CN109604614B - 一种钛合金微流道件粉固耦合成形方法 - Google Patents

一种钛合金微流道件粉固耦合成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种钛合金微流道件粉固耦合成形方法，属于钛合金成形制造领域，可解决钛合金微流道件成形困难的问题。该方法包括管路设计制备、固体块设计制备及加工、钛合金粉末选择、外部包套设计与制备、预处理、工艺参数选择和后期处理等步骤。该方法是一种在热等静压的基础上进行改进的创新型技术，作用对象不仅仅是粉末、还有固体，兼具热等静压和扩散连接的优点：成形零件性能优异，能实现近净成形、材料利用率高、成形周期短、成本低；具有可设计性的特点，以管路代替流道可满足清洁性、气密性等性能要求，优势显著。此方法还可以推广到其它具有内部特征的钛合金或者其它材料的零件，具有良好的发展潜力。

Description

一种钛合金微流道件粉固耦合成形方法
技术领域
本发明属于钛合金成形制造领域，特别是涉及钛合金微流道件成形方面，也可以推广应用到其它具有内部特征的钛合金或者其它材料的零件。
背景技术
航空航天领域由于减小空间体积的要求对管路集成化提出了需求，带有内通道的钛合金微流道件可以很好地满足此需求，同时还能满足减重的要求，在微小卫星上的微推进器上得到了越来越广泛的应用。但是钛合金微流道件往往有较高的精度、强度要求以及内流道清洁性、气密性等性能要求，这给成形带来了诸多困难：内部流道尺寸小、深度深，常规加工方法无法成形；采用扩散焊的方法不仅机加工繁琐，工艺复杂，周期长，精度低，而且会存在漏气问题，无法满足气密性要求；3D打印技术虽然能成形，但是内流道却不可避免地存在粉末颗粒，无法满足清洁性要求，而且其成本也较高。
基于上述成形难题，本发明提出了高温高压粉固耦合成形技术，它是在热等静压的基础上进行改进的新型技术：热等静压是在高温环境中利用密闭容器内的高压气体对包套内的粉末进行固结成形的高温高压成形技术，而本发明提出的高温高压粉固耦合成形技术是通过热等静压的方法将一种金属粉末与同种或异种金属固体扩散连接成整体的近净成形技术。与热等静压成形技术相比，作用对象不仅仅是粉末，还有固体，所以可以降低成本。同时，此技术以固体为支撑物、以粉末为填充物，可以对零件内部进行结构设计。粉固耦合成形技术兼具热等静压和扩散连接的优点：成形零件性能优异，能实现近净成形、精确成形，机加工少、材料利用率高、成形周期短、成本低；同时扩散连接界面性能好，具有可设计性的特点，在成形钛合金微流道件时以管路代替流道来满足清洁性、气密性等性能要求，优势显著。同时此技术还可以推广到其它具有内部特征的钛合金或者其它材料的零件，具有良好的发展潜力。
发明内容
本发明提供的钛合金微流道件高温高压粉固耦合成形方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)根据微流道件的内部流道走向设计制备出相应的管路。
2)为满足清洁性、气密性等性能要求，先对管路进行清洗、气密性检测等预处理。
3)根据微流道件的内部流道位置设计制备出相应的固体支撑块。
4)根据管路尺寸在固体支撑块表面加工出凹槽和孔，用来固定管路。
5)将管路装配在固体支撑块对应的凹槽和孔上。
6)根据微流道件的材料需求，制备出相应的钛合金粉末。
7)根据微流道件外部形状设计制备出合理的外部包套，并在包套上开出相应的抽真空孔和管路孔。
8)将装配好的固体块和管路装入包套，管路通过包套上的管路孔延伸出来，与包套连接的位置通过焊接的方式固定密封。
9)通过检漏仪设备对包套整体装置进行检漏操作。
10)固体支撑块、管路和外部包套形成粉末的存储空间，将上述制备好的钛合金粉末装入空间内，并通过机械振动使其密实。
11)将抽气管放置在包套抽真空孔处，并封焊好。
12)将上述包套装置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。
13)将上述已经抽真空的包套装置放置在热等静压设备中，在高温高压下使粉末、固体、管路扩散连接成一个整体，成形出内部具有微流道特征的钛合金零件。
14)利用机械加工的方法去除包套，再经过精加工，最终成形符合要求的钛合金微流道件。
15)所述步骤1中管路的材料为铜、钛或者不锈钢等与钛合金扩散连接性能好的材料；如需选用扩散连接性能不好的材料，需添加过渡层材料。
16)所述步骤3中固体支撑块的材料为相应的钛合金零件材料。
17)所述步骤6中粉末材料为相应的钛合金粉末材料。
18)所述步骤7中包套材料为塑性不锈钢材料。
19)所述步骤12中加热炉的温度为350℃-400℃，包套内部的真空度不低于10-3Pa，此过程中包套不可倒置。
20)所述步骤13中热等静压工艺参数为：先升温再升压3小时使热等静压设备的温度至0.5-0.7T熔(T熔为相应钛合金材料的熔点，如TC4钛合金材料热等静压温度为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。
21)根据所成形的钛合金微流道件形状和内部流道走向、位置的不同，相应的外部包套、管路和固体支撑块形状也不同，工艺参数也将根据原材料以及零件特征的不同进行相应的调整。
22)该技术是一种可设计化的成形方法，可以推广应用到其它具有内部特征的钛合金或者其它材料的零件。
附图说明
图1为采用本发明提供的高温高压粉固耦合成形方法所成形的典型钛合金微流道件外部形状示意图。
图2为采用本发明提供的高温高压粉固耦合成形方法所成形的典型钛合金微流道件的内部流道示意图。
图3为采用本发明提供的高温高压粉固耦合成形方法成形典型钛合金微流道件所设计的的管路示意图。
图4为采用本发明提供的高温高压粉固耦合成形方法成形典型钛合金微流道件所设计的的固体支撑块示意图。
图5为采用本发明提供的高温高压粉固耦合成形方法成形典型钛合金微流道件热等静压整体装置结构示意图。
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高温高压粉固耦合成形方法成形典型钛合金微流道件进行详细说明。
如图1-图5所示，本发明提供的高温高压粉固耦合成形方法成形典型钛合金微流道件包括下列步骤：
1)根据图1中微流道件1的内部流道走向(如图2所示)设计制备出相应的管路2(如图3所示)。
2)为满足清洁性、气密性等性能要求，先对管路2进行清洗、气密性检测等预处理。
3)根据微流道件1的内部流道位置设计制备出相应的固体支撑块3(如图4所示)。
4)根据管路2尺寸在固体支撑块3表面加工出凹槽4和孔5，用来固定管路2。
5)将管路2装配在固体支撑块3对应的凹槽4和孔5上。
6)根据微流道件1的材料需求，制备出相应的钛合金粉末6。
7)根据微流道件1外部形状设计制备出合理的外部包套7，并在包套7上开出相应的抽真空孔8和管路孔9。
8)如图5所示，将装配好的固体块3和管路2装入包套7，管路2通过包套7上的管路孔9延伸出来，与包套7连接的位置通过焊接的方式固定密封。
9)通过检漏仪设备对包套整体装置进行检漏操作。
10)固体支撑块3、管路2和外部包套7形成粉末的存储空间，将上述制备好的钛合金粉末6装入空间内，并通过机械振动使其密实。
11)将抽气管10放置在抽真空孔8处，并封焊好。
12)将上述包套装置放置在加热炉中加热，并利用抽真空的设备通过抽气管10对包套7内部进行抽真空处理。完成后夹断抽气管10并封焊。
13)将上述已经抽真空的包套装置放置在热等静压设备中，在高温高压下使粉末6、固体3、管路2扩散连接成一个整体，成形出内部具有微流道特征的钛合金零件。
14)利用机械加工的方法去除包套，再经过精加工，最终成形符合要求的钛合金微流道件1。
15)所述步骤1中管路2的材料为铜、钛或者不锈钢等与钛合金扩散连接性能好的材料；如需选用扩散连接性能不好的材料，需添加过渡层材料。
16)所述步骤3中固体支撑块3的材料为相应的钛合金零件材料。
17)所述步骤6中粉末6材料为相应的钛合金粉末材料。
18)所述步骤7中包套7材料为塑性不锈钢材料。
19)所述步骤12中加热炉的温度为350℃-400℃，包套内部的真空度不低于10-3Pa，此过程中包套不可倒置。
20)所述步骤13中热等静压工艺参数为：先升温再升压3小时使热等静压设备的温度至0.5-0.7T熔(T熔为相应钛合金材料的熔点，如TC4钛合金材料热等静压温度为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。
21)根据所成形的钛合金微流道件形状和内部流道走向、位置的不同，相应的外部包套7、管路2和固体支撑块3形状也不同，工艺参数也将根据原材料以及零件特征的不同进行相应的调整。
22)该技术是一种可设计化的成形方法，可以推广应用到其它具有内部特征的钛合金或者其它材料的零件。

Claims (3)

1.一种钛合金微流道件粉固耦合成形方法，其特征在于：包括按顺序进行的下列步骤：
1)根据微流道件的内部流道走向设计制备出相应的管路；
2)为满足清洁性、气密性的性能要求，先对管路进行清洗、气密性检测的预处理；
3)根据微流道件的内部流道位置设计制备出相应的固体支撑块；
4)根据管路尺寸在固体支撑块表面加工出凹槽和孔，用来固定管路；
5)将管路装配在固体支撑块对应的凹槽和孔上；
6)根据微流道件的材料需求，制备出相应的钛合金粉末；
7)根据微流道件外部形状设计制备出合理的外部包套，并在包套上开出相应的抽真空孔和管路孔；
8)将装配好的固体块和管路装入包套，管路通过包套上的管路孔延伸出来，与包套连接的位置通过焊接的方式固定密封；
9)通过检漏仪设备对包套整体装置进行检漏操作；
10)固体支撑块、管路和外部包套形成粉末的存储空间，将制备好的钛合金粉末装入空间内，并通过机械振动使其密实；
11)将抽气管放置在包套抽真空孔处，并封焊好；
12)将包套装置放置在加热炉中加热，加热炉的温度为350℃-400℃，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，包套内部的真空度不低于10-3Pa，此过程中包套不可倒置，完成后夹断抽气管并封焊；
13)将已经抽真空的包套装置放置在热等静压设备中，在高温高压下使粉末、固体、管路扩散连接成一个整体，成形出内部具有微流道特征的钛合金零件；
14)利用机械加工的方法去除包套，再经过精加工，最终成形符合要求的钛合金微流道件。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金微流道件粉固耦合成形方法，其特征在于：管路的材料为与钛合金扩散连接性能好的铜、钛或者不锈钢；固体支撑块的材料为相应的钛合金零件材料；粉末材料为相应的钛合金粉末材料；包套材料为塑性不锈钢材料。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金微流道件粉固耦合成形方法，其特征在于：根据所成形的钛合金微流道件形状和内部流道走向、位置的不同，相应的外部包套、管路和固体支撑块形状也不同，工艺参数也将根据原材料以及零件特征的不同进行相应的调整。
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