高溫合金鑄件合金貧化控制研究

■ 張利沖 鄭少輝 王佳華 康志強 張冉 夏峰林 曹嘉銘 徐富春 許文勇/ 中國航發航材院

鑄件合金貧化層厚度超標是影響高溫合金鑄件產品生產和交付的主要問題，取得控制/消除貧化層厚度的技術突破對于確保產品的質量至關重要。

由中國航發航材院承制的發動機鑄件產品（如圖1所示）是中國航發高溫合金部件進軍國際市場、融入世界航空產業鏈的重要代表性產品。鑄件的合金材料為IN718 高溫合金，該合金在很寬的中低溫范圍內具有較高的強度、塑性及優良的耐腐蝕性，因此被廣泛用于航空發動機的葉片、機匣以及其他結構件。但是，在當前的技術規范下，由于合金貧化層厚度超標導致的不合格率占比高達97.2%（合金貧化是一種基體中主要合金元素低于下限，基體強度顯著低于正常水平的顯微組織缺陷），嚴重影響了產品質量及合格交付，因此，突破控制/消除貧化層厚度的技術至關重要。創新團隊針對影響IN718高溫合金鑄件質量的合金貧化層厚度超標問題，運用質量工具梳理影響因素，通過熱等靜壓對比試驗和化學分析，完成合金貧化形成機理的分析研究，通過確保爐內氣氛合格和確定合適保溫溫度等綜合性控制方法，將IN718合金鑄件因熱等靜壓后合金貧化導致的不合格率降至目標值10%以下，保證了產品的順利交付。

圖1 航空發動機和高溫合金鑄件

質量改進方案的制訂與實施

針對合金貧化問題，創新團隊首先運用質量管理工具（魚骨圖）梳理出導致高溫合金鑄件合金貧化的影響因素，如圖2所示，具體包括未按工藝操作、氣體污染、爐體污染、工裝污染、鑄件貧化、鑄件表面粗糙度、熱等靜壓溫度、吸氣材料、氣體置換次數、現場環境、5S標準和檢測方法、設備等13個影響因素，涵蓋人員、機器、用料、工藝、環境、測試等6個方面。通過大量的熱等靜壓工藝試驗，創新團隊最終確定了兩個關鍵因素，即熱等靜壓溫度和氣體污染；隨后開展熱等靜壓溫度調整和爐內氣氛純度改善等現場優化措施，以期達到減輕甚至消除合金貧化的目的；最終通過若干爐次熱等靜壓驗證試驗，對優化后熱等靜壓工藝的穩定性進行驗證，使高溫合金鑄件合金貧化層厚度滿足技術標準要求，圓滿實現了預期目標，保障了產品的按時交付。

圖2 合金貧化的研究思路

結果分析及質量改進效果

創新團隊首先排除了材料本身合金貧化層超標的影響因素，然后從熱等靜壓溫度和氣體污染兩個方面，探討合金貧化的形成機理，探明了導致合金貧化的根本原因。在此基礎上，開展了現場工藝改進和質量穩定性驗證，優化熱等靜壓工藝和改善爐內氣氛，使高溫合金鑄件合金貧化層厚度滿足技術標準要求。

材料本身合金貧化排除

通過對鑄態試樣和熱等靜壓之后的試樣橫截面顯微組織進行觀察，可以發現，材料鑄態試樣表面凹凸不平，表面及近表面未觀察到黑色夾雜物，經腐蝕后，鑄態試樣表面未觀察到白亮帶，說明基本不存在合金元素的貧化，能滿足技術標準要求；而熱等靜壓態試樣表面凹凸不平現象更加明顯，表面及近表面存在大量黑色夾雜物，部分物質呈現規律分布，經腐蝕后熱等靜壓態試樣表面觀察到非常明顯的白亮帶，表明存在嚴重的合金元素貧化，試樣的貧化層深度范圍為45～90μm，不滿足技術標準要求。對比上述現象可見，鑄態試樣沒有出現合金貧化，但是熱等靜壓后的試樣存在明顯的合金貧化，由此可以確定合金貧化是在熱等靜壓過程中出現的，排除了材料本身對試驗結果的影響。

熱等靜壓溫度對合金貧化的影響

通過對不同熱等靜壓溫度對合金貧化的影響結果分析可知，當熱等靜壓溫度由1170℃降低至1150℃時，合金貧化層厚度略有降低（由71μm降低至64μm），尚未符合標準。因此，創新團隊進一步擴大了熱等靜壓溫度區間，包括1140℃、1150℃、1160℃、1180℃和1195℃等5個溫度點，發現溫度對合金貧化確實會有較大影響。通過降低熱等靜壓溫度，可以將合金貧化導致的不合格率由97.2%降至43%。

氣體污染對合金貧化的影響

由于合金貧化均出現在鑄件表面，因此，創新團隊采用掩埋碎屑的方法對試驗條件進行控制。研究發現，掩埋碎屑后合金貧化層厚度由26μm顯著降至6μm，表明掩埋碎屑對合金貧化影響巨大，充分證實了掩埋碎屑的有效性。為了明確導致厚度差異的根本原因及合金貧化的形成機理，創新團隊對掩埋碎屑的試樣和沒有掩埋碎屑的試樣進行了能譜分析（EDS）、X射線光電子能譜分析（XPS）和電子探針顯微分析（EPMA）。最終，創新團隊揭示了合金貧化形成機理，如圖3所示：氧分壓不同造成氧化機制不同，導致合金貧化層厚度不同。

圖3 合金貧化形成機理

質量改進效果

通過上述步驟可以最終得出結論：合金貧化與熱等靜壓溫度和爐內氣氛相關，通過調整熱等靜壓溫度和爐氣清潔，能夠控制甚至消除合金貧化。根據以上結論，創新團隊制訂了技術改進方案。技術方案實施完成后，創新團隊連續跟蹤了300個試驗件熱等靜壓后對應的金相測試結果，不合格數量只有5個，不合格率由最初的93%降低至1.7%。熱等靜壓后不合格率小于10%，達到預期目標值。通過進一步的分析還發現，在1.7%的不合格率中，合金貧化導致的不合格率已經歸零，大幅度提高了鑄件質量，圓滿實現了質量改進目標，順利完成了合金鑄件的按時交付。

項目應用及推廣

通過優化洗爐次數，確保爐內氣氛合格和進行溫度梯度對比試驗，確定合適保溫溫度等方法，降低了IN718合金熱等靜壓后鑄件的不合格率。項目改善成功之后，累計完成高溫合金鑄件的正式訂單產品6爐次共計72件，創造了20多萬元的經濟效益；項目還可推廣應用至鈦合金支板等產品，如圖4所示，每年直接創造經濟價值超過500萬元；同時，項目形成了裝爐標準化作業文件，通過修改工藝規程，保證了產品質量的穩定性。

圖4 鈦合金支板

該項目的完成提升了產品質量，所采取的措施和方法對于提升其他同類產品的質量提供了方法和思路。該項目的完成使中國航發航材院成為國內第一家擁有通過美國國家航空航天和國防合同方授信項目（NADCAP）特種工藝認證的國產熱等靜壓機的機構，如圖5所示，同時也是亞洲地區第一家以高溫合金鑄件為載體通過NADCAP認證的單位，提升了航材院開拓國際市場的競爭力。

圖5 熱等靜壓設備

結束語

依托高溫合金鑄件熱等靜壓后合金貧化層控制/消除項目，創新團隊采用熱等靜壓工業試驗和化學分析等手段，揭示了高溫合金鑄件合金貧化的形成機理，建立了合金貧化層厚度控制的技術規范，為控制/消除合金貧化開辟了新的思路，也為其他同類產品（如鈦合金支板等）的質量控制和提升提供了方法。同時，完善了大型薄壁鑄件合金貧化的控制體系，有力提升了中國航發航材院對于大型薄壁鑄件質量的控制水平，為我國航空發動機的自主研制提供可借鑒和參考的數據。