Ti6Al4V合金整體零件的兩步熱等靜壓近凈成形工藝探究

黃俊薛鵬舉魏青松史玉升

華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室,武漢,430074

摘要：針對熱等靜壓整體成形高溫合金零件容易產(chǎn)生部分區(qū)域致密度較低、整體性能不均一的問題,提出了熱等靜壓兩步成形方法,在較低的溫度和壓力作用下成形為不帶連通孔隙的原始零件,去除控形模具后用合適的溫度壓力作用使不致密區(qū)域致密,提高零件均一性。以Ti6Al4V粉末材料為例,使用有限元模擬和實驗測試相結(jié)合的方法,確定了兩步成形法的工藝參數(shù),并成形了葉盤零件。SEM結(jié)果顯示：熱等靜壓兩步法成形的零件組織由板條狀α+β相組成,原始顆粒邊界消失,不連通孔隙閉合。斷口形貌顯示:在合適的兩步成形工藝參數(shù)加載下,粉末顆粒冶金結(jié)合牢固,不再成為裂紋起始處,拉伸強度提高。兩步法拉伸性能略優(yōu)于常規(guī)熱等靜壓拉伸性能,性能達到同規(guī)模鍛件水平。

關(guān)鍵詞：熱等靜壓兩步成形;Ti6Al4V;有限元模擬;力學(xué)性能

中圖分類號:TF124

收稿日期：2014-12-17

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51375188);國家科技重大專項(2009ZX04005-041-03)

作者簡介:黃俊,男,1990年生。華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室碩士研究生。研究方向為熱等靜壓近凈成形。薛鵬舉,男,1973年生。華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士。魏青松,男,1975年生。華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授、博士研究生導(dǎo)師。史玉升，男，1962年生。華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。

Research on Near-Net-Shaping Ti6Al4V Alloy Parts under Two-Step Hot Isostatic Pressing

Huang JunXue PengjuWei QingsonShi Yusheng

State Key Laboratory of Material Process and Die and Mould Technology,

Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430074

Abstract:Monolithic superalloy parts shaped by hot isostatic pressing may exist low density region which will cause uneven overall performance.This paper proposed a two-step hot isostatic pressing method:at low temperature and pressure original parts were shaped without connected pores from alloy powder,then the low density regions were densed at an appropriate temperature and pressure after removing capsule and shape-control mold,which could guarantee uniform performance.Taking Ti6Al4V powder material as an example,two-step HIP parameters were determined by combining finite element simulation and experimental tests,with which bladed disk parts were made.The SEM results show that:it is fine and homogeneous strip α+β phase in the parts and there is no prior particle boundary or connected pores, which contribute to the good performance of parts.The fracture morphology analysis shows that: the powder particles are metallurgically bonded firmly and no longer the crack source given appropriate processing parameters.Tensile strength of two-step HIP parts is slightly better than that of conventional HIP and as same as the forging’s.

Key words:two-step hot isosatic pressing(HIP);Ti6Al4V;finite element simulation;mechanics property

0引言

熱等靜壓(hot isostatic pressing,HIP)近凈成形技術(shù)結(jié)合粉末冶金與模具工藝,利用高溫高壓耦合加載,在模具控形作用下,短流程將粉末致密化為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高性能零件,其制件組織晶粒細小均勻,具有良好的力學(xué)特性[1-2]。該技術(shù)材料利用率高于90%，特別適用于鈦基、鎳基高溫合金等難加工貴重金屬材料,受到國內(nèi)外航空領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[3-5]。但是熱等靜壓成形過程中,粉末初始密度低,壓坯體積收縮超過30%,并伴有不規(guī)則變形,受控形模具限制,部分結(jié)構(gòu)處粉末流動不充分以及壓力傳導(dǎo)損失，難以達到較高致密度[6],甚至殘留孔隙,影響制件的整體力學(xué)性能。優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)能夠緩解部分問題,但邊角效應(yīng)影響區(qū)和特殊狹長結(jié)構(gòu)區(qū)域仍難以致密。從工藝參數(shù)上考慮,提高保溫溫度和增大保壓壓力能夠提高整體致密度[7]。然而提高溫度會使晶粒長大，性能降低[8]，同時造成模具變軟發(fā)生較大形變使得控形效果變差;增大壓力除增加對成形設(shè)備的要求外還會造成包套變形增大，容易發(fā)生開裂造成工藝失敗，同時型芯模具變形較大，影響控形效果，制件性能均一性難以保證。兩步熱等靜壓工藝是在較低溫度和壓力作用下初次成形零件坯體，使得整體致密度達到無連通孔隙程度，酸洗或機械加工方法去除包套和型芯后，將壓坯二次熱等靜壓。失去包套和型芯屏蔽效應(yīng)的約束，壓力能夠均勻傳到制件各處，提高區(qū)域致密度，使孔隙閉合消除缺陷，整體組織均勻,性能均一。

本文主要從兩步熱等靜壓成形工藝的可行性和兩步熱等靜壓工藝參數(shù)的選擇以及制件的力學(xué)性能等方面展開探討。

1材料與方法

1.1成形材料

成形材料選擇等離子旋轉(zhuǎn)電極法(plasma rotating electrode process,PREP)制得的Ti6Al4V粉末,粉末呈球形,粒徑大致分布在60～300μm區(qū)間，平均粒徑為200μm,SEM粉末形貌如圖1所示,粉末化學(xué)成分如表1所示。

圖1　Ti6Al4V粉末SEM形貌

%

1.2常規(guī)熱等靜壓工藝

金屬粉末熱等靜壓工藝常規(guī)使用45鋼或不銹鋼作為包套和控形型芯,參考模具及Ti6Al4V材料的熔點、相變點和屈服強度特性,選定熱等靜壓溫度為910℃,壓力為110MPa,保壓時間為3h。制定加載方式如圖2所示,溫度和壓力同時協(xié)調(diào)加載,試驗在QIH15熱等靜壓試驗機(ABB,美國)上完成。

圖2　常規(guī)熱等靜壓加載曲線

1.3兩步熱等靜壓成形工藝

兩步熱等靜壓成形法加載曲線如圖3所示，工藝流程如圖4所示。

圖3　兩步熱等靜壓成形工藝曲線

初次熱等靜壓是在較低的溫度和壓力作用下，通過包套和控形模具擠壓驅(qū)動粉末流動成形成沒有連通孔隙的壓坯，為去除包套和型芯后的二次熱等靜壓提供條件。在滿足成形為沒有連通孔隙壓坯的前提下，初次熱等靜壓的溫度和壓力應(yīng)當(dāng)越低越好，較低的溫度能夠保證獲得更細小的晶粒，有利于提高力學(xué)性能；較低的壓力使得包套和模具產(chǎn)生更小的變形，有利于提高控形精度。采用有限元數(shù)值模擬的方法選擇多組溫度和壓力參數(shù)進行模擬，將其中使得制件最低致密度達到92%[9]的參數(shù)組合(沒有連通孔隙)選為初次熱等靜壓溫度和壓力參數(shù)。

圖5　模型結(jié)構(gòu)圖

(1)

β=(q1+q2ρq3)q4

(2)

γ=(b1+b2ρb3)b4

(3)

式中,σy為致密體的等效屈服應(yīng)力;p為熱等靜壓壓力;Sij為偏應(yīng)力張量;γ、β為與材料有關(guān)的參數(shù);q1、q2、q3、q4、b1、b2、b3、b4為常數(shù);ρ為相對致密度。

當(dāng)粉末逐漸致密化達到1之后該屈服模型回歸到經(jīng)典的vonMises屈服模型,β、γ可由單軸壓縮試驗得到[14]。

包套和模具材料分別使用45鋼和304不銹鋼,兩種材料在HIP過程中用彈塑性材料模型和von Mises屈服準(zhǔn)則描述其變形行為,相關(guān)參數(shù)在MARC有限元程序中設(shè)定。

初次熱等靜壓參數(shù)(850℃,100MPa,保壓3h)作用下,相對致密度模擬分布結(jié)果如圖6所示。制件基本上達到致密,但在圖6中A區(qū)由于模具結(jié)構(gòu)限制,粉末流動較差沒有達到與其他區(qū)域相當(dāng)?shù)闹旅芏?力學(xué)性能均一性較差,可能影響疲勞壽命。但是該區(qū)域的致密度達到了93%以上,即已經(jīng)沒有了連通孔隙,壓坯外表面可以承受并傳遞氣體介質(zhì)壓力，滿足二次熱等靜壓的條件。從該區(qū)域的SEM照片上可以看到基本上達到致密但殘存孔隙，孔隙之間已互不連通，如圖7所示。

圖6　相對致密度模擬分布結(jié)果

圖7　A區(qū)組織SEM圖片

初次熱等靜壓的參數(shù)借助有限元模擬的方法確定，通過設(shè)置不同的溫度和壓力工藝參數(shù)加載,查看致密度模擬結(jié)果，為減小溫度壓力過高對性能的不利影響，選擇致密度最低區(qū)域達到92%前提下的最小溫度和壓力數(shù)值作為初次熱等靜壓的工藝參數(shù)。通過酸洗和機加工的方法去除掉包套和控形型芯，對零件進行二次熱等靜壓，由于此時的零件形狀不規(guī)則，有限元模擬難度較大并且容易產(chǎn)生較大誤差，故選擇從試驗的角度探索并確定二次熱等靜壓的工藝參數(shù)。

2結(jié)果與討論

2.1拉伸特性

為探索二次熱等靜壓的成形工藝參數(shù)以及兩步法成形零件的力學(xué)性能,設(shè)計了3組試驗,分別是傳統(tǒng)熱等靜壓工藝P0(910℃,120MPa,3h)、兩種兩步成形工藝P1(850℃,100MPa,3h/850℃,120MPa,3h)和P2(850℃,100MPa,3h/910℃,120MPa,3h),成形圖5所示零件,并將獲得的壓坯A區(qū)制成截面為6mm×2mm的條狀拉伸試樣進行拉伸試驗(圖8),對比其拉伸特性,觀察和分析組織斷口形貌。

圖8　拉伸試驗前后對比

試驗在德國Zwick/Roell公司Z010型拉伸試驗機上進行,拉伸參數(shù)為預(yù)載100N,試驗速度2mm/min,得到拉伸性能參數(shù)如表2所示。

表2　不同工藝的拉伸強度

拉伸數(shù)據(jù)顯示,除了850℃/850℃工藝下拉伸性能與同規(guī)模Ti6Al4V鑄件(拉伸強度為890MPa,屈服強度825MPa)相當(dāng)外,其他工藝下HIP試件性能都優(yōu)于同規(guī)模Ti6Al4V鑄件,略微優(yōu)于同規(guī)模Ti6Al4V鍛件(拉伸強度為930MPa,屈服強度為860MPa),且兩步HIP法成形試件拉伸性能稍優(yōu)于傳統(tǒng)HIP工藝制件的拉伸性能，使得零件性能在更加均一的前提下并未降低力學(xué)性能。

2.2組織形貌分析

在掃描電子顯微鏡下觀察不同工藝下A區(qū)部分的微觀組織形貌。3種工藝都是常規(guī)的均勻板條狀α+β相組織,同樣放大倍數(shù)下,850℃/850℃兩步法成形組織最為細小,850℃/910℃兩步法成形較為粗大,而常規(guī)HIP工藝晶粒尺寸規(guī)模居中。從圖9a、圖9b中可以觀察到主要由細小等軸晶組成的原始顆粒邊界(prior particle boundary,PPB),而圖9c中原始顆粒邊界基本消失。850℃/850℃工藝成形溫度較低,粉末屈服強度較高，在壓力擠壓粉末互相剪切作用下粉末顆粒中板條狀組織破碎球化，在保溫保壓驅(qū)動下，發(fā)生再結(jié)晶為細小等軸晶[15-16],形成明顯顆粒邊界。910℃常規(guī)工藝下隨著溫度的提升晶粒長大,但是顆粒邊界依舊存在。850℃/910℃工藝由于保溫時間較長,晶粒隨時間的增長粗大化,細小等軸晶長大到與板條狀晶粒同等規(guī)模尺寸，顆粒邊界消失，因此拉伸性能較好。

(a)910℃(b)850℃/850℃

(c)850℃/910℃ 圖9　微觀組織形貌

2.3斷口形貌分析

在掃描電子顯微鏡下觀察上述不同工藝參數(shù)成形的拉伸試樣的斷口形貌,如圖10所示,均可以觀察到大量韌窩,表現(xiàn)出韌性斷裂的特征,說明粉末顆粒間發(fā)生了冶金結(jié)合。910℃常規(guī)熱等靜壓和工藝P1(850℃,100MPa/850℃,120MPa)兩步成形法成形的拉伸試樣斷口區(qū)域能觀察到近球形的凹坑,其大小與原始的Ti6Al4V粉末相當(dāng),說明熱等靜壓時粉末顆粒接觸處因受溫度和壓力作用發(fā)生冶金結(jié)合區(qū)域的強度較差,在拉力作用下,裂紋在此處萌生,擴展并斷裂失效。工藝P2(850℃,100MPa/910℃,120MPa)兩步成形拉伸斷口未見近球形的凹坑,更高的成形溫度下顆粒之間元素擴散更快,蠕變更充分,冶金結(jié)合更加牢固,不再是潛在的裂紋萌生點，因此拉伸強度高于前面兩種工藝?yán)鞆姸取?/p>

(a)910℃ (b)850℃/850℃

(c)850℃/910℃ 圖10　微觀斷口形貌

2.4兩步法成形葉盤零件

根據(jù)以上模擬結(jié)果和試驗測試確定的兩步HIP法工藝參數(shù)(850℃,100MPa,3h/910℃,120MPa,3h),使用Ti6Al4V粉末作為材料成形了葉盤零件,葉盤的設(shè)計形狀和模具示意如圖11a所示。

葉盤的形狀比較復(fù)雜,尤其是在葉片部分,存在尖角和扭曲部分,粉末在控形模具內(nèi)流動困難會導(dǎo)致葉片部位達不到理想的致密度,如圖11b模擬得出的初次HIP后的相對致密度所示,形成缺陷影響使用壽命,需要進行工藝優(yōu)化。因此,使用兩步HIP成形法在初次HIP之后酸洗去掉控形型芯和模具,二次HIP溫度和壓力直接作用于葉片部分使其達到致密,在保持形狀的同時,性能達到均一。試驗后切出葉片,在電子顯微鏡下觀察葉片處組織,未見殘余孔隙,達到致密,如圖11c所示。經(jīng)少量機加工后實體零件如圖11d所示,阿基米德排水法測得葉盤致密度達到99.5%。剩余0.05%的致密度可能對應(yīng)著少許的孔隙殘留，在個別葉片部位或葉片和葉冠及輪轂的連接處(試驗切割葉片并觀察的SEM圖沒有發(fā)現(xiàn)明顯孔隙)也可能對應(yīng)著排水法的測量誤差。

(a)設(shè)計圖(b)初次HIP模擬相對致密度分布

(c)葉片微觀組織(d)成形葉盤零件 圖11　葉盤零件

3結(jié)論

(1)兩步熱等靜壓成形法成形高溫合金零件可以在保證控形效果的基礎(chǔ)上,使零件難以致密處達到致密，保證零件性能均一,提高使用壽命。

(2)兩步熱等靜壓成形法的首次工藝參數(shù)可以根據(jù)不同材料特性,使用有限元模擬的方法確定,選擇零件組織無連通孔隙狀態(tài)下的最低的溫度和壓力數(shù)值;二次HIP工藝參數(shù)根據(jù)成形試件力學(xué)性能測試結(jié)果確定,本文設(shè)計的葉盤零件在選定的工藝參數(shù)(850℃,100MPa/910℃,120MPa)下，形狀和力學(xué)性能控制均較優(yōu)。

(3)兩步成形法制件組織顆粒邊界消失,斷口形貌未見近球狀凹坑,粉末冶金結(jié)合牢固。拉伸性能達到同規(guī)模鍛件水平,稍微優(yōu)于傳統(tǒng)HIP制件。

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(編輯袁興玲)