CN109794608A - 一种热等静压近净成形用控形控性型芯及制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于先进制造领域，并具体公开了一种热等静压近净成形用控形控性型芯及制备方法和应用，其包括如下步骤：1)根据待热等静压近净成形目标零件设计型芯形状及尺寸；2)根据设计的型芯形状及尺寸对石墨坯料进行机加工，得到石墨型芯；3)对石墨型芯表层进行硅化处理，使表面生成一定厚度的碳化硅层，以此获得所需的型芯，用于后续的热等静压。该型芯为硅化石墨型芯，其包括石墨基体以及包裹在石墨基体表面的碳化硅层。该型芯可用于航空航天领域、海洋工程及能源领域的叶片、阀体、泵壳等零件的热等静压制备中。

Description

一种热等静压近净成形用控形控性型芯及制备方法和应用

技术领域

本发明属于先进制造领域，更具体地，涉及一种热等静压近净成形用控形控性型芯及制备方法和应用，适用于制备航空航天领域的表面质量好、精度高的零件。

背景技术

在航空航天领域，一些关键零部件如叶片、涡轮盘等对材料要求极为苛刻，要求材料具有良好的高温力学性能。镍基高温合金和钛合金因具有良好的综合性能广泛应用于航空航天领域，但是镍基高温合金和钛合金因熔点高、强度大，采用常规加工方法成形难度大，难以满足高性能、轻量化和整体化的需求。

热等静压是一种重要的粉末冶金工艺，在高温高压条件下致密化粉末，可以获得综合性能优异的制件，被广泛地应用于航空航天领域。结合模具设计及控形技术，可以实现复杂结构件的整体成形。然而，在热等静压整体成形复杂零件时，需要在内部放置控制零件内部结构的型芯，型芯一般采用金属材料，如模具钢、碳钢等。

而对于金属控形型芯，在实际工程应用中存在一些缺陷：

(1)控形精度不够：由于金属材料的强度随着温度的升高而降低，在实际热等静压温度下，金属型芯材料会发生软化，导致最终成形件尺寸精度和表面精度降低；

(2)高温界面扩散严重：在热等静压高温高压条件下，金属粉末和型芯材料直接接触，会导致在粉末和型芯接触面发生元素扩散，造成零件表层元素缺失或者是在扩散层生成金属间化合物，影响零件表面质量；

(3)型芯去除困难：对于具有复杂结构的零件，其控形型芯也相应的具有复杂结构，因此难以采用常规机加工的方法对热等静压成形零件的型芯进行去除，只有通过酸溶液腐蚀，而酸腐蚀效率低，对环境有污染，同时，需要严格控制腐蚀工艺，以确保成形材料不被腐蚀，对工艺要求高。

因此，为了获得表面质量良好、精度高的零件，需研究设计一种新型的热等静压近净成形用控形型芯。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种热等静压近净成形用控形控性型芯及制备方法和应用，其研究获得的硅化石墨型芯不仅能提高型芯耐磨性，还能防止合金元素渗透到石墨孔隙中，提高零件的表面质量与精度，达到控形控性的目的，适合于制备高性能合金部件，包括航空航天领域、海洋工程及能源领域的叶片、阀体、泵壳等零件。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种热等静压近净成形用控形控性型芯，该控形型芯为硅化石墨型芯，其包括石墨基体以及包裹在石墨基体表面的碳化硅层

按照本发明的另一方面，提供了一种所述热等静压近净成形用控形控性型芯的制备方法，其包括如下步骤：

1)根据待热等静压近净成形目标零件设计型芯形状及尺寸；

2)根据设计的型芯形状及尺寸对石墨坯料进行机加工，得到石墨型芯；

3)对石墨型芯表面进行硅化处理，使表面生成一定厚度的碳化硅层，以便进行后续的热等静压。

作为进一步优选的，根据目标零件的材料确定碳化硅层的厚度。

作为进一步优选的，当目标零件的材料为钛合金时，碳化硅层厚度为0.1-3.5mm，进一步优选为0.2mm；当目标零件的材料为镍基高温合金时，碳化硅层厚度为0.1-5mm，进一步优选为0.5mm。

作为进一步优选的，所述硅化处理包括化学气相沉积法、化学气相反应法和液硅渗透法。

作为进一步优选的，利用化学气相沉积法制备硅化石墨型芯的碳化硅层具体包括如下步骤：

1)采用CH₃SiCl₃作为硅化层的原材料，99.9％纯度的H₂作为载气，Ar作为稀释气体；

2)将石墨型芯置入硅化处理炉中，并通入CH₃SiCl₃、H₂和Ar以对石墨型芯进行沉积获得所需的碳化硅层，其中，CH₃SiCl₃和H₂气体流速为60L/h-100L/h，Ar气体流速为80L/h-120L/h，沉积时间为24h-48h。

作为进一步优选的，利用化学气相反应法制备硅化石墨型芯的碳化硅层具体包括如下步骤：

1)将Si块和SiO₂粉末按照1:2的质量比进行混合，在高温炉中加热到2000℃以生成SiO蒸汽；

2)将石墨型芯放入反应炉中，并将生成的SiO蒸汽导入以在石墨型芯表面制备所需的碳化硅层，其中，反应炉的温度为2000℃-2200℃，保温时间为1h-2h。

作为进一步优选的，利用液硅渗透法制备硅化石墨型芯的碳化硅层具体包括如下步骤：

1)利用纯度大于99.4％的Si块制备出熔融硅液体；

2)将石墨型芯置于熔融硅液体中，在真空条件下进行浸渗处理，反应温度为1700℃-1900℃，反应时间为20h-24h。

按照本发明的另一方面，本发明提供了所述热等静压近净成形用控形控性型芯在热等静压近净成形中的应用。

目前，热等静压工艺一般采用金属材料和陶瓷材料，而未使用过硅化石墨作为型芯材料，与其他材料相比，硅化石墨作为型芯具有以下优点：

1)硅化石墨型芯表面质量好：在硅化处理过程中，石墨基体表面孔隙会被填充，生成碳化硅，不仅能提高石墨材料的耐磨性，还能防止高温下合金元素渗透到石墨孔隙中，避免造成零件质量降低或模具失效，提高零件的质量与精度。

2)硅化石墨型芯易于加工：硅化石墨型芯的主体材料为石墨，石墨切削加工方便，还可以进行粘接，可以加工成形精度高、形状复杂的模具，且石墨抗热震性好、热膨胀系数小，在使用时能经受住温度的剧烈变化而不被破坏，当温度突变时，石墨体积不会发生变化，适合作为高温模具。

3)高温强度高：碳化硅是共价键结合的化合物，化学性能稳定，可以长期使用在1000℃以上，其高温强度比金属材料的高，保证了压制零件的尺寸精度。

4)本发明还对碳化硅层的厚度进行了研究与设计，以获得最优厚度参数，以有效保证制备获得高质量、高精度的热等静压产品。

5)本发明还对硅化处理的工艺进行了研究与设计，以获得最优制备参数，制备出所需厚度的碳化硅层。

附图说明

图1是硅化石墨型芯及热等静压工艺示意图。

图中：1-目标零件，2-机加工的石墨型芯，3-硅化石墨型芯，4-热等静压包套，5-金属粉末材料。

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。

在使用热等静压工艺成形金属零件时，通常采用金属型芯或者陶瓷型芯。对于金属型芯，存在强度低、界面元素扩散和难去除等特点，不利于保持热等静压零件的精度和质量；陶瓷型芯制备困难，尤其对于复杂结构的型芯，尺寸精度难以保证。基于此，本发明研究设计了硅化石墨这一复合材料作为热等静压型芯，以制备高精度、高质量的热等静压零件。

与传统使用的金属型芯材料不同，本发明通过使用硅化石墨作为零件控形型芯，一方面，石墨具有高温稳定性和易加工性，以石墨作为原材料(即基体)经机加工后可获得各种所需的形状，另一方面，通过在石墨表面涂覆(生成)一定厚度的碳化硅层，以防止石墨在高温下脱落，避免脱落的石墨颗粒在后续的接触过程中对石墨基体造成磨损产生犁沟效应，进而影响表面精度。由于碳化硅是共价键结合的化合物，化学性能稳定，可以长期使用在1000℃以上，并且石墨在硅化处理后石墨表层孔隙被填充，提高了表面石墨层的粘接性，使表面石墨不容易脱落，同时在表层生成一层硬质碳化硅层，不仅提高了表面精度(进而保证热等静压零件的精度，起到控形的目的)，还提高了表面耐磨性能。石墨表层的碳化硅层也能有效避免粉末材料和多孔石墨材料的直接接触，因碳化硅具有较好的高温稳定性，有效的避免了高温条件下金属元素与石墨接触而生成脆性金属间化合物相，进而保证热等静压零件的质量，起到控性的目的。本发明利用硅化石墨作为热等静压整体成形的型芯材料，从而提高成形零件的精度和表面质量。

本发明实施例提供的热等静压近净成形用控形控性型芯的制备方法，包括如下步骤：

1)首先对目标零件模型进行分析设计出相应的型芯，即根据待热等静压近净成形目标零件设计型芯的形状及尺寸，具体的型芯形状及尺寸根据实际需要限定，在此不赘述；

2)由于石墨具有良好的机加工性能，利用数控加工可以加工出高精度的石墨型芯，故可根据设计的型芯形状及尺寸对石墨坯料进行机加工，得到所需形状和尺寸的石墨型芯，机加工方法可以是整体加工或者是分体加工，分体加工时，最后通过粘接或装配成所需型芯；

3)随后对加工好的石墨型芯的表面进行硅化处理，使得表面孔隙被填充的同时在表面生长一层一定厚度的碳化硅层，从而提高型芯的硬度和耐磨性，以保证在热等静压高温高压过程中型芯保持较高的强度和精度。

由于碳化硅层可提高零件表面精度，且可有效避免粉末材料和多孔石墨材料的直接接触，避免高温条件下金属元素与石墨接触生成脆性金属间化合物相，由此保证零件的性能，即该碳化硅层直接关系到热等静压零件最终的质量与性能，因此该碳化硅层至关重要。通过研究发现制备合适的厚度的碳化硅层可有效发挥该层的作用，以达到控形控性的目的。通过研究发现，当目标零件材料为钛合金时，将碳化硅层厚度设计为0.1-3.5mm，进一步优选为0.2mm，当目标零件材料为镍基高温合金时，将碳化硅层厚度设计为0.1-5mm，进一步优选为0.5mm，由此可有效保证制备获得高质量高精度的热等静压产品。

如上所述，碳化硅层至关重要，且通过研究设计出了碳化硅层的合理厚度，而如何制备出合适厚度的碳化硅层直接由碳化硅层的制备工艺决定。因此，本发明还对碳化硅层的制备工艺进行了研究与设计。

具体的，利用化学气相沉积法制备硅化石墨型芯的碳化硅层，包括如下步骤：

1)采用CH₃SiCl₃作为硅化层的原材料，99.9％纯度的H₂作为载气，Ar作为稀释气体；

2)将石墨型芯置入硅化处理炉中，并通入CH₃SiCl₃、H₂和Ar以对石墨型芯进行沉积获得所需的碳化硅层，其中，CH₃SiCl₃和H₂气体流速为60L/h-100L/h，Ar气体流速为80L/h-120L/h，沉积时间为24h-48h。

通过上述工艺，可有效制备出合适厚度的碳化硅层。

进一步的，利用化学气相反应法制备硅化石墨型芯的碳化硅层，包括如下步骤：

1)将Si块和SiO₂粉末按照1:2的质量比进行混合，在高温炉中加热到2000℃以生成SiO蒸汽；

2)将石墨型芯放入反应炉中，并将生成的SiO蒸汽导入以在石墨型芯表面制备所需的碳化硅层，其中，反应炉的温度为2000℃-2200℃，保温时间为1h-2h。

通过上述工艺，可有效制备出合适厚度的碳化硅层。

更进一步的，利用液硅渗透法制备硅化石墨型芯的碳化硅层，包括如下步骤：

1)利用纯度大于99.4％的Si块制备出熔融硅液体；

2)将石墨型芯置于熔融硅液体中，在真空条件下进行浸渗处理，反应温度为1700-1900℃，反应时间为20h-24h。

通过上述工艺，可有效制备出合适厚度的碳化硅层。

本发明制备的控形控性型芯可应用在热等静压近净成形中，使用时将制备好的型芯和相应的热等静压包套进行装配，填充粉末后，进行抽气，封焊，最后实施热等静压。当零件材料为钛合金时，热等静压温度为850-1100℃，保温保压3h，压力120Mpa；材料为镍基高温合金时，热等静压温度为1100-1200℃，保温保压3h，压力120Mpa。为了获得最终零件，采用机加工方法去除零件包套和型芯。

为了清楚说明，下面以等离子旋转电极法制备的钛合金粉末和镍基高温合金粉末为例。应该说明，本发明也适合气雾化制备的合金粉末，以及其他多元合金粉末。

实施例1

本实施例采用FGH97合金粉末作为零件制备材料，热等静压工艺参数温度为1200℃，压力选择为120MPa，保温保压3h，根据上述参数制造飞机发动机涡轮叶片零件，具体步骤如下：

(1)根据涡轮叶片零件结构设计出热等静压型芯和包套，包套采用不锈钢材料，型芯采用石墨材料，均采用机加工制造；

(2)选用等离子旋转电极法制备FGH97球形粉末，粉末粒径呈正态分布，平均粒径为80μm；

(3)对石墨型芯进行硅化处理，采用液硅渗透法进行表层硅化，表层碳化硅层厚度为3mm，随后在热碱中去除型芯表面残硅；采用液硅渗透法进行表层硅化具体为：利用纯度为99.5％的Si块制备出熔融硅液体；将石墨型芯置于熔融硅液体中，在真空条件下进行浸渗处理，反应温度为1800℃，反应时间为22h；

(4)将石墨型芯装配在包套里，通过焊接将包套焊在一起，将粉末填充到包套中，并振实，随后在650℃下进行抽气处理，待真空度达到10^-3Pa时，将抽气口封焊；

(5)对封装好的包套进行热等静压压制，工艺条件为同时升温升压，保温温度为1200℃，保温时间为3h，最大压力为120Mpa，冷却方式为炉冷；

(6)利用线切割等机加工方式去除外围包套，利用喷砂法将硅化石墨型芯从零件内部去除，并获得最终零件。

实施例2

利用本发明来制造Inconel718涡轮盘零件。随着航空航天技术的发展，对材料的要求越来越高，镍基合金作为一种优秀的高温合金，现代燃气涡轮发动机有50％以上材料采用高温合金。因此，本发明以Inconel718粉末为原料，成形涡轮盘零件，具体步骤如下：

(1)根据涡轮盘结构设计出热等静压型芯和包套，包套采用不锈钢材料，型芯采用石墨材料，均采用机加工制造；

(2)选用气雾化法制备Inconel718球形粉末，粉末粒径呈正态分布，平均粒径为90μm；

(3)对石墨型芯进行硅化处理，采用化学气相反应法处理，在石墨型芯表面生成致密的碳化硅层，碳化硅层厚度为0.5mm；采用化学气相反应法制备碳化硅层具体为：将Si块和SiO₂粉末按照1:2的质量比进行混合，在高温炉中加热到2000℃以生成SiO蒸汽；将石墨型芯放入反应炉中，并将生成的SiO蒸汽导入以在石墨型芯表面制备所需的碳化硅层，其中，反应炉的温度为2100℃，保温时间为1.2h；

(4)将石墨型芯装配在包套里，通过焊接将包套焊在一起，将粉末填充到包套中，并振实，随后在550℃下进行抽气处理，待真空度达到10^-3Pa时，将抽气口封焊；

(5)对封装好的包套进行热等静压压制，工艺条件为同时升温升压，保温温度为1150℃，保温时间为3h，最大压力为120Mpa，冷却方式为炉冷；

(6)利用线切割等机加工方式去除外围包套，利用喷砂法将规划石墨型芯从零件内部去除，并获得最终零件。

实施例3

钛合金因具有良好的高温强度和耐腐蚀性，在航空航天及海洋工程中有广泛的应用，利用本发明成形泵体零件，具体步骤为：

(1)根据泵体零件结构设计出热等静压型芯和包套，包套采用不锈钢材料，型芯采用石墨材料，均采用机加工制造；

(2)选用等离子旋转电极制备TC4球形粉末，粉末粒径呈正态分布，平均粒径为100μm；

(3)对石墨型芯进行硅化处理，采用化学气相沉积法处理，在表面生成致密的碳化硅层，碳化硅层厚度为0.2mm；采用化学气相沉积法制备碳化硅层具体为：采用CH₃SiCl₃作为硅化层的原材料，99.9％纯度的H₂作为载气，Ar作为稀释气体；将石墨型芯置入硅化处理炉中，并通入CH₃SiCl₃、H₂和Ar以对石墨型芯进行沉积，其中CH₃SiCl₃和H₂气体流速为60L/h，Ar气体流速为90L/h，沉积时间为24h；

(4)将石墨型芯装配在包套里，通过焊接将包套焊在一起，将粉末填充到包套中并振实，随后在600℃下进行抽气处理，待真空度达到10^-3Pa时，将抽气口封焊；

(5)对封装好的包套进行热等静压压制，工艺条件为同时升温升压，保温温度为950℃，保温时间为3h，最大压力为120Mpa，冷却方式为炉冷；

(6)利用线切割等机加工方式去除外围包套，利用热碱法将硅化石墨型芯从零件内部去除，并获得最终零件。

实施例4

钛合金因具有良好的高温强度和耐腐蚀性，在航空航天及海洋工程中有广泛的应用，利用本发明成形泵体零件，具体步骤为：

(1)根据泵体零件结构设计出热等静压型芯和包套，包套采用不锈钢材料，型芯采用石墨材料，均采用机加工制造；

(2)选用等离子旋转电极制备TC4球形粉末，粉末粒径呈正态分布，平均粒径为100μm；

(3)对石墨型芯进行硅化处理，采用液硅渗透法在表面生成致密的碳化硅层，碳化硅层厚度为3.5mm；采用液硅渗透法进行表层硅化具体为：利用纯度为99.5％的Si块制备出熔融硅液体；将石墨型芯置于熔融硅液体中，在真空条件下进行浸渗处理，反应温度为1900℃，反应时间为24h；

(4)将石墨型芯装配在包套里，通过焊接将包套焊在一起，将粉末填充到包套中并振实，随后在600℃下进行抽气处理，待真空度达到10^-3Pa时，将抽气口封焊；

(5)对封装好的包套进行热等静压压制，工艺条件为同时升温升压，保温温度为1100℃，保温时间为3h，最大压力为120Mpa，冷却方式为炉冷；

(6)利用线切割等机加工方式去除外围包套，利用热碱法将硅化石墨型芯从零件内部去除，并获得最终零件。

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 (9)

1.一种热等静压近净成形用控形控性型芯，其特征在于，该型芯为硅化石墨型芯，其包括石墨基体以及包裹在石墨基体表面的碳化硅层。

2.一种如权利要求1所述的热等静压近净成形用控形控性型芯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据待热等静压近净成形目标零件设计型芯形状及尺寸；

2)根据设计的型芯形状及尺寸对石墨坯料进行机加工，得到石墨型芯；

3)对石墨型芯表面进行硅化处理，使表面生成一定厚度的碳化硅层，以此获得所需的型芯。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，根据目标零件的材料确定碳化硅层的厚度。

4.如权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，当目标零件的材料为钛合金时，碳化硅层厚度为0.1-3.5mm，进一步优选为0.2mm；当目标零件的材料为镍基高温合金时，碳化硅层厚度为0.1-5mm，进一步优选为0.5mm。

5.如权利要求2-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述硅化处理包括化学气相沉积法、化学气相反应法和液硅渗透法。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，利用化学气相沉积法制备硅化石墨型芯的碳化硅层具体包括如下步骤：

1)采用CH₃SiCl₃作为硅化层的原材料，99.9％纯度的H₂作为载气，Ar作为稀释气体；

2)将石墨型芯置入硅化处理炉中，并通入CH₃SiCl₃、H₂和Ar以对石墨型芯进行沉积获得所需的碳化硅层，其中，CH₃SiCl₃和H₂气体流速为60L/h-100L/h，Ar气体流速为80L/h-120L/h，沉积时间为24h-48h。

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，利用化学气相反应法制备硅化石墨型芯的碳化硅层具体包括如下步骤：

1)将Si块和SiO₂粉末按照1:2的质量比进行混合，在高温炉中加热到2000℃以生成SiO蒸汽；

2)将石墨型芯放入反应炉中，并将生成的SiO蒸汽导入以在石墨型芯表面制备所需的碳化硅层，其中，反应炉的温度为2000℃-2200℃，保温时间为1h-2h。

8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，利用液硅渗透法制备硅化石墨型芯的碳化硅层具体包括如下步骤：

1)利用纯度大于99.4％的Si块制备出熔融硅液体；

2)将石墨型芯置于熔融硅液体中，在真空条件下进行浸渗处理，反应温度为1700℃-1900℃，反应时间为20h-24h。

9.如权利要求1所述的热等静压近净成形用控形控性型芯在热等静压近净成形中的应用。