热等静压对铝合金铸件组织和性能的影响（冶金）

                   杜旭初，洪润洲，杨守杰，周永江

（中国航空工业集团公司北京航空材料研究院北京市先进铝合金材料及应用工程技术研究中心，北京100095）

摘要：试验研究了ZL114A铝合金砂型壳体铸件热等静压(5400C，120 MPa，2 h)前后铸件缺陷级别、组织、性能的变化，分析探讨了铝合金铸件热等静压( HIP)过程缺陷消除的机制。结果表明，铸件经热等静压可以消除铸件内部的封闭疏松缺陷，提高铸件的致密度，大幅提高铸件的伸长率和疲劳性能；热等静压消除疏松缺陷的机制是铸件在高温下铝合金屈服强度变低，高压下铝合金变形蠕变使疏松孔洞崩塌愈合、通过扩散连为一体。

关键词：ZL114A铝合金铸件；热等静压；缺陷消除；性能

中图分类号：TG146. 21   文章编号：1007 - 7235( 2016) 06 - 0055  - 05

    随着航空、航天、电子等行业技术的发展，对轻质化构件的需求越来越多，铝合金由于密度小、比强度高和耐腐蚀等特点，作为重要的典型轻质结构材料广泛应用于航空、航天和电子等行业。铸造是铝合金结构件最主要成形方法之一，其鲜明特点是成形构件的尺寸、组织和性能等受控于铸造工艺方法与成形过程。随着我国航空、航天工业的发展，对所用的高端铝合金铸件的性能及可靠性提出了更高的要求。高端铸件内部疏松缺陷的存在会降低铸件的可靠性和使用寿命，需要开发出一种去除铝合金铸件内部疏松缺陷的方法，提高铸件的可靠性。热等静压( HIP)技术是钛合金铸件常用的一种消除缺陷的工艺手段，热等静压过程中，将铸件置于高温高压密封容器中，以高压气体为介质，对铸件施加各向均等静压力，来消除铸件中的疏松缺陷。本研究将HIP技术引入铝合金中铸件制造工艺中，通过比较HIP前后铸件缺陷级别、性能、组织等的变化，分析探讨了铝合金铸件在HIP过程中缺陷消除的机制，总结出适用于铝合金铸件的HIP工艺，为以后生产高端、高性能、高可靠性铝合金铸件提供

参考。

1  试验方法及过程

1.1  试验材料

    试验采用如图所示1的壳体铸件，该铸件为回转体件，高370 mm，直径260 mm，壁厚10 mm。铸件材质为Al-Si-Mg系ZL114A铸造铝合金，其化学成分见表1。铸件采用砂型低压浇注成型。

1.2试验方法

    用X射线方法找到壳体铸件中存在疏松缺陷的部位，收集疏松缺陷等级相同的部位，将这些部位用切割的方法从铸件本体中取出；然后将切取的试块分成2组，一组先进行热等静压(工艺参数为：540℃，120 M Pa，2 h)，再进行T6热处理；另一组直接进行T6处理。两组的热处理均按表2工艺参数进行。

    两组试块处理完后，进行如下试验：

    ①进行X射线检验和低倍检验，对比HIP前后X射线底片及低倍形貌的变化：

    ②从两组试块上分别取3根试样，按图2加工成5mm试样，测试试样的力学性能；

    ③分别从两组试块取5根试样，按图3加工成疲劳试样，测试试样疲劳寿命；

    ④选取部分典型拉断试样制作金相和断口试样，分析HIP前后试样金相组织及断口形貌变化。

2试验结果及分析

2.1试块HIP前后X射线底片及低倍组织

    按照HB/60对试块分别进行X射线检验。在X射线检测后的试块上机加工切取低倍组织试样，通过机械研磨抛光制备低倍检查试样，试样采用HNO₃和Na OH溶液腐蚀后，借助放大镜对试样低倍组织观察，如图4所示。

    热等静压后试块的X射线检测结果明显好于未经热等静压的试块的，说明在热等静压作用下，试块内部的疏松缺陷被消除。低倍试样的检验结果也印证了缺陷被消除，从图4可以看出，热等静压后试块上取下的低倍试样致密度明显高于未经热等静压的。从试块的外观可以看到经过热等静压后试块上存在大量的小凹坑，这是由于热等静压后铸件内部孔洞被消除，铸件的体积减小的缘故。

2.2试块HIP前后的拉伸性能

    分别在经过热等静压的试块和未经过热等静压的试块上切取力学性能测试试样，加工成5 mm标准的力学性能拉伸试棒，力学性能测试在WDW-100kN试验机上进行，测试结果见表3。

    从3组试样测试的结果看出，热等静压前后试样的抗拉强度和屈服强度变化不大；热等静压后的抗拉强度和屈服强度略微降低，但试样的伸长率有大幅提高，提高幅度达20%~50%；从性能分散程度来看，热等静压对试样伸长率影响较大，而对试样抗拉和屈服强度影响相对较小。这是由于在热等静压过程中，疏松缺陷被消除，材料在拉伸过程中单位受载面积增大，使试样的伸长率大幅提高。

    热等静压过程中，在高温高压下试块中位错发生运动，缠结中的位错重新组合，使得铸件的位错密度下降，内应力得到释放，因此在热等静压后的抗拉强度和屈服强度有所下降。

2.3试块HIP前后的疲劳性能

    疲劳试验在PLA30050疲劳试验机上进行，在室温、试验室空气介质的环境下进行试验，应力水平设置在140 M Pa，应力比R= -0.1，测试轴向应力疲劳性能，即轴向对称加载，控制波形为正弦波，循环加载频率为120 Hz，试样在机器上循环加载直至断裂，记录加载周次。

    从表4可以看出，试块热等静压后的疲劳寿命比未HIP的平均提高了178%，提高范围在142%~210%。Campbell等人研究了319 -T7铸造铝合金的疲劳裂纹萌生行为，发现疲劳萌生起源于铸造中产生的气孔等孔洞。由于交变载荷的循环作用，疲劳裂纹的萌生过程往往发生在材料存在缺陷或薄弱区，并通过不均匀的滑移或位移，从微细小裂纹形成而逐渐长大扩展至断裂。热等静压使得铸件内部的缺陷消除，提高了铸件的致密度，使试样在疲劳试验过程中疲劳萌生起源减少，提高了试样的疲劳寿命。

2.4试块HIP前后的金相组织

    截取拉伸性能试样断口纵截面，研磨、抛光、腐蚀后借助OM对纵截面金相组织进行测试，如图5所示。由图5a可知，HIP前金相组织中有明显的疏松缺陷，HIP后的试样中没有明显的疏松缺陷（图5b），但也存在一些很小的圆形孔洞。借助荧光检测手段，利用显微镜发现这些孔洞与试样外表面相通。

2.5试样断口分析

    采用FEI-Quanta 600扫描电子显微镜对HIP前后拉伸试样断面进行测试分析。未经过HIP的试样断口SEM形貌如图6所示，由图6可知断口断裂机制为穿晶断裂，断口心部及其他表面分布有解理断裂留下的解理面，而且组织内部可以观察到明显的疏松缺陷，见图6b。

    图7为经过HIP的试样断口SEM形貌，可知经过HIP的试样断口形貌呈现为典型的沿晶断裂，组织内部未观察到明显的组织缺陷与冶金缺陷。

3  讨论

    在铝合金铸件凝固过程中，由于金属的液态、固态存在密度差，造成铸件凝固时产生固态收缩，但在凝固收缩过程中，已经形成存在于液、固两相区的枝晶对液体流动的阻碍，使局部压力下降，导致枝晶间的孔隙不能及时得到填充，因而留下因补缩不足而形成的分散性疏松。分散性疏松缺陷在铸件中形成时，孔洞处近于真空。热等静压时，加热温度在540℃，此时铸件尚未发生过烧现象，ZL114A铝合金的屈服强度很低，不到100 N/mm²，因此在高压下(120 M Pa)，缺陷周围的金属会发生变形、延展变形和蠕变，最后使缺陷弥合。

    在HIP过程中，铸件疏松缺陷的变化经过两个过程，第一，在高温高压下，疏松缺陷周围的金属发生拉伸变形、延展变形和蠕变，直至铸件内部的疏松孔洞消失；第二，疏松孔洞消失后，随着热等静压的继续进行，愈合时形成的界面由于存在着成分梯度、温度梯度、高压所产生的应力梯度，所以在愈合界面发生化学扩散，扩散的进行使得愈合界面消失，最终铸件基体连为一体；这个时间为2h。如果缺陷与外界相连，没有形成一个密闭的空腔，热等静压则无法消除该缺陷。

4  结论

    本试验研究通过比较ZL114A铝合金砂型低压铸造铸件热等静压(540℃，120 M Pa，2 h)前后组织、性能的变化，分析了热等静压消除疏松缺陷的机制，得出如下结论：

    1)铸件经过热等静压(540℃，120 M Pa，2 h)后可以消除铸件内部的疏松缺陷，提高铸件的致密度；

    2) HIP后再经过T6处理，可以大幅提高铸件的伸长率和疲劳性能；

    3) HIP消除疏松缺陷的机制是铸件在高温下金属屈服强度变低，高压下金属变形蠕变使疏松孔洞崩塌愈合，然后通过扩散连为一体。