本發(fā)明屬于熱等靜壓成形領(lǐng)域，更具體地，涉及一種粉末近熔融態(tài)熱等靜壓凈成形方法，其能夠避免復(fù)雜結(jié)構(gòu)尤其是狹長薄壁結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)熱等靜壓成形方法中的低致密度現(xiàn)象，零件內(nèi)部不存在孔松缺陷，提高最終制件的綜合性能。

背景技術(shù)：

航天發(fā)動機的工作葉片、渦輪盤、燃燒室，導(dǎo)彈進(jìn)氣筒等關(guān)鍵部位對材料的要求極為苛刻，它不但要求具有良好的高溫抗氧化和抗腐蝕能力，同時還要求具有較高的高溫強度、蠕變強度以及良好的疲勞性能。高溫合金因其具有良好的綜合性能而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。鎳基合金具有良好抗熱疲勞性、熱膨脹系數(shù)低、彈性模量高等特點，同時具有良好的高溫抗氧化性和抗腐蝕能力，鎳基高溫合金一般在600℃以上并承受一定的應(yīng)力條件下工作，廣泛的應(yīng)用于航空航天發(fā)動機和工業(yè)燃?xì)鉁u輪等熱端部件；鈦合金具有比強度高，高熱強性和高持久強度，在震動載荷以及沖擊載荷作用下裂紋的敏感性低，并且具有良好的抗腐蝕性，因此在航空航天發(fā)動機以及殼體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)彈等中應(yīng)用較為廣泛。

但是航空航天發(fā)動機零部件、導(dǎo)彈零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相比于普通的零件，成形非常困難。傳統(tǒng)的材料成形方法如鑄造，鍛造，機加工等都存在相應(yīng)的缺陷：鑄造整體成形性較好，并有效地提高材料利用率，但因零件偏析嚴(yán)重，零件孔松缺陷多，力學(xué)性能差，同時對于薄壁復(fù)雜的大型零件成形性一般；模鍛可有效地克服鑄件性能差的缺陷，但因高溫合金的變形抗力大，需要昂貴的精密模具，大功率的鍛壓設(shè)備，工藝十分難以控制；機加工可以成形出較復(fù)雜的零件結(jié)構(gòu)，但鎳基高溫合金硬度高，切削難度大，并會浪費掉大量的貴重合金材料，同時受限于機床刀具的運動路徑，對存在壁薄、剛性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、圓弧轉(zhuǎn)接多等特點的零件整體成形較為困難。

目前，采用粉末熱等靜壓技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜鈦合金、鎳基高溫合金零件的整體成形技術(shù)，在高溫高壓同時作用下，通過包套介質(zhì)傳遞溫度和壓力，使包套內(nèi)粉末材料變形、致密并固結(jié)。使用熱等靜壓成形零件具有宏觀偏析小、力學(xué)性能好、材料利用率高和成形工藝周期短的優(yōu)勢。

現(xiàn)有的熱等靜壓技術(shù)利用高溫高壓作用下的包套變形驅(qū)使包套內(nèi)部粉體運動，從而使零件致密化，然而，進(jìn)一步的研究表明，現(xiàn)有技術(shù)的控形型芯大多采用碳鋼材料，而碳鋼材料在高溫高壓的作用下容易發(fā)生變形，控形精度較差，同時由于包套不同位置的剛度不同，在壓力作用下的變形難以預(yù)測和控制，包套不同位置的變形程度存在較大的差異，這樣就導(dǎo)致零件不同位置在包套驅(qū)使下粉末的致密化程度不同，通常為了保證零件成形質(zhì)量，確保零件全局致密化均勻，傳統(tǒng)的熱等靜壓大多會留有較多的加工余量，這就造成了不必要的粉末浪費；而且采用傳統(tǒng)的熱等靜壓工藝成形復(fù)雜零件時，常常因零件復(fù)雜使得等靜壓過程中零件拐角、狹長流道等關(guān)鍵位置的粉末因流動困難，降低了制件關(guān)鍵位置的力學(xué)性能，降低了熱等靜壓零件的整體性能。

基于以上技術(shù)缺陷，本領(lǐng)域亟需對現(xiàn)有的熱等靜壓技術(shù)做出進(jìn)一步的完善和改進(jìn)，以便滿足復(fù)雜零件制備時的要求，提高熱等靜壓過程中粉末的充填性能，減小并分散成型過程中因粉末顆粒塑性變形導(dǎo)致的應(yīng)力集中，避免了傳統(tǒng)方法在成形零件中形成的低致密度區(qū)域，提高最終成形零件的性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于粉末近熔融態(tài)的熱等靜壓凈成形方法，該方法區(qū)別于傳統(tǒng)方法的粉末顆粒態(tài)熱等靜壓工藝，傳統(tǒng)方法依靠包套變形驅(qū)動包套內(nèi)部粉末致密化進(jìn)程，而本發(fā)明基于粉末近熔融態(tài)熱等靜壓凈成形方法在傳統(tǒng)的熱等靜壓工藝中創(chuàng)新性的引入了粉缸，通過位于粉缸的高溫近熔融態(tài)粉末在壓力的作用下填充零件空隙，從而達(dá)到凈成形復(fù)雜零件的效果，粉末利用效率大大提高，近熔融態(tài)粉末的高流動性可以提高熱等靜壓過程中粉末的充填性能，在高溫高壓的作用下近熔融態(tài)粉末顆粒處于完全的塑性變形狀態(tài)，減小并分散了成型過程中因粉末顆粒塑性變形導(dǎo)致的應(yīng)力集中。近熔融態(tài)的粉末顆粒呈軟化狀態(tài)，流動性更好，對于薄壁零件的復(fù)雜難成形部位具有良好的填充效果，避免了傳統(tǒng)方法在成形零件中形成的低致密度區(qū)域，同時粉末由于高溫作用處于近熔融狀態(tài)，粉末表面的夾雜物擴散充分，能有效降低粉末熱等靜壓過程中顆粒與顆粒接觸面處的PPB問題，粉末流動填充更均勻，成形效果更好，最終使得零件致密化提高性能增強，因而適用于難以致密化的復(fù)雜零件的熱等靜壓成形。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種基于粉末近熔融態(tài)的熱等靜壓凈成形方法，其特征在于，包括如下步驟：

(a)根據(jù)待熱等靜壓成形零件的形狀和尺寸，設(shè)計出熱等靜壓成形用模具的三維模型，所述熱等靜壓成形用模具包括包套、控形型芯以及設(shè)置在包套和控形型芯之間的粉缸；

(b)根據(jù)熱等靜壓的粉末材料的特性選擇制作熱等靜壓成形用模具的材料，并依據(jù)設(shè)計的三維模型制作出熱等靜壓成形用模具；

(c)制作出熱等靜壓成形用模具后，將所述控形型芯固定在包套中，往所述包套的粉缸內(nèi)填充高溫近熔融態(tài)的粉末，并對該包套施加壓力，使粉缸內(nèi)的粉末在壓力的作用下填充零件空隙，然后將其震動搖實；

(d)對所述包套進(jìn)行抽氣處理，同時對其進(jìn)行加熱處理，以排除粉末顆粒間的殘存氣體，待包套中的真空度達(dá)到一定程度后進(jìn)行封焊處理；

(e)采用制定的熱等靜壓工藝對所述包套進(jìn)行熱等靜壓處理，在處理過程中，粉缸中的近熔融態(tài)粉末在壓力作用下驅(qū)動零件空腔中粉末緊實致密化；

(f)待熱等靜壓成形處理完成后，采用機械加工法或化學(xué)腐蝕法去除包套及控形型芯，得到熱等靜壓成形零件壓坯，去除加工余量部分，并對該熱等靜壓成形零件壓坯的外表面進(jìn)行精加工，獲得最終的熱等靜壓成形零件。

進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟(a)中，在所述包套和控形型芯之間還設(shè)置有定位環(huán)，防止控形型芯移動，進(jìn)而保證成形零件的質(zhì)量性能。

進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟(b)中，所述熱等靜壓的粉末為IN718合金粉末或TC4合金粉末；所述包套材料選擇高熔點的合金，所述控形型芯和定位環(huán)選用高溫下變形極小的石墨或者陶瓷。采用上述材料來制備熱等靜壓成形用模具，能夠防止在加熱加壓過程中模具產(chǎn)生變形，進(jìn)而影響最終成形零件的質(zhì)量。

優(yōu)選地，步驟(d)中所述包套達(dá)到的真空度范圍為10^-3-10^-4，所述加熱處理的加熱溫度范圍為400℃-650℃。較多的測試結(jié)果表明，上述真空度和加熱溫度下的熔融態(tài)粉末中殘存的氣體少，最終成形零件質(zhì)量高。

優(yōu)選地，步驟(e)中，熱等靜壓處理時對包套進(jìn)行加熱處理和加壓處理，所述加熱處理的加熱溫度為粉末熔點的0.8-0.9倍之間，以確保粉末處于近熔融態(tài)，加壓處理的壓力范圍為80MPa-120MPa。

優(yōu)選地，步驟(e)中，熱等靜壓處理時升溫升壓時間為3小時，保溫保壓時間為4小時。

較多的測試結(jié)果表明，上述條件下進(jìn)行熱等靜壓處理，能夠保證粉末處于近熔融態(tài)，其具有高流動性高軟化度的特點，致使其在復(fù)雜薄壁零部件中的流動充填性能更好，同時近熔融態(tài)粉末顆粒處于完全的塑性變形狀態(tài)，能夠有效減小并分散了成型過程中因粉末顆粒塑性變形導(dǎo)致的應(yīng)力集中，同時粉末由于高溫作用處于近熔融狀態(tài)，粉末表面的夾雜物擴散充分，能有效降低粉末熱等靜壓過程中顆粒與顆粒接觸面處的PPB問題，粉末流動填充更均勻，增加了粉末局部難致密部位的相對密度，成形效果更好，最終使得零件致密化提高性能增強。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點：

(1)本發(fā)明在傳統(tǒng)的粉末顆粒體熱等靜壓工藝中引入了近熔融態(tài)粉末熱等靜壓凈成型技術(shù)，采用粉缸來幫助填充高溫近熔融態(tài)的粉末，提供了全新的粉末熱等靜壓成形過程中零件致密化方式。本發(fā)明區(qū)別于傳統(tǒng)方法的粉末顆粒態(tài)熱等靜壓工藝，傳統(tǒng)方法依靠包套變形驅(qū)動包套內(nèi)部粉末致密化進(jìn)程，而本發(fā)明基于粉末近熔融態(tài)熱等靜壓凈成形方法在傳統(tǒng)的熱等靜壓工藝中創(chuàng)新性的引入了粉缸，通過位于粉缸的高溫近熔融態(tài)粉末在壓力的作用下填充零件空隙，在高溫高壓達(dá)到凈成形復(fù)雜零件的效果，粉末利用效率大大提高，后續(xù)加工程序少。

(2)本發(fā)明采用近熔融態(tài)的粉末理論，并在熱等靜壓處理過程中采用了特殊的參數(shù)范圍，使熱等靜壓過程中粉末體的流動性、充填性大大增加，有效提高了成形零件薄壁、復(fù)雜部位的致密度；由于近熔融態(tài)的粉末已經(jīng)完全處于軟化狀態(tài)，粉末顆粒體塑性變形容易，避免了零件狹長流道部位粉末因大變形而導(dǎo)致的應(yīng)力集中，提高了最終制件的綜合性能。傳統(tǒng)熱等靜壓在成形復(fù)雜零件時，為保證局部粉末難流動部位的粉末相對密度往往必須將壓力取得很大(120MPa以上)，而基于近熔融態(tài)粉末熱等靜壓技術(shù)，粉末體流動性變高，充填性能好，該方法可在保證局部相對密度的情況下有效降低壓力。在近熔融態(tài)粉末熱等靜壓工藝中，粉末由于高溫作用處于近熔融狀態(tài)，粉末表面的夾雜物擴散充分，能有效降低粉末熱等靜壓過程中顆粒與顆粒接觸面處的PPB問題，避免了因表面夾雜物而導(dǎo)致的成形零件局部出現(xiàn)的裂紋情況。

(3)本發(fā)明的粉末近熔融態(tài)熱等靜壓成形方法只需采用簡單的幾個步驟就可以得到高質(zhì)量的成形零件，且該方法在現(xiàn)有模具的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，能夠有效地降低模具成本，由于減少了粉末的浪費，還具備成本低廉的優(yōu)點，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

附圖說明

圖1a為成形復(fù)雜零件的包套、控形型芯、粉末填充裝配圖。

圖1b為成形的復(fù)雜零件示意圖。

圖2a為本發(fā)明用于整體制備復(fù)雜中介機匣零件的模具裝備示意圖；

圖2b為本發(fā)明用于整體制備復(fù)雜中介機匣零件的模具制作的成形后的零件；

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

A-粉缸，B-定位環(huán)，D-成形的復(fù)雜零件，C-包套，E-控形型芯，A’-粉缸，B’-控形型芯，C’-包套，D’-成形的中介機匣零件。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

一種基于粉末近熔融態(tài)的熱等靜壓凈成形方法，其特征在于，包括如下步驟：

(a)根據(jù)待熱等靜壓成形零件的形狀和尺寸，設(shè)計出熱等靜壓成形用模具的三維模型，所述熱等靜壓成形用模具包括包套、控形型芯以及設(shè)置在包套和控形型芯之間的粉缸；

(b)根據(jù)熱等靜壓的粉末材料的特性選擇制作熱等靜壓成形用模具的材料，并依據(jù)設(shè)計的三維模型制作出熱等靜壓成形用模具；

(c)制作出熱等靜壓成形用模具后，將所述控形型芯固定在包套中，往所述包套的粉缸內(nèi)填充高溫近熔融態(tài)的粉末，并對該包套施加壓力，使粉缸內(nèi)的粉末在壓力的作用下填充零件空隙，然后將其震動搖實；

(d)對所述包套進(jìn)行抽氣處理，同時對其進(jìn)行加熱處理，以排除粉末顆粒間的殘存氣體，待包套中的真空度達(dá)到一定程度后進(jìn)行封焊處理；

(e)采用制定的熱等靜壓工藝對所述包套進(jìn)行熱等靜壓處理，在處理過程中，粉缸中的近熔融態(tài)粉末在壓力作用下驅(qū)動零件空腔中粉末緊實致密化；

(f)待熱等靜壓成形處理完成后，采用機械加工法或化學(xué)腐蝕法去除包套及控形型芯，得到熱等靜壓成形零件壓坯，去除加工余量部分，并對該熱等靜壓成形零件壓坯的外表面進(jìn)行精加工，獲得最終的熱等靜壓成形零件。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，步驟(a)中，在包套和控形型芯之間還設(shè)置有定位環(huán)，防止控形型芯移動，進(jìn)而保證成形零件的質(zhì)量性能。

在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，步驟(b)中，所述熱等靜壓的粉末為IN718合金粉末或TC4合金粉末；所述包套材料選擇高熔點的合金(如45鋼、鈦合金等)，所述控形型芯和定位環(huán)選用高溫下變形極小的石墨或者陶瓷。

在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，步驟(d)中所述包套達(dá)到的真空度范圍為10^-3-10^-4，所述加熱處理的加熱溫度范圍為400℃-650℃

在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，步驟(e)中，熱等靜壓處理時對包套進(jìn)行加熱處理和加壓處理，所述加熱處理的加熱溫度為粉末熔點的0.8-0.9倍之間(如TC4粉末在1300度左右，鎳基高溫合金在1100度左右等)，以確保粉末處于近熔融態(tài)，加壓處理的壓力范圍為80MPa-120MPa。

在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，步驟(e)中，熱等靜壓處理時升溫升壓時間為3小時，保溫保壓時間為4小時。

本發(fā)明針對傳統(tǒng)熱等靜壓工藝對成形零件薄壁復(fù)雜部位難致密的缺陷，引入粉末近熔融態(tài)熱等靜壓凈成形方法。近熔融態(tài)粉末因其高流動性高軟化度的特點，致使其在復(fù)雜薄壁零部件中的流動充填性能更好，同時近熔融態(tài)粉末顆粒處于完全的塑性變形狀態(tài)，能夠有效減小并分散了成型過程中因粉末顆粒塑性變形導(dǎo)致的應(yīng)力集中，同時粉末由于高溫作用處于近熔融狀態(tài)，粉末表面的夾雜物擴散充分，能有效降低粉末熱等靜壓過程中顆粒與顆粒接觸面處的PPB問題，粉末流動填充更均勻，增加了粉末局部難致密部位的相對密度，成形效果更好，最終使得零件致密化提高性能增強，因而適用于難以致密化的復(fù)雜零件的熱等靜壓成形。傳統(tǒng)的熱等靜壓成形工藝，在高溫高壓作用下依靠包套變形驅(qū)動包套內(nèi)部粉末致密化進(jìn)程，由于包套變形的不可預(yù)測性，通常會給成形零件留有足夠的加工余量以確保成形零件的尺寸精度，而基于粉末近熔融態(tài)熱等靜壓凈成形理論創(chuàng)新性的引入了粉缸的概念，通過位于粉缸的高溫近熔融態(tài)粉末在壓力的作用下填充零件空隙，而不是單純的依靠包套的變形來控制零件空腔粉體的運動，類似于液態(tài)成形，能達(dá)到凈成形復(fù)雜零件的效果，粉末利用效率大大提高。

為更好地解釋本發(fā)明的技術(shù)方案，以下給出兩個具體實施例：

實施例1

圖1a和圖1b為本發(fā)明用于成形某復(fù)雜零件的示意圖，其中圖1a為成形該零件的包套、型芯、粉末填充裝配圖，圖1b為成形的復(fù)雜零件示意圖。如圖1所示的薄壁復(fù)雜零件的實例，采用本發(fā)明的基于粉末近熔融態(tài)的熱等靜壓凈成形方法，其包括如下步驟：

(1)該零件左右兩側(cè)各存在2個厚度只有5mm的耳狀突起，在傳統(tǒng)的粉末熱等靜壓過程中，受限于粉末體的流動性，同時由于零件整體復(fù)雜程度較高，導(dǎo)致耳狀突起部位的致密度較差，為此，基于近熔融態(tài)粉末熱等靜壓凈成形理論，設(shè)計了如下的熱等靜壓成形工藝。其中定位環(huán)B、包套C以及控形型芯E。如圖1a所示，其中包套選用不銹鋼材料，包套的壁厚為5mm，定位環(huán)和控形型芯選用高強度的石墨材料，粉末選用TC4。考慮到粉末在局部位置的低填充性，對稱的設(shè)計了圖中A區(qū)域的粉缸部分，熱等靜壓過程中粉缸中的粉體在上表面包套變形的驅(qū)動下，將近熔融態(tài)粉體壓入到零件的空腔中；

(2)將所述控形型芯、定位環(huán)固定在所述包套中，并將下端蓋和上端蓋焊接到包套上，在組裝好的包套與控形型芯間隙處填充好粉末材料，并振實。，對焊接好的包套進(jìn)行抽氣處理，在抽氣的同時對包套進(jìn)行加熱處理，加熱溫度為400℃-650℃，以盡可能排除粉末顆粒間的殘存的氣體，待真空度達(dá)到一定程度后(真空度為10-3-10-4時)對抽氣管進(jìn)行封焊，然后進(jìn)行檢漏，若存在漏氣現(xiàn)象則需重新封焊，至不漏氣為止；

(3)依據(jù)成形的TC4粉末的熱物理性質(zhì)，選取熱等靜壓的工藝參數(shù)，其中加熱溫度控制在TC4粉體熔點0.8-0.9倍之間，由于TC4的熔點為1668℃，因此所選用的保溫溫度為1300℃，壓力100MPa，升溫升壓時間和降溫降壓時間為3小時，保溫保壓4小時；

(4)待熱等靜壓成形處理完成后，線切割切掉外圍多余部位材料，剩余部分和型芯一起利用電化學(xué)腐蝕方法進(jìn)行去除，精加工外表面得到最終制件。

實施例2

圖2a和圖2b為本發(fā)明用于整體制備復(fù)雜中介機匣零件的模具裝備示意圖及成形后的復(fù)雜中介機匣零件；如圖2a和圖2b所示的整體制造發(fā)動機中介機匣的實例，采用本發(fā)明的基于粉末近熔融態(tài)的熱等靜壓凈成形方法，其包括如下步驟：

(1)圖2b為中介機匣的截面圖，該機匣的高度為160mm，凸起部分的厚度為4mm，機匣壁厚最薄的地方只有3mm，根據(jù)中介機匣零件的尺寸和材料，設(shè)計不銹鋼圓筒包套C和控形型芯B，包套C直徑為60mm，高為200mm，由于中介機匣整體成形，同時存在大量薄壁區(qū)域，尺寸精度要求高，控形型芯B選用高強度石墨材料，粉缸A中填充的粉末材料選擇鎳基高溫合金IN718；

(2)將所述控形型芯固定在所述包套中，然后往包套內(nèi)填充粉末，并震動搖實；對所述包套進(jìn)行抽氣處理，同時對其進(jìn)行加熱處理，以排除粉末顆粒間的殘存氣體，待包套中真空度達(dá)到一定程度后進(jìn)行封焊處理；

(3)依據(jù)熱等靜壓用材料的熱物理性質(zhì)，確定熱等靜壓工藝參數(shù)，由于所填充的粉末為鎳基高溫合金IN718，其熔點在1260℃-1320℃之間，選取的加熱溫度控制在粉末體的熔點的0.8-0.9倍，此實例選擇為1100℃，壓力選為100MPa，升溫升壓時間和降溫降壓時間為3小時，保溫保壓4小時；

(4)待熱等靜壓成形處理完成后，去除熱等靜壓成形模具以獲得熱等靜壓成形零件壓坯，可采用線切割或者化學(xué)腐蝕等方式去除，機加工切除加工過程留有的余量部分，精加工壓坯得到所需的熱等靜壓成形零件。

綜上，本發(fā)明的方法可提高熱等靜壓制件的相對密度，特別是復(fù)雜零部件的難致密部位，該方法可在降低熱等靜壓壓力的情況下提高復(fù)雜零部件的相對密度，進(jìn)而提高零件性能，尤其適用于內(nèi)腔復(fù)雜流道狹長的零件致密化成形。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。