連接界面具有梯度漸變結構的同質包套熱等靜壓成形方法與流程
2023-06-23 19:25:56
本發明屬於先進位造領域，具體涉及一種熱等靜壓成形方法，該方法採用連接界面處具有梯度漸變結構的同質包套，來實現複雜高性能零部件的熱等靜壓粉末近淨成形，尤其適用製造航空航天領域具有複雜結構且性能要求高的關鍵零部件。
背景技術：
熱等靜壓粉末近淨成形(NetNearShapeHotIsostaticPressing,NNS-HIP)是利用將高溫(700-2000℃)、高壓(70-200MPa)結合模具控形技術，使氣體介質均勻地作用在控形模具包套上實現粉末的緻密與成形。熱等靜壓粉末近淨成形可實現陶瓷、硬質合金、複合材料、鈦鎳等貴重零件的粉末整體近淨成形，其零件的力學性能與同材質鍛件相當，尺寸精度高，且材料利用率超過90％，幾乎不存在材料浪費。該技術尤為適合應用在對零件性能要求很高的航空航天關鍵零部件的製造。然而，在熱等靜壓近淨成形技術中，包套的設計與製造是關鍵技術之一，且零件越複雜越難製造，所佔成本越高。目前製作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生開裂，同時也能保證粉末的充分緻密，此外軟鋼優異的焊接性能有效能保證焊縫的密封性能。由於HIP工藝往往用來製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包套。目前，複雜形狀的包套通常是採用鑄造、鍛造或機加工等傳統加工方法首先製造出各個部件，然後焊接拼合成整體的多步驟成形。然而，該方法製造複雜形狀包套時，需要使用精密加工設備，生產周期長，製造成本高，去除包套的過程十分繁瑣，更為嚴重的是異質包套會與其接觸的製件表面發生擴散反應，汙染製件，從而影響製件的表面質量與性能。雷射選區熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)是3D列印技術之一，根據三維CAD數據，由計算機控制將材料逐層累加成形製造實體零件，無需刀具、夾具及多道加工工序。該技術每次成形製造二維薄層結構，大大降低了三維複雜結構的成形製造難度，理論上可成形製造任意複雜結構，屬於「自由成形製造」過程。而且零件越複雜，其成形製造的高效率作用越顯著。因此，可以利用SLM製造HIP同質包套(與基體粉材料相同)，克服複雜包套製造難的問題，同時免除異質包套去除的繁瑣過程。但是，由於SLM成形過程具有雷射快熔快冷特徵，因此製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、擴散與蠕變緻密化，並在再結晶機制驅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。
技術實現要素：
本發明目的在於提供一種同質包套熱等靜壓成形方法，該方法通過增強界面處的結合強度以保證最終製件優良的機械性能本發明提供的一種同質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構的同質包套，使得同質包套與粉末間出現梯度漸變且互相交叉嵌合的組織結構的界面，從而增強界面處的結合強度。上述技術方案的改進，其具體實現過程如下：第1步、根據製件形狀結構設計出初始包套模型，模擬預測初始包套在熱等靜壓高溫高壓作用下變形趨勢，並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，得到優化包套模型；第2步、在優化包套模型基礎上，將包套內層設計成梯度多孔結構，然後採用三維造型軟體將同質包套結構轉化成三維CAD模型；第3步、將三維CAD模型轉為STL文件，並將該文件的數據信息輸送到SLM快速成形機；然後，將SLM成形室抽真空，防止同質包套製造的過程中被氧化；第4步、根據同質包套的材料，利用SLM快速成形機製造出同質包套；第5步、往檢漏合格的同質包套內部裝入待成形的合金粉末，並震動搖實；第6步、將上述包套置於加熱爐中，然後在高溫下利用真空設備通過抽真空管對包套內部進行抽真空處理，抽真空完成以後將抽氣管封焊；第7步、對包套進行熱等靜壓處理；第8步、最終製造出製件。兩種形態材料在熱等靜壓高溫高壓作用下最終存在差異，從而導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。針對現有熱等靜壓製造方法中存在的問題，本發明提供了一種連接界面具有梯度漸變結構同質包套的熱等靜壓成形方法，本發明具有以下優點：(1)由於SLM能成形幾乎任何複雜形狀的技術特點，所以極大程度上縮短了傳統工藝中多工序包套製造的流程與周期，同時也克服了傳統方法無法加工特殊與複雜材料包套的技術瓶頸問題。(2)將模擬與同質包套結合實現熱等靜壓無需去掉包套的近淨成形。該方法直接避免了異質包套與粉末間相互擴散汙染零件表面的缺陷，同時縮短了傳統異質包套熱等靜壓後機加工或酸腐蝕的去除工藝。(3)將同質包套內側表面(在熱等靜壓中與粉末相接處的面)設計成多孔梯度漸變結構，使得熱等靜壓後界面呈現梯度變化的組織結構，因此克服了SLM成形的同質包套與HIP緻密體界面組織與性能突變的弊端，使得最終成形出機械性能較優的製件。總之，本發明是熱等靜壓(HIP)/雷射選區熔化(SLM)3D列印複合工藝的成形方法，可以克服傳統異質包套難加工或無法加工的技術瓶頸，縮短包套與熱等靜壓後處理的工序與周期，提升了熱等靜壓粉末近淨成形的應用範圍與前景。附圖說明圖1為同質包套CAD模型優化流程圖；圖2為本發明方法示意圖，其中(a)為SLM成形界面呈現梯度多孔結構的同質包套，(b)為裝滿粉末後的同質包套，(c)為同質包套在熱等靜壓過程中受高溫高壓同時作用，(d)為熱等靜壓後成形件；其中1為同質包套，2為梯度多孔結構，3為粉末，4為熱等靜壓後同質包套與緻密體漸變過度區域。圖3為實例1中製造Ni625渦輪盤零件的同質包套連接界面處梯度多孔漸變結構示意圖。圖4為實例2中製造Ti6Al4V機匣零件的同質包套連接界面處梯度多孔漸變結構示意圖。具體實施方式本發的目的在於提供一種熱等靜壓(HIP)/雷射選區熔化(SLM)複合工藝的成形方法，該方法利用SLM成形出具有梯度漸變結構的同質包套，使得同質包套與粉末間出現梯度漸變，且互相交叉嵌合的組織結構的界面，從而增強界面處的結合強度，在保證最終製件的綜合機械性能的同時減少了包套與熱等靜壓後處理的工序與周期，拓寬了熱等靜壓粉末近淨成形的應用領域與前景。下面結合實例對本發明的具體實施方式作進一步說明。在此需要說明的是，對於這些實施方式的說明用於幫助理解本發明，但並不構成對本發明的限定。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。本發明實例提供的一種連接界面具有梯度漸變結構的同質包套熱等靜壓成形方法，具體包括下述步驟：1、根據製件形狀結構設計出初始包套模型，模擬預測初始包套在熱等靜壓高溫高壓作用下變形趨勢，並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，得到優化包套模型；由於同質包套在熱等靜壓後也是製件的一部分，因此模擬預測熱等靜壓過程中包套的變形量至關重要，其CAD模型優化過程如圖1所示：(1)、首先根據製件CAD模型設計出初始包套CAD模型，然後對初始包套進行模擬，得到熱等靜壓後製件的模擬CAD模型(模擬中需要的本構模型與材料熱物性參數是基於前期基礎實驗室而獲得)；(2)、將製件CAD模型與模擬CAD模型對比，計算出包初始套熱等靜壓中的變形補償量；(3)、利用變形補償量對初始包套CAD模型進行補償，將得到的補償後製件CAD模型進行再次模擬，得到熱等靜壓後製件的再次模擬CAD模型；(4)、若再次模擬CAD模型與初始製件CAD模型尺寸吻合(＞95％)，則將補償後製件CAD模型作為優化包套模型；若不滿足要求，則再次補償、模擬直到滿足要求為止。通常使用Marc、Ansys、Abaqus等模擬軟體，準確、方便、高效。2、在優化包套模型基礎上，將包套內層(與粉末基體材料接觸的面)設計成梯度多孔結構，最後採用三維造型軟體將同質包套結構轉化成的三維CAD模型；梯度多孔結構是根據熱等靜壓過程中使用的粉末大小來設計其多孔大小的變化範圍，通常將孔徑大小設計在150μm至1000μm之間。由於SLM成形的同質包套組織細小，而熱等靜壓成形的緻密件組織相對粗大，所以梯度漸變結構的規律是：(1)由外向裡，連接界面處的孔隙比例是逐漸增大的；(2)梯度多孔結構的總厚度取決於包套設計厚度與製件大小，通常梯度結構總厚度是包套厚度的0.2-0.8倍；(3)根據梯度的類型，可將梯度設計成連續狀(如圖3)與非連續狀(如圖4)，在連續狀梯度結構中孔隙比例連續增加，而在非連續狀梯度結構中孔隙比例非連續增加，通常根據包套厚度與製件大小可將非連續狀梯度結構設計成2-10個梯度等級。3、將設計出來的三維CAD模型由切片軟體處理後保持為STL文件，並將該文件的數據信息輸送到SLM快速成形機。然後，將SLM成形室抽真空，防止同質包套製造的過程中被氧化。同質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、根據同質包套的材料，設置適合該材料SLM成形的工藝參數(掃描功率、掃描速度、鋪粉厚度、掃描間距等)，然後開始鋪粉製作包套，最後製造出同質包套；5、對SLM成形出來的同質包套進行檢漏，在保證包套不漏氣後，往包套內部裝入待成形的合金粉末，並震動搖實；6、將上述包套至於加熱爐中，然後在高溫下利用真空設備通過抽真空管對包套內部進行抽真空處理，抽真空完成以後將抽氣管封焊；加熱溫度為400℃-600℃(優選500℃)，包套內部真空度為10-3-10-4Pa(理論上真空度越高越理想)；7、對包套進行熱等靜壓處理；根據基體材料選擇合適的溫度，通常溫度為基體材料熔點的0.5-0.8倍，壓力為100-200MPa。8、最終製造出製件。實例：實例1：運用本發明來製造Ni625渦輪盤零件為實例。高性能航天發動機的製造是制約我國新一代重載火箭的瓶頸之一。隨著新一代發動機推重比不斷提高，要求其關鍵零件重量更輕、力學性能更高，需採用高性能整體成形技術才能達到這些要求。精密鑄造是目前國內外航天發動機渦輪等關鍵零件的主流製造技術，但鑄件存在組織不均勻、表面質量、內部縮松縮孔和夾雜等突出問題，難以滿足新一代發動機高性能和輕量化的要求。例如，460噸發動機渦輪泵中，核心渦輪零件的線速度高達300m/s，應力水平已經超過鑄件的極限，現有鑄造技術已無法滿足其使用要求。在此背景下，運用本發明製造形狀結構複雜的Ni625渦輪盤零件，具體步驟如下：(1)根據渦輪盤結構設計熱等靜壓成形初始包套，模擬預測初始包套在熱等靜壓高溫高壓作用下變形趨勢，並計算出其變形補償量，從而優化包套設計；(2)在優化後的包套模型基礎上，將包套內表面(與粉末基體材料接觸的面)設計成梯度多孔漸變結構，最後將採用三維造型軟體將同質包套結構轉化成的三維CAD模型。該同質包套梯度多孔漸變結構如圖3所示，孔徑大小變化範圍為：300-600μm；(3)將設計出來的三維CAD模型由切片軟體處理後保持為STL文件，並將該文件的數據信息輸送到SLM快速成形機。然後，將SLM成形室抽真空，防止同質包套製造的過程中被氧化；(4)根據同質包套的三維STL數據，採用雷射功率為400W的光纖雷射器，雷射光斑為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。設置好工藝參數後，開始鋪粉並製造包套；(5)Ni625同質包套加工完成之後，在包套間隙處填滿待成形的Ni625粉末材料，並震動搖實。此時Ni625粉末粒度為80-150μm；(6)將上述包套至於加熱爐中，然後在500℃下利用真空設備通過抽真空管對包套內部進行抽真空處理，當真空度達到10-3Pa後將抽氣管封焊；(7)將裝滿Ni625粉末的同質包套放入熱等靜壓成形室內，熱等靜壓工藝參數為：1100℃、120MPa，同時升溫升壓，保溫保壓3小時；(8)熱等靜壓後，除去抽氣口得到最終Ni625渦輪盤零件；實例2：運用本發明來製造Ti6Al4V機匣零件為實例。隨著新型飛機的推出，對新一代發動機在工作性能指標方面提出了更高的要求。例如，現役市場份額最大的A320/B737等機型醞釀發展第五代發動機，主要技術指標與第四代發動機(如CFM56-5B/-7B)相比：耗油率下降10-15％(達到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％；維護成本降低15-25％；壽命延長25％。這些工作性能的提升導致發動機對高推重比、結構複雜化和高可靠性等需求不斷增大，例如中介機匣服役350℃時的抗拉強度高於原來的指標500MPa，超出了現有鑄件的性能極限，對製造技術提出了更高要求。運用本發明製造滿足新一代發動機要求的Ti6Al4V機匣零件，具體步驟如下：(1)根據機匣結構設計熱等靜壓成形初始包套，模擬預測初始包套在熱等靜壓高溫高壓作用下變形趨勢，並計算出其變形補償量，從而優化包套設計；(2)在優化後的包套模型基礎上，將包套內表面(與粉末基體材料接觸的面)設計成梯度多孔漸變結構，最後將採用三維造型軟體將同質包套結構轉化成的三維CAD模型。該同質包套梯度多孔漸變結構如圖4所示，孔徑分別為300μm、600μm、900μm；(3)將設計出來的三維CAD模型由切片軟體處理後保持為STL文件，並將該文件的數據信息輸送到SLM快速成形機。然後，將SLM成形室抽真空，防止同質包套製造的過程中被氧化；(4)根據同質包套的三維STL數據，採用雷射功率為400W的光纖雷射器，雷射光斑為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。設置好工藝參數後，開始鋪粉並製造包套；(5)Ti6Al4V同質包套加工完成之後，在包套間隙處填滿待成形的Ti6Al4V粉末材料，並震動搖實。此時Ti6Al4V粉末粒度為80-150μm；(6)將上述包套至於加熱爐中，然後在500℃下利用真空設備通過抽真空管對包套內部進行抽真空處理，當真空度達到10-3Pa後將抽氣管封焊；(7)將裝滿Ti6Al4V粉末的同質包套放入熱等靜壓成形室內，熱等靜壓工藝參數為：930℃、120MPa，同時升溫升壓，保溫保壓3小時；(8)熱等靜壓後，除去抽氣口得到最終Ti6Al4V渦輪盤零件；總之，本發明的實質是根據模擬結果，設計出包套結構，並將包套內部與熱等靜壓粉末接觸的面設計成梯度多孔漸變結構。然後，根據包套三維模型採用SLM技術成形出同質包套，最後裝粉、抽氣、焊接、熱等靜壓得到無需除去包套的製件。本發明不僅局限於上述具體實施方式，本領域一般技術人員根據本發明公開的內容，可以採用其它多種具體實施方式實施本發明，因此，凡是採用本發明的設計和思路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本發明保護的範圍。