摘要：研究了熱等靜壓對(duì)ZL205A合金氣孔缺陷的影響。結(jié)果表明：熱等靜壓處理會(huì)壓扁氣孔，但由于存在氧化膜，界面之間沒有形成各元素的完全擴(kuò)散，未達(dá)到冶金結(jié)合，經(jīng)熱等靜壓和熱處理后原有氣孔缺陷變成線性缺陷。

熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，即HIP）是一種在加熱過程中，利用高壓氣體作為外力均勻作用于鑄件，消除鑄件中某種孔洞類缺陷，提高鑄件的致密度從而提高鑄件力學(xué)性能的一種工藝方法。目前主要應(yīng)用于核材料、航空航天材料、硬質(zhì)合金、高溫合金與陶瓷材料的制備與開發(fā)，高溫合金、鈦合金、鋁合金等制件的致密化處理或缺陷修復(fù)等領(lǐng)域的開發(fā)及應(yīng)用。目前鋁合金鑄件熱等靜壓工藝對(duì)力學(xué)性能及疲勞性的影響有研究，對(duì)鋁合金鑄件各種缺陷的消除效果的研究很少 。本文研究了熱等靜壓對(duì)ZL205A合金氣孔缺陷的影響，以期為相關(guān)技術(shù)人員提供參考。

1、試驗(yàn)過程

為了解熱等靜壓對(duì)ZL205A合金氣孔缺陷的影響，設(shè)計(jì)了模擬試驗(yàn)，ZL205A合金成分如表1，表2為熱等靜壓工藝參數(shù)  。為避免過燒，熱壓溫度不能超過ZL205A合金的固溶溫度（538 ℃），考慮到熱壓處理爐的爐溫偏差等因素，選擇（520±10）℃；ZL205A合金在熱壓溫度下強(qiáng)度不高于100 MPa，所以熱壓壓力選擇120 MPa，保壓時(shí)間2 h。熱壓處理爐內(nèi)的氣體介質(zhì)為氬氣。

表1 ZL205A合金化學(xué)成分 wB/%

表2 熱等靜壓工藝參數(shù)

1.1 試樣制作

使用ZL205A金屬型試棒加工成Φ14 mm×20 mm的試樣，并在試樣的中心加工出Φ4 mm×5 mm的小孔，然后在周邊加工出45°的坡口，共加工6個(gè)。加工后每兩個(gè)試樣對(duì)焊在一起，使用本體焊絲采用氬弧焊的焊接工藝。加工試樣尺寸見圖1，中間形成密閉的孔洞，類似鑄件中的氣孔缺陷，共制作3個(gè)。

圖1 模擬氣孔試樣制作示意圖

1.2 試驗(yàn)過程

將對(duì)焊后的試樣進(jìn)行X光檢測，檢測結(jié)果見圖2a。然后對(duì)試樣進(jìn)行熱等靜壓，熱壓后再次進(jìn)行X光檢測，檢測結(jié)果見圖2b?？梢钥闯?，熱等靜壓后，從X光結(jié)果來看，氣孔缺陷未發(fā)現(xiàn)。然后將試樣進(jìn)行熱處理，熱處理工藝見表3。熱處理后再次進(jìn)行X光檢測，檢測結(jié)果見圖3，發(fā)現(xiàn)原氣孔缺陷位置出現(xiàn)“丫”形線狀缺陷顯示，同時(shí)試樣的對(duì)接面出現(xiàn)裂紋。將圖3中1號(hào)試樣沿軸方向從中間切開，觀察“丫”形線狀缺陷位置（圖4中方框區(qū)域）的金相組織。將2號(hào)試樣沿橫向開裂面斷開，觀察對(duì)接面開裂處的表面形貌和化學(xué)成分。

圖2 試樣熱壓前后X光檢測結(jié)果

表3 熱處理工藝

圖3 試樣經(jīng)熱壓、熱處理后X光檢測結(jié)果

圖4 分析試樣示意圖

觀察1號(hào)試樣的金相組織，具體見圖5?？梢钥闯?，確實(shí)存在未熔合區(qū)域，即熱等靜壓對(duì)氣孔缺陷雖然能夠在一定程度上彌合，但不能達(dá)到完全冶金結(jié)合。

圖5 1號(hào)試樣金相組織圖

使用電鏡觀察2號(hào)試樣開裂面的表面形貌（圖6），并用電子探針檢測表面化學(xué)成分（圖7）。從開裂面表面形貌來看，表層為典型的氧化物結(jié)構(gòu)。從表面的化學(xué)成分構(gòu)成來看，除了正常的合金元素外，含有一定比例的氧元素。

圖6 2號(hào)試樣開裂面表面形貌

圖7 開裂面表面化學(xué)成分構(gòu)成

2、結(jié)果與分析

綜上所述，將試樣熱壓并熱處理后原氣孔位置出現(xiàn)的“丫”形線狀缺陷的產(chǎn)生過程及機(jī)理分析如下。

2.1 “丫”形線狀缺陷形成過程

圖8所示為試樣的示意圖，圖中虛線為氣孔熱壓前的輪廓，箭頭方向?yàn)樵嚇釉跓釅哼^程中的受力方向，在高溫高壓力的作用下氣孔周圍的部分開始發(fā)生塑性變形，并向氣孔內(nèi)部延展，最終在氣孔內(nèi)部形成“丫”形的彌合界面，當(dāng)進(jìn)行X光檢測時(shí)會(huì)顯示為“丫”形線狀缺陷。

圖8 “丫”線狀缺陷形成示意圖

2.2 “丫”形線狀缺陷及對(duì)接面裂紋形成機(jī)理

在試樣的制作過程中氣孔表面與空氣接觸后表面會(huì)形成一層氧化膜。當(dāng)試樣對(duì)焊后，其內(nèi)部的密閉氣孔中為空氣，而熱壓過程的高溫也會(huì)促進(jìn)空氣中的氧氣與氣孔表面反應(yīng)產(chǎn)生氧化膜。氧化膜的成分一般為氧化鋁（Al 2 O 3 ），熔點(diǎn)為2 054 ℃，以一種惰性化合物的狀態(tài)分布在氣孔表面。當(dāng)進(jìn)行熱等靜壓處理時(shí)，氣孔周圍的合金組織在高溫高壓的作用下產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而向缺陷內(nèi)部延展、蠕變，填補(bǔ)氣孔缺陷使其在一定程度上彌合，形成彌合界面。然而由于氧化膜的存在，在彌合時(shí)形成的界面上各元素之間沒有達(dá)到完全的化學(xué)擴(kuò)散，未達(dá)到冶金結(jié)合，界面沒有完全消失，缺陷形成線性的密閉空腔。而熱處理時(shí)又使合金處于高溫狀態(tài)，但沒有外在的高壓壓力作用，原來擴(kuò)散到合金內(nèi)部的氣體再次析出，彌合界面處的密閉空腔體積增大，在宏觀上顯示為線狀缺陷。同理，對(duì)接面在壓力的作用下彌合，但因?yàn)檠趸さ拇嬖?，未達(dá)到冶金結(jié)合，熱處理過程氣體再次析出使得彌合面分開，宏觀上顯示為裂紋缺陷。

3、實(shí)際驗(yàn)證

為了對(duì)上述的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證，從鑄件上尋找一個(gè)帶有氣孔缺陷（直徑約10 mm）的試樣進(jìn)行熱壓，熱壓前、熱壓及熱處理后的X光檢測結(jié)果和實(shí)物見圖9。即熱壓后X光檢測未發(fā)現(xiàn)氣孔缺陷，但熱處理后發(fā)現(xiàn)原氣孔缺陷位置變成線性缺陷，將試樣按缺陷位置剖開，肉眼可視存在線狀缺陷。也就是說通過熱壓將氣孔壓扁，但界面之間沒有形成各元素的完全擴(kuò)散，沒有達(dá)到冶金結(jié)合。

圖9 熱壓前后及熱處理后的X光檢測結(jié)果和實(shí)物圖

4、結(jié)束語

通過ZL205A合金的熱等靜壓模擬氣孔試驗(yàn)和實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果，發(fā)現(xiàn)熱等靜壓處理會(huì)使鋁合金內(nèi)部的氣孔缺陷在一定程度上彌合，但由于氣孔表面存在氧化膜，阻礙了界面上各元素的完全擴(kuò)散，界面上未達(dá)到冶金結(jié)合狀態(tài)，因而通過熱處理后壓扁的氣孔缺陷變?yōu)榫€狀缺陷，與裂紋缺陷類似，對(duì)鑄件的危害性增加。也就是說，熱等靜壓處理不適合消除鋁合金內(nèi)部的氣孔缺陷。

采用熱等靜壓來消除鋁合金鑄件疏松等其他孔洞類缺陷時(shí)，需要對(duì)存在的氣孔缺陷采用傳統(tǒng)的方式提前修復(fù)，以免其變成線狀缺陷，增加鋁合金鑄件的危害性。

作者：

曲銀輝 王書晗 胡大川  姜宏順 王濤 董生生 吳華峰
沈陽鑄造研究所有限公司
韓鵬江
空軍裝備部駐遼陽地區(qū)軍事代表室
紀(jì)校君
北京新風(fēng)航天裝備有限公司

本文來自:《鑄造》雜志2021年第10期第70卷