CN113953512A - 一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体及其热等静压制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体及其热等静压制备方法。所述钨合金壳体的材质为钨合金，其钨合金壳体带有深孔；所述钨合金壳体的长径比为＞5.0，深孔为孔径比＞3.0，钨合金壳体薄壁的壁厚为1～10mm；定义壳体材料的外径或当量外径为M，壳体材料的孔径或当量孔径为N，壳体材料内外径比为J，J＝N/M；所述J的取值为0.2～0.9。其制备方法包括设计特殊的热等静压模具并开发热等静压钨合金体系及烧结工艺进行制备。本发明保证高精度深孔内腔薄壁壳体成形的同时钨合金材料又具有良好的综合力学性能，实现大长径比深孔薄壁钨合金壳体材料的近净成形制备。本发明工序简单、控形精度高、生产效率高，为钨合金复杂结构件的近净成形制备提供了新的途径。

Description

一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体及其热等静压制备方法

技术领域

本发明涉及一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体及其热等静压制备方法，属于粉末冶金近净成形领域。

背景技术

钨合金是一种以钨元素为基，并加入少量低熔点元素组成的合金，因其具有优良的综合物理力学性能而被广泛应用于航空航天、国防军工、核工业等关键领域。随着现代装备向异形化、复杂化方向发展，对钨合金复杂结构件提出了形性一体化制备的要求。目前钨合金复杂结构件制备主要是先采用粉末冶金方法制备工件毛坯，再通过后续机加工技术加工成成品，然而现有机加工技术难以实现异形薄壁钨合金等结构部件的加工制造，由于现代科技装备对大长径比深孔薄壁钨合金壳体材料的迫切需求，需要开发一种近净成形制备技术以解决其制备难题。

热等静压是一种以惰性气体为压力传递介质，将粉末材料放置于模具中，施加高温高压使得粉末材料致密化的先进近净成形制备方法。采用热等静压制备复杂形状零部件时，需要开发实现复杂形状近净成形的模具，申请号为202010099243.0的中国发明专利申请公开了一种钛合金薄壁件热等静压控形方法，发明了由不易变形石墨型芯和不锈钢包套组成的热等静压模具，但石墨模具在高温高压下容易发生脆性断裂，不利于复杂形状结构件的近净成形，同时石墨模具后续需要机加工去除，难以实现大长径比深孔薄壁结构件的制备。因此合理的热等静压模具设计方法是大长径比深孔薄壁钨合金壳体材料成功制备的基础。此外，钨合金是典型液相烧结合金，烧结温度在1500℃左右，而粉末热等静压为保证其安全性、经济性和可靠性，烧结温度一般不超过1400℃，此时常规钨合金体系处于固相烧结状态，难以获得良好的综合力学性能，需要开发新型低温液相烧结钨合金体系以满足钨合金的热等静压制备需求。针对以上问题本发明提出一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体材料的热等静压制备方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体材料的热等静压制备方法，有效解决了钨合金复杂结构件热等静压成形难题及填补了热等静压钨合金低温液相烧结体系和烧结工艺的缺失，实现了大长径比深孔薄壁钨合金壳体材料形性一体化的近净成形制备。

本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体；所述钨合金壳体的材质为钨合金，其钨合金壳体带有深孔；所述钨合金壳体的长径比为＞5.0，深孔为孔径比＞3.0，钨合金壳体薄壁的壁厚为1～10mm；定义壳体材料的外径或当量外径为M，壳体材料的孔径或当量孔径为N，壳体材料内外径比为J，J＝N/M；所述J的取值为0.2～0.9、优选为0.3～0.9、进一步优选为0.4～0.9。

本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体；所述壳体为带深孔的圆筒结构。

本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体；所述深孔的形状可以为圆柱、圆锥、堆叠的圆台、长方体、顶部为圆锥底部为圆台中的一种。在本发明中堆叠圆台中相邻堆叠圆台的直径不相等。

本发明所述薄壁钨合金壳体的长度大于200mm，甚至可以做到更大的尺寸如大于500mm。

本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；包括以下步骤：

步骤一：热等静压模具设计

根据目标壳体材料结构设计热等静压模具；该模具组件包括包套、型芯、上端盖和下端盖；所述的型芯壁厚C满足：

其中壳体的外径或当量外径为M，壳体材料的孔径或当量外径为N，壳体材料内外径比为J，J＝N/M；定义钨合金粉末的振实密度为ρ₁，钨合金理论密度为ρ₂，钨合金粉末的相对密度为L，L＝ρ₁/ρ₂；根据研究发现型芯壁厚C除了与设计公式第一项

相关外，还需要引入深孔壳体材料孔径参数kN进行一定的修正才能达到最佳的效果，而修正系数k取值范围为0～0.50，当孔径N≥50mm时即腔体内孔较大由于烧结过程中型芯与钨合金热膨胀系数差异的尺寸效应其k取值范围优选为0～0.15，当孔径N<50mm时即孔径尺寸较小时其k取值范围优选为0.15～0.50；

所述型芯为中空结构；

步骤二：热等静压模具加工

根据设计的模具形状与尺寸对钢料进行加工，得到热等静压钢制模具；

步骤三：热等静压烧结

首先将热等静压模具中下端盖与型芯进行焊接，再与包套焊接固定后，装填钨合金粉末后进行振实；然后焊接固定上端盖，密封后进行脱气，脱气完成后，置于热等静压设备中进行烧结，且烧结温度小于等于1400℃；

步骤四：热等静压模具去除

将热等静压烧结后的工件置于硝酸池中进行酸洗，酸洗去除热等静压模具后，获得钨合金壳体材料。

本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；其特征在于：步骤一中，所述包套为钢制圆筒结构件，壁厚为0.5～5mm。

本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；步骤一中，所述型芯为圆筒结构件，壁厚的取值区间为5～100mm；定义型芯壁厚为C，且C的计算方法满足：

本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；步骤一中，所述上端盖为圆环片，厚度为0.5～5mm。

本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；步骤一中，所述下端盖为圆环片，厚度为0.5～5mm；

本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；步骤二中，所述钢料为15号钢、20号钢和45号钢中的一种；

本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；步骤三中，所述钨合金由钨和低熔点元素组成，按质量百分比，钨：低熔点元素＝70：30～97：3。

作为优选方案，本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；所述低熔点元素选自Ni-Cu、Ni-Cu-Co、Ni-Fe-Cu、Ni-Fe-Cu-Mn、Ni-Mn、Ni-Mn-Cu、Ni-Mn-Co、Ni-Mn-Co-Cu成分组合中的至少一种。

作为进一步的优选方案，本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；钨合金中低熔点元素的成分配比，按质量百分比为：

作为优选方案，本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；步骤三中，所述钨合金粉末为钨与低熔点元素粉末的混合粉；钨与低熔点元素粉末的平均粒度均为1～10μm；钨合金粉末的振实密度为5～15g/cm³、优选为5～12g/cm³。

作为优选方案，本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；步骤三中，所述热等静压烧结工艺为：首先以≤30℃/min的升温速率升温到800～1200℃，炉内压力20～150MPa，保温时间≤3h；随后继续升温到1300～1400℃，炉内压力50～200MPa，保温时间≤3h；随后以3～10℃/min的降温速率降低到400～600℃，炉内压力20～100MPa，保温时间≤3h；随后随炉冷却至室温。

作为优选方案，本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；步骤四中，所述酸洗工艺为：将热等静压烧结后的工件置于含质量分数为10～40％硝酸的酸洗池中进行酸洗，酸洗时间为5～20h，间隔2～6h更换一次酸洗溶液。

本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；热等静压模具可根据实际成形需求改变形状及尺寸。

原理和优势

本发明提出的一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体材料的热等静压制备方法创造性地结合了热等静压钢制模具设计和热等静压钨合金体系及烧结工艺开发，实现了大长径比深孔薄壁钨合金壳体材料的高质量制备。

首先在热等静压模具设计方面，考虑热等静压模具的可去除性，选用可酸洗钢作模具材料。发明了一种圆筒结构的控形型芯，实现了钨合金壳体的高精度控形。创造性地结合壳体材料的长径比、内外径比J、内外径差(M-N)等外观尺寸参数以及钨合金粉末的松装密度L发明了控形型芯设计方法。发明了钢制型芯模具壁厚C主要与内外径比J、内外径差(M-N)成正相关，与钨合金粉末的松装密度L成负相关的关系，同时考虑到深孔壳体材料孔径N的尺寸效应影响对控形型芯壁厚进行了修正。一方面，控形型芯具有优异的结构稳定性，一定壁厚的控形型芯具有足够的强度，实现了大长径比深孔内腔结构的高精度控制，二是控形型芯具有应力释放功能，钢制型芯与钨合金壳体大的热物理性能差异会导致大的残余应力产生，在热等静压烧结过程中合适壁厚的圆筒结构可实现钢制型芯向内膨胀以释放应力，避免大的残余应力导致钨合金壳体开裂。

其次在热等静压钨合金体系及烧结工艺开发方面，发明了一种低温烧结态新型钨合金体系。基于降低化学驱动力的原理，通过降低粘结相液相形成温度来降低烧结活化能实现钨合金的低温液相烧结，同时新体系中低熔点元素不与钨及其他元素形成硬脆金属间化合物，最终相互扩散形成元素分布均匀化学相容性良好的粘结相，为钨合金良好的物理力学性能提供支撑。于此同时，本发明提出了与新钨合金低温液相烧结体系相匹配的热等静压烧结工艺。本烧结工艺在800～1200℃固相烧结阶段保温保压使低熔点元素扩散更加均匀完成大部分的致密化(致密度大于99％)，再在1300～1400℃短时液相烧结细化钨晶粒尺寸同时降低钨晶粒连接度，最后在400～600℃保温保压进一步释放钨合金与钢制型芯烧结过程产生的残余应力，最终得到具有优良综合力学性能的钨合金壳体材料。

本发明开创性地提出钢制模具设计方法结合新型钨合金低温液相烧结体系以及热等静压烧结工艺的设计和优化，使得在保证高精度深孔内腔壳体成形的前提下同时钨合金材料又具有良好的综合力学性能，实现了高性能大长径比深孔薄壁钨合金壳体材料的近净成形制备。

本发明的优点在于：

(1)本发明实现了大长径比深孔薄壁钨合金壳体材料的近净成形制备，避免了大长径比深孔薄壁钨合金壳体材料难以机加工的问题，同时具有工序简单、材料利用率高、成本低等优点。

(2)本发明提供的热等静压钢制模具设计方法结合了大长径比深孔薄壁钨合金壳体材料形状参数以及钨合金粉末振实密度的变化，使得在热等静压烧结过程中既可以保证深孔内腔壳体高精度成形同时解决了烧结残余应力过大造成裂纹等缺陷的现象。

(3)本发明提供的新型钨合金低温液相烧结体系与热等静压烧结工艺相结合，在降低液相烧结温度的同时避免了钨晶粒异常长大降低钨晶粒连接度，以及充分释放残余应力减少钨合金内部裂纹等缺陷，使得在低于传统液相烧结温度下钨合金依然拥有优良的综合力学性能。

附图说明

图1为本发明实施例1所述的热等静压模具组件示意图；

图2为本发明实施例1的成品深孔内腔俯视图；

图3为本发明实施例2所述的热等静压模具组件示意图；

图4为本发明对比例所述的热等静压模具组件示意图；

图5为本发明对比例的成品表面图；

其中的附图标记为：

1型芯、2包套、3下端盖、4上端盖和固定在上端盖中间的5抽气管。

具体实施方式

为了更清晰地阐述本发明一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体材料的热等静压制备方法，下面将结合附图中的案例，对本发明进行完整详尽的描述。

实施例1

本实施例的大长径比深孔薄壁钨合金壳体材料的热等静压制备方法是按照如下步骤进行的：

1.本实施例目标样件长径比>5.0，深孔孔径比>3.0，壳体材料的壁厚为10mm，外径M为86mm，孔径N为76mm，J＝N/M＝0.88。包套壁厚精选为2mm，上下端盖厚度精选为2mm，包套和型芯材料采用20号钢。其热等静压模具组件包括型芯1、包套2、下端盖3、上端盖4和固定在上端盖中间的抽气管5；下端盖3内侧与型芯1间隙配合，下端盖3外侧与包套2间隙配合，参见附图1。

2.钨合金体系按照质量比选择含90％钨与10％低熔点成分(Ni-Fe-Cu)，具体低熔点成分为4.2％镍，1.8％铁，4％铜；各组分原材料粒度精选为3-10μm，并将各元素粉末混合均匀。预混后钨合金的振实密度ρ₁为6.21g/cm³，即L＝ρ₁/ρ₂＝0.36，通过计算

由于N>50mm故k精选为0.06得到型芯壁厚C精选为20mm。

3.将预混后的钨合金粉末分次装入包套，并用振粉平台的高频振动将粉末振实，采用马弗炉对模具组件在550℃下进行整体加热除气，过程中的真空度应优于3×10^-3Pa，当真空度达标以后继续保持4h，并完成封焊。

4.将封焊脱完气的模具组件放入热等静压炉内，进行热等静压烧结，先以5℃/min升温到1200℃/129MPa保温保压60min，随后以10℃/min升温到1400℃/150MPa保温保压30min，以6℃/min的降温速率降到600℃/64MPa保温保压30min，再随炉冷却将至室温常压。

5.将烧结后的热等静压模具组件置于质量分数30％硝酸的酸洗池中，时间间隔5h更换一次硝酸，共酸洗20h后将工件取出，将工件表面进行打磨加工。

本实施方法所得到的钨合金深孔内腔壳体无表面开裂、凹坑等缺陷，深孔内腔尺寸达到精度要求，如图2所示，经拉伸性能检测分析，所得到的钨合金壳体材料的室温拉伸强度高达953MPa。

实施例2

本实施方式的大长径比深孔薄壁钨合金壳体材料的热等静压制备方法是按照如下步骤进行的：

1.本实施例目标样件长径比>5.0，深孔孔径比>3.0，壳体材料的壁厚为10mm，外径M为40mm，孔径N为30mm，J＝N/M＝0.75。包套壁厚精选为2mm，上下端盖厚度精选为2mm，包套和型芯材料采用20号钢。其热等静压模具组件包括型芯1、包套2、下端盖3、上端盖4和固定在上端盖中间的抽气管5；下端盖3内侧与型芯1间隙配合，下端盖3外侧与包套2间隙配合，参见附图3。

2.钨合金体系按照质量比选择含95％钨与5％低熔点成分(Ni-Cu-Co)，具体低熔点成分为2.25％镍，2.25％铜，0.5％钴；各组分原材料粒度精选为3-10μm，并将各元素粉末混合均匀。预混后钨合金的振实密度ρ₁为7.86g/cm³，即L＝ρ₁/ρ₂＝0.43，通过计算

由于N<50mm故k精选为0.18得到型芯壁厚C精选为12mm。

3.将预混后的钨合金粉末分次装入包套，并用振粉平台的高频振动将粉末振实，采用马弗炉对模具组件在550℃下进行整体加热除气，过程中的真空度应优于3×10^-3Pa，当真空度达标以后继续保持4h，并完成封焊。

4.将封焊脱完气的模具组件放入热等静压炉内，进行热等静压烧结，先以5℃/min升温到1200℃/86MPa保温保压60min，随后以10℃/min升温到1400℃/100MPa保温保压60min，以6℃/min的降温速率降到600℃/43MPa保温保压30min，再随炉冷却将至室温常压。

5.将烧结后的热等静压模具组件置于质量分数20％硝酸的酸洗池中，时间间隔5h更换一次硝酸，共酸洗15h后将工件取出，将工件表面进行打磨加工。

本实施方法所得到的钨合金深孔内腔壳体无表面开裂、凹坑等缺陷，经拉伸性能检测分析，所得到的钨合金壳体材料的室温拉伸强度高达880MPa。

以上列举的仅是本发明的较佳实施例。显然，本发明不限于以上实施例，可根据实际情况进行改变。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有相关实施方案，均应认为是本发明的保护范围。

对比例

对于实施案例1采用传统热等静压模具设计方法以及传统烧结工艺，具体按照如下步骤进行：

1.本对比例根据目标壳体结构形状加工热等静压模具组件，上下端盖厚度为3mm，包套壁厚为3mm，其包套和型芯材料采用15号钢。其热等静压模具组件包括传统实心结构型芯1、包套2、下端盖3、上端盖4和固定在上端盖中间的抽气管5；下端盖3内侧与型芯1间隙配合，下端盖3外侧与包套2间隙配合，型芯1与下端盖3内的凹槽间隙配合，参见附图4。

2.钨合金体系按照质量比选择含90％钨与10％低熔点成分(Ni-Cu-Mn)，具体低熔点成分为4.2％镍，4％铜，1.8％锰；各组分原材料粒度精选为5-10μm，并将各元素粉末混合均匀。

3.将预混后的钨合金粉末分次装入包套，并用振粉平台的高频振动将粉末振实，采用马弗炉对模具组件在550℃下进行整体加热除气，过程中的真空度应优于3×10^-3Pa，当真空度达标以后继续保持4h，并完成封焊。

4.将封焊脱完气的模具组件放入热等静压炉内，进行热等静压烧结，以10℃/min升温到1400℃/150MPa保温保压3h，再随炉冷却将至室温常压。将烧结后的热等静压包套外壁2去除，钨合金壳体表面发现大量裂纹如图5所示，即采用传统的包套型芯设计方法和热等静压烧结工艺未能近净成形制备大长径比深孔薄壁钨合金壳体材料。由于热等静压设备和工艺的特殊性，单次实验失败成本直接损失40000元。

Claims (10)

1.一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体；其特征在于：所述钨合金壳体的材质为钨合金，其钨合金壳体带有深孔；所述钨合金壳体的长径比为＞5.0，深孔为孔径比＞3.0，钨合金壳体薄壁的壁厚为1～10mm；定义壳体材料的外径或当量外径为M，壳体材料的孔径或当量孔径为N，壳体材料内外径比为J，J＝N/M；所述J的取值为0.2～0.9、优选为0.3～0.9、进一步优选为0.4～0.9。

2.根据权利要求1所述的一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体；其特征在于：所述壳体为带深孔的圆筒结构。

3.一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：热等静压模具设计

根据目标壳体材料结构设计热等静压模具；该模具组件包括包套、型芯、上端盖和下端盖；所述的型芯壁厚C满足：

其中壳体的外径或当量外径为M，壳体材料的孔径或当量外径为N，壳体材料内外径比为J，J＝N/M；定义钨合金粉末的振实密度为ρ₁，钨合金理论密度为ρ₂，钨合金粉末的相对密度为L，L＝ρ₁/ρ₂；k取值为0～0.50，当N≥50mm时，k优选为0～0.15，当N<50mm，k优选为0.15～0.50；

所述型芯为中空结构；

步骤二：热等静压模具加工

根据设计的模具形状与尺寸对钢料进行加工，得到热等静压钢制模具；

步骤三：热等静压烧结

首先将热等静压模具中下端盖与型芯进行焊接，再与包套焊接固定后，装填钨合金粉末后进行振实；然后焊接固定上端盖，密封后进行脱气，脱气完成后，置于热等静压设备中进行烧结，且烧结温度小于等于1400℃；

步骤四：热等静压模具去除

将热等静压烧结后的工件置于硝酸池中进行酸洗，酸洗去除热等静压模具后，获得钨合金壳体材料。

4.根据权利要求3所述的一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；其特征在于：步骤一中，所述包套为钢制圆筒结构件，壁厚为0.5～5mm。

5.根据权利要求3所述的一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；其特征在于：步骤一中，所述型芯为圆筒结构件，壁厚的取值区间为5～100mm；定义型芯壁厚为C，且C的计算方法满足：

步骤一中，所述上端盖为圆环片，厚度为0.5～5mm；

步骤一中，所述下端盖为圆环片，厚度为0.5～5mm；

步骤二中，所述钢料为15号钢、20号钢和45号钢中的一种；

步骤三中，所述钨合金由钨和低熔点元素组成，按质量百分比，钨：低熔点元素＝70：30～97：3。

6.根据权利要求5所述的一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；其特征在于：所述低熔点元素选自Ni-Cu、Ni-Cu-Co、Ni-Fe-Cu、Ni-Fe-Cu-Mn、Ni-Mn、Ni-Mn-Cu、Ni-Mn-Co、Ni-Mn-Co-Cu成分组合中的至少一种。

7.根据权利要求5所述一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；其特征在于：钨合金中低熔点元素的成分配比，按质量百分比为：

镍 1～10％，

铁 0～10％，

铜 0～5％，

钴 0～5％，

锰 0～5％。

8.根据权利要求3所述的一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；其特征在于：步骤三中，所述钨合金粉末为钨与低熔点元素粉末的混合粉；钨与低熔点元素粉末的平均粒度均为1～10μm；钨合金粉末的振实密度为5～15g/cm³、优选为5～12g/cm³。

9.根据权利要求3所述的一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；其特征在于：步骤三中，所述热等静压烧结工艺为：首先以≤30℃/min的升温速率升温到800～1200℃，炉内压力20～150MPa，保温时间≤3h；随后继续升温到1300～1400℃，炉内压力50～200MPa，保温时间≤3h；随后以3～10℃/min的降温速率降低到400～600℃，炉内压力20～100MPa，保温时间≤3h；随后随炉冷却至室温。

10.根据权利要求3所述的一种大长径比深孔薄壁钨合金壳体的热等静压制备方法；其特征在于：步骤四中，所述酸洗工艺为：将热等静压烧结后的工件置于含质量分数为10～40％硝酸的酸洗池中进行酸洗，酸洗时间为5～20h，间隔2～6h更换一次酸洗溶液。

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