在追求卓越的制造品質(zhì)與材料性能的道路上，鑄造業(yè)從未停止過探索與創(chuàng)新的腳步。接下來，Quintus將為您介紹一種在鑄造領(lǐng)域掀起革命性變革的技術(shù)——Quintus熱等靜壓（HIP）工藝。這項(xiàng)技術(shù)不僅為鑄造材料帶來了前所未有的性能提升，更推動了整個(gè)鑄造行業(yè)的升級與發(fā)展。通過結(jié)合HIP與熱處理技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢，Quintus熱等靜壓工藝可以實(shí)現(xiàn)從材料內(nèi)部孔隙的徹底消除到整體性能飛躍性提升的質(zhì)變。
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消除孔隙 提升性能
熱等靜壓（HIP）是指在固體物體上施加極高且各向同性的壓力，該壓力約為物體熔點(diǎn)溫度的85%。此壓力和溫度條件需持續(xù)預(yù)設(shè)的時(shí)間，目的是消除部件內(nèi)部的孔隙和缺陷，從而實(shí)現(xiàn)100%的理論密度。壓力和熱量通過惰性氣體（通常為氬氣）傳遞至部件。
Quintus QIH 122壓機(jī)
通過消除材料內(nèi)部的孔隙和缺陷，可以消除應(yīng)力集中和裂紋萌生點(diǎn)，從而改善材料的性能。HIP主要能提升材料的疲勞強(qiáng)度、蠕變抗性、延展性和斷裂韌性。此外，利用HIP消除內(nèi)部缺陷還能減少材料性能的數(shù)據(jù)離散性，使材料性能更具可預(yù)測性，從而允許設(shè)計(jì)值提高和采用更小的截面。
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HIP在鑄造部件中的廣泛應(yīng)用
HIP技術(shù)在鑄造行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在對部件性能要求高或部件至關(guān)重要的應(yīng)用場景中。由于渦輪發(fā)動機(jī)中的鑄造部件對材料性能有極高要求，因此大多數(shù)渦輪發(fā)動機(jī)鑄造部件都經(jīng)過了HIP處理。例如，渦輪葉片和渦輪導(dǎo)向葉片等旋轉(zhuǎn)部件，以及機(jī)匣和盤件等部件，都經(jīng)過了HIP處理。
此外，HIP也常用于骨科關(guān)節(jié)置換植入物的鑄造，以提高其抗疲勞性能，還用于高性能汽車零部件，如曲軸，甚至是發(fā)動機(jī)缸體。隨著成本的降低和交貨期的縮短，人們越來越多地考慮用HIP處理的鑄造部件來替代鍛件，尤其是對于大型部件而言。?點(diǎn)擊此處探索Quintus新品QIH 200 URC?。
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鑄件中的缺陷及其成因
對于鑄造材料而言，由于兩種不同的機(jī)制，會產(chǎn)生兩種主要的內(nèi)部孔隙類型。第一種是縮孔，這是由于在鑄造過程中，熔融金屬在冷卻和凝固過程中會發(fā)生收縮而產(chǎn)生的。當(dāng)熔體在模具中開始凝固時(shí)，材料會發(fā)生收縮，并且由于鑄件已經(jīng)部分凝固，沒有足夠的熔融金屬來填補(bǔ)和充滿所產(chǎn)生的空隙。這會在材料中形成類似撕裂的孔隙，這些孔隙通常形狀為角狀且不規(guī)則，內(nèi)部表面粗糙。
圖 1：典型 (a) 縮孔和 (b) 氣孔的鑄件材料顯微照片
第二種類型是氣孔，它是由熔融金屬和固體金屬之間氣體溶解度的差異引起的。由于氣體在較低溫度下的溶解度較低，隨著熔融金屬的冷卻，氣體會從溶液中析出。這會在凝固的材料中形成小的球形氣泡狀孔隙。圖1展示了鑄件中典型的氣孔和縮孔孔隙。通過良好的模具設(shè)計(jì)和鑄造工藝，可以合理控制孔隙的數(shù)量和類型，但通常無法僅通過控制鑄造過程來完全消除材料中的所有鑄造孔隙。
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HIP處理對鑄件性能的提升
HIP對鑄件材料的性能提高多年前就已得到證實(shí)。通過消除內(nèi)部孔隙并實(shí)現(xiàn)100%的理論密度，可以顯著提高材料的性能，尤其是抗疲勞性能。圖2 展示了鑄鋁合金A206在HIP處理前后的疲勞性能對比。圖中比較了三種不同的HIP工藝與鑄態(tài)材料的性能，可以觀察到所有經(jīng)過HIP處理的變體的疲勞壽命都比鑄態(tài)階段有了顯著提高。這些疲勞試驗(yàn)是根據(jù)ASTM E466標(biāo)準(zhǔn)在室溫下進(jìn)行的，最大應(yīng)力為170 MPa，應(yīng)力比為0.1，頻率為60Hz。試驗(yàn)運(yùn)行至試樣失效或達(dá)到107次循環(huán)后停止。
圖 2：HIP 處理材料和鑄造材料的疲勞數(shù)據(jù)
圖3展示了鑄鋁合金A206典型的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。經(jīng)過HIP處理后，材料的延伸率和極限抗拉強(qiáng)度均有所增加。與鑄造材料相比，HIP處理后的屈服強(qiáng)度略有提高，但提高幅度不如極限抗拉強(qiáng)度和延伸率。
圖 3：鑄造鋁合金 A206 的機(jī)械性能數(shù)據(jù)
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壓力下的熱處理循環(huán)
HIP技術(shù)的創(chuàng)新突破
現(xiàn)代HIP設(shè)備還可以在惰性氬氣壓力下，在HIP循環(huán)期間執(zhí)行熱處理步驟。這是通過機(jī)械方面的技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)的，這些進(jìn)步使得加熱、冷卻和淬火步驟可以得到控制。目前，這一功能正在工業(yè)中用于開發(fā)以前無法實(shí)現(xiàn)的新型熱處理工藝。
HIP實(shí)例應(yīng)用研究
在德國波鴻魯爾大學(xué)（Ruhr Universit?t Bochum）最近的一項(xiàng)研究中，對單晶（SX）超合金渦輪葉片材料ERBO/1進(jìn)行了HIP處理，并在熱等靜壓的一個(gè)循環(huán)中完成了全部熱處理。圖4示意性地展示了這類SX鎳基超合金在精密鑄造工藝后的傳統(tǒng)熱處理路線，其基本上包括均質(zhì)化熱處理（也稱為固溶退火熱處理）和兩步時(shí)效熱處理（也稱為析出硬化熱處理）。在圖4中，還展示了在每個(gè)熱處理步驟之前和之后獲得的典型γ/γ'微觀結(jié)構(gòu)和偏析圖。
圖 4：ERBO/1 SX 鎳基超級合金的傳統(tǒng)熱處理工藝示意圖（圖片由Ruhr Universit?t Bochum提供）圖5展示了所謂的集成熱等靜壓熱處理（IHT），在該過程中，均質(zhì)化和析出硬化的熱處理步驟是在現(xiàn)代QIH9熱等靜壓設(shè)備中，通過全部熱處理循環(huán)在高等靜壓力下完成的，該設(shè)備提供了快冷技術(shù)。
圖 5：為 ERBO/1 開發(fā)的集成熱等靜壓熱處理 (IHT) 示意圖 （圖片由Ruhr Universit?t Bochum提供）
集成熱等靜壓熱處理（IHT）的開發(fā)
為了開發(fā)集成熱等靜壓熱處理（IHT）工藝，我們進(jìn)行了廣泛的參數(shù)研究，以探究溫度、壓力、保溫時(shí)間和冷卻速率對所獲得微觀結(jié)構(gòu)（主要是孔隙率和γ/γ'微觀結(jié)構(gòu)）的影響。根據(jù)這項(xiàng)研究，我們得出結(jié)論：HIP溫度的值對孔隙率減少具有主要影響。如果要完全封閉孔隙，HIP溫度必須高于γ'相溶解溫度（Tγ'–solvus）。
了解這一點(diǎn)后，我們將等靜壓的值設(shè)定為固定的超Tγ'–solvus值1300°C。在這方面，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在高于Tγ'–solvus的溫度下施加75MPa的壓力并保持3小時(shí)時(shí)，可以獲得完全致密的材料。隨后，我們在1300°C和100MPa的條件下進(jìn)行了進(jìn)一步研究，以探究冷卻速率對γ/γ'微觀結(jié)構(gòu)的影響。由于擴(kuò)散和生長的時(shí)間有限，較高的淬火速率會導(dǎo)致產(chǎn)生許多γ'晶核。然后，采用后續(xù)的時(shí)效步驟來確定最終的γ'析出物尺寸。圖6顯示了三種不同冷卻速率值對γ/γ'微觀結(jié)構(gòu)的影響。
圖 6：冷卻速率對單晶材料 ERBO/1 的 γ/γ′ 顯微結(jié)構(gòu)的影響（圖片由Ruhr Universit?t Bochum提供）
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IHT處理的效果與優(yōu)勢
在完成參數(shù)研究后，進(jìn)行了IHT處理（見圖5），從而獲得了具有更精細(xì)γ/γ'微觀結(jié)構(gòu)的致密材料（見圖7b），相比之下，通過傳統(tǒng)熱處理路徑獲得的γ/γ'微觀結(jié)構(gòu)如圖7a所示。
圖 7：(a) 傳統(tǒng)熱處理和 (b) 集成熱等靜壓熱處理IHT后 ERBO/1 的 γ/γ′ 顯微結(jié)構(gòu)。（圖片由波鴻魯爾大學(xué)提供）
無論蠕變機(jī)制如何，在HIP設(shè)備中經(jīng)過ERBO/1-IHT工藝處理的材料均展現(xiàn)出了極為可觀的蠕變性能，如圖8所示。其斷裂應(yīng)變和斷裂壽命均得到了顯著提升，同時(shí)蠕變速率最小值也有所改善。
圖8：ERBO/1高溫合金在傳統(tǒng)熱處理材料與采用集成熱等靜壓熱處理工藝處理的材料之間的蠕變性能比較。圖中比較了兩種不同的蠕變機(jī)制：a) 低溫高應(yīng)力；b) 高溫低應(yīng)力。
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鑄造業(yè)強(qiáng)勁助推力
Quintus HIP技術(shù)
濃墨重彩的一筆。而今，隨著Quintus HIP技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，這一技術(shù)更是煥發(fā)出了新的生機(jī)與活力。
Quintus HIP技術(shù)不僅成功地幫助鑄造材料實(shí)現(xiàn)了從孔隙消除到性能飛躍的華麗轉(zhuǎn)身，更以其高效、穩(wěn)定、可靠的特性，贏得了全球鑄造業(yè)的廣泛贊譽(yù)。通過與現(xiàn)代設(shè)備的完美融合，Quintus更是將HIP與熱處理相結(jié)合，開創(chuàng)了新的工藝路徑，進(jìn)一步提升了材料性能，為鑄造業(yè)的發(fā)展注入了新的動力。
展望未來，Quintus將繼續(xù)以卓越的性能和不斷創(chuàng)新的精神，推動鑄造業(yè)邁向更加輝煌的未來。我們相信，在Quintus HIP技術(shù)的助力下，鑄造業(yè)必將迎來更加廣闊的天地，創(chuàng)造出更加輝煌的成就。
