一種用于提高零件表面質(zhì)量的熱等靜壓成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于熱等靜壓成形領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于提高零件表面質(zhì)量的熱等靜壓成形方法。
【背景技術(shù)】
[0002]航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作葉片、渦輪盤、燃燒室等關(guān)鍵部位的高溫部件對(duì)材料的要求極為苛刻，它不但要求具有良好的高溫抗氧化和抗腐蝕能力，同時(shí)還要求具有較高的高溫強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度以及良好的疲勞性能。鎳基合金和鈦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)，同時(shí)具有良好的高溫抗氧化性和抗腐蝕能力，鎳基高溫合金一般在600°C以上并承受一定的應(yīng)力條件下工作，廣泛的應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)鉁u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，在震動(dòng)載荷以及沖擊載荷作用下裂紋的敏感性低，并且具有良好的抗腐蝕性，因此在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)以及殼體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛。
[0003]但是，由于鎳合金和鈦合金熔點(diǎn)高、強(qiáng)度大，采用常規(guī)方法加工(鑄造、鍛造、機(jī)加工)成形難度較大。目前，采用熱等靜壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鈦合金零件的粉末整體成形，在高溫高壓同時(shí)作用下，通過包套介質(zhì)傳遞溫度和壓力，使包套內(nèi)粉末材料變形、致密并固結(jié)。使用熱等靜壓成形零件具有宏觀偏析小、力學(xué)性能好、材料利用率高和成形工藝周期短的優(yōu)勢(shì)。
[0004]然而，現(xiàn)有技術(shù)中采用常規(guī)材料做控型型芯時(shí)，在高溫高壓作用下，粉末顆粒元素與控形型芯之間容易發(fā)生擴(kuò)散，致使成形后零件表層元素含量發(fā)生改變，部分元素通過擴(kuò)散作用轉(zhuǎn)移到了控形型芯表面，同時(shí)控形型芯表面也有部分元素通過擴(kuò)散到了成形零件表面，這種現(xiàn)象導(dǎo)致了合金元素分布不均勻，降低了零件表面質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種用于提高零件表面質(zhì)量的熱等靜壓成形方法，其中利用在碳鋼型芯表面涂覆一層具有一定厚度的陶瓷涂層，可避免粉末和控形型芯的物理接觸，有效阻止碳鋼芯子和粉末材料之間的元素?cái)U(kuò)散，避免合金表面因擴(kuò)散造成的元素偏析，提高合金表面質(zhì)量；同時(shí)對(duì)熱等靜壓的成形工藝進(jìn)行研究和設(shè)定，可成形出致密化程度高，綜合性能優(yōu)良的合金零件。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種用于提高零件表面質(zhì)量的熱等靜壓成形方法，其特征在于，該方法包括如下步驟:
[0007](1)根據(jù)成形零件的形狀和尺寸，利用三維建模軟件設(shè)計(jì)出包套和控形型芯的三維模型；
[0008](2)根據(jù)所設(shè)計(jì)的三維模型制作包套和控形型芯，所述包套采用不銹鋼制成，所述控形型芯采用碳鋼制成;利用PVD法在所述控形型芯表面噴涂陶瓷涂層；
[0009](3)將所述控形型芯固定在所述包套中，然后往包套內(nèi)填充粉末，并震動(dòng)搖實(shí);對(duì)所述包套進(jìn)行抽氣處理，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行加熱處理，以排除粉末顆粒間的殘存氣體，待包套中真空度達(dá)到一定程度后進(jìn)行封焊處理；
[0010](4)采用先升溫后升壓的熱等靜壓處理工藝對(duì)所述包套進(jìn)行熱等靜壓處理，在處理過程中，所述粉末在高溫高壓作用下緊實(shí)致密化，所述陶瓷涂層用以減少所述粉末與控形型芯表面的摩擦力，并阻止粉末和控形型芯之間的元素?cái)U(kuò)散，從而提高零件的表面質(zhì)量；
[0011](5)采用機(jī)加工或化學(xué)腐蝕法去除包套及控形型芯，獲得最終零件。
[0012]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述陶瓷涂層為AlTiN，其厚度為ΙΟμπι?50μπι。
[0013]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述加熱處理的加熱溫度為400°C?650°C。
[0014]進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(3)中所述的真空度達(dá)到一定程度后是指真空度為10—3?10
-4
ο
[0015]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述熱等靜壓處理的保溫溫度為950°C?1200°C，壓力為lOOMPa?200MPao
[0016]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述熱等靜壓處理的保溫溫度進(jìn)一步優(yōu)選為1100°C，壓力進(jìn)一步優(yōu)選為120MPa。
[0017]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述粉末優(yōu)選為FGH97合金粉末、Inconel 625合金粉末或TC4合金粉末。
[0018]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn):
[0019]1.本發(fā)明在熱等靜壓過程中，粉末在高溫高壓耦合作用下經(jīng)過顆?？拷c重排、塑性變形、擴(kuò)散蠕變過程并最終致密化，粉末之間通過擴(kuò)散連接緊密結(jié)合在一起;利用PVD法在碳鋼型芯表面涂覆一層具有一定厚度的陶瓷涂層，在熱等靜壓過程中涂層可避免粉末和控形型芯的物理接觸，有效阻止碳鋼芯子和粉末材料之間的元素?cái)U(kuò)散，避免合金表面因擴(kuò)散造成的元素偏析，提高合金表面質(zhì)量;同時(shí)涂層高溫潤滑性能好，與沒有涂覆功能涂層的型芯相比，可以顯著減少粉末與型芯表面的摩擦力，改善粉末材料的流動(dòng)性，提高粉末蠕變變形效率，有利于粉末填充控形型芯，減少成形過程中孔洞的產(chǎn)生，從而成形出致密化程度較高，綜合性能優(yōu)良的合金零件。
[0020]2.本發(fā)明采用粉末為材料，利用表面具有功能涂層的碳鋼作為內(nèi)部控形型芯，結(jié)合適當(dāng)?shù)臒岬褥o壓工藝，利用高溫高壓復(fù)合載荷結(jié)合模具控形技術(shù)實(shí)現(xiàn)高溫合金零件的粉末整體成形，在保證材料強(qiáng)度、致密度情況下提高合金零件的表面粗糙度，提高合金的綜合力學(xué)性能，具有材料利用率高、成形工藝流程短的優(yōu)點(diǎn)，適合于制造航空航天領(lǐng)域具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)并且性能要求高的關(guān)鍵零部件。
【附圖說明】
[0021]圖1(a)和(b)是控形型芯噴涂示意圖；
[0022]圖2(a)和(b)是熱等靜壓過程示意圖；
[0023]圖3(a)和(b)是熱等靜壓結(jié)束后去掉包套和型芯過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。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。
[0025]本發(fā)明的一種用于提高零件表面質(zhì)量的熱等靜壓成形方法，其特征在于，該方法包括如下步驟:
[0026](1)根據(jù)成形零件的形狀和尺寸，利用三維建模軟件設(shè)計(jì)出包套1和控形型芯的三維模型。
[0027]對(duì)于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，合理的包套設(shè)計(jì)和型芯設(shè)計(jì)十分重要，對(duì)于一些容易產(chǎn)生缺陷的部位，應(yīng)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得質(zhì)量優(yōu)良的零件產(chǎn)品，常常采用Pro/E、SolidWorks等軟件進(jìn)行建模優(yōu)化，大大減少了包套和型芯設(shè)計(jì)的周期。
[0028](2)根據(jù)所設(shè)計(jì)的三維模型制作包套和控形型芯，所述包套采用不銹鋼制成，所述控形型芯采用碳鋼制成;利用PVD(物理氣相沉積)法在所述控形型芯表面噴涂陶瓷涂層2，涂層厚度優(yōu)選為lOwn?50μηι。
[0029]采用機(jī)加工等成形方法制作相應(yīng)的包套和控形型芯，對(duì)于包套和型芯材料的選擇極其重要，對(duì)于包套材料，應(yīng)選擇加工性能優(yōu)良、熱等靜壓結(jié)束后容易去除的材料，在本發(fā)明中，采用不銹鋼作為熱等靜壓包套材料。而對(duì)于型芯，除了具有加工性能好之外，應(yīng)具備一定的強(qiáng)度和剛度，以達(dá)到精準(zhǔn)控形的目的，采用的控形型芯為碳鋼。通常包套4采用桶狀結(jié)構(gòu)，包括筒體、上端蓋、下端蓋和抽氣口 3，壁厚選擇為2mm?3_。
[0030](3)將所述控形型芯固定在所述包套中，然后往包套內(nèi)填充粉末5，并震動(dòng)搖實(shí);對(duì)所述包套進(jìn)行抽氣處理，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行加熱處理，以排除粉末顆粒間的殘存氣體，待包套中真空度達(dá)到一定程度后進(jìn)行封焊處理:
[0031]具體的，將包套的筒體和控形型芯組裝在包套下端蓋上，并將下端蓋和上端蓋焊接到包套上;在組裝好的包套與控形型芯間隙處填充好粉末材料，并振實(shí);將抽氣管焊接到包套的抽氣口，以便于包套的抽氣;對(duì)焊接好的包套進(jìn)行抽氣處理，在抽氣的同時(shí)對(duì)包套進(jìn)行加熱處理，加熱溫度為400°C?650°C，以盡可能排除粉末顆粒間的殘存的氣體，待真空度達(dá)到一定程度后(真空度為10—3?10—4時(shí))對(duì)抽氣管進(jìn)行封焊。
[0032](4)采用先升溫后升壓的熱等靜壓處理工藝對(duì)所述包套進(jìn)行熱等靜壓處理，在處理過程中，所述粉末在高溫高壓作用下緊實(shí)致密化，所述陶瓷涂層用以減少所述粉末與控形型芯表面的摩擦力，并阻止粉末和控形型芯之間的元素?cái)U(kuò)散，從而提高零件的表面質(zhì)量。
[0033]根據(jù)粉末材料選擇合適的熱等靜壓溫度，選擇為粉末材料的0.5?0.8倍，保溫溫度為950°C_1200°C，壓力為100?200MPa。在本發(fā)明中，對(duì)比不同溫度條件下粉末的致密化狀況，選擇保溫溫度為1100°C，壓力為120MPa。
[0034]為了獲得表面粗糙度較低的樣品