CN114951648A - 一种冶金用可视化充粉包套及充粉预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料成型领域，具体涉及一种冶金用可视化充粉包套及充粉预测方法。目前粉末冶金装粉过程无法掌握包套内部粉末的填充状态。本发明提供一种冶金用可视化充粉包套，用于冷等静压、热等静压包套成形充粉过程预测，该充粉包套由透明材料加工而成，充粉包套的形状、尺寸、精度与冷等静压用橡胶包套以及热等静压用金属包套一致；充粉包套在其厚大部位、凸台和薄壁尖角部位具有粉末流出工艺阀门，用以测试充粉包套内特征位置的粉末粒度分布，并判定粉末粒径分层现象。本发明可避免粉末冶金构件在研制充粉过程中由于特殊复杂的内部结构特征使粉末粒径分层，导致合金致密度不均。
Description
技术领域
本发明属于材料成型领域，具体涉及一种冶金用可视化充粉包套及充粉预测方法。
背景技术
目前在粉末冶金近净成形过程中，关于粉末充填的方法有静止装粉、振动装粉、负压装粉，但是上述装粉过程操作人员均无法掌握包套内部粉末的填充状态，只能通过理论密度与振实密度理论计算出大致所需粉末质量，然后通过音频发射方法敲击包套侧壁，凭借经验来判定包套内部装粉情况。
该方法对于形状简单、尺寸精度要求较低的粉末构件尚且适用，但是对于中大型变曲面薄壁、多筋、厚大凸台的复杂粉末件而言，这将给充粉过程带来极大困难，一方面复杂结构不易粉末填充，另一方面粉末填充结束后，对粉末填充状态无法判定，因此可能导致包套在热等静压过程中收缩不均匀，影响粉末件尺寸精度，粉末件成形不完整，出现“缺肉”现象，严重者包套报废，粉末件未成形。
发明内容
本发明公开了一种冶金用可视化充粉包套及充粉预测方法，可用于冷等静压、热等静压包套成形充粉过程预测，所涉及的充粉过程包括静止充粉、振动充粉以及负压充粉过程。
本发明提供一种冶金用可视化充粉包套，用于冷等静压、热等静压包套成形充粉过程预测，该充粉包套由透明材料加工而成，充粉包套的形状、尺寸、精度与冷等静压用橡胶包套以及热等静压用金属包套一致；充粉包套在其厚大部位、凸台和薄壁尖角部位具有粉末流出工艺阀门，用以测试充粉包套内特征位置的粉末粒度分布，并判定粉末粒径分层现象。
有利地，在充粉包套上还设计有充粉刻度标识。
有利地，所述充粉包套包括内包套和外包套。
有利地，所述透明材料为树脂。
有利地，采用3D打印方法制备所述充粉包套。
有利地，所述工艺阀门的开口形状为圆形孔。
有利地，所述圆形孔尺寸为φ5～φ12mm，用橡胶塞塞紧。
有利地，粉末可以是金属及金属基复合材料粉末、金属间化合物粉末、陶瓷粉末等粉体。
本发明还提供一种冶金用可视化充粉预测方法，用于冷等静压、热等静压包套成形充粉过程预测，该方法采用上述的充粉包套，并包括以下步骤：
S1、根据冷等静压用橡胶包套以及热等静压用金属包套的形状、尺寸和精度，采用透明材料加工获得所需充粉包套，并且在充粉包套的厚大部位、凸台和薄壁尖角部位留有粉末流出工艺阀门；
S2、计算树脂包套所需理论粉末的体积，然后将等体积粉末分别以静止方式、振动方式、负压方式填充于充粉包套内；
S3、观测并记录不同部位充粉量以及充粉状态，选择最佳充粉工艺方法，为实际粉末包套的充粉过程提供数据支撑。
有利地，步骤S1中还在充粉包套上设计有充粉刻度标识。
有利地，在步骤S3中获得包套内特征位置的粉末粒度分布，并判定粉末粒径分层现象。
有利地，粉末可以是金属及金属基复合材料粉末、金属间化合物粉末、陶瓷粉末等粉体。
本发明选取表面经处理后的8001L树脂，采用3D打印方法制备透明且带有体积刻度标识的树脂包套，该方法可清晰预测异形包套充粉状态及不同位置充粉量及特征。
有益效果：本发明可避免粉末冶金构件在研制充粉过程中由于特殊复杂的内部结构特征使粉末粒径分层，导致合金致密度不均，影响构件最终均匀收缩，严重将导致粉末构件未成形，包套报废；避免粉末充分过程中的瓶颈部位，防止充粉过程中由于瓶颈位置导致充粉量不足，粉末构件成型不完整，出现“缺肉”现象。
本发明从研制前端控制了粉末件的成形质量，实现了粉末件尺寸精度的控制，可大幅度提高粉末构件的成品率，对粉末冶金构件的研制及工程化应用起到重要作用。
具体实施方式
实施例1
步骤一、选用8001L透明树脂，采用3D打印方法制备出带有体积刻度标识的包套；
步骤二、在树脂包套厚大部位凸台和薄壁尖角部位设置工艺阀门，其中工艺阀门形状为圆形孔，尺寸为Φ5～Φ12mm，当包套整体充粉结束后，将工艺阀门打开，分别收集从特征结构部分流出的粉末并对其粒度分布、重量、振实密度进行测试分析；
步骤三、选取Ti2AlNb粉末，粉末粒径范围45～200μm，计算树脂包套所需理论充粉体积，然后采用静止方式通过充粉口将等体积粉末填充于透明的树脂内外包套；
步骤四、目视充粉过程是否平稳，并对充粉过程进行摄录、拍照，通过包套带有的刻度间接反应异形树脂包套不同位置的充型时间、充粉重量及充粉形态。
结果表明：整体充粉过程较为平稳，充粉时间为3.5min～10min，其中大平面充粉时间在3.5～5min，拐角处充粉时间在8～10min；特征区域凸台粉末粒度D50为138.2μm、振实密度3.250g/cm3；壁板粉末粒度D50为91.5μm、振实密度3.372；筋条粉末粒度D50为100.2μm、振实密度3.331g/cm3；底部端面粉末粒度D50为91.5μm、振实密度3.372g/cm3。
根据ρ＝M/V计算出不同位置的实际充粉量，合理设计装粉口位置及大小，预测构件整体体积收缩及特征部位体积收缩，指导模拟软件拟实模型的构建以及防变形和包套余量设计。
实施例2
步骤一、选用8001L透明树脂，采用3D打印方法制备出带有刻度标识的包套；
步骤二、在树脂包套厚大部位凸台和薄壁尖角部位设置工艺阀门，其中粉末流出工艺阀门形状为圆形孔，尺寸为Φ5～Φ12mm，当包套整体充粉结束后，将工艺阀门打开，分别收集从特征结构流出的粉末并对其粒度分布、质量进行测试分析；
步骤三、选取TA15钛合金粉末，粉末粒径范围50～250μm，计算树脂包套所需理论体积，然后采用横向与纵向相结合的振动方式，振动频率≤1次/秒，振动幅度≤50mm，将粉末填充于透明的树脂内外包套；
步骤四、目视充粉过程是否平稳，并对充粉过程进行摄录、拍照，通过包套带有的刻度反应异形树脂包套不同位置的充粉量及充粉状态。
结果表明：整体充粉过程比较平稳，充粉时间为2.5min～7min，其中大平面充粉时间在2.5～4.5min，拐角处充粉时间在5～7min；特征区域凸台粉末粒度D50为150.2μm、振实密度2.78g/cm3；壁板粉末粒度D50为95.8μm、振实密度2.86g/cm3；筋条粉末粒度D50为145.2μm、振实密度2.81g/cm3；底部端面粉末粒度D50为95.8μm、振实密度2.85g/cm3。
根据ρ＝M/V计算出不同位置的实际充粉量，合理设计装粉口位置及大小，预测构件整体体积收缩及特征部位体积收缩，指导模拟软件拟实模型的构建以及防变形和包套余量设计。
实施例3
步骤一、选用8001L透明树脂，采用3D打印方法制备出带有刻度标识的包套；
步骤二、在树脂包套厚大部位凸台和薄壁尖角部位设置工艺阀门，其中工艺阀门形状为圆形孔，尺寸为Φ5～Φ12mm，当包套整体充粉结束后，将工艺阀门打开，分别收集从特征结构流出的粉末并对其粒度分布、质量进行测试分析；
步骤三、选取TiAl粉末，粉末粒径范围50～150μm，计算树脂包套所需理论体积，然后采用负压方式，抽真空至10-2Pa，粉罐压力≤1*10-1Pa，通过调节阀门控制充型设备，将TiAl粉末填充于透明的树脂内外包套；
步骤四、目视充粉过程是否平稳，并对充粉过程进行摄录、拍照，通过包套带有的刻度反应异形树脂包套不同位置的充粉量及充粉状态。
结果表明：整体充粉过程比较平稳，充粉时间为2min～6min，其中大平面充粉时间在2～4min，拐角处充粉时间在4～6min；特征区域凸台粉末粒度D50为151.5μm、振实密度2.33g/cm3；壁板粉末粒度D50为93.6μm、振实密度2.58g/cm3；筋条粉末粒度D50为142.2μm、振实密度2.56g/cm3；底部端面粉末粒度D50为93.6μm、振实密度2.60g/cm3。
根据ρ＝M/V计算出不同位置的实际充粉量，合理设计装粉口位置及大小，预测构件整体体积收缩及特征部位体积收缩，指导模拟软件拟实模型的构建以及防变形和包套余量设计。
Claims (10)
1.一种冶金用可视化充粉包套，用于冷等静压、热等静压包套成形充粉过程预测，其特征在于：该充粉包套由透明材料加工而成，充粉包套的形状、尺寸、精度与冷等静压用橡胶包套以及热等静压用金属包套一致；充粉包套在其厚大部位、凸台和薄壁尖角部位具有粉末流出工艺阀门，用以测试充粉包套内特征位置的粉末粒度分布，并判定粉末粒径分层现象。
2.根据权利要求1所述的冶金用可视化充粉包套，其特征在于：在充粉包套上还设计有充粉刻度标识。
3.根据权利要求2所述的冶金用可视化充粉包套，其特征在于：所述充粉包套包括内包套和外包套。
4.根据权利要求3所述的冶金用可视化充粉包套，其特征在于：所述透明材料为树脂。
5.根据权利要求4所述的冶金用可视化充粉包套，其特征在于：采用3D打印方法制备所述充粉包套。
6.根据权利要求5所述的冶金用可视化充粉包套，其特征在于：所述工艺阀门的开口形状为圆形孔。
7.根据权利要求6所述的冶金用可视化充粉包套，其特征在于：所述圆形孔尺寸为φ5～φ12mm，用橡胶塞塞紧。
8.一种冶金用可视化充粉预测方法，用于冷等静压、热等静压包套成形充粉过程预测，该方法采用如权利要求1-7中任一项所述的充粉包套，并包括以下步骤：
S1、根据冷等静压用橡胶包套以及热等静压用金属包套的形状、尺寸和精度，采用透明材料加工获得所需充粉包套，并且在充粉包套的厚大部位、凸台和薄壁尖角部位留有粉末流出工艺阀门；
S2、计算树脂包套所需理论粉末的体积，然后将等体积粉末分别以静止方式、振动方式、负压方式填充于充粉包套内；
S3、观测并记录不同部位充粉量以及充粉状态，选择最佳充粉工艺方法，为实际粉末包套的充粉过程提供数据支撑。
9.根据权利要求8所述的充粉预测方法，其特征在于：步骤S1中还在充粉包套上设计有充粉刻度标识。
10.根据权利要求9所述的充粉预测方法，其特征在于：在步骤S3中获得包套内特征位置的粉末粒度分布，并判定粉末粒径分层现象。
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