热等静压处理对K445高温合金精密铸件缩松及性能的影响

贺群功，石晓燕，李林蓄，杨功显，徐永锋，刘俊

（东方汽轮机有限公司 长寿命高温材料国家重点实验室，四川 德阳， 618000）

热等静压处理对K445高温合金精密铸件缩松及性能的影响

贺群功，石晓燕，李林蓄，杨功显，徐永锋，刘俊

（东方汽轮机有限公司 长寿命高温材料国家重点实验室，四川 德阳， 618000）

对K445含有内部宏观缩松的精密铸造高温合金叶片及不含有内部宏观缩松的精密铸造试棒进行了热等静压试验研究，处理参数为：氩气气氛，温度1 200℃，时间4 h，压力147 MPa。结果表明，通过热等静压工艺可以消除精铸叶片≤3级的内部宏观缩松。另外，对于不含有内部宏观缩松的精铸试棒取金相样和加工性能试样，结果表明，经过热等静压处理后，由于显微缩松的消除，合金的致密度有了明显提高，经过密度测量发现，合金的密度提高了0.19%～0.25%，冲击功从7.0～9.0 J升高到9.5～11.0 J，在750～900℃抗拉强度提高了4.7%～17%、屈服强度提高了5.8%～19%，材料的塑性得到提高，且更趋稳定。

热等静压处理，镍基高温合金，内部宏观缩松，显微缩松，力学性能

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高温合金是一种铸造镍基高温合金，具有良好的综合性能，其主要应用于重型燃气轮机后两级透平高温叶片[1]。精密铸造又称熔模铸造，具有表面光洁、加工余量小及尺寸精度高等优点，尤其是真空精密铸造，其优点更为突出，可以实现无余量精密铸造[2]。尽管是在真空状态下浇铸，精密铸件仍不可避免存在内部宏观缩松（X射线可见）和显微缩松（X射线不可见、显微分析可见），而这些因素又直接导致产品探伤质量不合格、高温力学性能及疲劳性能下降。

为了提高精密铸件产品的合格率和使用寿命，热等静压处理技术是一个很好的途径[2-5]。热等静压处理技术是由美国Battle研究所1955年发明的，其工艺是将工件放置到密闭的容器中，以氮气、氩气等惰性气体为传压介质，向工件施加各向同等压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，能明显消除或减少闭合间隙性缺陷，使工件得以致密化[6]。20世纪70年代初，GE公司关于铸造高温合金热等静压处理的研究取得了良好进展，自此以后，热等静压处理的研究和实际生产应用日益普遍，特别是镍基高温合金铸件的后处理上[7-10]。

K445是一种新开发的国产铸造高温合金材料，目前还没有发现有关该材料热等静压方面的文献报告。本文研究某热等静压工艺处理对K445精铸件缩松和高温瞬时拉伸性能的影响。

1 试验方法

1.1 试验材料

精铸用母合金K445的主要化学成分如表1所示。

表1 K445合金主要化学成分单位：wt%

按照某种精铸工艺制作了一批K445高温合金叶片试验件，依照ASTM E192标准对其中一只叶片进行了X射线探伤分析，最严重处宏观缩松等级为3级。叶片示意图和宏观疏松分布如图1所示。此外，精铸了一批K445试棒，通过X射线探伤分析没有发现宏观缩松。

图1 叶片内部宏观缩松示意图

1.2 试验方法

将如上叶片和试样进行热等静压处理，处理完后再次进行X射线探伤，显微分析和高温瞬时拉伸分析，研究热等静压处理前后宏观缩松、显微缩松及性能的变化情况。

1.3 热等静压试验参数

热等静压炉为瑞典AVURE公司生产的QIH 0.82×2.0-1820型炉子，最高处理温度1 250℃，最高处理压力为178 MPa，炉腔有效加热尺寸Φ750 mm×1 900 mm。本次研究处理参数为：纯度≥99.99%的氩气气氛，气氛压力147 MPa，温度1 200℃，时间4 h。

2 结果与分析

2.1 宏观缩松

叶片经过热等静压后，再次通过X射线探伤，没有发现宏观缩松，说明此热等静压工艺能消除三级及以下的宏观缩松。

2.2 显微缩松及密度分析

在X射线探伤不存在宏观缺陷的同一精铸试棒取金相样，取样尺寸为20 mm×20 mm×16 mm，个数为六个，编号为1#～6#，在热等静压前进行显微缩松分析和密度测量，然后进行同样工艺的热等静压处理，处理完后再次进行显微缩松分析和密度测量。显微缩松的分析通过金相显微镜实现，密度的测量采用测量精度为0．001 g/cm3的固体密度仪。

现在，选取1#试样热等静压前后的金相照片进行显微缩松分析，照片如图2所示。

图2 热等静压处理前后显微检查照片

热等静压处理前的铸态试样，几乎每个视场都有不同程度的显微缩松，图中黑色点即为显微缩松，通过热等静压处理后，由于显微缩松的有效消除，合金的致密度有了明显提高，随后进行的密度试验结果（见表2）亦验证了此结果。

表2 密度测量结果

从表2可知，此六个试样的密度值提高了0．191%～0．250%， 提高量为 0．016～0．021 g/cm3，这主要得益于热等静压后显微缩松的消除。

2.3 力学性能

将同一批次熔炼浇铸，一半热等静压，一半没有热等静压，将这两种状态的试样做同炉热处理。采用真空炉固溶+大气炉时效工艺，参数为：1 120℃±10℃/2 h/Air cooling+850℃±10℃/24 h/Air cooling，固溶真空度≥10-2Pa。

首先做了两种状态下室温下的冲击试验，结果见表3。从表中可知，经过HIP处理后，冲击功从 7．0～9．0 J 升高到 9．5～11．0 J， 材料塑性大幅提升。显微缩松经HIP后得以大幅消除，导致相同尺寸试样的有效截面增大，冲击功上升。

表3 冲击试验结果

同时，这两种试样在750℃、800℃、850℃、900℃四个温度做高温拉伸试验，结果见表4。

表4 高温拉伸试验结果

为了更直观显示两种状态的对比结果，将表4中的试验数据绘成图，如图3所示。可知，K445精铸试样经过HIP处理后，高温强度显著提高，在750～900℃的抗拉强度提高了4．7%～17%、屈服强度提高了 5．8%～19%。

同时还可知，没有经过HIP处理的试样其断面收缩率和断后延伸率在750～900℃随温度变化不大，断面收缩率在11．3%～14．1%，断后延伸率在3．0%～7%，且两者都有一个小幅下降，然后再随温度有所回升。经过HIP处理的试样表现截然不同，在750～900℃的，断面收缩率和伸长率都表现出随温度升高而稳定升高的现象，且大部分值都比没有经过HIP处理试样的值高。分析原因是：经过HIP处理后，材料的塑性得到提高，且更稳定。

图3 热等静压处理前后拉伸性能结果

3 结论

通过热等静压处理来消除精密铸件缩松以提高产品的性能和稳定性是一种非常有效、可行的方法。K445精铸件经过纯度≥99.99%的氩气气氛，气氛压力147 MPa、温度1 200℃、时间4 h的热等静压处理后，能有效消除缩松、大大提高精铸件的力学性能，结论如下：

（1）可以消除精铸叶片中≤3级的宏观缩松；

（2）可有效消除显微缩松，使合金致密度有了明显提高，合金的密度值提高了0.191%～0.250%；

（3）HIP 处理后冲击功从 7.0～9.0 J升高到 9.5～11.0 J；

（4）在750～900℃的抗拉强度提高了4.7%～17%、屈服强度提高了5.8%～19%；

（5）材料的塑性得到提高，且更趋稳定。

[1]谢文江,邹军涛,赵永芹,等.热处理对K445高温合金组织及硬度的影响[J].铸造技术,2007,28(11):1446-1451.

[2]郭建亭.高温合金材料学:中册 制备工艺 [M].北京:科学出版社,2008.

[3]邬荫芳.热等静压技术的新进展[J].硬质合金,2000,7(2):115-119.

[4]尚文静.热等静压(HIP)技术和设备的发展及应用[J].有色冶金设计与研究,2010,31(1):18-21.

[5]谌启明,杨靖,单先裕,等.热等静压技术的发展及应用[J].稀有金属与硬质合金,2003,31(2):31-38.

[6]Loh NL,Sia KY.An overview of hot isostatic pressing[J].Journal of Materials Processing Technology,1992,30(1):45-65.

[7]Burt H,Dennision JP,Elliott IC,et al.The effect of hot isostatic pressing on the creep and fracture behaviour of the cast superalloy Mar M002[J].Materials Science&Eng ineering,1982,53(2):245-250.

[8]Kim MT,Chang SY,Won JB.Effect of HIP process on the micro-structural evolution of a nickel-based superalloy[J].Materials Science&Engineering A,2006,441(1-2):126-134.

[9]Bor HY,Hst C,Wei CN.Influence of hot isostatic pressing on the fracture transitions in the fine grain Mar-M247 superalloys[J].Materials Chemisitry&Physics,2004,84(2-3):284-290.

[10]隋泳恩.热等静压及后续热处理对铸造铝合金叶片力学性能的影响[J].铸造,2000,49(4):194-197.

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

贺群功 （1982-），男，硕士，工程师，毕业于西安交通大学动力机械及工程专业，现从事精铸件热等静压及热处理技术研究工作。