一種熱等靜壓金屬包套的整體快速製造方法

2023-09-24 00:47:40

專利名稱：一種熱等靜壓金屬包套的整體快速製造方法
技術領域：
本發明屬於零件成形製造領域，具體涉及一種熱等靜壓金屬包套的整體 快速製造方法。
背景技術：
熱等靜壓(Hot isostatic pressing, HIP)是利用高溫高壓載荷來實現粉末 材料的製備和零件成形的工藝方法。特別是，利用該技術可以實現陶瓷、 硬質合金、複合材料、鈦鎳等貴重金屬粉末零件的整體近淨成形，其零件 的力學性能與同材質鍛件相當，尺寸精度可達O.lmm，且材料利用率超過 90%，幾乎不存在材料浪費。在該工藝中，成形材料為粉末狀態，高溫高壓 介質為氣體。為了實現高溫高壓氣體對粉末材料的壓製作用，需要製作專 門的金屬包套，包覆粉末材料以屏蔽氣體進入粉末內部；同時，還可充當 模具的角色，以達到控制最終零件形狀的目的。
俄羅斯最早研究熱等靜壓近淨成形工藝，並利用該方法製造出航空發 動機的渦輪盤等複雜零部件，取得實際應用。起初，製造熱等靜壓包套主 要為機加工方法。如俄羅斯的LNT (Laboratory of New Technology)實驗室 利用機加工方法製造複雜渦輪盤等零部件的金屬包套。但是，機加工方法 往往需要逐步製造出包套的不同部位，然後採取焊接等連接方法拼接成一 個整體，整個過程周期長，而且浪費材料十分嚴重。據法國新能源技術及 納米材料創新實驗室的實際應用表明，利用機加工方法製造熱等靜壓包套 的成本超過零件總製造成本的60%，極大了限制了該方法的推廣應用。為
此， 一些研究單位研究鑄造和金屬注射等成形方法製造熱等靜壓包套。與 機加工方法相比，該成形方法可實現熱等靜壓包套的整體成形，製造周期 縮短，而且材料利用率得到較大提高。但是，該成形方法往往需要製造專 門的模具，從而加大了包套製造成本。近年來， 一些研究人員開始嘗試利 用快速成形技術在無需製造模具的條件下快速、低成本地製造熱等靜壓金
屬包套。如日本的Kinzoku Giken公司用選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering, SLS)技術製造葉輪的熱等靜壓包套。具體過程是，首先利用SLS 方法通過逐層燒結金屬粉末成形出葉輪的複雜部分，然後通過焊接方法連 接其他簡單形狀的軟鋼包套部分，形成整體封閉的金屬包套。但是，該種 工藝只是利用快速成形方法製造包套中複雜局部結構，然後將各個局部結 構拼接成整體，且在熱等靜壓之後需要通過酸蝕等方法去除包套，工藝較 為繁瑣，操作難度較大。

發明內容
本發明的目的在於提供一種熱等靜壓金屬包套的整體快速製造方法， 該方法可以實現任意複雜形狀包套的整體、快速和低成本製造。
本發明提供的熱等靜壓金屬包套的整體快速製造方法，其步驟包括
(1) 採用三維造型軟體設計出金屬包套的CAD三維模型，然後由切片 軟體處理後保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸送到選擇性雷射熔 化快速成形機；
(2) 對選擇性雷射熔化快速成形機的成形室抽真空；
(3) 在工作平臺上平鋪一層的金屬粉末，金屬粉末的厚度為0.02 — O.lmm，粒徑為10—60wm;
(4) 採用雷射功率大於等於IOOW的半導體泵浦YAG雷射器、光纖激 光器或C02雷射器，雷射光斑為10—250um，掃描速度為30—200mm/s，
掃描間距為0.03—0.07mm，對該層切片處金屬粉末進行掃描，熔化切片處 的粉末材料；
(5)重複上述步驟(3) (4)，直至製成金屬包套。
針對現有技術中各種熱等靜壓包套製造方法存在的問題，本發明提出 利用選擇性雷射熔化(Selective Laser Melting, SLM)技術通過逐層熔化金 屬粉末，實現任意複雜熱等靜壓包套整體結構的一次近淨成形，使其製造 周期縮短，製造成本降低。具體而言，本發明具有如下優點-
(1) 可以成形任意複雜形狀結構的零件，解除了傳統方法難於製作復 雜包套的限制。
(2) 由於在真空環境下熔化或燒結製件，確保了 SLM製件內部無氣體 存在，即使需要充填粉末，包套內部也進行高真空處理，從而保證後續的 熱等靜壓工藝能夠順利進行，以製得所需形狀和緻密度的零件。
(3) 製得的包套是緻密的，且包套形狀是可控制的，避免了設計包套 所帶來的偏差，因此能夠保證最終熱等靜壓成形的零件尺寸。
(4) 若採用的包套和內部粉末是同一種材料，熱等靜壓後無需去除包 套，避免了包套材料對零件的汙染以及零件脫離包套的工藝過程，實現了 材料高利用率。


圖1為葉輪包套三維模型圖2為設計帶有進粉孔的葉輪包套三維模型圖3為某一層包套製作示意圖。
具體實施例方式
本發明利用選擇性雷射熔化SLM快速成形技術，對所要製作的粉末零
件外殼進行三維掃描，從而將外殼熔化成緻密體，而內部仍然為松裝的粉 末，緻密的封閉外殼在熱等靜壓過程中起到包套作用，從而阻斷外界高溫 高壓的氣體。在熱等靜壓過程中，可以一次成形所需的複雜結構的零件。 如果要提高包套內部粉末的緻密度或者要充填與外面包套不同材料的
粉末，則可以在SLM製作的包套上預留一個進粉口， 口徑大小參考粉末顆 粒大小，以適合清粉和充填粉末為準。在包套製作完成後，可以通過充填 粉末、震實、抽真空和封裝工藝將包套封口，以完成金屬包套的製作。在 這種工藝過程中，雖然包套的後續處理過程略顯複雜，但能夠製作複雜形 狀的包套，且封口對包套整體形狀的影響較少。熱等靜壓後需要通過酸蝕 等方法去除包套，但只需進行簡單的機加工就可得到最終的零件，對提高 熱等靜壓零件的尺寸精度有較大的改進，可以滿足不同材料熱等靜壓工藝 處理的要求。
實例1 :
(1) 首先根據SLM製件經過熱等靜壓後可能出現的變形情況，採用 三維造型軟體(如UG、 Pro/E等)設計出金屬包套熱等靜壓前的CAD三維 模型，該模型為封閉的殼體，如附圖1即為葉輪包套三維模型，然後由切 片軟體處理後保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸送到SLM快速 成形機。
(2) 對SLM快速成形機的成形室抽真空。
(3) 送粉機構在工作平臺上平鋪一層厚度為60um，粒徑為20um的 304不鏽鋼粉末。
(4) 採用雷射功率大於等於100W的半導體泵浦YAG雷射器、光纖 雷射器或C02雷射器，雷射光斑為30um，掃描間距為0.06mm，掃描速 度為100mm/s，對該層切片處的金屬粉末進行掃描，以熔化切片處的粉末 材料，使之相對密度大於95%。對位於該層內部的金屬粉末可以採用兩種
方式進行處理， 一種是不進行雷射掃描，為未熔化的松裝粉末；另一種是
採用相同工藝參數的雷射束，掃描成間距為2mm的網狀結構，內部的相對 密度為60%左右，如附圖3內部網狀線即為雷射掃描部分。由於葉片很薄， 所以葉片部分都燒結成緻密體，而中心中空柱體部分則只燒結外殼部分， 利用雷射燒結的外殼部分均由三維模型的STL文件控制。
(5)重複上述步驟(3) (4)，直至製成一個完整的、相對密度大 於95 %的封閉殼體且內部相對密度約為60%金屬粉末的SLM製件。
該方法製成的金屬包套和內部粉末是同一種材料，熱等靜壓後即得到 最終所需的零件，無需去除包套。
實例2:
(1) 首先根據SLM製件經過熱等靜壓後可能出現的變形情況，採用 三維造型軟體(如UG、 Pro/E等)設計出金屬包套熱等靜壓前的CAD三維 模型，該模型為帶開口的殼體，包套上預留一個l 2mm的進粉孔，如附 圖2即為帶進粉口的葉輪包套三維模型，然後由切片軟體處理後保存為STL 文件，將STL文件的數據信息輸送到SLM快速成形機。
(2) 對SLM快速成形機的成形室抽真空。
(3 )送粉機構在工作平臺上平鋪一層厚度為60 P m，粒徑為20 " m的 45號鋼粉末。
(4) 採用雷射功率大於等於100W的半導體泵浦YAG雷射器、光纖 雷射器或C02雷射器，雷射光斑為30nm，掃描間距為0.06mm，掃描速 度為100mm/s,對該層切片處的金屬粉末進行掃描，以熔化切片處的粉末 材料，使之相對密度大於95°%。
(5) 外殼包套製作完成後，通過進粉口將內部粉末清出。然後利用Tig 焊(Tungsten Inert Gas，惰性氣體鎢極保護焊)在頂部預留進粉孔處焊接上 一根相同直徑的45號鋼鋼管。利用電火花或氦質譜檢漏儀等檢漏設備檢漏，
確保焊縫處是密封的，以保證後續抽真空工藝的順利進行。
(6) 通過鋼管向包套內部充填所要成形的金屬粉末(如Ti粉)，粉末 平均粒度為50!im，有差別的粉末粒度更能提高粉末的緻密度。同時，振 動以震實粉末，直到不能繼續充填為止，內部粉末的緻密度可以達到70% 左右。
(7) 利用高度真空泵通過鋼管對包套內部進行抽真空處理，在鋼管和 真空泵連接處設置過濾篩網，以防止粉末被抽進真空泵內。開始的抽氣速 度要緩慢一點，防止氣流擾動粉末顆粒，當真空度低於lX10"Pa的時候， 加熱鋼管，邊抽真空邊封口，從而保證包套內部最終的真空度達到1X 10-3Pa。
由於鋼管孔徑很小，對大包套整體帶來的影響很小，故可以準確成形 包套。包套需要利用酸蝕等方法去除，熱等靜壓後的零件只需進行簡單的 機加工即可。
圖1為根據所要製作零件的最終尺寸，考慮熱等靜壓後的尺寸收縮設 計的葉輪包套三維模型圖。該葉輪模型為中空殼體，設計的殼體厚度即為 在SLM快速成形機上用雷射進行掃描熔化的區域，內部的中空部分為松裝 的金屬粉末。圖2為設計帶有進粉孔的葉輪包套三維模型圖，待外殼包套 製作完成後，可以通過該進粉孔進行後續的抽真空處理等。圖3為利用SLM 製作葉輪殼體過程中，某一層切片平面的形狀，除內部網格和中心中空部 分外，其他部分均為雷射掃描熔化所得的緻密殼體，內部網格部分採用相 同參數的雷射掃描，以提高內部松裝粉末的緻密度。
權利要求
1、一種熱等靜壓金屬包套的整體快速製造方法，其步驟包括(1)採用三維造型軟體設計出金屬包套的CAD三維模型，然後由切片軟體處理後保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸送到選擇性雷射熔化快速成形機；(2)對選擇性雷射熔化快速成形機的成形室抽真空；(3)在工作平臺上平鋪一層的金屬粉末，金屬粉末的厚度為0.02—0.1mm，粒徑為10—60μm；(4)採用雷射功率大於等於100W的半導體泵浦YAG雷射器、光纖雷射器或CO2雷射器，雷射光斑為10—250μm，掃描速度為30—200mm/s，掃描間距為0.03—0.07mm，對該層切片處的金屬粉末進行掃描，熔化切片處的粉末材料；(5)重複上述步驟(3)～(4)，直至製成金屬包套。
2、 根據權利要求1所述的快速製造方法，其特徵在於步驟(4)與步 驟(5)之間，進行下述處理雷射器對切片邊界內的金屬粉末沿著網狀軌跡選擇性掃描成網狀結構。
3、 根據權利要求1所述的快速製造方法，其特徵在於在三維模型制 作時，在金屬包套上預留進粉孔，以便進行後續的充填粉末、震實、抽真 空和封裝等工藝。
4、 根據權利要求1所述的快速製造方法，其特徵在於粉末成形材料廣泛，只要能夠製成滿足SLM成形要求的金屬粉末，均可以利用SLM成 形。
全文摘要
本發明公開了一種熱等靜壓金屬包套的整體快速製造方法，其步驟為①採用三維造型軟體設計出金屬包套的CAD三維模型，然後由切片軟體處理後保存為STL文件，將STL文件的數據信息輸送到SLM快速成形機；②對成形室抽真空；③在工作平臺上平鋪一層金屬粉末；④採用半導體泵浦YAG雷射器或光纖雷射器，對位於該層切片邊界處的金屬粉末進行掃描，熔化邊界處的粉末材料；⑤重複上述步驟③～④，直至製成緻密的包套。在包套三維模型設計時，可在包套上預留進粉孔，以便進行後續的粉末充填、震實、抽真空和封裝等工藝。本發明製得的包套是緻密的，包套形狀是可控制的，可以成形任意複雜形狀結構的零件，並且實現了材料高利用率。
文檔編號B22F3/105GK101391302SQ200810197228
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月10日 優先權日2008年10月10日
發明者潔 劉, 史玉升, 曲兵兵, 杜豔迎, 魏青松 申請人:華中科技大學