CN105170978A - 连接界面具有梯度渐变结构的同质包套热等静压成形方法 - Google Patents

连接界面具有梯度渐变结构的同质包套热等静压成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同质包套热等静压成形方法，该方法采用热等静压(HIP)/激光选区熔化(SLM)3D打印复合工艺。本发明提出采用SLM成形出同质包套来解决传统方法成形复杂形状异质包套生产周期长、制造成本高、包套除去过程繁琐、连接界面发生扩散反应污染制件等问题。同时将同质包套内侧表面(在热等静压中与粉末相接处的面)设计成梯度多孔渐变结构，使得热等静压后连接界面处组织呈现出梯度变化结构，从而克服了因SLM成形的同质包套与HIP致密体界面组织与性能突变的弊端，使得最终成形出机械性能较优的制件。

Description

连接界面具有梯度渐变结构的同质包套热等静压成形方法
技术领域
本发明属于先进制造领域，具体涉及一种热等静压成形方法，该方法采用连接界面处具有梯度渐变结构的同质包套，来实现复杂高性能零部件的热等静压粉末近净成形，尤其适用制造航空航天领域具有复杂结构且性能要求高的关键零部件。
背景技术
热等静压粉末近净成形(NetNearShapeHotIsostaticPressing,NNS-HIP)是利用将高温(700-2000℃)、高压(70-200MPa)结合模具控形技术，使气体介质均匀地作用在控形模具包套上实现粉末的致密与成形。热等静压粉末近净成形可实现陶瓷、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。该技术尤为适合应用在对零件性能要求很高的航空航天关键零部件的制造。
然而，在热等静压近净成形技术中，包套的设计与制造是关键技术之一，且零件越复杂越难制造，所占成本越高。目前制作HIP包套的材料主要以软钢为主，这是因为软钢有较好塑性可防止HIP过程中因包套形变较大而发生开裂，同时也能保证粉末的充分致密，此外软钢优异的焊接性能有效能保证焊缝的密封性能。由于HIP工艺往往用来制造如钛合金与镍基高温合金等难加工贵金属材料，所以包套材料与粉末基体材料往往不同，我们将这种包套称为异质包套。目前，复杂形状的包套通常是采用铸造、锻造或机加工等传统加工方法首先制造出各个部件，然后焊接拼合成整体的多步骤成形。然而，该方法制造复杂形状包套时，需要使用精密加工设备，生产周期长，制造成本高，去除包套的过程十分繁琐，更为严重的是异质包套会与其接触的制件表面发生扩散反应，污染制件，从而影响制件的表面质量与性能。
激光选区熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)是3D打印技术之一，根据三维CAD数据，由计算机控制将材料逐层累加成形制造实体零件，无需刀具、夹具及多道加工工序。该技术每次成形制造二维薄层结构，大大降低了三维复杂结构的成形制造难度，理论上可成形制造任意复杂结构，属于“自由成形制造”过程。而且零件越复杂，其成形制造的高效率作用越显著。因此，可以利用SLM制造HIP同质包套(与基体粉材料相同)，克服复杂包套制造难的问题，同时免除异质包套去除的繁琐过程。但是，由于SLM成形过程具有激光快熔快冷特征，因此制备的包套存在微细柱状晶和针状组织。热等静压中粉末基体材料为离散颗粒，通过高温高压的作用使颗粒移动、塑性变形、扩散与蠕变致密化，并在再结晶机制驱动下形成由等轴晶与板条状组织组成的较粗大组织。所以，SLM成形包套与热等静压粉末连接界面处组织突变，直接影响了最终成形零件的性能。
发明内容
本发明目的在于提供一种同质包套热等静压成形方法，该方法通过增强界面处的结合强度以保证最终制件优良的机械性能
本发明提供的一种同质包套热等静压成形方法，该方法利用SLM成形出具有梯度多孔结构的同质包套，使得同质包套与粉末间出现梯度渐变且互相交叉嵌合的组织结构的界面，从而增强界面处的结合强度。
上述技术方案的改进，其具体实现过程如下：
第1步、根据制件形状结构设计出初始包套模型，模拟预测初始包套在热等静压高温高压作用下变形趋势，并计算出其变形补偿量，利用该变形补偿量对初始包套模型进行补偿，得到优化包套模型；
第2步、在优化包套模型基础上，将包套内层设计成梯度多孔结构，然后采用三维造型软件将同质包套结构转化成的三维CAD模型；
第3步、将三维CAD模型轩转为STL文件，并将该文件的数据信息输送到SLM快速成形机；然后，将SLM成形室抽真空，防止同质包套制造的过程中被氧化；
第4步、根据同质包套的材料，利用SLM快速成形机对制造出同质包套；
第5步、往检漏合格的同质包套内部装入待成形的合金粉末，并震动摇实；
第6步、将上述包套至于加热炉中，然后在高温下利用真空设备通过抽真空管对包套内部进行抽真空处理，抽真空完成以后将抽气管封焊；
第7步、对包套进行热等静压处理；
第8步、最终制造出制件。
两种形态材料在热等静压高温高压作用下最终存在差异，从而导致两者的连接界面存在组织与性能的突变，这种界面处的组织突变将直接影响最终成形零件的性能。针对现有热等静压制造方法中存在的问题，本发明提供了一种连接界面具有梯度渐变结构同质包套的热等静压成形方法，本发明具有以下优点：
(1)由于SLM能成形几乎任何复杂形状的技术特点，所以极大程度上缩短了传统工艺中多工序包套制造的流程与周期，同时也克服了传统方法无法加工特殊与复杂材料包套的技术瓶颈问题。
(2)将模拟与同质包套结合实现热等静压无需去掉包套的近净成形。该方法直接避免了异质包套与粉末间相互扩散污染零件表面的缺陷，同时缩短了传统异质包套热等静压后机加工或酸腐蚀的去除工艺。
(3)将同质包套内侧表面(在热等静压中与粉末相接处的面)设计成多孔梯度渐变结构，使得热等静压后界面呈现梯度变化的组织结构，因此克服了SLM成形的同质包套与HIP致密体界面组织与性能突变的弊端，使得最终成形出机械性能较优的制件。
总之，本发明是热等静压(HIP)/激光选区熔化(SLM)3D打印复合工艺的成形方法，可以克服传统异质包套难加工或无法加工的技术瓶颈，缩短包套与热等静压后处理的工序与周期，提升了热等静压粉末近净成形的应用范围与前景。
附图说明
图1为同质包套CAD模型优化流程图；
图2为本发明方法示意图，其中(a)为SLM成形界面呈现梯度多孔结构的同质包套，(b)为装满粉末后的同质包套，(c)为同质包套在热等静压过程中受高温高压同时作用，(d)为热等静压后成形件；其中1为同质包套，2为梯度多孔结构，3为粉末，4为热等静压后同质包套与致密体渐变过度区域。
图3为实例1中制造Ni625涡轮盘零件的同质包套连接界面处梯度多孔渐变结构示意图。
图4为实例2中制造Ti6Al4V机匣零件的同质包套连接界面处梯度多孔渐变结构示意图。
具体实施方式
本发的目的在于提供一种热等静压(HIP)/激光选区熔化(SLM)复合工艺的成形方法，该方法利用SLM成形出具有梯度渐变结构的同质包套，使得同质包套与粉末间出现梯度渐变，且互相交叉嵌合的组织结构的界面，从而增强界面处的结合强度，在保证最终制件的综合机械性能的同时减少了包套与热等静压后处理的工序与周期，拓宽了热等静压粉末近净成形的应用领域与前景。
下面结合实例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。
本发明实例提供的一种连接界面具有梯度渐变结构的同质包套热等静压成形方法，具体包括下述步骤：
1、根据制件形状结构设计出初始包套模型，模拟预测初始包套在热等静压高温高压作用下变形趋势，并计算出其变形补偿量，利用该变形补偿量对初始包套模型进行补偿，得到优化包套模型；
由于同质包套在热等静压后也是制件的一部分，因此模拟预测热等静压过程中包套的变形量至关重要，其CAD模型优化过程如图1所示：
(1)、首先根据制件CAD模型设计出初始包套CAD模型，然后对初始包套进行模拟，得到热等静压后制件的模拟CAD模型(模拟中需要的本构模型与材料热物性参数是基于前期基础实验室而获得)；
(2)、将制件CAD模型与模拟CAD模型对比，计算出包初始套热等静压中的变形补偿量；
(3)、利用变形补偿量对初始包套CAD模型进行补偿，将得到的补偿后制件CAD模型进行再次模拟，得到热等静压后制件的再次模拟CAD模型；
(4)、若再次模拟CAD模型与初始制件CAD模型尺寸吻合(＞95％)，则将补偿后制件CAD模型作为优化包套模型；若不满足要求，则再次补偿、模拟直到满足要求为止。
通常使用Marc、Ansys、Abaqus等模拟软件，准确、方便、高效。
2、在优化包套模型基础上，将包套内层(与粉末基体材料接触的面)设计成梯度多孔结构，最后采用三维造型软件将同质包套结构转化成的三维CAD模型；
梯度多孔结构是根据热等静压过程中使用的粉末大小来设计其多孔大小的变化范围，通常将孔径大小设计在150μm至1000μm之间。由于SLM成形的同质包套组织细小，而热等静压成形的致密件组织相对粗大，所以梯度渐变结构的规律是：(1)由外向里，连接界面处的孔隙比例是逐渐增大的；(2)梯度多孔结构的总厚度取决于包套设计厚度与制件大小，通常梯度结构总厚度是包套厚度的0.2-0.8倍；(3)根据梯度的类型，可将梯度设计成连续状(如图3)与非连续状(如图4)，在连续状梯度结构中孔隙比例连续增加，而在非连续状梯度结构中孔隙比例非连续增加，通常根据包套厚度与制件大小可将非连续状梯度结构设计成2-10个梯度等级。
3、将设计出来的三维CAD模型由切片软件处理后保持为STL文件，并将该文件的数据信息输送到SLM快速成形机。然后，将SLM成形室抽真空，防止同质包套制造的过程中被氧化。同质包套材料选择与热等静压中相同的粉末材料，但两者的粉末粒度不同，SLM工艺适合成形粒度为30-50μm，而热等静压适合成形粒度为80-150μm。
4、根据同质包套的材料，设置适合该材料SLM成形的工艺参数(扫描功率、扫描速度、铺粉厚度、扫描间距等)，然后开始铺粉制作包套，最后制造出同质包套；
5、对SLM成形出来的同质包套进行检漏，在保证包套不漏气后，往包套内部装入待成形的合金粉末，并震动摇实；
6、将上述包套至于加热炉中，然后在高温下利用真空设备通过抽真空管对包套内部进行抽真空处理，抽真空完成以后将抽气管封焊；
加热温度为400℃-600℃(优选500℃)，包套内部真空度为10-3-10-4Pa(理论上真空度越高越理想)；
7、对包套进行热等静压处理；
根据基体材料选择合适的温度，通常温度为基体材料熔点的0.5-0.8倍，压力为100-200MPa。
8、最终制造出制件。
实例：
实例1：
运用本发明来制造Ni625涡轮盘零件为实例。高性能航天发动机的制造是制约我国新一代重载火箭的瓶颈之一。随着新一代发动机推重比不断提高，要求其关键零件重量更轻、力学性能更高，需采用高性能整体成形技术才能达到这些要求。精密铸造是目前国内外航天发动机涡轮等关键零件的主流制造技术，但铸件存在组织不均匀、表面质量、内部缩松缩孔和夹杂等突出问题，难以满足新一代发动机高性能和轻量化的要求。例如，460吨发动机涡轮泵中，核心涡轮零件的线速度高达300m/s，应力水平已经超过铸件的极限，现有铸造技术已无法满足其使用要求。
在此背景下，运用本发明制造形状结构复杂的Ni625涡轮盘零件，具体步骤如下：
(1)根据涡轮盘结构设计热等静压成形初始包套，模拟预测初始包套在热等静压高温高压作用下变形趋势，并计算出其变形补偿量，从而优化包套设计；
(2)在优化后的包套模型基础上，将包套内表面(与粉末基体材料接触的面)设计成梯度多孔渐变结构，最后将采用三维造型软件将同质包套结构转化成的三维CAD模型。该同质包套梯度多孔渐变结构如图3所示，孔径大小变化范围为：300-600μm；
(3)将设计出来的三维CAD模型由切片软件处理后保持为STL文件，并将该文件的数据信息输送到SLM快速成形机。然后，将SLM成形室抽真空，防止同质包套制造的过程中被氧化；
(4)根据同质包套的三维STL数据，采用激光功率为400W的光纤激光器，激光光斑为10μm，扫描功率为50％，扫描速度为500mm/s，扫描间距为0.06mm，铺粉厚度为0.02mm的SLM成形工艺，成形粒度为20-40μm的Ni625粉末。设置好工艺参数后，开始铺粉并制造包套；
(5)Ni625同质包套加工完成之后，在包套间隙处填满待成形的Ni625粉末材料，并震动摇实。此时Ni625粉末粒度为80-150μm；
(6)将上述包套至于加热炉中，然后在500℃下利用真空设备通过抽真空管对包套内部进行抽真空处理，当真空度达到10-3Pa后将抽气管封焊；
(7)将装满Ni625粉末的同质包套放入热等静压成形室内，热等静压工艺参数为：1100℃、120MPa，同时升温升压，保温保压3小时；
(8)热等静压后，除去抽气口得到最终Ni625涡轮盘零件；
实例2：
运用本发明来制造Ti6Al4V机匣零件为实例。随着新型飞机的推出，对新一代发动机在工作性能指标方面提出了更高的要求。例如，现役市场份额最大的A320/B737等机型酝酿发展第五代发动机，主要技术指标与第四代发动机(如CFM56-5B/-7B)相比：耗油率下降10-15％(达到0.54-0.55kg/daNh)；噪声比FAR36第四阶段降低15分贝；NOx排放减少40-50％；维护成本降低15-25％；寿命延长25％。这些工作性能的提升导致发动机对高推重比、结构复杂化和高可靠性等需求不断增大，例如中介机匣服役350℃时的抗拉强度高于原来的指标500MPa，超出了现有铸件的性能极限，对制造技术提出了更高要求。
运用本发明制造满足新一代发动机要求的Ti6Al4V机匣零件，具体步骤如下：
(1)根据机匣结构设计热等静压成形初始包套，模拟预测初始包套在热等静压高温高压作用下变形趋势，并计算出其变形补偿量，从而优化包套设计；
(2)在优化后的包套模型基础上，将包套内表面(与粉末基体材料接触的面)设计成梯度多孔渐变结构，最后将采用三维造型软件将同质包套结构转化成的三维CAD模型。该同质包套梯度多孔渐变结构如图4所示，孔径分别为300μm、600μm、900μm；
(3)将设计出来的三维CAD模型由切片软件处理后保持为STL文件，并将该文件的数据信息输送到SLM快速成形机。然后，将SLM成形室抽真空，防止同质包套制造的过程中被氧化；
(4)根据同质包套的三维STL数据，采用激光功率为400W的光纤激光器，激光光斑为10μm，扫描功率为55％，扫描速度为550mm/s,扫描间距为0.07mm，铺粉厚度为0.02mm的SLM成形工艺，成形粒度为20-40μm的Ti6Al4V粉末。设置好工艺参数后，开始铺粉并制造包套；
(5)Ti6Al4V同质包套加工完成之后，在包套间隙处填满待成形的Ti6Al4V粉末材料，并震动摇实。此时Ti6Al4V粉末粒度为80-150μm；
(6)将上述包套至于加热炉中，然后在500℃下利用真空设备通过抽真空管对包套内部进行抽真空处理，当真空度达到10-3Pa后将抽气管封焊；
(7)将装满Ti6Al4V粉末的同质包套放入热等静压成形室内，热等静压工艺参数为：930℃、120MPa，同时升温升压，保温保压3小时；
(8)热等静压后，除去抽气口得到最终Ti6Al4V涡轮盘零件；
总之，本发明的实质是根据模拟结果，设计出包套结构，并将包套内部与热等静压粉末接触的面设计成梯度多孔渐变结构。然后，根据包套三维模型采用SLM技术成形出同质包套，最后装粉、抽气、焊接、热等静压得到无需除去包套的制件。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种同质包套热等静压成形方法，该方法利用SLM成形出具有梯度多孔结构的同质包套，使得同质包套与粉末间出现梯度渐变且互相交叉嵌合的组织结构的界面，从而增强界面处的结合强度。
2.根据权利要求1所述的一种同质包套热等静压成形方法，其特征在于，该方法的具体实现过程如下：
第1步、根据制件形状结构设计出初始包套模型，模拟预测初始包套在热等静压高温高压作用下变形趋势，并计算出其变形补偿量，利用该变形补偿量对初始包套模型进行补偿，得到优化包套模型；
第2步、在优化包套模型基础上，将包套内层设计成梯度多孔结构，然后采用三维造型软件将同质包套结构转化成的三维CAD模型；
第3步、将三维CAD模型轩转为STL文件，并将该文件的数据信息输送到SLM快速成形机；然后，将SLM成形室抽真空，防止同质包套制造的过程中被氧化；
第4步、根据同质包套的材料，利用SLM快速成形机对制造出同质包套；
第5步、往检漏合格的同质包套内部装入待成形的合金粉末，并震动摇实；
第6步、将上述包套至于加热炉中，然后在高温下利用真空设备通过抽真空管对包套内部进行抽真空处理，抽真空完成以后将抽气管封焊；
第7步、对包套进行热等静压处理；
第8步、最终制造出制件。
3.根据权利要求1或2所述的一种同质包套热等静压成形方法，其特征在于，所述梯度多孔结构是根据热等静压过程中使用的粉末大小来设计其多孔大小的变化范围，并且由外向里连接界面处的孔隙比例是逐渐增大的。
4.根据权利要求1或2所述的一种同质包套热等静压成形方法，其特征在于，所述梯度多孔结构是由外向里，连接界面处的孔隙比例是逐渐增大的；梯度多孔结构的总厚度取决于包套设计厚度与制件大小，为包套厚度的0.5-0.8倍；梯度多孔结构的孔径大小设计在150μm至1000μm之间。
5.根据权利要求1或2所述的一种同质包套热等静压成形方法，其特征在于，所述梯度多孔结构的梯度类型为连续状或与非连续状，非连续状梯度结构设计成2-10个梯度等级。
6.根据权利要求2所述的一种同质包套热等静压成形方法，其特征在于，第1步具体包括下述过程：
(1.1)、首先根据制件CAD模型设计出初始包套CAD模型，然后对初包套进行模拟，得到热等静压后制件模拟CAD模型；
(1.2)、将制件初始包套CAD模型与模拟CAD模型对比，计算出包套热等静压中的变形补偿量；
(1.3)、利用变形补偿量对初始包套CAD模型进行补偿，将得到的补偿后制件CAD模型进行再次模拟，得到热等静压后制件再次模拟CAD模型；
(1.4)、若再次模拟CAD模型与初始的制件CAD模型尺寸吻合，则将补偿后制件CAD模型作为优化包套模型；若不满足要求，则再次补偿、模拟直到满足要求为止。
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