钛合金热等静压粉末冶金技术的发展现状
2024-08-04
来源:爱问旅游网
钛合金热等静压粉末冶金技术的发展现状 张绪虎 徐桂华 孙彦波 (航天材料及工艺研究所,北京 100076) 文摘钛合金在航空航天领域有广泛的应用前景,钛合金热等静压粉末冶金技术的发展为解决大型钛 合金复杂构件的制备难题提供了一种新的技术途径。本文较为系统的介绍了该技术的特点、起源和研究现状, 以及航天材料及工艺研究所在该技术领域所做的研究工作,并对该技术在型号中的应用做了简要的介绍。 关键词 钛合金,热等静压,粉末冶金 中图分类号:TG146 DOI:10.3969/j.issn.1007—2330.2016.06.002 Research Progress of Ti Products Fabricated by Hot Isostatic Pressing(HIP) ZHANG Xuhu XU Guihua suN Yanbo (Aerospace Research Institute of Materials&Processing Technology,Beijing 100076) Abstract Due to its amazing properties,Ti alloys are widely used in aerospace and aerial industry.HIP powder metallurgy process,which is suspected to a proposal approach to solve Ti alloys’fabrication problem,is investigated throughout the world.In this paper,it’S character,orgination and development is introduced.Meanwhile,the investi— gation.approvemnet and practical application of the process of Aerospace Research Institute of Materials&Processing Technology is also introduced. Key words Ti alloy,Hot isostatic press,Powder metallurgy 0引言 能与锻件相当、尺寸精度可达0.2 mm的复杂结构件。 与传统工艺相比,该技术具有以下优点。 钛合金在航空航天领域有广泛的应用前景,但其 合金熔点高、加工难度大、成本高的特点制约了其应 用范围。为解决这一问题,世界各国的研究人员进行 了不懈的努力。并提出了一系列的成形工艺方法.如 (1)化学成分稳定 通过粉末成分和包套洁净度的控制。可以很好的 控制所制备构件的化学成分; (2)各向同性的力学性能 所制备构件在成形过程中承受各向同性气压作 精密铸造、模锻、注射成型、增材制造、热等静压粉末 冶金等 卜引。 热等静压(HIP)技术早期主要用于核燃料的制 备;1972年.美国和瑞典实现了高速工具钢的大批量 热等静压制备:20世纪80年代,美国空军材料实验 室将该工艺扩展到了制造镍基高温合金和钛合金的 预成形坯 J。 钛合金热等静压粉末冶金是热等静压技术的进 一用。在各个方向受力均匀,因而成形后的性能也是各 向同性且均匀的; (3)结构适应性好 成形用芯模可采用分体式设计,能够满足各类不 同形状产品的需求,具有较高的柔性; (4)成本较低 步发展,是一种典型的材料一工艺一体化技术。其 该工艺具有较高的材料利用率和成品率.能够在 工艺过程为:首先根据产品外形计算设计出产品的模 具(包套),随后充填金属粉末,再经真空抽气后进行 热等静压,得到全致密的金属零部件,最后采用少量 机加工或化学腐蚀的方法去除包套,即可获得力学性 收稿日期:2016—06—20;修回日期:2016-08-10 提高效率的同时显著降低了生产成本。 由于上述特点,钛合金热等静压粉末冶金技术被 认为是钛合金构件成形的最有效方法之一,受到世界 各国研究人员的关注,开展了大量的理论研究和成形 作者简介:张绪虎,1966年出生,博士,研究员,主要研究金属材料及工艺。E-mail:ghxu0507@163.con 6一 宇航材料工艺http://www.yhcly.gcoqn 2016年第6期 试验,并在型号中得到广泛应用_6 ]。本文较为系统 的介绍了钛合金热等静压粉末冶金技术的特点、起源 和研究现状等。 1 国外钛合金热等静压粉末冶金技术的研究进展 钛合金热等静压粉末冶金技术是西方国家率先 发展起来的。经过多年的研究,该技术已经有了长足 的进展。并形成了完整的技术体系以及多种工艺路 线。 1.1热等静压粉末冶金技术的发展 在技术方面。西方国家已经实现了钛合金材料性 能优化,并把研究重点转移至成形过程的致密化机 理、致密化规律、复合构件的制备中。 为便于研究.对粉末颗粒体系有以下三个基本假 设和共识[引。 (1)二相混合 从宏观上看.粉末体是由大量微粒组成的不连续 体系,服从一般统计规律。但从微观上看,这一体系 由性质完全不同的粉末颗粒相和空隙相混合组成。 粉末致密化的实质是空隙相减小直至消失的过程,粉 末颗粒的表面能是其致密化行为的主要驱动力。 (2)质量守恒 致密化过程中。粉末体发生明显的体积收缩,因 粉末颗粒本身不可收缩.其整体的减小等于气孔体积 的降低,而粉末体的质量保持不变。在致密化过程 中,粉末体相对密度的增大等于其相对体积的减小。 (3)宾汉姆(Bingham)体变形模型。 晶体粉末在高温高压下变形时,其行为不服从纯 牛顿粘性流体的流变规律,而是接近一种非牛顿流体 一宾哈姆体的塑性流动特征。在热等静压粉末体时, 当粉末粒子接触面上承受的切应力超过其临界切应 力的时候,粉末将产生塑性流动。同时粉末整体发生 收缩,致密度提高。 通过对热等静压致密化机理的研究.把致密化过 程的作用机制分为三类,即粒子靠近重排机制、塑性 变形机制和扩散蠕变机制。并认为这三种机制相互影 响,在不同收缩阶段,由不同机制占主导地位r9]。其 中.塑性变形机制是高温高压下粉体致密化的最主要 机制,而粉末颗粒重排和扩散蠕变机制只对致密化过 程的前期和后期起到较为显著的作用,这已得到了广 泛的认可,并应用于指导热等静压过程的分析和工艺 参数设置¨l。。。 在研究致密化机理的同时,西方国家也开展了致 密化规律的研究,其目的是揭示钛合金粉末坯在热等 静压过程中的收缩变形规律,为净成形制造奠定基 础。但粉体的致密化规律是非常复杂的,涉及复杂的 非线性力学过程: 宇航材料工艺http://www.yhclgy.com 2016年第6期 (1)其模型不同于流体,也不同于致密体; (2)热等静压过程属于大应变、非线性变化过 程: (3)成形过程中粉末与粉末、粉末与模具之间处 于动态的接触过程中: (4)粉末固结和能量迁移机制复杂,难以应用数 学解析法求解。 在研究初期,研究人员主要依靠经验数据,通过 反复试验的方法来优化包套结构.这种方法需要消耗 大量的人力物力,且周期较长。 近年来,随着计算机技术的发展,以及PRO/E, SolidWorks。Marc等CAD/CAE软件的El益完善,通过 对有限元建模。并采用计算机运算的方式对HIP过 程进行模拟成为研究热点。该方法以工程经验和材 料热物理参数为基础.通过产品本构方程运算来优化 产品包套设计和工艺参数选择,缩短了周期.并极大 的降低了研制费用,该技术的发展为钛合金热等静压 粉末冶金的工程化和实用化奠定了基础[1 。 HIP过程的模拟运算可以归纳为微观和宏观两 种方法:微观方法是利用材料属性和工艺参数建立速 率解析方程,以预测HIP过程中的变化规律和金属 零件的最终成形质量:宏观方法则是对经典塑性理论 进行适当修正 建立适合粉末材料的应力应变方程。 Helle采用微观方法,在考虑蠕变和扩散条件下,对粉 末的致密化机理进行了研究,并针对不同的致密情况 分别提出了相应的致密化速率方程 1 :Ales Svoboda 等人把粉末体假设为连续介质模型.在此基础上提出 了一种黏一弹塑性本构方程,并采用此模型对金属粉 末的成形过程进行了模拟lI ]:Abouaf等人对粉末压 缩过程进行了细微的研究。并提出了Abouaf黏弹塑 性本构方程[14];Haggblad与Li提出了一种基于连续 介质理论的热等静压微观模型,并对两种典型零件的 成形过程进行了数值模拟,预测结果与实际情况较为 吻合[1 ;据报道,伯明翰大学的研究人员已经将钛合 金净成形构件的成形精度控制在2%以内。并通过该 技术实现了航空发动机用钛合金外涵缩比件的研 制 ’, ]。 1.2热等静压粉末冶金技术的工程化 作为一种重要的材料制备及成形技术,钛合金热 等静压粉末冶金技术在国外已有广泛的应用.是材料 研制与处理,提高材料性能的一种先进生产工艺与手 段,并已成为高性能材料生产中一项不可或缺的实用 技术。随着该技术的成熟,该技术在西方国家的研究 和应用主体已经由科研院所转移到相应的公司进行, 并已经在多家公司实现了工程化应用。 从工艺路线来说,该技术在西方国家主要有两种 典, 艺路线:(1)兜热等静J 敛密,然后通过等温 氰泵涡轮,并 lid一0l20发动机上得到_,应用。此 锻造或超塑性锻造成肜的方式实现构件制备;(2)直 接热等静』K成形 第一种 I 艺主要被美、英、法等同 家采川 .第二种厅法丰要被俄 斯所采用 早存1956年,荚闭通用电器公司就采川热_『 海 外,该技术也膻用于整体VT5—1KT合金燃料供给倒 流装置巾,其性能和可靠性均优于传统_I 艺。 绵钛的方法,生产ffI GE 1"73涡轮喷气发动机轴承座 毛坯,其成本与锻什制品降低约25%” 荚罔格鲁 曼 『c公司用陶瓷膜生产I,F一14战 机的钛合金 内支撑杆挂构件,材料利用率 l铸锻T艺的20%左 右提高到50%以I .近年|米,随着该技术的成熟, 3卜‘14A驾驶舱秕 及发动机机 美I 的Bodycote、Crucible、ADMA、Pratt and Whitney 等公司已应用该技术,{i产 各种导弹武器川钛合金 部件,如Sidewin ̄Il导弹粉末钛合金 罩、F107巡航导 弹发动机粉末钛合会叶轮等( 1) 俄罗斯和1法同 用粉术冶金技术, 产氢氧发动机 高性能钛合金氢 泵转子( 2),、 (i1)Vinci发动饥转子(I1)V F5—1 kt转r‘ 2 Vifl( i发动饥Ⅲ和Vl’5—1 kt合金制造的 粉术钛合舍氧 转于 Fig.2 I1i alh ̄v h (11 put r;.tior  ̄t-ggl-,tit于粉木冶会技术 _人J 寸复杂形状构件 制铸疗【 ̄iV,j优势,旧外也开展r大蛙的研究,3i:L5绛 实现rT 程化的J、 』t-I、例如,荚 C1.Il【、ible公司研制 生产的}、一l4A驾驶舱框架,整体 寸达到l『l 111X 1.2 in,陔技术的突破为解决传统r岂没备的制造能 力低、成本高的M题提供r一种叮行的途径 卜j1时。 该技术也已实现r发动OL#F涵的骼体制备(I 3) 前苏联早在20世纪70年代就奸展了粉术钛合 金技术的研究.并实现J 体复杂形状的粉木钛合金 R一 Fig.3 The cockpit frame llfl F一1 4A and the crankcast 2 国内钛合金热等静压粉末冶金技术的研究现状 国内在热等静压技术及应川方面发展较晚.与国 外还有较大差距 近几十年来,f_fj于型号需求的牵引 和推动,闰内多家单位对钛合金热等静 粉末冶金技 术u土进行了大垃的研究,如华【l}】科技大学、中科院沈 阳金属研究所、北京航空航天大学、航天材料及工艺 研究所等单位 华中科技大学的史玉升等通过热等静 技术尝 试_,Ti6A14V整体叶盘样ft ̄V,j¥4备,对样件的组织分 布、性能指标、 寸精度等进行J 探讨.认为该技术在 难JJ『l r构件制备 面具有fJ』j 的经济优势和技术优 势 ;北京航空航天大学的郎利辉等人通过Marc软 件模拟r钛合金成形过程 t1臼勺密度分布和压力分布 情况,对包套设汁进行_r结构优化,探/-,I 最佳的成 肜I 参数,并实现了高致密度样件的制备,对比试 验结果表明,模拟运算的结果与实际结果相近,可以 此为依据指导, 品 1 艺方案设计。 。 tl科院金属 所的徐磊等人刈钛合金粉末的热等静压过程进行了 分析,对成形?t ̄V,JfH织、包套的影响进行_r讨论,并制 箭_r汽车连杆、薄肇壳体典 样件 . 航天材料及T艺研究所 粉末冶金技术领域开 眨r多年的研究。在十五、 一五、十二五等课题的 支持下,通过 号牵引.在技术储备和生产能力建设 方 均实现了跨越式发展..对原材料制备、选用、检 测、热等静 岂参数优化、复杂结构件近净成形技 术等厅面都开展r较为系统的研究,并取得突破,逐 步掌握了高 质钛合金预合金粉末的制备技术、优化 r粉末钛合金的性能,突破r粉术冶金构件的变形控 制技术,建直r洋细的企业标准,制定了完善的T艺 规程,实现了各类构件的制备和_I=I1』号中的批量应用 2.1原材料粉末的选用和优化 预合金粉末是粉末冶金T艺的基础,但闰内尚未 形成相应的技术标准为此,航天材料及T 艺研究所 坪展了系统的粉末制备及选用研究,所制备粉末如图 4所示 .通过I 艺方法对比和成形性能验证.明确了 航材料r艺http://www.vhclgv.㈣nl 2016年第6期 预合金粉末的成分控制、夹杂物控制、粒径分布等关 键因素,掌握了粉体洁净度和力度分布对材料性能的 影响规律,形成了热等静压粉末冶金用粉末技术标 准,并应用于型号的研制生产中。 从图中可以看出,在材料服役的各个温区,粉末 钛合金的强度和弹性模量均比锻造钛合金要高。在 温度高于500 ̄C后。材料弹性模量的对比差距更加明 显,这有利于保持材料在高温区间的维形能力。 2.3近净成形及其工程应用 针对型号结构件的需求.完成了成形过程的变形 控制、芯模快速去除技术、产品批量化生产等技术的 研究,实现了该技术在型号中的大规模应用。目前, 热等静压粉末钛合金已经形成了舵翼骨架类、舱体类 和异型结构类三大产品体系,部分产品实现了大规模 批生产。 舵翼骨架类零件结构如图6所示.该_T艺已经能 I司4高品质钛合金粉末 Fig.4 High—quality Ti alloy powder 够制备2 400 mm量级产品的生产,产品筋条部位均 为净成形,极大提高了产品的材料利用率,已经应用 该技术实现了数千件产品的生产 2.2热等静压粉末冶金结构件的性能 目前,航天材料及T艺研究所已经实现了全致密 钛合金构件的制备。完成了粉末钛合金组织和性能的 优化,材料的力学性能全面达到锻件水平(表1)。图 5为粉末钛合金与锻造钛合金的强度及模量的对比。 表1材料的力学性能 Tab.1 Mechanical behavior of PM alloys 图6粉末钛合金骨架类零件 Fig.6 PM Ti alloy frame of rudder 热等静压粉末冶金工艺能够制备具有各种复杂 内部结构的舱体类零件。如图7所示。该技术有利于 实现构件的整体成形。与传统]二艺相比具有尺寸精 度高、结构适应性好的优点。 图7粉末钛合金舱体类零件 Fig.7 PM Ti alloy of cabin product 此外,粉末冶金工艺也被应用于各种异形、复杂 结构构件的制备中,如图8所示的各类叶轮、支架和 喷管。对于这类零件,该T艺能够克服传统1二艺所存 在精度低、变形量大等问题,实现产品的净成形,成形 精度可达±0.2 mm。这些构件的力学性能可全面达 到锻件指标。且尺寸精度可达到优于4-0.2 mm的水 平。目前,航天材料及]一艺研究所的粉末冶金结构件 t/℃ 产品已经在国内率先实现了该技术的突破,形成了舵 (b) 弹性模量 网5材料强度及弹性模量的对比 Fig.5 Comparation of strength and modulus 翼骨架类、舱体类和异型结构类三大产品体系,并实 现了部分产品的大规模批生产,广泛应用在航空、航 天和航海的多个型号中 第6期 宇航材料1二艺http://www.yhclgy.COIYI 2016年图8钛合金叶轮、支架和喷管 Fig.8 Ti alloy cabin,impeller and nozzle fabricated by HIP 3结语 综上所述。南于制造难度大、费用高等问题,钛合 金的制造技术受到各国研究人员的重视。热等静压 粉末冶金技术被认为是解决这一问题的可行途径受 到研究人员的广泛关注。 西方国家起步较早,在这一领域已经有多年的研 究经验,在理论基础、T程应用方面都走在世界前列, 其研究重心已转移至构件的净成形,并取得了一系列 的成果,实现了该技术的T程化应用。 近年来,国内多家单位也开始追赶西方的脚步,展开了该领域的研究。其中,航天材料及工艺研究所 已经取得了部分突破,并在多个型号中得到应用。 参考文献 [1]ANOSHKIN,DEMCHENKOV.Material science andtechnological aspects of rapidly solidiifed titaniumall.oy production [J].Materials Science an ̄t Engineering A,1998(243):263~268.[2]D.E.Development in titanium alloy casting technology [J].Journal of Metals,1983(2):56—63. 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