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(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518172; 2. 華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)性能和高的比強(qiáng)度，已被大量用于航空航天領(lǐng)域關(guān)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(fù)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(fèi)。鑄造雖然可以成形出復(fù)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(shè)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(dāng)?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(diǎn)[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(lǐng)域的一個研究重點(diǎn)[7]。北京航空航天大學(xué)的郎利輝等，對鈦合金熱等靜壓整體近凈成形過程模擬進(jìn)行了深入研究[8]。華中科技大學(xué)史玉升團(tuán)隊，通過優(yōu)化設(shè)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(jìn)行簡要的介紹，然后以鈦合金機(jī)匣縮小比例零件熱等靜壓近凈成形過程為例，詳細(xì)介紹熱等靜壓近凈成形工藝過程及具體實(shí)施步驟與方法，為難切削加工金屬材料復(fù)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(diǎn)

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(shè)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(jìn)行熱等靜壓成型過程計算機(jī)模擬，根據(jù)模擬變形結(jié)果對模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)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(jī)械加工制造出經(jīng)過模擬優(yōu)化設(shè)計的模具零件；3) 對模具零件進(jìn)行焊接，并進(jìn)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(jìn)行抽真空處理；6) 對模具粉末體進(jìn)行封焊，放入熱等靜壓機(jī)進(jìn)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(shù)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(diǎn)[11]：① 制件相對致密度高、組織均勻，綜合力學(xué)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(dá)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(fù)雜零件，模具制作成本高、周期長。從以上工藝特點(diǎn)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(fù)雜零件的單件、小批量生產(chǎn)，這正是航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵零件的生產(chǎn)特點(diǎn)。

2 熱等靜壓近凈成形工藝應(yīng)用實(shí)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(jī)發(fā)動機(jī)機(jī)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(fù)雜的環(huán)形凸臺。像這樣的零件，可以用鑄造的方法進(jìn)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(xué)性能，也可以用鍛造的方法先制造毛坯，然后進(jìn)行機(jī)械加工，但加工工藝非常復(fù)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(xué)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(jī)械性能優(yōu)良和尺寸誤差小的近凈成形零件，必須精心設(shè)計熱等靜壓成形包套，以達(dá)到控形控性的目的。

圖1 機(jī)匣縮小比例尺寸零件圖

2.2 包套優(yōu)化設(shè)計、制造及熱等靜壓

包套優(yōu)化設(shè)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(jìn)行三維建模，然后按成形粉末實(shí)際真實(shí)密度對零件模型進(jìn)行放大，再按均勻等厚的原則對包套進(jìn)行初始設(shè)計。包套設(shè)計好后，用MSC.MARC軟件進(jìn)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(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分；接著進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)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(jìn)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(jìn)行反向補(bǔ)償設(shè)計，然后再進(jìn)行成形模擬，直至模擬結(jié)果達(dá)預(yù)期要求。圖2為模擬及實(shí)際采用的熱等靜壓工藝，圖3為第1次模擬結(jié)果。

圖2 機(jī)匣熱等靜壓工藝

圖3 初始設(shè)計方案模擬結(jié)果

包套優(yōu)化設(shè)計好后，用機(jī)械加工方法制造出來，然后裝粉、除氣、縫焊，按圖2工藝實(shí)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(jī)匣零件。

圖4 熱等靜壓縮小比例機(jī)匣

2.3 結(jié)果分析

表1為熱等靜壓機(jī)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(jī)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(fù)雜零件的先進(jìn)方法，是解決難切削金屬材料復(fù)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(fù)雜形狀零件，證明所用方案切實(shí)可行。

參考文獻(xiàn):

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[10] 王基維. 難加工材料熱等靜壓近凈成形工藝基礎(chǔ)及零件性能研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2012.

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