朱石剛 羅 成 瞿宗宏 白瑞敏

（1.空裝駐西安地區(qū)第二軍事代表室，陜西 西安 710000；2.西安歐中材料科技有限公司，陜西 西安 710018）

0 引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金粉末渦輪盤(pán)的生產(chǎn)過(guò)程中，熱等靜壓包套的裝粉過(guò)程是極為重要的，粉末在裝入包套的過(guò)程中要經(jīng)過(guò)振動(dòng)、加熱和除氣，其中振動(dòng)主要是增大高溫合金粉末填充密度，如包套的裝粉相對(duì)密度即振實(shí)密度，當(dāng)裝粉振實(shí)密度不足時(shí)，可能會(huì)在熱等靜壓過(guò)程中因包套變形不均勻或過(guò)大導(dǎo)致出現(xiàn)包套泄露的嚴(yán)重問(wèn)題。同時(shí)，因?yàn)榉勰┝鲃?dòng)的特性，所以包套中各部位的相對(duì)密度是有所不同的，在熱等靜壓完成后，會(huì)出現(xiàn)包套成形不規(guī)則的問(wèn)題，圓形盤(pán)狀包套會(huì)成形為橢圓形狀，影響粉末盤(pán)后續(xù)的加工余量，可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法加工成最終的盤(pán)件[1]。因此，在包套裝粉時(shí)，往往需要給包套施加一定的振動(dòng)，來(lái)提高包套內(nèi)部粉末的相對(duì)密度，改變粉末在包套內(nèi)的分布，由于粉末的特性、包套形狀以及振動(dòng)平臺(tái)的影響，很難使粉末在包套內(nèi)部完全致密且均勻填充滿包套。

1 高溫合金粉末特性

等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉制備的高溫合金粉末是一種球形粉末，其機(jī)械和耐熱性能在很大程度上取決于它們的化學(xué)成分、物理特性和技術(shù)特性。物理特性是由粉末顆粒的形狀、大小、分布方式、比表面和比重五個(gè)特征決定的；技術(shù)特性的特征在于堆積密度、流動(dòng)性、振實(shí)密度、休止角[2]。

等離子旋轉(zhuǎn)電極制備的粉末的最重要特征之一是球形，如圖1所示，它決定了粉末堆積密度和流動(dòng)性等。堆積密度是單位體積的自由散布粉末的質(zhì)量，并用作其堆積特性。目前使用的高溫合金粉末顆粒尺寸為50μm~150μm，占比達(dá)到85%。該文研究的高溫合金其理論密度為8.34g/cm3，堆積密度為4.90g/cm3~5.02g/cm3，但通過(guò)特殊選擇的餾分，密度可以達(dá)到5.2g/cm3。經(jīng)過(guò)振動(dòng)壓實(shí)后顆粒的密度可增加到5.5g/cm3，比堆積密度高6%~9%，在某些情況下，具有簡(jiǎn)單幾何形狀的包套及最佳粒度組成，裝粉密度可以達(dá)5.7g/cm3。

圖1 等離子旋轉(zhuǎn)電極制備的高溫合金粉末

流動(dòng)性即粉末以一定速度從孔中流出的能力，是粉末一個(gè)非常重要的特征[3]，基于粉末的這種特性，將顆粒填充到包套中的過(guò)程就是基于這一特征。流動(dòng)性取決于許多因素，包括密度、分?jǐn)?shù)組成、顆粒表面的形狀和狀態(tài)、外部環(huán)境等。影響流動(dòng)性的主要因素是顆粒彼此之間的摩擦和黏附，這阻礙了它們的相互移位[4]。流動(dòng)性通常隨著粒度縮小而降低，但是具有球形表面的顆粒其流動(dòng)性與粒度的大小相關(guān)性不大。

該文研究發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)性通常取決于其制備方法，定義為50g粉末通過(guò)錐形漏斗中直徑為2.5mm的校準(zhǔn)孔流出的時(shí)間來(lái)衡量粉末的流動(dòng)性。對(duì)等離子旋轉(zhuǎn)電極制備的粉末，在完全均為球形粉末時(shí)通常在20s之內(nèi)。當(dāng)表面黏附有小顆粒，即衛(wèi)星粉時(shí)，如圖2所示，流出的時(shí)間增加到了24s，這時(shí)由于小顆粒的存在，增加了粉末顆粒之間的附著力，休止角分別為21°和27°~30°。

圖2 表面黏附有小顆粒的粉末

當(dāng)幾個(gè)緊密相互壓緊的顆粒形成拱形并阻塞了通過(guò)孔的通道時(shí)，形成了拱形效果，粉末顆粒從料斗流出的過(guò)程可以分為三個(gè)階段，如圖3所示。

圖3 粉末顆粒流出料斗的各個(gè)階段

在材料流出的第一階段，當(dāng)漏斗出口未開(kāi)始出粉時(shí)，粉末上部形成初始的靜止?fàn)顟B(tài)，靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)上部保持相應(yīng)的休止角β。當(dāng)粉末柱下降時(shí)，首先從粉末的中部開(kāi)始流出，附近的表面顆粒將參與運(yùn)動(dòng)并形成漏斗形狀，即第二階段。粉末顆粒的運(yùn)動(dòng)是分層進(jìn)行的，在物料流出時(shí)的漏斗角增加到等于塌陷角的臨界值時(shí)，顆粒之間的內(nèi)聚力將不能保持該角度，顆粒層破裂并且漏斗角變得等于休止角，即第三階段。之后重復(fù)該過(guò)程，塌陷角取決于散裝物料本身的物理和機(jī)械參數(shù)、出口的幾何形狀、容量和尺寸的比率[5]。

2 包套振動(dòng)裝粉試驗(yàn)

2.1 裝粉密度

鎳基高溫耐熱合金顆粒在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)的制造中，面臨著許多沒(méi)有及時(shí)解決的問(wèn)題，其中之一就是用粉末填充大而復(fù)雜的幾何形狀鋼包套時(shí)，在顆粒進(jìn)入包套以及在其振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中，粉末密度在整個(gè)體積上分布不均勻，導(dǎo)致密封包套進(jìn)行熱等靜壓后其形狀變形不規(guī)則。如果能以最大的裝粉密度均勻地將粉末填充至包套中，則可以獲得最小加工余量的產(chǎn)品。

用于增大裝粉密度最常用的方法是振動(dòng)。振動(dòng)對(duì)分散材料的技術(shù)性能有重大影響，因此會(huì)導(dǎo)致其密度增加或減少。將壓實(shí)顆粒開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的條件作為閾值P，則振動(dòng)的選擇條件如公式（1）所示。

式中：B為粉末顆粒的振幅；v為粉末顆粒的振動(dòng)頻率；g為重力加速度。

2.2 振動(dòng)裝粉試驗(yàn)

將包套裝夾在振動(dòng)平臺(tái)上，振動(dòng)平臺(tái)的振幅不會(huì)隨負(fù)載質(zhì)量而變化。通過(guò)用氦氣填充包套內(nèi)部空間（精度為±100cm3）的方法，測(cè)量試驗(yàn)所用包套的內(nèi)部空腔體積。

當(dāng)包套中自由填充滿粉末時(shí)，裝粉密度為4.89g/cm3~5.01g/cm3，然后施加振動(dòng)，在振動(dòng)壓實(shí)的初始階段，密度迅速增加至5.2g/cm3~5.3g/cm3，此后很長(zhǎng)一段時(shí)間振動(dòng)壓實(shí)，密度增加緩慢。此時(shí)，在較大振動(dòng)頻率及振幅大于1mm的情況下，處于振動(dòng)沸騰的狀態(tài)。為了停止該過(guò)程，必須將振動(dòng)幅度降低2.5~3倍，但振動(dòng)頻率應(yīng)大于40Hz。在振動(dòng)臺(tái)上，通過(guò)改變頻率和振幅：當(dāng)頻率35Hz~42Hz，振幅0.25mm~0.3mm時(shí)，可獲得更高的裝粉密度。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用粉末垂直填充包套時(shí)，粉末的最大密度達(dá)到5.5g/cm3~5.6g/cm3，是所用高溫合金理論密度8.34g/cm3[7]的66%~67%。當(dāng)包套充滿自由流動(dòng)的粉末時(shí)，可觀察到形成了5種不同大小的顆粒的區(qū)域，如圖4所示。

圖4 粉末自由填充包套中顆粒的分布圖

區(qū)域A，位于包套的垂直軸周?chē)⑶椅挥陬w粒通過(guò)其進(jìn)入包套的孔的相對(duì)側(cè)。它是在灌裝初期形成的，沒(méi)有明顯的偏析，細(xì)小部分均勻地分布在顆粒團(tuán)中。

B區(qū)位于A區(qū)上方，其特點(diǎn)是細(xì)粉部分的含量增加。

C區(qū)是均勻條帶的區(qū)域。每層在高度上都有不均勻的分?jǐn)?shù)組成：下部富含小顆粒，小顆粒經(jīng)“篩分”通過(guò)較大的顆粒層，大顆粒主要集中在上部，條紋的傾斜角對(duì)應(yīng)等于高溫合金粉末的休止角。

在區(qū)域D中，當(dāng)顆粒下落時(shí)，小顆粒在較大的沖擊下沿下落路徑被壓實(shí)，因此塌陷角變得大于休止角。當(dāng)顆粒堆積在圓錐體中時(shí)，它們會(huì)定期塌陷，然后重復(fù)該過(guò)程。

E區(qū)中，只有大顆粒分布，然后向下滾動(dòng)到粉末圓錐體的底部。

為了防止上述粉末偏析的結(jié)果，在粉末完全充滿包套后使用振動(dòng)混合[6]。在20Hz的振動(dòng)頻率和0.7mm的振動(dòng)幅度下，上下錐體受到破壞，增大了粉末相對(duì)密度。將振動(dòng)頻率增加到25Hz~35Hz，振動(dòng)10min后，整個(gè)包套的體積中的分餾物成分變得均勻，隨著顆粒變得更致密，它們的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)降低并且當(dāng)相對(duì)密度達(dá)到65%以上時(shí)，顆粒會(huì)完全停止運(yùn)動(dòng)。

對(duì)沿包套的垂直和水平軸截取的顆粒樣品的分?jǐn)?shù)組成，該文研究發(fā)現(xiàn)，它們?cè)趲缀跽麄€(gè)體積中的組成與初始體積相對(duì)應(yīng)[7]。這表明振動(dòng)混合可以使顆粒分布相對(duì)均勻。然而，當(dāng)在不同振動(dòng)模式的影響下目視觀察顆粒的運(yùn)動(dòng)時(shí)，都能觀察到大顆粒層篩分細(xì)顆粒的效果，篩分的顆粒層的高度達(dá)到幾毫米，篩分時(shí)間取決于初始顆粒的分?jǐn)?shù)組成和振動(dòng)時(shí)間。

如果在自由裝滿包套后再進(jìn)行振動(dòng)，振動(dòng)須在高負(fù)荷條件下長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)才能達(dá)到最大相對(duì)密度。在實(shí)際生產(chǎn)中，為提高粉末裝實(shí)的效率，通常采用裝粉和振動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，即裝粉一段時(shí)間后，開(kāi)啟振動(dòng)一段時(shí)間然后停止，如其反復(fù)直至包套裝滿。

3 裝粉密度對(duì)熱等靜壓包套變形的影響

在熱等靜壓之后，由于裝粉時(shí)粉末粒度的偏析，導(dǎo)致各部位振實(shí)的相對(duì)密度不同[8]，導(dǎo)致成形的圓盤(pán)包套為橢圓形。圓盤(pán)包套沿將顆粒填充軸的直徑比與其垂直方向的直徑大5mm~10mm（分別為φ451mm和φ446mm）。這是由于大多數(shù)分布在包套的垂直軸上的細(xì)分散顆粒的相對(duì)密度高于水平軸且當(dāng)填充粉末的過(guò)程接近最后階段，它們?cè)诎醉敳康闹匦路植际抢щy的。因此，在填充軸的左側(cè)和右側(cè)會(huì)形成粗粒含量高的區(qū)域，這會(huì)導(dǎo)致在熱壓期間出現(xiàn)較大的收縮。如果將圓盤(pán)的直徑增加到1000mm或更大，則粉末的分離偏析過(guò)程將變得更加嚴(yán)重，因此有必要制定一套措施來(lái)改進(jìn)用顆粒填充包套的技術(shù)，在后續(xù)過(guò)程再解決熱等靜壓后圓盤(pán)坯料變?yōu)闄E圓形的問(wèn)題。

4 結(jié)論

首先高溫合金粉末在包套中的裝粉密度與粉末特性、包套形狀以及振動(dòng)形式有關(guān)。其次，粉末在填充包套時(shí)，會(huì)在包套內(nèi)部自由形成不同的粒度區(qū)域，通過(guò)改變振動(dòng)頻率和振幅，可以讓包套內(nèi)的粉末流動(dòng)，提高裝粉振實(shí)密度。最后，裝粉密度對(duì)包套熱等靜壓后的形狀有十分重要的影響，當(dāng)粉末裝粉密度不均勻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致圓形盤(pán)狀包套呈現(xiàn)橢圓形狀，對(duì)其他形狀的包套也會(huì)導(dǎo)致形狀不規(guī)則，影響后續(xù)盤(pán)件的加工，需要通過(guò)一定技術(shù)手段減少和解決這一問(wèn)題。