熱等靜壓技術(shù)在鎳基鑄造高溫合金領(lǐng)域的應(yīng)用研究

宋富陽(yáng)，張 劍，郭會(huì)明，張 邁,4，趙云松，沙江波

(1 北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；2 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；3 中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500；4 北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083)

熱等靜壓(hot isostatic pressing，HIP)是一種利用高溫高壓同時(shí)作用使金屬或陶瓷制品經(jīng)受各向同等壓力從而使制件得以燒結(jié)和致密化的工藝技術(shù)。該技術(shù)于20世紀(jì)50年代中期由美國(guó)Battelle研究所開(kāi)發(fā)，率先用于原子能反應(yīng)過(guò)程中燃料元素的擴(kuò)散黏結(jié)，由此當(dāng)時(shí)被叫作“氣壓黏結(jié)”，隨后該技術(shù)開(kāi)始快速發(fā)展應(yīng)用[1]。1963年熱等靜壓技術(shù)傳至歐洲，并于1965年由瑞典ASEA公司利用預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)制造熱等靜壓設(shè)備，其結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、使用安全可靠，奠定了熱等靜壓技術(shù)大力發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[2]?，F(xiàn)代熱等靜壓設(shè)備主要由壓力容器、惰性氣體存儲(chǔ)及輸送系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、動(dòng)力供應(yīng)及控制系統(tǒng)構(gòu)成，其中壓力容器為任何HIP裝置的主體框架[3]。當(dāng)前熱等靜壓技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域分別為鑄件的致密化處理、粉末冶金和材料的黏結(jié)固定，三者應(yīng)用占比分別為54%，43%，3%[4]。隨著現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)的快速發(fā)展，鑄造高溫合金制件的服役環(huán)境愈加苛刻，結(jié)構(gòu)也更加精密復(fù)雜，對(duì)鑄造高溫合金綜合性能提出了新的要求，而熱等靜壓技術(shù)因其獨(dú)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(yōu)勢(shì)，因此熱等靜壓技術(shù)的研究和實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用日益普遍。

高溫合金是指以鐵、鈷、鎳為基，可以長(zhǎng)期在600 ℃以上高溫以及一定應(yīng)力條件下穩(wěn)定工作的一類(lèi)材料，因其較高的高溫與室溫強(qiáng)度、優(yōu)異的抗氧化與耐腐蝕性能、良好的組織穩(wěn)定性與使用可靠性，從而廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)四大熱端部件以及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)高溫?zé)岫瞬考?，其中鎳基高溫合金以?xún)?yōu)異的綜合性能以及成熟的生產(chǎn)制造體系成為應(yīng)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(fā)展則經(jīng)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(gè)階段，主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片[9]。合金在鑄造過(guò)程中不可避免地會(huì)存在疏松等孔洞類(lèi)缺陷與偏析，造成合金綜合力學(xué)性能顯著下降。熱等靜壓被認(rèn)為是修復(fù)孔洞、退化與損傷的微觀組織并增強(qiáng)鑄件力學(xué)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(nèi)部孔洞類(lèi)缺陷同時(shí)均勻合金組織，進(jìn)而大幅提高鑄件力學(xué)性能，尤其是疲勞性能[11]。用于成型鑄件的鑄造高溫合金，經(jīng)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(nèi)部孔洞類(lèi)缺陷，使合金致密度達(dá)到理論密度的99.7%～99.9%，從而更加充分地發(fā)揮材料的綜合性能[12]。正是因?yàn)闊岬褥o壓技術(shù)這些獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)，促使著其成為航空航天用重要精鑄件生產(chǎn)過(guò)程中的固定處理工序[13]。由此可見(jiàn)熱等靜壓技術(shù)已經(jīng)在鎳基鑄造高溫合金領(lǐng)域大放異彩，并且成為研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。因此，本文針對(duì)熱等靜壓技術(shù)在鎳基鑄造高溫合金的致密化機(jī)理、組織性能影響、損傷組織修復(fù)、擴(kuò)散連接等方面綜述了近年來(lái)的應(yīng)用研究進(jìn)展，并對(duì)熱等靜壓技術(shù)在鎳基鑄造高溫合金領(lǐng)域研究中存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)與展望。

1 熱等靜壓對(duì)鎳基鑄造高溫合金的致密化機(jī)理

熱等靜壓技術(shù)應(yīng)用在鎳基鑄造高溫合金中的主要目的是消除合金鑄造過(guò)程中的孔洞類(lèi)缺陷，提高鑄件內(nèi)部的致密度，因此如何準(zhǔn)確深入地認(rèn)知熱等靜壓過(guò)程中合金的致密化機(jī)理、對(duì)鎳基鑄造高溫合金組織性能改善與熱等靜壓技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用具有重要意義。通常來(lái)說(shuō)，合金在熱等靜壓機(jī)中高溫高壓作用下內(nèi)部疏松等孔洞類(lèi)缺陷會(huì)發(fā)生塑性變形及蠕變行為，進(jìn)而在塌陷區(qū)表面發(fā)生擴(kuò)散行為完成孔洞愈合，使合金更加致密[14]。張善勇等[15]認(rèn)為鎳基鑄造高溫合金孔洞消除機(jī)制可歸納為塑性流動(dòng)、擴(kuò)散蠕變、位錯(cuò)蠕變3類(lèi)。一定大小的孔洞在適當(dāng)壓力和溫度作用下其周?chē)饘倏赡軙?huì)屈服而發(fā)生塑性流動(dòng)，發(fā)生此塑性流動(dòng)的最低外加應(yīng)力為：

(1)

式中：σy為合金屈服強(qiáng)度；ρ為孔隙度；即ρ=1-D(D為相對(duì)密度)。當(dāng)外加應(yīng)力σ>σlim時(shí)會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)，由此不難得出發(fā)生塑性流動(dòng)的臨界孔隙度ρerit為：

ρerit=exp(-3σ/2σy)

(2)

式中：σ為應(yīng)力。當(dāng)合金中初始孔隙度小于臨界孔隙度或隨著塑性流動(dòng)的進(jìn)行孔隙度逐漸縮小至臨界孔隙度時(shí)，此時(shí)塑性流動(dòng)停止，孔洞的消除則由擴(kuò)散蠕變或位錯(cuò)蠕變主導(dǎo)，并且在不同溫度、壓力、初始孔隙度條件下，主導(dǎo)機(jī)制也不同。擴(kuò)散蠕變機(jī)制主要包括Nabarro-Herring蠕變與Coble蠕變，Nabarro-Herring蠕變機(jī)制通過(guò)原子與空位在晶格內(nèi)流動(dòng)擴(kuò)散進(jìn)而使合金發(fā)生蠕變消除孔洞，屬于自擴(kuò)散，而Coble蠕變機(jī)制的空位擴(kuò)散過(guò)程發(fā)生在晶界，屬于晶界擴(kuò)散[16]。兩種機(jī)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(shù)；G為晶粒尺寸；D為擴(kuò)散系數(shù)；m為晶粒尺寸指數(shù)。位錯(cuò)蠕變是因合金在高溫及應(yīng)力作用下激活空位擴(kuò)散從而引起位錯(cuò)攀移，孔洞附近區(qū)域在位錯(cuò)的滑移與攀移作用下發(fā)生蠕變進(jìn)而閉合[18]。無(wú)論是擴(kuò)散蠕變還是位錯(cuò)蠕變過(guò)程，都離不開(kāi)溶質(zhì)原子在基體中的擴(kuò)散，在熱等靜壓條件下，合金中溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)D*(P,T)變化規(guī)律為[19]：

(4)

式中：ΔV*為活化體積；D*(1,T)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下示蹤原子擴(kuò)散系數(shù)；P為施加壓力；R為氣體常數(shù)；T為開(kāi)氏溫度。目前學(xué)者已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察分析或計(jì)算模擬等手段對(duì)鎳基高溫合金鑄件的致密化過(guò)程開(kāi)展了大量研究。

Epishin等[20]通過(guò)設(shè)置1288 ℃/103 MPa下不同持續(xù)時(shí)間的熱等靜壓中斷實(shí)驗(yàn)，研究鎳基單晶高溫合金CMSX-4內(nèi)部孔洞缺陷的愈合機(jī)制，利用密度測(cè)量與定量金相學(xué)確定熱等靜壓過(guò)程中孔洞愈合動(dòng)力學(xué)過(guò)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(biāo)記的直線(xiàn)可以看出，位錯(cuò)在(111)面上的滑動(dòng)痕跡，證明孔洞愈合是由位錯(cuò)滑移所引起的塑性變形導(dǎo)致。同時(shí)結(jié)合晶體塑性學(xué)和大應(yīng)變理論對(duì)孔洞愈合動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，分析了不同熱等靜壓參數(shù)對(duì)孔洞愈合動(dòng)力學(xué)的影響，計(jì)算模擬結(jié)果較好地預(yù)測(cè)了實(shí)驗(yàn)值。Zhao等[21-22]對(duì)長(zhǎng)時(shí)服役等軸晶高溫合金K465內(nèi)部蠕變孔洞的熱等靜壓修復(fù)機(jī)理開(kāi)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(jié)構(gòu)，蠕變孔洞主要形核于晶界處，并且孔洞周?chē)嬖诃h(huán)形的筏化結(jié)構(gòu)，表明孔洞的愈合是由合金在熱等靜壓條件下孔洞周?chē)牧习l(fā)生蠕變所引起，其中溫度和壓力是溶質(zhì)原子擴(kuò)散的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)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(shí)基于熱力學(xué)理論建立了蠕變孔洞修復(fù)數(shù)學(xué)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(qū)及其物理模型[21] (a)愈合區(qū)SEM；(b)愈合區(qū)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(shí)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(kuò)散系數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)；a為多晶合金晶粒尺寸。根據(jù)該數(shù)學(xué)模型可以建立起蠕變孔洞愈合時(shí)間、溫度及壓力之間的關(guān)系，從而為熱等靜壓參數(shù)合理選擇提供依據(jù)。Zheng等[23]探究熱等靜壓下鑄造鎳基高溫合金M91鑄造孔周?chē)苜|(zhì)擴(kuò)散過(guò)程，在1170 ℃/180 MPa/4 h條件下，孔洞基本閉合，對(duì)孔洞閉合界面處使用EDS進(jìn)行線(xiàn)掃描成分分析，結(jié)果表明：熱等靜壓過(guò)程中溶質(zhì)向鑄孔擴(kuò)散導(dǎo)致基體相γ的形成，而在熱等靜壓后的冷卻過(guò)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(qū)的析出。

由此可見(jiàn)，熱等靜壓對(duì)鎳基鑄造高溫合金的致密化處理過(guò)程是由多機(jī)制、多影響因素協(xié)同作用的結(jié)果，涉及材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)、晶體塑性學(xué)等多個(gè)學(xué)科，是一個(gè)和溫度、壓力、時(shí)間等熱等靜壓工藝參數(shù)與材料物理化學(xué)特性相關(guān)的函數(shù)，目前關(guān)于鑄造高溫合金的致密化機(jī)理尚未達(dá)成清晰的理論共識(shí)[13]。

2 熱等靜壓在鎳基等軸多晶、定向凝固高溫合金領(lǐng)域的應(yīng)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(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，要求等軸晶高溫合金鑄件組織細(xì)晶化、均勻化、低缺陷以及高精度。然而傳統(tǒng)精密鑄造工藝使鑄件在獲得細(xì)小均勻的等軸晶的同時(shí)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(xiàn)后誕生了定向凝固高溫合金，通過(guò)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(dāng)制件的晶界定向排列并平行于應(yīng)力主軸方向，高溫下作用在脆弱晶界上的應(yīng)力會(huì)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(xué)性能較普通多晶鑄造高溫合金已實(shí)現(xiàn)大幅提高，但是鑄造過(guò)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(shù)在鎳基定向凝固高溫合金應(yīng)用也愈加廣泛。

為探究不同熱等靜壓參數(shù)處理對(duì)鎳基等軸晶多晶、定向凝固高溫合金的顯微組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律， Zhang等[27]對(duì)熱等靜壓處理前后K403高溫合金顯微組織與力學(xué)性能變化情況開(kāi)展研究，設(shè)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(duì)合金帶來(lái)的影響。顯微組織分析表明熱等靜壓處理對(duì)孔洞類(lèi)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(tài)下1.51%減少為0.51%(HIP1)與0.32%(HIP2)。同時(shí)合金中碳化物在高溫高壓下發(fā)生轉(zhuǎn)變：MC+γ→M23+γ′。碳化物形貌由絲狀轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)的顆粒狀，這種形貌碳化物可以起到防止晶界滑動(dòng)的作用，從而改善合金力學(xué)性能。納米壓痕實(shí)驗(yàn)證實(shí)K403高溫合金在經(jīng)過(guò)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(xù)研究中測(cè)試了鑄態(tài)、HIP1處理、HIP2處理3種狀態(tài)的K403高溫合金750 ℃條件下的低周疲勞性能，同時(shí)結(jié)合晶體塑性學(xué)理論建立該合金的本構(gòu)模型，低周疲勞實(shí)驗(yàn)與有限元分析結(jié)果均表明，熱等靜壓處理通過(guò)消除鑄造缺陷從而降低合金應(yīng)力集中與塑性變形，同時(shí)改善碳化物與顯微組織狀態(tài)，進(jìn)而顯著延長(zhǎng)合金疲勞壽命。因此，確立合適的熱等靜壓處理制度對(duì)改善合金顯微組織與力學(xué)性能等方面有著重要意義。Kim等[29]通過(guò)設(shè)置不同熱等靜壓方案評(píng)估了定向鎳基高溫合金GTD-111中γ′相的析出對(duì)其力學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示熱等靜壓處理可以使合金抗拉強(qiáng)度提高40%左右，同時(shí)基于對(duì)γ′沉淀相析出規(guī)律的認(rèn)識(shí)，提出三步驟總時(shí)長(zhǎng)為6 h的熱等靜壓處理方案，用以代替常規(guī)熱處理中固溶處理和二次時(shí)效處理，對(duì)合金顯微組織的分析表明其蠕變性能可以改善。由此說(shuō)明相較傳統(tǒng)熱等靜壓后進(jìn)行熱處理的方法，合理的熱等靜壓工藝可以較好地替代標(biāo)準(zhǔn)熱處理，提升合金綜合力學(xué)性能的同時(shí)也簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝。

3 熱等靜壓在鎳基單晶高溫合金領(lǐng)域的應(yīng)用

鎳基單晶高溫合金是目前先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)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(nèi)部疏松形成傾向，但是生成的孔洞缺陷依然會(huì)在合金服役時(shí)發(fā)展為裂紋源而降低合金力學(xué)性能[30]。目前國(guó)外采用熱等靜壓技術(shù)提升單晶高溫合金鑄件致密性的研究相對(duì)成熟，并且熱等靜壓技術(shù)在二代單晶高溫合金上得以工程化應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的熱等靜壓技術(shù)研究與應(yīng)用還較少[31]。

3.1 熱等靜壓參數(shù)對(duì)鎳基單晶高溫合金顯微組織的影響

熱等靜壓參數(shù)的選擇是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，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(tǒng)地對(duì)鎳基單晶高溫合金ERBO-1開(kāi)展不同溫度、壓力、保持時(shí)間的熱等靜壓工藝研究，選取表1所示熱等靜壓方案對(duì)鑄態(tài)試樣(ERBO-1A)與標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(dāng)熱等靜壓溫度高于γ′相溶解溫度(約1260 ℃)時(shí)，無(wú)論采用3 h或是5 h的保持時(shí)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(tài)ERBO-1A和熱態(tài)ERBO-1C樣品的孔隙率[32]

表2為用于研究相同時(shí)間條件下溫度與壓力對(duì)鑄態(tài)試樣孔隙愈合影響規(guī)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(tài)試樣初始孔隙率為0.15%，當(dāng)壓力為0.1 MPa，即大氣壓條件下，合金會(huì)因?yàn)楦邷貤l件下內(nèi)部元素?cái)U(kuò)散產(chǎn)生固溶微孔導(dǎo)致孔隙率增加。當(dāng)?shù)陀讦谩湎嗳芙鉁囟葧r(shí)，即在1220 ℃/3 h條件下，隨著壓力的增加的確會(huì)降低孔隙率。但是，當(dāng)溫度高于γ′相溶解溫度時(shí)，即在1320 ℃/3 h條件下，100 MPa時(shí)孔洞基本完全愈合，繼續(xù)增加壓力不再對(duì)孔隙率產(chǎn)生影響。

表2 確定保持時(shí)間條件下熱等靜壓方案

圖4 不同熱等靜壓方案下鑄態(tài)ERBO-1A樣品的孔隙率[32]

熱等靜壓處理后的冷卻速率對(duì)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(duì)單晶高溫合金ERBO-1組織的影響規(guī)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(xiàn)性近似值。鑄態(tài)合金固溶處理后分別進(jìn)行5種冷卻速率下熱等靜壓處理，隨后進(jìn)行同等條件二次時(shí)效處理。觀察時(shí)效后合金顯微組織發(fā)現(xiàn)：冷卻速率對(duì)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(shí)，γ′粒子分布不均勻，尺寸呈現(xiàn)多峰分布；緩慢冷卻時(shí)，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(lèi)似的不規(guī)則顯微組織，這種不規(guī)則的γ/γ′形貌會(huì)對(duì)合金性能產(chǎn)生不利影響。Roncery等[34]后續(xù)在Q1冷卻速率下設(shè)計(jì)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(shí)減少合金處理程序。相較標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)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(shí)孔洞數(shù)量得到有效降低，低溫高應(yīng)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(yīng)優(yōu)化合金組織，減少合金內(nèi)部缺陷，不合理的熱等靜壓參數(shù)可能會(huì)使單晶高溫合金內(nèi)部產(chǎn)生初熔、再結(jié)晶等工程中不允許出現(xiàn)的缺陷。曹臘梅等[35]研究發(fā)現(xiàn)熱等靜壓處理對(duì)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(shí)合金中顯微疏松完全閉合。溫度越高合金共晶體積分?jǐn)?shù)越少，當(dāng)溫度達(dá)到1310 ℃及以上時(shí)，共晶可完全溶于基體。然而當(dāng)溫度達(dá)到1340 ℃時(shí)，合金出現(xiàn)了初熔現(xiàn)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(shí)降低其枝晶偏析。史振學(xué)等[36]則研究熱等靜壓壓力對(duì)一種單晶高溫合金組織的影響，設(shè)置1310 ℃/100 MPa/4 h和1310 ℃/150 MPa/4 h兩種熱等靜壓方案，結(jié)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(jīng)過(guò)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(yōu)選在γ′相溶解溫度之上，此時(shí)孔洞收縮更快，有利于提高致密化效率；合金固溶處理過(guò)程中由于柯肯達(dá)爾效應(yīng)會(huì)產(chǎn)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(shù)量；壓力與保持時(shí)間的選擇則需要綜合考慮其對(duì)致密度與合金顯微組織的影響，要在不產(chǎn)生再結(jié)晶與初熔等有害相的前提下，盡可能消除合金孔洞類(lèi)缺陷以提高合金致密化程度并優(yōu)化組織，同時(shí)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題也是不可忽視的因素。除此之外，通過(guò)控制熱等靜壓過(guò)程中冷卻速度可以使合金獲得與完全熱處理態(tài)類(lèi)似的顯微組織結(jié)構(gòu)，并且消除大部分孔洞缺陷，所以研究如何利用熱等靜壓設(shè)備完成合金固溶與時(shí)效的綜合熱處理過(guò)程對(duì)提高生產(chǎn)效率、降低成本有著重要意義。

3.2 熱等靜壓對(duì)鎳基單晶高溫合金力學(xué)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(nèi)部裂紋產(chǎn)生的主要原因，強(qiáng)烈損害合金力學(xué)性能[37]。目前利用熱等靜壓技術(shù)開(kāi)展改善鎳基單晶高溫合金力學(xué)性能的影響研究已有較多報(bào)道。Lan等[38]在研究熱等靜壓對(duì)二代單晶高溫合金CMSX-4拉伸性能的影響機(jī)理中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)熱等靜壓處理與未經(jīng)熱等靜壓處理的兩種試樣進(jìn)行980 ℃拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：熱等靜壓處理試樣的斷裂伸長(zhǎng)率比無(wú)熱等靜壓處理試樣提高20%，并且屈服強(qiáng)度保持不變。Chang等[39]發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)CMSX-4合金試樣經(jīng)過(guò)950 ℃/355 MPa的熱等靜壓處理后，持久壽命可由熱處理態(tài)的72.7 h提高至134.28 h。郭會(huì)明等[40-41]則分別研究了熱等靜壓對(duì)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(jìn)行熱等靜壓處理的標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)試樣，在經(jīng)過(guò)1300 ℃/100 MPa/4 h的熱等靜壓處理及后續(xù)熱處理后可以使試樣在760 ℃低周疲勞壽命提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，由16806次循環(huán)提升至141900次。高周疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，合金疲勞強(qiáng)度由331 MPa提高至433 MPa。

綜上可見(jiàn)，熱等靜壓處理可以消除合金內(nèi)部顯微孔洞，減少合金服役過(guò)程中內(nèi)部孔洞周?chē)嬖诘膽?yīng)力集中以及裂紋源數(shù)量，同時(shí)阻礙了裂紋的擴(kuò)展，并且適當(dāng)?shù)臒岬褥o壓處理會(huì)優(yōu)化合金組織，降低元素偏析與殘余共晶比例，這對(duì)合金各種力學(xué)性能都產(chǎn)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(duì)長(zhǎng)期服役鎳基鑄造高溫合金組織修復(fù)

鎳基高溫合金制造的渦輪葉片在長(zhǎng)時(shí)間服役過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)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(xiàn)象的發(fā)生嚴(yán)重影響著合金服役壽命[42]。因此需要定期對(duì)渦輪葉片進(jìn)行翻修或更換，由此不僅會(huì)造成浪費(fèi)，成本也大幅提高[43]。為了恢復(fù)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(shù)的應(yīng)用便成為了解決這一問(wèn)題的有效方法之一。

Wang等[44]研究利用熱等靜壓技術(shù)修復(fù)已在燃?xì)廨啓C(jī)服役70000 h的IN-738鎳基鑄造高溫合金葉片，合金經(jīng)過(guò)1200 ℃/100 MPa/4 h熱等靜壓處理后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理，顯微組織分析表明熱等靜壓幾乎可以完全修復(fù)因蠕變產(chǎn)生的孔洞及裂縫，并且經(jīng)過(guò)后續(xù)固溶和時(shí)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(jìn)而獲得與合金原始組織相似的結(jié)構(gòu)。王天佑等[45]研究不同熱等靜壓工藝及后續(xù)恢復(fù)熱處理對(duì)受到蠕變損傷DZ125合金試樣的組織演化影響。結(jié)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(méi)有發(fā)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(xù)提高溫度，在HIP3(1250 ℃/150 MPa/2 h)條件下，元素?cái)U(kuò)散速率更大，孔洞完全愈合，但是組織出現(xiàn)了初熔導(dǎo)致合金性能顯著下降。合金在熱等靜壓處理時(shí)如果同時(shí)提高溫度和壓力至指定數(shù)值，可能會(huì)在較低溫度下受高壓作用而發(fā)生微小冷塑性變形，從而在隨后高溫作用下發(fā)生再結(jié)晶。為避免此現(xiàn)象而設(shè)計(jì)了HIP4(1225 ℃/34 MPa/1 h+1225 ℃/150 MPa/2 h)方案，使合金優(yōu)先升高至指定溫度后再施加較高的壓力，對(duì)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(jīng)被完全治愈，效果更加優(yōu)異。Ruttert等[46]嘗試?yán)脽岬褥o壓技術(shù)對(duì)已發(fā)生蠕變的鎳基單晶高溫合金CMSX-4的組織進(jìn)行修復(fù)，設(shè)置圖6所示循環(huán)實(shí)驗(yàn)方案，首先使試樣在1050 ℃和160 MPa條件下沿[001]方向預(yù)蠕變5%的應(yīng)變，觀察發(fā)現(xiàn)內(nèi)部組織已出現(xiàn)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(jìn)行固溶及時(shí)效處理。完成恢復(fù)處理后使試樣在同等實(shí)驗(yàn)條件發(fā)生1.5%的應(yīng)變，結(jié)果表明包含熱等靜壓的恢復(fù)處理工藝可以恢復(fù)已蠕變損傷試樣的蠕變性能。Horst等[47]在后續(xù)研究中指出在蠕變預(yù)應(yīng)變?yōu)?.0%之后進(jìn)行的熱等靜壓恢復(fù)處理雖然能夠顯著提高蠕變強(qiáng)度，但是蠕變預(yù)變形引起的微觀結(jié)構(gòu)破壞不能完全消除，組織并不能夠得以完全恢復(fù)。

圖6 蠕變-恢復(fù)循環(huán)實(shí)驗(yàn)[46]

熱等靜壓技術(shù)對(duì)已損傷高溫合金組織及性能的恢復(fù)效果顯著，可以改善受到蠕變損傷材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，甚至?xí)够謴?fù)后的合金某些性能超越原始狀態(tài)，但是目前針對(duì)該領(lǐng)域的研究還相對(duì)較少，未來(lái)還需要對(duì)熱等靜壓恢復(fù)處理后的組織變化機(jī)理開(kāi)展研究，探究不同損傷程度下熱等靜壓對(duì)合金組織及性能的修復(fù)規(guī)律，對(duì)重構(gòu)合金顯微組織并恢復(fù)性能的熱等靜壓工藝參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)熱等靜壓技術(shù)在鎳基高溫合金恢復(fù)處理方面工程化應(yīng)用。

5 熱等靜壓在鎳基鑄造高溫合金擴(kuò)散連接領(lǐng)域的應(yīng)用

熱等靜壓擴(kuò)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(fā)生塑性變形，原子之間快速移動(dòng)并相互擴(kuò)散，最終使兩種材料表面緊密接觸，在固相下實(shí)現(xiàn)可靠連接的焊接工藝[48]。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件結(jié)構(gòu)朝著輕量化與整體化的方向發(fā)展，將葉片與渦輪盤(pán)結(jié)合為一個(gè)整體，省去常規(guī)用于連接的榫頭和榫槽，可以達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、減輕質(zhì)量、提高發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)效率的目的[49]。目前，葉片材料主要為鑄造高溫合金，渦輪盤(pán)件材料主要為粉末高溫合金，利用熱等靜壓擴(kuò)散連接工藝使兩種合金良好結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)整體葉盤(pán)的制造。此外，熱等靜壓擴(kuò)散連接相較傳統(tǒng)焊接及釬焊工藝能夠?qū)崿F(xiàn)高溫合金高結(jié)合強(qiáng)度并保持微觀結(jié)構(gòu)完整性，避免焊接過(guò)程中或焊后熱處理產(chǎn)生微裂紋[50-51]。

通過(guò)對(duì)鎳基高溫合金擴(kuò)散連接后的界面顯微組織分析及力學(xué)性能的測(cè)試判斷界面結(jié)合強(qiáng)度及穩(wěn)定性，以期獲得滿(mǎn)足工業(yè)要求的整體結(jié)構(gòu)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(kuò)散連接過(guò)程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在1110～1170 ℃，140 MPa，3 h條件下，兩種合金實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合，并且沒(méi)有析出有害相，拉伸測(cè)試顯示雙合金在750 ℃時(shí)可獲得更好的拉伸性能。燕平等[53]采用熱等靜壓擴(kuò)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(kuò)散偶，研究結(jié)果顯示兩種合金實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，接口處未發(fā)現(xiàn)TCP等有害相析出，同時(shí)結(jié)合界面區(qū)形成了組織過(guò)渡區(qū)，主要包括“田”字形γ′區(qū)和筏形γ′區(qū)，但是擴(kuò)散偶的持久強(qiáng)度較低。Wang等[54]則嘗試?yán)面嚮ㄏ蚰谈邷睾辖餋M247LC粉末作為中間層，在熱等靜壓(1220 ℃/175 MPa/4 h)條件下擴(kuò)散連接兩根鑄態(tài)CM247LC試棒，后續(xù)拉伸實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，中間層抗拉強(qiáng)度甚至高于鑄態(tài)合金，分析黏結(jié)區(qū)域合金微觀結(jié)構(gòu)，該區(qū)域中間層存在細(xì)小的碳化物均勻地沉淀在基體和晶界中，可能是這些細(xì)小的碳化物在拉伸實(shí)驗(yàn)中起到了抑制滑動(dòng)和損傷累積作用，說(shuō)明熱等靜壓擴(kuò)散連接技術(shù)可以制造出良好的連接件。

熱等靜壓擴(kuò)散連接技術(shù)在高性能或特種材料連接方面擁有著其他方法無(wú)可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在航空航天、冶金、化工、新能源等領(lǐng)域均有應(yīng)用，近年來(lái)越來(lái)越多的國(guó)外廠商采用此工藝來(lái)制造高性能渦輪轉(zhuǎn)子[55]。但是對(duì)于高度合金化的鎳基高溫合金擴(kuò)散連接應(yīng)用依然存在很多困難，目前該領(lǐng)域研究主要集中在不同熱等靜壓參數(shù)下對(duì)擴(kuò)散偶組織及性能的表征與測(cè)試，包含各熱等靜壓參數(shù)在內(nèi)的系統(tǒng)性理論研究有待進(jìn)一步發(fā)展。

6 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)熱等靜壓技術(shù)以其獨(dú)特的功能性已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注，本文對(duì)熱等靜壓技術(shù)在鎳基鑄造高溫合金不同領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與研究成果開(kāi)展了系統(tǒng)的論述，說(shuō)明熱等靜壓技術(shù)在改善鎳基鑄造高溫合金組織與性能方面存在的優(yōu)越性，但目前存在一些瓶頸問(wèn)題有待進(jìn)一步解決，這些問(wèn)題及其探索研發(fā)方向可能主要為以下幾個(gè)方面：

(1)熱等靜壓對(duì)鎳基鑄造高溫合金的致密化機(jī)理研究缺乏深入的探究及統(tǒng)一的認(rèn)知，未來(lái)需進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，借助分子動(dòng)力學(xué)模擬、有限元模擬等現(xiàn)代研究手段，從微觀和宏觀角度完善對(duì)致密化機(jī)理的解讀。

(2)探究不同合金對(duì)應(yīng)的熱處理-熱等靜壓集成方案，建立合金不同損傷狀態(tài)對(duì)應(yīng)熱等靜壓修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)測(cè)試篩選成本較低、滿(mǎn)足工業(yè)要求熱等靜壓工藝以實(shí)現(xiàn)熱等靜壓與熱處理相結(jié)合、熱等靜壓修復(fù)受損傷合金組織的工程化應(yīng)用。

(3)鎳基高溫合金擴(kuò)散連接領(lǐng)域缺乏系統(tǒng)性研究，可以通過(guò)分析各個(gè)參數(shù)對(duì)接口處組織性能的影響規(guī)律，建立相關(guān)數(shù)據(jù)模型及本構(gòu)方程，擴(kuò)展雙合金擴(kuò)散連接組織性能數(shù)據(jù)庫(kù)，發(fā)揮熱等靜壓擴(kuò)散連接的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

(4)先進(jìn)熱等靜壓設(shè)備的開(kāi)發(fā)應(yīng)用亟待發(fā)展，熱等靜壓設(shè)備是這一領(lǐng)域研究的基石，未來(lái)熱等靜壓設(shè)備應(yīng)滿(mǎn)足功能多樣化、操作智能化、控制精度高、生產(chǎn)成本低等要求。

總之，熱等靜壓技術(shù)在高溫合金領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展前景十分廣闊。國(guó)內(nèi)目前在熱等靜壓相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累及工藝穩(wěn)定性控制與國(guó)際先進(jìn)水平還存在一定的差距，國(guó)外相關(guān)技術(shù)的封鎖以及先進(jìn)熱等靜壓設(shè)備的缺乏都制約了國(guó)內(nèi)熱等靜壓技術(shù)在鎳基鑄造高溫合金領(lǐng)域的發(fā)展。未來(lái)可以重點(diǎn)關(guān)注熱等靜壓技術(shù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建立及先進(jìn)熱等靜壓設(shè)備開(kāi)發(fā)等工作，為熱等靜壓技術(shù)在鎳基高溫合金上的發(fā)展應(yīng)用鋪平道路，相信更加成熟的熱等靜壓技術(shù)會(huì)成為國(guó)內(nèi)高品質(zhì)鎳基鑄造高溫合金制造所不可或缺的工藝程序。