粉末冶金超合金近终形制造相关基础问题研究

Powder metallurgy superalloys exhibit excellent high-temperature mechanical proeprties, as well as prominent oxidation and corrosion resistance, which are unsubstitutable materials for the key components used in national defense equipments and the other civil-use devices. The objective of this project is to realize the near-net-shape forming of powder metallurgy superalloys. In view of the problems of severe sintering distortion of the injection molded superalloy compacts and high cost for the preparation of raw alloy powder, the comprehensive utilization of the mechansims of increasing specific surface and lattice distortion of the powder, and enhancing the chemical composition gradient was proposed to activate the sintering with the aim to decrease the sintering temperature and to reduce the sintering distortion. The main focuses are on the compositional design and the preparation of the intermediate alloys, the uniformity of the powder and the feedstock and corresponding rheological properties, as well as the migration behavior of the atoms during activated sintering and the mechanisms of phase transformation. This project is expected to exert positive effect on the establishment of theoretical and technological foundation for the fabrication of highly alloyed materials through powder injection molding technology, which is of crutial theoretical and economical importance.

粉末冶金超合金具有优异的高温力学性能、良好的抗氧化和耐腐蚀性能，是许多现代国防装备建设和国民经济发展不可替代的关键材料。本项目以实现粉末超合金近终形制备为目标，针对注射成形粉末高温合金零件烧结变形严重、原料粉末制备成本高等问题，基于强化烧结理论，提出了综合利用增加粉末比表面积和晶格畸变、提高化学成分梯度等机制来强化烧结过程、降低烧结温度、减少烧结变形的新思路。通过重点研究中间合金的成分设计与制备，粉末及喂料的均匀性与流变行为，混合粉末多孔成形坯在烧结过程中的原子迁移行为与相变规律等关键科学问题，为建立粉末超合金等高合金化材料的粉末注射成形技术奠定理论和技术基础。该研究对扩大高性能粉末超合金和注射成形技术的应用有积极的推动作用，具有重要的理论意义和经济价值。

建立了综合利用增加粉末比表面积和晶格畸变、提高化学成分梯度等机制来强化烧结过程、降低烧结温度、减少烧结变形的新途径。以MIM418、MIM491两种镍基高温合金和一类轻质铌基高温合金及其典型应用实例为研究对象，重点研究了中间合金的成分设计与制备，粉末及喂料的均匀性与流变行为，混合粉末多孔成形坯在烧结过程中的原子迁移行为与相变规律等关键科学问题，成功制备出细粒径、高烧结活性的母合金粉末，实现粉末超合金的近终成形，所得粉末高温合金接近全致密，综合力学性能优异。基于热力学计算方法，设计了MA35Ni、MA50Ni和MA60Ni等多种成分的母合金，其中MA35Ni具有低的瞬时液相形成温度、良好的毛细渗透能力与扩散速率。采用铸锭破碎法制备的母合金粉末粒径细小，平均粒径均小于30μm，氧含量≤0.2%。惰性气体雾化法的母合金粉末呈球形，氧含量仅有0.049%。设计出具有良好流变性能、易脱除的石蜡基粘结剂。设计了侧向抽芯模具结构和中空结构涡轮，减轻了涡轮重量，减小了脱脂和烧结变形。利用有限元法对喂料充模过程进行模拟，实现复杂形状涡轮的近终成形。母合金粉末在低于烧结温度下形成瞬时液相，促进合金元素扩散和致密化。合金元素以粉末表面空位和烧结颈为扩散通道，呈现出不同步扩散机制。γ相形成元素在瞬时液相出现前扩散缓慢，主要通过瞬时液相与固相的相互作用实现均匀化。碳化物的转变也依赖瞬时液相的生成。Al元素主要为固相扩散，在瞬时液相出现之前已均匀化。母合金法制备的MIM418合金的致密度大于99.5%。与机械合金化和铸锭破碎法制备的母合金粉末相比，气雾化母合金粉末制备的MIM418合金的显微组织均匀，综合力学性能优异。母合金法MIM418合金的力学性能接近气雾化法MIM418合金，远高于铸造K418合金，抗拉强度和屈服强度比铸造K418合金提高了23.2%和42.5%。基于镍基合金粉末注射成形喂料设计原理和流变规律，完善了铌基合金、铁基软磁合金和氮化铝陶瓷粉末注射成形粘结剂体系，并成功制备出了铌基合金蜂窝结构型材、软磁合金和氮化铝陶瓷制品，通过了用户考核，部分产品获得了广泛应用。该研究对推动粉末高温合金和注射成形技术应用具有重要作用。发表学术论文12篇，获授权国家发明16项，获国家级教学成果一等奖1项，省部级技术发明一等奖2项，科技进步二等奖2项。