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热等静压近净成形的模拟研究及实验验证

侯志强  
【摘要】:由于粉末材料的非致密性能以及复杂的热机耦合工况环境,使得最终金属零件与设计的形状和尺寸存在一定偏差,因而精确控形是热等静压近净成形方法实施的关键技术和最大难点之一。数值模拟的方法可以预测热等静压中包套的变形和粉末的致密化过程,为包套形状和尺寸的优化提供依据。 本文采用MSC.Mrac中的Shima模型对热等静压成形过程进行了模拟研究。首先模拟了316不锈钢粉末制作柱状类测试样件的成形过程,结果表明:包套的形变遵循了先体积膨胀后体积收缩的形变过程,包套的轴向收缩达到了7%,中间处径向收缩达到了12%;粉末的致密遵循从外到内,从中间到两端的致密化规律。根据简单包套变形规律,提出了反变形设计方法,并完成了涡轮盘类零件的包套及型芯的结构设计。在Ni625高温合金涡轮盘部件的热等静压成形模拟中,上端盖的最大压缩位移量达到了7.82cm。模拟结果显示,致密度最高可达96.9%,由于型芯处理的非理想性以及材料参数等多方面的影响,密度的分布结果并不是均匀的,甚至存在密度值较低的现象。 为了验证模拟结果,进行了热等静压工艺试验。制作完成了包套零件和抽空管部件,并进行了Ni625合金粉末的形貌参数测试;并对原来的抽真空和剪断工艺进行了改进,在抽真空过程中进行了300℃~400℃的加热除气措施,缩短了除气时间;针对原来的剪断过程中抽空管容易开裂的现象,改进了剪断的工艺操作流程。 在零件制作完成之后,对模拟结果进行了实验验证。通过在变形关键位置选取测试点的方法来验证模拟的精度。在柱状类测试样件的结果中,径向模拟结果偏大1.86%,而轴向模拟结果偏小0.56%;两者变形体积的相互抵消致使致密度模拟误差在4.23%~6.45%左右。涡轮盘部件变形的实验结果与模拟能够较好的吻合,关键位置处的尺寸收缩率在10%以内,变形主要集中在上端盖的向内压缩和侧面包套筒顶端处的径向收缩。经过酸洗及机加工后,得到的涡轮盘部件的致密度在99%以上。型芯结构的存在对包套的变形有一定的影响,并可以很好的约束粉末流动和致密过程。


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