CN102503083A - 一种玻璃制造的易去除型芯的等静压近净成形方法 - Google Patents

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史玉升
薛鹏举
张谦
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Abstract

本发明公开了一种玻璃制造的易去除型芯的等静压成形方法，其步骤为：①采用三维造型软件设计出包套和型芯的三维CAD模型；②按所设计的三维CAD模型，制作金属包套和玻璃型芯；③在玻璃型芯上直接成形目标零件的毛坯；④将毛坯放入金属包套中，对金属包套与端盖连接处实施封焊，使其不漏气；⑤往金属包套内部充填玻璃粉，并震动摇实，对金属包套抽真空后，将抽气管封焊，从而获得压坯；⑥对压坯进行热等静压处理；⑦去除包套，将制件表面玻璃和玻璃型芯破裂，再去除玻璃介质和玻璃型芯，最终得到目标零件。本发明实现了复杂零件的等静压近净成形，型芯易去除且无污染，成形出的复杂零件尺寸性能好。

Description

一种玻璃制造的易去除型芯的等静压近净成形方法
技术领域
本发明属于先进制造领域，具体涉及一种玻璃制造的易去除型芯的等静压近净成形方法，该方法尤其适用于制造复杂零件，如带复杂内腔的零件、表面形貌复杂的零件、带复杂内腔同时表面形貌复杂的零件等。
技术背景
冷等静压(Cold Isostaitc Pressing，CIP)是一种重要的粉末冶金成形方法，可以加工常规凝固条件下难以制造的高温合金材料，硬质合金材料，陶瓷材料等。与铸造和锻造方法相比，冷等静压具有制件组织均匀，无成分偏析，尺寸精度高，材料利用率高，纯度高，在制备过程中不需要加入任何成形剂，成本低等优点。但对于复杂零件，CIP成形致密度不高，致密度只能达到70％-80％。
热等静压(Hot Isostatic Pressing，HIP)是利用高温高压载荷来实现粉末材料的制备和零件成形的工艺方法。特别是，利用该技术可以实现陶瓷、硬质合金、复合材料、钛镍等贵重金属粉末零件的整体近净成形，其零件的力学性能与同材质锻件相当，尺寸精度可达0.1mm，且材料利用率超过90％，几乎不存在材料浪费。
传统的HIP方法成形复杂零件，采用金属如45钢等制造包套和型芯，由于型芯一般是刚性实心的，在HIP成形过程中型芯的尺寸形状保持不变，同时包套收缩，在棱角处会产生应力集中，无法保证零件受等静压即各个方向均匀受力而成形，从而成形出的零件尺寸性能无法达到要求。
另外，经热等静压成形之后要得到目标零件必须去除包套和型芯。包套通常可采用机加工或化学腐蚀的方法去除，但机加工方法对于去除型芯往往有很大的局限性，尤其对于复杂型芯，只能用化学腐蚀的方法来去除。然而，用化学腐蚀方法成本高，周期长，且对环境污染大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种玻璃制造的易去除型芯的等静压近净成形方法，采用该方法，型芯易去除且无污染，尤其适用于成形各种复杂零件，成形出的复杂零件尺寸性能好。
本发明提供一种玻璃制造的易去除型芯的等静压近净成形方法，其步骤包括：
(1)采用三维造型软件设计出包套和型芯的三维CAD模型；
(2)按所设计的三维CAD模型，用机加工或其他方法制造出金属包套，用机加工或铸造的方法制造出玻璃型芯；
(3)用冷等静压或模压的方法在玻璃型芯上直接成形目标零件毛坯；
(4)将毛坯放入金属包套中，对金属包套与端盖连接处实施封焊，然后进行检漏，若金属包套有漏气现象，则需重新对金属包套与端盖连接处封焊，至不漏气为止，若不漏气，则直接进行下一步；
(5)往金属包套内部充填玻璃粉，并震动摇实，对金属包套抽真空后，将抽气管封焊，从而获得压坯；
(6)对压坯进行热等静压处理；
(7)采用机加工或化学腐蚀方法去除包套，用震动或加热后急冷的方法使制件表面玻璃和玻璃型芯破裂，再用喷砂法去除玻璃介质和玻璃型芯，或者直接用喷砂法去除玻璃介质和玻璃型芯，最终得到目标零件。
针对传统等静压成形方法成形出的复杂零件尺寸性能无法达到要求，本发明提出了一种玻璃制造的易去除型芯的等静压成形方法，实现复杂零件的等静压近净成形。本发明将冷等静压与热等静压结合起来成形复杂零件，其中型芯采用玻璃制造。采用该方法，型芯易去除且无污染，成形出的复杂零件尺寸性能好。具体而言，本发明具有以下优点：
(1)材料利用率超过90％，比传统的加工方法如机加工、锻造、铸造等节约材料。
(2)用玻璃制造型芯，使零件毛坯在热等静压成形过程中，目标零件内腔和表面都由软化的玻璃传导压力，且各个方向上的压力相等，实现等静压近净成形，零件成形效果好；
(3)不仅可以成形内腔复杂的零件，还可以成形内腔复杂同时表面形貌也复杂的零件，比传统方法成形出来的零件尺寸性能好；
(4)型芯易去除。用金属材料制造型芯热等静压成形后的零件，表面的包套和玻璃介质较易去除，但型芯很难去除，机加工方法有局限性，大多数情况下只能采取化学腐蚀的方法。然而用玻璃制造的型芯，用喷砂的方法就很容易去除，这样既方便又环保。
附图说明
图1为中空圆筒Ni625零件毛坯冷等静压成形示意图；
图2为中空圆筒Ni625零件热等静压成形示意图；
图3为带螺钉型内腔Ti6Al4V零件毛坯冷等静压成形示意图；
图4为带螺钉型内腔Ti6Al4V零件热等静压成形示意图；
图5为带半球形内腔Ti6Al4V零件模压成形示意图；
图6为带半球形内腔Ti6Al4V零件热等静压成形示意图；
图中，1-包套材料，2-金属粉末，3-玻璃，4-玻璃粉，5-金属毛坯，6-模压模具材料。
具体实施方式
本发明的实质是采用玻璃介质以及玻璃制造型芯，利用软化的的玻璃介质和玻璃型芯将压坯外部气体压力均匀传递到待压制件上，使各个方向上均匀受力，最终获得尺寸性能满意的复杂制件。以下对本发明的具体过程作进一步详细的阐述：
本发明方法的步骤包括：
(1)采用三维造型软件设计出包套和型芯的三维CAD模型。
针对表面形貌复杂且带复杂内腔的零件，合理设计包套和型芯非常关键，采用UG、Pro/E等三维造型软件设计，方便、效率、准确。
(2)按所设计的三维CAD模型，用机加工或者其他方法制造金属包套，用机加工或铸造的方法制造玻璃型芯。
制造金属包套选择合适的金属材料(如45钢、A3钢、20钢等)，制造玻璃型芯选择合适的玻璃材料(如硼硅酸玻璃、钠钙硅玻璃等)。
(3)用冷等静压或模压的方法在玻璃型芯上直接成形目标零件毛坯。若采用模压的方法，需在金属粉末混合粘结剂，选用热塑性体系粘结剂，其中包括蜡基系、油基系、塑基系等。模压完成后还需进行脱脂处理，除去粘结剂。
(4)将毛坯放入金属包套中，对金属包套与端盖连接处实施封焊，然后进行检漏，若金属包套有漏气现象，则需重新对金属包套与端盖连接处封焊，至不漏气为止，若不漏气，则直接进行下一步。
(5)往金属包套内部充填玻璃粉，并震动摇实，对金属包套抽真空后，将抽气管封焊，从而获得压坯；
(6)对压坯进行热等静压处理。
热等静压工艺是：先将热等静压炉加热至玻璃的软点温度之上50-100℃，保温一段时间使玻璃软化，再缓慢加压至100-200MPa，保温保压2-4h。完成后，先卸压再降温。先加热再加压的目的是保证压坯内的玻璃在热等静压时处于软化状态，能均匀的包覆毛坯制件外表面和内腔表面，均匀的传递压力。若同时加热加压，因玻璃为硬脆相，加压的过程中会损坏里面的毛坯制件。
(7)采用机加工或者化学腐蚀去除包套，用震动或加热急冷的方法使制件表面玻璃介质和玻璃型芯破裂，再用喷砂法去除玻璃介质和玻璃型芯，或直接用喷砂法去除玻璃介质和玻璃型芯，最终得到目标零件。
下面列举两个实例对本发明作进一步详细的说明，但本发明并不局限于此。本领域一般技术人员可以根据本发明公开的内容，采用其它材料和工艺参数实现本发明。
实例1：
此为运用本发明制造中空圆筒零件(如图1、2所示)的实例：
(1)采用UG设计出圆筒的包套、型芯的三维CAD模型；
(2)用机加工制造一个内径为40mm，壁厚为2mm，高为50mm的圆柱形冷等静压包套，一个内径为50mm，壁厚为2mm，高为50mm的圆柱形热等静压包套，包套材料均选用45钢；用机加工的方法加工一个直径为30mm，高为50mm的玻璃圆柱体，材料选用硼硅酸玻璃。
(3)用冷等静压在型芯上直接成形目标零件毛坯，成形示意图如图1所示，其中1-包套材料为45钢，2-金属粉末为Ni625合金粉末，3-玻璃为硼硅酸玻璃。
(4)将毛坯放入金属包套中，对金属包套与端盖连接处实施封焊，然后进行检漏，若金属包套有漏气现象，则需重新对金属包套与端盖连接处封焊，至不漏气为止，若不漏气，则直接进行下一步。
(5)往金属包套内部充填硼硅酸玻璃粉，其成分为78.5％SiO2、14.6％B2O3、4.9％Na2O、1.8％Al2O3和少量其他氧化物，软点温度测试为792℃，并在振动台上震动摇实，将排气管一端塞入一小团钢丝棉并插入端盖里面，在连接处实施封焊。随后，通过排气管对包套内抽真空，在真空度达到10-3Pa时，将排气管压扁，用焊接或熔化使其封口，从而获得压坯。
(6)对压坯进行热等静压处理。
热等静压工艺过程为：
以10℃/min的速度，将温度从室温上升到850℃，保温20min；接着以2MPa/min的速度将压力从0MPa升高到100MPa，；在850℃和100MPa条件下保温保压3h；先卸压再降温。成形示意图如图2所示，其中4-金属毛坯为Ni625合金金属毛坯，5-玻璃粉为硼硅酸玻璃粉。
(7)采用机加工或者化学腐蚀去除包套，用震动方法使制件表面玻璃和玻璃型芯破裂，再用喷砂法去除玻璃介质和玻璃型芯，最终得到目标零件。喷砂法简单、方便和环保。
以上工艺成形出的中空圆筒Ni625零件尺寸精确度高，致密度达99.6％，其显微结构均匀，无气孔、裂纹等缺陷。
实例2：
此为运用本发明制造带螺钉型内腔零件(如图3、4所示)的实例：
(1)采用UG设计出加工零件所需要的包套、型芯的三维CAD模型。
(2)按所设计的三维CAD模型，用机加工制造一个内径为50mm，壁厚为2mm，高为60mm的圆柱形冷等静压包套，一个内径为60mm，壁厚为2mm，高为60mm的圆柱形热等静压包套，包套材料都选用A3钢；用失蜡铸造法成形一个螺帽直径为40mm，高为10mm的圆柱体，螺身直径为20mm，高为40mm的螺钉型玻璃型芯，材料选用钠钙硅玻璃。
(3)用冷等静压在型芯上直接成形目标零件毛坯，成形示意图如图3所示，其中1-包套材料为A3钢，2-金属粉末为Ti6Al4V合金粉末，3-玻璃为钠钙硅玻璃。
(4)将毛坯放入金属包套中，对金属包套与端盖连接处实施封焊，然后进行检漏，若金属包套有漏气现象，则需重新对金属包套与端盖连接处封焊，至不漏气为止，若不漏气，则直接进行下一步。
(5)往金属包套内部充填钠钙硅玻璃粉，其主要成分为72.5％SiO2、13.1％Na2O、11.2％CaO、1.8％Al2O3和少量MgO、K2O等，软化点温度测试为729℃，并在振动台上震动摇实，将排气管一端塞入一小团钢丝棉并插入端盖里面，在连接处实施封焊。随后，通过排气管对包套内抽真空，在真空度达到10-3Pa时，将排气管压扁，用焊接或熔化使其封口，从而获得压坯。
(6)对压坯进行热等静压处理。
热等静压工艺过程为：
以10℃/min的速度，将温度从室温上升到800℃，保温20min；接着以2MPa/min的速度将压力从0MPa升高到150MPa；在800℃和150MPa条件下保温保压2h；先卸压再降温。成形示意图如图4所示，其中4-金属毛坯为Ti6Al4V合金金属毛坯，5-玻璃粉为钠钙硅玻璃粉。
(7)采用机加工或者化学腐蚀去除包套，用震动方法使制件表面玻璃和玻璃型芯破裂，再用喷砂法去除玻璃介质和玻璃型芯，最终得到目标零件。
以上工艺成形出的带螺钉型内腔Ti6Al4V零件尺寸精确度高，致密度达99.3％，其显微结构均匀，无气孔、裂纹等缺陷。
实例3
此为运用本发明制造带半球内腔零件(如图5、6所示)的实例：
(1)采用Pro/E设计出加工零件所需要的包套、型芯的三维CAD模型。
(2)按所设计的三维CAD模型，用机加工制造一个内径为60mm，壁厚为2mm，高为60mm的圆柱形热等静压包套，包套材料选用20钢；用机加工方法加工一个直径为30mm半球形玻璃型芯，材料选用钠钙硅玻璃。
(3)采用模压的方法在半球形型芯上直接成形目标零件毛坯，成形示意图如图5所示，其中2-金属粉末为Ti6Al4V合金粉末(含粘结剂，为蜡基系粘结剂，主要由石蜡和聚烯烃组成)，3-玻璃为钠钙硅玻璃，6-模压模具材料。随后进行脱脂处理，除去粘结剂。
(4)将毛坯放入金属包套中，对金属包套与端盖连接处实施封焊，然后进行检漏，若金属包套有漏气现象，则需重新对金属包套与端盖连接处封焊，至不漏气为止，若不漏气，则直接进行下一步。
(5)往金属包套内部充填钠钙硅玻璃粉，其主要成分为72.5％SiO2、13.1％Na2O、11.2％CaO、1.8％Al2O3和少量MgO、K2O等，软化点温度测试为729℃，并在振动台上震动摇实，将排气管一端塞入一小团钢丝棉并插入端盖里面，在连接处实施封焊。随后，通过排气管对包套内抽真空，在真空度达到10-3Pa时，将排气管压扁，用焊接或熔化使其封口，从而获得压坯。
(6)对压坯进行热等静压处理。
热等静压工艺过程为：
以10℃/min的速度，将温度从室温上升到820℃，保温20min；接着以2MPa/min的速度将压力从0MPa升高到200MPa；在820℃和200MPa条件下保温保压4h；先卸压再降温。成形示意图如图6所示，其中1-包套材料为20钢，4-金属毛坯为Ti6Al4V合金金属毛坯，5-玻璃粉为钠钙硅玻璃粉。
(7)采用机加工或者化学腐蚀去除包套，用震动方法使制件表面玻璃和玻璃型芯破裂，再用喷砂法去除玻璃介质和玻璃型芯，最终得到目标零件。
以上工艺成形出的带半球形内腔Ti6Al4V零件尺寸精确度高，致密度达99.2％，其显微结构均匀，无气孔、裂纹等缺陷。

Claims (3)

1.一种玻璃制造的易去除型芯的等静压成形方法，其步骤包括：
(1)采用三维造型软件设计出包套和型芯的三维CAD模型；
(2)按所设计的三维CAD模型，制作金属包套和玻璃型芯；
(3)在玻璃型芯上直接成形目标零件的毛坯；
(4)将毛坯放入金属包套中，对金属包套与端盖连接处实施封焊，使其不漏气；
(5)往金属包套内部充填玻璃粉，并震动摇实，对金属包套抽真空后，将抽气管封焊，从而获得压坯；
(6)对压坯进行热等静压处理；
(7)去除包套，将制件表面玻璃和玻璃型芯破裂，再去除玻璃介质和玻璃型芯，最终得到目标零件。
2.根据权利要求1所述的等静压成形方法，其特征在于，步骤(6)中，按下述方式进行热等静压处理：先将压坯加热到玻璃软化点后，再加压；热等静压完成后，先卸压，再降温。
3.根据权利要求1或2所述的等静压成形方法，其特征在于，步骤(7)中，去除玻璃型芯采用喷砂方法。
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