熱等靜壓處理對K445高溫合金精密鑄件縮松及性能的影響

賀群功，石曉燕，李林蓄，楊功顯，徐永鋒，劉俊

（東方汽輪機有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川 德陽， 618000）

熱等靜壓處理對K445高溫合金精密鑄件縮松及性能的影響

賀群功，石曉燕，李林蓄，楊功顯，徐永鋒，劉俊

（東方汽輪機有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川 德陽， 618000）

對K445含有內部宏觀縮松的精密鑄造高溫合金葉片及不含有內部宏觀縮松的精密鑄造試棒進行了熱等靜壓試驗研究，處理參數為：氬氣氣氛，溫度1 200℃，時間4 h，壓力147 MPa。結果表明，通過熱等靜壓工藝可以消除精鑄葉片≤3級的內部宏觀縮松。另外，對于不含有內部宏觀縮松的精鑄試棒取金相樣和加工性能試樣，結果表明，經過熱等靜壓處理后，由于顯微縮松的消除，合金的致密度有了明顯提高，經過密度測量發現，合金的密度提高了0.19%～0.25%，沖擊功從7.0～9.0 J升高到9.5～11.0 J，在750～900℃抗拉強度提高了4.7%～17%、屈服強度提高了5.8%～19%，材料的塑性得到提高，且更趨穩定。

熱等靜壓處理，鎳基高溫合金，內部宏觀縮松，顯微縮松，力學性能

Abstract：Hot isostatic pressing has been applied to blades with internal macro shrinkage and bars without internal macro shrinkage．The blades and bars are made of Nickel-base superalloy by precision investment casting．The treatment ambient is argon gas at 1 200℃ the applied isostatic pressing is 147 MPa and lasts for 4 h．The analysis demonstrates that HIP can eliminate blade's three grade closed internal macro shrinkage．In addition,we take samples from precision investment casting bars without internal macro shrinkage by HIP．The results show that the densification of the alloy has been greatly improved due to the reduction of the micro porosity,density measurement illustrates that density of alloy has increased by 0．19%～0．25%,impact energy increases from 7．0～ 9．0 J to 9．5 ～ 11．0 J．with in 750～ 900 ℃,the tensile strength is increased by 4．7% ～ 17%and the yield strength is increased by 5．8%～19%,plastic property is improved and tends to be more stable．

Key words：hot isostatic pressing,Nickel-base superalloy,internal macro shrinkage,micro shrinkage,mechanical property

0 引言

K445高溫合金是一種鑄造鎳基高溫合金，具有良好的綜合性能，其主要應用于重型燃氣輪機后兩級透平高溫葉片[1]。精密鑄造又稱熔模鑄造，具有表面光潔、加工余量小及尺寸精度高等優點，尤其是真空精密鑄造，其優點更為突出，可以實現無余量精密鑄造[2]。盡管是在真空狀態下澆鑄，精密鑄件仍不可避免存在內部宏觀縮松（X射線可見）和顯微縮松（X射線不可見、顯微分析可見），而這些因素又直接導致產品探傷質量不合格、高溫力學性能及疲勞性能下降。

為了提高精密鑄件產品的合格率和使用壽命，熱等靜壓處理技術是一個很好的途徑[2-5]。熱等靜壓處理技術是由美國Battle研究所1955年發明的，其工藝是將工件放置到密閉的容器中，以氮氣、氬氣等惰性氣體為傳壓介質，向工件施加各向同等壓力，同時施以高溫，在高溫高壓的作用下，能明顯消除或減少閉合間隙性缺陷，使工件得以致密化[6]。20世紀70年代初，GE公司關于鑄造高溫合金熱等靜壓處理的研究取得了良好進展，自此以后，熱等靜壓處理的研究和實際生產應用日益普遍，特別是鎳基高溫合金鑄件的后處理上[7-10]。

K445是一種新開發的國產鑄造高溫合金材料，目前還沒有發現有關該材料熱等靜壓方面的文獻報告。本文研究某熱等靜壓工藝處理對K445精鑄件縮松和高溫瞬時拉伸性能的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

精鑄用母合金K445的主要化學成分如表1所示。

表1 K445合金主要化學成分單位：wt%

按照某種精鑄工藝制作了一批K445高溫合金葉片試驗件，依照ASTM E192標準對其中一只葉片進行了X射線探傷分析，最嚴重處宏觀縮松等級為3級。葉片示意圖和宏觀疏松分布如圖1所示。此外，精鑄了一批K445試棒，通過X射線探傷分析沒有發現宏觀縮松。

圖1 葉片內部宏觀縮松示意圖

1.2 試驗方法

將如上葉片和試樣進行熱等靜壓處理，處理完后再次進行X射線探傷，顯微分析和高溫瞬時拉伸分析，研究熱等靜壓處理前后宏觀縮松、顯微縮松及性能的變化情況。

1.3 熱等靜壓試驗參數

熱等靜壓爐為瑞典AVURE公司生產的QIH 0.82×2.0-1820型爐子，最高處理溫度1 250℃，最高處理壓力為178 MPa，爐腔有效加熱尺寸Φ750 mm×1 900 mm。本次研究處理參數為：純度≥99.99%的氬氣氣氛，氣氛壓力147 MPa，溫度1 200℃，時間4 h。

2 結果與分析

2.1 宏觀縮松

葉片經過熱等靜壓后，再次通過X射線探傷，沒有發現宏觀縮松，說明此熱等靜壓工藝能消除三級及以下的宏觀縮松。

2.2 顯微縮松及密度分析

在X射線探傷不存在宏觀缺陷的同一精鑄試棒取金相樣，取樣尺寸為20 mm×20 mm×16 mm，個數為六個，編號為1#～6#，在熱等靜壓前進行顯微縮松分析和密度測量，然后進行同樣工藝的熱等靜壓處理，處理完后再次進行顯微縮松分析和密度測量。顯微縮松的分析通過金相顯微鏡實現，密度的測量采用測量精度為0．001 g/cm3的固體密度儀。

現在，選取1#試樣熱等靜壓前后的金相照片進行顯微縮松分析，照片如圖2所示。

圖2 熱等靜壓處理前后顯微檢查照片

熱等靜壓處理前的鑄態試樣，幾乎每個視場都有不同程度的顯微縮松，圖中黑色點即為顯微縮松，通過熱等靜壓處理后，由于顯微縮松的有效消除，合金的致密度有了明顯提高，隨后進行的密度試驗結果（見表2）亦驗證了此結果。

表2 密度測量結果

從表2可知，此六個試樣的密度值提高了0．191%～0．250%， 提高量為 0．016～0．021 g/cm3，這主要得益于熱等靜壓后顯微縮松的消除。

2.3 力學性能

將同一批次熔煉澆鑄，一半熱等靜壓，一半沒有熱等靜壓，將這兩種狀態的試樣做同爐熱處理。采用真空爐固溶+大氣爐時效工藝，參數為：1 120℃±10℃/2 h/Air cooling+850℃±10℃/24 h/Air cooling，固溶真空度≥10-2Pa。

首先做了兩種狀態下室溫下的沖擊試驗，結果見表3。從表中可知，經過HIP處理后，沖擊功從 7．0～9．0 J 升高到 9．5～11．0 J， 材料塑性大幅提升。顯微縮松經HIP后得以大幅消除，導致相同尺寸試樣的有效截面增大，沖擊功上升。

表3 沖擊試驗結果

同時，這兩種試樣在750℃、800℃、850℃、900℃四個溫度做高溫拉伸試驗，結果見表4。

表4 高溫拉伸試驗結果

為了更直觀顯示兩種狀態的對比結果，將表4中的試驗數據繪成圖，如圖3所示。可知，K445精鑄試樣經過HIP處理后，高溫強度顯著提高，在750～900℃的抗拉強度提高了4．7%～17%、屈服強度提高了 5．8%～19%。

同時還可知，沒有經過HIP處理的試樣其斷面收縮率和斷后延伸率在750～900℃隨溫度變化不大，斷面收縮率在11．3%～14．1%，斷后延伸率在3．0%～7%，且兩者都有一個小幅下降，然后再隨溫度有所回升。經過HIP處理的試樣表現截然不同，在750～900℃的，斷面收縮率和伸長率都表現出隨溫度升高而穩定升高的現象，且大部分值都比沒有經過HIP處理試樣的值高。分析原因是：經過HIP處理后，材料的塑性得到提高，且更穩定。

圖3 熱等靜壓處理前后拉伸性能結果

3 結論

通過熱等靜壓處理來消除精密鑄件縮松以提高產品的性能和穩定性是一種非常有效、可行的方法。K445精鑄件經過純度≥99.99%的氬氣氣氛，氣氛壓力147 MPa、溫度1 200℃、時間4 h的熱等靜壓處理后，能有效消除縮松、大大提高精鑄件的力學性能，結論如下：

（1）可以消除精鑄葉片中≤3級的宏觀縮松；

（2）可有效消除顯微縮松，使合金致密度有了明顯提高，合金的密度值提高了0.191%～0.250%；

（3）HIP 處理后沖擊功從 7.0～9.0 J升高到 9.5～11.0 J；

（4）在750～900℃的抗拉強度提高了4.7%～17%、屈服強度提高了5.8%～19%；

（5）材料的塑性得到提高，且更趨穩定。

[1]謝文江,鄒軍濤,趙永芹,等.熱處理對K445高溫合金組織及硬度的影響[J].鑄造技術,2007,28(11):1446-1451.

[2]郭建亭.高溫合金材料學:中冊 制備工藝 [M].北京:科學出版社,2008.

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[5]諶啟明,楊靖,單先裕,等.熱等靜壓技術的發展及應用[J].稀有金屬與硬質合金,2003,31(2):31-38.

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Effect of Hot Isostatic Pressing on Precision Investment Casting Shrinkage and Mechanical Property of K445 Superalloy

He Qungong， Shi Xiaoyan， Li Linxu， Yang Gongxian， Xu Yongfeng， Liu Jun
（State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials,Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

TG132

A

1674-9987（2017）03-0047-04

10．13808/j．cnki．issn1674-9987．2017．03．010

賀群功 （1982-），男，碩士，工程師，畢業于西安交通大學動力機械及工程專業，現從事精鑄件熱等靜壓及熱處理技術研究工作。