CN104972114A - 一种具有特殊功能层复杂零件的热等静压一体化成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于先进制造领域，具体涉及一种具有特殊功能层复杂零件的热等静压一体化成形方法。该方法利用热等静压工艺高温高压复合载荷结合模具控形技术实现金属粉末整体成形，通过在石墨控形型芯表面预沉积功能涂层，在热等静压成形零件的过程中，该预沉积涂层在高温高压的同时作用下可“原位”渗透、扩散到正在成形的零件表面，用喷砂的方法去除控形模具后得到具有功能层的高性能零件。这种成形和表面处理同时进行的“并行工艺”在成形高性能零件的同时获得与基体结合牢靠、性能均一的功能层，且控形型芯易除去无污染。

Description

一种具有特殊功能层复杂零件的热等静压一体化成形方法

技术领域

本发明属于先进制造领域，具体涉及一种以石墨作为易去除控形型芯的等静压成形方法，该方法尤其适用制造航空航天领域具有复杂结构并需要特殊功能层的零件。

背景技术

航空航天领域复杂零件通常采用镍基与钛基等特殊昂贵材料，并且零件表面需要具有隔热、防腐蚀、抗氧化等特殊要求的功能层。这类零件传统加工方法一般采用烧结、铸锻、机加工结合焊接机加工成形，再采用诸如电镀、热喷涂等表面处理工艺在表面生成功能层的方法来生产。传统方法费时、费材，复杂结构甚至无法成形制造、表面沉积功能层与基体结合不牢易剥落等缺点。

热等静压(Hot Isostatic Pressing,HIP)是通过将高温(700-2000℃)、高压(70-200MPa)气体介质同时均等地作用在包套表面，从而使包套内的粉末材料产生固结。热等静压工艺利用高温高压复合载荷结合模具控形技术可实现陶瓷、硬质合金、复合材料、钛镍等贵重零件的粉末整体近净成形，其零件的力学性能与同材质锻件相当，尺寸精度高，且材料利用率超过90％，几乎不存在材料浪费。

传统HIP方法成形复杂零件，采用金属材料(如45#钢等)制造控形型芯，由于型芯一般是刚性实心，型芯通常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，尤其对于复杂结构型芯只能用化学腐蚀来去除。然而化学腐蚀方法成本高，周期长，且对环境污染大。并且HIP后仍然需要采用传统方法在零件表面生成功能层，工艺周期长，并且复杂结构零件难以做到功能层性能一致。

发明内容

本发明提供一种具有特殊功能层复杂零件的热等静压一体化成形方法，目的在于采用该方法型芯易去除且无污染，并且能使功能层牢固和成形件结合，尤其适用于成形复杂零件。

本发明提供的一种热等静压一体化成形方法，该方法采用石墨作为控形型芯，并在其表面预沉积一层或多层功能层，再进行热等静压，在热等静压成形零件的过程中，该功能层在高温高压的同时作用下原位转移、扩散到正在成形的零件表面，使得功能层与成形零件紧密结合；热等静压后利用线切割去掉包套，再将控形型芯除去，得到具有功能层的高性能零件。

上述技术方案的具体实现步骤包括：

(1)根据需要加工零件的形状和尺寸，设计出包套和控形型芯的模型；

(2)按所设计的模型，采用金属做包套，用机加工的方法制造出石墨控形型芯；

(3)在石墨控形型芯表面覆上一层或几层成型件工作环境所需要的功能层；

(4)将石墨型芯固定在包套中，然后往金属包套内填装粉末，并震动摇实；

(5)抽真空并封焊包套；

(6)对包套进行热等静压处理；

(7)采用机加工方法去除包套；

(8)用喷砂法去除石墨控形型芯。

针对现有热等静压制造方法中存在的问题，本发明提供了一种具有特殊功能层复杂零件的热等静压一体化成形方法，具体而言，本发明具有以下优点：

(1)石墨容易加工。石墨用机加工的方法很容易成形，缩短了加工型芯的时间，并且石墨密度小方便运输。

(2)石墨强度随温度的升高而增强，并且具有较好的导热性，相比传统方法选用刚性金属作控形型芯，金属型芯材料强度随温度的升高而降低，无法控制零件的尺寸精度，而石墨做控形型芯成形出来得零件尺寸更加精密，性能更符合要求。

(3)型芯易去除。用金属材料制造型芯热等静压成形后的零件，表面的包套较易去除，但型芯很难去除，大多数情况下只能采取化学腐蚀的方法，对环境的污染比较严重而且工艺周期长。然而用石墨作控形型芯，用喷砂的方法就很容易去除，这样既方便又环保。

(4)热等静压除去包套后用喷砂的方法去除石墨，解决了复杂零件内腔难覆膜的问题，缩短了加工流程，提高了加工效率。

(5)在热等静压成形零件的过程中，该功能层在高温高压的同时作用下可“原位”渗透、扩散到正在成形的零件表面，并且与传统方法仅仅将功能层沉积到零件表面相比，本发明中的功能层与零件的结合更为均匀，更为紧密。

附图说明

图1为本发明方法热等静压前准备示意图，其中，(a)根据成形件结构的要求制造出石墨控形型芯，(b)将预沉积层沉积到石墨控形型芯表面。

图2为该发明方法热等静压工艺成形示意图，其中，(c)为热等静压过程中示意图，(d)为热等静压后得到的整体零件，1为抽气口，2为控形包套，3为功能层，4为渗透层，5为高温合金，6为石墨控形型芯；

图3为该发明方法热等静压后处理示意图，其中(e)为热等静压去包套后所得零件，(f)用喷砂方法去掉石墨控形型芯后得到的最终成形零件。

图4为实例中制得需要MCrAlY作为热障涂层的航空航天机匣示意图，图中7为石墨控形型芯，8为MCrAlY功能层，9为渗透层，10为以TC4为材料的成形机匣；

图5为实例中制得需要镍和碳化钨作为复合涂层的航空航天机匣示意图，图中11为石墨控形型芯，12为碳化钨功能层，13为镍功能层，14为以TC4为材料的成形机匣。

具体实施方式

本发明方法选用石墨作为控形型芯并在其表面预沉积一层或多层功能层，在热等静压成形零件的过程中，该功能层在高温高压的同时作用下可“原位”转移、扩散到正在成形的零件表面，热等静压后可用线切割去掉包套，用喷砂的方法将石墨控形型除去，得到具有功能层的高性能零件。这种成形和表面处理同时进行的“并行工艺”在成形高性能零件的同时获得与基体结合牢靠、性能均一功能层。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明采用价格低，较常见、加工性能好的材料作为热等静压包套，用石墨作为控形型芯，并在石墨上沉积一层功能膜，最终获得尺寸性能满意的表面需要功能层的复杂零件。

如图1，图2，图3所示，本发明提供了一种具有特殊功能层复杂件的热等静压一体化成形方法，包括下述步骤：

(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，用机加工方法制造石墨型芯。

制造金属包套选择合适的金属材料(如45钢等)，制造石墨型芯选择合适的石墨材料(如高强石墨，等静压石墨等)。

(3)根据成型件工作环境的特殊要求来选择对石墨表面覆不同的功能膜，高温工作环境下的零件可以选择MCrALY(M＝Fe,Co,Ni)作为热障涂层功能膜，提高零件抗热疲劳和高温腐蚀能力可以选择碳化物、氧化物、合金作为耐磨涂层功能膜，等等。然后根据不同的功能层选择不同的方法将功能膜沉积石墨表面，常见的覆膜方法有：电镀、化学镀、热喷涂、激光熔覆、物理气相层积法(PVD)、化学气相层积法(CVD)等等。

(4)石墨覆上功能膜后，将石墨型芯固定在包套中，然后填装待成形零件的金属粉末并紧实。

(5)抽真空并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。

(6)对压坯进行热等静压处理。

根据成形材料的不同选择不同的工艺参数，如成形TC4粉末材料通常选用的工艺参数为930℃、120Mpa，成形Inconel625粉末材料通常选用的工艺参数为1200℃、120Mpa，等等。

在高温高压同时的作用下预涂层在化学成分、物理性能不变的前提下原位转移到正在成形的零件表面，与基体接触作用的功能层与成形件发生反应并扩散到成形件表面，使得功能层与成形零件紧密结合。

(7)采用线切割或者化学腐蚀去除包套，然后用喷砂法去除石墨型芯，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。

图5为需要碳化钨-镍涂层为耐磨功能涂层的机匣。

实例一：

图4所示为运用本发明制造航空航天中需要MCrAlY(M＝Fe,Co,Ni)为热障功能层的机匣，该功能层对于基底材料起到隔热和防腐的作用，降低基地温度，提高基地的耐腐蚀性，使得制成的零件能在高温下运行，并且可以提高零件的工作效率、延长零件寿命。具体如图4所示：

(1)采用UG设计出圆筒的包套、石墨型芯的三维CAD模型；

(2)用机加工制造一个外径为40mm，壁厚为3mm，高为60mm的圆柱形包套，材料选用45钢，熔点为1350℃；用机加工的方法加工一个直径为18mm，高为54mm的圆柱体的石墨控形型芯。

(3)采用热喷漆的方法将MCrALY沉积到石墨表面层。

(4)将石墨型芯固定在包套中，然后填装待成形零件的TC4粉末并紧实，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)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930℃，保温20min；接着以2MPa/min的速度将压力从0MPa升高到100MPa，在930℃和100MPa条件下保温保压3h；降温卸压。

热等静压后得到整体件，如图4所示，7为石墨控形型芯，8为MCrAlY功能层，9为MCrAlY与基地相结合的渗透层，10为以TC4为材料的成形机匣。

采用线切割或者化学腐蚀去除包套，用喷砂法去除石墨控形型芯，最终得到目标零件。

以上工艺成形出的机匣尺寸精确度高，致密度达99.6％，其显微结构均匀，无气孔、裂纹等缺陷，并且功能层与基体结合紧密，性能一致。

实例二：

此为运用本发明制造航空航天中需要碳化铬-镍铬涂层为耐磨功能涂层的机匣，碳化钨-镍铬涂层利用碳具有很高硬度、耐高温，并有一定的润滑作用等性能，具有良好的抗冲击性、韧性、与基体结合性和致密性，能提高零件的抗热疲劳性和高温腐蚀的能力。具体如图5所示：

(1)采用UG设计出圆筒的包套、石墨控形型芯的三维CAD模型；

(2)用机加工制造一个外径为40mm，壁厚为3mm，高为60mm的圆柱形包套，材料选用45钢，熔点为1350℃；用机加工的方法加工一个直径为18mm，高为54mm的圆柱体的石墨控形型芯。

(3)采用采用热喷涂的方法将碳化钨沉积在石墨型芯表面，然后采用电镀的方法将镍镀在碳化钨表面。

(4)将石墨型芯固定在包套中，然后填装待成形零件的TC4粉末并紧实，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)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930℃，保温20min；接着以2MPa/min的速度将压力从0MPa升高到100MPa，在930℃和100MPa条件下保温保压3h；降温卸压。

(5)热等静压后得到整体件，如图5所示，11为石墨控形型芯，12为碳化钨功能层，13为镍功能层，14为渗透层，15为以TC4粉末为材料的成形机匣。

(6)采用线切割或者化学腐蚀去除包套，用喷砂法去除石墨控形型芯，最终得到目标零件，目标零件与设想中的一样，镍沉积在零件表面，而碳化钨则在最外层。

以上工艺成形出的机匣尺寸精确度高，致密度达99.6％，其显微结构均匀，无气孔、裂纹等缺陷，并且功能层与功能层、功能层与基体结合紧密，性能一致。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种热等静压一体化成形方法，该方法采用石墨作为控形型芯，并在其表面预沉积一层或多层功能层，再进行热等静压，在热等静压成形零件的过程中，该功能层在高温高压的同时作用下原位转移、扩散到正在成形的零件表面，使得功能层与成形零件紧密结合；热等静压后利用线切割去掉包套，再将控形型芯除去，得到具有功能层的高性能零件。

2.根据权利要求1所述的热等静压一体化成形方法，其特征在于，该方法具体步骤包括：

(1)根据需要加工零件的形状和尺寸，设计出包套和控形型芯的模型；

(2)按所设计的模型，采用金属做包套，用机加工的方法制造出石墨控形型芯；

(3)在石墨控形型芯表面覆上一层或几层成型件工作环境所需要的功能层；

(4)将石墨型芯固定在包套中，然后往金属包套内填装粉末，并震动摇实；

(5)抽真空并封焊包套；

(6)对包套进行热等静压处理；

(7)采用机加工方法去除包套；

(8)用喷砂法去除石墨控形型芯。