[发明专利]一种基于增材制造的热等静压成形方法

说明书

本发明属于先进制造领域，并具体公开了一种基于增材制造的热等静压成形方法，该方法基于增材制造的思想采用层状结构材料代替粉末状材料作为热等静压成形的原材料，并通过利用支撑材料及两次热等静压处理实现待成形零件的热等静压成形。该方法摒弃了热等静压工艺中惯常用的粉末材料，而由层状材料代替，从根本上解决了复杂包套和内部控形型芯难加工难除去、热等静压过程中粉末致密化过程复杂计算机模拟难以实现精准控形、制件中粉末颗粒边界难消除疲劳性能低等诸多问题，具有成形可控、操作便利等优点，适用于具有复杂内部结构零件例如机匣、齿轮、涡轮等零件的快速高精度成形。

技术领域

本发明属于先进制造领域，更具体地，涉及一种基于增材制造的热等静压成形方法。

背景技术

热等静压工艺是一种以氮气或氩气等惰性气体为压力传递介质，将制件放置于密闭的容器之中，在0-2000℃温度和50-200MPa压力的共同作用下，向制件施加各向同等的压力。该技术可用作使粉末直接加热加压烧结成形的粉末冶金工艺。近些年来，该项技术与模具控形技术和计算机模拟相结合，使得松散的粉末在压力和温度的驱动下，实现粉末致密的同时完成目标件的整体近净成形。目前，因该工艺成形的零件组织均匀，同时力学性能与同材质锻件相当，而被广泛应用于高性能难加工零件的成形之中，尤其是航空航天关键零件的制造。

虽然粉末热等静压技术在整体近净成形上有较大优势，但是对于具有复杂内部结构的零件(如航空航天发动机中的机匣、涡轮类等)上还是存在一定技术瓶颈和加工难点，具体如下：

1)外部复杂包套和内部控形型芯难加工、难除去。对于具有复杂内部结构的机匣、涡轮类等零件，往往利用机加工、冲压、精密铸造和整体焊接工艺等多步成形方法制作热等静压外部包套和内部控形型芯，过程繁琐，对复杂结构甚至无法制造，成为制约该工艺大范围应用的瓶颈之一。同时，难以采用常规的机加工方法去除不规则的外部包套和复杂的内部控形型芯，往往只能通过酸腐蚀的方法去除，酸腐蚀除去效率低，而且对环境污染极大，同时存在将成形件腐蚀掉的风险。

2)热等静压过程中粉末致密化过程复杂，计算机模拟难以实现精准控形。在HIP成形过程中，粉末会发生30-40％的体积收缩，包套受压发生较大体积和不规则形变。目前，仍缺乏成熟的可描述粉末HIP致密化和形变行为，以及粉末与包套和型芯间的相互作用的数学模型。因此，导致计算机仅仅只能模拟出包套变形趋势，难以精确确保最终成形性尺寸精度。

3)制件中的粉末颗粒边界难消除，疲劳性能低。采用粉末热等静压成形的制件微观组织中能明显地观察到粉末与粉末搭接处的原始粉末颗粒边，这种冶金上的缺陷对制件常温拉伸性能影响不大，但在疲劳实验中，往往是疲劳源萌生点，而且对制件疲劳性能有很大的危害。

从上述热等静压技术瓶颈和加工难点中可以看出，粉末状材料是造成这些问题的根本原因。因此，本领域亟需研究设计一种新型的热等静压新方法，以从根本上克服热等静压成形复杂零件时存在的技术瓶颈问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于增材制造的热等静压成形方法，该方法融入了增材制造的思想，提出采用层状材料为热等静压成形材料，通过将层状材料的层层累积并利用热等静压工艺实现复杂零件的成形与制造，该方法不仅可以确保零件的形状精度和尺寸精度，还无需复杂包套和控形型芯，通过支撑层的引入简化包套结构，并可实现包套的快速去除，适用于制备具有复杂内部结构的零件。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于增材制造的热等静压成形方法，该方法基于增材制造的思想采用层状结构材料代替粉末状材料作为热等静压成形的原材料，并通过利用支撑材料及两次热等静压处理实现待成形零件的热等静压成形。