[發(fā)明專利]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

有效

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• 申請日: 2015-09-11
• 公開（公告）號: CN105170978B
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋波;蔡超;薛鵬舉;史玉升
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B22F3/115
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心42201
• 代理人: 曹葆青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于先進制造領(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(Net Near Shape Hot Isostatic Pressing,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現(xiàn)粉末的致密與成形。熱等靜壓粉末近凈成形可實現(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。該技術(shù)尤為適合應(yīng)用在對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，這是因為軟鋼有較好塑性可防止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、鍛造或機加工等傳統(tǒng)加工方法首先制造出各個部件，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，需要使用精密加工設(shè)備，生產(chǎn)周期長，制造成本高，去除包套的過程十分繁瑣，更為嚴重的是異質(zhì)包套會與其接觸的制件表面發(fā)生擴散反應(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(Selective Laser Melting,SLM)是3D打印技術(shù)之一，根據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)，由計算機控制將材料逐層累加成形制造實體零件，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、塑性變形、擴散與蠕變致密化，并在再結(jié)晶機制驅(qū)動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。

發(fā)明內(nèi)容

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，該方法通過增強界面處的結(jié)合強度以保證最終制件優(yōu)良的機械性能

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，從而增強界面處的結(jié)合強度。

上述技術(shù)方案的改進，其具體實現(xiàn)過程如下：

第1步、根據(jù)制件形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計出初始包套模型，模擬預(yù)測初始包套在熱等靜壓高溫高壓作用下變形趨勢，并計算出其變形補償量，利用該變形補償量對初始包套模型進行補償，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；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，并震動搖實；

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)備通過抽真空管對包套內(nèi)部進行抽真空處理，抽真空完成以后將抽氣管封焊；

第7步、對包套進行熱等靜壓處理；

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：