CN102672174A

CN102672174A - 一种采用热等静压成型工艺制作整体环形机匣件的方法

Info

Publication number: CN102672174A
Application number: CN2012101497811A
Authority: CN
Inventors: 魏青松; 史玉升; 薛鹏举; 李洋; 蔺广科; 王基维; 陆恒; 刘洁
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明适用于航空宇航制造技术领域，提供了一种采用热等静压成型工艺制作整体环形机匣件的方法；该方法将内控形模具与外控形模具组装后放入金属包套筒体内；在金属包套内装入粉末并通过振动摇实；放入加热炉中，进行抽真空脱气处理后，最后进行热等静压处理使粉末成型固结获得整体环形机匣件。本发明提供的方法采用热等静压技术对带有模具的金属包套中的粉末进行固结、成型并致密化，利用内、外控形模具对复杂结构的成型进行约束，从而一次性成型具有复杂结构的整体环形机匣件，且能保证制件各向性能均匀并具有高致密度；加工周期短；材料利用率高。

Description

一种采用热等静压成型工艺制作整体环形机匣件的方法

技术领域

本发明属于航空宇航制造技术领域，尤其涉及一种采用热等静压成型工艺制作整体环形机匣件的方法。

背景技术

航空发动机上机匣类零件比较多，例如，在涡喷发动机上，有进气处理机匣、低压压气机机匣、燃烧室机匣、轴承机匣、涡轮机匣、加力燃烧室机匣、风扇机匣、中介机匣、涡轮后机匣、外涵机匣等。随着航空发动机更新换代，整体结构机匣越来越多，机匣上的座子、凸台和机匣是一体的，这种结构设计可以提高机匣的整体强度，避免焊缝。燃烧室机匣、涡轮机匣等都属于整体环形机匣。

目前，整体环形机匣件加工方法有很多种，机匣毛坯通常采用锻造毛坯、铸造毛坯、焊接毛坯三大类型，具体选择哪种毛坯，要根据机匣结构、受力状况及强度要求来确定。但上述各种加工方法都存在一定局限性，比如锻造难以成型结构复杂零件，且锻造毛坯余量较大，后期加工周期长，费用高；铸造件容易产生偏析、夹杂等微观缺陷，导致机械强度和冲击韧性较低；焊接件容易留有残余应力，产生裂纹等影响使用寿命，且工艺复杂。

热等静压技术是上世纪50年代发展起来的一种粉料成型、固结和热处理的新技术，继承和发展了粉末冶金与冷等静压成型的优点，具体工艺是通过流体介质将高温高压同时均等地作用于材料的全部表面，使之固结并成型。经热等静压压制的制件可达到致密状态，且各向同性，并基本上消除其内部气孔，因而大大改善了产品性能。但目前在机匣类零件的加工上，热等静压技术只被应用于后期致密化处理上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用热等静压成型工艺制作整体环形机匣件的方法，旨在解决现有技术中复杂零件难以成型、加工周期长的问题。

本发明是这样实现的，一种采用热等静压成型工艺制作整体环形机匣件的方法，所述方法包括下述步骤：

S1:将内控形模具与外控形模具组装后放入金属包套筒体内，将所述金属包套筒体与所述内控形模具的上、下端盖封焊；所述内控形模具和所述外控形模具是根据整体环形机匣件的形状制备而成；所述金属包套是根据所述外控形模具的形状制备而成；

S2:在所述金属包套内装入粉末并通过振动摇实；

S3:将装粉后的金属包套放入加热炉中，并对所述金属包套进行抽真空脱气处理后获得热等静压处理前的待致密制件；

S4:对所述待致密制件进行热等静压处理使粉末成型固结；

S5：去除金属包套及模具获得整体环形机匣件。

更进一步地，所述外控形模具是熔模铸造而成；所述熔模由SLS设备制造而成。

更进一步地，所述粉末为球形粉末。

更进一步地，所述粉末为钛合金粉末、镍基高温合金粉末或不锈钢粉末；所述粉末的大小为100-300目。

更进一步地，所述热等静压处理的工艺条件为：使热等静压设备内温度达到所述粉末熔点的0.6-0.8倍，使热等静压设备内压强达到100-200Mpa，并保温保压2-3小时，最后卸压并随炉冷却。

更进一步地，所述金属包套为不锈钢或低碳钢材料制成。

更进一步地，所述真空脱气中加热炉的温度为500-800℃，真空度为（3~8）×10^-3pa。

更进一步地，在步骤S2之前还包括下述步骤：对焊接好的金属包套进行检漏，当金属包套有漏气现象时对金属包套与端盖连接处重新封焊。

更进一步地，步骤S5具体为：利用机械加工或腐蚀的方法去除金属包套及模具。

本发明提供的方法采用热等静压技术对带有模具的金属包套中的粉末进行固结、成型并致密化，利用内、外控形模具对复杂结构的成型进行约束，从而一次性成型具有复杂结构的整体环形机匣件，且能保证制件各向性能均匀并具有高致密度；加工周期短，材料利用率高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的采用热等静压成型工艺制作整体环形机匣件的方法的流程图；

图2是待成型的整体环形机匣件的示意图；

图3是热等静压处理前的整体环形机匣件示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例采用粉末热等静压成型方法制作航空发动机整体环形机匣件；尤其适用于钛合金、镍基高温合金或不锈钢整体环形机匣件。该方法工艺简单，花费时间短，可以成型复杂结构的零件，成型后的零件致密度高，各向性能均匀，综合性能好。

图1示出了该方法的流程图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

一种采用热等静压成型工艺制作整体环形机匣件的方法包括下述步骤：根据整体环形机匣件的形状制备模具，模具包括内控形模具和外控形模具；内控形模具包括两个分别带上、下端盖的子模具，内控形模具与外控形模具之间的空腔部分为整体环形机匣件的形状；根据外控形模具的形状制备金属包套，金属包套的筒体上有装粉和抽真空的圆形口；将内控形模具与外控形模具组装后放入金属包套筒体内部，将金属包套筒体与内控形模具的上、下端盖封焊；对焊接好的金属包套进行检漏，当金属包套有漏气现象时对金属包套与端盖连接处重新封焊；在金属包套内装入粉末并通过振动摇实；将装粉后的金属包套放入加热炉中，并对金属包套进行抽真空脱气处理后获得热等静压处理前的待致密制件；其中，真空脱气加热炉的温度为500-800℃，真空度为（3~8）×10-3pa；对待致密制件进行热等静压处理，使粉末在高温高压下成型固结；去除金属包套及模具获得整体环形机匣件；具体地：先利用机械加工的方法去除金属包套及模具；再利用腐蚀液对上述未完全去除模具的整体环形机匣件进行腐蚀，将所有在机加工中余下的模具腐蚀掉后获得整体环形机匣件。

本发明实施例提供的采用热等静压成型工艺制作整体环形机匣件的方法利用外控形模具与金属包套将装粉腔体外部气体压力均匀传递到待压粉末上，利用密封良好的包套可以将粉末抽成真空，以便在固结时避免产生气孔且使各方向均匀受力，最终获得高致密制件。

在本发明实施例中，外控形模具由铸造或机加工而成；内控形模具为实心金属材料，用来控制机匣形状；内控形模具组装而成，便于安装、拆卸，且内控形模具与上、下端盖做成一体，简化了工艺。

在本发明实施例中，金属包套可以采用不锈钢或低碳钢材料制成；采用金属材料制作成圆柱形包套，便于加工，且安全可靠，不易损坏。

在本发明实施例中，热等静压处理的工艺条件为：使热等静压设备内温度达到所述粉末熔点的0.6-0.8倍，使热等静压设备内压强达到100-200Mpa，并保温保压2-3小时，最后卸压并随炉冷却。利用热等静压技术成型的整体环形机匣件各向性能均匀，力学性能好，材料利用率高，最终致密度高达99%以上。

在本发明实施例中，粉末为球形粉末。粉末可以为钛合金粉末、镍基高温合金粉末或不锈钢粉末；粉末的大小为100-300目。

本发明实施例提供的方法先根据制件形状制备模具和金属包套，将模具和金属包套封焊起来，并对金属包套进行检漏，确保其密封性后，往金属包套内部充填粉末，振动摇实，并对金属包套抽真空，将抽气管封焊，从而获得待致密的制件；再对制件进行热等静压处理，待热等静压炉膛冷却后将制件取出，去除金属包套和模具，得到致密的制件。该方法是利用热等静压技术对带有模具的金属包套中的粉末进行固结、成型并致密化，利用内、外控形模具对复杂结构的成型进行约束，从而一次性成型具有复杂结构的整体环形机匣件，且能保证制件各向性能均匀并具有高致密度；加工周期短，工艺简单。

在本发明实施例中，由于整体环形机匣件的形状结构不同，内、外控形模具形状结构也因此而不同；热等静压处理的条件也要根据整体环形机匣件的材料来确定；为了更进一步的说明本发明实施例一提供的方法，现结合图2和图3详述如下：

（1）根据整体环形机匣件的形状制备出模具，该模具由内控形模具1和外控形模具2构成，其中内控形模具1是由分别带上、下端盖的两个子模具拼装而成，内、外两个控形模具中间的空腔部分为整体环形机匣件的形状，模具材料为45号钢，内控形模具1机加工而成，外控形模具2是利用了快速成形技术中的SLS（选择性激光烧结）设备制造熔模，然后利用熔模铸造而成；

（2）根据外控形模具2的形状制备出金属包套4，金属包套4的筒体上有装粉和抽真空的圆形口5，金属包套4的材料为20号钢，机加工而成；

（3）将内控形模具1与外控形模具2组装好后，放入金属包套4筒体内部，将金属包套4筒体与内控形模具1的上、下端盖封焊好；

（4）对焊接好的金属包套4进行检漏，若金属包套4有漏气现象，则需重新对金属包套4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）根据整体环形机匣件材料的要求，往金属包套内装入利用等离子旋转雾化法制备的球形钛合金粉末3，并通过机械振动或人工振动摇实，球形粉末3为Ti6Al4V合金粉末，大小是100-300目；

（6）将装粉后的金属包套4放入加热炉中，加热炉温度为700℃，然后利用真空设备在高温下对金属包套4进行抽真空脱气处理，抽气至真空度5×10^-3Pa，抽真空完成后，将抽气管封焊，从而获得热等静压前的待致密制件；

（7）将已抽真空的金属包套4进行热等静压处理，使钛合金粉末3在高温高压下成型、固结并致密化成为整体环形机匣件,热等静压工艺条件是在3小时内使热等静压设备内温度达到930℃，保温3小时，同时在3小时内使热等静压设备内压强达到120Mpa，保压3小时，最后卸压并随炉冷却；

（8）利用机械加工方法去除包套4及一部分可以简单去除的模具；

（9）利用浓度为20%-30%的硝酸溶液对上述未完全去除模具的整体环形机匣件进行腐蚀，将所有在机加工中余下的模具腐蚀掉之后即得到最终的整体环形机匣件，致密度为99.6%。

在本发明实施例中，表一示出了实施例二与实施例三中热等静压处理的工艺条件；具体为：

表一

上述实施例二和实施例三提供的方法中前期准备过程、后处理过程以及整个过程中的其它工艺参数均与实施例一相同，在此不再赘述。

本发明提供的整体环形机匣件的粉末热等静压成型方法是利用热等静压技术对带有模具的金属包套中的粉末进行固结、成型并致密化，利用内、外控形模具对复杂结构的成型进行约束，从而一次性成型具有复杂结构的整体环形机匣，且能保证制件各向性能均匀并具有高致密度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种采用热等静压成型工艺制作整体环形机匣件的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

S2:在所述金属包套内装入粉末并通过振动摇实；

S4:对所述待致密制件进行热等静压处理使粉末成型固结；

S5：去除金属包套及模具获得整体环形机匣件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外控形模具是熔模铸造而成；所述熔模由SLS设备制造而成。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末为球形粉末。

4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述粉末为钛合金粉末、镍基高温合金粉末或不锈钢粉末；所述粉末的大小为100-300目。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热等静压处理的工艺条件为：使热等静压设备内温度达到所述粉末熔点的0.6-0.8倍，使热等静压设备内压强达到100-200Mpa，并保温保压2-3小时，最后卸压并随炉冷却。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属包套为不锈钢或低碳钢材料制成。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述真空脱气中加热炉的温度为500-800℃，真空度为（3~8）×10^-3pa。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2之前还包括下述步骤：

对焊接好的金属包套进行检漏，当金属包套有漏气现象时对金属包套与端盖连接处重新封焊。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5具体为：

利用机械加工或腐蚀的方法去除金属包套及模具。