[發明專利]一種生成具有晶粒尺寸連續變化結構的熱等靜壓成形方法

有效

• 申請號: 201811037697.4
• 申請日: 2018-09-06
• 公開（公告）號: CN109093121B
• 公開（公告）日: 2019-12-20
• 發明（設計）人: 魏青松;陳輝;朱文志;薛鵬舉;袁偉豪;史玉升
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B22F3/15
• 分類號: B22F3/15
• 代理公司: 42201 華中科技大學專利中心
• 代理人: 梁鵬;曹葆青

本發明屬于熱等靜壓成形領域，并公開了一種生成具有晶粒尺寸連續變化結構的熱等靜壓成形方法。該方法包括下列步驟：(a)選取不同粒徑的粉末顆粒，根據待成形零件的三維結構設計并成形包套和型芯；(b)將不同粒徑的粉末顆粒填充到包套中，對包套施加振動獲得與晶粒分布要求相同的粉末粒徑分布；(c)將包套封閉，然后依次進行加熱、抽真空和等靜壓處理，依次完成成形過程，去除包套和型芯獲得所需的成形零件。通過本發明，實現制件晶粒尺寸的連續變化，使制件的不同部位具有連續可變的力學性能，尤其適用于航空航天領域制造具有兩性或者多性能要求的關鍵零部件。

技術領域

本發明屬于熱等靜壓成形領域，更具體地，涉及一種生成具有晶粒尺寸連續變化結構的熱等靜壓成形方法。

背景技術

航空發動機渦輪盤與殼體等零件由于對高溫強度、熱膨脹性、熱疲勞等性能要求高，通常采用鎳合金或鈦合金材料進行制造。然而，由于鎳基和鈦基合金材料具有熔點高、強度大等特點，采用車、銑、刨、磨等常規方法難以加工成形。鑄造容易出現孔隙、組織粗大等缺陷，使零件性能無法滿足航空航天的特殊工作環境。鍛造能加工出較高性能的零件，但是對于結構較復雜的零件難以甚至無法加工。熱等靜壓作為粉末近凈成形制造方法，可以整體成形復雜零件，并且成形的零件具有較高的整體機械性能。

熱等靜壓近凈成形是一種將粉末顆粒填充于由包套和型芯組裝的模具中，抽真空并施加高溫高壓，使模具中的粉末材料致密化，從而獲得目標零件的制造技術，是近凈成形領域的研究前沿與熱點。熱等靜壓具有制件全致密、力學性能可達鍛件且高度各向同性、材料利用率高等特點，同時能實現復雜零件的整體成形，近年來，開始用于航空航天領域關鍵復雜零部件的成形制造。例如，美國ABB公司建立了一套包括從粉末制備到熱等靜壓成形的生產線，生產鉻合金葉片環、渦輪盤和渦輪軸密封圈等復雜零件，綜合力學性能與同質鍛件相當。俄羅斯利用熱等靜壓制造了壓氣機的軸和盤件等航空航天關鍵零件，并嘗試在大型遠程客機的發動機ПC-90A的盤件應用。英國伯明翰大學等單位開始研究熱等靜壓成形技術，用于航空發動機鈦合金和鎳基高溫合金機匣的整體成形，并將其列為未來二十年航空發動機關鍵零件制造的戰略儲備技術。

目前，隨著航空發動機推重比的增加，壓氣機出口溫度、渦輪前溫度也大幅提升，發動機熱端部件工作條件越來越苛刻。為進一步提高發動機結構效益，必須較大程度地改變發動機渦輪盤和壓氣機盤等熱端部件的性能或結構，以滿足其在大應力梯度和大溫度梯度環境下的工作需要。例如，航空發動機渦輪盤和壓氣機盤工作條件極其特殊。盤緣接觸高溫氣體，工作溫度約為450～840℃，需要具有良好的持久、蠕變和疲勞裂紋擴展抗力；與之相反，盤心工作溫度相對較低，但承受較大的離心應力，需要具有較高的屈服強度和低周疲勞性能。這就要求盤體零件在不同的部位具有不同尺寸晶粒，以保證其在各自區域的工作需求，即盤緣晶粒尺寸粗，盤心晶粒尺寸細。其中，雙性能盤、多性能盤等設計思想就是在這種需求下產生的。但是，目前傳統的熱等靜壓工藝還無法制造具有上述特殊性能的零部件。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種生成具有晶粒尺寸連續變化結構的熱等靜壓成形方法，該方法在熱等靜壓的粉末填充環節加入機械振動，使粉末在包套中產生粒度偏析，最終使熱等靜壓制件具有晶粒尺寸連續變化的特點，該方法尤其適用于航空航天領域制造具有兩性或者多性能要求的關鍵零部件。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種生成具有晶粒尺寸連續變化結構的熱等靜壓成形方法，其特征在于，該方法包括下列步驟：

(a)根據待成形零件的三維結構設計并成形包套和型芯，所述包套作為成形所述待成形零件外輪廓的模具，所述型芯置于所述包套中，用于成形所述待成形零件的幾何結構；

(b)選取不同粒徑的粉末作為待成形零件的原材料，其中，粉末顆粒中的晶粒尺寸隨粉末粒徑大小而變化；根據所述待成形零件不同部位的晶粒尺寸分布要求，設計與所述晶粒尺寸分布要求相符的待成形零件不同部位的粉末粒徑分布規律；