CN105562694A - 一种适用于增材制造零部件的热等静压三控方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种适用于增材制造零部件的热等静压三控方法。该方法首先根据零部件的材质以及缺陷状况进行热等静压处理工艺的设计，为防止复杂形状零部件的变形，选择较低温度、较高压力的处理工艺，配合辅助工装保证零部件的形状和尺寸精度。此外，在热等静压处理过程中，根据零部件的控相工艺要求，选择在热等静压高温处理的同时进行热处理或在热等静压处理完成后的降温过程中进行热处理，对相及组织进行调控，获得所需性能的增材制造零部件。本发明将控制增材制造零部件的形状、提高增材制造零部件的性能以及增材制造零部件的控相结合，在热等静压工艺过程中短流程实现控形、控性、控相，有利于降低成本，实现工业化生产。

Description

一种适用于增材制造零部件的热等静压三控方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种适用于增材制造零部件的热等静压三控方法。

背景技术

增材制造，是通过逐层打印的方式制造零部件的技术，适用的材料有塑料、树脂、陶瓷、金属等。增材制造技术发展初期，常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，随着技术的不断进步，逐渐用于一些产品的直接制造，特别是常规工艺无法生产的大尺寸、复杂形状金属零部件，在航空航天、军工、汽车等行业表现出巨大的应用前景。

钛合金、高温合金、超高强度钢、铝合金是金属材料增材制造的热门，国内外均做了大量研究，但目前想要通过增材制造技术生产可直接应用的大型复杂零部件，特别是钛合金、高温合金此类应用要求很高的零件，仍存在很大的技术难度。这主要是由于增材制造过程中金属粉末熔融成形的规律未完全认清，制造过程中的缺陷无法完全控制，主要有以下几方面：1)金属粉末因温度梯度产生热应变和残余应力，2)因球化效应、快速凝固时气体来不及逸出、凝固收缩等形成气孔；3)凝固时没有足够的液体金属补充、冷却收缩时受到周围基材束缚，出现裂纹。此外，增材制造过程中粉末经受快热快冷作用，组织通常为快冷组织，也需要经过后续热处理对相加以调控获得适当的组织，因此，如何最优化地消除缺陷并对相进行调控成为解决增材制造金属零部件能否真正应用的关键。

热等静压是一种高温高压技术，将制品放置在密闭的容器中，向制品施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压作用下，制品得以烧结和致密化。目前，热等静压技术常用于铸件的致密化处理，消除疏松缩孔等缺陷，提高铸件整体力学性能。将热等静压技术用于增材制造零部件时，可消除残余应力、使零部件内部的残余孔隙及微裂纹闭合，大幅提高增材制造零部件的性能，特别是疲劳性能与可靠性。如中国专利号为No.201510134258.5的发明专利提供了一种基于3D打印与电火花精整的整体叶盘制备方法，首先制备整体叶盘的轮毂，然后3D打印制备整体叶盘坯体，并对整体叶盘进行热等静压处理，工艺为：加热到940℃，加压至200MPa，保温恒压1h，然后冷却至650℃，减压至110MPa，再保温恒压2-4h，最后冷却至500℃，并减压至大气压，然后再随炉冷却至室温。最后对表面进行机械加工，得到整体叶盘。上述发明专利在叶盘制备过程中，叶盘的热等静压处理类似于常规铸件致密化，未对材料的相进行控制，而金属材料的性能与其相、组织的关系十分密切。因此，在热等静压处理过程中，如何实现金属零部件的控形、控性、控相，成为增材制造零部件热等静压处理的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于增材制造零部件的热等静压三控方法，在热等静压处理过程中，对复杂零部件的形状、性能以及相进行控制(控形、控性、控相)，保证增材制造零部件的形状及尺寸精度，获得合适的相及组织，大幅提高增材制造零部件的性能，使其得到真正应用。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供一种适用于增材制造零部件的热等静压三控方法，包括如下步骤：

(1)分析增材制造零部件的形状及缺陷状况；

(2)控形、控性：根据零部件的形状设计工装，装炉后进行热等静压处理；

(3)控相：在热等静压高温处理的同时或在热等静压处理完成后的降温过程中进行热处理，完成控相。

所述步骤(2)中，根据零部件的材质选择热等静压工艺参数如下：

铝合金的热等静压温度为400～550℃，钛合金的热等静压温度为900～1100℃，超高强度钢的热等静压温度为1000～1200℃，高温合金的热等静压温度为1050～1250℃；热等静压压力为120～200MPa、保温时间为2～4h。

所述步骤(2)中，根据零部件的缺陷状况确定工艺参数如下：

当零部件的闭合孔隙率较低，即闭合孔隙率<1％、微裂纹较少，即微裂纹数量<5时，选择相应材料的低限热等静压处理温度、压力和时间即可；

当闭合孔隙率较高，即1％≤闭合孔隙率≤3％或微裂纹数量较多，即5≤微裂纹数量≤10时，适当提高热等静压处理温度、压力及时间。

所述步骤(2)中，热等静压处理为无包套热等静压处理。

所述步骤(3)中，所述热处理为通过控制温度和冷却速率实现退火、固溶、时效、淬火、空冷和炉冷工艺中的一种或几种。

退火温度范围400～800℃、保温时间2～5h。

固溶温度范围400～1150℃、保温时间1～5h。

时效温度范围150～600℃、保温时间3～20h。

冷却速率范围1℃/min～3000℃/min。

该方法适用于铝合金、钛合金、超高强度钢和高温合金材料增材制造零部件。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、通过辅助工装及热等静压处理工艺的优化，防止热等静压处理过程中复杂零部件发生变形，保证增材制造零部件的形状及尺寸精度；

2、与直接增材制造零部件相比，热等静压处理能够去除残余应力、消除残余孔隙及微裂纹，大幅提升增材制造零部件的疲劳性能及使用寿命，使增材制造零部件能够在各领域获得真正应用；

3、将控制增材制造零部件的形状、提高增材制造零部件的性能以及增材制造零部件的控相相结合，在热等静压工艺过程中短流程实现控形、控性、控相，有利于降低成本，实现工业化生产。

具体实施方式

本发明适用于增材制造零部件的热等静压三控方法，首先根据零部件的材质以及缺陷状况进行热等静压处理工艺的设计，为防止复杂形状零部件的变形，与常规热等静压处理相比，选择较低温度、较高压力的处理工艺，同时配合辅助工装保证零部件的形状和尺寸精度。此外，在热等静压处理过程中，根据零部件的控相工艺要求，选择在热等静压高温处理的同时进行热处理或在热等静压处理完成后的降温过程中进行热处理，对相及组织进行调控，获得所需性能的增材制造零部件。

本发明提供一种适用于增材制造零部件的热等静压三控方法，包括如下步骤：

(1)分析增材制造零部件的形状及缺陷状况；

(2)控形、控性：根据零部件的形状设计工装，装炉后进行热等静压处理；根据零部件的材质选择热等静压工艺参数：铝合金的热等静压温度为400～550℃，钛合金的热等静压温度为900～1100℃，超高强度钢的热等静压温度为1000～1200℃，高温合金的热等静压温度为1050～1250℃；热等静压压力为120～200MPa、保温时间为2～4h。进一步根据零部件的缺陷状况确定工艺参数：当零部件的闭合孔隙率较低(<1％)、微裂纹较少(<5处微裂纹)时，选择相应材料的低限处理温度、压力和时间即可，当闭合孔隙率较高(1％≤闭合孔隙率≤3％)或微裂纹数量较多(5≤微裂纹数量≤10)时，适当提高温度、压力及时间。

(3)控相：在热等静压高温处理的同时或在热等静压处理完成后的降温过程中进行热处理，可通过控制温度及冷却速率实现退火、固溶、时效等过程，完成控相。

退火温度范围400～800℃、保温时间2～5h；

固溶温度范围400～1150℃、保温时间1～5h；

时效温度范围150～600℃、保温时间3～20h；

冷却速率范围1℃/min～3000℃/min，可实现淬火、空冷及炉冷效果。

步骤(2)中热等静压处理为无包套热等静压处理。

对完成热等静压三控处理的增材制造零部件进行形状、尺寸、缺陷及性能、相及组织检测，结果显示达到控形、控性、控相的目的。下面结合实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1-增材制造FGH95高温合金叶片的热等静压三控处理

1、检测增材制造FGH95高温合金叶片的缺陷状况，相对密度为99.3％(孔隙率0.7％)，内部存在3处微裂纹；根据增材制造FGH95高温合金叶片的零件形状设计工装；

2、装炉后进行热等静压处理，工艺参数：热等静压温度1200℃，压力150MPa，保温时间为3h；

3、热等静压处理完成后进行去应力退火处理，工艺参数：以5℃/min的冷却速率降至600℃，保温5h，然后随炉冷却至室温，即得经热等静压三控处理的增材制造FGH95高温合金叶片。

对热等静压三控处理的增材制造FGH95高温合金叶片进行缺陷检测，相对密度为100％，无微裂纹、无残余应力。

实施例2-增材制造TC4钛合金叶轮的热等静压三控处理

1、检测增材制造TC4钛合金叶轮的缺陷状况，相对密度为98.8％(孔隙率1.2％)，内部存在1处微裂纹；根据增材制造TC4钛合金叶轮的零件形状设计工装；

2、装炉后进行热等静压处理，工艺参数：热等静压温度1050℃，压力160MPa，在进行热等静压处理的同时进行固溶处理，总保温时间为3h；

3、以200℃/min的冷却速率降至室温，即得经热等静压三控处理的增材制造TC4钛合金叶轮。

对热等静压三控处理的增材制造TC4钛合金叶轮进行缺陷及相分析检测，相对密度为100％，无微裂纹，组织为晶间α相+片层β相。

实施例3-增材制造2A50铝合金轮毂的热等静压三控处理

1、检测增材制造2A50铝合金轮毂的缺陷状况，相对密度为98.4％(孔隙率1.6％)，内部存在2处微裂纹；根据增材制造2A50铝合金轮毂的零件形状设计工装；

2、装炉后进行热等静压处理，工艺参数：热等静压温度520℃，压力200MPa，在进行热等静压处理的同时进行固溶处理，总保温时间为5h；

3、以2000℃/min的冷却速率降至室温，然后升温至160℃进行时效处理，保温时间12h，炉冷后即得经热等静压三控处理的增材制造2A50铝合金轮毂。

对热等静压三控处理的增材制造2A50铝合金轮毂进行缺陷及相分析检测，相对密度为100％，无微裂纹，组织为Al相、Al₂Cu相以及少量的Al₂CuMg相。

Claims (10)

1.一种适用于增材制造零部件的热等静压三控方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)分析增材制造零部件的形状及缺陷状况；

(2)控形、控性：根据零部件的形状设计工装，装炉后进行热等静压处理；

(3)控相：在热等静压高温处理的同时或在热等静压处理完成后的降温过程中进行热处理，完成控相。

2.根据权利要求1所述的适用于增材制造零部件的热等静压三控方法，其特征在于：所述步骤(2)中，根据零部件的材质选择热等静压工艺参数如下：

铝合金的热等静压温度为400～550℃，钛合金的热等静压温度为900～1100℃，超高强度钢的热等静压温度为1000～1200℃，高温合金的热等静压温度为1050～1250℃；热等静压压力为120～200MPa、保温时间为2～4h。

3.根据权利要求1所述的适用于增材制造零部件的热等静压三控方法，其特征在于：所述步骤(2)中，根据零部件的缺陷状况确定工艺参数如下：

当零部件的闭合孔隙率较低，即闭合孔隙率<1％、微裂纹较少，即微裂纹数量<5时，选择相应材料的低限热等静压处理温度、压力和时间即可；

当闭合孔隙率较高，即1％≤闭合孔隙率≤3％或微裂纹数量较多，即5≤微裂纹数量≤10时，适当提高热等静压处理温度、压力及时间。

4.根据权利要求1所述的适用于增材制造零部件的热等静压三控方法，其特征在于：所述步骤(2)中，热等静压处理为无包套热等静压处理。

5.根据权利要求1所述的适用于增材制造零部件的热等静压三控方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述热处理为通过控制温度和冷却速率实现退火、固溶、时效、淬火、空冷和炉冷工艺中的一种或几种。

6.根据权利要求4所述的适用于增材制造零部件的热等静压三控方法，其特征在于：退火温度范围400～800℃、保温时间2～5h。

7.根据权利要求4所述的适用于增材制造零部件的热等静压三控方法，其特征在于：固溶温度范围400～1150℃、保温时间1～5h。

8.根据权利要求4所述的适用于增材制造零部件的热等静压三控方法，其特征在于：时效温度范围150～600℃、保温时间3～20h。

9.根据权利要求4所述的适用于增材制造零部件的热等静压三控方法，其特征在于：冷却速率范围1℃/min～3000℃/min。

10.根据权利要求1所述的适用于增材制造零部件的热等静压三控方法，其特征在于：该方法适用于铝合金、钛合金、超高强度钢和高温合金材料增材制造零部件。