CN109093121B - 一种生成具有晶粒尺寸连续变化结构的热等静压成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热等静压成形领域，并公开了一种生成具有晶粒尺寸连续变化结构的热等静压成形方法。该方法包括下列步骤：(a)选取不同粒径的粉末颗粒，根据待成形零件的三维结构设计并成形包套和型芯；(b)将不同粒径的粉末颗粒填充到包套中，对包套施加振动获得与晶粒分布要求相同的粉末粒径分布；(c)将包套封闭，然后依次进行加热、抽真空和等静压处理，依次完成成形过程，去除包套和型芯获得所需的成形零件。通过本发明，实现制件晶粒尺寸的连续变化，使制件的不同部位具有连续可变的力学性能，尤其适用于航空航天领域制造具有两性或者多性能要求的关键零部件。
Description
技术领域
本发明属于热等静压成形领域，更具体地，涉及一种生成具有晶粒尺寸连续变化结构的热等静压成形方法。
背景技术
航空发动机涡轮盘与壳体等零件由于对高温强度、热膨胀性、热疲劳等性能要求高，通常采用镍合金或钛合金材料进行制造。然而，由于镍基和钛基合金材料具有熔点高、强度大等特点，采用车、铣、刨、磨等常规方法难以加工成形。铸造容易出现孔隙、组织粗大等缺陷，使零件性能无法满足航空航天的特殊工作环境。锻造能加工出较高性能的零件，但是对于结构较复杂的零件难以甚至无法加工。热等静压作为粉末近净成形制造方法，可以整体成形复杂零件，并且成形的零件具有较高的整体机械性能。
热等静压近净成形是一种将粉末颗粒填充于由包套和型芯组装的模具中，抽真空并施加高温高压，使模具中的粉末材料致密化，从而获得目标零件的制造技术，是近净成形领域的研究前沿与热点。热等静压具有制件全致密、力学性能可达锻件且高度各向同性、材料利用率高等特点，同时能实现复杂零件的整体成形，近年来，开始用于航空航天领域关键复杂零部件的成形制造。例如，美国ABB公司建立了一套包括从粉末制备到热等静压成形的生产线，生产铬合金叶片环、涡轮盘和涡轮轴密封圈等复杂零件，综合力学性能与同质锻件相当。俄罗斯利用热等静压制造了压气机的轴和盘件等航空航天关键零件，并尝试在大型远程客机的发动机ПC-90A的盘件应用。英国伯明翰大学等单位开始研究热等静压成形技术，用于航空发动机钛合金和镍基高温合金机匣的整体成形，并将其列为未来二十年航空发动机关键零件制造的战略储备技术。
目前，随着航空发动机推重比的增加，压气机出口温度、涡轮前温度也大幅提升，发动机热端部件工作条件越来越苛刻。为进一步提高发动机结构效益，必须较大程度地改变发动机涡轮盘和压气机盘等热端部件的性能或结构，以满足其在大应力梯度和大温度梯度环境下的工作需要。例如，航空发动机涡轮盘和压气机盘工作条件极其特殊。盘缘接触高温气体，工作温度约为450～840℃，需要具有良好的持久、蠕变和疲劳裂纹扩展抗力；与之相反，盘心工作温度相对较低，但承受较大的离心应力，需要具有较高的屈服强度和低周疲劳性能。这就要求盘体零件在不同的部位具有不同尺寸晶粒，以保证其在各自区域的工作需求，即盘缘晶粒尺寸粗，盘心晶粒尺寸细。其中，双性能盘、多性能盘等设计思想就是在这种需求下产生的。但是，目前传统的热等静压工艺还无法制造具有上述特殊性能的零部件。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种生成具有晶粒尺寸连续变化结构的热等静压成形方法，该方法在热等静压的粉末填充环节加入机械振动，使粉末在包套中产生粒度偏析，最终使热等静压制件具有晶粒尺寸连续变化的特点，该方法尤其适用于航空航天领域制造具有两性或者多性能要求的关键零部件。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种生成具有晶粒尺寸连续变化结构的热等静压成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)根据待成形零件的三维结构设计并成形包套和型芯，所述包套作为成形所述待成形零件外轮廓的模具，所述型芯置于所述包套中，用于成形所述待成形零件的几何结构；
(b)选取不同粒径的粉末作为待成形零件的原材料，其中，粉末颗粒中的晶粒尺寸随粉末粒径大小而变化；根据所述待成形零件不同部位的晶粒尺寸分布要求，设计与所述晶粒尺寸分布要求相符的待成形零件不同部位的粉末粒径分布规律；
(c)将所述不同粒径的粉末颗粒随机填充到所述包套中，对所述包套施加振动使得其中所述随机分布的粉末发生流动、渗透和凝聚，进而使得粉末沿特定方向上出现连续的粒度偏析、分层与重排，从而获得与所述设计的粉末粒径分布规律要求相同的粉末填充状态，其中，通过调节所述振动的频率、振幅和相位改变粉末粒径在包套不同部位分布状态；
(d)将所述包套封闭，然后依次进行加热、抽真空和等静压处理，依次完成成形过程，去除所述包套和型芯获得所需的成形零件。
进一步优选地，在步骤(c)中，所述振动优选采用横向和纵向的高频振动，其中，所施振动的加速度在各方向均需大于重力加速度。
进一步优选地，在步骤(d)中，所述加热温度范围400℃～600℃。
进一步优选地，在步骤(d)中，所述抽真空的真空度范围为103～104。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述不同粒径的粉末优选采用等离子体制粉方法获得的粉末，满足粉末颗粒中的晶粒尺寸随粉末粒径而变化。
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，能够取得下列有益效果：
1、传统热等静压采用填粉、加温加压的成形方式，只能制造各区域性能均一的制件，无法获得晶粒尺寸连续变化的组织；本发明在热等静压的粉末填充环节加入高频振动，通过调节振动频率、振动幅值以及振动方向等特征参数，调节粉末在包套内的振动形态、流动速度与流动方向等运动规律，利用粉末颗粒运动过程中的正“巴西果效应”与反“巴西果效应”，使初始随机填充的粉末颗粒在包套的不同区域出现连续定向的粒度偏析与重排。由于不同粒度粉末的晶粒尺寸不同，粒度大的粉末其晶粒粗大，粒度小的粉末其晶粒细小，对包套加温加压后，最终成形件不同区域的晶粒尺寸是连续变化的，这种成形件可以满足性能随不同部位变化的要求；
2、现有技术中通过在包套不同部位分别填充特定晶粒尺寸的粉末实现制件性能可变，这样的晶粒尺寸变化存在阶梯性，会导致性能变化不连续的问题；本发明方法利用了粉末流动过程中的粒径自然偏析，获得的晶粒尺寸变化具有连续性的特点，可以消除成形件组织变化的阶梯效应，因而成形件性能的变化是连续且稳定的；
3、本发明方法可操作性和适用性强，在实际运用过程中，可以根据成形件性能变化的具体要求，选择不同物性的粉末材料和振动工艺；
总之，本发明可以在热等静压中实现制件晶粒尺寸的连续变化，使制件的不同部位具有连续可变的力学性能，尤其适用于航空航天领域制造具有两性或者多性能要求的关键零部件。
附图说明
图1a是按照本发明的优选实施例1所构建的不同粒径的粉末颗粒及颗粒中的晶粒尺寸示意图；
图1b是按照本发明的优选实施例1所构建的粉末填充在包套中并施加各项振动的示意图；
图1c是按照本发明的优选实施例1所构建的不同粒径粉末在包套内发生流动、偏析、重排后的示意图；
图1d是按照本发明的优选实施例1所构建的向包套施加等向高温高压的示意图；
图1e是按照本发明的优选实施例1所构建的热等静压后的包套及成形件示意图；
图1f是按照本发明的优选实施例1所构建的去除包套后的成形件示意图；
图1g是按照本发明的优选实施例所构建的去除型芯后的最终成形件示意图；
图2a是按照本发明的优选实施例2所构建的经过高频振动后，不同粒径粉末在包套内发生流动、偏析、重排后的示意图；
图2b是按照本发明的优选实施例2所构建的热等静压、去包套与型芯后的制件及其不同部位的晶粒示意图；
图3a是按照本发明的优选实施例3所构建的经过高频振动后，不同粒径粉末在包套内发生流动、偏析、重排后的示意图；
图3b是按照本发明的优选实施例3所构建的热等静压、去包套与型芯后的制件及其不同部位的晶粒示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-不同粒度的粉末颗粒 2-不同粒度粉末颗粒相应的晶粒尺寸 3-水平方向高频振动 4-垂直方向高频振动 5-随机填充的粉末 6-发生粒度偏析、分层与重排后的粉末 7-抽气孔 8-包套上端盖 9-包套筒体 10-包套下端盖 11-控行型芯 12-高温高压 13-热等静压后的成型件块体 14-成形件不同部位的晶粒尺寸 15-包套上端盖 16-包套筒体 17-发生粒度偏析、分层与重排后的粉末 18-控形型芯 19-包套下端盖 20-热等静压后的成型件块体 21-成形件不同部位的晶粒尺寸 22-包套上端盖 23-包套筒体 24-发生粒度偏析、分层与重排后的粉末 25-控形型芯 26-包套下端盖 27-热等静压后的成型件块体 28-成形件不同部位的晶粒尺寸。
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。
本发明提供的一种生成具有晶粒尺寸连续变化结构的热等静压成形方法，该方法在粉末填充环节，先将具有不同粒度的粉末填入包套，然后基于的“巴西果振动”效应，采用高频振动的方式使包套中的粉末运动并发生连续、定向的粒度偏析，使不同粒度的粉末填充于包套的特定部位，最后加温加压成形。由于不同粒度粉末的晶粒也不一致，使最终成形件不同区域的晶粒尺寸具有连续变化的特点，以满足成形件的双性能以及多性能需求。
实例1
制备具有晶粒尺寸连续变化结构的Ti合金圆筒类零件流程示意图，具体包括以下步骤：
(1)采用等离子化等制粉方法获取不同粒度的Ti合金粉末颗粒。
如图1a所示，制粉过程中，粉末粒度通常具有随机分布、正态分布或对数正态分布几种特征。由于粉末颗粒1随着粒度的不同，其晶粒尺寸2也不同。通常情况下，粒度小的粉末由于降温快，其晶粒细小；而粒度大的颗粒由于降温慢，其晶粒粗大。
(2)根据零件模型，设计包套的三维CAD模型并加工成形。
包套通常包括筒体9、上端盖8、下端盖10和型芯11组成，其中上下端盖分别安装在筒体的上下两端。针对表面结构复杂且带复杂内腔的零件，合理设计包套与型芯很关键。制造金属包套选择合适的材料，如不锈钢等，制造型芯选择合适的材料，如高强石墨、陶瓷等。
(3)将粒度随机分布、正态分布或对数正态分布的粉末5填充到包套中，并施加高频振动，使粉末在包套内形成粒度偏析与连续分层。
如图1b所示，粉末填充到包套中后，包套不同部位区域的粉末粒度是随机分布的，因此，对包套整体施加高频振动3和高频振动4，振动环境下，粉末在包套内部发生流动、循环、粒度偏析以及粒度分层。
此步骤为本发明的关键步骤，本步骤利用了粉末振动的“巴西果效应”与“反西果效应”，即粉末振动运动过程中，根据振动参数的变化，会出现不同方式的流动、渗透以及凝聚现象，最后在一定的方向出现连续的粒度偏析、分层与重排。利用这一原理，通过调整高频振动3和4的频率、振幅、相位以及结合方式，可以得到特定的偏析与分层效果。如图1c所示为其中一种粉末重排效后的效果，即包套内从上至下，其粉末粒度依次变小，且没有明显的阶梯效应。
(4)对填装、振动好的包套进行焊接，以组装成一个封闭而仅带有抽气孔8的包套。
(5)将上述包套至于加热炉中，然后再高温下利用真空设备通过抽气孔8对包套内部进行抽真空处理，抽真空后将抽气孔封焊，加热温度为400-600°，包套内部真空度为103-104Pa，真空度越高越理想。
(6)对包套进行热等静压处理。
如图1d所示，对包套施加等向高温高压12。根据基体材料选择合适的温度：通常温度为基体材料熔点的0.5-0.8倍，压力为100-200MPa。例如，以Ti6Al4V为基体粉末材料，其热等静压工艺参数一般选为930°，120MPa。
热等静压后，如图1e所示，获得致密的成形件13。
(7)采用机加工等方式去除包套，得到零件如图1f。
(8)采用酸腐蚀等方法去除控形型芯，得到最终成形件。如图1g所示，由于施加高温高压之前，包套内的粉末颗粒发生了粒度分层与重排(如图1c),因此，最终成形件不同部位的晶粒尺寸是变化的，本例中，成型件从顶部到底部，其晶粒尺寸依次由粗变细。
实例2
制备具有晶粒尺寸连续变化结构的Ti合金圆筒类零件示意图，其基本步骤与实例一相同，但是在施加振动环节调整了工艺，获得了不同的晶粒尺寸分布结构，具体包括以下步骤：
(1)采用等离子化等制粉方法获取不同粒度的Ti合金粉末颗粒。
(2)根据零件模型，采用三维造型软件设计出包套的三维模型并加工组装。
(3)将粒度随机分布、正态分布或对数正态分布的粉末填充到包套中，并施加高频振动，使粉末在包套内形成粒度偏析与连续分层。
如图2a所示,本例中通过调整高频振动的频率、振幅、相位以及结合方式，得到特定的偏析与分层效果。即包套内从上至下，其粉末粒度依次变大。
(4)对填装、振动好的包套进行焊接，以组装成一个封闭而仅带有抽气孔的包套。
(5)将上述包套至于加热炉中，然后再高温下利用真空设备通过抽气孔对包套内部进行抽真空处理。
(6)对包套进行热等静压处理。热等静压后，获得致密的成形件。
(7)采用机加工、酸腐蚀等方式去除包套与控形型芯，得到零件如图2b。
如图2b所示，由于施加高温高压之前，包套内的粉末颗粒发生了粒度分层与重排(如图2a),因此，最终成形件不同部位的晶粒尺寸是变化的，本例中，成型件从顶部到底部，其晶粒尺寸21依次由细变粗。
实例3
制备具有晶粒尺寸连续变化结构的Ni合金机匣零件示意图，基本步骤与实例一相同，但是机匣零件具体的包套结构有所变化，另外，在施加振动环节调整了工艺，获得了不同的晶粒尺寸分布结构，具体包括以下步骤：
(1)采用等离子化等制粉方法获取不同粒度的Ni合金粉末颗粒。
(2)根据机匣零件模型，采用三维造型软件设计出包套的三维模型并加工组装。
(3)将粒度随机分布、正态分布或对数正态分布的粉末填充到包套中，并施加高频振动，使粉末在包套内形成粒度偏析与连续分层。
如图3a所示,本例中通过调整高频振动的频率、振幅、相位以及结合方式，得到特定的偏析与分层效果。即包套内从内至外，其粉末粒度依次变大。
(4)对填装、振动好的包套进行焊接，以组装成一个封闭而仅带有抽气孔的包套。
(5)将上述包套至于加热炉中，然后再高温下利用真空设备通过抽气孔对包套内部进行抽真空处理。
(6)对包套进行热等静压处理。热等静压后，获得致密的成形件。
(7)采用机加工或酸腐蚀去除包套，喷砂去掉与控形型芯，得到机匣零件如图3b。
如图3b所示，由于施加高温高压之前，包套内的粉末颗粒发生了粒度分层与重排(见图3a),因此，最终成形件不同部位的晶粒尺寸是变化的，本例中，机匣从中心轴线到外缘部位，其晶粒尺寸28依次由细变粗。
总之，本发明的实质是在热等静压成形前，对包套和粉末施加高频振动，通过振动使包套中的粉末发生定向、连续的粒度偏析、分层与重排，使不同粒度的粉末填充于包套的特定部位，形成粉末粒度的连续变化结构。由于不同粒度的粉末具有不同的晶粒尺寸，热等静压成形后零件特定部位的晶粒尺寸也不同，且具有连续变化的特点。零件晶粒尺寸的改变，可以满足特定部位具有不同屈服强度和疲劳性能的要求，且零件性能的变化没有阶梯效应，具有连续性和稳定性的特点。
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 (5)
1.一种生成具有晶粒尺寸连续变化结构的热等静压成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)根据待成形零件的三维结构设计并成形包套和型芯，所述包套作为成形所述待成形零件外轮廓的模具，所述型芯置于所述包套中，用于成形所述待成形零件的几何结构；
(b)选取不同粒径的粉末作为待成形零件的原材料，其中，粉末颗粒中的晶粒尺寸随粉末粒径大小而变化；根据所述待成形零件不同部位的晶粒尺寸分布要求，设计与所述晶粒尺寸分布要求相符的待成形零件不同部位的粉末粒径分布规律；
(c)将所述不同粒径的粉末颗粒随机填充到所述包套中，对所述包套施加振动使得其中随机分布的粉末发生流动、渗透和凝聚，进而使得粉末沿一个方向上出现连续的粒度偏析、分层与重排，从而获得与所述设计的粉末粒径分布规律要求相同的粉末填充状态，其中，通过调节所述振动的频率、振幅和相位改变粉末粒径在包套不同部位分布状态；
(d)将所述包套封闭，然后依次进行加热、抽真空和等静压处理，依次完成成形过程，去除所述包套和型芯获得所需的成形零件。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述振动采用横向和纵向的高频振动，其中，所施振动的加速度在各方向均需大于重力加速度。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述加热温度范围400℃～600℃。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述抽真空的真空度范围为103～104。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述不同粒径的粉末采用等离子体制粉方法获得的粉末，且满足粉末颗粒中的晶粒尺寸随粉末粒径而变化。
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