熱等靜壓(HIP)技術(shù)在金屬材料方面的應(yīng)用

1、熱等靜壓(HIP)技術(shù)在金屬材料方面的應(yīng)用熱等靜壓(HIP)技術(shù)于本世紀(jì)50年代中期問世。經(jīng)過40多年的發(fā)展現(xiàn)已成為世界高性能材料生產(chǎn)不可缺少的一項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)也成為新材料開發(fā)中的重要高新技術(shù)。我國(guó)HIP技術(shù)開發(fā)始于70年代。在近30年的發(fā)展中，不僅取得不少可喜的成果，而且這些成果已在許多領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。HIP99國(guó)際會(huì)議在北京召開，無疑為我國(guó)從事HIP研制人員提供了不可多得的與國(guó)際同行進(jìn)行直接交流的機(jī)會(huì)，并將有利于我國(guó)HIP技術(shù)的發(fā)展。為了使廣大讀者對(duì)本屆會(huì)議內(nèi)容有一個(gè)概略的了解，本文對(duì)當(dāng)前HIP技術(shù)在金屬材料方面的應(yīng)用進(jìn)行了綜合評(píng)述，其重點(diǎn)在鈦合金、高溫合金、鈹材和難熔金屬的應(yīng)用方面。1H

2、IP技術(shù)在鈦合金方面的應(yīng)用在近期的應(yīng)用中，鈦合金鑄件經(jīng)HIP致密化處理后最重要的應(yīng)用仍然在商業(yè)方面。這是由于鈦合金鑄件可以制備大型、異型的凈成形產(chǎn)品，因此大幅度降低部件的制造成本。HIP處理雖然使合金的強(qiáng)度水平略有下降，但它使材料的塑性及疲勞壽命增加，并使其力學(xué)性能的分散度下降，從而提高材料使用性能的可靠性。Ti-6AI-4V合金是鈦合金的主要材料，目前最大的鈦合金鑄件是美國(guó)GE公司的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)件，其外徑為1500mm。Pratt & Whitney公司制造的PW4080發(fā)動(dòng)機(jī)過渡罩外徑已達(dá)1800mm。由于鑄件的尺寸大于目前世界上正在運(yùn)轉(zhuǎn)的HIP機(jī)尺寸，故在此件HIP處理前先把它

3、切開分別進(jìn)行HIP處理，然后再把它焊合。為此航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠要求用HIP處理尺寸為2050mm及超過此尺寸的部件。鑒于制造2050mmHIP設(shè)備的制造費(fèi)用過高，而且這種大件的數(shù)量相對(duì)較少，故難以實(shí)現(xiàn)。為了提高鈦合金鑄件性能，波音公司、洛克希德公司及麥當(dāng)來、道格拉斯公司作了大量的研究工作?，F(xiàn)已表明，鈦精密鑄件在HIP后再經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢允蛊湫阅苓_(dá)到鍛件的水平(包括疲勞性能及塑性)。馬丁波音F22空中優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)斗機(jī)是HIP鈦合金應(yīng)用的典范，其應(yīng)用的76個(gè)部件約占飛機(jī)機(jī)架重量的45%，材料為經(jīng)HIP后的鈦合金鑄件。其中包括首次將鑄件用于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的垂直穩(wěn)定器，見圖11。圖1用于F22空中優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)斗機(jī)的垂直

4、穩(wěn)定器(HIP Ti-6Al-4V合金)HIP鈦合金的熱氫處理(THP)是近年新開發(fā)的一種熱處理工藝。THP處理是基于氫在鈦合金中作為一種過渡合金元素，它以細(xì)化合金組織及改變相的組成來改善合金的性能，使其能夠代替原來鍛件用于關(guān)鍵部件1、2。北京航空材料研究院的研究人員就此論題作了專題論述2。由于氫是強(qiáng)烈的相穩(wěn)定劑，在加入氫后Ti-6Al-4V合金的轉(zhuǎn)變溫度可由900下降至800，它使形成馬氏體所需的臨界冷卻速度下降，從而改變了Ti-6Al-4V合金的淬硬性。典型的Ti-6Al-4V鑄態(tài)組織、鑄件HIP后的組織，以及經(jīng)HIPTHP的組織示于圖22。a.鑄態(tài)b.HIP態(tài)c.HIPTHP態(tài)圖2Ti-

5、6Al-4V鑄件在各種狀態(tài)下的顯微組織從圖2可知，鑄態(tài)與HIP態(tài)的組織相似，只是HIP后鑄件的縮孔及氣孔已消除，在一些小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)細(xì)的等軸相。兩種狀態(tài)下的組織都是由相對(duì)較粗的片狀相及沿原先相晶界分布的連續(xù)相組成。然而經(jīng)THP處理后，HIP后的鑄件的組織顯著細(xì)化，粗大的片狀相變成細(xì)小的等軸相，并在原晶體中消失，在晶界上連續(xù)的相也消失。表1是該合金在各種狀態(tài)下的力學(xué)性能。表1HIP及THP對(duì)Ti-6Al-4V精鑄件室溫性能的影響材料狀態(tài)極限抗拉強(qiáng)度MPa屈服強(qiáng)度MPa伸長(zhǎng)率斷面收縮率沖擊韌性kJ.cm2疲勞強(qiáng)度*MPa鑄態(tài)931NA9.619.4438196HIP態(tài)91585911.120.156

6、0490HIPTHP態(tài)10209508.015.0693600退火后鍛態(tài)95389114.645.3550539*此為在1107周期下的強(qiáng)度，f130Hz，K0.1從表1可見，由于HIP消除了鑄件縮孔及氣孔，合金的疲勞性能得到顯著提高，塑性也得到改善，但其強(qiáng)度值略有下降。合金在HIPTHP后，抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性及疲勞強(qiáng)度均有較大提高，其疲勞強(qiáng)度甚至比典型退火后的鍛件還高。疲勞性能的改善主要是通過細(xì)化粗大網(wǎng)狀組織及消除相連續(xù)晶界組織而達(dá)到的。目前THP技術(shù)主要用于處理Ti-6Al-4V鑄件，同時(shí)也用于金屬間化合物如Ti3Al-Nb。THP技術(shù)對(duì)粉末冶金產(chǎn)品也有良好的效果，可使其抗拉強(qiáng)度及疲勞性能

7、得到改善。鈦粉末冶金工藝主要是以元素粉末為原料，也可使用預(yù)合金粉末。美國(guó)產(chǎn)品用預(yù)合金粉作原料的較少，原因有待查明1。由于采用CIP燒結(jié)HIP工藝可制備凈成形部件，故其產(chǎn)品成本較低而獲得商業(yè)上的很大成功。美國(guó)現(xiàn)用此工藝制作導(dǎo)彈的部件，如Stinger導(dǎo)彈的彈頭(內(nèi)包鎢粒)。目前已生產(chǎn)30000件，其粉末制品重1.1kg。而按早期計(jì)劃采用鑄錠機(jī)加工生產(chǎn)時(shí)，需把重3.6kg的棒加工成0.45kg的最終成品。其次，采用粉末冶金工藝制作復(fù)合材料(加入TiC或TiB2陶瓷顆粒，或TiAl金屬間化合物)，可使其具有更高的強(qiáng)度、硬度及彈性模量。有關(guān)新型鈦合金的應(yīng)用及開發(fā)，各國(guó)也都進(jìn)行了研究。例如在渦輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)

8、應(yīng)用中，采用了工作溫度更高、比強(qiáng)度更大的TiAl精密鑄件，雖然該材料HIP的塑性較低，僅為2%，但在一些地方仍可應(yīng)用。美國(guó)GE公司采用Ti-48Al-2Cr-2Nb(at.%)制成CF6-80C2低壓渦輪第五級(jí)葉片1，其HIP溫度為12001260，壓力為175210MPa，保壓4h。葉片在1993及1994年成功地進(jìn)行了地面試車。1993年進(jìn)行了1000次模擬飛行周期試驗(yàn)，1994年對(duì)其拆卸下的重要構(gòu)件進(jìn)行了500多次試驗(yàn)。在低壓渦輪上工作的這種葉片共計(jì)98片，每個(gè)葉片重217g，長(zhǎng)320mm。由于葉片的重量低，減少了其在渦輪盤上的應(yīng)力，因而可使高強(qiáng)鎳基渦輪盤的重量下降，見圖3。圖3GE公司

9、已裝配好的CF6-80C2發(fā)動(dòng)機(jī)(葉片材料為Ti-48Al-2Cr-2Nb，at.)在國(guó)內(nèi)，中南工業(yè)大學(xué)對(duì)Ti-27Al-3Cr(at.)、Ti-47Al-2Cr-2Nb(at.%)及Ti-47Al-3Cr-2Nb-0.2B(at.%)等鈦基合金進(jìn)行了研究。當(dāng)HIP溫度為1280、壓力為150MPa、保壓4h時(shí)，Ti-27Al-3Cr合金的強(qiáng)度最好，其抗拉強(qiáng)度達(dá)526MPa、伸長(zhǎng)率達(dá)1.5%。其中，在900含Nb的合金具有更高的強(qiáng)度3。美國(guó)汽車行業(yè)的專家對(duì)HIP鈦合金在汽車行業(yè)應(yīng)用表現(xiàn)出很大的熱情。其鈦合金部件主要是閥及增壓渦輪轉(zhuǎn)子。用鈦合金作閥件可提高其工作溫度；其次，由于其作返復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的

10、重量輕，燃料使用效率更高。同樣，以鈦合金代替高溫合金作增壓渦輪轉(zhuǎn)子，由于重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小而使葉輪起動(dòng)速度快，從而減少加速時(shí)的廢氣排放量。采用經(jīng)HIP的Ti-48Al-2Cr-2Nb(at.%)鑄造閥門，已成功進(jìn)行了32000km的路面試車。結(jié)果表明，HIP鑄造閥門在賽車上的應(yīng)用狀態(tài)良好。然而，由于HIP在消除中心縮孔時(shí)出現(xiàn)長(zhǎng)桿彎曲，造成30%40%的廢品。故從經(jīng)濟(jì)方面考慮，目前還不能將其用于家用汽車。此外，采用加入陶瓷顆粒進(jìn)行強(qiáng)化的復(fù)合材料，也制成了汽車部件，如閥體及連接棒等。粉末冶金最新發(fā)展方向之一是采用“非平衡態(tài)”成分的材料以建立一個(gè)新的結(jié)構(gòu)與組織，從而可以大幅度提高合金材料的性能。采用

11、快速凝固(RS)及機(jī)械合金化(MA)工藝可制備“非平衡態(tài)”成分的材料。例如采用RS制備Ti-6Al-4V超細(xì)粉，采用RS改進(jìn)金屬間化合物Ti3Al及TiAl基合金的塑性等；又如采用MA工藝可制得Mg高溶解度的Ti-Mg低密度合金，采用MA工藝合成Ti3Al及TiAl及進(jìn)行THP處理，制備Ti3Al2Er HIP制件等。另外，還可采用納米晶制備TiAl粉，但其HIP溫度超過1100才可得到致密產(chǎn)品，如Ti-55Al(at.%)及Ti-47.5Al-3Cr(at.%)。2HIP技術(shù)在高溫合金方面的應(yīng)用HIP技術(shù)在高溫合金方面的應(yīng)用主要集中在粉末凈成形技術(shù)及粉末渦輪盤上。有關(guān)鑄件的HIP處理雖然在國(guó)

12、外生產(chǎn)中已大量應(yīng)用，但在本屆會(huì)議上只見到國(guó)內(nèi)專家發(fā)表的3篇論文。在粉末凈成形技術(shù)方面，中國(guó)、俄羅斯及法國(guó)的專家在會(huì)上發(fā)表了多篇有關(guān)論文。采用粉末直接制備致密部件的方法有多種。如采用CIP燒結(jié)HIP、注射成形及直接HIP成形等。直接HIP成形是最具有競(jìng)爭(zhēng)力的方法，各國(guó)科研人員對(duì)此給予極大的關(guān)注。但是，由于它同時(shí)須滿足一些比較苛刻的要求，例如應(yīng)具有精密鑄件的精確尺寸和鍛造合金一樣的力學(xué)性能，因此這一技術(shù)發(fā)展較慢。目前凈成形技術(shù)已逐漸成為渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，其制品已成為精密鑄件及鍛件的替代材料。在這方面俄羅斯的制造者進(jìn)行了開創(chuàng)性的工作，見表2。法國(guó)最近也開展了研制工作4。表2采用凈

13、成形工藝進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件4火箭發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)部件材料RD170(液氧)LOX轉(zhuǎn)子葉片鎳基合金RD170帶鋼軸的雙金屬LOX轉(zhuǎn)子葉片鎳基合金RD180LOX轉(zhuǎn)子葉片鎳基合金RD180渦輪盤鎳基合金EnergiaBuran帶鑄造葉片的雙金屬渦輪盤鎳基合金CADB轉(zhuǎn)子葉片鈦基合金采用凈成形工藝生產(chǎn)上述部件必須解決幾個(gè)方面的問題：首先，須對(duì)粉末制件用的粉末的三維流動(dòng)行為作正確分析，確定一個(gè)合理的模型；其次，選擇一個(gè)合適的包套。包套一般用低碳鋼材料制作，也可用陶瓷制作的模具。在進(jìn)行HIP的過程中包套不得破裂并能最大限度地降低偶然因素的影響。粉末在致密化過程中經(jīng)歷3個(gè)階段即塑性變形、蠕變及擴(kuò)散過

14、程。鋼套的破裂主要發(fā)生在第一階段；第三，通過試驗(yàn)進(jìn)一步確定該材料的實(shí)際形變圖；最后是對(duì)壓件的尺寸變化進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析并修正工藝5。目前通過凈成形工藝已可制備渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件，例如：.直徑為150mm的鈦合金渦輪泵轉(zhuǎn)子葉片罩，其型孔直徑精度達(dá)0.2mm，橢圓度為0.1mm，水平面偏差為0.1mm，葉片尺寸公差為0.1mm；.直徑為440mm的鎳基合金軸向渦輪護(hù)罩，其通道的直徑精密度為0.3mm，葉片型面精密度為0.2mm；.直徑為300mm的鎳基合金噴口，其帶葉片的固定部分的直徑精度為0.2mm，葉片型面精度為0.15mm。俄羅斯輕金屬研究院報(bào)道了該院生產(chǎn)鎳基高溫粉末渦輪盤及軸的情況

15、6。在最近18年來，該院共生產(chǎn)了45000個(gè)粉末渦輪盤及軸，其中2000個(gè)粉末渦輪盤至今仍在民用及軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上安全運(yùn)轉(zhuǎn)。其突出的特點(diǎn)是渦輪盤在整個(gè)體積內(nèi)的力學(xué)性能非常均勻。此外，有關(guān)粉末制件在生產(chǎn)過程中的控制及測(cè)試可靠性等工作也不斷得到改進(jìn)，其中最重要的是降低了熔渣及陶瓷顆粒非金屬夾雜的尺寸及數(shù)量。其非金屬夾雜顆粒尺寸已下降至100140m，它們?cè)诿抗锓壑械臄?shù)量也下降至10個(gè)以下。在生產(chǎn)中，所有盤件均進(jìn)行100的自動(dòng)超聲測(cè)試，此外還對(duì)盤件表面進(jìn)行計(jì)算機(jī)掃描測(cè)試。超聲測(cè)試的點(diǎn)直徑已由1.2mm下降至0.4mm。對(duì)于粉末凈成形技術(shù)，最復(fù)雜的制件是具有異型型面及帶孔的部件，如圖4和圖5所示部件

16、7。圖4HIP前后葉片型面變化的計(jì)算機(jī)模擬圖圖5帶插孔的渦輪盤件北京航空材料研究院報(bào)道了FGH95高溫合金渦輪盤件凈成形的有關(guān)情況。通過對(duì)包套的設(shè)計(jì)與計(jì)算，其尺寸精度已達(dá)到1%以下的誤差8。鑄造單晶轉(zhuǎn)子葉片與粉末渦輪盤件的HIP連接同樣受到與會(huì)者的關(guān)注。葉片的工作溫度為8001150，渦輪盤的工作溫度為530650，而葉片根部溫度為650750。對(duì)于動(dòng)葉片，在此溫度下獲得的連接性能不是最好的，故HIP連接必須保證兩種材料在結(jié)合部位處于最佳工作狀態(tài)。試驗(yàn)所用的兩種材料是JS26VSNK DS合金及EP741NP粉末合金。連接后的試樣在650至850進(jìn)行瞬時(shí)與持久強(qiáng)度的測(cè)試及光滑與缺口試樣的低周疲

17、勞試驗(yàn)，在750下進(jìn)行剪切應(yīng)力試驗(yàn)。由于兩種材料的物理及力學(xué)性能不同，在材料的連接處存在應(yīng)力集中，故必須在連接結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)以使剪切應(yīng)力下降到最低點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，鑄件與粉末高溫合金的連接件有很高的瞬時(shí)及持久性能，但因連接面有應(yīng)力集中故對(duì)剪切應(yīng)力極為敏感，所以連接面的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)極為重要。論文作者對(duì)此也進(jìn)行了多種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并取得較好的效果9。在會(huì)上北京航空材料研究院介紹了FGH95高溫合金粉末盤與DD3單晶鑄造葉片的連接試驗(yàn)8。拉伸試樣的力學(xué)試驗(yàn)表明，所有斷裂都不在連接面上。在550及650時(shí)，試樣的斷裂在DD3一邊；而在760時(shí)，由于此溫度已高于渦輪盤的使用溫度，斷裂發(fā)生在FGH95一側(cè)。這說明

18、，兩種材料的連接具有較好的綜合性能。3HIP技術(shù)在鈹材制備中的應(yīng)用金屬鈹以其低密度、高比強(qiáng)度、高彈性模量、高屈服強(qiáng)度以及在靜、動(dòng)負(fù)荷下的良好尺寸穩(wěn)定性(如鋼鏡在旋轉(zhuǎn)速度為1.5105rm時(shí)便變形嚴(yán)重)而被應(yīng)用于戰(zhàn)略武器和航空器(如飛機(jī)、宇宙飛船、導(dǎo)彈、艦船和潛艇)的精密導(dǎo)航部件上。自50年代首次得到應(yīng)用以來，鈹已被確立為精密導(dǎo)航儀表的基本和理想材料，慣性導(dǎo)航所用鈹材的性能水平已成為一個(gè)國(guó)家的戰(zhàn)略用材研制實(shí)力的標(biāo)志。鈹屬于脆性金屬，而且?guī)缀踔荒懿捎梅勰┮苯鸱椒ㄖ圃?。凈成形工藝綜合了HIP、CIP和燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)，采用該工藝可以制出能夠滿足設(shè)計(jì)要求的部件，且生產(chǎn)成本最低。在本屆會(huì)議上，西北稀有金屬材料研究所的專家介紹了采用HIP技術(shù)制備方形高速旋轉(zhuǎn)鈹鏡的研究結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，鈹鏡已圓滿通過1.5105rm試驗(yàn)并可用于高速掃描相機(jī)上。但也發(fā)現(xiàn)，在不同方向上的力學(xué)性能有5%以下的差異。烏克蘭物理及工藝研究所學(xué)者在其論文中則展示了另一種制粉工藝霧化制