本發(fā)明屬于先進(jìn)制造領(lǐng)域，具體涉及一種熱等靜壓成形方法，該方法采用熱等靜壓原位生成出的增強(qiáng)相以連續(xù)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形式來(lái)增強(qiáng)基體材料，尤其適用制造航空航天領(lǐng)域具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)且性能要求高的關(guān)鍵零部件。

背景技術(shù)：

鎳基和鈦基合金因其具有良好的綜合性能而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。鎳基合金具有良好抗熱疲勞性、熱膨脹系數(shù)低、彈性模量高等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪等熱端部件；鈦合金具有比強(qiáng)度高，高熱強(qiáng)性和高持久強(qiáng)度，在振動(dòng)載荷及沖擊載荷作用下裂紋擴(kuò)展敏感性低，并且有良好的抗腐蝕性，因此，在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)及殼體結(jié)構(gòu)中優(yōu)先采用高強(qiáng)度的鈦合金。然而，由于鎳基和鈦基合金熔點(diǎn)高、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，采用常規(guī)的(鑄造、鍛造、機(jī)加工)方法較難加工成形。鑄造中容易出現(xiàn)成分偏析、組織粗大等缺陷，從而降低零件性能，使零件無(wú)法滿(mǎn)足航空航天特殊工作環(huán)境；鍛造能加工出較好性能的零件，但對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件難以加工甚至無(wú)法加工；采用機(jī)加工方法，不但制造困難而且會(huì)浪費(fèi)大量的貴重材料，制造成本高，而且對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，較難成形甚至無(wú)法制造。熱等靜壓成形作為粉末近凈方法，可以整體成形復(fù)雜零件，而且成形的零件具有較高的整體機(jī)械性能。

熱等靜壓粉末近凈成形(Net Near Shape Hot Isostatic Pressing,NNS-HIP)是通過(guò)將高溫(700-2000℃)、高壓(70-200MPa)氣體介質(zhì)同時(shí)均等地作用在包套表面，從而使包套內(nèi)的粉末材料產(chǎn)生固結(jié)。熱等靜壓工藝?yán)酶邷馗邏簭?fù)合載荷結(jié)合模具控形技術(shù)可實(shí)現(xiàn)陶瓷、硬質(zhì)合金、復(fù)合材料、鈦鎳等貴重零件的粉末整體近凈成形，其零件的力學(xué)性能與同材 質(zhì)鍛件相當(dāng)，尺寸精度高，且材料利用率超過(guò)90％，幾乎不存在材料浪費(fèi)。

然而，隨著國(guó)家和國(guó)防工業(yè)對(duì)高性能民用和軍用飛機(jī)的迫切需求，要求飛機(jī)具備高安全、高速、遠(yuǎn)程、大載荷、高靈活和高持久等性能，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)提出了更高的要求，尤其是高推重比(五代機(jī)推重比12-15)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，所以要求新一代高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件重量更輕、力學(xué)性能更高(如鈦合金中介機(jī)匣的室溫抗拉強(qiáng)度不低于890MPa，屈服強(qiáng)度不低于820MPa，服役溫度350℃下的抗拉強(qiáng)度不低于500MPa)。目前，僅僅靠熱等靜壓本身的工藝改進(jìn)已經(jīng)難以滿(mǎn)足現(xiàn)代航空航天飛機(jī)發(fā)展的性能要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種熱等靜壓成形方法，該方法通過(guò)原位生成連續(xù)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以提高基體材料的綜合機(jī)械性能。

本發(fā)明提供的一種熱等靜壓成形方法，該方法先在基體粉末表面包覆一層增強(qiáng)材料，然后進(jìn)行熱等靜壓處理使基體材料與增強(qiáng)材料發(fā)生原位反應(yīng)，生成具有增強(qiáng)效果的新化合物，并且該化合物以空間連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形式存在于原始基體粉末顆粒邊界，以提高基體材料的綜合機(jī)械性能。

針對(duì)現(xiàn)有熱等靜壓制造方法中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種原位生成連續(xù)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的熱等靜壓成形方法，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)粉末基體材料在制備和貯藏的過(guò)程，表面容易被氧化，而形成一層金屬氧化層和有機(jī)污染層，由于氧化層一般屬于陶瓷相，在熱等靜壓成形制件的過(guò)程中，這些粉末表面陶瓷氧化層直接影響粉末與粉末之間的相互擴(kuò)散，造成粉末間出現(xiàn)冶金缺陷而導(dǎo)致力學(xué)性能降低；另外，粉末與粉末的連接處往往是裂紋源的萌生點(diǎn)，也是影響零件綜合力學(xué)性能的直接因素。因此，采用增強(qiáng)材料將基體粉末包覆住，在熱等靜壓高溫高壓的作用下，增強(qiáng)材料會(huì)與基體材料發(fā)生原位反應(yīng)，原位反應(yīng)后的生成物會(huì)朝著接觸的基體粉末內(nèi)部生長(zhǎng)，從而提高粉末間冶金結(jié)合的強(qiáng)度，減少基本粉末 表面陶瓷氧化層所造成的冶金缺陷。

(2)熱等靜壓過(guò)程中發(fā)生原位反應(yīng)所生成的新的化合物，以空間連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)存在于原始粉末顆粒邊界，將原始粉末包裹住，這種存在形式能更好的提升其增強(qiáng)效果。

(3)本發(fā)明方法可操作性和適用性強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可根據(jù)基體材料和要求增強(qiáng)性能的需求來(lái)選擇不同的增強(qiáng)材料。

總之，本發(fā)明可以提高基體合金抗拉強(qiáng)度、疲勞極限、耐磨性能、耐腐性能等，尤其適用于制造航空航天類(lèi)復(fù)雜高性能關(guān)鍵零部件。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法示意圖，其中(a)為熱等靜壓中選用的粉末材料，(b)為在粉末合金材料表面包覆了一層增強(qiáng)材料，(c)為包套在熱等靜壓過(guò)程中受高溫高壓同時(shí)作用，(d)為在熱等靜壓過(guò)程中原位生成空間連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，(e)為去除掉包套后示意圖，(f)為去掉控形型芯后最終零件圖；其中1為粉末材料，2為粉末表面包覆增強(qiáng)材料，3為包套，4為熱等靜壓過(guò)程中原位生成的空間連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，5為控形型芯，6最終零件；

圖2為實(shí)例一中制得的空間連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ti6Al4V機(jī)匣零件流程圖，其中7為T(mén)i6Al4V合金粉末，8為采用機(jī)械球磨嵌入基體粉末表面的TiB₂增強(qiáng)材料，9為抽氣口，10為包套上蓋，11為石墨控形型芯，12為熱等靜壓過(guò)程中原位生成的TiNi，Ti₂Ni空間連續(xù)增強(qiáng)相，13為包套下蓋，14為最終制得的具有空間連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ti6Al4V機(jī)匣零件。

圖3為實(shí)例二中制得的空間連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ti6Al4V圓筒類(lèi)零件制造流程示意圖，其中15為T(mén)i6Al4V合金粉末，16為采用化學(xué)鍍沉積在粉末表面的Ni增強(qiáng)材料，17為抽氣口，18為包套上蓋，19為控形型芯，20為包套，21為填裝進(jìn)包套中的粉末材料，22為包套下蓋。

圖4為實(shí)例三中制得的空間；連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ni718渦輪盤(pán)示意圖，其 中23為抽氣口，24為包套上蓋，25為控形型芯，26為包套，27為填裝進(jìn)包套中的粉末材料，28為包套下蓋。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明根據(jù)基體材料在實(shí)際應(yīng)用中的增強(qiáng)需求，在合金粉末表面沉積或機(jī)械合金化上一層增強(qiáng)材料，將處理后的粉末裝入包套，然后抽真空封焊，最后進(jìn)行熱等靜壓處理，在熱等靜壓高溫高壓的作用下合金粉末與表面的增強(qiáng)材料發(fā)生原位反應(yīng)。由于增強(qiáng)材料在合金粉末表面將合金粉末包覆住，所以原位反應(yīng)后，在原始粉末顆粒邊界出現(xiàn)連續(xù)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明。在此需要說(shuō)明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說(shuō)明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)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。

本發(fā)明實(shí)例提供的一種原位生成連續(xù)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的熱等靜壓成形方法，具體包括下述步驟：

(1)采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出包套和型芯的三維CAD模型；

針對(duì)表面形貌復(fù)雜且?guī)?fù)雜內(nèi)腔的零件，合理設(shè)計(jì)包套和型芯非常關(guān)鍵，采用UG，Pro/E等三維造型軟件設(shè)計(jì)，方便、效率、準(zhǔn)確。

根據(jù)零件模型，設(shè)計(jì)待成形零件的熱等靜壓成形包套和控形型芯，設(shè)計(jì)包括包套和控形型芯材料的選擇，通常應(yīng)選擇加工性能好、熱等靜壓后易去除的材料。通常包套包括筒體、下蓋板以及帶有抽真空管的上蓋板，其中上下蓋板分別安裝在筒體的上下兩端。

(2)按所設(shè)計(jì)的三維CAD模型，用機(jī)加工或者其他方法制造金屬包套和型芯；

制造金屬包套選擇合適的金屬材料(如不銹鋼、碳鋼)，制造型芯選擇合適的材料(如碳鋼、高強(qiáng)石墨等)。

(3)在基體粉末材料表面包覆一層增強(qiáng)材料；

基體粉末材料可為純金屬粉末，也可以是合金粉末；根據(jù)實(shí)際增強(qiáng)需求來(lái)選擇包覆材料(即增強(qiáng)材料)，如當(dāng)基體材料為鈦合金時(shí)，增加其塑性可選擇Ni為增強(qiáng)材料，增加耐磨性能和耐腐蝕可選擇TiB₂為增強(qiáng)材料；當(dāng)基體材料為鎳基高溫合金時(shí)，增加其塑性與強(qiáng)度時(shí)可以選擇Ti為增強(qiáng)材料。

包覆厚度根據(jù)粉末大小與原位反應(yīng)中兩者元素比來(lái)決定；根據(jù)基體材料和增材材料的物理化學(xué)性能，選擇增強(qiáng)材料的包覆工藝，包覆工藝可選用化學(xué)鍍、PVD、CVD、磁控濺射和機(jī)械球磨等。

(4)將包套與控形型芯組裝牢固，在包套間隙處填滿(mǎn)待成形的粉末材料；

(5)對(duì)填裝好的包套進(jìn)行焊接，以組裝成一個(gè)封閉而僅帶有抽氣孔的包套；

(6)將上述包套至于加熱爐中，然后在高溫下利用真空設(shè)備通過(guò)抽真空管對(duì)包套內(nèi)部進(jìn)行抽真空處理，抽真空完成以后將抽氣管封焊；

加熱溫度為400℃-600℃(優(yōu)選500℃)，包套內(nèi)部真空度為10^-3-10^-4Pa(理論上真空度越高越理想)；

(7)對(duì)包套進(jìn)行熱等靜壓處理，在熱等靜壓高溫高壓的作用下基體材料與增強(qiáng)材料發(fā)生原位反應(yīng)，生成具有增強(qiáng)效果的新化合物，并且該化合物以空間連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形式存在于原始基體粉末顆粒邊界；

根據(jù)基體材料選擇合適的溫度；通常溫度為基體材料熔點(diǎn)的0.5--0.8倍，壓力為100—200MPa。如以Ti6Al4V為成形基體材料，TiB₂為增強(qiáng)材料，其熱等靜壓工藝參數(shù)選為930℃，120MPa，在熱等靜壓過(guò)程中Ti6Al4V表面的TiB2在高溫高壓的作用下與粉末基體發(fā)生原位反應(yīng)，并在粉末原始顆粒邊界反應(yīng)生成TiB陶瓷相；以Ni718為成形基體材料，Ti為增強(qiáng)材料，其熱等靜壓工藝參數(shù)可選為1100℃，120MPa，在熱等靜壓過(guò)程中粉末表面 的Ti會(huì)與粉末集體發(fā)生原位，并在粉末原始顆粒邊界反應(yīng)生成TiNi，Ti₂Ni金屬間化合物。

(8)采用機(jī)加工或酸腐蝕的方法去除包套和控形型芯，最終等到制件；

酸腐蝕的腐蝕液可選用王水或硫酸。

實(shí)例：

實(shí)例1：

此為運(yùn)用本發(fā)明來(lái)制造增強(qiáng)Ti6Al4V機(jī)匣零件耐磨性能和抗拉強(qiáng)度為實(shí)例：

Ti6Al4V為近α鈦合金，由于其超高的比強(qiáng)度和優(yōu)異的抗腐蝕性被廣泛應(yīng)用于航空航天，但其較低的耐磨性能直接制約了其應(yīng)用范圍。為了解決Ti6Al4V基體材料耐磨性能差的缺陷，本實(shí)例選用TiB₂作為包覆材料，在熱等靜壓高溫高壓的作用下，Ti與B會(huì)發(fā)生原位反應(yīng)生成TiB與TiB₂，TiB在生成的過(guò)程中會(huì)向臨近的粉末內(nèi)部生長(zhǎng)，增強(qiáng)粉末與粉末間的冶金結(jié)合，從而增強(qiáng)基體拉強(qiáng)度；TiB₂屬于陶瓷材料具有較高的硬度，能增加基體材料硬度，從而提高基體材料耐磨性能；Ti6Al4V其相變溫度通常在980℃左右，所以本次熱等靜的工藝參數(shù)為溫度930℃(比相變點(diǎn)溫度低50℃)，壓力120MPa；先升溫后升壓相比于同時(shí)升溫升壓得到零件尺寸更為精準(zhǔn)，力學(xué)性能更加優(yōu)良，所以本次熱等靜壓選擇先升溫后升壓的工藝方式。

在此背景下，運(yùn)用本發(fā)明制造具有連續(xù)空間結(jié)構(gòu)的Ti6Al4V機(jī)匣零件，具體步驟如下：

(1)根據(jù)機(jī)匣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)熱等靜壓成形包套和控形型芯，該包套主要由筒體、下蓋板以及帶有抽真空管的上蓋板組成，控形型芯結(jié)構(gòu)由機(jī)匣內(nèi)部形狀決定；選用45號(hào)鋼作為包套材料，石墨作為控形型芯材料；

(2)選用平均粒度為120μm的Ti6Al4V合金粉末，采用機(jī)械球磨的方法在其表面均勻的嵌入上TiB₂顆粒(平均粒度5μm)；

(3)采用機(jī)加工的方法分別加工出包套、控形型芯，并對(duì)其組裝，通過(guò)抽氣口向包套內(nèi)部填裝粉末。

(4)將組裝完成后的包套進(jìn)行焊接，將包套與上下端蓋焊接成整體；

(5)對(duì)包套進(jìn)行檢漏，若不漏氣，則行進(jìn)抽真空處理；

(6)通過(guò)排氣管對(duì)包套內(nèi)抽真空，在真空度約為10^-4Pa時(shí)，將排氣管壓扁，用焊接或熔化使其封口；

(7)將包套放入熱等靜壓爐，進(jìn)行加熱加壓處理。熱等靜壓處理?xiàng)l件是在前3小時(shí)內(nèi)使熱等靜壓設(shè)備內(nèi)溫度到達(dá)930℃，然后利用3小時(shí)將壓力升到120MPa，再保溫保壓3小時(shí)，最后隨爐冷卻；

(8)酸腐蝕或機(jī)加工熱等靜壓后包套；

(9)噴砂除去石墨控形型芯。

實(shí)例2：

運(yùn)用本發(fā)明來(lái)制造增強(qiáng)Ti6Al4V圓筒形零件塑性和硬度為實(shí)例，圓筒形結(jié)構(gòu)的鈦合金具有典型的工程應(yīng)用，如導(dǎo)彈殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)中的壓氣機(jī)外殼、船艦管道系統(tǒng)等。此類(lèi)關(guān)鍵零部件，通常工作環(huán)境惡劣，對(duì)鈦合金材料提出了更高塑性和硬度上的要求，針對(duì)以上問(wèn)題本發(fā)明以Ti6Al4V為基體粉末材料，以Ni為增強(qiáng)材料，在熱等靜壓高溫高壓作用下基體中的Ti會(huì)與Ni原子發(fā)生原位發(fā)生生成TiNi、TiNi₂，其中TiNi屬于記憶合金，具有超強(qiáng)的塑性，TiNi₂具有很高的硬度，二者同時(shí)彌散的分布在基體材料之中，即提升了基體材料的塑性也提高了硬度。

在此背景下，運(yùn)用本發(fā)明制造具有連續(xù)空間結(jié)構(gòu)的Ti6Al4V圓筒類(lèi)零件，具體步驟如下：

(1)根據(jù)圓筒大小設(shè)計(jì)熱等靜壓成形包套和控形型芯，該包套主要由筒體、下蓋板以及帶有抽真空管的上蓋板組成，控形型芯結(jié)構(gòu)由機(jī)匣內(nèi)部形狀決定；選用45號(hào)鋼作為包套材料、控形型芯材料；

(2)選用平均粒度為120μm的Ti6Al4V合金粉末，采用化學(xué)鍍的方法將Ni均勻的沉積在粉末表面(平均厚度1--3μm)；

(3)采用機(jī)加工的方法分別加工出包套、控形型芯，并對(duì)其組裝，通過(guò)抽氣口向包套內(nèi)部填裝粉末。

(4)將組裝完成后的包套進(jìn)行焊接，將包套與上下端蓋焊接成整體；

(5)對(duì)包套進(jìn)行檢漏，若不漏氣，則行進(jìn)抽真空處理；

(6)通過(guò)排氣管對(duì)包套內(nèi)抽真空，在真空度約為10^-4Pa時(shí)，將排氣管壓扁，用焊接或熔化使其封口；

(7)將包套放入熱等靜壓爐，進(jìn)行加熱加壓處理。熱等靜壓處理?xiàng)l件是在前3小時(shí)內(nèi)使熱等靜壓設(shè)備內(nèi)溫度到達(dá)930℃，然后利用3小時(shí)將壓力升到120MPa，再保溫保壓3小時(shí)，最后隨爐冷卻；

(8)酸腐蝕或機(jī)加工去掉熱等靜壓后包套和控形型芯；

實(shí)例3：

運(yùn)用本發(fā)明來(lái)制造增強(qiáng)Ni718渦輪盤(pán)零件塑性與強(qiáng)度為實(shí)例?，F(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)有50％以上質(zhì)量的材料采用高溫合金，其中鎳基高溫合金的用量在發(fā)動(dòng)機(jī)材料中約占40％。由于鎳基合金在中、高溫度下具有優(yōu)異綜合性能，適合長(zhǎng)時(shí)間在高溫下工作，所以鎳基高溫合金常常作為發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件(葉片、渦輪盤(pán)、燃燒室等)材料。因?yàn)槠涫褂脺囟群芨?，所以?duì)鎳基合金材料的高溫性能提出了更高的要求，針對(duì)以上問(wèn)題本發(fā)明以Ni718為基體粉末材料，以Ti為增強(qiáng)材料來(lái)提高基體材料的高溫強(qiáng)度和耐磨性能，在熱等靜壓高溫高壓作用下基體中的Ni會(huì)與Ti原子發(fā)生原位發(fā)生生成TiNi、TiNi₂，這兩種金屬間化合彌散粉末在基體中以增強(qiáng)基體材料的高溫強(qiáng)度與耐磨性能。

在此背景下，運(yùn)用本發(fā)明制造具有連續(xù)空間結(jié)構(gòu)的Ni718渦輪盤(pán)，具體步驟如下：

(1)根據(jù)渦輪盤(pán)設(shè)計(jì)熱等靜壓成形包套和控形型芯，該包套主要由筒體、下蓋板以及帶有抽真空管的上蓋板組成，控形型芯結(jié)構(gòu)由機(jī)匣內(nèi)部形狀決定；選用45號(hào)鋼作為包套材料、石墨作為控形型芯材料；

(2)選用平均粒度為120μm的Ni718合金粉末，采用機(jī)械球磨的方法將Ti粉末均勻的嵌入粉末表面(平均粒度3--5μm)；

(3)采用機(jī)加工的方法分別加工出包套、控形型芯，并對(duì)其組裝，通過(guò)抽氣口向包套內(nèi)部填裝粉末。

(4)將組裝完成后的包套進(jìn)行焊接，將包套與上下端蓋焊接成整體；

(5)對(duì)包套進(jìn)行檢漏，若不漏氣，則行進(jìn)抽真空處理；

(6)通過(guò)排氣管對(duì)包套內(nèi)抽真空，在真空度約為10^-4Pa時(shí)，將排氣管壓扁，用焊接或熔化使其封口；

(7)將包套放入熱等靜壓爐，進(jìn)行加熱加壓處理。熱等靜壓處理?xiàng)l件是在前3小時(shí)內(nèi)使熱等靜壓設(shè)備內(nèi)溫度到達(dá)1100℃，然后利用3小時(shí)將壓力升到120MPa，再保溫保壓3小時(shí)，最后隨爐冷卻；

(8)酸腐蝕或機(jī)加工去掉熱等靜壓后包套，噴砂去掉控形型芯；

總之，本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是根據(jù)基體材料在實(shí)際應(yīng)用中的增強(qiáng)需求，該方法在熱等靜壓前，將粉末基體材料表面包覆上一層增強(qiáng)材料，在熱等靜壓高溫高壓的作用下基體材料與增強(qiáng)材料發(fā)生原位反應(yīng)，生成具有強(qiáng)增效果的新化合物，并且該化合物以空間連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形式存在于原始粉末顆粒邊界來(lái)增強(qiáng)基體材料有關(guān)性能。

本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)和思路，做一些簡(jiǎn)單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。