CN105772726A - 一种半固态复杂难加工致密件热等静压近净成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂难加工致密件热等静压近净成形方法。该方法采用半固态材料为成形材料、石墨作为内部控形型芯以及热等静压温度选择为固液两相区间温度，在温度和压力的耦合下直接成形具有复杂形状的致密件。本发明能有效避免由于传统方法中粉末表面污染物而造成的性能缺陷，在高温下高压能有效保证零件的成形精度；并且采用接近于合金材料熔点的温度，在该温度下包套内出现固液共存相，由于晶粒间或固相粒子间夹有液相成分，固相粒子几乎没有结合力，其流动变形抗力很低，有利于母材填充控形型芯中复杂流道；而且在特定部位虽然容易分离，但由于液相成分的存在，又可能很容易地将分离的部位连接成一体化。

Description

一种半固态复杂难加工致密件热等静压近净成形方法

技术领域

本发明属于先进制造领域，具体涉及一种半固态复杂难加工致密件热等静压近净成形方法，用于热等静压成形材料难加工且形状复杂的零件，该方法尤其适用制造航空航天具有复杂结构的零件。

技术背景

镍基和钛基合金因其具有良好的综合性能而广泛应用于航空航天。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，被广泛应用与航空航天发动机和工业燃气轮机涡轮等热端部件；钛合金具有比强度高，高的热强性和持久强度，在振动载荷及冲击载荷作用下裂纹扩展敏感性低，并且有良好的抗腐蚀性，因此在航空航天发动机及壳体结构中优先采用高强度的钛合金。然而，由于镍基和钛基合金熔点高、强度大等特点，用常规(铸造、锻造、机加工)方法往往难以成形。铸造容易出现成分偏析、组织粗大等缺陷，从而降低零件性能，使零件无法满足航空航天特殊工作环境；锻造能加工出较好性能的零件，但对于结构复杂的零件难以加工甚至无法加工；采用机加工方法，不但制造困难而且会浪费掉大量的贵重材料，制造成本高，而且复杂结构甚至无法制造。利用热等静压方法可整体成形复杂零件，而且具有良好的综合机械性能。

目前热等静压广泛应用致密化处理闭合材料内部空隙和疏松等缺陷。近些年来，不少学者致力于热等静压粉末近净成形研究，热等静压粉末近净成形工艺结合了粉末冶金技术与现代模具技术，在利用高温和高压对粉末材料进行完全致密化的同时，可整体近净成形出性能达同质锻件水平的复杂零件，不仅可以克服难加工的难题，而且还可以大幅度提高贵重材料的利用率，从而降低零件的制造成本。

然而，热等静压粉末近净成形技术也存在一定缺陷。在复杂结构以及长直结构零件成形过程中，粉末在包套变形的驱动力下较难达到致密，容易产生孔隙，使零件性能达不到要求。倘若加大压力来增加驱动力，可能会使包套变形过大而开裂。所以，在热等静压成形零件中，结构复杂件和长直件存在孔隙缺陷。另外，由于粉末表面存在一定量的氧化物和有机物杂质，会导致粉末颗粒边界相互发生冶金结合时，出现组织粗大、成分偏析、结合不牢靠等缺陷，而且粉末相互接触的颗粒边界往往是裂纹源萌生点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热等静压近净成形出具有复杂形状致密件的方法，该方法不仅可以保证零件的形状精度和尺寸精度，并保证零件具有组织细小均匀、高的致密度以及优良的综合力学性能。

本发明提供的一种半固态复杂难加工致密件热等静压近净成形的方法，该方法采用半固态材料为成形材料、石墨作为内部控形型芯以及热等静压温度选择为固液两相区间温度，在温度和压力的耦合下直接成形具有复杂形状的致密件。

本发明采用半固态材料代替传统的粉末材料，半固态材料不仅组织细小均匀，而且还能有效避免由于传统方法中粉末表面污染物而造成的性能缺陷；石墨作为控形型芯，其强度几乎不受温度的影响，在高温下高压能有效保证零件的成形精度；温度选择为固液两相区间温度，在高温下母材出现固液共存，呈现黏性流体特征，在微小的外力作用下即可很容易变形流动，有利于母材材料对复杂型芯的填充。

针对现有热等静压制造方法中存在的问题，本发明提供了一种复杂难加工致密件热等静压近净成形的方法，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用半固态材料为成形材料取代传统热等静压用粉末材料为成形材料。粉末材料表面会形成一层金属氧化层和有机污染层，在热等静压成形致密体的过程中，这些粉末表面污染层直接影响粉末与粉末之间的相互扩散、组织大小、冶金强度，并且粉末与粉末的连接处往往是裂纹源的萌生点，也是影响零件综合性能的直接因素。采用半固态材料作为成形材料能有效克服粉末材料成形时带来的缺陷，并且半固态材料价格是粉末材料价格的五分之一到十分之一。

(2)热等静压温度选择为固液两相区间温度，在该温度下包套内出现固液共存相，由于晶粒间或固相粒子间夹有液相成分，固相粒子几乎没有结合力，其流动变形抗力很低，有利于母材填充控形型芯中复杂流道。而且由于固相粒子间几乎无结合力，在特定部位虽然容易分离，但由于液相成分的存在，又可能很容易地将分离的部位连接成一体化。而传统方法中选取母材0.6～0.7倍熔点，共温度条件下粉末难以完全填充复杂流道。

(3)半固态材料加工的基本工艺主要分为压铸成形和锻造成形。半固态压铸成形和锻造成形都具有成形温度低，凝固时间短，难以成形复杂零部件的缺点；半固态材料在真空度几乎为接近绝对真空的包套内，加上热等静压的压力和温度的耦合，容易填充复杂型芯，成形出复杂零件，有效避免了传统工艺的缺陷。

(4)选用石墨作为控形型芯材料，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。

(5)石墨强度随温度的升高而增强，并且具有较好的导热性，各个方向上的温度和压力都相等，相比传统方法选用刚性实心金属作控形型芯，金属型芯材料强度随温度的升高而降低，无法保证零件受等静压即各个方向均匀受力的传统方法，也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。

(6)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，线切割方法除去型芯有很大的局限性，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。

附图说明

图1和图2为本发明方法示意图，其中(a)是热等静压加压升温过程，(b)为热等静压过程中半固态材料填充石墨型芯空隙并成形出致密体零件，(c)为采用机加工或酸腐蚀除去包套后示意图，(d)为喷砂除去石墨控形型芯后最终零件图；1为包套，2为半固态材料，3为石墨控形型芯。

图3为实例一中需要制得的叶盘零件；

图4为实例一叶盘模具中成形叶盘的石墨控形型芯；

图5为实例一的叶盘模具图，其中4为上盖，5为上控制盖，6为固定卡快，7为外部型芯，8为包套，9为抽气口，10为内部型芯，11石墨控形型芯。

图6为实例二中的长直结构零件，其中12为抽气口，13为包套上盖，14为半固态Ti6Al4V，15为石墨控形型芯，16为包套，17为包套下盖。

具体实施方式

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。

本发明提供的一种半固态复杂难加工致密件热等静压近净成形的方法，具体包括下述步骤：

(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。

根据零件模型，设计待成形零件的热等静压成形包套和控形型芯，设计包括包套材料的选择，通常应选择加工性能好、热等静压后易去除的材料，控形型芯材料选为石墨。通常包套包括筒体、下盖板以及带有抽真空管的上盖板，其中上下盖板分别安装在筒体的上下两端。

(2)根据包套与控形型芯组装后包套中余留尺寸，设计出半固态材料的三维CAD模型；

(3)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和预成形半固态材料，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40#钢、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)。

(4)将包套与控形型芯组装牢固，在包套间隙处填满待成形的半固态材料；

(5)对组装好的包套进行焊接，以组装成一个封闭而仅带有抽气孔的包套；

(6)将上述装有模具的包套至于加热炉中，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好)。

(7)对包套进行热等静压处理，选取温度为半固态材料固液两相间的温度区域，压力为100--120MPa；

通常温度为母材熔点的0.9--1.0倍，压力为100--120MPa(优选为120MPa)，采用先升温后升压的工艺参数

(8)采用机加工或酸腐蚀的方法去除包套；

酸腐蚀的腐蚀液可选用王水或硫酸。

(9)采用喷砂的方法除去石墨控形型芯，得到致密件；

实例：

实例1：

此为运用本发明制造镍合金(inconel625)叶盘(图3)的实例：

Inconel625熔点为1290℃～1350℃，所以本次热等静的工艺参数为温度1300℃，压力120MPa；先升温后升压相比于同时升温升压得到零件尺寸更为精准，力学性能更加优良，所以本次热等静压选择先升温后升压的工艺方式。

在此背景下，运用本发明可以解决上述问题。具体步骤如下：

(1)根据叶盘结构设计热等静压成形包套和控形型芯，该包套主要由筒体、下盖板以及带有抽真空管的上盖板组成，控形型芯由相隔一定距离呈环状设置且在中部的多个叶片模板和连接上述多个叶片模板外端的圆环构成；选用45号钢作为包套材料，石墨控形型芯(图4)采用机加工的方法制得；

(2)根据包套与控形型芯组装后包套中余留尺寸，设计出预成inconel625合金半固态CAD模型；

(3)采用机加工的方法分别加工出包套、石墨、inconel625模型，并对其组装。

(4)将组装完成后(如图5所示)的包套进行焊接，将模具控形部分与上下端盖焊接成整体；

(5)对包套进行检漏，若不漏气，则行进抽真空处理；

(6)通过排气管对包套内抽真空，在真空度约为10^-4Pa时，将排气管压扁，用焊接或熔化使其封口，从而获得如图5所示的压坯，其中，4为包套，5为上盖，6为上控制盖，7为固定卡块，8为内部型芯，9为外部型芯，10为石墨控形型芯，11抽气口；

(7)将包套放入热等静压炉，进行加热加压处理。热等静压处理条件是在前30分钟内使热等静压设备内温度到达1300℃，然后保温30分钟并将压力升到120MPa，再在30分钟内将温度降为1100℃并保持压力，最后保温保压2小时。在高温和均匀的压力作用下，母材将型芯内空腔填满。热等静压后，包套随炉膛冷却；

(8)酸腐蚀或机加工热等静压后包套；

(9)喷砂除去石墨控形型芯；

上述方法制得的叶盘零件致密度达到99.6％，尺寸精度和形状精度高，显微结构均匀，无气孔、孔隙等缺陷。

实例2：

此为运用本发明采用钛合金半固态材料(Ti6Al4V)制造长直结构零件(图6)的实例：

Ti6Al4V熔点为1660℃左右，所以本次热等静的工艺参数为温度1600℃，压力120MPa，热等静压选择先升温后升压的工艺方式。

在此背景下，运用本发明可以解决上述问题。具体步骤如下：

(1)根据零件设计热等静压成形包套、石墨型芯，选用45号钢作为包套材料；

(2)根据包套与控形型芯组装后包套中余留尺寸，设计出预成Ti6Al4V合金半固态CAD模型；

(3)采用机加工的方法分别加工出包套、石墨、半固态Ti6Al4V模型，并对其组装；

(4)对包套进行焊接，将包套控形部分与上下端盖焊接成整体，以组装成一个封闭而仅带有抽气孔的包套；

(5)对包套进行检漏，若不漏气，则行进抽真空处理；

(6)通过排气管对包套内抽真空，在真空度约为10^-4Pa时，将排气管压扁，用焊接或熔化使其封口，从而获得如图6所示的压坯，其中，12为抽气口，13为上盖，14为半固态Ti6Al4V，15为石墨控形型芯，16为内包套，17为下盖；

(10)将包套放入热等静压炉，进行加热加压处理。热等静压处理条件是在前30分钟内使热等静压设备内温度到达1200℃，然后保温30分钟并将压力升到120MPa，再在30分钟内将温度降为910℃并保持压力，最后保温保压2小时。在高温和均匀的压力作用下，母材将型芯内空腔填满。热等静压后，包套随炉膛冷却；

(11)酸腐蚀或机加工热等静压后包套；

(12)喷砂除去石墨控形型芯；

上述方法制得的长直结构零件致密度达到99.1％，尺寸精度和形状精度高，显微结构均匀，无气孔、孔隙等缺陷。

总之，本发明的实质是利用半固体材料作为成形材料、石墨作为控形型芯、热等静压温度选择为固液两相区间温度直接成形出复杂难加工零件。这种方法得到的零件，既有常规工艺的优良的组织性能和高致密度，又有常规工艺无法达到的形状精度和尺寸精度。

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 (5)

1.一种复杂难加工致密件热等静压近净成形的方法，该方法采用半固态材料作为成形材料、石墨作为控形型芯以及选择母材固液两相温度区间为工艺温度区间，在温度和压力的耦合下直接成形，实现复杂难加工零件的近净成形。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法具体包括下述步骤：

第1步根据零件模型，设计待成形零件的热等静压成形包套和石墨控形型芯的三维模型；

第2步根据包套与控形型芯组装后包套中余留尺寸，设计出预成形半固态材料的模型；

第3步按所设计的三维模型，制造金属包套、预成形半固态材料，以及石墨型芯；

第4步将包套与控形型芯组装牢固，在包套间隙处填满待成形半固态材料；

第5步将上述装有模具的包套至于加热炉中，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6步温度选择为母材固液两相温度区间进行热等静压处理；

第8步采用机加工或酸腐蚀的方法去除包套；

第9步除去石墨控形型芯，最终得到所需零件。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热等静压温度为熔点的0.9--1.0倍。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热等静压的压力为100--120MPa。

5.根据权利要求2至4中任一所述的方法，其特征在于，所述热等静压采用先升温后升压的工艺参数。