CN108971495A - 一种钛合金气瓶半球体热等静压成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种钛合金气瓶半球体热等静压成形方法。该方法包括模具的制备、包套制备和球形粉末的选择、热等静压预处理、热等静压过程控制和后期处理等步骤。本发明提出的钛合金气瓶半球体热等静压成形方法采用热等静压技术对钛合金粉末进行烧结、成形，采取内部模具和外部包套配合的方式，成形钛合金零件的特征。这种方法能够完成零件特征成形，实现近净成形，提升零件的成形效率，减少后期机加工的处理，缩短加工周期，降低成形零件的成本。

Description

一种钛合金气瓶半球体热等静压成形方法

技术领域

本发明属于钛合金成形制造领域，特别是涉及钛合金气瓶制造方面。

背景技术

热等静压技术(HIP)是一种采用金属或者玻璃材料作为包套，在高温下利用密闭高压容器内的超高压气体压力对粉末进行固结成形的先进高温高压粉末成形技术。钛合金作为一种优良的轻金属合金材料被广泛应用于航空航天领域中，但是由于传统加工方式存在着众多的不足，普遍存在成形困难的问题。HIP技术由于机加工少、材料利用率高、加工效率高，可以实现近净成形、成形零件性能优异等优点，在航空航天制造领域得到了越来越广泛的应用。

在成形钛合金气瓶半球体零件时，若采用传统机加工工艺，不但费时，而且材料浪费严重，复杂结构甚至无法制造。铸造能成形复杂结构并提高材料利用率，但钛合金的铸造工艺非常复杂，制件性能难以控制且内部存在气孔、空洞等缺陷；锻造可有效提高制件性能，但需要昂贵的精密模具和大型的专用装备，制造成本高。而采用内形模具和外形模具配合的热等静压技术，成形相关钛合金零件，可以克服以上工艺的缺点，并实现后期少加工或无加工的目的。

发明内容

本发明提供的钛合金气瓶半球体热等静压成形方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)根据钛合金气瓶半球体零件的特征设计出相应的内部模具与底板，并将底板与内部模具一体化制造。

2)根据零件形状设计制备出合理的包套，为便于焊接及节省材料，包套采用随形设计，形状为一个半球形，并在包套上开出相应的抽真空孔。

3)根根据钛合金气瓶半球体零件的材料需求，制备出球形钛合金粉末。

4)内部模具和底板与粉末接触的表面轮廓覆盖一层石墨纸。为了防止在运输、热等静压等过程中包套发生移动，将包套与底板通过焊接的方式固定。

5)内部模具和底板与包套形成粉末的存储空间，然后将上述制备好的球形钛合金粉末装入空间内，并通过机械振动使其密实。

6)将抽气管放置在包套开孔处，并封焊好。

7)将上述装有模具的包套放置在加热炉中加热，并利用抽真空的设备通过抽气管对包套内部进行抽真空处理。完成后夹断抽气管并封焊。

8)将上述已经抽真空的包套放置在热等静压设备中，在高温高压下使球形钛合金粉末烧结成形，在内外部模具的作用下，形成钛合金半球体零件的特征。

9)利用机械加工的方法去除包套，利用常规的机加工方法加工出钛合金零件的外部形状，由此得到钛合金气瓶半球体零件的半成品。

10)再经过机械精加工，最终成形符合要求的钛合金零件。

11)所述步骤1中内部模具和底板的材料为304不锈钢材料，内部模具与底板一体化制造；内部模具表面进行抛光处理，使表面光滑。

12)所述步骤2中外部包套的材料为304不锈钢材料，包套与底板通过焊接的方式固定。

13)所述步骤3中球形粉末材料为Ti-6Al-4V。

14)所述步骤7中加热炉的温度为350℃-400℃，包套内部的真空度达到10^-3Pa以下，此过程中包套不可倒置。

15)所述步骤8中热等静压工艺参数为：升温升压3小时使热等静压设备的温度至920℃、热等静压设备的内部压力至120MPa；保温保压时间为3小时；降温降压时间为2.5小时。

16)本发明提供的钛合金气瓶半球体热等静压成形方法是在热等静压技术对钛合金粉末进行烧结、成形，采取内部模具和外部包套配合的方式，从而达到成形零件部分特征和减少后期加工的目的。这种方法能够大大提高钛合金零件结构强度，提升零件的成形效率，缩短加工周期。

附图说明

图1为采用本发明提供的钛合金气瓶半球体热等静压成形方法成形零件时所成形的零件的结构示意图。

图2为采用本发明提供的钛合金气瓶半球体热等静压成形方法成形零件时包套的结构示意图。

图3为采用本发明提供的钛合金气瓶半球体热等静压成形方法成形零件时底板及内部模具一体化制造的结构示意图。

图4为采用本发明提供的钛合金气瓶半球体热等静压成形方法成形零件时装粉后的结构示意图。

图5为采用本发明提供的钛合金气瓶半球体热等静压成形方法成形零件时钛合金气瓶半球体零件半成品的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明提供的钛合金气瓶半球体热等静压成形方法进行详细说明。

如图1—图5所示，本发明提供的钛合金气瓶半球体热等静压成形方法包括下列步骤：

1)根据钛合金气瓶半球体零件8的结构特征制备出如图3所示的内部模具4和底板5。内部模具4和底板5的材料为304不锈钢材料，内部模具4与底板5一体化制造。内部模具4的加工制造采用车床进行加工，表面进行抛光处理，使表面光滑。

2)根据模具4形状和零件8形状设计加工出合理的外部包套3，如图2所示。包套3的材料为304不锈钢材料，包套3的高度以及包套3和模具4之间的距离尺寸根据所需填充的钛合金粉末层的厚度来确定。

3)为了实现后续的装粉及抽真空步骤，在包套3上开抽真空孔(装粉孔)2，以便装粉以及安装抽气管1，如图4所示。

4)根据钛合金零件8的需求，制备出如图4所示的钛合金球形Ti6Al4V粉末7，使用球形钛合金粉末7的目的是使其便于流动，能够充分装填进空腔内。

5)内部模具4和底板5与粉末7接触的表面轮廓覆盖一层石墨纸6，将外部包套3与底板5通过焊接的方式固定。

6)将上述制备好的钛合金粉末7装入包套3内，采用机械振动的方式使其充分密实。

7)将抽气管1放置在包套开孔2处，并封焊好。

8)将上述装配好的包套置于加热炉中，加热炉的温度为350℃-400℃，然后在高温下通过真空设备利用抽气管1对包套进行抽真空处理，包套内部的真空度达到10^-3Pa以下。

9)将上述已抽真空包套置于热等静压设备中进行热等静压处理，热等静压工艺参数为：升温升压3小时使热等静压设备的温度至920℃、热等静压设备的内部压力至120MPa；保温保压时间为3小时；降温降压时间为2.5小时。

10)利用机械加工的方法去除包套3，并利用常规的机械加工方法加工出钛合金零件的外部形状，由此得到钛合金气瓶半球体零件的半成品，如图5所示。

11)再经过机械精加工，最终成形符合要求的钛合金零件8。

12)根据所形成的钛合金零件和特征的不同，相应的外部包套3和内部模具4的形状也不同，热等静压的工艺参数将根据原材料粉末7以及零件的形状和特征进行相应的调整。

Claims (6)

1.一种钛合金气瓶半球体热等静压成形方法，其特征在于：所述的钛合金零件成形方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)根据钛合金气瓶半球体零件8的特征设计出相应的内部模具4与底板5，并将内部模具4与底板5一体化制造。

2)根据零件8形状设计制备出合理的包套3，为便于焊接及节省材料，包套3采用随形设计，形状为一个半球形，并在包套3上开出相应的抽真空孔2。

3)根根据钛合金气瓶半球体零件8的材料需求，制备出球形钛合金粉末7。

4)内部模具4和底板5与粉末7接触的表面轮廓覆盖一层石墨纸6。为了防止在运输、热等静压等过程中包套3发生移动，将包套3与底板5通过焊接的方式固定。

5)内部模具4和底板5与包套3形成粉末的存储空间，然后将上述制备好的球形钛合金粉末7装入空间内，并通过机械振动使其密实。

6)将抽气管1放置在包套开孔2处，并封焊好。

7)将上述装有模具的包套放置在加热炉中加热，并利用抽真空的设备通过抽气管1对包套内部进行抽真空处理。完成后夹断抽气管1并封焊。

8)将上述已经抽真空的包套放置在热等静压设备中，在高温高压下使球形钛合金粉末7烧结成形，在内外部模具的作用下，形成钛合金零件8的特征。

9)利用机械加工的方法去除包套3，利用常规的机加工方法加工出钛合金零件的外部形状，由此得到钛合金气瓶半球体零件的半成品。

10)再经过机械精加工，最终成形符合要求的钛合金零件8。

2.权利要求1所述的内部模具和底板的材料为304不锈钢材料，内部模具与底板一体化制造；内部模具表面进行抛光处理，使表面光滑。

3.权利要求1所述的外部包套的材料为304不锈钢材料，包套与底板通过焊接的方式固定。

4.权利要求1所述的球形粉末材料为Ti-6Al-4V。

5.权利要求1所述的加热炉的温度为350℃-400℃，包套内部的真空度达到10^-3Pa以下，此过程中包套不可倒置。

6.权利要求1所述的热等静压工艺参数为：升温升压3小时使热等静压设备的温度至920℃、热等静压设备的内部压力至120MPa；保温保压时间为3小时；降温降压时间为2.5小时。