熱等靜壓對鋁合金鑄件組織和性能的影響（冶金）

                   杜旭初，洪潤洲，楊守杰，周永江

（中國航空工業集團公司北京航空材料研究院北京市先進鋁合金材料及應用工程技術研究中心，北京100095）

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

關鍵詞：ZL114A鋁合金鑄件；熱等靜壓；缺陷消除；性能

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

    隨著航空、航天、電子等行業技術的發展，對輕質化構件的需求越來越多，鋁合金由于密度小、比強度高和耐腐蝕等特點，作為重要的典型輕質結構材料廣泛應用于航空、航天和電子等行業。鑄造是鋁合金結構件最主要成形方法之一，其鮮明特點是成形構件的尺寸、組織和性能等受控于鑄造工藝方法與成形過程。隨著我國航空、航天工業的發展，對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。高端鑄件內部疏松缺陷的存在會降低鑄件的可靠性和使用壽命，需要開發出一種去除鋁合金鑄件內部疏松缺陷的方法，提高鑄件的可靠性。熱等靜壓( HIP)技術是鈦合金鑄件常用的一種消除缺陷的工藝手段，熱等靜壓過程中，將鑄件置于高溫高壓密封容器中，以高壓氣體為介質，對鑄件施加各向均等靜壓力，來消除鑄件中的疏松缺陷。本研究將HIP技術引入鋁合金中鑄件制造工藝中，通過比較HIP前后鑄件缺陷級別、性能、組織等的變化，分析探討了鋁合金鑄件在HIP過程中缺陷消除的機制，總結出適用于鋁合金鑄件的HIP工藝，為以后生產高端、高性能、高可靠性鋁合金鑄件提供

參考。

1  試驗方法及過程

1.1  試驗材料

    試驗采用如圖所示1的殼體鑄件，該鑄件為回轉體件，高370 mm，直徑260 mm，壁厚10 mm。鑄件材質為Al-Si-Mg系ZL114A鑄造鋁合金，其化學成分見表1。鑄件采用砂型低壓澆注成型。

1.2試驗方法

    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，一組先進行熱等靜壓(工藝參數為：540℃，120 M Pa，2 h)，再進行T6熱處理；另一組直接進行T6處理。兩組的熱處理均按表2工藝參數進行。

    兩組試塊處理完后，進行如下試驗：

    ①進行X射線檢驗和低倍檢驗，對比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，測試試樣的力學性能；

    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試驗結果及分析

2.1試塊HIP前后X射線底片及低倍組織

    按照HB/60對試塊分別進行X射線檢驗。在X射線檢測后的試塊上機加工切取低倍組織試樣，通過機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射線檢測結果明顯好于未經熱等靜壓的試塊的，說明在熱等靜壓作用下，試塊內部的疏松缺陷被消除。低倍試樣的檢驗結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熱等靜壓的。從試塊的外觀可以看到經過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

    分別在經過熱等靜壓的試塊和未經過熱等靜壓的試塊上切取力學性能測試試樣，加工成5 mm標準的力學性能拉伸試棒，力學性能測試在WDW-100kN試驗機上進行，測試結果見表3。

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

    熱等靜壓過程中，在高溫高壓下試塊中位錯發生運動，纏結中的位錯重新組合，使得鑄件的位錯密度下降，內應力得到釋放，因此在熱等靜壓后的抗拉強度和屈服強度有所下降。

2.3試塊HIP前后的疲勞性能

    疲勞試驗在PLA30050疲勞試驗機上進行，在室溫、試驗室空氣介質的環境下進行試驗，應力水平設置在140 M Pa，應力比R= -0.1，測試軸向應力疲勞性能，即軸向對稱加載，控制波形為正弦波，循環加載頻率為120 Hz，試樣在機器上循環加載直至斷裂，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，發現疲勞萌生起源于鑄造中產生的氣孔等孔洞。由于交變載荷的循環作用，疲勞裂紋的萌生過程往往發生在材料存在缺陷或薄弱區，并通過不均勻的滑移或位移，從微細小裂紋形成而逐漸長大擴展至斷裂。熱等靜壓使得鑄件內部的缺陷消除，提高了鑄件的致密度，使試樣在疲勞試驗過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對縱截面金相組織進行測試，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。借助熒光檢測手段，利用顯微鏡發現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HIP前后拉伸試樣斷面進行測試分析。未經過HIP的試樣斷口SEM形貌如圖6所示，由圖6可知斷口斷裂機制為穿晶斷裂，斷口心部及其他表面分布有解理斷裂留下的解理面，而且組織內部可以觀察到明顯的疏松缺陷，見圖6b。

    圖7為經過HIP的試樣斷口SEM形貌，可知經過HIP的試樣斷口形貌呈現為典型的沿晶斷裂，組織內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程中，由于金屬的液態、固態存在密度差，造成鑄件凝固時產生固態收縮，但在凝固收縮過程中，已經形成存在于液、固兩相區的枝晶對液體流動的阻礙，使局部壓力下降，導致枝晶間的孔隙不能及時得到填充，因而留下因補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，孔洞處近于真空。熱等靜壓時，加熱溫度在540℃，此時鑄件尚未發生過燒現象，ZL114A鋁合金的屈服強度很低，不到100 N/mm²，因此在高壓下(120 M Pa)，缺陷周圍的金屬會發生變形、延展變形和蠕變，最后使缺陷彌合。

    在HIP過程中，鑄件疏松缺陷的變化經過兩個過程，第一，在高溫高壓下，疏松缺陷周圍的金屬發生拉伸變形、延展變形和蠕變，直至鑄件內部的疏松孔洞消失；第二，疏松孔洞消失后，隨著熱等靜壓的繼續進行，愈合時形成的界面由于存在著成分梯度、溫度梯度、高壓所產生的應力梯度，所以在愈合界面發生化學擴散，擴散的進行使得愈合界面消失，最終鑄件基體連為一體；這個時間為2h。如果缺陷與外界相連，沒有形成一個密閉的空腔，熱等靜壓則無法消除該缺陷。

4  結論

    本試驗研究通過比較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制，得出如下結論：

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

    2) HIP后再經過T6處理，可以大幅提高鑄件的伸長率和疲勞性能；

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