壓坯密度比常溫模壓工藝提高了0.3g／cm3，而且溫壓成型的樣品與常溫壓制的樣品相比，其表面更加光潔，脫模更容易，成品率比較高，發生掉邊、掉角和分層的現象很少。

2.4 燒結工藝及燒結性能

將振動球磨4h的粉末進行溫壓成型后，分別于1250℃、1280℃、1310℃和1350℃進行真空燒結，對所得的燒結樣品進行了密度測試和金相組織觀察。圖3出示了粉末壓坯的燒結溫度與燒結密度的關系，可以看到隨著燒結溫度的逐漸升高，燒結密度也不斷提高。當燒結溫度為1350℃時，燒結體的密度達到最大值6.71g／cm3，相對密度為90.8%。

圖4是粉末壓坯在不同溫度燒結后的SEM照片，可見燒結溫度越高，燒結體的孔隙度越低。從圖4（a）可以看到顆粒之間明顯的輪廓以及較多的連通大孔洞，說明燒結溫度過低，元素不能充分擴散，導致其致密度較低，通過能譜掃描發現Al元素聚集在顆粒邊緣，這可能是因為Al元素熔點比較低，從而在燒結過程以液體的形式析出，阻礙了燒結致密化的進行；隨著燒結溫度的升高，元素的擴散變得更容易，顆粒之間間隙和空洞逐漸減少，燒結致密度也不斷提高，從圖4（d）中可以看到燒結體中只存在較少量孔洞，且大部分孔洞發生球化。

圖3 燒結體的燒結溫度與密度關系

圖4 粉末壓坯在不同溫度燒結的SEM形貌（a）1250℃；（b）1280℃；（c）1310℃；（d）1350℃

3 結論

本文采用高能振動球磨工藝獲得了氧化物彌散強化鐵基高溫合金粉末，然后利用粉末冶金溫壓成型－真空燒結等方法制備了MA956鐵基高溫合金。研究表明，高能振動球磨0.5h由于時間太短，粉末顆粒未能充分破碎細化，合金化程度較輕；球磨4h粉末顆粒細小均勻，顆粒內已經實現了比較均勻的合金化。將球磨4h粉末在120℃、500MPa條件下進行溫壓成型，壓坯密度比常溫模壓工藝提高了0.3g／cm3。隨著燒結溫度的升高，粉末壓坯的燒結密度不斷提高，孔隙度逐漸降低。當燒結溫度為1350℃時，燒結體的密度達到最大值6.71g／cm3，相對密度為90.8%，其微觀組織中只存在較少量孔洞，且大部分孔洞發生球化。

［1］黃乾堯，李漢康.高溫合金［M］.北京：冶金工業出版社，2000：4－12.

［2］師昌緒，仲增墉.我國高溫合金的發展與創新［J］.金屬學報，2010，46（11）：1281－1288.

［3］柳光祖，田耘，單秉權.氧化物彌散強化高溫合金［J］.粉末冶金技術，2001，19（1）：20－23.

［4］Benjamin J S.Fundamentals of mechanical alloying［J］.Materials Science Forum，1992，88（3）：l－7.

［5］劉祖銘，張劉杰，劉詠，等.氧化物彌散強化鐵基高溫合金研究現狀［C］／／2009全國粉末冶金學術會議論文集.長沙：中南大學出版社，2009：45－51.

［6］張義文，楊士仲，李力，等.我國粉末高溫合金的研究現狀［J］.材料導報，2002，16（5）：1－4.

［7］易健宏，葉途明，彭元東.粉末冶金溫壓工藝的研究進展及展望［J］.粉末冶金技術，2005，23（2）：140－144.

（責任編輯：肖恩忠）

Preparation Technology of Iron Base Superalloy by Powder Metallurgy

CUI Da－wei
（Weifang University，Weifang 261061，China）

Oxide dispersion strengthened iron base superalloy M956 was prepared using powder metallurgy technology，including mechanical alloying，warm compaction and vacuum sintering.The preparation process，microstructure and property of this superalloy were also investigated.The results show that when high－energy vibration ball milling for 4h，the grains of the iron base superalloy powders are small and uniform，and their element alloying process has been finished.The powders milled for 4h were molded by warm compaction with 500MPa at 100℃，and the density of green compacts is 0.3g／cm3higher than those by cold pressing.The sintered body with a maximum relative density 90.8%can be obtained by vacuum sintering at 1350℃，showing a compact microstructure.

iron base superalloy，oxide dispersion strengthening，mechanical alloying，warm compaction，vacuum sintering

2011－08－20

山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金項目（BS2010CL046）

崔大偉（1975－），男，山東寒亭人，濰坊學院機電工程學院副教授，博士。研究方向：粉末冶金制備鐵基合金，不銹鋼工藝。

TG454 文獻標識碼：A 文章編號：1671－4288（2011）06－0099－04