CN111266588A - 一种钛合金薄壁件热等静压控形方法 - Google Patents

一种钛合金薄壁件热等静压控形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了航空航天制造技术领域的一种钛合金薄壁件热等静压控形方法，主要由带有真空孔的盖片、带有装粉口的顶板、圆筒壁、固定模具的刚性垫板、底板，以及钛合金粉末组成。本发明方法包括模具的设计和制备、包套的制备，热等静压前处理，热等静压过程控制和后期处理等步骤，并针对于钛合金薄壁件在整个成形过程中的变形问题，提出模具形状及尺寸的设计方法。本发明的热等静压及模具和包套共同约束的控形方法，能提高零件的成形效率和原材料的利用率，成形钛合金薄壁件的致密度高，且组织均匀、性能优异，可以使成形后的钛合金薄壁件内腔近终形、外壁有足够的加工余量以实现最终尺寸要求。

Description

一种钛合金薄壁件热等静压控形方法
技术领域
本发明涉及航空航天制造技术领域，具体为一种钛合金薄壁件热等静压控形方法。
背景技术
钛合金薄壁件具有轻质高强和高温耐蚀等特点，在航空航天领域已有广泛应用。这些钛合金薄壁件通常要求具有较高的尺寸精度及表面质量。然而传统钛合金薄壁件成形工艺如铸造、锻造、焊接及机加工等，存在加工质量不稳定、生产周期长、制造成本高等缺点，而且由于钛合金薄壁件自身刚性差，加工过程极易发生变形、失稳和振动等问题。
热等静压技术，是一种在密闭容器空间中，同时对物料表面均匀施加高温高压，使其固结成形的先进制造工艺，相比于传统的铸造、锻造及焊接等工艺具有一定的优势。但在热等静压成形过程中的控形仍存在诸多技术问题：首先，钛合金薄壁件刚性差，而热等静压过程中高温高压所导致的变形问题会使大多数薄壁件失败；其次，热等静压工艺后余量过大会使钛合金薄壁件加工困难，也会使薄壁件在加工过程中受力变形而失效；除此之外，热等静压过程中的包套、内置模具材料的选择及形状设计也会影响钛合金薄壁件的精度。针对以上技术问题，需要提出一种新的热等静压钛合金薄壁件的控形方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钛合金薄壁件热等静压控形方法，以解决上述背景技术中提出的问题：首先，克服热等静压过程中给由于高温高压导致薄壁件变形；其次，减少钛合金薄壁件的加工余量；最后，优化热等静压过程中包套、内置模具材料的选择及形状设计。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
优选的，根据钛合金薄壁件的尺寸和外表面的形状设计加工出合理的包套，该包套包括有带有真空孔的盖片、带有装粉口的顶板、圆筒壁、固定模具的刚性垫板、底板，将钛合金粉末装入包套中，为减少焊缝数量和成形性能，包套采用圆柱形设计。
优选的，钛合金薄壁件热等静压控形设计步骤如下：
1）根据所需成形的钛合金薄壁件设计包套和内置模具的大致尺寸及形状；
2）通过数值模拟方法确定不同包套、钛合金粉末以及模具的参数下钛合金薄壁件的变形情况，确定出以下最佳控形参数；
3）选择模具的材料：模具材料为高纯石墨，高纯石墨具有高强度、高刚度、耐高温、线膨胀系数低等优点，可以满足热等静压成形制作方法的工作要求同时控制钛合金薄壁件的内腔尺寸和形状；
4）选择包套的材料：盖片、顶板、圆筒壁、底板及刚性垫板采用不锈钢类材料；
5）确定钛合金粉末粒度分布：利用气雾化法制备出球形钛合金粉末，并筛分出-60—+325目的粉末；
6）确定模具定位：根据钛合金薄壁件在开口处最易变形，所以包套及高纯石墨模具的设计依据为，使钛合金薄壁件开口朝下，并正对刚性垫板，同时钛合金薄壁件开口处的石墨模具最厚，可以抵抗在热等静压过程中的变形；
7）确定包套壁厚：圆筒壁、模具及刚性垫板的厚度依据成形要求而确定，为防止热等静压过程中钛合金薄壁零件产生变形而增加切削量，圆筒壁厚度为5-10mm、模具采用不易变形的实心高纯石墨、刚性垫板厚度为20-25mm；
8）依据以上控形参数进行热等静压成形过程，对成形的钛合金薄壁件分别进行致密度及变形量、力学性能、微观组织和元素扩散的实验验证；
优选的，钛合金薄壁件热等静压成形过程步骤如下：
1)根据控形设计方法加工所需工件备用；
2)为防止在装粉、焊接、运输等过程造成模具移动，设计刚性垫板定位模具，同时将刚性垫板固定在底板上；
3)将模具底部嵌入刚性垫板中，采用过盈配合，然后将其嵌入底板的凹槽中，采用过盈配合，套上圆筒壁，盖上顶板，焊实顶板、圆筒壁和底板的连接处，焊接后的包套通过氦质谱检漏仪检测气密性，使用氦质谱检漏仪检测抽真空至10-11—10-12Pa，若漏气则重新焊接，直至气密性达到要求；
4)将筛选好的钛合金粉末通过装粉口装入焊接后的包套内，以机械振动或人工振动的方式使钛合金粉末充分压实；
5)将带有真空孔的盖片置于顶板的装粉口上，将盖片与顶板连接处焊封后，按步骤3）中真空度要求再次检漏；
6)将封好的包套置于电阻炉加热至580℃-620℃并保温，同时利用分子泵通过真空孔抽真空，直至包套内部真空度达到10-4—10-5Pa，然后将真空孔焊实，在此过程中直至成形结束，为避免破坏整体气密性或损坏石墨模具，不可倒置包套；
7)将上述步骤6）中处理后的包套置于热等静压设备中，热等静压设备内部同时升温升压，在2小时内使设备内部温度升至900℃-950℃，同时压力达到120-150MPa，保温保压3-5小时，降温降压时间为1-2小时，在高温高压下，通过包套外壁和模具共同作用，使钛合金粉末固结，形成钛合金薄壁件；
8)采用线切割去除刚性垫板及底板，随后用机械加工的方法剥离包套，加工出钛合金薄壁件的外表面，得到内嵌模具的钛合金薄壁件半成品；
9)采用人工剥离和喷砂等方法去除钛合金薄壁件半成品内嵌模具，得到最终成形符合要求的钛合金薄壁件。根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁件热等静压控形方法，其特征在于所述的模具的形状与待成形钛合金薄壁件内腔形状一致，以保证成形精度最高，后期的机加工量降到最低，以避免机加工过程造成的变形；
优选的，模具要是一个整体，这样可以对模具很好的定位，保证在热等静压成形过程中保持位置不动，从而实现对钛合金薄壁件的控形。
优选的，石墨模具要用一定厚度的刚性垫板进行固定，同时石墨模具的底部要留有一定的厚度，这样可以保证在热等静压的过程中石墨模具的底部不发生脆性断裂，以保证钛合金薄壁件内腔形状和尺寸达到近终形。
优选的，圆筒壁的上端相对于与刚性垫板相连处更易变形，故此处设计的钛合金粉末应足够为变形的钛合金外壁后期加工留有足够的加工余量。
优选的，热等静压过程后应先切除刚性垫板和底板，再加工圆筒壁，保留内置高纯石墨模具可以方便在加工过程中的定位，同时可以防止在及加工过程中薄壁件的受力变形。
优选的，在加工钛合金薄壁件外壁时，应先在内嵌石墨模具上打圆孔以释放残余应力，防止包套外壁因石墨膨胀而产生裂纹。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
第一：钛合金薄壁件采用随形设计模具的方式，节省材料成本，在薄壁件开口处用高纯石墨及刚性垫板作为控形支撑，防止高温高压变形，外筒壁采用不锈钢材料，保证钛合金粉末受力压缩过程仍能保持设计的理想形态；钛合金薄壁件在精度高、易变形、难加工的部位设计了内置模具及包套的材料及厚度，提高控形的稳定性，以满足成形精度要求。
第二：钛合金薄壁件热等静压控形方法提出了优化后的参数及材料选择，提出优化的热等静压具体工艺过程，并提出了热等静压过程中及后处理中所涉及的变形问题的解决方法，这种控形方法可以灵活的控制热等静压工艺后加工余量，改善因热等静压过程中及后处理产生的尺寸变化及裂纹现象。
第三：钛合金薄壁件在设计前采用数值模拟预测控形方法及热等静压过程的参数选择，通过力学试验、致密度分析、微观组织分析及元素扩散分析验证实验结果，将钛合金薄壁件热等静压控形方法的各项参数均达到优化。
附图说明
图1为本发明实施例所述的通过热等静压成形钛合金薄壁件时所使用的包套结构示意图，其中图1a为包套结构的主视图，图1b为包套结构的俯视图，包括有带有真空孔（1）的盖片（2）、带有装粉口（3）的顶板（4）、圆筒壁（5）、固定模具（6）的刚性垫板（7）、底板（8），以及钛合金粉末（9）。
图2为本发明实施例所述的通过热等静压成形钛合金薄壁件示意图，其中图2a为钛合金薄壁件的主视图，图2b为钛合金薄壁件的俯视图。
图3为本发明实施例所述的通过热等静压成形钛合金薄壁件所用的高纯石墨模具示意图。
图4为本发明实施例所述的通过热等静压成形钛合金薄壁件所用的刚性垫板示意图，其中图4a为刚性垫板的主视图，图4b为刚性垫板的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
一种钛合金薄壁件热等静压控形方法，其特征包括：根据钛合金薄壁件的尺寸和外表面的形状设计加工出合理的包套，该包套包括有带有真空孔的盖片、带有装粉口的顶板、圆筒壁、固定模具的刚性垫板、底板，将钛合金粉末装入包套中，为减少焊缝数量和成形性能，包套采用圆柱形设计。
优选的，钛合金薄壁件热等静压控形设计步骤如下：
1）根据所需成形的钛合金薄壁件设计包套和内置模具的大致尺寸及形状；
2）通过数值模拟方法确定不同包套、钛合金粉末以及模具的参数下钛合金薄壁件的变形情况，确定出以下最佳控形参数；
3）选择模具的材料：模具材料为高纯石墨，高纯石墨具有高强度、高刚度、耐高温、线膨胀系数低等优点，可以满足热等静压成形制作方法的工作要求同时控制钛合金薄壁件的内腔尺寸和形状；
4）选择包套的材料：盖片、顶板、圆筒壁、底板及刚性垫板采用不锈钢类材料；
5）确定钛合金粉末粒度分布：利用气雾化法制备出球形钛合金粉末，并筛分出-60—+325目的粉末；
6）确定模具定位：根据钛合金薄壁件在开口处最易变形，所以包套及高纯石墨模具的设计依据为，使钛合金薄壁件开口朝下，并正对刚性垫板，同时钛合金薄壁件开口处的石墨模具最厚，可以抵抗在热等静压过程中的变形；
7）确定包套壁厚：圆筒壁、模具及刚性垫板的厚度依据成形要求而确定，为防止热等静压过程中钛合金薄壁零件产生变形而增加切削量，圆筒壁厚度为5mm、模具采用不易变形的实心高纯石墨、刚性垫板厚度为20mm；
8）依据以上控形参数进行热等静压成形过程，对成形的钛合金薄壁件分别进行致密度及变形量、力学性能、微观组织和元素扩散的实验验证；
优选的，钛合金薄壁件热等静压成形过程步骤如下：
1)根据控形设计方法加工所需工件备用；
2)为防止在装粉、焊接、运输等过程造成模具移动，设计刚性垫板定位模具，同时将刚性垫板固定在底板上；
3)将模具底部嵌入刚性垫板中，采用过盈配合，然后将其嵌入底板的凹槽中，采用过盈配合，套上圆筒壁，盖上顶板，焊实顶板、圆筒壁和底板的连接处，焊接后的包套通过氦质谱检漏仪检测气密性，使用氦质谱检漏仪检测抽真空至10-12Pa，若漏气则重新焊接，直至气密性达到要求；
4)将筛选好的钛合金粉末通过装粉口装入焊接后的包套内，以机械振动或人工振动的方式使钛合金粉末充分压实；
5)将带有真空孔的盖片置于顶板的装粉口上，将盖片与顶板连接处焊封后，按步骤3）中真空度要求再次检漏；
6)将封好的包套置于电阻炉加热至600℃并保温，同时利用分子泵通过真空孔抽真空，直至包套内部真空度达到10-5Pa，然后将真空孔焊实，在此过程中直至成形结束，为避免破坏整体气密性或损坏石墨模具，不可倒置包套；
7)将上述步骤6）中处理后的包套置于热等静压设备中，热等静压设备内部同时升温升压，在2小时内使设备内部温度升至900℃，同时压力达到130MPa，保温保压3小时，降温降压时间为1-2小时，在高温高压下，通过包套外壁和模具共同作用，使钛合金粉末固结，形成钛合金薄壁件；
8)采用线切割去除刚性垫板及底板，随后用机械加工的方法剥离包套，加工出钛合金薄壁件的外表面，得到内嵌模具的钛合金薄壁件半成品；
9)采用人工剥离和喷砂等方法去除钛合金薄壁件半成品内嵌模具，得到最终成形符合要求的钛合金薄壁件。根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁件热等静压控形方法，其特征在于所述的模具的形状与待成形钛合金薄壁件内腔形状一致，以保证成形精度最高，后期的机加工量降到最低，以避免机加工过程造成的变形；
优选的，模具要是一个整体，这样可以对模具很好的定位，保证在热等静压成形过程中保持位置不动，从而实现对钛合金薄壁件的控形。
优选的，石墨模具要用一定厚度的刚性垫板进行固定，同时石墨模具的底部要留有一定的厚度，这样可以保证在热等静压的过程中石墨模具的底部不发生脆性断裂，以保证钛合金薄壁件内腔形状和尺寸达到近终形。
优选的，圆筒壁的上端相对于与刚性垫板相连处更易变形，故此处设计的钛合金粉末应足够为变形的钛合金外壁后期加工留有足够的加工余量。
优选的，热等静压过程后应先切除刚性垫板和底板，再加工圆筒壁，保留内置高纯石墨模具可以方便在加工过程中的定位，同时可以防止在及加工过程中薄壁件的受力变形。
优选的，在加工钛合金薄壁件外壁时，应先在内嵌石墨模具上打圆孔以释放残余应力，防止包套外壁因石墨膨胀而产生裂纹。
虽然在上文中已经参考实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种钛合金薄壁件热等静压控形方法，其特征在于：根据所述的钛合金薄壁件的尺寸和外表面的形状设计加工出合理的包套，该包套包括有带有真空孔（1）的盖片（2）、带有装粉口（3）的顶板（4）、圆筒壁（5）、固定模具（6）的刚性垫板（7）、底板（8），包套采用圆柱形设计，然后将钛合金粉末（9）装入包套中。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁件热等静压控形方法，其特征在于：具体设计步骤如下：
1）根据所需成形的钛合金薄壁件设计包套和内置模具（6）的尺寸及形状；
2）通过数值模拟方法确定不同包套、钛合金粉末（9）以及模具（6）的参数下钛合金薄壁件的变形情况，确定出以下最佳控形参数；
3）选择模具（6）的材料：模具（6）材料为高纯石墨；
4）选择包套的材料：盖片（1）、顶板（4）、圆筒壁（5）和底板（8）的材料为304不锈钢，刚性垫板（7）采用45#钢；
5）确定钛合金粉末（9）粒度分布：利用气雾化法制备出球形钛合金粉末（9），并筛分出-60-+325目的粉末；
6）确定模具定位：所需成形的钛合金薄壁件开口朝下，并正对刚性垫板（7），钛合金薄壁件开口处的石墨模具最厚；
7）确定包套壁厚：圆筒壁（5）、模具（6）及刚性垫板（7）的厚度依据成形要求而确定，圆筒壁厚度为5-10mm、模具采用不易变形的实心高纯石墨、刚性垫板厚度为20-25mm；
8）依据以上控形参数进行热等静压成形过程，对成形的钛合金薄壁件分别进行致密度及变形量、力学性能、微观组织和元素扩散的实验验证。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁件热等静压控形方法，其特征在于：钛合金薄壁件热等静压成形过程步骤如下：
1）根据权利要求2所述的设计方法加工所需工件备用；
2）为防止在装粉、焊接、运输等过程造成模具（6）移动，设计刚性垫板（7）定位模具（6），同时将刚性垫板固定在底板上；
3）将模具（6）底部嵌入刚性垫板（7）中，采用过盈配合，然后将其嵌入底板（8）的凹槽中，采用过盈配合，套上圆筒壁（5），盖上顶板（4），焊实顶板（4）、圆筒壁（5）和底板（8）的连接处，焊接后的包套通过氦质谱检漏仪检测气密性，使用氦质谱检漏仪检测抽真空至10-11—10-12Pa，若漏气则重新焊接，直至气密性达到要求；
4）将筛选好的钛合金粉末（9）通过装粉口（3）装入焊接后的包套内，以机械振动或人工振动的方式使钛合金粉末（9）充分压实；
5）将带有真空孔（1）的盖片（2）置于顶板（4）的装粉口（3）上，将盖片（2）与顶板（4）连接处焊封后，按步骤3）中真空度要求再次检漏；
6）将封好的包套置于电阻炉加热至580℃-620℃并保温，同时利用分子泵通过真空孔（1）抽真空，直至包套内部真空度达到10-4—10-5Pa，然后将真空孔（1）焊实，在此过程中直至成形结束，为避免破坏整体气密性或损坏石墨模具（6），不可倒置包套；
7）将上述步骤6）中处理后的包套置于热等静压设备中，热等静压设备内部同时升温升压，在2小时内使设备内部温度升至900℃-950℃，同时压力达到120-150MPa，保温保压3-5小时，降温降压时间为1-2小时；
8）采用线切割去除刚性垫板（7）及底板（8），随后用机械加工的方法剥离包套，加工出钛合金薄壁件的外表面，得到内嵌模具（9）的钛合金薄壁件半成品；
9）采用人工剥离和喷砂等方法去除钛合金薄壁件半成品内嵌模具（9），得到最终成形符合要求的钛合金薄壁件。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁件热等静压控形方法，其特征在于：所述的模具（6）的形状与待成形钛合金薄壁件内腔形状一致。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁件热等静压控形方法，其特征在于：所述的模具（6）要是一个整体。
6.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁件热等静压控形方法，其特征在于：所述的石墨模具要用一定厚度的刚性垫板（7）进行固定，同时石墨模具的底部要留有一定的厚度。
7.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁件热等静压控形方法，其特征在于：所述的圆筒壁（5）的上端相对于与刚性垫板（7）相连处更易变形，故此处设计的钛合金粉末（9）应足够为变形的钛合金外壁后期加工留有足够的加工余量。
8.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁件热等静压控形方法，其特征在于：所述的热等静压过程后应先切除刚性垫板（7）和底板（8），再加工圆筒壁（5），保留内置高纯石墨模具（6）。
9.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁件热等静压控形方法，其特征在于：所述的在加工钛合金薄壁件外壁时，所述内嵌石墨模具（6）开设有圆孔。
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