[发明专利]一种半固态复杂难加工致密件热等静压近净成形方法

说明书

技术领域

本发明属于先进制造领域，具体涉及一种半固态复杂难加工致密件热 等静压近净成形方法，用于热等静压成形材料难加工且形状复杂的零件， 该方法尤其适用制造航空航天具有复杂结构的零件。

技术背景

镍基和钛基合金因其具有良好的综合性能而广泛应用于航空航天。镍 基合金具有良好抗热疲劳性、热膨胀系数低、弹性模量高等特点，被广泛 应用与航空航天发动机和工业燃气轮机涡轮等热端部件；钛合金具有比强 度高，高的热强性和持久强度，在振动载荷及冲击载荷作用下裂纹扩展敏 感性低，并且有良好的抗腐蚀性，因此在航空航天发动机及壳体结构中优 先采用高强度的钛合金。然而，由于镍基和钛基合金熔点高、强度大等特 点，用常规(铸造、锻造、机加工)方法往往难以成形。铸造容易出现成 分偏析、组织粗大等缺陷，从而降低零件性能，使零件无法满足航空航天 特殊工作环境；锻造能加工出较好性能的零件，但对于结构复杂的零件难 以加工甚至无法加工；采用机加工方法，不但制造困难而且会浪费掉大量 的贵重材料，制造成本高，而且复杂结构甚至无法制造。利用热等静压方 法可整体成形复杂零件，而且具有良好的综合机械性能。

目前热等静压广泛应用致密化处理闭合材料内部空隙和疏松等缺陷。 近些年来，不少学者致力于热等静压粉末近净成形研究，热等静压粉末近 净成形工艺结合了粉末冶金技术与现代模具技术，在利用高温和高压对粉 末材料进行完全致密化的同时，可整体近净成形出性能达同质锻件水平的 复杂零件，不仅可以克服难加工的难题，而且还可以大幅度提高贵重材料 的利用率，从而降低零件的制造成本。

然而，热等静压粉末近净成形技术也存在一定缺陷。在复杂结构以及 长直结构零件成形过程中，粉末在包套变形的驱动力下较难达到致密，容 易产生孔隙，使零件性能达不到要求。倘若加大压力来增加驱动力，可能 会使包套变形过大而开裂。所以，在热等静压成形零件中，结构复杂件和 长直件存在孔隙缺陷。另外，由于粉末表面存在一定量的氧化物和有机物 杂质，会导致粉末颗粒边界相互发生冶金结合时，出现组织粗大、成分偏 析、结合不牢靠等缺陷，而且粉末相互接触的颗粒边界往往是裂纹源萌生 点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热等静压近净成形出具有复杂形状致密件 的方法，该方法不仅可以保证零件的形状精度和尺寸精度，并保证零件具 有组织细小均匀、高的致密度以及优良的综合力学性能。

本发明提供的一种半固态复杂难加工致密件热等静压近净成形的方 法，该方法采用半固态材料为成形材料、石墨作为内部控形型芯以及热等 静压温度选择为固液两相区间温度，在温度和压力的耦合下直接成形具有 复杂形状的致密件。

本发明采用半固态材料代替传统的粉末材料，半固态材料不仅组织细 小均匀，而且还能有效避免由于传统方法中粉末表面污染物而造成的性能 缺陷；石墨作为控形型芯，其强度几乎不受温度的影响，在高温下高压能 有效保证零件的成形精度；温度选择为固液两相区间温度，在高温下母材 出现固液共存，呈现黏性流体特征，在微小的外力作用下即可很容易变形 流动，有利于母材材料对复杂型芯的填充。

针对现有热等静压制造方法中存在的问题，本发明提供了一种复杂难 加工致密件热等静压近净成形的方法，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用半固态材料为成形材料取代传统热等静压用粉末材 料为成形材料。粉末材料表面会形成一层金属氧化层和有机污染层，在热 等静压成形致密体的过程中，这些粉末表面污染层直接影响粉末与粉末之 间的相互扩散、组织大小、冶金强度，并且粉末与粉末的连接处往往是裂 纹源的萌生点，也是影响零件综合性能的直接因素。采用半固态材料作为 成形材料能有效克服粉末材料成形时带来的缺陷，并且半固态材料价格是 粉末材料价格的五分之一到十分之一。

(2)热等静压温度选择为固液两相区间温度，在该温度下包套内出现 固液共存相，由于晶粒间或固相粒子间夹有液相成分，固相粒子几乎没有 结合力，其流动变形抗力很低，有利于母材填充控形型芯中复杂流道。而 且由于固相粒子间几乎无结合力，在特定部位虽然容易分离，但由于液相 成分的存在，又可能很容易地将分离的部位连接成一体化。而传统方法中 选取母材0.6～0.7倍熔点，共温度条件下粉末难以完全填充复杂流道。