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具有功能涂层的Ti6Al4V叶盘热等静压一体化成形工艺研究

吴言  
【摘要】:航空发动机用Ti6Al4V叶盘零件,由于其结构复杂、性能要求高,传统的加工方法在加工上存在一定的困难。热等静压(Hot Isostatic Pressing,HIP)技术能利用粉末在高温高压下致密化而成形复杂的高性能整体零件,可以解决整体叶盘的加工问题。。然而,叶盘在制造出来之后,还需要进行表面处理在其表面添加一层功能涂层以增加稳定性和使用寿命。叶盘零件制造和涂层制备这两种工艺的分开,无疑增加了叶盘从成形到正式使用之间的周期;涂层技术的局限性,也约束了航空叶盘的正常使用。为了缩短叶盘的制造周期并制备更加牢固的表面涂层,本文提出了具有功能涂层的Ti6Al4V叶盘热等静压一体化成形工艺。本文以成形具有耐磨涂层的Ti6Al4V叶盘零件为例,从三个方面对该一体化成形工艺进行了研究:型芯选材(包括石墨型芯的提出、控形效果的对比和实例验证)、模具设计(包括选材、结构和工艺)以及最终零件的性能表征(尺寸精度、组织结构和机械性能)。针对上述的三个方面,本文做出了以下的几项研究,取得了相应的成果:(1)通过对石墨型芯与传统金属型芯(H13、T8及Cr12)控形效果的比较,结合模拟数据,揭示了热等静压型芯控形的机理:型芯高温屈服强度越高,控形效果越好。为型芯材料的正确选择以及热等静压零件尺寸精度的提高提供了理论基础。(2)为了进一步探究石墨的控形精度并初步验证一体化成形工艺思想的可行性,设计了热等静压模具(采用的石墨型芯已预镀功能涂层)来成形复杂的螺纹零件。结果发现,螺纹尺寸精确无缺陷,石墨型芯表面预镀的镍涂层在热等静压后成功地扩散到了螺纹零件表面,且分布均匀。为一体化成形工艺提供了实例基础。(3)通过对叶盘结构的分析,系统合理地设计了叶盘零件的热等静压模具,确定了合适的热等静压工艺参数,并采用本文提出的一体化成形工艺进行了热等静压实验。结果发现,叶盘零件的相对致密度为99.1%,误差仅为0.15mm,并从模具材料的选择、模具结构的设计以及热等静压工艺的选择三个方面总结归纳了模具的设计与零件尺寸精度之间的关系。(4)采用SEM、XRD及EDX等方法对零件的微观组织分析。结果表明,预先化学镀在石墨型芯表面的镍涂层成功的在热等静压过程中扩散到了Ti6Al4V叶盘零件的表面,并且形成了厚度为140μm的Ti2Ni/TiNi的耐磨涂层。通过拉伸试验得到结论,热等静压得到的零件的屈服强度为930MPa,拉伸强度为1025MPa,拉伸性能超过了同尺寸的铸件,达到了锻件的水平。具有Ti2Ni/TiNi的耐磨涂层的零件的硬度和磨损量分别为690HV和112mg,性能明显优于没有涂层的零件。并且,零件的表面粗糙度达到了Ra=1.86μm。


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