熱等靜壓(HIP)技術在金屬材料方面的應用

1、熱等靜壓(HIP)技術在金屬材料方面的應用熱等靜壓(HIP)技術于本世紀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)不可缺少的一項技術，同時也成為新材料開發(fā)中的重要高新技術。我國HIP技術開發(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域中得到了應用。HIP99國際會議在北京召開，無疑為我國從事HIP研制人員提供了不可多得的與國際同行進行直接交流的機會，并將有利于我國HIP技術的發(fā)展。為了使廣大讀者對本屆會議內(nèi)容有一個概略的了解，本文對當前HIP技術在金屬材料方面的應用進行了綜合評述，其重點在鈦合金、高溫合金、鈹材和難熔金屬的應用方面。1H

2、IP技術在鈦合金方面的應用在近期的應用中，鈦合金鑄件經(jīng)HIP致密化處理后最重要的應用仍然在商業(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GE公司的GE90發(fā)動機風扇結構件，其外徑為1500mm。Pratt & Whitney公司制造的PW4080發(fā)動機過渡罩外徑已達1800mm。由于鑄件的尺寸大于目前世界上正在運轉(zhuǎn)的HIP機尺寸，故在此件HIP處理前先把它

3、切開分別進行HIP處理，然后再把它焊合。為此航空發(fā)動機廠要求用HIP處理尺寸為2050mm及超過此尺寸的部件。鑒于制造2050mmHIP設備的制造費用過高，而且這種大件的數(shù)量相對較少，故難以實現(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?shù)臒崽幚砜梢允蛊湫阅苓_到鍛件的水平(包括疲勞性能及塑性)。馬丁波音F22空中優(yōu)勢戰(zhàn)斗機是HIP鈦合金應用的典范，其應用的76個部件約占飛機機架重量的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鍵結構件的垂直穩(wěn)定器，見圖11。圖1用于F22空中優(yōu)勢戰(zhàn)斗機的垂直

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)細的等軸相。兩種狀態(tài)下的組織都是由相對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化，粗大的片狀相變成細小的等軸相，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)下的力學性能。表1HIP及THP對Ti-6Al-4V精鑄件室溫性能的影響材料狀態(tài)極限抗拉強度MPa屈服強度MPa伸長率斷面收縮率沖擊韌性kJ.cm2疲勞強度*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，但其強度值略有下降。合金在HIPTHP后，抗拉強度、沖擊韌性及疲勞強度均有較大提高，其疲勞強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化粗大網(wǎng)狀組織及消除相連續(xù)晶界組織而達到的。目前THP技術主要用于處理Ti-6Al-4V鑄件，同時也用于金屬間化合物如Ti3Al-Nb。THP技術對粉末冶金產(chǎn)品也有良好的效果，可使其抗拉強度及疲勞性能

7、得到改善。鈦粉末冶金工藝主要是以元素粉末為原料，也可使用預合金粉末。美國產(chǎn)品用預合金粉作原料的較少，原因有待查明1。由于采用CIP燒結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。美國現(xiàn)用此工藝制作導彈的部件，如Stinger導彈的彈頭(內(nèi)包鎢粒)。目前已生產(chǎn)30000件，其粉末制品重1.1kg。而按早期計劃采用鑄錠機加工生產(chǎn)時，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度、硬度及彈性模量。有關新型鈦合金的應用及開發(fā)，各國也都進行了研究。例如在渦輪機發(fā)動機

8、應用中，采用了工作溫度更高、比強度更大的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用。美國GE公司采用Ti-48Al-2Cr-2Nb(at.%)制成CF6-80C2低壓渦輪第五級葉片1，其HIP溫度為12001260，壓力為175210MPa，保壓4h。葉片在1993及1994年成功地進行了地面試車。1993年進行了1000次模擬飛行周期試驗，1994年對其拆卸下的重要構件進行了500多次試驗。在低壓渦輪上工作的這種葉片共計98片，每個葉片重217g，長320mm。由于葉片的重量低，減少了其在渦輪盤上的應力，因而可使高強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)動機(葉片材料為Ti-48Al-2Cr-2Nb，at.)在國內(nèi)，中南工業(yè)大學對Ti-27Al-3Cr(at.)、Ti-47Al-2Cr-2Nb(at.%)及Ti-47Al-3Cr-2Nb-0.2B(at.%)等鈦基合金進行了研究。當HIP溫度為1280、壓力為150MPa、保壓4h時，Ti-27Al-3Cr合金的強度最好，其抗拉強度達526MPa、伸長率達1.5%。其中，在900含Nb的合金具有更高的強度3。美國汽車行業(yè)的專家對HIP鈦合金在汽車行業(yè)應用表現(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，由于其作返復運動部件的

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)動慣性小而使葉輪起動速度快，從而減少加速時的廢氣排放量。采用經(jīng)HIP的Ti-48Al-2Cr-2Nb(at.%)鑄造閥門，已成功進行了32000km的路面試車。結果表明，HIP鑄造閥門在賽車上的應用狀態(tài)良好。然而，由于HIP在消除中心縮孔時出現(xiàn)長桿彎曲，造成30%40%的廢品。故從經(jīng)濟方面考慮，目前還不能將其用于家用汽車。此外，采用加入陶瓷顆粒進行強化的復合材料，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新的結構與組織，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超細粉，采用RS改進金屬間化合物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技術在高溫合金方面的應用HIP技術在高溫合金方面的應用主要集中在粉末凈成形技術及粉末渦輪盤上。有關鑄件的HIP處理雖然在國

12、外生產(chǎn)中已大量應用，但在本屆會議上只見到國內(nèi)專家發(fā)表的3篇論文。在粉末凈成形技術方面，中國、俄羅斯及法國的專家在會上發(fā)表了多篇有關論文。采用粉末直接制備致密部件的方法有多種。如采用CIP燒結HIP、注射成形及直接HIP成形等。直接HIP成形是最具有競爭力的方法，各國科研人員對此給予極大的關注。但是，由于它同時須滿足一些比較苛刻的要求，例如應具有精密鑄件的精確尺寸和鍛造合金一樣的力學性能，因此這一技術發(fā)展較慢。目前凈成形技術已逐漸成為渦輪發(fā)動機及火箭發(fā)動機的工業(yè)生產(chǎn)技術，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行了開創(chuàng)性的工作，見表2。法國最近也開展了研制工作4。表2采用凈

13、成形工藝進行工業(yè)化生產(chǎn)的火箭發(fā)動機部件4火箭發(fā)動機型號部件材料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方面的問題：首先，須對粉末制件用的粉末的三維流動行為作正確分析，確定一個合理的模型；其次，選擇一個合適的包套。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個階段即塑性變形、蠕變及擴散過

14、程。鋼套的破裂主要發(fā)生在第一階段；第三，通過試驗進一步確定該材料的實際形變圖；最后是對壓件的尺寸變化進行計算機分析并修正工藝5。目前通過凈成形工藝已可制備渦輪發(fā)動機及火箭發(fā)動機關鍵部件，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個粉末渦輪盤及軸，其中2000個粉末渦輪盤至今仍在民用及軍用航空發(fā)動機上安全運轉(zhuǎn)。其突出的特點是渦輪盤在整個體積內(nèi)的力學性能非常均勻。此外，有關粉末制件在生產(chǎn)過程中的控制及測試可靠性等工作也不斷得到改進，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，它們在每公斤粉中的數(shù)量也下降至10個以下。在生產(chǎn)中，所有盤件均進行100的自動超聲測試，此外還對盤件表面進行計算機掃描測試。超聲測試的點直徑已由1.2mm下降至0.4mm。對于粉末凈成形技術，最復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算機模擬圖圖5帶插孔的渦輪盤件北京航空材料研究院報道了FGH95高溫合金渦輪盤件凈成形的有關情況。通過對包套的設計與計算，其尺寸精度已達到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連接同樣受到與會者的關注。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。對于動葉片，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合部位處于最佳工作狀態(tài)。試驗所用的兩種材料是JS26VSNK DS合金及EP741NP粉末合金。連接后的試樣在650至850進行瞬時與持久強度的測試及光滑與缺口試樣的低周疲

17、勞試驗，在750下進行剪切應力試驗。由于兩種材料的物理及力學性能不同，在材料的連接處存在應力集中，故必須在連接結構上進行設計以使剪切應力下降到最低點。試驗結果表明，鑄件與粉末高溫合金的連接件有很高的瞬時及持久性能，但因連接面有應力集中故對剪切應力極為敏感，所以連接面的設計結構極為重要。論文作者對此也進行了多種結構的設計并取得較好的效果9。在會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8。拉伸試樣的力學試驗表明，所有斷裂都不在連接面上。在550及650時，試樣的斷裂在DD3一邊；而在760時，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技術在鈹材制備中的應用金屬鈹以其低密度、高比強度、高彈性模量、高屈服強度以及在靜、動負荷下的良好尺寸穩(wěn)定性(如鋼鏡在旋轉(zhuǎn)速度為1.5105rm時便變形嚴重)而被應用于戰(zhàn)略武器和航空器(如飛機、宇宙飛船、導彈、艦船和潛艇)的精密導航部件上。自50年代首次得到應用以來，鈹已被確立為精密導航儀表的基本和理想材料，慣性導航所用鈹材的性能水平已成為一個國家的戰(zhàn)略用材研制實力的標志。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和燒結的優(yōu)點，采用該工藝可以制出能夠滿足設計要求的部件，且生產(chǎn)成本最低。在本屆會議上，西北稀有金屬材料研究所的專家介紹了采用HIP技術制備方形高速旋轉(zhuǎn)鈹鏡的研究結果。試驗結果表明，鈹鏡已圓滿通過1.5105rm試驗并可用于高速掃描相機上。但也發(fā)現(xiàn)，在不同方向上的力學性能有5%以下的差異。烏克蘭物理及工藝研究所學者在其論文中則展示了另一種制粉工藝霧化制