FGH95-K418B雙合金熱等靜壓復合工藝研究

羅學軍， 馬國君， 王曉峰， 田高峰， 蓋其東， 穆松林

(北京航空材料研究院先進高溫結構材料重點實驗室，北京 100095)

整體葉盤(Blisk)制造技術是美國IHPTET(國防部綜合高性能發動機技術)發展計劃的重要支撐技術，在美國的先進戰斗機(ATF)計劃中列為重要核心技術，雙合金整體葉盤(Blisk)是發動機轉子制造技術的發展方向之一，在國外新型航空發動機輔助動力裝置上已得到廣泛應用［1～5］。整體渦輪葉盤中所用盤件材料主要是粉末高溫合金，以滿足中溫輪盤部分高的屈服強度和良好的低周疲勞性能;葉片材料主要是鑄造高溫合金細晶、定向合金和單晶合金，以滿足葉片部位高溫持久蠕變性能要求，雙合金結合良好使輪轂和葉片都能獲得良好的組織和性能;從而實現盤件與葉片的靈活選擇和最佳性能匹配。與整體鑄造葉輪相比，雙合金整體葉盤可以兼顧盤心盤緣的性能;與機械榫齒連接的葉盤結構相比，可大大減少機加工量，免除高精度加工和裝配要求，減輕渦輪重量，從而提高渦輪轉速、性能和可靠性［6～9］。

本工作以FGH95粉末高溫合金和K418B鑄造高溫合金為研究對象，采用粉-固熱等靜壓(HIP)擴散連接工藝，針對FGH95-K418B界面的擴散反應、葉片材料組織形貌變化以及界面的組織和性能，研究采用雙合金熱等靜壓復合工藝實現粉末高溫合金與鑄造高溫合金的可靠連接，為我國整體葉盤制造技術的發展奠定實驗基礎。

1 實驗材料及過程

以氬氣霧化(Argon Atomization)的 FGH95高溫合金粉末和K418B鑄造高溫合金試驗錠作為復合研究對象。兩種材料的化學成分見表1。

表1 合金的主要化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical composition of alloys(mass fraction/%)

采用粉-固連接的復合工藝，將鑄造的K418B鑄造合金錠進行機械加工、表面凈化處理后裝入包套內，然后向包套內充填FGH95高溫合金粉末，經過真空熱動態除氣、氬弧封焊包套、粉末預處理、熱等靜壓復合成形及最終熱處理。復合成形工藝參數的選擇主要根據較為成熟的、溫度及壓力更高的細晶精密鑄造高溫合金的成形工藝，以保證粉末高溫合金和鑄造高溫合金的致密化成形和性能要求，以不損害材料組織和性能為前提(粉末的成形及后處理溫度低于葉片材料的熱處理溫度和再結晶溫度)，達到界面的良好冶金結合。

利用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)研究對偶之間的界面擴散、界面成分變化及K418B合金中γ'形態變化。

2 結果與討論

2.1 FGH95-K418B復合工藝研究

研究了磨削、機械拋光、化學表面處理、超聲凈化處理、真空處理等鑄造基體表面凈化方式對K418B-FGH95界面結合質量的影響。圖1為表面凈化處理對界面有害相析出和界面污染的影響，從圖1a可以看出，K418B材料表面處理不凈，在復合界面處就將形成有害膜和污染源，將直接影響界面結合強度。無論是化學表面處理還是超聲凈化處理，只要能保證良好的凈化界面均可采用，表面磨削拋光程度對界面結合影響不大。圖1b為經表面凈化處理后的復合界面形貌，界面結合良好。因此，保證復合界面足夠的清潔度對界面結合至關重要。

圖1 表面處理對界面結合的影響(a)未經表面處理;(b)表面處理后Fig.1 Effects of surface treatment on the combination of two alloys(a)no surface treatment;(b)after surface treatment

2.2 界面擴散反應研究

由于兩種材料均屬于鎳基合金，復合實驗結果表明兩者具有較好的相容性。但由于兩種材料的化學成分存在一定差異，復合界面存在一定的元素濃度梯度而相互擴散，使得界面處合金成分和相組成較為復雜，在HIP過程中必然發生界面的擴散反應。

圖2為HIP后FGH95-K418B復合界面的SEM照片及成分分布圖。從圖中可以看出，經有效處理后界面結合良好，未發現有害相析出。Al元素存在較大的成分梯度，由K418B向FGH95擴散，Mo的擴散規律類似，但成分變化較為平緩。Co，W，Ti，Nb則明顯由FGH95向K418B擴散，基本呈連續過渡分布。擴散層厚度約15～18μm，位于K418B合金一側。這說明通過HIP過程的界面擴散反應可以實現界面成分的平穩過渡，同時某些成分在近界面處的富集與貧化將直接影響近界面區域的強化相形態。

圖2 FGH95-K418B復合界面SEM照片及成分分布Fig.2 The SEM micrograph and the composition distribution at the bonding interface

2.3 復合工藝對K418B葉片材料組織的影響

圖3為1185～1200℃熱等靜壓復合處理對K418B合金γ'形態的影響。復合處理后，K418B合金中的顯微疏松基本消除，γ'相仍呈立方形，γ'相網格狀分布但尺寸明顯增大，且排列更加規則、有序，顯微組織更合理［10］。

2.4 復合試樣界面結合強度分析及性能測試

研究了K418B-FGH95復合試樣的拉伸性能，性能結果見圖4。可見，復合試樣拉伸性能較好，但持久性能較差，需要進行深入研究。所有拉伸試樣的斷裂均未發生在結合界面處，斷裂通常發生在K418B一側。這是因為兩種合金本身對溫度的承受能力就有差別，同時復合工藝處理使得K418B合金中的γ'聚集長大，因而影響了葉片材料的強度和持久性能。另外，對于這種復合制件的性能表征方法也有待于進一步研究。

3 結論

(1)通過合適的復合工藝，可以保證FGH95和K418B兩種合金實現良好的界面冶金結合，同時復合界面成分平穩過渡。

(2)復合工藝處理使得K418B合金中的γ'聚集長大，對其強度和持久性能有一定影響。

(3)熱等靜壓擴散連接的FGH95-K418B試樣具有較好的拉伸性能，但持久性能較低，熱處理工藝有待于進一步研究改進。

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