CN105436505A - 一种用于提高零件表面质量的热等静压成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高零件表面质量的热等静压成形方法，其包括如下步骤：根据成形零件的形状和尺寸设计出包套和控形型芯的三维模型；根据所设计的三维模型制作不锈钢包套和碳钢控形型芯，利用PVD法在控形型芯表面喷涂陶瓷涂层；将控形型芯固定在包套中，往包套内填充粉末，震动摇实；对包套进行抽气和加热处理，待包套中真空度达到一定程度后进行封焊；采用先升温后升压的工艺对包套进行热等静压处理，使粉末在高温高压作用下紧实致密化；去除包套及控形型芯获得最终零件。本发明利用具有涂层的碳钢型芯作为控形型芯，可有效阻止碳钢芯子和粉末之间的元素扩散，避免合金表面因扩散造成的元素偏析，提高合金表面质量。

Description

一种用于提高零件表面质量的热等静压成形方法

技术领域

本发明属于热等静压成形领域，更具体地，涉及一种用于提高零件表面质量的热等静压成形方法。

背景技术

航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等关键部位的高温部件对材料的要求极为苛刻，它不但要求具有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力，同时还要求具有较高的高温强度、蠕变强度和持久强度以及良好的疲劳性能。镍基合金和钛合金因其具有良好的综合性能而广泛应用于航空航天领域。镍基合金具有良好抗热疲劳性、热膨胀系数低、弹性模量高等特点，同时具有良好的高温抗氧化性和抗腐蚀能力，镍基高温合金一般在600℃以上并承受一定的应力条件下工作，广泛的应用于航空发动机和工业燃气涡轮等热端部件；钛合金具有比强度高，高热强性和高持久强度，在震动载荷以及冲击载荷作用下裂纹的敏感性低，并且具有良好的抗腐蚀性，因此在航空航天发动机以及壳体结构中应用较为广泛。

但是，由于镍合金和钛合金熔点高、强度大，采用常规方法加工(铸造、锻造、机加工)成形难度较大。目前，采用热等静压技术实现复杂钛合金零件的粉末整体成形，在高温高压同时作用下，通过包套介质传递温度和压力，使包套内粉末材料变形、致密并固结。使用热等静压成形零件具有宏观偏析小、力学性能好、材料利用率高和成形工艺周期短的优势。

然而，现有技术中采用常规材料做控型型芯时，在高温高压作用下，粉末颗粒元素与控形型芯之间容易发生扩散，致使成形后零件表层元素含量发生改变，部分元素通过扩散作用转移到了控形型芯表面，同时控形型芯表面也有部分元素通过扩散到了成形零件表面，这种现象导致了合金元素分布不均匀，降低了零件表面质量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于提高零件表面质量的热等静压成形方法，其中利用在碳钢型芯表面涂覆一层具有一定厚度的陶瓷涂层，可避免粉末和控形型芯的物理接触，有效阻止碳钢芯子和粉末材料之间的元素扩散，避免合金表面因扩散造成的元素偏析，提高合金表面质量；同时对热等静压的成形工艺进行研究和设定，可成形出致密化程度高，综合性能优良的合金零件。

为实现上述目的，本发明提出了一种用于提高零件表面质量的热等静压成形方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)根据成形零件的形状和尺寸，利用三维建模软件设计出包套和控形型芯的三维模型；

(2)根据所设计的三维模型制作包套和控形型芯，所述包套采用不锈钢制成，所述控形型芯采用碳钢制成；利用PVD法在所述控形型芯表面喷涂陶瓷涂层；

(3)将所述控形型芯固定在所述包套中，然后往包套内填充粉末，并震动摇实；对所述包套进行抽气处理，同时对其进行加热处理，以排除粉末颗粒间的残存气体，待包套中真空度达到一定程度后进行封焊处理；

(4)采用先升温后升压的热等静压处理工艺对所述包套进行热等静压处理，在处理过程中，所述粉末在高温高压作用下紧实致密化，所述陶瓷涂层用以减少所述粉末与控形型芯表面的摩擦力，并阻止粉末和控形型芯之间的元素扩散，从而提高零件的表面质量；

(5)采用机加工或化学腐蚀法去除包套及控形型芯，获得最终零件。

进一步优选的，所述陶瓷涂层为AlTiN，其厚度为10μm～50μm。

进一步优选的，所述加热处理的加热温度为400℃～650℃。

进一步优选的，步骤(3)中所述的真空度达到一定程度后是指真空度为10^-3～10^-4。

进一步优选的，所述热等静压处理的保温温度为950℃～1200℃，压力为100MPa～200MPa。

进一步优选的，所述热等静压处理的保温温度进一步优选为1100℃，压力进一步优选为120MPa。

进一步优选的，所述粉末优选为FGH97合金粉末、Inconel625合金粉末或TC4合金粉末。

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.本发明在热等静压过程中，粉末在高温高压耦合作用下经过颗粒靠近与重排、塑性变形、扩散蠕变过程并最终致密化，粉末之间通过扩散连接紧密结合在一起；利用PVD法在碳钢型芯表面涂覆一层具有一定厚度的陶瓷涂层，在热等静压过程中涂层可避免粉末和控形型芯的物理接触，有效阻止碳钢芯子和粉末材料之间的元素扩散，避免合金表面因扩散造成的元素偏析，提高合金表面质量；同时涂层高温润滑性能好，与没有涂覆功能涂层的型芯相比，可以显著减少粉末与型芯表面的摩擦力，改善粉末材料的流动性，提高粉末蠕变变形效率，有利于粉末填充控形型芯，减少成形过程中孔洞的产生，从而成形出致密化程度较高，综合性能优良的合金零件。

2.本发明采用粉末为材料，利用表面具有功能涂层的碳钢作为内部控形型芯，结合适当的热等静压工艺，利用高温高压复合载荷结合模具控形技术实现高温合金零件的粉末整体成形，在保证材料强度、致密度情况下提高合金零件的表面粗糙度，提高合金的综合力学性能，具有材料利用率高、成形工艺流程短的优点，适合于制造航空航天领域具有复杂结构并且性能要求高的关键零部件。

附图说明

图1(a)和(b)是控形型芯喷涂示意图；

图2(a)和(b)是热等静压过程示意图；

图3(a)和(b)是热等静压结束后去掉包套和型芯过程示意图。

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。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。

本发明的一种用于提高零件表面质量的热等静压成形方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)根据成形零件的形状和尺寸，利用三维建模软件设计出包套1和控形型芯的三维模型。

对于具有复杂结构的零件，合理的包套设计和型芯设计十分重要，对于一些容易产生缺陷的部位，应对其结构进行优化，以获得质量优良的零件产品，常常采用Pro/E、SolidWorks等软件进行建模优化，大大减少了包套和型芯设计的周期。

(2)根据所设计的三维模型制作包套和控形型芯，所述包套采用不锈钢制成，所述控形型芯采用碳钢制成；利用PVD(物理气相沉积)法在所述控形型芯表面喷涂陶瓷涂层2，涂层厚度优选为10μm～50μm。

采用机加工等成形方法制作相应的包套和控形型芯，对于包套和型芯材料的选择极其重要，对于包套材料，应选择加工性能优良、热等静压结束后容易去除的材料，在本发明中，采用不锈钢作为热等静压包套材料。而对于型芯，除了具有加工性能好之外，应具备一定的强度和刚度，以达到精准控形的目的，采用的控形型芯为碳钢。通常包套4采用桶状结构，包括筒体、上端盖、下端盖和抽气口3，壁厚选择为2mm～3mm。

(3)将所述控形型芯固定在所述包套中，然后往包套内填充粉末5，并震动摇实；对所述包套进行抽气处理，同时对其进行加热处理，以排除粉末颗粒间的残存气体，待包套中真空度达到一定程度后进行封焊处理：

具体的，将包套的筒体和控形型芯组装在包套下端盖上，并将下端盖和上端盖焊接到包套上；在组装好的包套与控形型芯间隙处填充好粉末材料，并振实；将抽气管焊接到包套的抽气口，以便于包套的抽气；对焊接好的包套进行抽气处理，在抽气的同时对包套进行加热处理，加热温度为400℃～650℃，以尽可能排除粉末颗粒间的残存的气体，待真空度达到一定程度后(真空度为10^-3～10^-4时)对抽气管进行封焊。

(4)采用先升温后升压的热等静压处理工艺对所述包套进行热等静压处理，在处理过程中，所述粉末在高温高压作用下紧实致密化，所述陶瓷涂层用以减少所述粉末与控形型芯表面的摩擦力，并阻止粉末和控形型芯之间的元素扩散，从而提高零件的表面质量。

根据粉末材料选择合适的热等静压温度，选择为粉末材料的0.5～0.8倍，保温温度为950℃-1200℃，压力为100～200MPa。在本发明中，对比不同温度条件下粉末的致密化状况，选择保温温度为1100℃，压力为120MPa。

为了获得表面粗糙度较低的样品，选择先升温后升压的工艺流程：先逐步提高热等静压设备腔体的温度，在1100℃条件下，粉末发生软化，变形抗力减小，在此温度条件下，由于粉末强度与具有涂层的控形型芯强度相当，粉末颗粒不容易镶嵌到控形型芯表面，形成波浪形界面；之后再提高腔体压力，将粉末压实致密。在上述过程中，陶瓷涂层起到了物理性隔离粉末材料和控形型芯的作用，不仅减少了粉末流动过程的阻力，还减少了因直接接触型芯而造成的污染，从而提高了成形零件的表面质量。

(5)采用机加工或化学腐蚀法去除包套及控形型芯，获得最终零件。机加工可采用线切割和切削加工；化学腐蚀的腐蚀剂可以选用硝酸或者王水。

以下为本发明的具体实施例：

实施例1

本实施例采用FGH97合金粉末作为基体材料，以提高合金的高温耐氧化性和耐腐蚀性；采用AlTiN作为涂层材料，AlTiN具有较高的硬度和耐磨性，同时还能降低材料的摩擦力。由于FGH97主要强化相固溶温度为1180℃，所以本次热等静压工艺参数温度为1100℃，压力选择为120MPa。根据上述参数利用本发明的方法制造飞机发动及涡轮叶片零件，具体步骤如下：

(1)根据涡轮叶片零件结构设计出配套的热等静压包套和控形型芯，包套下部加工成U型，可以减少底部焊接点，减少因焊接造成的泄露的风险；控形型芯采用碳钢，其形状由零件形状决定，并在相关部位对模具进行优化调整；选用平均粒径为100μm左右的FGH97合金粉末，在热等静压前对粉末进行净化处理；

(2)采用机加工方式加工出控形型芯和包套，利用PVD法在控形型芯表面喷涂AlTiN陶瓷涂层，涂层厚度为10μm；

(3)将控形型芯组装在包套里，通过焊接将包套上下两部分焊接到一起，将粉末装填进包套内部，振实，并在400℃温度下进行抽气处理，待包套内真空度达到10^-3Pa时，对抽气口进行封焊；

(4)对包套进行热等静压处理，其工艺条件为前3小时内先使热等静压设备温度升高到1100℃，然后在3小时内将压力提高到120MPa，最终再保温3小时，最后进行随炉冷却；

(5)利用线切割等机加工方法去除外围包套，剩余部分和型芯一起利用电化学腐蚀方法进行去除。

采用上述先升温后升压的方式进行成形，由于保温时间增加，相当于对零件进行了固溶处理，有利于零件性能的提升，且可避免采用同时升温升压的方法成形的零件与型芯和包套界面为波浪形的问题，成形的零件表面光滑，零件尺寸精度同高。

实施例2

利用本发明来制造Inconel625涡轮盘零件。随着航空航天技术的发展，航空发动机推重比越来越大，其进口温度也随之提高。镍基合金作为一种优秀的高温合金，现代燃气涡轮发动机有50％以上材料采用高温合金，其中镍基材料占40％左右。镍基合金作为常用发动机热端部件材料，在中、高温度条件下具有优异的综合性能。但是随着推重比的提高，对材料的高温性能及表面质量提出了更高的要求。针对以上问题，本发明以Inconel625粉末为原料，TiN作为涂层材料来提高基体材料的高温强度、耐磨性及表面质量。具体步骤如下：

(1)、根据涡轮盘设计热等静压所需要的包套和型芯，该包套主要由筒体、下盖板和带有抽气管的上盖组成；

(2)用加工方法成形出包套和控形模具，采用45#钢作为控形型芯，304不锈钢作为包套材料，并利用PVD方法在控形型芯表面喷涂一层TiN涂层，涂层厚度为50μm；

(3)将控形型芯固定在包套中，将粉末装填进包套内部，振实，并在650℃高温下进行抽气处理；待包套内真空度达到10^-3Pa时，对抽气口进行封焊；

(4)对包套进行热等静压处理，其工艺条件为前3小时内使热等静压设备温度升高到1200℃，然后在用3小时将压力提高到200MPa，最终再保温3小时，最后进行随炉冷却；对包套整体进热处理，在700℃下保温4小时，以减小材料内残余应力。

(5)利用线切割等机加工方法去除外围包套，剩余部分和型芯一起利用电化学腐蚀方法进行去除。

实施例3

利用本发明来提高TC4零件的耐磨性能和表面质量，具体步骤如下：

(1)根据零件形状设计出相应的包套和控形模具；选用平均粒径为100μm左右的TC4合金粉末，在热等静压前对粉末进行净化处理；

(2)采用机加工方式加工出控形型芯和包套，并利用PVD方法在控形型芯表面喷涂一层TiN涂层，涂层厚度为30μm；

(3)将控形型芯固定在包套中，通过焊接将包套上下两部分焊接到一起；将粉末装填进包套内部，振实，并在600℃高温下进行抽气处理，待包套内真空度达到10^-4Pa时，对抽气口进行封焊。

(4)对包套进行热等静压处理，其工艺条件为前3小时内使热等静压设备温度升高到950℃，然后在3小时内将压力提高到100MPa，最终再保温3小时，最后进行随炉冷却。

(7)利用线切割等机加工方法去除外围包套，剩余部分和型芯一起利用电化学腐蚀方法进行去除。

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 (7)

1.一种用于提高零件表面质量的热等静压成形方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)根据成形零件的形状和尺寸，利用三维建模软件设计出包套和控形型芯的三维模型；

(2)根据所设计的三维模型制作包套和控形型芯，所述包套采用不锈钢制成，所述控形型芯采用碳钢制成；利用PVD法在所述控形型芯表面喷涂陶瓷涂层；

(3)将所述控形型芯固定在所述包套中，然后往包套内填充粉末，并震动摇实；对所述包套进行抽气处理，同时对其进行加热处理，以排除粉末颗粒间的残存气体，待包套中真空度达到一定程度后进行封焊处理；

(4)采用先升温后升压的热等静压处理工艺对所述包套进行热等静压处理，在处理过程中，所述粉末在高温高压作用下紧实致密化，所述陶瓷涂层用以减少所述粉末与控形型芯表面的摩擦力，并阻止粉末和控形型芯之间的元素扩散，从而提高零件的表面质量；

(5)采用机加工或化学腐蚀法去除包套及控形型芯，获得最终零件。

2.如权利要求1所述的用于提高零件表面质量的热等静压成形方法，其特征在于，所述陶瓷涂层为AlTiN，其厚度为10μm～50μm。

3.如权利要求1或2所述的用于提高零件表面质量的热等静压成形方法，其特征在于，所述加热处理的加热温度为400℃～650℃。

4.如权利要求1或2所述的用于提高零件表面质量的热等静压成形方法，其特征在于，步骤(3)中所述的真空度达到一定程度后是指真空度为10^-3～10^-4。

5.如权利要求1或2所述的用于提高零件表面质量的热等静压成形方法，其特征在于，所述热等静压处理的保温温度为950℃～1200℃，压力为100MPa～200MPa。

6.如权利要求5所述的用于提高零件表面质量的热等静压成形方法，其特征在于，所述热等静压处理的保温温度进一步优选为1100℃，压力进一步优选为120MPa。

7.如权利要求5所述的用于提高零件表面质量的热等静压成形方法，其特征在于，所述粉末优选为FGH97合金粉末、Inconel625合金粉末或TC4合金粉末。