罗学军， 马国君， 王晓峰， 田高峰， 盖其东， 穆松林

(北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室，北京 100095)

整体叶盘(Blisk)制造技术是美国IHPTET(国防部综合高性能发动机技术)发展计划的重要支撑技术，在美国的先进战斗机(ATF)计划中列为重要核心技术，双合金整体叶盘(Blisk)是发动机转子制造技术的发展方向之一，在国外新型航空发动机辅助动力装置上已得到广泛应用［1～5］。整体涡轮叶盘中所用盘件材料主要是粉末高温合金，以满足中温轮盘部分高的屈服强度和良好的低周疲劳性能;叶片材料主要是铸造高温合金细晶、定向合金和单晶合金，以满足叶片部位高温持久蠕变性能要求，双合金结合良好使轮毂和叶片都能获得良好的组织和性能;从而实现盘件与叶片的灵活选择和最佳性能匹配。与整体铸造叶轮相比，双合金整体叶盘可以兼顾盘心盘缘的性能;与机械榫齿连接的叶盘结构相比，可大大减少机加工量，免除高精度加工和装配要求，减轻涡轮重量，从而提高涡轮转速、性能和可靠性［6～9］。

本工作以FGH95粉末高温合金和K418B铸造高温合金为研究对象，采用粉-固热等静压(HIP)扩散连接工艺，针对FGH95-K418B界面的扩散反应、叶片材料组织形貌变化以及界面的组织和性能，研究采用双合金热等静压复合工艺实现粉末高温合金与铸造高温合金的可靠连接，为我国整体叶盘制造技术的发展奠定实验基础。

1 实验材料及过程

以氩气雾化(Argon Atomization)的 FGH95高温合金粉末和K418B铸造高温合金试验锭作为复合研究对象。两种材料的化学成分见表1。

表1 合金的主要化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of alloys(mass fraction/%)

采用粉-固连接的复合工艺，将铸造的K418B铸造合金锭进行机械加工、表面净化处理后装入包套内，然后向包套内充填FGH95高温合金粉末，经过真空热动态除气、氩弧封焊包套、粉末预处理、热等静压复合成形及最终热处理。复合成形工艺参数的选择主要根据较为成熟的、温度及压力更高的细晶精密铸造高温合金的成形工艺，以保证粉末高温合金和铸造高温合金的致密化成形和性能要求，以不损害材料组织和性能为前提(粉末的成形及后处理温度低于叶片材料的热处理温度和再结晶温度)，达到界面的良好冶金结合。

利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)研究对偶之间的界面扩散、界面成分变化及K418B合金中γ'形态变化。

2 结果与讨论

2.1 FGH95-K418B复合工艺研究

研究了磨削、机械抛光、化学表面处理、超声净化处理、真空处理等铸造基体表面净化方式对K418B-FGH95界面结合质量的影响。图1为表面净化处理对界面有害相析出和界面污染的影响，从图1a可以看出，K418B材料表面处理不净，在复合界面处就将形成有害膜和污染源，将直接影响界面结合强度。无论是化学表面处理还是超声净化处理，只要能保证良好的净化界面均可采用，表面磨削抛光程度对界面结合影响不大。图1b为经表面净化处理后的复合界面形貌，界面结合良好。因此，保证复合界面足够的清洁度对界面结合至关重要。

图1 表面处理对界面结合的影响(a)未经表面处理;(b)表面处理后Fig.1 Effects of surface treatment on the combination of two alloys(a)no surface treatment;(b)after surface treatment

2.2 界面扩散反应研究

由于两种材料均属于镍基合金，复合实验结果表明两者具有较好的相容性。但由于两种材料的化学成分存在一定差异，复合界面存在一定的元素浓度梯度而相互扩散，使得界面处合金成分和相组成较为复杂，在HIP过程中必然发生界面的扩散反应。

图2为HIP后FGH95-K418B复合界面的SEM照片及成分分布图。从图中可以看出，经有效处理后界面结合良好，未发现有害相析出。Al元素存在较大的成分梯度，由K418B向FGH95扩散，Mo的扩散规律类似，但成分变化较为平缓。Co，W，Ti，Nb则明显由FGH95向K418B扩散，基本呈连续过渡分布。扩散层厚度约15～18μm，位于K418B合金一侧。这说明通过HIP过程的界面扩散反应可以实现界面成分的平稳过渡，同时某些成分在近界面处的富集与贫化将直接影响近界面区域的强化相形态。

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

2.3 复合工艺对K418B叶片材料组织的影响

图3为1185～1200℃热等静压复合处理对K418B合金γ'形态的影响。复合处理后，K418B合金中的显微疏松基本消除，γ'相仍呈立方形，γ'相网格状分布但尺寸明显增大，且排列更加规则、有序，显微组织更合理［10］。

2.4 复合试样界面结合强度分析及性能测试

研究了K418B-FGH95复合试样的拉伸性能，性能结果见图4。可见，复合试样拉伸性能较好，但持久性能较差，需要进行深入研究。所有拉伸试样的断裂均未发生在结合界面处，断裂通常发生在K418B一侧。这是因为两种合金本身对温度的承受能力就有差别，同时复合工艺处理使得K418B合金中的γ'聚集长大，因而影响了叶片材料的强度和持久性能。另外，对于这种复合制件的性能表征方法也有待于进一步研究。

3 结论

(1)通过合适的复合工艺，可以保证FGH95和K418B两种合金实现良好的界面冶金结合，同时复合界面成分平稳过渡。

(2)复合工艺处理使得K418B合金中的γ'聚集长大，对其强度和持久性能有一定影响。

(3)热等静压扩散连接的FGH95-K418B试样具有较好的拉伸性能，但持久性能较低，热处理工艺有待于进一步研究改进。

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