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熱等靜壓對(duì)鋁合金鑄件組織和性能的影響（冶金）

                   杜旭初，洪潤(rùn)洲，楊守杰，周永江

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院北京市先進(jìn)鋁合金材料及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，北京100095）

摘要：試驗(yàn)研究了ZL114A鋁合金砂型殼體鑄件熱等靜壓(5400C，120 MPa，2 h)前后鑄件缺陷級(jí)別、組織、性能的變化，分析探討了鋁合金鑄件熱等靜壓( HIP)過(guò)程缺陷消除的機(jī)制。結(jié)果表明，鑄件經(jīng)熱等靜壓可以消除鑄件內(nèi)部的封閉疏松缺陷，提高鑄件的致密度，大幅提高鑄件的伸長(zhǎng)率和疲勞性能；熱等靜壓消除疏松缺陷的機(jī)制是鑄件在高溫下鋁合金屈服強(qiáng)度變低，高壓下鋁合金變形蠕變使疏松孔洞崩塌愈合、通過(guò)擴(kuò)散連為一體。

關(guān)鍵詞：ZL114A鋁合金鑄件；熱等靜壓；缺陷消除；性能

中圖分類號(hào)：TG146. 21   文章編號(hào)：1007 - 7235( 2016) 06 - 0055  - 05

    隨著航空、航天、電子等行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)輕質(zhì)化構(gòu)件的需求越來(lái)越多，鋁合金由于密度小、比強(qiáng)度高和耐腐蝕等特點(diǎn)，作為重要的典型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于航空、航天和電子等行業(yè)。鑄造是鋁合金結(jié)構(gòu)件最主要成形方法之一，其鮮明特點(diǎn)是成形構(gòu)件的尺寸、組織和性能等受控于鑄造工藝方法與成形過(guò)程。隨著我國(guó)航空、航天工業(yè)的發(fā)展，對(duì)所用的高端鋁合金鑄件的性能及可靠性提出了更高的要求。高端鑄件內(nèi)部疏松缺陷的存在會(huì)降低鑄件的可靠性和使用壽命，需要開(kāi)發(fā)出一種去除鋁合金鑄件內(nèi)部疏松缺陷的方法，提高鑄件的可靠性。熱等靜壓( HIP)技術(shù)是鈦合金鑄件常用的一種消除缺陷的工藝手段，熱等靜壓過(guò)程中，將鑄件置于高溫高壓密封容器中，以高壓氣體為介質(zhì)，對(duì)鑄件施加各向均等靜壓力，來(lái)消除鑄件中的疏松缺陷。本研究將HIP技術(shù)引入鋁合金中鑄件制造工藝中，通過(guò)比較HIP前后鑄件缺陷級(jí)別、性能、組織等的變化，分析探討了鋁合金鑄件在HIP過(guò)程中缺陷消除的機(jī)制，總結(jié)出適用于鋁合金鑄件的HIP工藝，為以后生產(chǎn)高端、高性能、高可靠性鋁合金鑄件提供

參考。

1  試驗(yàn)方法及過(guò)程

1.1  試驗(yàn)材料

    試驗(yàn)采用如圖所示1的殼體鑄件，該鑄件為回轉(zhuǎn)體件，高370 mm，直徑260 mm，壁厚10 mm。鑄件材質(zhì)為Al-Si-Mg系ZL114A鑄造鋁合金，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。鑄件采用砂型低壓澆注成型。

1.2試驗(yàn)方法

    用X射線方法找到殼體鑄件中存在疏松缺陷的部位，收集疏松缺陷等級(jí)相同的部位，將這些部位用切割的方法從鑄件本體中取出；然后將切取的試塊分成2組，一組先進(jìn)行熱等靜壓(工藝參數(shù)為：540℃，120 M Pa，2 h)，再進(jìn)行T6熱處理；另一組直接進(jìn)行T6處理。兩組的熱處理均按表2工藝參數(shù)進(jìn)行。

    兩組試塊處理完后，進(jìn)行如下試驗(yàn)：

    ①進(jìn)行X射線檢驗(yàn)和低倍檢驗(yàn)，對(duì)比HIP前后X射線底片及低倍形貌的變化：

    ②從兩組試塊上分別取3根試樣，按圖2加工成5mm試樣，測(cè)試試樣的力學(xué)性能；

    ③分別從兩組試塊取5根試樣，按圖3加工成疲勞試樣，測(cè)試試樣疲勞壽命；

    ④選取部分典型拉斷試樣制作金相和斷口試樣，分析HIP前后試樣金相組織及斷口形貌變化。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1試塊HIP前后X射線底片及低倍組織

    按照HB/60對(duì)試塊分別進(jìn)行X射線檢驗(yàn)。在X射線檢測(cè)后的試塊上機(jī)加工切取低倍組織試樣，通過(guò)機(jī)械研磨拋光制備低倍檢查試樣，試樣采用HNO₃和Na OH溶液腐蝕后，借助放大鏡對(duì)試樣低倍組織觀察，如圖4所示。

    熱等靜壓后試塊的X射線檢測(cè)結(jié)果明顯好于未經(jīng)熱等靜壓的試塊的，說(shuō)明在熱等靜壓作用下，試塊內(nèi)部的疏松缺陷被消除。低倍試樣的檢驗(yàn)結(jié)果也印證了缺陷被消除，從圖4可以看出，熱等靜壓后試塊上取下的低倍試樣致密度明顯高于未經(jīng)熱等靜壓的。從試塊的外觀可以看到經(jīng)過(guò)熱等靜壓后試塊上存在大量的小凹坑，這是由于熱等靜壓后鑄件內(nèi)部孔洞被消除，鑄件的體積減小的緣故。

2.2試塊HIP前后的拉伸性能

    分別在經(jīng)過(guò)熱等靜壓的試塊和未經(jīng)過(guò)熱等靜壓的試塊上切取力學(xué)性能測(cè)試試樣，加工成5 mm標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能拉伸試棒，力學(xué)性能測(cè)試在WDW-100kN試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

    從3組試樣測(cè)試的結(jié)果看出，熱等靜壓前后試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度變化不大；熱等靜壓后的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度略微降低，但試樣的伸長(zhǎng)率有大幅提高，提高幅度達(dá)20%~50%；從性能分散程度來(lái)看，熱等靜壓對(duì)試樣伸長(zhǎng)率影響較大，而對(duì)試樣抗拉和屈服強(qiáng)度影響相對(duì)較小。這是由于在熱等靜壓過(guò)程中，疏松缺陷被消除，材料在拉伸過(guò)程中單位受載面積增大，使試樣的伸長(zhǎng)率大幅提高。

    熱等靜壓過(guò)程中，在高溫高壓下試塊中位錯(cuò)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，纏結(jié)中的位錯(cuò)重新組合，使得鑄件的位錯(cuò)密度下降，內(nèi)應(yīng)力得到釋放，因此在熱等靜壓后的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有所下降。

2.3試塊HIP前后的疲勞性能

    疲勞試驗(yàn)在PLA30050疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，在室溫、試驗(yàn)室空氣介質(zhì)的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)力水平設(shè)置在140 M Pa，應(yīng)力比R= -0.1，測(cè)試軸向應(yīng)力疲勞性能，即軸向?qū)ΨQ加載，控制波形為正弦波，循環(huán)加載頻率為120 Hz，試樣在機(jī)器上循環(huán)加載直至斷裂，記錄加載周次。

    從表4可以看出，試塊熱等靜壓后的疲勞壽命比未HIP的平均提高了178%，提高范圍在142%~210%。Campbell等人研究了319 -T7鑄造鋁合金的疲勞裂紋萌生行為，發(fā)現(xiàn)疲勞萌生起源于鑄造中產(chǎn)生的氣孔等孔洞。由于交變載荷的循環(huán)作用，疲勞裂紋的萌生過(guò)程往往發(fā)生在材料存在缺陷或薄弱區(qū)，并通過(guò)不均勻的滑移或位移，從微細(xì)小裂紋形成而逐漸長(zhǎng)大擴(kuò)展至斷裂。熱等靜壓使得鑄件內(nèi)部的缺陷消除，提高了鑄件的致密度，使試樣在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中疲勞萌生起源減少，提高了試樣的疲勞壽命。

2.4試塊HIP前后的金相組織

    截取拉伸性能試樣斷口縱截面，研磨、拋光、腐蝕后借助OM對(duì)縱截面金相組織進(jìn)行測(cè)試，如圖5所示。由圖5a可知，HIP前金相組織中有明顯的疏松缺陷，HIP后的試樣中沒(méi)有明顯的疏松缺陷（圖5b），但也存在一些很小的圓形孔洞。借助熒光檢測(cè)手段，利用顯微鏡發(fā)現(xiàn)這些孔洞與試樣外表面相通。

2.5試樣斷口分析

    采用FEI-Quanta 600掃描電子顯微鏡對(duì)HIP前后拉伸試樣斷面進(jìn)行測(cè)試分析。未經(jīng)過(guò)HIP的試樣斷口SEM形貌如圖6所示，由圖6可知斷口斷裂機(jī)制為穿晶斷裂，斷口心部及其他表面分布有解理斷裂留下的解理面，而且組織內(nèi)部可以觀察到明顯的疏松缺陷，見(jiàn)圖6b。

    圖7為經(jīng)過(guò)HIP的試樣斷口SEM形貌，可知經(jīng)過(guò)HIP的試樣斷口形貌呈現(xiàn)為典型的沿晶斷裂，組織內(nèi)部未觀察到明顯的組織缺陷與冶金缺陷。

3  討論

    在鋁合金鑄件凝固過(guò)程中，由于金屬的液態(tài)、固態(tài)存在密度差，造成鑄件凝固時(shí)產(chǎn)生固態(tài)收縮，但在凝固收縮過(guò)程中，已經(jīng)形成存在于液、固兩相區(qū)的枝晶對(duì)液體流動(dòng)的阻礙，使局部壓力下降，導(dǎo)致枝晶間的孔隙不能及時(shí)得到填充，因而留下因補(bǔ)縮不足而形成的分散性疏松。分散性疏松缺陷在鑄件中形成時(shí)，孔洞處近于真空。熱等靜壓時(shí)，加熱溫度在540℃，此時(shí)鑄件尚未發(fā)生過(guò)燒現(xiàn)象，ZL114A鋁合金的屈服強(qiáng)度很低，不到100 N/mm²，因此在高壓下(120 M Pa)，缺陷周圍的金屬會(huì)發(fā)生變形、延展變形和蠕變，最后使缺陷彌合。

    在HIP過(guò)程中，鑄件疏松缺陷的變化經(jīng)過(guò)兩個(gè)過(guò)程，第一，在高溫高壓下，疏松缺陷周圍的金屬發(fā)生拉伸變形、延展變形和蠕變，直至鑄件內(nèi)部的疏松孔洞消失；第二，疏松孔洞消失后，隨著熱等靜壓的繼續(xù)進(jìn)行，愈合時(shí)形成的界面由于存在著成分梯度、溫度梯度、高壓所產(chǎn)生的應(yīng)力梯度，所以在愈合界面發(fā)生化學(xué)擴(kuò)散，擴(kuò)散的進(jìn)行使得愈合界面消失，最終鑄件基體連為一體；這個(gè)時(shí)間為2h。如果缺陷與外界相連，沒(méi)有形成一個(gè)密閉的空腔，熱等靜壓則無(wú)法消除該缺陷。

4  結(jié)論

    本試驗(yàn)研究通過(guò)比較ZL114A鋁合金砂型低壓鑄造鑄件熱等靜壓(540℃，120 M Pa，2 h)前后組織、性能的變化，分析了熱等靜壓消除疏松缺陷的機(jī)制，得出如下結(jié)論：

    1)鑄件經(jīng)過(guò)熱等靜壓(540℃，120 M Pa，2 h)后可以消除鑄件內(nèi)部的疏松缺陷，提高鑄件的致密度；

    2) HIP后再經(jīng)過(guò)T6處理，可以大幅提高鑄件的伸長(zhǎng)率和疲勞性能；

    3) HIP消除疏松缺陷的機(jī)制是鑄件在高溫下金屬屈服強(qiáng)度變低，高壓下金屬變形蠕變使疏松孔洞崩塌愈合，然后通過(guò)擴(kuò)散連為一體。