CN105251997B - 一种基于分流增塑的热等静压成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分流增塑的热等静压成形方法，其包括如下步骤：根据待热等静压成形零件的形状和尺寸，设计并加工出热等静压成形模具，在成形模具局部粉末难流动部位增设分流增塑件；采用CAE模拟软件模拟热等静压成形过程，根据CAE模拟结果调整分流增塑件的尺寸和位置；装配热等静压成形模具和分流增塑件，在热等静压成形模具中装入粉末后震实，对热等静压成形模具抽真空并封焊；对热等静压成形模具进行热等静压成形处理；去除热等静压成形模具和分流增塑件，精加工获得所需制件。本发明提高了粉末在热等静压过程中的流动性，增加了粉末难致密部位的相对密度，避免了狭长流道部位粉末的大应力集中，提高了最终制件的综合性能。

Description

一种基于分流增塑的热等静压成形方法

技术领域

本发明属于热等静压成形技术领域，更具体地，涉及一种基于分流增塑的热等静压成形方法。

背景技术

近年来热等静压(Hot Isostatic Pressing)技术快速发展，热等静压后的制品因其良好的力学性能，极高的材料利用率(90％以上)以及可成形各种复杂零部件的优势而广泛应用于航天航空、船舶和汽车等领域中。热等静压制品主要使用贵重粉末材料成形复杂零部件，如Ti合金、Ni基高温合金等。

热等静压技术主要是利用包套作为粉末材料成形的容器，包套和控形型芯即为热等静压的成形模具，在热等静压过程中首先往包套中填充粉末，然后封焊端盖，检测漏气状况，如果不合格则重新封焊至不漏气为止，之后震动紧实，抽真空，将抽气管封焊从而获得压坯，接着对压坯进行适当温度和压力下的热等静压成形，之后去除包套得到粗坯，最后去除控形型芯并精加工得到最终零部件。整个成形过程中控形模具对等静压制品控形起到很大作用，是热等静压制品成功与否的关键。

传统热等静压包套的控形型芯主要用高温下不易变形的石墨和陶瓷材料，这样虽然可以保证制件的尺寸精度但是由于石墨或陶瓷材料型芯没有退让性对粉末的变形阻力太大，粉末充型时受三向静水压力，主应力之间差距很小无法达到屈服条件，塑性变形很差，无法致密化；而且成形过程中远离型芯的粉末和型芯附近粉末流动速度差别很大，这使得最终零件性能各部位不均匀，最终影响制件性能。此外，采用热等静压工艺制备复杂零部件时，常常因零件复杂使得等静压过后零件拐角、狭长流道等位置的粉末因流动困难，降低了制件关键位置的力学性能，阻碍了热等静压的发展影响了制件的整体性能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于分流增塑的热等静压成形方法，该方法引入分流增塑的原理以提高粉末热等静压过程中的流动性，利用分流增塑芯的高温退让性或开设分流增塑孔，使得粉末在热等静压成形时充填狭长流道时始终存在径向流动，避免粉末变形集中在难致密的粉末流动区域，增加了粉末流动性，分散了应力集中，粉末流动更好，流动速度更均匀，成形效果更好，最终使得零件致密化提高性能增强，因而适用于难以致密化的复杂零件的热等静压成形。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于分流增塑的热等静压成形方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)根据待热等静压成形零件的形状和尺寸，设计并加工出热等静压成形模具，在所述成形模具局部粉末难流动部位增设分流增塑件；

(2)采用CAE模拟软件对所述热等静压成形模具模拟热等静压成形过程，根据CAE模拟结果调整所述分流增塑件的尺寸和位置；

(3)根据CAE模拟结果装配所述热等静压成形模具和分流增塑件，然后在所述热等静压成形模具中装入粉末后震实，接着对所述热等静压成形模具抽真空并封焊；

(4)对所述热等静压成形模具进行热等静压成形处理；

(5)待所述热等静压成形处理完成后，去除热等静压成形模具和分流增塑件以获得热等静压成形零件压坯，精加工所述压坯得到所需的热等静压成形零件。

作为进一步优选的，所述分流增塑件为分流增塑孔或分流增塑芯。

作为进一步优选的，所述分流增塑孔对称设于所述粉末的狭长流道的两侧。

作为进一步优选的，在热等静压成形过程中，所述粉末流入所述分流增塑孔中，保证狭长流道未完全填充之前始终存在粉末流动。

作为进一步优选的，所述分流增塑芯在热等静压升温升压过程中，控制所述粉末的径向流动，在热等静压保温保压过程中，所述分流增塑芯屈服软化，为所述粉末的径向流动提供空间。

作为进一步优选的，所述热等静压成形处理时的压力为100MPa～120MPa。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

(1)在传统热等静压工艺中引入了分流增塑的概念，提供了全新的粉末致密化成形方式。

(2)采用增设分流增塑孔来提高粉末热等静压过程中的流动性，大大增加了粉末难致密部位的相对密度。

(3)分流增塑孔和分流增塑芯的存在使得狭长流道在粉末填充饱满之前始终存在增流槽的径向粉末流动，避免了狭长流道部位粉末的大变形以及大应力集中，提高了最终制件的综合性能。

(4)传统热等静压在成形复杂零件时，为保证局部粉末难流动部位的粉末相对密度往往必须将压力取得很大(120MPa以上)，而采用分流增塑的方法可在保证局部相对密度的情况下有效降低压力。

附图说明

图1(a)和(b)是增设分流增塑芯制备涡轮盘复杂件的模具示意图及成型后涡轮件；

图2(a)和(b)是增设分流增塑孔制备锥状复杂件的模具示意图及成型后锥状件。

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。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。

本发明针对热等静压复杂件局部难致密的缺陷，引入分流增塑的概念，利用CAE模拟指导增设分流增塑孔或设计分流增塑芯，其中分流增塑芯能使得热等静压升温升压过程中增塑芯由于没有达到屈服强度控制了粉末的径向流动，而在保温保压阶段由于温度压力达到临界值，增塑芯屈服软化，粉末能够有径向流动空间。而分流增塑孔由于直径小，在常温下粉末不会流入，而高温下由于粉末蠕变结合高压粉末会流入分流增塑孔，这使得粉末在热等静压充填流道过程中，在粉末完全填充狭长流道之前始终存在粉末流动，减小了粉末充型的压力，增加了粉末局部难致密部位的相对密度，一定程度上分散了应力集中，使得最终制件综合机械性能更好。

本发明的一种基于分流增塑的热等静压成形方法，其具体包括如下步骤：

(1)根据待热等静压成形零件的形状和尺寸，设计并加工出热等静压成形模具，在成形模具局部粉末难流动部位增设分流增塑件：

所述的热等静压成形模具包括包套和控形型芯，根据所需成形的零件材料、尺寸和结构特点，选择包套、控形型芯材料，设计包套和控形型芯的形状和尺寸，包套选择合适金属材料(如45钢等)，控形型芯对控形要求高的部位应用高温下变形可忽略的石墨材料或陶瓷材料等；

对于有狭长流道的难充型部位，考虑增设分流增塑孔或局部设计分流增塑芯，分流增塑孔可对称设计在狭长流道的两侧，孔径优选为0.1mm左右；分流增塑芯根据热等静压工艺和粉末材料选择，一方面要考虑在一定温度先软化，另外不能与粉末材料发生反应。

(2)采用CAE模拟软件对热等静压成形模具模拟热等静压成形过程，根据CAE模拟结果调整并确定增设分流增塑件(分流增塑孔或分流增塑芯)的尺寸和位置。

(3)根据CAE模拟结果装配热等静压成形模具和分流增塑件，然后在热等静压成形模具中装入粉末并震动紧实，接着对热等静压成形模具抽真空并封焊；然后进行检漏，若存在漏气现象，则需重新封焊，至不漏气为止。

(4)确定热等静压工艺参数，对热等静压成形模具进行热等静压成形处理：不同材料的工艺参数不通，如TC4粉末在930度左右，不锈钢粉末在1000～1100度左右等，压力根据零件结构和CAE仿真结果确定，一般在100～120MPa。

(5)待热等静压成形处理完成后，去除热等静压成形模具和分流增塑件以获得热等静压成形零件压坯，可采用线切割或者化学腐蚀等方式去除，机加工切除因增设分流增塑件而导致的多余部分，精加工压坯得到所需的热等静压成形零件。

以下为实施例：

实施例1

如图1所示,此例为运用本发明制造的涡轮件的实例：

(1)涡轮零件的直径为150mm，高为100mm，内孔为50mm，根据涡轮零件的尺寸和材料，设计304不锈钢圆筒包套2和控形型芯3，包套2直径为200mm，高为200mm，由于叶片尺寸精度要求高，控形型芯3选用等静压石墨材料，控形型芯高130mm，内孔50mm，直径150mm；考虑到叶片区域粉末难致密，考虑在中间加设分流增塑芯6，使得粉末充型更好，致密度更高，分流增塑芯选择复合金属材料，如inconel625合金复合材料，分流增塑芯位置如图1所示，包套中填充的粉末5材料选择镍基高温合金。

(2)采用CAE模拟软件对包套模拟热等静压成形过程，根据CAE模拟设置不同直径的分流增塑芯时，叶片的相对密度结果，调整并确定增设分流增塑芯的尺寸直径为25mm，高为150mm，并且位置设置于控形型芯3的内孔中心。

(3)装配包套、控形型芯，并根据模拟结果装配分流增塑芯，在包套中加入镍基高温合金粉末震动紧实；对包套进行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。

(4)对包套进行热等静压成形处理，等静压温度选择1200度，压力110MPa，升温升压时间和降温降压时间为3小时，保温保压为4小时。

(5)待热等静压成形处理完成后，线切割切掉中间多余部位材料，数控铣零件外表面，得到最终制件。

实施例2

如图2所示，此例为应用本发明制造的锥状零件的实例：

(1)锥状零件的锥底直径6mm，锥度1:5，根据锥状件设计热等静压包套2和控形型芯3如图2，其中包套选用304不锈钢材料，包套壁厚3mm，包套直径30mm，高60mm，控形型芯选用高强石墨材料，其长为20mm，高为40mm，并且中间挖有与锥状零件尺寸一致的锥状孔，此外，填充的粉末5选用316L不锈钢粉末材料。考虑到锥顶部位粉末充型困难，设计对称分流增塑孔4使粉末充型效果更好，孔径根据粉末粒度取0.1mm。

(2)采用CAE模拟软件对包套模拟热等静压成形过程，根据CAE模拟增设不同直径的分流增塑孔时，粉末在热等静压过程中的流动情况与最终零件致密度情况结果，保证粉末在热等静压升温升压阶段不会流入分流增塑孔而在热等静压的保温包压阶段会流入分流增塑孔从而提高成型件相对密度，调整并确定增设分流增塑孔的尺寸为0.1mm，并且位置设于距离难致密的锥状件尖角的2mm处。

(3)装配包套、控形型芯，并根据模拟结果设计分流增塑孔，在包套中加入316L不锈钢粉末震动紧实；通过抽气口1对包套进行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。

(4)对包套进行热等静压成形处理，等静压温度选择1050度，压力120MPa，升温升压时间和降温降压时间为3小时，保温保压4小时。

(5)待热等静压成形处理完成后，线切割切掉外围多余部位材料和对称分流增塑孔部位多余材料，精加工外表面得到最终制件。

综上，本发明的方法可提高热等静压制件的相对密度，特别是复杂零部件的难致密部位，该方法可在降低热等静压压力的情况下提高复杂零部件的相对密度，进而提高零件性能，尤其适用于内腔复杂流道狭长的零件致密化成形。

本领域的技术人员容易理解，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 (2)

1.一种基于分流增塑的热等静压成形方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)根据待热等静压成形零件的形状和尺寸，设计并加工出热等静压成形模具，在所述成形模具局部粉末难流动部位增设分流增塑件；

(2)采用CAE模拟软件对所述热等静压成形模具模拟热等静压成形过程，根据CAE模拟结果调整所述分流增塑件的尺寸和位置；

(3)根据CAE模拟结果装配所述热等静压成形模具和所述分流增塑件，然后在所述热等静压成形模具中装入粉末后震实，接着对此热等静压成形模具抽真空并封焊；其中对于所述分流增塑件而言，其为分流增塑孔并且对称设于所述粉末的狭长流道的两侧；

(4)对所述热等静压成形模具进行热等静压成形处理，在此过程中，所述粉末流入所述分流增塑孔中，并且保证所述狭长流道未完全填充之前始终存在粉末流动；

(5)待所述热等静压成形处理完成后，去除所述热等静压成形模具和所述分流增塑件以获得热等静压成形零件压坯，精加工所述压坯得到所需的热等静压成形零件。

2.如权利要求1所述的基于分流增塑的热等静压成形方法，其特征在于，所述热等静压成形处理时的压力为100MPa～120MPa。