等离子旋转电极制备fgh95合金粉末工艺研究

等离子旋转电极制备fgh95合金粉末工艺研究

fgb95是中国第一个使用金属粉末的高级材料。主要用于生产高性能航空发动机的高压涡轮盘、涡轮工作叶片挡板等高温承力部件。目前我国采用的是真空感应炉熔炼母合金,等离子旋转电极(PREP)制粉,热等静压(HIP)成形,最后根据需要进行包套锻造的生产工艺路线。高温合金粉末中存在的各种夹杂物会在粉末制成品中产生缺陷,这些缺陷的存在破坏了合金基体的连续性,造成应力集中,促进疲劳裂纹的萌生,并在一定条件下加速裂纹的扩展。因此,高温合金粉末中的夹杂物,尤其是大块夹杂物,会严重地影响合金的疲劳性能。为了保证粉末高温合金产品的性能,对高温合金粉末中存在的各类夹杂物的数量和大小都有着极其严格的限制。我国规定,对用于生产粉末涡轮盘和粉末涡轮盘挡板的FGH95合金粉末,其中不允许含有尺寸大于150μm的夹杂物,尺寸小于150μm的夹杂物总量不得超过20粒/kg粉。因不能直接生产出满足上述夹杂物含量标准的FGH95合金粉末,必须对粉末进行去除夹杂物的后续处理。目前采用的是静电分离法+筛分法。研究表明,静电分离法只是对合金粉末中颗粒尺寸在50～100μm之间的夹杂物有较好的去除效果,合金粉末中的大块夹杂物主要靠筛分法去除。基于上述原因,将用于制造粉末涡轮盘和涡轮盘挡板的FGH95合金粉末的粒度范围,由50～150μm改为50～100μm。该项措施虽然有效地去除了FGH95合金粉末中大块夹杂物,但成品粉的收得率却大大下降。根据1997年生产统计数据,从棒料到粒度范围为53～106μm的成品粉收得率平均仅为40%。粉末收得率的下降直接导致了粉末涡轮盘和粉末涡轮工作叶片挡板研制成本的大幅度上升。本文讨论了棒料转速、等离子弧电流强度、工作气体流量等制粉工艺参数对粉末收得率的影响,从优化这些参数入手,探索了提高50～100μm成品粉收得率的途径。1试验2,-1制粉工艺实验使用的FGH95合金棒料采用真空感应炉冶炼,在真空条件下浇入无缝钢管制作的钢锭模中形成《53mm×940mm的钢锭,切除缩孔后经车床、磨床加工最终得到《50mm×710mm的母合金棒料。棒料化学成分见表1。实验在ПУР-1型PREP制粉设备上进行。棒料被装入ПУР-1制粉装置后,关闭设备抽真空。当真空度达到1.33×10-1Pa后,向设备充入80%He和20%Ar的混合气体。启动惰性气体循环泵,使装置内的气体成分达到均匀。启动冷却系统,等离子枪点弧,启动电极旋转电机,将电极转速和等离子弧电流调至希望值,将等离子枪移至棒料前,在等离子束的作用下,棒料端部开始熔化。形成的液体受离心力和液体表面张力双重作用,被破碎成液滴飞离电极棒,在飞行过程中冷凝成球形粉末颗粒,最后落入粉末收集系统。启动棒料推进装置,使棒料推进速度与棒料熔化速度相等,以维持等离子枪至棒料端部的距离不变。试验所得粉末经由取样器取出,每次试验约取样1kg左右。用XSBP-《200型拍击式标准震筛机筛分粉末试样,所用试验筛组合的筛孔尺寸如下:0.045,0.053,0.063,0.071,0.1,0.125,0.15,0.18,0.2,0.25,0.3,0.355,0.4,0.45,0.5,0.8mm。2结果与讨论2.1影响100和50m粉末收率的因素2.1.1转速对收得率的影响图1为棒料转速对<100～>50μm粉末收得率影响的实验结果。从中可以看出,对于ПУР-1型PREP制粉装置所能达到的转速范围内,<100～>50μm粉末的收得率随转速的提高而增大。实验数据呈现出的较大的离散度表明,除棒料转速外,其它工艺参数对<100～>50μm粉末收得率的影响也很大。2.1.2等离子弧电流强度对第100/50m粉末收得率的影响图2、图3给出了棒料转速为13700r/min时,等离子弧电流强度、等离子工作气体流量及等离子枪与棒料端部距离对<100～>50μm粉末收得率的影响。可见,随着等离子弧电流强度的增大,<100～>50μm粉末的收得率明显下降。对比图2和图3,等离子枪与棒料端部距离保持在10mm左右时,<100～>50μm粉末的收得率总体上较高。当棒料转速提高到14380r/min及15000r/min时,等离子弧电流强度对<100～>50μm粉末收得率的影响与13700r/min时相同,但影响程度似乎更大,如图4所示。从图2、3还可看出,等离子工作气体流量与<100～>50μm粉末的收得率之间,不存在明显的相关关系。3棒料转速及粒度分布对粉末平均粒度的影响要求粉末在某个粒度区间有高的收得率,即要求所制粉末粒度分布应集中于该区间之内。因粉末粒度分布密度基本上以平均粒度为轴心左右对称,从理论上讲,影响粉末在某区间内收得率的因素有两个,其一是轴心的位置,亦即粉末平均粒度,其二是粉末粒度分布曲线的形状(瘦高或矮胖)。实验中发现,粉末的平均粒度取决于棒料的转速,其它工艺参数对其影响不大。而一定平均粒度粉末的粒度分布曲线的形状则受等离子弧电流强度、等离子枪与棒料端部的距离、等离子工作气体流量等工艺参数的影响。下面将根据上述原理,以提高<100～>50μmFGH95合金粉末的收得率为目的,综合考虑其它因素,来确定合适的制粉工艺参数。3.1-1型pep装置的转速若粉末平均粒度能位于50～100μm区间的中点,即75μm处,则有可能获得最高的<100～>50μm粉末收得率。根据ПУР-1型PREP装置制取FGH95合金粉末时棒料转速与粉末粒度的关系,要得到平均粒度为75μm的粉末,要求棒料转速必须达到17000r/min左右,或者说17000r/min是制取<100～>50μmFGH95合金粉末的最佳转速。因ПУР-1型PREP装置的最高许用转速只有15000r/min,从尽可能地提高<100～>50μm粉末收得率出发,应将棒料转速定在设备的最高转速。考虑到设备长期在最高转速下运行,会影响设备的使用寿命,可将棒料转速略为下调,但不能低于13700r/min。在实际操作时,应将棒料转速控制在13700～14500r/min之间。3.2离子弧电流强度当棒料转速一定时,随着等离子弧电流强度的减小,粉末粒度分布范围变窄,分布曲线的形状变得瘦高。在所确定的棒料转速下,<100～>50μm粉末收得率随着等离子弧电流强度的减小而增大。但是,等离子弧电流强度与ПУР-1型PREP制粉装置的生产效率有直接的关系,制定工艺参数时必须考虑这点。据测定,对于一根50mm×710mm的标准FGH95棒料,当等离子弧电流强度为1400A时,制粉周期(从下料到料头落入料头收集箱)约8min;当电流强度降至1200A和1000A时,相应的制粉周期分别为大约10min及12min。若以等离子弧电流强度为1400A时设备的生产效率为1计,则与1200A和1000A对应的设备生产效率分别为0.8和0.678。兼顾粉末收得率和设备生产效率,将等离子弧电流强度定在1200A左右比较适宜。3.3等离子枪与棒料端部的距离控制这两个工艺参数对粉末收得率的影响是相互关联的。当等离子工作气体流量为80l/min左右时(只开一台压缩机),应将等离子枪与棒料端部的距离控制在10mm左右。3.4工艺参数优化前后收得率比较按上面优化后的工艺参数共制取了5炉FGH95合金粉末,其<100～>50μm粉末收得率平均值为51.91。与工艺参数优化前相比,<100～>50μmFGH95粉末收得率平均提高了约12%,效果十分明显。上述的5炉FGH95合金粉末全部用于生产某型发动机用涡轮工作叶片挡板,共装5个包套,经热等静压、机加工、热处理等工序后,加工出33片挡板坯料,成品率达100%。4等离子弧电流强度对fgh95合金粉末收得率的影响采用ПУР-1型PREP制粉装置生产FGH95及成分类似的镍基高温合金粉末时,<100～>50μm粉末的收得率随棒料转速的提高而增大,最佳转速预计在17000r/min左右。在棒料转速一定时,随着等离子弧电流强度的增大,<100～>50μm粉末的收得率明显下降。兼顾设备特性与生产