FGH97 合金高壓渦輪盤熱等靜壓成形技術研究

文／李治華，邰清安·中國航發沈陽黎明航空發動機集團有限責任公司

劉建濤·北京鋼研高納科技股份有限公司

FGH97(FGH4097)合金為鎳基γ'相沉淀強化型粉末冶金高溫合金，基體為γ 相，是我國研制的新型粉末高溫合金，該合金在650 ～750℃溫度區間具有優異的綜合力學性能，廣泛應用于先進航空發動機的渦輪盤、篦齒盤等關鍵熱端部件的制造。

熱等靜壓(HIP-Hot Isostatic Pressing)工藝是一種以氮氣、氬氣等惰性氣體為傳壓介質，一定的溫度和壓力共同作用于密閉容器中的制品，對制品進行壓制燒結處理的技術。HIP 成形技術，是在冷等靜壓和熱壓技術基礎上發展起來的綜合工藝，最早開始用于難成形材料的制坯和擴散連接。但隨著HIP 設備和計算機技術的發展，HIP 在近凈成形難加工材料復雜零件方面的技術優勢和經濟優勢逐漸顯現了出來，成為當今世界工業發達國家研究的熱點。熱等靜壓技術早期主要用于核燃料的制備。國內導彈研究院的海泓分析了鈦合金粉末冶金技術的優點，并采用鈦合金粉末冶金技術成形出性能優越的空對空導彈伺服機構殼體。

本文研究的高壓渦輪盤是Ⅰ類轉動件(圖1)，材料為FGH97 合金，單級結構，高壓渦輪盤圓周上有90 個樅樹型榫槽，用于裝配高壓渦輪工作葉片，并通過鎖板固定，榫槽底部加工φ6.7mm 的斜孔，用于給高壓渦輪工作葉片提供冷氣。本文旨在采用熱等靜壓工藝，成形出尺寸和表面質量滿足加工要求、組織性能滿足盤件技術要求的粉末制件，實現FGH97合金盤件的研制。

高壓渦輪盤熱等靜壓成形工藝

高壓渦輪盤主要制備工藝流程為：真空感應冶煉母合金棒料→等離子旋轉電極法(PREP)制備粉末→粉末處理→粉末裝套→熱等靜壓成形(HIP)→機加工(去包套皮)→熱處理(固溶+時效)→理化檢驗(切除試樣環)。

圖1 高壓渦輪盤零件圖

圖2 真空感應爐及FGH97 合金棒料

FGH97 合金熔煉

FGH97 合金棒料熔煉在VIDP400 型真空感應熔煉爐(德國ALD 公司)中完成。VIDP400 熔煉爐裝爐量為(2450±50)kg/爐，澆注過程采用2 次擋渣，1 次過濾的方式，澆注的合金棒料具有純凈度高、氣體含量低等優點。圖2 為VIDP400 型真空感應熔煉爐和FGH97 合金棒料。

FGH97 合金粉末制備

FGH97 合金粉末采用等離子旋轉電極工藝(PREP)制備，PREP 法粉末制備原理(圖3)：等離子弧將高速旋轉的棒料端面熔化，在離心力的作用下，液態金屬薄膜流向棒料端面的邊緣，由于表面張力的作用，液膜并不能立即從棒料端面甩出去，而是形成了“冠”。金屬的質量增加到其離心力超過表面張力時形成了小液滴。在惰性氣體中液滴以很高的速度冷卻，凝固成球形粉末顆粒。

圖3 PREP 工藝制粉原理圖

FGH97 合金高壓渦輪盤所用的粉末粒度范圍為50 ～ 150μm，粉末形貌見圖4。

圖4 FGH97 合金粉末

FGH97 合金粉末處理

PREP 制備的FGH97 合金粉末需要經過篩分到需要的粒度范圍。篩分后的粉末(50 ～100μm)須通過靜電分離(ESS)處理。靜電分離是利用電暈放電現象以及金屬粉末和非金屬夾雜物介電常數不同而進行分離的。目前廣泛使用的高壓電暈靜電分離原理見圖5。

圖5 靜電分離原理圖

FGH97 合金渦輪盤熱等靜壓成形

將檢驗合格的合金粉末裝到包套中，脫氣封焊后用于熱等靜壓壓制成形。將待壓制的包套置入熱等靜壓機腔體中，將氬氣通入熱等靜壓機的爐膛中，爐膛四周采用加熱體加熱，隨著溫度的升高，氣體壓力不斷增加，由于氣壓向各方向是等值傳遞的，從而對工件的各個方向施加相等的壓力，以達到固結粉末、HIP 成形的目的。其優點是能成形較復雜形狀的工件，并能使粉末均勻壓實，以獲得均勻致密的組織。FGH97 合金渦輪盤采用溫度為(1200±10)℃，壓力不低于120MPa，保溫保壓時間不少于2h 的熱等靜壓工藝。

FGH97 合金渦輪盤熱處理

FGH97 合金盤件熱處理工藝為固溶處理+三級時效處理；固溶處理工藝參數為1200℃×4h，空冷；一級時效處理工藝參為：910℃×3h，空冷；二級時效處理工藝參為：750℃×8h，空冷；三級時效處理工藝參為：700℃×17h，空冷。

高壓渦輪盤粉末制件性能檢測

力學性能

本批渦輪盤共2.5 件，其中0.5 件為解剖件。分別在解剖件和試環上進行力學性能檢測，檢測結果見表1。從表中數據可以看出：FGH97 合金渦輪盤無論是試驗環還是解剖件力學性能均達到了技術條件的要求。

高低倍組織

FGH97 合金渦輪盤粉末件低倍試樣在解剖件縱向切取，低倍檢測結果見圖6，鍛件的低倍組織均勻，未見裂紋、非金屬夾雜物、孔洞等缺陷，滿足技術要求。

圖6 FGH97 合金渦輪盤低倍組織

FGH97 合金渦輪盤高倍組織見圖7，組織均勻，平均晶粒度為7 ～7.5 級，滿足技術條件要求。

圖7 FGH97 合金渦輪盤高倍組織

表1 FGH97 合金渦輪盤性能檢測結果

粉末顆粒缺陷

如圖7 所示，未發現粉末顆粒邊界，粉末顆粒內顯微孔洞等級1，滿足標準要求。

無損檢測

雜波檢測結果都在φ0.8-12dB 范圍，未見單顯，滿足標準要求。熒光檢驗按HB/Z 61-1998 進行，無非金屬夾雜物等缺陷。

半成品低倍腐蝕檢查

在半成品零件上進行低倍腐蝕檢測，無顯微孔洞、裂紋缺陷，無粗晶、無非金屬夾雜物。

結論

⑴FGH97 合金渦輪盤的組織和性能均能滿足技術條件的要求；

⑵FGH97 合金渦輪盤超聲波檢查無缺陷，滿足φ0.8-12dB，優于標準要求；腐蝕、熒光等檢查無缺陷，滿足技術條件的要求；

⑶利用熱等靜壓工藝能夠生產出合格的FGH97合金高壓渦輪盤。