【科普系列】热等静压技术在镍基铸造高温合金领域的应用研究
热等静压是一种利用高温高压同时作用使金属或陶瓷制品经受各向同等压力从而使制件得以烧结和致密化的工艺技术，图一展示了热等静压设备结构组成。随着现代先进航空发动机与燃气轮机的快速发展，铸造高温合金制件的服役环境愈加苛刻，结构也更加精密复杂，对铸造高温合金综合性能提出了新的要求，而合金在铸造过程中不可避免地会存在疏松等孔洞类缺陷与偏析，造成合金综合力学性能显著下降。热等静压被认为是修复孔洞、退化与损伤的微观组织并增强铸件力学性能的一种非常有效的方法。用于成型铸件的铸造高温合金，经热等静压致密化处理后，能使其在形状、尺寸几乎不改变的情况下，减少或消除内部孔洞类缺陷，使合金致密度达到理论密度的99.7%~99.9%，从而更加充分地发挥材料的综合性能。正是因为热等静压技术这些独一无二的优势，促使着其成为航空航天用重要精铸件生产过程中的固定处理工序。由此可见热等静压技术已经在镍基铸造高温合金领域大放异彩，并且成为研究热点领域。
图1 HIP设备结构组成
1 热等静压对镍基铸造高温合金的致密化机理
热等静压技术应用在镍基铸造高温合金中的主要目的是消除合金铸造过程中的孔洞类缺陷，提高铸件内部的致密度，通常来说，合金在热等静压机中高温高压作用下内部疏松等孔洞类缺陷会发生塑性变形及蠕变行为，进而在塌陷区表面发生扩散行为完成孔洞愈合，使合金更加致密。张善勇等认为镍基铸造高温合金孔洞消除机制可归纳为塑性流动、扩散蠕变、位错蠕变3类。从本质上讲，孔洞的愈合是由其周围的温度及应力场所驱动的原子扩散过程而控制。热等静压对镍基单晶高温合金的致密化处理是多机制、多影响因素协同作用的结果，涉及到材料热力学与动力学、晶体塑性学等多个学科，是一个和温度、压力、时间等热等静压工艺参数与材料物理化学特性相关的函数，目前关于铸造高温合金的致密化机理尚未达成清晰的理论共识。
2 热等静压参数及工艺方案的制定原则
热等静压处理应提升镍基铸造高温合金致密度，优化合金组织，减少合金内部缺陷。综合前人研究成果，本文认为：热等静压温度优选在γ'相溶解温度之上，此时孔洞收缩更快，有利于提高致密化效率；合金固溶处理过程中由于柯肯达尔效应会产生一部分固溶微孔，因此，从提高致密化角度考虑，热等静压处理安排在合金固溶处理后可以更加全面减少孔洞数量；压力与保持时间的选择则需要综合考虑其对致密度与合金显微组织的影响，要在不产生再结晶与初熔等有害相的前提下，尽可能消除合金孔洞类缺陷以提高合金致密化程度并优化组织，同时经济问题也是不可忽视的因素。除此之外，通过控制热等静压过程中冷却速度可以使合金获得与完全热处理态类似的显微组织结构，并且消除大部分孔洞缺陷，所以研究如何利用热等静压设备完成合金固溶与时效的综合热处理过程对提高生产效率、降低成本有着重要意义。
3 热等静压对长期服役镍基铸造高温合金组织修复
镍基高温合金制造的涡轮叶片在长时间服役过程中不可避免地会发生微观组织蠕变损伤，包括γ'相球化、组织粗化、筏化、蠕变孔洞等现象的发生严重影响着合金服役寿命，为了恢复受损伤合金显微组织，消除蠕变孔洞，提升合金致密度，热等静压技术的应用便成为了解决这一问题的有效方法之一。Ruttert等尝试利用热等静压技术对已发生蠕变的镍基单晶高温合金CMSX-4的组织进行修复，设置图2所示循环实验方案，首先使试样在1050 ℃和160 MPa条件下沿[001]方向预蠕变5%的应变，观察发现内部组织已出现筏化与蠕变孔洞，随后试样在1280 ℃/100 MPa/2 h条件下热等静压处理，之后进行固溶及时效处理。完成恢复处理后使试样在同等实验条件发生1.5%的应变，结果表明包含热等静压的恢复处理工艺可以恢复已蠕变损伤试样的蠕变性能。因此，热等静压技术对已损伤高温合金组织及性能的恢复效果显著，可以改善受到蠕变损伤材料的微观结构和力学性能，甚至会使恢复后的合金某些性能超越原始状态。
图2 蠕变-恢复循环实验
4 展望
热等静压技术在镍基铸造高温合金领域的应用发展前景十分广阔。国内目前在热等静压相关实验数据积累及工艺稳定性控制与国际先进水平还存在一定的差距，国外相关技术的封锁以及先进热等静压设备的缺乏都制约了国内热等静压技术在镍基铸造高温合金领域的发展。未来可以重点关注热等静压技术相关行业标准建立及先进热等静压设备开发等工作，为热等静压技术在镍基高温合金上的发展应用铺平道路，相信更加成熟的热等静压技术会成为国内高品质镍基铸造高温合金制件制造所不可或缺的工艺程序。
热等静压技术在镍基铸造高温合金领域的应用研究
宋富阳, 张剑, 郭会明, 张迈, 赵云松, 沙江波
材料工程 ，2021, 49 (1): 65-74
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000396
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