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难加工材料热等静压近净成形工艺基础及零件性能研究

王基维  
【摘要】:航空航天领域中的一些关键零件常由钛合金、镍合金等难加工材料制造而成。采用传统方法加工或成形,存在工艺难度大、材料浪费多等难题。热等静压近净成形技术结合粉末冶金与现代模具技术,在低于材料熔点的温度下,一次性整体近净成形出性能优秀的复杂零件,不仅克服了材料加工难的问题,还大大提高了材料的利用率,降低了零件制造成本。但是,热等静压粉末致密化是一个复杂的热-力耦合、复杂非线性和大变形的过程,复杂零件的控形问题,在世界范围内一直没有得到很好的解决。国内对热等静压近净成形复杂零件的研究较少,热等静压用包套(或模具)的设计及制造技术尚不成熟,阻碍了该技术的工程应用。因此,本文重点研究热等静压近净成形包套优化设计方法和制造工艺。在此基础上,以钛合金和镍合金典型复杂零件近净成形为例,对粉末热等静压致密化机理、近净成形零件的性能进行系统研究。通过这些研究,为热等静压复杂零件的工程应用奠定基础。具体研究内容及成果归纳如下: (1)在热等静压近净成形包套设计与制造方面:提出了基于有限元模拟和最优化方法的包套设计方法。该方法以参数化的B样条曲线进行包套构形,以模拟得到的零件形状与零件理想形状差别最小作为最优化目标函数,通过对样条曲线控制点坐标的补偿调整实现包套的设计优化。对热等静压近净成形包套制造中的共性工艺问题进行了研究与完善,建立了机械加工和快速制造技术相结合的包套制造工艺。 (2)在粉末致密化规律方面:以Ti6Al4V合金空间十字形零件热等静压为例,研究强制控形条件下粉末致密化规律。首先对Ti6Al4V合金热等静压工艺进行研究。通过差热分析,得出Ti6Al4V合金在950℃时(+β)/β相转变反应开始变强,可作为热等静压保温温度的上限。当用厚壁包套强制控形时,粉末的致密化主要是由包套的均匀塑性变形引起的,通过厚壁包套小的变形,即可实现粉末体大的均匀收缩,从而在包套设计时,在局部位置可只考虑粉末体的尺寸收缩,不考虑形状变化,达到简化包套设计目的。 (3)在钛合金复杂零件热等静压近净成形及零件性能方面:通过包套优化设计,近净成形出了整体相对密度达99.8%,关键尺寸误差小于1%的Ti6Al4V合金机匣零件。研究表明,在等静压条件下,粉末颗粒在边界范围发生塑性变形,形成网篮状多边形大应变带,保温时发生再结晶,形成网篮状分布的+β等轴晶,同时颗粒边界消失。颗粒内部应变小,再结晶程度低,主要以条状+β相组织为主。因此,Ti6Al4V合金粉末体最主要的致密化机理是粉末颗粒塑性变形机理和再结晶机理。热等静压Ti6Al4V合金弹性模量E、屈服强度σ0.2、抗拉强度σb和断后延伸率等指标分别达到了120MPa、1043MPa、1119Mpa和18.0%,高于ASTM标准规定的相同材料锻件最低水平。 (4)在镍基高温合金复杂零件热等静压近净成形与零件性能方面:近净成形出了整体相对密度接近理论全密度的Inconel625合金涡轮盘。涡轮盘流道形状无畸变,表面粗糙度为Ra6.4,与控形型芯相当。研究表明,当热等静压参数为1100℃/120MPa/3h时,可以获得全致密的组织。在热等静压过程中,粉末体长时间处于碳化物析出敏感温度区间,导致碳化物析出。碳化物有两种分布形式:一种为均匀分布于晶粒内的块状或点状碳化物,对合金起强化作用;另一种为分布于晶界的链状碳化物,对合金塑性产生不利影响。综合两种碳化物影响,热等静压Inconel625合金强度较高,塑性较低。其中屈服强度σ0.2和抗拉强度σb达到了499MPa和983MPa,分别比ASTM标准规定相同材料锻件最低水平高16%和7.5%。断后伸长率δ为26.3%,比ASTM标准规定相同材料锻件最低水平低12.4%。经1100℃/30min/水冷固溶处理,合金屈服强度σ0.2和抗拉强度σb有少量下降,但断后伸长率δ达到32.8%,超过ASTM标准规定相同材料锻件最低水平。 以上研究为难加工材料复杂零件热等静压近净成形奠定了工艺基础,为控制热等静压零件性能提供了实验依据。


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