熱等靜壓技術在鎳基鑄造高溫合金領域的應用研究

宋富陽，張 劍，郭會明，張 邁,4，趙云松，沙江波

(1 北京航空航天大學 材料科學與工程學院，北京 100191；2 中國航發北京航空材料研究院 先進高溫結構材料重點實驗室，北京100095；3 中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都610500；4 北京科技大學 材料科學與工程學院，北京100083)

熱等靜壓(hot isostatic pressing，HIP)是一種利用高溫高壓同時作用使金屬或陶瓷制品經受各向同等壓力從而使制件得以燒結和致密化的工藝技術。該技術于20世紀50年代中期由美國Battelle研究所開發，率先用于原子能反應過程中燃料元素的擴散黏結，由此當時被叫作“氣壓黏結”，隨后該技術開始快速發展應用[1]。1963年熱等靜壓技術傳至歐洲，并于1965年由瑞典ASEA公司利用預應力鋼絲纏繞結構開發制造熱等靜壓設備，其結構緊湊、安裝方便、使用安全可靠，奠定了熱等靜壓技術大力發展的堅實基礎[2]?，F代熱等靜壓設備主要由壓力容器、惰性氣體存儲及輸送系統、加熱系統、動力供應及控制系統構成，其中壓力容器為任何HIP裝置的主體框架[3]。當前熱等靜壓技術主要應用領域分別為鑄件的致密化處理、粉末冶金和材料的黏結固定，三者應用占比分別為54%，43%，3%[4]。隨著現代先進航空發動機與燃氣輪機的快速發展，鑄造高溫合金制件的服役環境愈加苛刻，結構也更加精密復雜，對鑄造高溫合金綜合性能提出了新的要求，而熱等靜壓技術因其獨特的工作原理，在改善鑄件致密化并提升合金性能等方面有著顯著的優勢，因此熱等靜壓技術的研究和實際生產應用日益普遍。

高溫合金是指以鐵、鈷、鎳為基，可以長期在600 ℃以上高溫以及一定應力條件下穩定工作的一類材料，因其較高的高溫與室溫強度、優異的抗氧化與耐腐蝕性能、良好的組織穩定性與使用可靠性，從而廣泛應用在現代航空發動機四大熱端部件以及火箭發動機、燃氣輪機高溫熱端部件，其中鎳基高溫合金以優異的綜合性能以及成熟的生產制造體系成為應用最為廣泛的高溫合金[5-7]。按照合金成形方式的不同高溫合金可以分為粉末高溫合金、變形高溫合金以及鑄造高溫合金[8]。鑄造高溫合金的發展則經歷了等軸多晶高溫合金、定向凝固柱狀高溫合金以及單晶高溫合金3個階段，主要用于制造航空發動機與燃氣輪機的渦輪葉片[9]。合金在鑄造過程中不可避免地會存在疏松等孔洞類缺陷與偏析，造成合金綜合力學性能顯著下降。熱等靜壓被認為是修復孔洞、退化與損傷的微觀組織并增強鑄件力學性能的一種非常有效的方法[10]。目前普遍采用熱等靜壓處理消除鑄件內部孔洞類缺陷同時均勻合金組織，進而大幅提高鑄件力學性能，尤其是疲勞性能[11]。用于成型鑄件的鑄造高溫合金，經熱等靜壓致密化處理后，能使其在形狀、尺寸幾乎不改變的情況下，減少或消除內部孔洞類缺陷，使合金致密度達到理論密度的99.7%～99.9%，從而更加充分地發揮材料的綜合性能[12]。正是因為熱等靜壓技術這些獨一無二的優勢，促使著其成為航空航天用重要精鑄件生產過程中的固定處理工序[13]。由此可見熱等靜壓技術已經在鎳基鑄造高溫合金領域大放異彩，并且成為研究熱點領域。因此，本文針對熱等靜壓技術在鎳基鑄造高溫合金的致密化機理、組織性能影響、損傷組織修復、擴散連接等方面綜述了近年來的應用研究進展，并對熱等靜壓技術在鎳基鑄造高溫合金領域研究中存在的問題及發展趨勢進行了總結與展望。

1 熱等靜壓對鎳基鑄造高溫合金的致密化機理

熱等靜壓技術應用在鎳基鑄造高溫合金中的主要目的是消除合金鑄造過程中的孔洞類缺陷，提高鑄件內部的致密度，因此如何準確深入地認知熱等靜壓過程中合金的致密化機理、對鎳基鑄造高溫合金組織性能改善與熱等靜壓技術發展及應用具有重要意義。通常來說，合金在熱等靜壓機中高溫高壓作用下內部疏松等孔洞類缺陷會發生塑性變形及蠕變行為，進而在塌陷區表面發生擴散行為完成孔洞愈合，使合金更加致密[14]。張善勇等[15]認為鎳基鑄造高溫合金孔洞消除機制可歸納為塑性流動、擴散蠕變、位錯蠕變3類。一定大小的孔洞在適當壓力和溫度作用下其周圍金屬可能會屈服而發生塑性流動，發生此塑性流動的最低外加應力為：

(1)

式中：σy為合金屈服強度；ρ為孔隙度；即ρ=1-D(D為相對密度)。當外加應力σ>σlim時會發生塑性流動，由此不難得出發生塑性流動的臨界孔隙度ρerit為：

ρerit=exp(-3σ/2σy)

(2)

式中：σ為應力。當合金中初始孔隙度小于臨界孔隙度或隨著塑性流動的進行孔隙度逐漸縮小至臨界孔隙度時，此時塑性流動停止，孔洞的消除則由擴散蠕變或位錯蠕變主導，并且在不同溫度、壓力、初始孔隙度條件下，主導機制也不同。擴散蠕變機制主要包括Nabarro-Herring蠕變與Coble蠕變，Nabarro-Herring蠕變機制通過原子與空位在晶格內流動擴散進而使合金發生蠕變消除孔洞，屬于自擴散，而Coble蠕變機制的空位擴散過程發生在晶界，屬于晶界擴散[16]。兩種機制下合金蠕變速率ε都可以利用式(3)表示[17]。

(3)

式中：A(T)為溫度的函數；G為晶粒尺寸；D為擴散系數；m為晶粒尺寸指數。位錯蠕變是因合金在高溫及應力作用下激活空位擴散從而引起位錯攀移，孔洞附近區域在位錯的滑移與攀移作用下發生蠕變進而閉合[18]。無論是擴散蠕變還是位錯蠕變過程，都離不開溶質原子在基體中的擴散，在熱等靜壓條件下，合金中溶質擴散系數D*(P,T)變化規律為[19]：

(4)

式中：ΔV*為活化體積；D*(1,T)為一個標準大氣壓下示蹤原子擴散系數；P為施加壓力；R為氣體常數；T為開氏溫度。目前學者已經通過實驗觀察分析或計算模擬等手段對鎳基高溫合金鑄件的致密化過程開展了大量研究。

Epishin等[20]通過設置1288 ℃/103 MPa下不同持續時間的熱等靜壓中斷實驗，研究鎳基單晶高溫合金CMSX-4內部孔洞缺陷的愈合機制，利用密度測量與定量金相學確定熱等靜壓過程中孔洞愈合動力學過程。圖1為熱等靜壓處理0.5 h后孔洞的顯微形貌。從圖1(b)中白色箭頭標記的直線可以看出，位錯在(111)面上的滑動痕跡，證明孔洞愈合是由位錯滑移所引起的塑性變形導致。同時結合晶體塑性學和大應變理論對孔洞愈合動力學過程進行有限元模擬，分析了不同熱等靜壓參數對孔洞愈合動力學的影響，計算模擬結果較好地預測了實驗值。Zhao等[21-22]對長時服役等軸晶高溫合金K465內部蠕變孔洞的熱等靜壓修復機理開展研究，在1453 K/200 MPa/4 h條件下熱等靜壓處理后在蠕變孔洞處觀察到圖2(a)所示的結構，蠕變孔洞主要形核于晶界處，并且孔洞周圍存在環形的筏化結構，表明孔洞的愈合是由合金在熱等靜壓條件下孔洞周圍材料發生蠕變所引起，其中溫度和壓力是溶質原子擴散的兩個驅動因素，它們相互作用影響著蠕變孔洞的愈合速率，由此建立了圖2(b)所示的物理模型，同時基于熱力學理論建立了蠕變孔洞修復數學模型：

圖1 熱等靜壓處理0.5 h后孔洞顯微形貌[20]

圖2 蠕變孔洞愈合區及其物理模型[21] (a)愈合區SEM；(b)愈合區物理模型

(5)

式中：ρ，λs分別表示一組蠕變孔洞的半徑與沿晶界的間距；t為時間；δ為晶界寬度；Ph為模型所受靜水壓力；γs為孔洞表面能；ΩA為原子體積；Dgb為晶界擴散系數；k為玻爾茲曼常數；a為多晶合金晶粒尺寸。根據該數學模型可以建立起蠕變孔洞愈合時間、溫度及壓力之間的關系，從而為熱等靜壓參數合理選擇提供依據。Zheng等[23]探究熱等靜壓下鑄造鎳基高溫合金M91鑄造孔周圍溶質擴散過程，在1170 ℃/180 MPa/4 h條件下，孔洞基本閉合，對孔洞閉合界面處使用EDS進行線掃描成分分析，結果表明：熱等靜壓過程中溶質向鑄孔擴散導致基體相γ的形成，而在熱等靜壓后的冷卻過程中，靠近閉合界面的γ′形成元素Al和Ti的濃度較高，這有助于γ′在愈合區的析出。

由此可見，熱等靜壓對鎳基鑄造高溫合金的致密化處理過程是由多機制、多影響因素協同作用的結果，涉及材料熱力學與動力學、晶體塑性學等多個學科，是一個和溫度、壓力、時間等熱等靜壓工藝參數與材料物理化學特性相關的函數，目前關于鑄造高溫合金的致密化機理尚未達成清晰的理論共識[13]。

2 熱等靜壓在鎳基等軸多晶、定向凝固高溫合金領域的應用

利用普通精密鑄造方法所成型的等軸晶鎳基鑄造高溫合金具有制造成本低、中低溫力學性能優異等優點。隨著航空發動機技術的快速發展，要求等軸晶高溫合金鑄件組織細晶化、均勻化、低缺陷以及高精度。然而傳統精密鑄造工藝使鑄件在獲得細小均勻的等軸晶的同時容易引起欠鑄、疏松、晶粒粗大等缺陷，降低合格率[24]。因此，熱等靜壓處理便成為消除等軸晶高溫合金鑄件疏松、提高其性能的最好措施之一[25]。等軸晶高溫合金出現后誕生了定向凝固高溫合金，通過控制鑄型中合金熔體凝固方向，生成幾乎相互平行的柱狀晶。相較普通多晶鑄造高溫合金，當制件的晶界定向排列并平行于應力主軸方向，高溫下作用在脆弱晶界上的應力會最小，從而延緩裂紋形成、提升蠕變持久壽命[26]。定向凝固高溫合金的力學性能較普通多晶鑄造高溫合金已實現大幅提高，但是鑄造過程形成的微孔缺陷依然損害著合金的綜合性能，從而熱等靜壓技術在鎳基定向凝固高溫合金應用也愈加廣泛。

為探究不同熱等靜壓參數處理對鎳基等軸晶多晶、定向凝固高溫合金的顯微組織及力學性能的影響規律， Zhang等[27]對熱等靜壓處理前后K403高溫合金顯微組織與力學性能變化情況開展研究，設置HIP1(1200 ℃/135 MPa/4 h)與HIP2(1200 ℃/145 MPa/4 h)兩種熱等靜壓方案分析壓力不同對合金帶來的影響。顯微組織分析表明熱等靜壓處理對孔洞類缺陷消除作用明顯，并且提高壓力有助于提高致密度，合金孔隙率由鑄態下1.51%減少為0.51%(HIP1)與0.32%(HIP2)。同時合金中碳化物在高溫高壓下發生轉變：MC+γ→M23+γ′。碳化物形貌由絲狀轉變為不連續的顆粒狀，這種形貌碳化物可以起到防止晶界滑動的作用，從而改善合金力學性能。納米壓痕實驗證實K403高溫合金在經過熱等靜壓處理后，納米硬度和彈性模量均顯著增加。Zhang等[28]在后續研究中測試了鑄態、HIP1處理、HIP2處理3種狀態的K403高溫合金750 ℃條件下的低周疲勞性能，同時結合晶體塑性學理論建立該合金的本構模型，低周疲勞實驗與有限元分析結果均表明，熱等靜壓處理通過消除鑄造缺陷從而降低合金應力集中與塑性變形，同時改善碳化物與顯微組織狀態，進而顯著延長合金疲勞壽命。因此，確立合適的熱等靜壓處理制度對改善合金顯微組織與力學性能等方面有著重要意義。Kim等[29]通過設置不同熱等靜壓方案評估了定向鎳基高溫合金GTD-111中γ′相的析出對其力學性能的影響，結果顯示熱等靜壓處理可以使合金抗拉強度提高40%左右，同時基于對γ′沉淀相析出規律的認識，提出三步驟總時長為6 h的熱等靜壓處理方案，用以代替常規熱處理中固溶處理和二次時效處理，對合金顯微組織的分析表明其蠕變性能可以改善。由此說明相較傳統熱等靜壓后進行熱處理的方法，合理的熱等靜壓工藝可以較好地替代標準熱處理，提升合金綜合力學性能的同時也簡化了生產工藝。

3 熱等靜壓在鎳基單晶高溫合金領域的應用

鎳基單晶高溫合金是目前先進航空發動機和燃氣輪機渦輪葉片的主要材料，相較其他鑄造高溫合金，采用熔模精密鑄造及定向凝固方式成型的單晶高溫合金完全消除了晶界，顯著降低鑄件內部疏松形成傾向，但是生成的孔洞缺陷依然會在合金服役時發展為裂紋源而降低合金力學性能[30]。目前國外采用熱等靜壓技術提升單晶高溫合金鑄件致密性的研究相對成熟，并且熱等靜壓技術在二代單晶高溫合金上得以工程化應用，而國內在此領域的熱等靜壓技術研究與應用還較少[31]。

3.1 熱等靜壓參數對鎳基單晶高溫合金顯微組織的影響

熱等靜壓參數的選擇是該領域研究的重點，采取合理的熱等靜壓處理可以有效提升合金致密度。Lopez等[32]系統地對鎳基單晶高溫合金ERBO-1開展不同溫度、壓力、保持時間的熱等靜壓工藝研究，選取表1所示熱等靜壓方案對鑄態試樣(ERBO-1A)與標準熱處理后試樣(ERBO-1C)處理。圖3展示不同處理工藝下材料孔隙率，可以看出熱等靜壓對材料孔隙率的降低有明顯效果，并且隨著溫度的升高效果更加顯著。當熱等靜壓溫度高于γ′相溶解溫度(約1260 ℃)時，無論采用3 h或是5 h的保持時間，試樣孔隙均得以消除。

表1 確定壓力條件下熱等靜壓方案

圖3 不同熱等靜壓方案下鑄態ERBO-1A和熱態ERBO-1C樣品的孔隙率[32]

表2為用于研究相同時間條件下溫度與壓力對鑄態試樣孔隙愈合影響規律的熱等靜壓方案，圖4為不同熱等靜壓方案處理后試樣的孔隙率，其中鑄態試樣初始孔隙率為0.15%，當壓力為0.1 MPa，即大氣壓條件下，合金會因為高溫條件下內部元素擴散產生固溶微孔導致孔隙率增加。當低于γ′相溶解溫度時，即在1220 ℃/3 h條件下，隨著壓力的增加的確會降低孔隙率。但是，當溫度高于γ′相溶解溫度時，即在1320 ℃/3 h條件下，100 MPa時孔洞基本完全愈合，繼續增加壓力不再對孔隙率產生影響。

表2 確定保持時間條件下熱等靜壓方案

圖4 不同熱等靜壓方案下鑄態ERBO-1A樣品的孔隙率[32]

熱等靜壓處理后的冷卻速率對合金顯微組織形貌有明顯的影響。Roncery等[33]研究熱等靜壓冷卻速率對單晶高溫合金ERBO-1組織的影響規律，工藝方案如表3所示，冷卻速率為合金由1300 ℃降至800 ℃范圍的線性近似值。鑄態合金固溶處理后分別進行5種冷卻速率下熱等靜壓處理，隨后進行同等條件二次時效處理。觀察時效后合金顯微組織發現：冷卻速率對析出的γ′相尺寸及形貌影響顯著，淬火冷卻下γ′粒子尺寸較小，大小及分布非常均勻；自然冷卻時，γ′粒子分布不均勻，尺寸呈現多峰分布；緩慢冷卻時，枝晶核獲得尺寸較大的方形均勻γ′相，而枝晶間則獲得與自然冷卻類似的不規則顯微組織，這種不規則的γ/γ′形貌會對合金性能產生不利影響。Roncery等[34]后續在Q1冷卻速率下設計圖5所示熱處理-熱等靜壓集成方案，以期在提高合金致密度及性能的同時減少合金處理程序。相較標準熱處理態合金，集成方案處理后合金γ′粒子尺寸更小，γ通道更窄，同時孔洞數量得到有效降低，低溫高應力下蠕變壽命也得到顯著提升。

表3 不同冷卻速率熱等靜壓方案

圖5 100 MPa下熱等靜壓-熱處理集成方案[33]

熱等靜壓處理應優化合金組織，減少合金內部缺陷，不合理的熱等靜壓參數可能會使單晶高溫合金內部產生初熔、再結晶等工程中不允許出現的缺陷。曹臘梅等[35]研究發現熱等靜壓處理對第三代單晶高溫合金DD10組織缺陷有著明顯消除作用，在壓力為150 MPa條件下，熱等靜壓溫度為1290 ℃時合金中顯微疏松完全閉合。溫度越高合金共晶體積分數越少，當溫度達到1310 ℃及以上時，共晶可完全溶于基體。然而當溫度達到1340 ℃時，合金出現了初熔現象。整體上看，合適的熱等靜壓處理使DD10單晶高溫合金的γ′相立方度提高，同時降低其枝晶偏析。史振學等[36]則研究熱等靜壓壓力對一種單晶高溫合金組織的影響，設置1310 ℃/100 MPa/4 h和1310 ℃/150 MPa/4 h兩種熱等靜壓方案，結果表明：隨壓力的增加，合金顯微疏松與共晶含量減少，枝晶偏析程度降低。經過熱等靜壓處理后，合金熱處理組織中γ′相尺寸減小，均勻化和立方化程度均提高。

總之，熱等靜壓溫度優選在γ′相溶解溫度之上，此時孔洞收縮更快，有利于提高致密化效率；合金固溶處理過程中由于柯肯達爾效應會產生一部分固溶微孔，因此，從提高致密化角度考慮，熱等靜壓處理安排在合金固溶處理后可以更加全面減少孔洞數量；壓力與保持時間的選擇則需要綜合考慮其對致密度與合金顯微組織的影響，要在不產生再結晶與初熔等有害相的前提下，盡可能消除合金孔洞類缺陷以提高合金致密化程度并優化組織，同時經濟問題也是不可忽視的因素。除此之外，通過控制熱等靜壓過程中冷卻速度可以使合金獲得與完全熱處理態類似的顯微組織結構，并且消除大部分孔洞缺陷，所以研究如何利用熱等靜壓設備完成合金固溶與時效的綜合熱處理過程對提高生產效率、降低成本有著重要意義。

3.2 熱等靜壓對鎳基單晶高溫合金力學性能的影響

微觀孔洞是鎳基單晶高溫合金的主要缺陷之一，是合金內部裂紋產生的主要原因，強烈損害合金力學性能[37]。目前利用熱等靜壓技術開展改善鎳基單晶高溫合金力學性能的影響研究已有較多報道。Lan等[38]在研究熱等靜壓對二代單晶高溫合金CMSX-4拉伸性能的影響機理中發現，經過熱等靜壓處理與未經熱等靜壓處理的兩種試樣進行980 ℃拉伸實驗結果顯示：熱等靜壓處理試樣的斷裂伸長率比無熱等靜壓處理試樣提高20%，并且屈服強度保持不變。Chang等[39]發現，標準熱處理態CMSX-4合金試樣經過950 ℃/355 MPa的熱等靜壓處理后，持久壽命可由熱處理態的72.7 h提高至134.28 h。郭會明等[40-41]則分別研究了熱等靜壓對DD6二代單晶高溫合金低周和高周疲勞性能的影響，相較未進行熱等靜壓處理的標準熱處理態試樣，在經過1300 ℃/100 MPa/4 h的熱等靜壓處理及后續熱處理后可以使試樣在760 ℃低周疲勞壽命提高一個數量級，由16806次循環提升至141900次。高周疲勞實驗結果顯示，合金疲勞強度由331 MPa提高至433 MPa。

綜上可見，熱等靜壓處理可以消除合金內部顯微孔洞，減少合金服役過程中內部孔洞周圍存在的應力集中以及裂紋源數量，同時阻礙了裂紋的擴展，并且適當的熱等靜壓處理會優化合金組織，降低元素偏析與殘余共晶比例，這對合金各種力學性能都產生十分有利的影響，有效提升了鎳基單晶高溫合金鑄件服役壽命及可靠性。

4 熱等靜壓對長期服役鎳基鑄造高溫合金組織修復

鎳基高溫合金制造的渦輪葉片在長時間服役過程中不可避免地會發生微觀組織蠕變損傷，包括γ′相球化、組織粗化、筏化、蠕變孔洞等現象的發生嚴重影響著合金服役壽命[42]。因此需要定期對渦輪葉片進行翻修或更換，由此不僅會造成浪費，成本也大幅提高[43]。為了恢復受損傷合金顯微組織，消除蠕變孔洞，提升合金致密度，熱等靜壓技術的應用便成為了解決這一問題的有效方法之一。

Wang等[44]研究利用熱等靜壓技術修復已在燃氣輪機服役70000 h的IN-738鎳基鑄造高溫合金葉片，合金經過1200 ℃/100 MPa/4 h熱等靜壓處理后進行標準熱處理，顯微組織分析表明熱等靜壓幾乎可以完全修復因蠕變產生的孔洞及裂縫，并且經過后續固溶和時效處理，粗大的碳化物及γ′析出相溶解到基體中并重新析出，進而獲得與合金原始組織相似的結構。王天佑等[45]研究不同熱等靜壓工藝及后續恢復熱處理對受到蠕變損傷DZ125合金試樣的組織演化影響。結果顯示：在HIP1(1200 ℃/150 MPa/2 h)條件下，合金組織中仍存在大量顯微疏松，即沒有發生明顯孔洞愈合；將溫度提高至γ′相完全溶解溫度(1225 ℃)，在HIP2(1225 ℃/150 MPa/2 h)條件下，孔洞基本完全愈合，僅在碳化物與基體界面處觀察到極少還未完全愈合的蠕變孔洞；繼續提高溫度，在HIP3(1250 ℃/150 MPa/2 h)條件下，元素擴散速率更大，孔洞完全愈合，但是組織出現了初熔導致合金性能顯著下降。合金在熱等靜壓處理時如果同時提高溫度和壓力至指定數值，可能會在較低溫度下受高壓作用而發生微小冷塑性變形，從而在隨后高溫作用下發生再結晶。為避免此現象而設計了HIP4(1225 ℃/34 MPa/1 h+1225 ℃/150 MPa/2 h)方案，使合金優先升高至指定溫度后再施加較高的壓力，對比HIP2條件下合金顯微組織，此條件下合金鑄造疏松和蠕變孔洞幾乎已經被完全治愈，效果更加優異。Ruttert等[46]嘗試利用熱等靜壓技術對已發生蠕變的鎳基單晶高溫合金CMSX-4的組織進行修復，設置圖6所示循環實驗方案，首先使試樣在1050 ℃和160 MPa條件下沿[001]方向預蠕變5%的應變，觀察發現內部組織已出現筏化與蠕變孔洞，隨后試樣在1280 ℃/100 MPa/2 h條件下熱等靜壓處理，之后進行固溶及時效處理。完成恢復處理后使試樣在同等實驗條件發生1.5%的應變，結果表明包含熱等靜壓的恢復處理工藝可以恢復已蠕變損傷試樣的蠕變性能。Horst等[47]在后續研究中指出在蠕變預應變為5.0%之后進行的熱等靜壓恢復處理雖然能夠顯著提高蠕變強度，但是蠕變預變形引起的微觀結構破壞不能完全消除，組織并不能夠得以完全恢復。

圖6 蠕變-恢復循環實驗[46]

熱等靜壓技術對已損傷高溫合金組織及性能的恢復效果顯著，可以改善受到蠕變損傷材料的微觀結構和力學性能，甚至會使恢復后的合金某些性能超越原始狀態，但是目前針對該領域的研究還相對較少，未來還需要對熱等靜壓恢復處理后的組織變化機理開展研究，探究不同損傷程度下熱等靜壓對合金組織及性能的修復規律，對重構合金顯微組織并恢復性能的熱等靜壓工藝參數優化進行研究，實現熱等靜壓技術在鎳基高溫合金恢復處理方面工程化應用。

5 熱等靜壓在鎳基鑄造高溫合金擴散連接領域的應用

熱等靜壓擴散連接是指在高溫高壓條件下，被連接材料接觸表面局部發生塑性變形，原子之間快速移動并相互擴散，最終使兩種材料表面緊密接觸，在固相下實現可靠連接的焊接工藝[48]。隨著航空發動機部件結構朝著輕量化與整體化的方向發展，將葉片與渦輪盤結合為一個整體，省去常規用于連接的榫頭和榫槽，可以達到結構簡化、減輕質量、提高發動機啟動效率的目的[49]。目前，葉片材料主要為鑄造高溫合金，渦輪盤件材料主要為粉末高溫合金，利用熱等靜壓擴散連接工藝使兩種合金良好結合，從而實現整體葉盤的制造。此外，熱等靜壓擴散連接相較傳統焊接及釬焊工藝能夠實現高溫合金高結合強度并保持微觀結構完整性，避免焊接過程中或焊后熱處理產生微裂紋[50-51]。

通過對鎳基高溫合金擴散連接后的界面顯微組織分析及力學性能的測試判斷界面結合強度及穩定性，以期獲得滿足工業要求的整體結構部件。Yang等[52]研究單晶高溫合金DD6與粉末高溫合金FGH96的熱等靜壓擴散連接過程，結果發現，在1110～1170 ℃，140 MPa，3 h條件下，兩種合金實現了冶金結合，并且沒有析出有害相，拉伸測試顯示雙合金在750 ℃時可獲得更好的拉伸性能。燕平等[53]采用熱等靜壓擴散連接工藝獲得了DD402單晶高溫合金與FGH95粉末高溫合金的擴散偶，研究結果顯示兩種合金實現冶金結合，接口處未發現TCP等有害相析出，同時結合界面區形成了組織過渡區，主要包括“田”字形γ′區和筏形γ′區，但是擴散偶的持久強度較低。Wang等[54]則嘗試利用鎳基定向凝固高溫合金CM247LC粉末作為中間層，在熱等靜壓(1220 ℃/175 MPa/4 h)條件下擴散連接兩根鑄態CM247LC試棒，后續拉伸實驗中發現，中間層抗拉強度甚至高于鑄態合金，分析黏結區域合金微觀結構，該區域中間層存在細小的碳化物均勻地沉淀在基體和晶界中，可能是這些細小的碳化物在拉伸實驗中起到了抑制滑動和損傷累積作用，說明熱等靜壓擴散連接技術可以制造出良好的連接件。

熱等靜壓擴散連接技術在高性能或特種材料連接方面擁有著其他方法無可比擬的技術優勢，在航空航天、冶金、化工、新能源等領域均有應用，近年來越來越多的國外廠商采用此工藝來制造高性能渦輪轉子[55]。但是對于高度合金化的鎳基高溫合金擴散連接應用依然存在很多困難，目前該領域研究主要集中在不同熱等靜壓參數下對擴散偶組織及性能的表征與測試，包含各熱等靜壓參數在內的系統性理論研究有待進一步發展。

6 結束語

近年來熱等靜壓技術以其獨特的功能性已經受到了廣泛的關注，本文對熱等靜壓技術在鎳基鑄造高溫合金不同領域的應用現狀與研究成果開展了系統的論述，說明熱等靜壓技術在改善鎳基鑄造高溫合金組織與性能方面存在的優越性，但目前存在一些瓶頸問題有待進一步解決，這些問題及其探索研發方向可能主要為以下幾個方面：

(1)熱等靜壓對鎳基鑄造高溫合金的致密化機理研究缺乏深入的探究及統一的認知，未來需進一步加強基礎理論研究，借助分子動力學模擬、有限元模擬等現代研究手段，從微觀和宏觀角度完善對致密化機理的解讀。

(2)探究不同合金對應的熱處理-熱等靜壓集成方案，建立合金不同損傷狀態對應熱等靜壓修復標準，通過測試篩選成本較低、滿足工業要求熱等靜壓工藝以實現熱等靜壓與熱處理相結合、熱等靜壓修復受損傷合金組織的工程化應用。

(3)鎳基高溫合金擴散連接領域缺乏系統性研究，可以通過分析各個參數對接口處組織性能的影響規律，建立相關數據模型及本構方程，擴展雙合金擴散連接組織性能數據庫，發揮熱等靜壓擴散連接的技術優勢。

(4)先進熱等靜壓設備的開發應用亟待發展，熱等靜壓設備是這一領域研究的基石，未來熱等靜壓設備應滿足功能多樣化、操作智能化、控制精度高、生產成本低等要求。

總之，熱等靜壓技術在高溫合金領域的應用發展前景十分廣闊。國內目前在熱等靜壓相關實驗數據積累及工藝穩定性控制與國際先進水平還存在一定的差距，國外相關技術的封鎖以及先進熱等靜壓設備的缺乏都制約了國內熱等靜壓技術在鎳基鑄造高溫合金領域的發展。未來可以重點關注熱等靜壓技術相關行業標準建立及先進熱等靜壓設備開發等工作，為熱等靜壓技術在鎳基高溫合金上的發展應用鋪平道路，相信更加成熟的熱等靜壓技術會成為國內高品質鎳基鑄造高溫合金制造所不可或缺的工藝程序。