[发明专利]一种去除高温合金粉末中非金属夹杂的装置及其方法

说明书

本发明公开了一种去除高温合金粉末中非金属夹杂的装置及其方法，包括静电分离室，其下粉口处设有送粉单元，静电分离室上端分别开设有与真空系统连接的抽气口和与惰性气体系统连接的充气口，内部设静电分离机构，用于分离含有非金属夹杂的粉末，并将分离后的非金属夹杂存储于废粉收集罐中、金属粉末存储于合格粉收集罐中；还设计了基于上述装置的方法。本发明通过结构优化，避免了常规静电分离过程中的离心力作用，使得电场的库仑力以及挡板的镜面吸力更好的作用在非金属夹杂上，粉末仅在重力作用下发生滚动，使得非金属夹杂，尤其是粘连金属粉末的异常非金属夹杂能够更好的粘附在挡板上而被毛刷清理至废粉区。

技术领域

本发明属于金属粉末制备技术领域，具体涉及一种去除高温合金粉末中非金属夹杂的装置及其方法。

背景技术

镍基高温合金主要用于制造涡轮盘等发动机热端部件，随着发动机性能的提升，推重比、涡轮前燃气温度以及压气机增压比不断提高，单级负荷不断增大，零件的应力水平越来越高，对材料的高温强度、疲劳性能以及耐久等有着更为苛刻的要求。镍基高温合金中，γ’相与高温合金的使用温度和性能直接相关，γ’相含量的提升可以提高合金高温强度，随着涡轮盘前燃气温度的不断提升，γ’相的含量也逐步增加，但γ’相的增加的也使得合金的偏析加重，严重降低了大尺寸铸锭的使用寿命。

粉末冶金工艺的发展，尤其是热等静压技术的日趋成熟，为大尺寸涡轮盘的生产提供了新的思路，使用两相流雾化或者离心雾化制备的合金粉末成分偏析可以控制在微米级，而后使用热等静压技术进行致密化，有效解决了大尺寸涡轮盘件的成分偏析问题，同时由于热等静压生产过程中应力的无方向性，成型制件各项异性，高向、径向以及环向性能无差异，成为了制备高品质制件，尤其是航空发动机用高品质制件的唯一技术。

虽然粉末冶金高温合金具有无与伦比的性能优势，但是粉末高温合金自诞生以来，合金中的原始颗粒边界、热诱导孔洞以及非金属夹杂缺陷就成为阻碍其进一步发展的重要原因。目前生产的粉末高温合金都非常致密，孔洞含量很低，原始颗粒边界和热诱导空洞已得到有效解决，虽然采取了很多技术手段，粉末高温合金粉末中的非金属夹杂物尚不能完全避免，因此粉末高温合金是一种对缺口敏感的脆性材料，性能易受夹杂物的影响。

粉末高温合金中的夹杂物主要来自两个方面，一是来自粉末高温合金的制备过程，如合金冶炼以及制粉过程，因为感应熔化坩埚、浇道以及制粉喷嘴、清理所用工具残留等都会不可避免的混入一些非金属夹杂物（主要成分SiO₂、Al₂O₃），另一方面是由于母合金原料不纯净、脱氧不良或者粉末处理不当而引入。同时非金属夹杂在粉末中以颗粒状存在为主，但仍有很大部分非金属夹杂由于制粉过程中的熔化再凝固过程与粉末颗粒粘连在一起形成异常非金属夹杂。颗粒状存在的非金属夹杂通过常规静电分离可减少80~90%，但与金属粉末发生粘连的异常非金属夹杂使用常规方法的去除效率仅有40~50%。而夹杂物的存在使得粉末高温合金的力学性能下降，特别是对材料的疲劳性能以及抗裂纹扩展性能的影响更为显著。

目前，去除粉末高温合金粉末中的异常非金属夹杂物最有效的办法是静电分离法，常规静电分离过程中，粉末颗粒的受力情况如图1所示。辊筒以一定的角速度旋转，粉末颗粒流经辊筒表面时，受辊筒的离心力、高压电场给与的库仑力、辊筒表面的吸附力、重力以及滚动摩擦力的影响。金属颗粒由于放电较快，接触辊筒表面时即完成放电，当辊筒旋转至一定角度时，在离心力大于重力与辊筒镜面吸附力的合力时飞出，落入合格粉。非金属夹杂由于放电较慢，接触辊筒后仍有大量的残余电荷，随辊筒旋转时，电场给与非金属夹杂的库仑力、重力以及辊筒镜面吸附力的合力大于离心力。使得非金属夹杂紧贴辊筒表面而被毛刷刷落至废粉区。但是实际静电分离过程中存在以下两个弊端：

一是颗粒状非金属夹杂流经辊筒时，由于瞬时施加的离心力较大，会直接甩出辊筒从而进入好粉区，粘连金属粉末的异常非金属夹杂在流经辊筒表面，当金属粉末面接触辊筒时，由于金属粉末完成放电，且金属粉末的比重远超粘附的非金属夹杂，从而会被离心力甩出进入合格粉。