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，該方法采用連接界面處具有梯度漸變結(jié)構(gòu)的同質(zhì)包套，來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜高性能零部件的熱等靜壓粉末近凈成形，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)：
熱等靜壓粉末近凈成形(NetNearShapeHotIsostaticPressing,NNS-HIP)是利用將高溫(700-2000℃)、高壓(70-200MPa)結(jié)合模具控形技術(shù)，使氣體介質(zhì)均勻地作用在控形模具包套上實(shí)現(xiàn)粉末的致密與成形。熱等靜壓粉末近凈成形可實(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90％，幾乎不存在材料浪費(fèi)。該技術(shù)尤為適合應(yīng)用在對(duì)零件性能要求很高的航空航天關(guān)鍵零部件的制造。然而，在熱等靜壓近凈成形技術(shù)中，包套的設(shè)計(jì)與制造是關(guān)鍵技術(shù)之一，且零件越復(fù)雜越難制造，所占成本越高。目前制作HIP包套的材料主要以軟鋼為主，這是因?yàn)檐涗撚休^好塑性可防止HIP過程中因包套形變較大而發(fā)生開裂，同時(shí)也能保證粉末的充分致密，此外軟鋼優(yōu)異的焊接性能有效能保證焊縫的密封性能。由于HIP工藝往往用來制造如鈦合金與鎳基高溫合金等難加工貴金屬材料，所以包套材料與粉末基體材料往往不同，我們將這種包套稱為異質(zhì)包套。目前，復(fù)雜形狀的包套通常是采用鑄造、鍛造或機(jī)加工等傳統(tǒng)加工方法首先制造出各個(gè)部件，然后焊接拼合成整體的多步驟成形。然而，該方法制造復(fù)雜形狀包套時(shí)，需要使用精密加工設(shè)備，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，制造成本高，去除包套的過程十分繁瑣，更為嚴(yán)重的是異質(zhì)包套會(huì)與其接觸的制件表面發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)，污染制件，從而影響制件的表面質(zhì)量與性能。激光選區(qū)熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)是3D打印技術(shù)之一，根據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)控制將材料逐層累加成形制造實(shí)體零件，無需刀具、夾具及多道加工工序。該技術(shù)每次成形制造二維薄層結(jié)構(gòu)，大大降低了三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形制造難度，理論上可成形制造任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)，屬于“自由成形制造”過程。而且零件越復(fù)雜，其成形制造的高效率作用越顯著。因此，可以利用SLM制造HIP同質(zhì)包套(與基體粉材料相同)，克服復(fù)雜包套制造難的問題，同時(shí)免除異質(zhì)包套去除的繁瑣過程。但是，由于SLM成形過程具有激光快熔快冷特征，因此制備的包套存在微細(xì)柱狀晶和針狀組織。熱等靜壓中粉末基體材料為離散顆粒，通過高溫高壓的作用使顆粒移動(dòng)、塑性變形、擴(kuò)散與蠕變致密化，并在再結(jié)晶機(jī)制驅(qū)動(dòng)下形成由等軸晶與板條狀組織組成的較粗大組織。所以，SLM成形包套與熱等靜壓粉末連接界面處組織突變，直接影響了最終成形零件的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的在于提供一種同質(zhì)包套熱等靜壓成形方法，該方法通過增強(qiáng)界面處的結(jié)合強(qiáng)度以保證最終制件優(yōu)良的機(jī)械性能本發(fā)明提供的一種同質(zhì)包套熱等靜壓成形方法，該方法利用SLM成形出具有梯度多孔結(jié)構(gòu)的同質(zhì)包套，使得同質(zhì)包套與粉末間出現(xiàn)梯度漸變且互相交叉嵌合的組織結(jié)構(gòu)的界面，從而增強(qiáng)界面處的結(jié)合強(qiáng)度。上述技術(shù)方案的改進(jìn)，其具體實(shí)現(xiàn)過程如下：第1步、根據(jù)制件形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出初始包套模型，模擬預(yù)測(cè)初始包套在熱等靜壓高溫高壓作用下變形趨勢(shì)，并計(jì)算出其變形補(bǔ)償量，利用該變形補(bǔ)償量對(duì)初始包套模型進(jìn)行補(bǔ)償，得到優(yōu)化包套模型；第2步、在優(yōu)化包套模型基礎(chǔ)上，將包套內(nèi)層設(shè)計(jì)成梯度多孔結(jié)構(gòu)，然后采用三維造型軟件將同質(zhì)包套結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成三維CAD模型；第3步、將三維CAD模型轉(zhuǎn)為STL文件，并將該文件的數(shù)據(jù)信息輸送到SLM快速成形機(jī)；然后，將SLM成形室抽真空，防止同質(zhì)包套制造的過程中被氧化；第4步、根據(jù)同質(zhì)包套的材料，利用SLM快速成形機(jī)制造出同質(zhì)包套；第5步、往檢漏合格的同質(zhì)包套內(nèi)部裝入待成形的合金粉末，并震動(dòng)搖實(shí)；第6步、將上述包套置于加熱爐中，然后在高溫下利用真空設(shè)備通過抽真空管對(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；第7步、對(duì)包套進(jìn)行熱等靜壓處理；第8步、最終制造出制件。兩種形態(tài)材料在熱等靜壓高溫高壓作用下最終存在差異，從而導(dǎo)致兩者的連接界面存在組織與性能的突變，這種界面處的組織突變將直接影響最終成形零件的性能。針對(duì)現(xiàn)有熱等靜壓制造方法中存在的問題，本發(fā)明提供了一種連接界面具有梯度漸變結(jié)構(gòu)同質(zhì)包套的熱等靜壓成形方法，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)由于SLM能成形幾乎任何復(fù)雜形狀的技術(shù)特點(diǎn)，所以極大程度上縮短了傳統(tǒng)工藝中多工序包套制造的流程與周期，同時(shí)也克服了傳統(tǒng)方法無法加工特殊與復(fù)雜材料包套的技術(shù)瓶頸問題。(2)將模擬與同質(zhì)包套結(jié)合實(shí)現(xiàn)熱等靜壓無需去掉包套的近凈成形。該方法直接避免了異質(zhì)包套與粉末間相互擴(kuò)散污染零件表面的缺陷，同時(shí)縮短了傳統(tǒng)異質(zhì)包套熱等靜壓后機(jī)加工或酸腐蝕的去除工藝。(3)將同質(zhì)包套內(nèi)側(cè)表面(在熱等靜壓中與粉末相接處的面)設(shè)計(jì)成多孔梯度漸變結(jié)構(gòu)，使得熱等靜壓后界面呈現(xiàn)梯度變化的組織結(jié)構(gòu)，因此克服了SLM成形的同質(zhì)包套與HIP致密體界面組織與性能突變的弊端，使得最終成形出機(jī)械性能較優(yōu)的制件。總之，本發(fā)明是熱等靜壓(HIP)/激光選區(qū)熔化(SLM)3D打印復(fù)合工藝的成形方法，可以克服傳統(tǒng)異質(zhì)包套難加工或無法加工的技術(shù)瓶頸，縮短包套與熱等靜壓后處理的工序與周期，提升了熱等靜壓粉末近凈成形的應(yīng)用范圍與前景。附圖說明圖1為同質(zhì)包套CAD模型優(yōu)化流程圖；圖2為本發(fā)明方法示意圖，其中(a)為SLM成形界面呈現(xiàn)梯度多孔結(jié)構(gòu)的同質(zhì)包套，(b)為裝滿粉末后的同質(zhì)包套，(c)為同質(zhì)包套在熱等靜壓過程中受高溫高壓同時(shí)作用，(d)為熱等靜壓后成形件；其中1為同質(zhì)包套，2為梯度多孔結(jié)構(gòu)，3為粉末，4為熱等靜壓后同質(zhì)包套與致密體漸變過度區(qū)域。圖3為實(shí)例1中制造Ni625渦輪盤零件的同質(zhì)包套連接界面處梯度多孔漸變結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為實(shí)例2中制造Ti6Al4V機(jī)匣零件的同質(zhì)包套連接界面處梯度多孔漸變結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式本發(fā)的目的在于提供一種熱等靜壓(HIP)/激光選區(qū)熔化(SLM)復(fù)合工藝的成形方法，該方法利用SLM成形出具有梯度漸變結(jié)構(gòu)的同質(zhì)包套，使得同質(zhì)包套與粉末間出現(xiàn)梯度漸變，且互相交叉嵌合的組織結(jié)構(gòu)的界面，從而增強(qiáng)界面處的結(jié)合強(qiáng)度，在保證最終制件的綜合機(jī)械性能的同時(shí)減少了包套與熱等靜壓后處理的工序與周期，拓寬了熱等靜壓粉末近凈成形的應(yīng)用領(lǐng)域與前景。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)一步說明。在此需要說明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說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)例提供的一種連接界面具有梯度漸變結(jié)構(gòu)的同質(zhì)包套熱等靜壓成形方法，具體包括下述步驟：1、根據(jù)制件形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出初始包套模型，模擬預(yù)測(cè)初始包套在熱等靜壓高溫高壓作用下變形趨勢(shì)，并計(jì)算出其變形補(bǔ)償量，利用該變形補(bǔ)償量對(duì)初始包套模型進(jìn)行補(bǔ)償，得到優(yōu)化包套模型；由于同質(zhì)包套在熱等靜壓后也是制件的一部分，因此模擬預(yù)測(cè)熱等靜壓過程中包套的變形量至關(guān)重要，其CAD模型優(yōu)化過程如圖1所示：(1)、首先根據(jù)制件CAD模型設(shè)計(jì)出初始包套CAD模型，然后對(duì)初始包套進(jìn)行模擬，得到熱等靜壓后制件的模擬CAD模型(模擬中需要的本構(gòu)模型與材料熱物性參數(shù)是基于前期基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室而獲得)；(2)、將制件CAD模型與模擬CAD模型對(duì)比，計(jì)算出包初始套熱等靜壓中的變形補(bǔ)償量；(3)、利用變形補(bǔ)償量對(duì)初始包套CAD模型進(jìn)行補(bǔ)償，將得到的補(bǔ)償后制件CAD模型進(jìn)行再次模擬，得到熱等靜壓后制件的再次模擬CAD模型；(4)、若再次模擬CAD模型與初始制件CAD模型尺寸吻合(＞95％)，則將補(bǔ)償后制件CAD模型作為優(yōu)化包套模型；若不滿足要求，則再次補(bǔ)償、模擬直到滿足要求為止。通常使用Marc、Ansys、Abaqus等模擬軟件，準(zhǔn)確、方便、高效。2、在優(yōu)化包套模型基礎(chǔ)上，將包套內(nèi)層(與粉末基體材料接觸的面)設(shè)計(jì)成梯度多孔結(jié)構(gòu)，最后采用三維造型軟件將同質(zhì)包套結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成的三維CAD模型；梯度多孔結(jié)構(gòu)是根據(jù)熱等靜壓過程中使用的粉末大小來設(shè)計(jì)其多孔大小的變化范圍，通常將孔徑大小設(shè)計(jì)在150μm至1000μm之間。由于SLM成形的同質(zhì)包套組織細(xì)小，而熱等靜壓成形的致密件組織相對(duì)粗大，所以梯度漸變結(jié)構(gòu)的規(guī)律是：(1)由外向里，連接界面處的孔隙比例是逐漸增大的；(2)梯度多孔結(jié)構(gòu)的總厚度取決于包套設(shè)計(jì)厚度與制件大小，通常梯度結(jié)構(gòu)總厚度是包套厚度的0.2-0.8倍；(3)根據(jù)梯度的類型，可將梯度設(shè)計(jì)成連續(xù)狀(如圖3)與非連續(xù)狀(如圖4)，在連續(xù)狀梯度結(jié)構(gòu)中孔隙比例連續(xù)增加，而在非連續(xù)狀梯度結(jié)構(gòu)中孔隙比例非連續(xù)增加，通常根據(jù)包套厚度與制件大小可將非連續(xù)狀梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成2-10個(gè)梯度等級(jí)。3、將設(shè)計(jì)出來的三維CAD模型由切片軟件處理后保持為STL文件，并將該文件的數(shù)據(jù)信息輸送到SLM快速成形機(jī)。然后，將SLM成形室抽真空，防止同質(zhì)包套制造的過程中被氧化。同質(zhì)包套材料選擇與熱等靜壓中相同的粉末材料，但兩者的粉末粒度不同，SLM工藝適合成形粒度為30-50μm，而熱等靜壓適合成形粒度為80-150μm。4、根據(jù)同質(zhì)包套的材料，設(shè)置適合該材料SLM成形的工藝參數(shù)(掃描功率、掃描速度、鋪粉厚度、掃描間距等)，然后開始鋪粉制作包套，最后制造出同質(zhì)包套；5、對(duì)SLM成形出來的同質(zhì)包套進(jìn)行檢漏，在保證包套不漏氣后，往包套內(nèi)部裝入待成形的合金粉末，并震動(dòng)搖實(shí)；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；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。8、最終制造出制件。實(shí)例：實(shí)例1：運(yùn)用本發(fā)明來制造Ni625渦輪盤零件為實(shí)例。高性能航天發(fā)動(dòng)機(jī)的制造是制約我國新一代重載火箭的瓶頸之一。隨著新一代發(fā)動(dòng)機(jī)推重比不斷提高，要求其關(guān)鍵零件重量更輕、力學(xué)性能更高，需采用高性能整體成形技術(shù)才能達(dá)到這些要求。精密鑄造是目前國內(nèi)外航天發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪等關(guān)鍵零件的主流制造技術(shù)，但鑄件存在組織不均勻、表面質(zhì)量、內(nèi)部縮松縮孔和夾雜等突出問題，難以滿足新一代發(fā)動(dòng)機(jī)高性能和輕量化的要求。例如，460噸發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵中，核心渦輪零件的線速度高達(dá)300m/s，應(yīng)力水平已經(jīng)超過鑄件的極限，現(xiàn)有鑄造技術(shù)已無法滿足其使用要求。在此背景下，運(yùn)用本發(fā)明制造形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的Ni625渦輪盤零件，具體步驟如下：(1)根據(jù)渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)熱等靜壓成形初始包套，模擬預(yù)測(cè)初始包套在熱等靜壓高溫高壓作用下變形趨勢(shì)，并計(jì)算出其變形補(bǔ)償量，從而優(yōu)化包套設(shè)計(jì)；(2)在優(yōu)化后的包套模型基礎(chǔ)上，將包套內(nèi)表面(與粉末基體材料接觸的面)設(shè)計(jì)成梯度多孔漸變結(jié)構(gòu)，最后將采用三維造型軟件將同質(zhì)包套結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成的三維CAD模型。該同質(zhì)包套梯度多孔漸變結(jié)構(gòu)如圖3所示，孔徑大小變化范圍為：300-600μm；(3)將設(shè)計(jì)出來的三維CAD模型由切片軟件處理后保持為STL文件，并將該文件的數(shù)據(jù)信息輸送到SLM快速成形機(jī)。然后，將SLM成形室抽真空，防止同質(zhì)包套制造的過程中被氧化；(4)根據(jù)同質(zhì)包套的三維STL數(shù)據(jù)，采用激光功率為400W的光纖激光器，激光光斑為10μm，掃描功率為50％，掃描速度為500mm/s，掃描間距為0.06mm，鋪粉厚度為0.02mm的SLM成形工藝，成形粒度為20-40μm的Ni625粉末。設(shè)置好工藝參數(shù)后，開始鋪粉并制造包套；(5)Ni625同質(zhì)包套加工完成之后，在包套間隙處填滿待成形的Ni625粉末材料，并震動(dòng)搖實(shí)。此時(shí)Ni625粉末粒度為80-150μm；(6)將上述包套至于加熱爐中，然后在500℃下利用真空設(shè)備通過抽真空管對(duì)包套內(nèi)部進(jìn)行抽真空處理，當(dāng)真空度達(dá)到10-3Pa后將抽氣管封焊；(7)將裝滿Ni625粉末的同質(zhì)包套放入熱等靜壓成形室內(nèi)，熱等靜壓工藝參數(shù)為：1100℃、120MPa，同時(shí)升溫升壓，保溫保壓3小時(shí)；(8)熱等靜壓后，除去抽氣口得到最終Ni625渦輪盤零件；實(shí)例2：運(yùn)用本發(fā)明來制造Ti6Al4V機(jī)匣零件為實(shí)例。隨著新型飛機(jī)的推出，對(duì)新一代發(fā)動(dòng)機(jī)在工作性能指標(biāo)方面提出了更高的要求。例如，現(xiàn)役市場(chǎng)份額最大的A320/B737等機(jī)型醞釀發(fā)展第五代發(fā)動(dòng)機(jī)，主要技術(shù)指標(biāo)與第四代發(fā)動(dòng)機(jī)(如CFM56-5B/-7B)相比：耗油率下降10-15％(達(dá)到0.54-0.55kg/daNh)；噪聲比FAR36第四階段降低15分貝；NOx排放減少40-50％；維護(hù)成本降低15-25％；壽命延長(zhǎng)25％。這些工作性能的提升導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高推重比、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和高可靠性等需求不斷增大，例如中介機(jī)匣服役350℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度高于原來的指標(biāo)500MPa，超出了現(xiàn)有鑄件的性能極限，對(duì)制造技術(shù)提出了更高要求。運(yùn)用本發(fā)明制造滿足新一代發(fā)動(dòng)機(jī)要求的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)熱等靜壓成形初始包套，模擬預(yù)測(cè)初始包套在熱等靜壓高溫高壓作用下變形趨勢(shì)，并計(jì)算出其變形補(bǔ)償量，從而優(yōu)化包套設(shè)計(jì)；(2)在優(yōu)化后的包套模型基礎(chǔ)上，將包套內(nèi)表面(與粉末基體材料接觸的面)設(shè)計(jì)成梯度多孔漸變結(jié)構(gòu)，最后將采用三維造型軟件將同質(zhì)包套結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成的三維CAD模型。該同質(zhì)包套梯度多孔漸變結(jié)構(gòu)如圖4所示，孔徑分別為300μm、600μm、900μm；(3)將設(shè)計(jì)出來的三維CAD模型由切片軟件處理后保持為STL文件，并將該文件的數(shù)據(jù)信息輸送到SLM快速成形機(jī)。然后，將SLM成形室抽真空，防止同質(zhì)包套制造的過程中被氧化；(4)根據(jù)同質(zhì)包套的三維STL數(shù)據(jù)，采用激光功率為400W的光纖激光器，激光光斑為10μm，掃描功率為55％，掃描速度為550mm/s,掃描間距為0.07mm，鋪粉厚度為0.02mm的SLM成形工藝，成形粒度為20-40μm的Ti6Al4V粉末。設(shè)置好工藝參數(shù)后，開始鋪粉并制造包套；(5)Ti6Al4V同質(zhì)包套加工完成之后，在包套間隙處填滿待成形的Ti6Al4V粉末材料，并震動(dòng)搖實(shí)。此時(shí)Ti6Al4V粉末粒度為80-150μm；(6)將上述包套至于加熱爐中，然后在500℃下利用真空設(shè)備通過抽真空管對(duì)包套內(nèi)部進(jìn)行抽真空處理，當(dāng)真空度達(dá)到10-3Pa后將抽氣管封焊；(7)將裝滿Ti6Al4V粉末的同質(zhì)包套放入熱等靜壓成形室內(nèi)，熱等靜壓工藝參數(shù)為：930℃、120MPa，同時(shí)升溫升壓，保溫保壓3小時(shí)；(8)熱等靜壓后，除去抽氣口得到最終Ti6Al4V渦輪盤零件；總之，本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是根據(jù)模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)出包套結(jié)構(gòu)，并將包套內(nèi)部與熱等靜壓粉末接觸的面設(shè)計(jì)成梯度多孔漸變結(jié)構(gòu)。然后，根據(jù)包套三維模型采用SLM技術(shù)成形出同質(zhì)包套，最后裝粉、抽氣、焊接、熱等靜壓得到無需除去包套的制件。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。