史振宇¹， 刘晓文²， 宋来聪²， 李 永²， 段宁民²， 王继来²， 张成鹏²     

1. 河北工业大学 机械工程学院， 省部共建电工设备可靠性与智能化国家重点实验室， 天津 300130；2. 山东大学 机械工程学院， 高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东 济南 250061

引用格式：

史振宇， 刘晓文， 宋来聪， 等. 航空发动机应用领域粉末高温合金的研究进展［J］. 中国粉体技术， 2025， 31（1）： 47-61. 

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DOI：10.13732/j.issn.1008-5548.2025.01.005

收稿日期： 2024-07-12， 修回日期： 2024-09-10， 上线日期： 2024-10-16。

基金项目： 国家重点研发计划项目， 编号： 2022YFB3401900； 国家自然科学基金项目， 编号： U21A20134；山东省自然科学基金项目， 编号： ZR2022YQ48。

第一作者简介： 史振宇（1984—）， 女， 教授， 博士， 博士生导师，教育部长江学者奖励计划青年学者， 研究方向为高温合金制备及高性 能加工技术研究。E-mail：zyshi@hebut. edu. cn。

摘要：【 目的】　延长航空发动机涡轮盘等关键部件的使用寿命，对粉末高温合金的材料设计和制备工艺等方面的研究进 展进行分析和总结。【 研究现状】 针对近年来国内外航空发动机涡轮盘等关键部件主要材料的粉末高温合金，综述多种 类型的粉末高温合金的元素组成及制备工艺，概括碳、 钽、 铪、 硼、 锆、 钴、 钛、 稀土元素等微量元素对粉末高温合金性 能的影响，总结热等静压、 热挤压、 粉末注射成型、 增材制造等制备工艺对粉末高温合金性能的影响。【 结论与展望】 在材料设计方面，应优化粉末高温合金元素组成，探索添加更多高性能元素，制备更耐高温、 耐氧化、 力学性能优异、 服 役寿命长的粉末高温合金； 在制备工艺方面，优化热等静压及热挤压工艺参数，继续探索完善粉末注射成型、 增材制造 工艺。

关键词： 粉末高温合金； 微量元素； 热等静压工艺； 热挤压工艺

Abstract

Significance To enhance the service life of critical components such as turbine disks in aero engines， this paper summarizes and analyzes the research progress on material design and preparation techniques for powder metallurgy superalloys. The effects of trace elements， including carbon（C）， tantalum（Ta）， hafnium（Hf）， boron（B）， zirconium（Zr）， cobalt（ Co）， titanium（Ti）， and rare earth elements， as well as their dosages， on the properties of powder metallurgy superalloys are reviewed. Furthermore， the impact of preparation techniques， such as hot isostatic pressing（HIP）， hot extrusion， powder injection molding （PIM）， and additive manufacturing（AM）， along with their process parameters， on the properties of powder metallurgy superalloys is summarized.

Progress The addition of trace elements such as C， Ta， Hf， B， Zr， Co， Ti， and rare earth elements can significantly impact the microstructure， mechanical strength， friction and wear resistance， and service life of powder metallurgy superalloys. The content of these trace elements is also a crucial factor. For instance， an appropriate amount of C can facilitate the formation of carbides， reduce grain size， and thereby enhance the microstructure and mechanical properties of powder metallurgy superalloys. However， excessive C can lead to the formation of numerous and large-sized carbides， which can deteriorate the interface bonding， making it prone to microcracks and ultimately reducing the alloy’s performance. Similarly， a moderate amount of Ta can improve the thermal conductivity and oxidation resistance of powder metallurgy superalloys， while an appropriate level of Hf can enhance mechanical properties by influencing the phase transformation behavior. B improves the high-temperature durability of the alloy by segregating at grain boundaries and forming borides. Zr， by segregating at grain boundaries and promoting carbide stability， reduces defects and enhances the thermal strength of the alloy. The introduction of Co and Ti enhances the mechanical properties of powder metallurgy superalloys. Furthermore， a suitable amount of Sc（ a rare earth element） can significantly improve the tensile properties of powder metallurgy superalloys. In summary， to achieve powder metallurgy superalloys with superior performance， it is essential to carefully select the types and contents of trace elements to be added. The commonly used preparation techniques for powder metallurgy superalloys are HIP and hot extrusion. The adoption of HIP in the preparation of powder metallurgy superalloys can effectively mitigate internal defects such as porosity， achieving better pressing and molding effects. It can also improve the microstructural characteristics， prior particle boundary （PPB） defects， mechanical properties， and fatigue performance of the alloy. The hot extrusion process optimizes the material’s microstructure and enhances the alloy’s mechanical properties. During the preparation of powder metallurgy superalloys， both HIP parameters and hot extrusion process parameters significantly impact the alloy’s performance. For instance， increasing the HIP treatment temperature can significantly reduce the PPB within the powder metallurgy superalloy. When the extrusion temperature， extrusion ratio， and extrusion speed during hot extrusion are increased， the dynamic recrystallization of the alloy becomes more complete. However， excessively high extrusion temperatures， ratios， and speeds can lead to a significant increase in grain size， which is detrimental to subsequent processing and forming. In recent years， AM and PIM processes have also become increasingly prevalent. By adjusting the injection speed in the PIM process， the mechanical properties of powder metallurgy superalloys can be significantly influenced. Similarly， both the temperature and forming direction in the AM process affect the material’s tensile properties. In conclusion， it is crucial to select appropriate process types and parameters for the preparation of powder metallurgy superalloys.

Conclusions and Prospects Regarding powder metallurgy superalloys， although the research on their elemental composition and preparation processes is now relatively advanced， the demanding service conditions faced by critical aerospace components such as turbine disks and turbine shafts necessitate further improvements. In the future， emphasis will be placed on the optimization of their composition， innovation in processing techniques， and precise control of microstructure to enhance their overall performance. From the aspect of material design， the elemental composition of powder metallurgy superalloys can be optimized incorporating more high-performance elements， producing powder metallurgy superalloys that exhibit greater high-temperature resistance， oxidation resistance， superior mechanical properties， and prolonged service life. Regarding prepa⁃ ration processes， parameters for HIP and hot extrusion should be optimized， and a combined approach utilizing both HIP and hot extrusion should be adopted for the preparation of powder metallurgy superalloys. Additionally， efforts should continue to refine PIM and AM processes， while also exploring novel， efficient， and high-quality methods for the preparation of powder metallurgy superalloys.

Keywords： powder metallurgy superalloys； trace element； hot isostatic pressing process； hot extrusion process

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