航空发动机的热端部件长期处于高温、高转速、高应力的工作环境,对材料的性能要求极为苛刻。其中,涡轮盘是航空发动机的核心部件,是由变形高温合金和粉末高温合金两种材料制备。与变形高温合金相比,以FGH4096为代表的粉末高温合金,由于消除了宏观偏析,具有组织均匀,晶粒细小,制件性能稳定,热加工变形性能较好,特别是屈服强度和抗疲劳性能有显著提高等特点,已经被应用于国内某型号的先进航空发动机涡轮盘的制备。然而高温合金中的氧、氮及其形成的夹杂物对其力学性能有重要影响,进一步提高其纯度从而提高其力学性能,是未来发展的一个方向。高温合金中杂质及夹杂物来源于原材料及熔炼过程中耐火材料的污染。目前,粉末高温合金母合金几乎都采用真空感应熔炼法进行一次熔炼,为了提高其纯净度,有在真空感应熔炼过程中采取挡渣过滤及对熔体采用高温处理等措施,但其纯净度仍然存在一定的问题;还有在真空感应熔炼的基础上采用电渣重熔或真空自耗重熔进行二次熔炼,甚至三次熔炼提高其纯净度,但其杂质含量的控制仍与美国等先进国家存在一定差距。根据氧、氮杂质的特点,熔炼过程中的高温高真空环境有利于杂质元素及夹杂物的去除,然而传统熔炼方法存在杂质及夹杂物难以消除的根本原因是受熔炼过程中温度及真空度的限制。针对这些问题,本论文提出电子束精炼制备高纯FGH4096镍基粉末高温合金母合金的思路,在精炼过程中使用水冷铜坩埚,不会引入陶瓷等非金属夹杂,避免了精炼过程中坩埚材料的脱落对母合金的污染以及原料和坩埚反应而产生的夹杂物,从源头上提高了母合金的纯净度,提高冶金质量;利用电子束精炼的高温、高真空环境,以及电子束轰击作用强化夹杂物的溶解、输运和脱除,从而达到深度去除的目的。然而,伴随着杂质的去除,合金元素的蒸发会影响电子束精炼后铸锭的化学成分导致元素难以控制,且在电子束精炼过程中夹杂物的去除机制还不明确。电子束精炼FGH4096母合金的具体研究内容及结论如下:针对合金元素难以控制的问题,本文通过热力学分析,利用元素挥发的Langmuir方程结合元素的活度系数以及饱和蒸气压值计算其挥发速率,确定元素挥发速率与温度、成分的关系,阐明精炼过程中合金元素的挥发规律以及电子束能量和精炼时间等对合金化学成分的影响,明确不同种类元素的挥发能力。研究结果表明,元素Cr蒸发损失最为严重,控制合金的成分主要是控制元素Cr的蒸发,并计算出控制元素Cr成分的精炼温度与精炼时间工艺参数边界值;并将易挥发元素以单质形式与标准成分的合金原料进行配比,并匹配相应的精炼工艺,获得符合成分要求的合金铸锭;根据合金中元素的分布,研究电子束精炼制备的FGH4096母合金中合金元素的偏析行为,通过对比传统熔炼的其它镍基合金发现,电子束精炼后铸锭中合金元素的宏观有效偏析系数相对较小。针对夹杂物去除机制不明确的问题,电子束精炼过程中能量集中,使熔体表面达到非常高的温度,有利于非金属夹杂物的上浮、分解及在结晶器中实现金属的凝固控制。电子束91kW精炼30min后,FGH4096母合金中氧、氮均降低到4ppmw,且能够有效去除8 μm以上的夹杂物。电子束精炼过程中氧的去除分为三个阶段,分别是熔化过程中氧化物夹杂的上浮、精炼过程中氧化物夹杂的分解及诱导凝固过程中氧化物夹杂的富集。氧化物夹杂在熔化过程中浮力的作用向熔体表面迁移;在电子束斑辐照的作用下,浮在熔体表面的氧化物夹杂分解到气相中而去除;诱导凝固过程中,熔体表面的氧化物夹杂在表面张力的作用下富集在最后凝固的区域。基于上述研究,将电子束精炼FGH4096母合金在中试电子束设备上进行放大实验。首先,对实验参数进行设计,依据实验室电子束精炼过程与中试设备精炼过程中的熔体表面单位面积上的能量相同,理论计算得到中试设备两把电子枪精炼200 kg的FGH4096母合金所需的参数为500 kW精炼15 min。根据设计的工艺参数,在中试电子束设备上进行了 200 kg的FGH4096母合金中试验证,并分析了实验后铸锭的成分分布、铸锭的微观形貌、杂质及夹杂物的去除效果。精炼后得到约200 kg的板材,夹杂物富集在最后凝固区,部分区域氧含量降到2ppmw,氮含量降到4ppmw。为产业化电子束精炼技术制备高纯FGH4096母合金提供理论依据和数据支撑。