CN108941536B - 钛合金微型零件的近净制造方法及微型超声电机转子 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微型零件及其制造领域，具体公开了一种钛合金微型零件的近净制造方法及微型超声电机转子，旨在解决现有的多物理场活化烧结技术所制备出来的微型零件的致密度不高且生产效率较低的问题。该钛合金微型零件的近净制造方法通过选取粒度为0.5～10μm的钛合金粉末作为第一配料，选取粒度为50～70μm的钛合金粉末作为第二配料，并将第一配料和第二配料按5～6:1～2的比例混合均匀作为混合配料，一方面能够使得较粗的第二配料混合入较细的第一配料中后降低混合配料整体的电阻，另一方面可以保证混合配料填充的均匀性，并保证粉末间排列足够紧密，达到加速传质过程的效果，可以提高生产效率，并使得最终制得的零件致密度更高。

Description

钛合金微型零件的近净制造方法及微型超声电机转子
技术领域
本发明属于微型零件及其制造领域，具体涉及一种钛合金微型零件的近净制造方法及微型超声电机转子。
背景技术
超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应将电能转换为机械能的新型驱动器，超声电机转子是重要的高速旋转零部件，只有保证转子的强度在高转速运转下仍保持合理的性能，才能满足超声电机的使用要求；因此，超声电机转子对于制造技术的要求较高。日本人Tomoaki Mashimo在2014年发表的论文中提出了一种微型超声电机结构，该微型超声电机的转子体积小，形状不规则，对加工质量和产品性能要求更高。
目前，制备微型零件主要有微精密铸造工艺、微注射成型技术、塑性微成形技术以及传统的真空烧结技术等，但是这些加工技术现阶段都主要用于单件小批量的生产，多数情况下生产成本不但高且无法满足微型零件大批量、高效率、无污染的制造要求。注：微型零件是指至少有2维方向以上的尺寸小于1mm的零件。
另外，采用微精密铸造工艺生产微型超声电机转子时，由于工艺本身比较复杂的因素，其中一个环节设置、操作不合理都会使得产品表面或内部存在一些气孔、夹杂、微裂纹等缺陷，严重时可能导致转子杆断裂，而且转子的表面精度和形位精度也不满足要求。
为了满足大批量、高效率、无污染的制造要求，并保证微型超声电机转子的生产质量，目前通常采用多物理场活化烧结技术来实现微型超声电机转子的近净制造；近净制造是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工，就可用作机械构件的制造技术。
但是，现有的多物理场活化烧结技术往往采用的是单种粒度的钛合金粉末来烧结微型零件，所制备出来的微型零件的致密度及尺寸精度还有待提高。又根据传统的烧结理论，即随着粉末粒度的减小，其烧结性会提高，更易烧结成形；现有的多物理场活化烧结技术一般采用的粒度较小的粉末进行烧结，然而使用超细的粉末烧结时，由于体系中相互接触的颗粒数量巨大，往往导致接触电阻极大，使粉末在烧结过程中导电性能较差，生产难度提高，效率降低。
发明内容
本发明提供了一种钛合金微型零件的近净制造方法，旨在解决现有的多物理场活化烧结技术所制备出来的微型零件的致密度不高且生产效率较低的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：钛合金微型零件的近净制造方法，包括下列步骤：
配料混粉步骤，先选取粒度不同的两种钛合金粉末分别作为第一配料和第二配料，所述第一配料的粒度为0.5～10μm，所述第二配料的粒度为50～70μm；然后，将第一配料和第二配料按5～6:1～2的比例混合均匀作为混合配料；
计算并称粉步骤，根据待制造的零件的体积、钛合金的密度及预计粉末损耗量计算出烧结单个零件所需混合配料的质量，并称取备用；
粉末装模步骤，将称取的混合配料装填在用于成型零件的模具中；
烧结步骤，在真空度小于0.01Pa，同时在模具两端施以75～100MPa的作用力的条件下，对装有混合配料的模具通交流电以20～50℃/S的升温速度将模具从室温加热至950～1100℃，保温4～10min使混合配料在模具中成型，保温后以50～60℃/S的降温速度使模具降至室温；
取样步骤，将成型的零件从模具中取出。
进一步的是，配料混粉步骤中，采用行星式球磨机将第一配料和第二配料混合均匀。
进一步的是，所述行星式球磨机包括研磨罐和研磨球，所述研磨罐和研磨球均由氧化锆材料制成。
进一步的是，配料混粉步骤中，行星式球磨机内的球料比为5:1，行星式球磨机的混料转速为300r/min，混料时长为90min。
进一步的是，计算并称粉步骤还包括至少模拟两次装粉过程，由模拟装粉过程中粉末损耗量的平均值作为预计粉末损耗量。
进一步的是，所述模具包括上部凸模、中部凹模和下部凸模；所述中部凹模上设有将其贯穿的中间腔，所述中间腔从上往下依次为上模配合腔、零件成型腔和下模配合腔；所述上模配合腔的上端设有第一倒角结构，所述上部凸模上设有与第一倒角结构相匹配的第一斜台；所述下模配合腔的下端设有第二倒角结构，所述下部凸模上设有与第二倒角结构相匹配的第二斜台；所述上部凸模的凸起部能够与上模配合腔装配在一起，所述下部凸模的凸起部能够与下模配合腔装配在一起；
粉末装模步骤具体包括以下内容：先将下部凸模装配到中部凹模的下部，使下部凸模的凸起部伸入下模配合腔中，且使下部凸模的上端面与中部凹模的下端面之间保留2～3毫米的间隙；接着，将称取的混合配料装填入零件成型腔中；最后，将上部凸模装配到中部凹模的上部，使上部凸模的凸起部伸入上模配合腔中，且使上部凸模的下端面与中部凹模的上端面之间的间隙的宽度和下部凸模的上端面与中部凹模的下端面之间的间隙的宽度保持一致；
烧结步骤中对模具所施加的作用力分别作用在上部凸模的上端面和下部凸模的下端面上。
进一步的是，烧结步骤中，将装有混合配料的模具放置在烧结设备中进行烧结。
进一步的是，所述室温为20～25℃。
进一步的是，取样步骤具体包括以下内容：先将下部凸模从中部凹模上取下，然后利用顶杆从下模配合腔伸入至零件成型腔中将成型的零件顶出。
本发明还提供了一种微型超声电机转子，其由上述任意一项种钛合金微型零件的近净制造方法制备而成。
本发明的有益效果是：通过选取粒度为0.5～10μm的钛合金粉末作为第一配料，选取粒度为50～70μm的钛合金粉末作为第二配料，并将第一配料和第二配料按5～6:1～2的比例混合均匀作为混合配料，一方面能够使得较粗的第二配料混合入较细的第一配料中后降低混合配料整体的电阻，另一方面可以保证混合配料填充的均匀性，得到较高的填充密度，并且混合配料的堆积密度能够超过单种粒度钛合金粉末的堆积密度，可以有效提高烧结密度；同时，所确定的混料比例能够保证粉末间排列足够紧密，达到加速传质过程的效果，可以提高混合配料的烧结性，利于烧结过程的顺利进行，提高生产效率，并使得最终制得的零件致密度更高。
附图说明
图1是本发明中模具的实施结构示意图；
图中标记为：上部凸模10、中部凹模20、下部凸模30、零件成型腔21。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
钛合金微型零件的近净制造方法，包括下列步骤：
配料混粉步骤，先选取粒度不同的两种钛合金粉末分别作为第一配料和第二配料，所述第一配料的粒度为0.5～10μm，所述第二配料的粒度为50～70μm；然后，将第一配料和第二配料按5～6:1～2的比例混合均匀作为混合配料；优选采用主要成分为TC4的钛合金粉末作为第一配料和第二配料；通常采用混料设备将第一配料和第二配料混合均匀，混料设备优选为行星式球磨机，行星式球磨机包括研磨罐和研磨球，研磨罐和研磨球优选采用氧化锆材料制作；
计算并称粉步骤，根据待制造的零件的体积、钛合金的密度及预计粉末损耗量计算出烧结单个零件所需混合配料的质量，并称取备用；由于烧结过程中的粉末的损耗量一般可忽略不计，因此预计粉末损耗量通常指的是在装粉过程中混合配料的损耗；该步骤中，预计粉末损耗量优选由以下过程确定：进行至少两次模拟装粉过程，计算模拟装粉过程中粉末损耗量的平均值并以此作为预计粉末损耗量；
粉末装模步骤，将称取的混合配料装填在用于成型零件的模具中；
烧结步骤，在真空度小于0.01Pa，同时在模具两端施以75～100MPa的作用力的条件下，对装有混合配料的模具通交流电以20～50℃/S的升温速度将模具从室温加热至950～1100℃，保温4～10min使混合配料在模具中成型，保温后以50～60℃/S的降温速度使模具降至室温；该步骤中，通常将装有混合配料的模具放置在烧结设备中进行烧结；烧结设备优选采用型号为Gleeble-1500D的热模拟机；室温通常为20～25℃；
取样步骤，将成型的零件从模具中取出。
发明人研究发现，在较细的钛合金粉末中加入一定量较粗的钛合金粉末时，能降低钛合金粉末体系整体的电阻，提升导电性能。超细晶粒的钛合金粉末已经达到纳米级别，本发明方法通过选取粒度为0.5～10μm的钛合金粉末作为第一配料，其为混合配料的主要组分，该粒度的钛合金粉末间排列足够紧密，同时可以达到加速致密化过程中传质过程的效果；并且，为了改善混合配料的导电性能，选取粒度为50～70μm的钛合金粉末作为第二配料，来降低混合配料整体的电阻，可以提高混合配料的烧结性，利于烧结过程的顺利进行，提高生产效率；同时，将粒度不同的第一配料和第二配料混合，还可以有效改善混合配料填充的均匀性，得到较高的填充密度，并且混合配料的堆积密度能够超过单种粒度钛合金粉末的堆积密度，进而可提高烧结密度，使得最终制得的零件致密度较高；另外，发明人还研究发现，通过将第一配料和第二配料按5～6:1～2的比例混合均匀作为混合配料，能够使得混合配料的填充密度及堆积密度均比较理想，进一步利于烧结过程的顺利进行，并且使得最终制得的零件致密度更高。
为了使混料更均匀，配料混粉步骤中，行星式球磨机内的球料比为5:1，行星式球磨机的混料转速为300r/min，混料时长为90min。
作为本发明的一种优选方案，结合图1所示，所述模具包括上部凸模10、中部凹模20和下部凸模30；所述中部凹模20上设有将其贯穿的中间腔，所述中间腔从上往下依次为上模配合腔、零件成型腔21和下模配合腔；所述上模配合腔的上端设有第一倒角结构，所述上部凸模10上设有与第一倒角结构相匹配的第一斜台；所述下模配合腔的下端设有第二倒角结构，所述下部凸模30上设有与第二倒角结构相匹配的第二斜台；所述上部凸模10的凸起部能够与上模配合腔装配在一起，所述下部凸模30的凸起部能够与下模配合腔装配在一起；
粉末装模步骤具体包括以下内容：先将下部凸模30装配到中部凹模20的下部，使下部凸模30的凸起部伸入下模配合腔中，且使下部凸模30的上端面与中部凹模20的下端面之间保留2～3毫米的间隙；接着，将称取的混合配料装填入零件成型腔21中；最后，将上部凸模10装配到中部凹模20的上部，使上部凸模10的凸起部伸入上模配合腔中，且使上部凸模10的下端面与中部凹模20的上端面之间的间隙的宽度和下部凸模30的上端面与中部凹模20的下端面之间的间隙的宽度保持一致；
烧结步骤中对模具所施加的作用力分别作用在上部凸模10的上端面和下部凸模30的下端面上。
在上述基础上，为了便于将成型后的零件从模具中取出，取样步骤具体包括以下内容：先将下部凸模30从中部凹模20上取下，然后利用顶杆从下模配合腔伸入至零件成型腔21中将成型的零件顶出。
本发明还提供了一种微型超声电机转子，其由上述任意一项种钛合金微型零件的近净制造方法制备而成。
实施例1
选取粒度为0.5μm的钛合金粉末作为第一配料，选取粒度为50μm的钛合金粉末作为第二配料，并将第一配料和第二配料按5:1的比例混合均匀作为混合配料；然后，根据待制造的零件的体积、钛合金的密度及预计粉末损耗量计算出烧结单个零件所需混合配料的质量，并称取备用；将称取的混合配料装填在用于成型零件的模具中；接着，在真空度小于0.01Pa，同时在模具两端施以75MPa的作用力的条件下，对装有混合配料的模具通交流电以20℃/S的升温速度将模具从室温加热至950℃，保温4min使混合配料在模具中成型，保温后以50℃/S的降温速度使模具降至室温；最后，将成型的零件从模具中取出。整个制备过程用时很短，烧结所产生的材料损耗可忽略不计，所制备零件的尺寸精度高、致密度为90.2％。
实施例2
选取粒度为1μm的钛合金粉末作为第一配料，选取粒度为55μm的钛合金粉末作为第二配料，并将第一配料和第二配料按5.5:1的比例混合均匀作为混合配料；然后，根据待制造的零件的体积、钛合金的密度及预计粉末损耗量计算出烧结单个零件所需混合配料的质量，并称取备用；将称取的混合配料装填在用于成型零件的模具中；接着，在真空度小于0.01Pa，同时在模具两端施以78MPa的作用力的条件下，对装有混合配料的模具通交流电以25℃/S的升温速度将模具从室温加热至1000℃，保温5min使混合配料在模具中成型，保温后以51℃/S的降温速度使模具降至室温；最后，将成型的零件从模具中取出。整个制备过程用时很短，烧结所产生的材料损耗可忽略不计，所制备零件的尺寸精度高、致密度为91.9％。
实施例3
选取粒度为2μm的钛合金粉末作为第一配料，选取粒度为60μm的钛合金粉末作为第二配料，并将第一配料和第二配料按6:1的比例混合均匀作为混合配料；然后，根据待制造的零件的体积、钛合金的密度及预计粉末损耗量计算出烧结单个零件所需混合配料的质量，并称取备用；将称取的混合配料装填在用于成型零件的模具中；接着，在真空度小于0.01Pa，同时在模具两端施以80MPa的作用力的条件下，对装有混合配料的模具通交流电以30℃/S的升温速度将模具从室温加热至1050℃，保温6min使混合配料在模具中成型，保温后以52℃/S的降温速度使模具降至室温；最后，将成型的零件从模具中取出。整个制备过程用时较短，烧结所产生的材料损耗可忽略不计，所制备零件的尺寸精度高、致密度为93.2％。
实施例4
选取粒度为5μm的钛合金粉末作为第一配料，选取粒度为65μm的钛合金粉末作为第二配料，并将第一配料和第二配料按5:1.5的比例混合均匀作为混合配料；然后，根据待制造的零件的体积、钛合金的密度及预计粉末损耗量计算出烧结单个零件所需混合配料的质量，并称取备用；将称取的混合配料装填在用于成型零件的模具中；接着，在真空度小于0.01Pa，同时在模具两端施以85MPa的作用力的条件下，对装有混合配料的模具通交流电以35℃/S的升温速度将模具从室温加热至1100℃，保温7min使混合配料在模具中成型，保温后以53℃/S的降温速度使模具降至室温；最后，将成型的零件从模具中取出。整个制备过程用时较短，烧结所产生的材料损耗可忽略不计，所制备零件的尺寸精度高、致密度为94.7％。
实施例5
选取粒度为6μm的钛合金粉末作为第一配料，选取粒度为66μm的钛合金粉末作为第二配料，并将第一配料和第二配料按5.5:1.5的比例混合均匀作为混合配料；然后，根据待制造的零件的体积、钛合金的密度及预计粉末损耗量计算出烧结单个零件所需混合配料的质量，并称取备用；将称取的混合配料装填在用于成型零件的模具中；接着，在真空度小于0.01Pa，同时在模具两端施以88MPa的作用力的条件下，对装有混合配料的模具通交流电以40℃/S的升温速度将模具从室温加热至1100℃，保温8min使混合配料在模具中成型，保温后以54℃/S的降温速度使模具降至室温；最后，将成型的零件从模具中取出。整个制备过程用时较短，烧结所产生的材料损耗可忽略不计，所制备零件的尺寸精度高、致密度为91.8％。
实施例6
选取粒度为7μm的钛合金粉末作为第一配料，选取粒度为68μm的钛合金粉末作为第二配料，并将第一配料和第二配料按6:1.5的比例混合均匀作为混合配料；然后，根据待制造的零件的体积、钛合金的密度及预计粉末损耗量计算出烧结单个零件所需混合配料的质量，并称取备用；将称取的混合配料装填在用于成型零件的模具中；接着，在真空度小于0.01Pa，同时在模具两端施以90MPa的作用力的条件下，对装有混合配料的模具通交流电以44℃/S的升温速度将模具从室温加热至1000℃，保温9min使混合配料在模具中成型，保温后以55℃/S的降温速度使模具降至室温；最后，将成型的零件从模具中取出。整个制备过程用时较短，烧结所产生的材料损耗可忽略不计，所制备零件的尺寸精度高、致密度为93.4％。
实施例7
选取粒度为8μm的钛合金粉末作为第一配料，选取粒度为56μm的钛合金粉末作为第二配料，并将第一配料和第二配料按5:2的比例混合均匀作为混合配料；然后，根据待制造的零件的体积、钛合金的密度及预计粉末损耗量计算出烧结单个零件所需混合配料的质量，并称取备用；将称取的混合配料装填在用于成型零件的模具中；接着，在真空度小于0.01Pa，同时在模具两端施以95MPa的作用力的条件下，对装有混合配料的模具通交流电以46℃/S的升温速度将模具从室温加热至1050℃，保温10min使混合配料在模具中成型，保温后以56℃/S的降温速度使模具降至室温；最后，将成型的零件从模具中取出。整个制备过程用时较短，烧结所产生的材料损耗可忽略不计，所制备零件的尺寸精度高、致密度为94.6％。
实施例8
选取粒度为10μm的钛合金粉末作为第一配料，选取粒度为70μm的钛合金粉末作为第二配料，并将第一配料和第二配料按6:2的比例混合均匀作为混合配料；然后，根据待制造的零件的体积、钛合金的密度及预计粉末损耗量计算出烧结单个零件所需混合配料的质量，并称取备用；将称取的混合配料装填在用于成型零件的模具中；接着，在真空度小于0.01Pa，同时在模具两端施以100MPa的作用力的条件下，对装有混合配料的模具通交流电以50℃/S的升温速度将模具从室温加热至1100℃，保温10min使混合配料在模具中成型，保温后以60℃/S的降温速度使模具降至室温；最后，将成型的零件从模具中取出。整个制备过程用时较短，烧结所产生的材料损耗可忽略不计，所制备零件的尺寸精度高、致密度为97.1％。
对比例
选取粒度为10μm的钛合金粉末，并根据待制造的零件的体积、钛合金的密度及预计粉末损耗量计算出烧结单个零件所需混合配料的质量，称取备用；将称取的钛合金粉末装填在用于成型零件的模具中；接着，在真空度小于0.01Pa，同时在模具两端施以75MPa的作用力的条件下，对装有混合配料的模具通交流电以30℃/S的升温速度将模具从室温加热至950℃，保温10min使混合配料在模具中成型，保温后以50℃/S的降温速度使模具降至室温；最后，将成型的零件从模具中取出。整个烧结过程用时较长，烧结所产生的材料损耗可忽略不计，所制备零件的尺寸精度一般、致密度为88.5％。
通过对比可以看出，采用本发明所提供的钛合金微型零件的近净制造方法所制备的零件相比与现有的多物理场活化烧结技术所制备的零件的尺寸精度和致密度均更高，且耗时更短。

Claims (9)

1.钛合金微型零件的近净制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
配料混粉步骤，先选取粒度不同的两种钛合金粉末分别作为第一配料和第二配料，所述第一配料的粒度为0.5～10μm，所述第二配料的粒度为50～70μm；然后，将第一配料和第二配料按5～6:1～2的比例混合均匀作为混合配料；
计算并称粉步骤，根据待制造的零件的体积、钛合金的密度及预计粉末损耗量计算出烧结单个零件所需混合配料的质量，并称取备用；
粉末装模步骤，将称取的混合配料装填在用于成型零件的模具中；所述模具包括上部凸模(10)、中部凹模(20)和下部凸模(30)；所述中部凹模(20)上设有将其贯穿的中间腔，所述中间腔从上往下依次为上模配合腔、零件成型腔(21)和下模配合腔；所述上模配合腔的上端设有第一倒角结构，所述上部凸模(10)上设有与第一倒角结构相匹配的第一斜台；所述下模配合腔的下端设有第二倒角结构，所述下部凸模(30)上设有与第二倒角结构相匹配的第二斜台；所述上部凸模(10)的凸起部能够与上模配合腔装配在一起，所述下部凸模(30)的凸起部能够与下模配合腔装配在一起；
混合配料装填过程为：先将下部凸模(30)装配到中部凹模(20)的下部，使下部凸模(30)的凸起部伸入下模配合腔中，且使下部凸模(30)的上端面与中部凹模(20)的下端面之间保留2～3毫米的间隙；接着，将称取的混合配料装填入零件成型腔(21)中；最后，将上部凸模(10)装配到中部凹模(20)的上部，使上部凸模(10)的凸起部伸入上模配合腔中，且使上部凸模(10)的下端面与中部凹模(20)的上端面之间的间隙的宽度和下部凸模(30)的上端面与中部凹模(20)的下端面之间的间隙的宽度保持一致；
烧结步骤，在真空度小于0.01Pa，同时在模具两端施以78～95MPa的作用力的条件下，对装有混合配料的模具通交流电以30～46℃/S的升温速度将模具从室温加热至950～1100℃，保温4～10min使混合配料在模具中成型，保温后以51～60℃/S的降温速度使模具降至室温；该步骤中对模具所施加的作用力分别作用在上部凸模(10)的上端面和下部凸模(30)的下端面上；
取样步骤，将成型的零件从模具中取出。
2.如权利要求1所述的钛合金微型零件的近净制造方法，其特征在于：配料混粉步骤中，采用行星式球磨机将第一配料和第二配料混合均匀。
3.如权利要求2所述的钛合金微型零件的近净制造方法，其特征在于：所述行星式球磨机包括研磨罐和研磨球，所述研磨罐和研磨球均由氧化锆材料制成。
4.如权利要求3所述的钛合金微型零件的近净制造方法，其特征在于：配料混粉步骤中，行星式球磨机内的球料比为5:1，行星式球磨机的混料转速为300r/min，混料时长为90min。
5.如权利要求1所述的钛合金微型零件的近净制造方法，其特征在于：计算并称粉步骤还包括至少模拟两次装粉过程，由模拟装粉过程中粉末损耗量的平均值作为预计粉末损耗量。
6.如权利要求1所述的钛合金微型零件的近净制造方法，其特征在于：烧结步骤中，将装有混合配料的模具放置在烧结设备中进行烧结。
7.如权利要求1所述的钛合金微型零件的近净制造方法，其特征在于：所述室温为20～25℃。
8.如权利要求1所述的钛合金微型零件的近净制造方法，其特征在于：取样步骤具体包括以下内容：先将下部凸模(30)从中部凹模(20)上取下，然后利用顶杆从下模配合腔伸入至零件成型腔(21)中将成型的零件顶出。
9.微型超声电机转子，其特征在于：由权利要求1至8中任意一项所述的钛合金微型零件的近净制造方法制备而成。
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