一种粉末近熔融态热等静压净成形方法
阅读：184发布：2020-05-19
专利汇可以提供一种粉末近熔融态热等静压净成形方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种粉末近熔融态热 等静压 净成形的方法，其包括如下步骤：根据待 热等静压 成形零件的材料、性能以及结构要求选择热等静压成形包套材料与控形型芯材料，设计并加工相应模具；装配热等静压成形模具并装入粉末震实后，对热等静压成形模具抽 真空 并封焊；依据成形粉末的特性确定热等静压工艺，确保粉末在热等静压成形下的近熔融状态，对热等静压成形模具进行热等静压成形处理，去除模具并对非配合面加工获得所需制件。本发明的粉末在热等静压过程中的充填性能大大提高，避免了复杂结构尤其是狭长薄壁结构在传统热等静压成形方法中的低致 密度 现象，同时近熔融态粉末在高压作用下成形，零件内部不存在孔松 缺陷 ，提高了最终制件的综合性能。，下面是一种粉末近熔融态热等静压净成形方法专利的具体信息内容。
1.一种基于粉末近熔融态的热等静压净成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)根据待热等静压成形零件的形状和尺寸，设计出热等静压成形用模具的三维模型，所述热等静压成形用模具包括包套、控形型芯以及设置在包套和控形型芯之间的粉缸，该粉缸为呈对称设置在所述控形型芯上下端的两个，两所述粉缸通过所述控形型芯相互贯通，且包套和控形型芯之间还设置有定位环；
(b)根据热等静压的粉末材料的特性选择制作热等静压成形用模具的材料，并依据设计的三维模型制作出热等静压成形用模具；其中，所述热等静压的粉末为IN718合金粉末或TC4合金粉末；所述包套材料选择高熔点的合金，所述控形型芯和定位环选用高温下变形极小的石墨或者陶瓷；
(c)制作出热等静压成形用模具后，将所述控形型芯固定在包套中，往所述包套的粉缸内填充高温近熔融态的粉末，并对该包套施加压力，使粉缸内的粉末在压力的作用下填充零件空隙，然后将其震动摇实；
(d)对所述包套进行抽气处理，同时对其进行加热处理，以排除粉末颗粒间的残存气体，待包套中的真空度达到一定程度后进行封焊处理，其中包套达到的真空度范围为10-3-
10-4Pa，所述加热处理的加热温度范围为400℃-650℃；
(e)采用制定的热等静压工艺对所述包套进行热等静压处理，在处理过程中，粉缸中的近熔融态粉末在压力作用下驱动零件空腔中粉末紧实致密化，热等静压处理时对包套进行加热处理和加压处理，所述加热处理的加热温度为粉末熔点的0.8-0.9倍之间，以确保粉末处于近熔融态，加压处理的压力范围为80MPa-120MPa，其中热等静压处理时升温升压时间为3小时，保温保压时间为4小时；
(f)待热等静压成形处理完成后，采用机械加工法或化学腐蚀法去除包套及控形型芯，得到热等静压成形零件压坯，去除加工余量部分，并对该热等静压成形零件压坯的外表面进行精加工，获得最终的热等静压成形零件。
一种粉末近熔融态热等静压净成形方法
技术领域
[0001] 本发明属于热等静压成形领域，更具体地，涉及一种粉末近熔融态热等静压净成形方法，其能够避免复杂结构尤其是狭长薄壁结构在传统热等静压成形方法中的低致密度现象，零件内部不存在孔松缺陷，提高最终制件的综合性能。
背景技术
[0002] 航天发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室，导弹进气筒等关键部位对材料的要求极为苛刻，它不但要求具有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力，同时还要求具有较高的高温强度、蠕变强度以及良好的疲劳性能。高温合金因其具有良好的综合性能而广泛应用于航空航天领域。镍基合金具有良好抗热疲劳性、热膨胀系数低、弹性模量高等特点，同时具有良好的高温抗氧化性和抗腐蚀能力，镍基高温合金一般在600℃以上并承受一定的应力条件下工作，广泛的应用于航空航天发动机和工业燃气涡轮等热端部件；钛合金具有比强度高，高热强性和高持久强度，在震动载荷以及冲击载荷作用下裂纹的敏感性低，并且具有良好的抗腐蚀性，因此在航空航天发动机以及壳体结构，导弹等中应用较为广泛。
[0003] 但是航空航天发动机零部件、导弹零部件结构复杂，相比于普通的零件，成形非常困难。传统的材料成形方法如铸造，锻造，机加工等都存在相应的缺陷：铸造整体成形性较好，并有效地提高材料利用率，但因零件偏析严重，零件孔松缺陷多，力学性能差，同时对于薄壁复杂的大型零件成形性一般；模锻可有效地克服铸件性能差的缺陷，但因高温合金的变形抗力大，需要昂贵的精密模具，大功率的锻压设备，工艺十分难以控制；机加工可以成形出较复杂的零件结构，但镍基高温合金硬度高，切削难度大，并会浪费掉大量的贵重合金材料，同时受限于机床刀具的运动路径，对存在壁薄、刚性差、结构复杂、圆弧转接多等特点的零件整体成形较为困难。
[0004] 目前，采用粉末热等静压技术实现复杂钛合金、镍基高温合金零件的整体成形技术，在高温高压同时作用下，通过包套介质传递温度和压力，使包套内粉末材料变形、致密并固结。使用热等静压成形零件具有宏观偏析小、力学性能好、材料利用率高和成形工艺周期短的优势。
[0005] 现有的热等静压技术利用高温高压作用下的包套变形驱使包套内部粉体运动，从而使零件致密化，然而，进一步的研究表明，现有技术的控形型芯大多采用碳钢材料，而碳钢材料在高温高压的作用下容易发生变形，控形精度较差，同时由于包套不同位置的刚度不同，在压力作用下的变形难以预测和控制，包套不同位置的变形程度存在较大的差异，这样就导致零件不同位置在包套驱使下粉末的致密化程度不同，通常为了保证零件成形质量，确保零件全局致密化均匀，传统的热等静压大多会留有较多的加工余量，这就造成了不必要的粉末浪费；而且采用传统的热等静压工艺成形复杂零件时，常常因零件复杂使得等静压过程中零件拐角、狭长流道等关键位置的粉末因流动困难，降低了制件关键位置的力学性能，降低了热等静压零件的整体性能。
[0006] 基于以上技术缺陷，本领域亟需对现有的热等静压技术做出进一步的完善和改进，以便满足复杂零件制备时的要求，提高热等静压过程中粉末的充填性能，减小并分散成型过程中因粉末颗粒塑性变形导致的应力集中，避免了传统方法在成形零件中形成的低致密度区域，提高最终成形零件的性能。
发明内容
[0007] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于粉末近熔融态的热等静压净成形方法，该方法区别于传统方法的粉末颗粒态热等静压工艺，传统方法依靠包套变形驱动包套内部粉末致密化进程，而本发明基于粉末近熔融态热等静压净成形方法在传统的热等静压工艺中创新性的引入了粉缸，通过位于粉缸的高温近熔融态粉末在压力的作用下填充零件空隙，从而达到净成形复杂零件的效果，粉末利用效率大大提高，近熔融态粉末的高流动性可以提高热等静压过程中粉末的充填性能，在高温高压的作用下近熔融态粉末颗粒处于完全的塑性变形状态，减小并分散了成型过程中因粉末颗粒塑性变形导致的应力集中。近熔融态的粉末颗粒呈软化状态，流动性更好，对于薄壁零件的复杂难成形部位具有良好的填充效果，避免了传统方法在成形零件中形成的低致密度区域，同时粉末由于高温作用处于近熔融状态，粉末表面的夹杂物扩散充分，能有效降低粉末热等静压过程中颗粒与颗粒接触面处的PPB问题，粉末流动填充更均匀，成形效果更好，最终使得零件致密化提高性能增强，因而适用于难以致密化的复杂零件的热等静压成形。
[0008] 为实现上述目的，本发明提出了一种基于粉末近熔融态的热等静压净成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0009] (a)根据待热等静压成形零件的形状和尺寸，设计出热等静压成形用模具的三维模型，所述热等静压成形用模具包括包套、控形型芯以及设置在包套和控形型芯之间的粉缸；
[0010] (b)根据热等静压的粉末材料的特性选择制作热等静压成形用模具的材料，并依据设计的三维模型制作出热等静压成形用模具；
[0011] (c)制作出热等静压成形用模具后，将所述控形型芯固定在包套中，往所述包套的粉缸内填充高温近熔融态的粉末，并对该包套施加压力，使粉缸内的粉末在压力的作用下填充零件空隙，然后将其震动摇实；
[0013] (e)采用制定的热等静压工艺对所述包套进行热等静压处理，在处理过程中，粉缸中的近熔融态粉末在压力作用下驱动零件空腔中粉末紧实致密化；
[0014] (f)待热等静压成形处理完成后，采用机械加工法或化学腐蚀法去除包套及控形型芯，得到热等静压成形零件压坯，去除加工余量部分，并对该热等静压成形零件压坯的外表面进行精加工，获得最终的热等静压成形零件。
[0015] 进一步优选地，步骤(a)中，在所述包套和控形型芯之间还设置有定位环，防止控形型芯移动，进而保证成形零件的质量性能。
[0016] 进一步优选地，步骤(b)中，所述热等静压的粉末为IN718合金粉末或TC4合金粉末；所述包套材料选择高熔点的合金，所述控形型芯和定位环选用高温下变形极小的石墨或者陶瓷。采用上述材料来制备热等静压成形用模具，能够防止在加热加压过程中模具产生变形，进而影响最终成形零件的质量。
[0017] 优选地，步骤(d)中所述包套达到的真空度范围为10-3-10-4Pa ，所述加热处理的加热温度范围为400℃-650℃。较多的测试结果表明，上述真空度和加热温度下的熔融态粉末中残存的气体少，最终成形零件质量高。
[0018] 优选地，步骤(e)中，热等静压处理时对包套进行加热处理和加压处理，所述加热处理的加热温度为粉末熔点的0.8-0.9倍之间，以确保粉末处于近熔融态，加压处理的压力范围为80MPa-120MPa。
[0019] 优选地，步骤(e)中，热等静压处理时升温升压时间为3小时，保温保压时间为4小时。
[0020] 较多的测试结果表明，上述条件下进行热等静压处理，能够保证粉末处于近熔融态，其具有高流动性高软化度的特点，致使其在复杂薄壁零部件中的流动充填性能更好，同时近熔融态粉末颗粒处于完全的塑性变形状态，能够有效减小并分散了成型过程中因粉末颗粒塑性变形导致的应力集中，同时粉末由于高温作用处于近熔融状态，粉末表面的夹杂物扩散充分，能有效降低粉末热等静压过程中颗粒与颗粒接触面处的PPB问题，粉末流动填充更均匀，增加了粉末局部难致密部位的相对密度，成形效果更好，最终使得零件致密化提高性能增强。
[0021] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0022] (1)本发明在传统的粉末颗粒体热等静压工艺中引入了近熔融态粉末热等静压净成型技术，采用粉缸来帮助填充高温近熔融态的粉末，提供了全新的粉末热等静压成形过程中零件致密化方式。本发明区别于传统方法的粉末颗粒态热等静压工艺，传统方法依靠包套变形驱动包套内部粉末致密化进程，而本发明基于粉末近熔融态热等静压净成形方法在传统的热等静压工艺中创新性的引入了粉缸，通过位于粉缸的高温近熔融态粉末在压力的作用下填充零件空隙，在高温高压达到净成形复杂零件的效果，粉末利用效率大大提高，后续加工程序少。
[0023] (2)本发明采用近熔融态的粉末理论，并在热等静压处理过程中采用了特殊的参数范围，使热等静压过程中粉末体的流动性、充填性大大增加，有效提高了成形零件薄壁、复杂部位的致密度；由于近熔融态的粉末已经完全处于软化状态，粉末颗粒体塑性变形容易，避免了零件狭长流道部位粉末因大变形而导致的应力集中，提高了最终制件的综合性能。传统热等静压在成形复杂零件时，为保证局部粉末难流动部位的粉末相对密度往往必须将压力取得很大(120MPa以上)，而基于近熔融态粉末热等静压技术，粉末体流动性变高，充填性能好，该方法可在保证局部相对密度的情况下有效降低压力。在近熔融态粉末热等静压工艺中，粉末由于高温作用处于近熔融状态，粉末表面的夹杂物扩散充分，能有效降低粉末热等静压过程中颗粒与颗粒接触面处的PPB问题，避免了因表面夹杂物而导致的成形零件局部出现的裂纹情况。
[0024] (3)本发明的粉末近熔融态热等静压成形方法只需采用简单的几个步骤就可以得到高质量的成形零件，且该方法在现有模具的基础上进行的改进，能够有效地降低模具成本，由于减少了粉末的浪费，还具备成本低廉的优点，适用于大规模生产。附图说明
[0025] 图1a为成形复杂零件的包套、控形型芯、粉末填充装配图。
[0026] 图1b为成形的复杂零件示意图。
[0027] 图2a为本发明用于整体制备复杂中介机匣零件的模具装备示意图；
[0028] 图2b为本发明用于整体制备复杂中介机匣零件的模具制作的成形后的零件；
[0029] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0030] A-粉缸，B-定位环，D-成形的复杂零件，C-包套，E-控形型芯，A’- 粉缸，B’-控形型芯，C’-包套，D’-成形的中介机匣零件。
具体实施方式
[0031] 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。
[0032] 一种基于粉末近熔融态的热等静压净成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0033] (a)根据待热等静压成形零件的形状和尺寸，设计出热等静压成形用模具的三维模型，所述热等静压成形用模具包括包套、控形型芯以及设置在包套和控形型芯之间的粉缸；
[0034] (b)根据热等静压的粉末材料的特性选择制作热等静压成形用模具的材料，并依据设计的三维模型制作出热等静压成形用模具；
[0035] (c)制作出热等静压成形用模具后，将所述控形型芯固定在包套中，往所述包套的粉缸内填充高温近熔融态的粉末，并对该包套施加压力，使粉缸内的粉末在压力的作用下填充零件空隙，然后将其震动摇实；
[0036] (d)对所述包套进行抽气处理，同时对其进行加热处理，以排除粉末颗粒间的残存气体，待包套中的真空度达到一定程度后进行封焊处理；
[0037] (e)采用制定的热等静压工艺对所述包套进行热等静压处理，在处理过程中，粉缸中的近熔融态粉末在压力作用下驱动零件空腔中粉末紧实致密化；
[0038] (f)待热等静压成形处理完成后，采用机械加工法或化学腐蚀法去除包套及控形型芯，得到热等静压成形零件压坯，去除加工余量部分，并对该热等静压成形零件压坯的外表面进行精加工，获得最终的热等静压成形零件。
[0039] 在本发明的一个优选实施例中，步骤(a)中，在包套和控形型芯之间还设置有定位环，防止控形型芯移动，进而保证成形零件的质量性能。
[0040] 在本发明的另一个优选实施例中，步骤(b)中，所述热等静压的粉末为IN718合金粉末或TC4合金粉末；所述包套材料选择高熔点的合金(如 45钢、钛合金等)，所述控形型芯和定位环选用高温下变形极小的石墨或者陶瓷。
[0041] 在本发明的另一个优选实施例中，步骤(d)中所述包套达到的真空度范围为10-3--410 Pa ，所述加热处理的加热温度范围为400℃-650℃
[0042] 在本发明的另一个优选实施例中，步骤(e)中，热等静压处理时对包套进行加热处理和加压处理，所述加热处理的加热温度为粉末熔点的 0.8-0.9倍之间(如TC4粉末在1300度左右，镍基高温合金在1100度左右等)，以确保粉末处于近熔融态，加压处理的压力范围为80MPa-120MPa。
[0043] 在本发明的另一个优选实施例中，步骤(e)中，热等静压处理时升温升压时间为3小时，保温保压时间为4小时。
[0044] 本发明针对传统热等静压工艺对成形零件薄壁复杂部位难致密的缺陷，引入粉末近熔融态热等静压净成形方法。近熔融态粉末因其高流动性高软化度的特点，致使其在复杂薄壁零部件中的流动充填性能更好，同时近熔融态粉末颗粒处于完全的塑性变形状态，能够有效减小并分散了成型过程中因粉末颗粒塑性变形导致的应力集中，同时粉末由于高温作用处于近熔融状态，粉末表面的夹杂物扩散充分，能有效降低粉末热等静压过程中颗粒与颗粒接触面处的PPB问题，粉末流动填充更均匀，增加了粉末局部难致密部位的相对密度，成形效果更好，最终使得零件致密化提高性能增强，因而适用于难以致密化的复杂零件的热等静压成形。传统的热等静压成形工艺，在高温高压作用下依靠包套变形驱动包套内部粉末致密化进程，由于包套变形的不可预测性，通常会给成形零件留有足够的加工余量以确保成形零件的尺寸精度，而基于粉末近熔融态热等静压净成形理论创新性的引入了粉缸的概念，通过位于粉缸的高温近熔融态粉末在压力的作用下填充零件空隙，而不是单纯的依靠包套的变形来控制零件空腔粉体的运动，类似于液态成形，能达到净成形复杂零件的效果，粉末利用效率大大提高。
[0045] 为更好地解释本发明的技术方案，以下给出两个具体实施例：
[0046] 实施例1
[0047] 图1a和图1b为本发明用于成形某复杂零件的示意图，其中图1a为成形该零件的包套、型芯、粉末填充装配图，图1b为成形的复杂零件示意图。如图1所示的薄壁复杂零件的实例，采用本发明的基于粉末近熔融态的热等静压净成形方法，其包括如下步骤：
[0048] (1)该零件左右两侧各存在2个厚度只有5mm的耳状突起，在传统的粉末热等静压过程中，受限于粉末体的流动性，同时由于零件整体复杂程度较高，导致耳状突起部位的致密度较差，为此，基于近熔融态粉末热等静压净成形理论，设计了如下的热等静压成形工艺。其中定位环B、包套C以及控形型芯E。如图1a所示，其中包套选用不锈钢材料，包套的壁厚为5mm，定位环和控形型芯选用高强度的石墨材料，粉末选用TC4。考虑到粉末在局部位置的低填充性，对称的设计了图中A区域的粉缸部分，热等静压过程中粉缸中的粉体在上表面包套变形的驱动下，将近熔融态粉体压入到零件的空腔中；
[0049] (2)将所述控形型芯、定位环固定在所述包套中，并将下端盖和上端盖焊接到包套上，在组装好的包套与控形型芯间隙处填充好粉末材料，并振实。，对焊接好的包套进行抽气处理，在抽气的同时对包套进行加热处理，加热温度为400℃-650℃，以尽可能排除粉末-3 -4颗粒间的残存的气体，待真空度达到一定程度后(真空度为10 -10 Pa 时)对抽气管进行封焊，然后进行检漏，若存在漏气现象则需重新封焊，至不漏气为止；
[0050] (3)依据成形的TC4粉末的热物理性质，选取热等静压的工艺参数，其中加热温度控制在TC4粉体熔点0.8-0.9倍之间，由于TC4的熔点为 1668℃，因此所选用的保温温度为1300℃，压力100MPa，升温升压时间和降温降压时间为3小时，保温保压4小时；
[0051] (4)待热等静压成形处理完成后，线切割切掉外围多余部位材料，剩余部分和型芯一起利用电化学腐蚀方法进行去除，精加工外表面得到最终制件。
[0052] 实施例2
[0053] 图2a和图2b为本发明用于整体制备复杂中介机匣零件的模具装备示意图及成形后的复杂中介机匣零件；如图2a和图2b所示的整体制造发动机中介机匣的实例，采用本发明的基于粉末近熔融态的热等静压净成形方法，其包括如下步骤：
[0054] (1)图2b为中介机匣的截面图，该机匣的高度为160mm，凸起部分的厚度为4mm，机匣壁厚最薄的地方只有3mm，根据中介机匣零件的尺寸和材料，设计不锈钢圆筒包套C和控形型芯B，包套C直径为60mm，高为200mm，由于中介机匣整体成形，同时存在大量薄壁区域，尺寸精度要求高，控形型芯B选用高强度石墨材料，粉缸A中填充的粉末材料选择镍基高温合金IN718；
[0055] (2)将所述控形型芯固定在所述包套中，然后往包套内填充粉末，并震动摇实；对所述包套进行抽气处理，同时对其进行加热处理，以排除粉末颗粒间的残存气体，待包套中真空度达到一定程度后进行封焊处理；
[0056] (3)依据热等静压用材料的热物理性质，确定热等静压工艺参数，由于所填充的粉末为镍基高温合金IN718，其熔点在1260℃-1320℃之间，选取的加热温度控制在粉末体的熔点的0.8-0.9倍，此实例选择为1100℃，压力选为100MPa，升温升压时间和降温降压时间为3小时，保温保压4小时；
[0057] (4)待热等静压成形处理完成后，去除热等静压成形模具以获得热等静压成形零件压坯，可采用线切割或者化学腐蚀等方式去除，机加工切除加工过程留有的余量部分，精加工压坯得到所需的热等静压成形零件。
[0058] 综上，本发明的方法可提高热等静压制件的相对密度，特别是复杂零部件的难致密部位，该方法可在降低热等静压压力的情况下提高复杂零部件的相对密度，进而提高零件性能，尤其适用于内腔复杂流道狭长的零件致密化成形。
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