難切削金屬材料零件熱等靜壓近凈成形工藝研究

王基維，藺廣科，薛鵬舉，魏青松，史玉升

(1. 深圳信息職業(yè)技術學院，廣東 深圳 518172; 2. 華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引言

鎳基高溫合金、鈦合金等材料，具有優(yōu)良的高溫力學性能和高的比強度，已被大量用于航空航天領域關鍵零部件的制造[1]。目前，制造這些材料零件的方法主要有:切削加工、鑄造、鍛造和粉末冶金等方法[2]。但鎳、鈦合金變形抗力大，易產(chǎn)生加工硬化，對薄壁類復雜零件，加工的工藝難度更大，甚至無法加工[3]。如果采用切削方法加工，還會造成較大的材料浪費。鑄造雖然可以成形出復雜零件，并能顯著提高材料利用率，但成形工藝難以控制，成形出的零件容易產(chǎn)生缺陷[4]。用模鍛方法制造的零件性能優(yōu)異，但需要昂貴的模具和鍛造設備，制造成本很高，不適合單件小批量生產(chǎn)[5]。粉末冶金方法，特別是熱等靜壓(hot isostatic pressing, HIP)方法，可以在較低的溫度下成形出性能與鍛件相當?shù)碾y切削材料零件，具有工藝簡單、材料利用率高等優(yōu)點[6]。近年來，如何利用熱等靜壓工藝，一次性整體成形出高尺寸精度和表面粗糙度的難切削材料零件，成為了航空航天制造領域的一個研究重點[7]。北京航空航天大學的郎利輝等，對鈦合金熱等靜壓整體近凈成形過程模擬進行了深入研究[8]。華中科技大學史玉升團隊，通過優(yōu)化設計熱等靜壓模具，成形出了高精度的大尺寸鎳合金渦輪盤[9]。

本文將首先對熱等靜壓整體近凈成形工藝進行簡要的介紹，然后以鈦合金機匣縮小比例零件熱等靜壓近凈成形過程為例，詳細介紹熱等靜壓近凈成形工藝過程及具體實施步驟與方法，為難切削加工金屬材料復雜零件的制造提供一種新的思路。

1 熱等靜壓近凈成形工藝及特點

熱等靜壓整體近凈成形工藝路線如下[10]：1) 根據(jù)零件形狀和尺寸設計熱等靜壓模具，根據(jù)熱等靜壓成形壓力、溫度條件，對模具及粉末體進行熱等靜壓成型過程計算機模擬，根據(jù)模擬變形結(jié)果對模具進行優(yōu)化設計，直至模擬結(jié)果符合要求；2) 用塑形優(yōu)良的軟鋼材料，通過機械加工制造出經(jīng)過模擬優(yōu)化設計的模具零件；3) 對模具零件進行焊接，并進行密封性檢測；4) 往模具內(nèi)裝填成形粉末材料，為提高粉末密度，邊裝填、邊振動；5) 粉末裝填好后，在高溫下對模具粉末體進行抽真空處理；6) 對模具粉末體進行封焊，放入熱等靜壓機進行熱等靜壓；7) 通過切削加工或酸洗的方式，去除模具，得到符合技術條件的零件。

與鑄、鍛成形方法相比，熱等靜壓整體近凈成形工藝具有以下特點[11]：① 制件相對致密度高、組織均勻，綜合力學性能優(yōu)秀；② 制件精度高，尺寸精度以及表面粗糙度可以到達精密鑄造水平；③ 材料利用率高，幾乎不存在任何廢料；④ 工藝流程短，只需熱等靜壓一次成形，制造周期短；⑤ 需要制作一次性模具，對復雜零件，模具制作成本高、周期長。從以上工藝特點可以看出，熱等靜壓整體近凈成形方法特別適用難切削金屬材料復雜零件的單件、小批量生產(chǎn)，這正是航空航天領域關鍵零件的生產(chǎn)特點。

2 熱等靜壓近凈成形工藝應用實踐

2.1 零件成形工藝性分析

圖1為一縮小比例尺寸的某飛機發(fā)動機機匣零件圖，材料為Ti6Al4V。由圖1可以看出，該零件總體為薄壁件，內(nèi)壁為配合部位，對尺寸要求較高，外壁帶有3個復雜的環(huán)形凸臺。像這樣的零件，可以用鑄造的方法進行整體成形，但成形出的零件容易出現(xiàn)疏松、縮孔和成分偏析等缺陷，對鑄造工藝要求高。為提高零件的力學性能，也可以用鍛造的方法先制造毛坯，然后進行機械加工，但加工工藝非常復雜，工作量大，材料的利用率極低。而用熱等靜壓來近凈成形，則可以在零件的力學性能和制造成本上體現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。為了獲得相對密度高，機械性能優(yōu)良和尺寸誤差小的近凈成形零件，必須精心設計熱等靜壓成形包套，以達到控形控性的目的。

圖1 機匣縮小比例尺寸零件圖

2.2 包套優(yōu)化設計、制造及熱等靜壓

包套優(yōu)化設計是保證零件尺寸形狀精度和性能的最重要環(huán)節(jié)。具體步驟是，首先用UGNX軟件對零件進行三維建模，然后按成形粉末實際真實密度對零件模型進行放大，再按均勻等厚的原則對包套進行初始設計。包套設計好后，用MSC.MARC軟件進行熱等靜壓成形過程計算有限元模擬。首先，對包套和粉末體進行六面體網(wǎng)格劃分；接著進行材料參數(shù)設定、接觸模型定義、初始條件及邊界條件定義；然后，使用Newton-Raphson迭代算法進行求解；一次模擬完成后，根據(jù)包套及粉末體變形情況，重新對包套進行反向補償設計，然后再進行成形模擬，直至模擬結(jié)果達預期要求。圖2為模擬及實際采用的熱等靜壓工藝，圖3為第1次模擬結(jié)果。

圖2 機匣熱等靜壓工藝

圖3 初始設計方案模擬結(jié)果

包套優(yōu)化設計好后，用機械加工方法制造出來，然后裝粉、除氣、縫焊，按圖2工藝實施熱等靜壓。最后用酸洗工藝去除包套，便可得到如圖4所示的縮小比例機匣零件。

圖4 熱等靜壓縮小比例機匣

2.3 結(jié)果分析

表1為熱等靜壓機匣零件主要尺寸及誤差。從表中可以看出，所有尺寸相對誤差均<3%，在可接受范圍內(nèi)。

表1 熱等靜壓機匣主要尺寸及誤差

3 結(jié)語

1) 熱等靜壓整體近凈成形工藝是制造難切削金屬材料復雜零件的先進方法，是解決難切削金屬材料復雜零件制造難題的有效途徑。

2) 采用熱等靜壓整體近凈成形出了尺寸較為精確的鈦合金復雜形狀零件，證明所用方案切實可行。

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[11] 馬福康. 等靜壓技術[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1992.