專利名稱：一種高溫合金致密件的熱等靜壓兩步成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進(jìn)制造領(lǐng)域，具體涉及一種高溫合金致密件的熱等靜壓兩步成形方法。
背景技術(shù)：
航空航天領(lǐng)域中的一些關(guān)鍵零部件常由高溫合金(鎳基合金、鈦基合金)等難加工材料加工而成，采用常規(guī)方法加工和成形，工藝難度大，材料浪費(fèi)多，制造成本高。鎳基鈦基高溫合金因其具有良好的斷裂韌性、抗疲勞性能、抗熱腐蝕性能和良好的高溫強(qiáng)度，是航空航天高溫?zé)岫瞬考豢商娲某尚尾牧?。然而，高溫合金?fù)雜的合金化又導(dǎo)致在鑄、鍛過程中，成分偏析嚴(yán)重、力學(xué)性能分散、熱工藝性能惡化。如果采用機(jī)加工方法，不但制造困難而且會浪費(fèi)掉大量的貴重材料，復(fù)雜結(jié)構(gòu)甚至無法制造。利用熱等靜壓方法可整體成形復(fù)雜零件，而且具有良好的綜合機(jī)械性能。熱等靜壓是上世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種粉料固結(jié)、成型和熱處理的新技術(shù)，其是通過將高溫(700 2000°C )，高壓(70 200MPa)介質(zhì)同時均等地作用在材料的整個表面，從而使材料產(chǎn)生固結(jié)。該技術(shù)集成粉末冶金和冷等靜壓成型的雙重優(yōu)勢，將粉末的成型和燒結(jié)兩步作業(yè)合成一步進(jìn)行，而且經(jīng)過熱等靜壓壓制的制品可達(dá)到致密狀態(tài)，基本上能夠消除內(nèi)部氣孔，材料性能各向相同，從而大幅度地改善了產(chǎn)品的性能。熱等靜壓近凈成形工藝結(jié)合了粉末冶金技術(shù)與現(xiàn)代模具技術(shù)，在利用高溫和高壓對粉末材料進(jìn)行完全致密化的同時，可整體近凈成形出性能達(dá)同質(zhì)鍛件水平的復(fù)雜零件，不僅可以克服難加工的難題，而且還可以大幅度提高貴重材料的利用率，從而降低零件的制造成本。熱等靜壓整體近凈成形工藝路線如下:首先，設(shè)計并制造出經(jīng)計算機(jī)模擬和優(yōu)化后的金屬(一般采用軟鋼)包套；接著，在其中填裝待成形零件的金屬粉末并緊實；然后，抽真空密封并實施熱等靜壓(hot isostatic pressing,HIP);最后,去除包套,便可獲得到致密零件。最終得到的致密零件的尺寸直接由設(shè)計的包套所決定。其中包套材料的選擇尤為重要。包套材料選擇必須遵守以下基本原則:(I)包套應(yīng)有絕對可靠的氣密性；(2)不與被壓物料反應(yīng)；(3)有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和良好的塑性；(4)易加工成形、易剝離；(5)具有良好的經(jīng)濟(jì)實效.基于這些原則，包套材料的選擇受到了一定的限制。目前，熱等靜壓包套大部分采用的是軟鋼，因為軟鋼的加工性能好，熱等靜壓后易去除，價格也較便宜，但是由于軟鋼的高溫屈服強(qiáng)度較低，用作在包套中的控形部分時，在高溫高壓環(huán)境下發(fā)生較大的形變，難以保證原有的形狀，不能保證最后成形零件的尺寸精度和形狀精度。另外，在零件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及長直結(jié)構(gòu)中，粉末在包套變形的驅(qū)動力下較難達(dá)到致密，容易產(chǎn)生孔隙，使零件性能達(dá)不到要求。倘若加大壓力來增加驅(qū)動力，可能會使包套變形過大而開裂。所以，在熱等靜壓成形零件中，結(jié)構(gòu)復(fù)雜件和長直件存在孔隙缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高溫合金致密件的熱等靜壓二次成形方法，該方法可以保證零件的形狀精度和尺寸精度，并使零件具有高致密度，能夠得到形狀尺寸和性能都滿足要求的零件。本發(fā)明提供的一種高溫合金致密件的成形方法，該方法采用較低的溫度或者壓力對帶包套的高溫合金粉末進(jìn)行第一次熱等靜壓，得到致密度高于90%以及無連通孔隙的零件壓坯，然后去除第一步熱等靜壓后的包套，再采用常規(guī)的熱等靜壓工藝參數(shù)對零件壓坯進(jìn)行第二次熱等靜壓，得到所需的高溫合金致密件。本發(fā)明分兩步熱等靜壓來成形高溫合金零件，第一步熱等靜壓采用較低的溫度或者壓力，控形模具變形小，保證零件的形狀精度和尺寸精度，僅需保證熱等靜壓后的壓坯致密度高于90%以及無連通孔隙即可；去除第一步熱等靜壓后的包套，對其零件壓坯進(jìn)行第二次熱等靜壓，第二步熱等靜壓采用常規(guī)的熱等靜壓工藝參數(shù)，這樣的溫度下，組織性能和致密度最好，由此成形出形狀精度高，組織性能好的零件。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:(I)采用較常用的金屬材料作為包套，成本低，加工性能好，并且熱等靜壓后容易去除；(2)第一步熱等靜壓選擇的較低的溫度或者壓力，可保證包套在第一步成形過程中仍具有良好的塑性以及較高的屈服強(qiáng)度:良好的塑性可以使外部包套變形趨勢粉末流動，保證了零件毛坯的成形，達(dá)到較高的致密度；較高的屈服強(qiáng)度可確保包套控形部分具有一定的強(qiáng)度，起到控形作用，保證了零件毛坯的尺寸精確性。(3)由于第二步熱等靜壓成形時，已經(jīng)沒有包套的約束，不受包套的形狀以及包套材料強(qiáng)度和塑性的限制，熱等靜壓溫度可以選取常規(guī)的溫度和壓力，在此溫度和壓力下，不僅可以得到較好的組織，而且還增加了零件的致密度，消除內(nèi)部孔隙等缺陷。(4)采用本發(fā)明方法成形高溫合金零件，材料利用率高，工藝簡單，低成本，低能耗，高效率。


圖1為本發(fā)明方法第一步熱等靜壓成形示意圖，其中，(a)為第一步熱等靜壓模具加溫加壓過程圖，(b)為第一步熱等靜壓后的模具圖，(C)為第一步熱等靜壓后去除包套后的零件毛坯；1為包套壁，2為高溫合金，3為孔隙，4為控形型芯；圖2為該發(fā)明方法第二步熱等靜壓成形示意圖，其中，(d)為第一步熱等靜壓得到的零件毛坯，(e)為第二步熱等靜壓的加溫加壓過程圖，(f)為第二步熱等靜壓后得到的最終零件；圖3為實例一中需要制得的葉盤零件；圖4為實例一葉盤模具中成形葉盤的控形型芯；圖5為實例一的葉盤模具圖，其中，5為包套上蓋，6為控形上蓋，7為包套外壁，4為控形型芯，8為控形下蓋，9為包套下蓋，10為包套內(nèi)壁；圖6為實例二的長直棒模具圖，其中，2為高溫合金(Ni625粉末)，4為控形型芯， 5為包套上蓋,7為包套外壁,9為包套下蓋,11為抽氣管，12為鋼絲棉。
具體實施例方式本發(fā)明法采用價格低、較常見、加工性能好的材料作為熱等靜壓包套，先選用溫度和壓力低于常規(guī)條件的工藝進(jìn)行熱等靜壓，保證致密度達(dá)到90 %以上，此時控形模具變形較小，保證了零件的形狀精度和尺寸精度；然后去除包套得到零件毛坯，再使用溫度和壓力較高的條件進(jìn)行熱等靜壓，消除零件毛坯中的孔隙，使零件達(dá)到全致密，得到所需的形狀尺寸和性能都滿足要求的零件。如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供的一種高溫合金致密件的熱等靜壓二次成形方法，包括下述步驟:第I步設(shè)計待成形零件的熱等靜壓成形包套，設(shè)計包括包套控形部分材料的選擇，通常應(yīng)選擇加工性能好、熱等靜壓后易去除的材料；第2步對包套進(jìn)行焊接，包套的主體需要與其上下端蓋焊接成整體，以組裝成一個封閉而僅帶有抽氣孔的包套；第3步對包套進(jìn)行檢漏，若包套有漏氣現(xiàn)象，則需重新對包套與端蓋連接處封焊，至不漏氣為止，若不漏氣，則直接進(jìn)行下一步；弟4步往包套內(nèi)部裝入合金粉末，并震動搖實；第5步對包套抽真空后，將抽氣管封焊，從而獲得壓坯；第6步確定第一步熱等靜壓成形的工藝參數(shù)，選取低于常規(guī)的熱等靜壓條件的溫度或/和壓力，將上一步得到的壓坯實施熱等靜壓處理，選取的工藝參數(shù)應(yīng)保證零件毛坯致密度在90%以上；所述選取的溫度優(yōu)選為粉末材料熔點的0.4 0.5倍，所述壓力優(yōu)選為70MPa IOOMPa0第7步第一步熱等靜壓后，采用機(jī)加工和酸洗的方法去除包套，得到零件毛坯；第8步用排水法測量零件毛坯的致密度，檢驗上一步得到的零件毛坯致密度是否在90%以上且無連通孔隙；第9步確定第二步熱等靜壓成形的工藝參數(shù)，選取常規(guī)的熱等靜壓條件，對零件毛坯實施熱等靜壓處理，在此條件下，壓坯致密度可接近100% ；在常規(guī)的熱等靜壓工藝中，溫度通常為粉末材料熔點的0.5 0.7倍，壓力為100 120MPa。第10步待熱等靜壓爐膛冷卻后將零件取出，即可得到最終所需的零件。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。實例1:此為運(yùn)用本發(fā)明制造鈦合金(Ti6A14V，TC4)葉盤(圖3)的實例:鈦合金的常規(guī)熱等靜壓的工藝參數(shù)為:溫度950°C，壓力120MPa。在此溫度和壓力下，零件的組織性能優(yōu)良，致密度高，但是在此高溫高壓下，控形模具的變形很大，最終得到的零件形狀精度和尺寸精度往往較低。
在此背景下，運(yùn)用本發(fā)明可以解決上述問題。具體步驟如下:(I)根據(jù)零件設(shè)計熱等靜壓成形包套，選用20號鋼作為包套材料，控形型芯(圖
4)采用機(jī)加工的方法制得；(2)對包套進(jìn)行焊接，將模具控形部分與上下端蓋焊接成整體，以組裝成一個封閉而僅帶有抽氣孔的包套；(3)對包套進(jìn)行檢漏,在保證包套不漏氣后,往包套內(nèi)部裝入TC4合金粉末，并震動搖實；(4)通過排氣管對包套內(nèi)抽真空，在真空度約為KT3Pa時，將排氣管壓扁，用焊接或熔化使其封口，從而獲得如圖5所示的壓坯，其中，I為上蓋，2為控形上蓋，3為包套外壁，4為控形型芯，5為控形下蓋，6為下蓋，7為包套內(nèi)壁；(5)將壓坯放入熱等靜壓爐，進(jìn)行加熱加壓處理。在高溫和均勻的壓力作用下，使坯體的致密度達(dá)到90%以上，幾何尺寸和形狀都符合要求；第一步熱等靜壓工藝過程為:以10°C /min的速度，將溫度從室溫上升到800°C，保溫3h ;接著以2MPa/min的速度將壓力升高到120MPa，在800°C和120MPa條件下保溫保壓3h ;降溫卸壓。(6)待熱等靜壓爐膛冷卻至室溫時，將壓坯取出。采用機(jī)加工和酸洗的方法去除金屬包套，得到零件壓坯；(7)將零件壓坯放入熱等靜壓爐，進(jìn)行加熱加壓處理。在高溫和均勻的壓力作用下，使坯體的致密度達(dá)到99%以上，消除孔隙；第二步熱等靜壓工藝過程為:以10°C /min的速度，將溫度從室溫上升到950°C，保溫3h ;接著以2MPa/min的速度將壓力升高到120MPa，在950°C和120MPa條件下保溫保壓3h ;降溫卸壓。(8)待熱等靜壓爐膛冷卻至室溫時，將壓坯取出，得到即為最后滿足要求的葉盤零件。上述方法制得的葉盤零件致密度達(dá)到99.4%，尺寸精度和形狀精度高，顯微結(jié)構(gòu)均勻，無氣孔、孔隙等缺陷。實例2:此為運(yùn)用本發(fā)明制造鎳基合金(Ni625)長直棒(圖6)的實例:鎳基合金的常規(guī)熱等靜壓的工藝參數(shù)為:溫度1050°C，壓力120MPa。在此工藝下成形長直棒時，控形模具材料的屈服強(qiáng)度很低，變形大，不能保證成形零件的尺寸精度，而且，這種長直結(jié)構(gòu)也存在難以填充致密的問題。在此背景下，運(yùn)用本發(fā)明可以解決上述問題。具體步驟如下:(I)根據(jù)零件設(shè)計熱等靜壓成形包套，選用20號鋼作為包套材料，；(2)對包套進(jìn)行焊接，將模具控形部分與上下端蓋焊接成整體，以組裝成一個封閉而僅帶有抽氣孔的包套；(3)對包套進(jìn)行檢漏，在保證包套不漏氣后，往包套內(nèi)部裝入Ni625合金粉末，并震動搖實；(4)通過排氣管對包套內(nèi)抽真空，在真空度約為10_3Pa時，將排氣管壓扁，用焊接或熔化使其封口，從而獲得如圖6所示的壓坯，其中，I為抽氣管，2為包套上蓋，3為鋼絲棉，4為包套壁，5為Ni625粉末，6為控形型芯，7為包套下蓋；(5)將壓坯放入熱等靜壓爐，進(jìn)行加熱加壓處理。在高溫和均勻的壓力作用下，使坯體的致密度達(dá)到90%以上，幾何尺寸和形狀都符合要求；第一步熱等靜壓工藝過程為:以10°C /min的速度，將溫度從室溫上升到850°C，保溫20min ;接著以2MPa/min的速度將壓力升高到80MPa，同時以5°C /min的速度，將溫度從850°C上升到1050°C ;在1050°C和80MPa條件下保溫保壓3h ;降溫卸壓。(6)待熱等靜壓爐膛冷卻至室溫時，將壓坯取出。采用機(jī)加工和酸洗的方法去除金屬包套，得到零件壓坯；(7)將零件壓坯放入熱等靜壓爐，進(jìn)行加熱加壓處理。在高溫和均勻的壓力作用下，使坯體的致密度達(dá)到99%以上，消除孔隙，；第二步熱等靜壓工藝過程為:以10°C /min的速度，將溫度從室溫上升到850°C，保溫20min ;接著以2MPa/min的速度將壓力升高到120MPa，同時以5°C /min的速度，將溫度從850°C上升到1050°C ;在1050°C和120MPa條件下保溫保壓3h ;降溫卸壓。(8)待熱等靜壓爐膛冷卻至室溫時，將壓坯取出，得到即為最后滿足要求的長直棒零件。上述方法制得的長直棒零件致密度達(dá)到99.1 %，尺寸精度和形狀精度高，顯微結(jié)構(gòu)均勻，無氣孔、孔隙等缺陷。總之，本發(fā)明的實質(zhì)是利用兩步不同的熱等靜壓工藝條件參數(shù)來成形高溫合金零件:先使用較低的溫度或壓力，保證控形模具變形小，得到致密度大于90 %的零件壓坯，此時壓坯的形狀精度和尺寸精度高，存在部分孔隙；然后再使用常規(guī)的工藝參數(shù)(溫度和壓力)，消除第一步熱等靜壓后壓坯中的孔隙，使零件全致密。這樣得到的零件，既有常規(guī)工藝的優(yōu)良的組織性能和高致密度，又有常規(guī)工藝無法達(dá)到的形狀精度和尺寸精度。本發(fā)明不僅局限于上述具體實施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計和思路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種高溫合金致密件的成形方法，該方法采用較低的溫度或者壓力對帶包套的高溫合金粉末進(jìn)行第一次熱等靜壓，得到致密度高于90 %以及無連通孔隙的零件壓坯，然后去除第一步熱等靜壓后的包套，再采用常規(guī)的熱等靜壓工藝參數(shù)對零件壓坯進(jìn)行第二次熱等靜壓，得到所需的高溫合金致密件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成形方法，其特征在于，該方法具體包括下述步驟: 第I步設(shè)計待成形零件的熱等靜壓成形包套； 第2步對包套進(jìn)行焊接，形成一個封閉而僅帶有抽氣孔的整體； 第3步對包套進(jìn)行檢漏，若包套有漏氣現(xiàn)象，則需重新對包套與端蓋連接處封焊，至不漏氣為止，若不漏氣，則直接進(jìn)行下一步； 第4步往包套內(nèi)部裝入合金粉末，并震動搖實； 第5步對包套抽真空后，將抽氣管封焊，從而獲得壓坯； 第6步確定第一步熱等靜壓成形的工藝參數(shù)，選取低于常規(guī)的熱等靜壓條件的溫度或/和壓力，將上一步得到的壓坯實施熱等靜壓處理，選取的工藝參數(shù)應(yīng)保證零件毛坯致密度在90%以上； 第7步熱等靜壓后，去除包套，得到零件毛坯； 第8步測量零件毛坯的致密度，選擇零件毛坯致密度在90%以上，且無連通孔隙的零件毛坯； 第9步確定第二步熱等靜壓成形的工藝參數(shù)，選取常規(guī)的熱等靜壓條件，對零件毛坯實施熱等靜壓處理，在此條件下，壓坯致密度可接近100% ； 第10步待熱等靜壓爐膛冷卻后將零件取出，即得到最終所需的零件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的致密化方法，其特征在于，所述的第6步中，第一步成形時，所述選取的溫度為粉末材料熔點的0.4 0.5倍，所述壓力為70MPa lOOMPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的致密化方法，其特征在于，第二步熱等靜壓成形中，溫度為粉末材料熔點的0.5 0.7倍，壓力為100 120MPa。
全文摘要
本發(fā)明屬于先進(jìn)制造領(lǐng)域，具體涉及一種高溫合金致密件的熱等靜壓兩步成形方法。該方法包括兩步熱等靜壓，第一步熱等靜壓主要是在較低的溫度或壓力下，控制控形模具變形，得到在形狀和尺寸上精度高的零件壓坯，第二步成形沒有了包套的限制，采用最適合成形材料的溫度和壓力，既消除了第一步中殘留的孔隙，使致密度提高，保證了形狀尺寸精度，又可以得到最適溫度和壓力下的優(yōu)良組織性能。由于第一步成形時的問題和壓力較低，故也解決了復(fù)雜控形模具的選材問題，不必在選取難加工的高溫屈服強(qiáng)度高的材料來作為控形型芯，減小了模具制作成本。
文檔編號B22F3/04GK103111619SQ201310035088
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月30日
發(fā)明者史玉升, 薛鵬舉, 吳言, 魏青松, 李偉, 閆春澤, 劉潔, 黃 俊 申請人:華中科技大學(xué), 埃克斯特大學(xué)