基于热等静压技术的航空类铸造零件研究

基于热等静压技术的航空类铸造零件研究摘要：通过分析国际上热等静压技术的在粉末冶金盘、熔模铸造与铸造叶片的固相连接应用的基础上，对国内采用热等静压技术铸造高温合金、钛合金、铝合金、球墨铸铁的生产和实验进行了详尽描述。

阐明，热等静压技术对消除铸件缺陷，细化和均匀组织，提高铸件性能方面具有普遍的效果。

关键词：热等静压铸造组织性能应用热等静压技术（Hot isostatic pressing,简称HIP）是一种集高温、高压于一体的新兴铸造工艺技术，加热温度通常为1000℃到2000℃之间，通过密闭容器中的氮气或其它高压惰性气体为传压介质，工作压力可达200MPa。

在高温、高压的共同作用下，被加工件的各向均衡受压，故加工产品的致密度高、均匀性好、性能优异。

同时该技术具有生产周期短、工序少、能耗低、材料损耗小等特点。

1 国际上热等静压技术在铸造生产中的应用热等静压技术在铸件生产上的应用已经很广泛，例如：航空发动机和船用燃气轮机中涡轮等重要的零部件、大型客机的铝、钛结构件、汽车的重要零部件和生物工程中人工关节的致密化处理等。

热等静压在铸造领域的致密化处理方面应用研究开发较早，是热等静压应用较成熟和完善的领域。

它在航空航天及其它重要的工作环境中的应用已被人们所认知，特别是以美、俄和欧洲各国等工业强国为代表，在军备竞赛中用于航空、航天领域的普遍应用，也早已引起人们的关注，同时也促进了热等静压技术的应用和完善。

目前，正在致力于发电、航海、汽车工业、生物工程等领域的应用。

1.1 热等静压技术在熔模铸造上的应用熔模铸件内部一般都存在着缩松等缺陷，使其力学性能和使用可靠性比锻件低。

为获得致密的熔模铸件，热等静压技术已被广泛用于航空发动机的涡轮叶片及其他熔模铸件上。

用热等静压技术处理熔模铸件，能减少铸件内部裂纹、缺陷和焊接后裂纹，很大程度改善了熔模铸件性能。

由于热等静压技术是利用高温和高压、靠金属蠕变和塑性变形让铸件内部疏松、热裂等缺陷愈合，而形状和尺寸变化很小，通常测不出来。

处理后铸件密度可达到金属理论密度，使组织均匀化，从而提高性能并使性能分散程度下降，热等静压技术处理可使镍基高温合金，钛合金和铝合金的高温低周疲劳性能提高3～10倍；使镍基高温合金和钛合金的断裂应力提高1.5～2倍，使用寿命提高2～3倍，使铝合金的疲劳寿命提高3倍，使铸件性能变化和分散程度降低到20%左右。

所以，英美许多航空制造企业规定热等静压技术是叶片等关键熔模铸件必需工序，欧美许多钛合金铸件利用热等静压技术处理。

比如西德蒂塔尔公司、比利时钛技术公司和美国钛技术公司中，热等静压加工量为20%～80%。

而随着航空发动机制造技术的不断发展，许多大型机匣和中介机匣，扩压器等部件，已经由锻、铸件组合改进为整体精密铸造，并大量采用了高温合金、钛合金和不锈钢、耐热钢等高性能铸件，提高了发动机部件的整体协调性和一致性。

目前，欧美等工业强国已明确要求钛合金、高温合金整体铸件需使用热等静压技术用于清除内部缺陷，改善合金的微观组织和性能。

1.2 热等静压技术在铸件固相连接上的应用目前，航空发动机零件铸造工艺上广泛使用直接热等静压成形技术，即不采用挤压设备直接热等静压成形粉末冶金高温合金零件，多用于涡轮盘的铸造。

美国已经开始使用该技术制造双合金涡轮叶盘，叶盘的轮毂部位使用具有细晶组织的镍基粉末高温合金，而叶盘的外缘使用具有粗晶组织和优良蠕变性能的镍基超合金铸造叶片环，将两部分粘结成整体叶盘。

铸件与粉末高温合金的连接件有很高的瞬时及持久性能，通过FGH95高温合金粉末盘与DD3单晶铸造叶片的连接试验发现，断裂都不在连接面上。

在550℃及650℃时，试样的断裂在DD3材料一边；而在760℃时，由于此温度已高于涡轮盘的使用温度，断裂发生在FGH95材料一边。

1.3 热等静压技术在单晶高温合金上的应用为减少或消除单晶高温合金中的铸造缺陷，进一步提高单晶高温合金的综合性能，国外已开展了将热等静压技术应用于单晶高温合金的研究。

在对第一代、第二代单晶高温合金中的热等静压应用研究过程中，发现热等静压可有效消除单晶合金枝晶间的疏松和缩孔等缺陷，且显著提高合金疲劳性能。

2 国内热等静压技术的发展研究世界上第一台热等静压机自1955年在美国贝特尔（Battelle）研究所建造以来，已有50年历史了,热等静压设备和工艺日益改善，应用领域不断扩大。

目前，热等静压技术已广泛应用于航空、航天、能源、运输、电工、电子、化工和冶金等行业。

我国的热等静压技术起步较晚，但发展迅猛，从1980年前仅有8台设备,而到了2010年已经发展到近百台，而且北京航空材料研究院做过多种不同材料的研究对比试验。

2.1 DD3高温合金试验选用两种热等静压工艺对DD3合金进行热等静压试验，研究了热等静压对DD3单晶高温合金组织与性能的影响，观察、分析了热等静压及完全热处理后的金相组织，测试了经热等静压并热处理后合金的持久、蠕变及拉伸性能。

结果表明:热等静压工艺可部分或完全消除DD3合金的铸造疏松或缩孔，但导致合金γ′强化相的回溶和不规则长大,热处理后γ′相粗大且立方化和规则性差,合金的中、高温持久和蠕变性能有所降低，对900℃拉伸性能无明显影响。

2.2 K418高温合金和K405高温合金试验针对K418合金和K405合金分别进行了热等静压试验，试验结果为，经热等静压后，K418合金铸态试样断口上的孔洞被消除，而K405合金试样的平均密度由热等静压处理之前的8.149g/cm提升到8.158g/cm，说明可以消除合金中的气孔类缺陷，使合金进一步致密化。

由于热等静压处理多在γ′相溶解温度左右进行，它实际上相当一次高温固溶或均匀化处理，所以合金显微组织发生了较大的变化，处理后合金偏析减小，更加的均匀。

2.3 K18高温合金试验针对涡轮叶轮用K18高温合金的热等静压处理进行了研究。

结果表明，通过热等静压处理，疏松缺陷减少，显微组织均匀细化，合金致密度提高，而且力学性能得到了改善。

热等静压处理虽然使合金的强度水平略有下降，但它使材料的塑性及疲劳寿命增加，并使其力学性能的分散度下降，从而提高材料使用性能的可靠性。

2.4 QT600-3合金球墨铸铁试验针对QT600-3合金球墨铸铁力学性能的影响进行研究，试验结果证明，热等静压工艺有效地消除了缩松缺陷，从而有效地提高了材料的塑性性能，合金球墨铸铁的延伸率由3.2%提高至6.6%，提高约100%，同时材料的拉伸性能也由940MPa提高至1061MPa，提高12.8%。

3 在航空类零件铸造中应用热等静压技术需注意的问题航空类零件广泛应用了钛合金材料，钛合金铸件经热等静压处理后，会使合金的显微组织发生一定的变化，内部孔洞与疏松被挤压而焊合，使密度和力学性能均能得到改善。

热等静压的效果是否显著，在很大程度上取决于处理前铸件的质量，低质量的铸件经处理后，其性能大大改善，通常可提高10倍。

高质量的铸件本来就致密，成分和性能也比较均匀，经过处理后疲劳性能会有大的改善，其他方面性能的改善就不十分明显。

如果该铸件对疲劳性能要求不是很高，从经济方面考虑，不需进行热等静压处理。

采用热等静压工艺修复铸件缺陷，具体来看这种修复首先是通过蠕变和变形，然后通过破坏表面的渗透扩散粘结而实现的。

通过这种热处理，铸件具有均匀、充分致密化的结构。

在处理过程中，温度应保持在材料的塑性变形范围内，即温度应高到利于扩散粘结的程度，但同时在此条件下又应使温度尽量低，以避免微观结构上的不利变化如晶粒长大的出现。

但热等静压工艺不能清除与表面相关的缺陷，若要消除此类缺陷需使用包套作为承受高压气体的屏障。

此外，当金属与金属接触受到阻碍如缺陷表面已被氧化或孔中的气体不能扩散到材料中时，扩散连接就不能实现。

表面下气孔的消除显著改善了铸件加工表面的粗糙度，从而使其耐磨性提高，改善了密封区的气密性和初始区的耐腐蚀性。

4 结语热等静压技术在欧美等发达国家经过50余年的发展，已广泛应用，技术趋于成熟，成为产业化生产高性能材料和元件的通用方法，并在大型热等静压设备中采用了先进的快速冷却系统，使生产周期减半，提高了生产效率，生产成本大幅降低。

我国经过30多年的努力，热等静压技术从无到有、从小到大，应用规模不断扩大，在航空领域也逐渐加深认识并在工程化中得到应用。

但由于国内热等静压技术还不完全成熟，关于在铸件生产中的积极作用，相关领域的专家认识并不完全统一，热等静压技术在铸件生产工程化中的应用还有待于深入研究和完善。

参考文献[1] 张义文.热等静压技术新进展[J].粉末冶金工业，2009，19(4)：32-39.[2] 尚文静.热等静压（HIP）技术和设备的发展及应用[J].有色冶金设计与研究，2010，31(1):18-21.[3] 姜不居.熔模铸造的现状和未来[J].特种铸造及有色合金，1998(4):18-22.[4] 呼和.镍基铸造高温合金的热等静压处理[J].金属学报，2002，38(11):1199- 1202.[5] 呼和.等静压技术进展[M]，北京：北京工业出版社，1996：187-195.[6] 张树才，郭志俊，王跃旗，等.涡轮叶轮用铸造高温合金的热等静压处理研究，CNKI:33-1331/TJ.20110704.[7] 王声宏.热等静压(HIP)技术在金属材料方面的应用[J].粉末冶金工业，1999，9(6)：18-24.[8] 谷怀鹏，张勇.合金球墨铸铁热处理及热等静压工艺研究[J].科技创新导报，2009（20）：78-79.[9] 韩梅，骆宇时.热等静压对DD3单晶高温合金组织与性能的影响[J]，材料工程，2008（8）：40-43.[10] 聂小武.航空航天用钛合金的铸造工艺及发展[J].金属加工，2010（13）：26-32.[11] 谌启明，杨靖，单先裕等.热等静压技术的发展及应用[J].稀有金属与硬质合金，2003，31（6）：33-38.。