王 冰 紀(jì) 瑋 鄧太慶 趙 豐 林巖松

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

TA15粉末冶金產(chǎn)品熱等靜壓成形工藝過(guò)程的數(shù)值模擬

王 冰 紀(jì) 瑋 鄧太慶 趙 豐 林巖松

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

文 摘 針對(duì)高品質(zhì)粉末冶金新產(chǎn)品的研發(fā)，為了減少其研發(fā)周期、降低試驗(yàn)成本，采用Marc模擬軟件，對(duì)軸承座產(chǎn)品的熱等靜壓近凈成形過(guò)程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬。結(jié)果表明：經(jīng)工藝成形后，產(chǎn)品幾何外形尺寸變化較大，相對(duì)密度整體達(dá)到0.98，局部尖端位置相對(duì)密度僅為0.85，對(duì)此提出了改進(jìn)包套結(jié)構(gòu)和芯模結(jié)構(gòu)形式、局部增加裝粉量等方案，提高局部位置致密度，保證產(chǎn)品整體質(zhì)量，為產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo)作用。

熱等靜壓，數(shù)值模擬，相對(duì)密度

0 引言

粉末冶金熱等靜壓成形工藝具有成形精度高、組織性能好、致密度高、內(nèi)部無(wú)缺陷、材料利用率高、生產(chǎn)周期短等優(yōu)勢(shì)[1-3]，是現(xiàn)代化制造業(yè)中材料成形的重要方法之一。粉末冶金熱等靜壓成形過(guò)程較為復(fù)雜，涉及到粉末材料的物性參數(shù)、粉末粒徑、包套材料性能、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸、加熱溫度、壓力等匹配問題，因此，在新產(chǎn)品研制開發(fā)階段，只能通過(guò)以往經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試驗(yàn)的方法優(yōu)化生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的近凈成形，這就造成了材料、人員、周期的浪費(fèi)；而采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，建立產(chǎn)品幾何模型、設(shè)置約束條件、施加邊界載荷等，可以對(duì)熱等靜壓成形后的產(chǎn)品幾何尺寸、應(yīng)力應(yīng)變分布、相對(duì)密度分布等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，了解產(chǎn)品質(zhì)量缺陷的發(fā)生趨勢(shì)[4-6]，從而反饋并優(yōu)化熱等靜壓成形工藝參數(shù)，為實(shí)際產(chǎn)品的生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)，達(dá)到減少研制周期、節(jié)約成本的目的。本文主要針對(duì)某軸承座產(chǎn)品的研制開展了熱等靜壓成形過(guò)程數(shù)值模擬研究。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 本構(gòu)方程

粉末成形較致密化固態(tài)金屬成形更為復(fù)雜，顆粒堆積成一個(gè)非連續(xù)體，在力的作用下，顆粒之間、顆粒與包套之間均發(fā)生機(jī)械和摩擦作用，再加上制品密度、彈塑性性能間的相互影響，其力學(xué)行為非常復(fù)雜[7-11]，其粉末材料的屈服準(zhǔn)則具有如下通用形式:

(1)

表1 本構(gòu)方程理論

1.2 數(shù)值模型的選擇

粉末熱等靜壓成形過(guò)程涉及到幾何非線性、材料非線性、邊界條件非線性等數(shù)學(xué)模型的建立[14-16]。

幾何非線性通常關(guān)系到結(jié)構(gòu)行為的改變和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的喪失，對(duì)于熱等靜壓工藝而言，主要涉及到成形過(guò)程中的大變形、大應(yīng)變問題，選用拉格朗日方法即可對(duì)其進(jìn)行描述；材料非線性主要涉及到材料本身的性能，如比熱容、彈性模量、屈服強(qiáng)度等性能參數(shù)，將其定義至模型中進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算；邊界條件非線性是約束材料變形、載荷和溫度施加方式的數(shù)學(xué)模型描述，對(duì)粉末體與芯模、包套的接觸關(guān)系相匹配，其接觸約束通過(guò)直接約束的方式來(lái)表達(dá)，溫度和靜水壓力均作用在外包套上，同時(shí)考慮加載方向隨包套尺寸的改變而變化，作用力方向始終垂直于包套。

2 模型參數(shù)設(shè)置

2.1 網(wǎng)格模型與材料參數(shù)

經(jīng)簡(jiǎn)化后的軸承座產(chǎn)品模型如圖1所示，其最大直徑為Φ310 mm，高度為150 mm。

圖1 軸承座產(chǎn)品

采用Marc對(duì)包套、軸承座粉末體、芯模分別進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，單元格總數(shù)為77 790個(gè)，其模型截面如圖2所示。金屬粉末材料選擇TA15鈦合金，密度為4.45 g/cm3，初始相對(duì)密度設(shè)置為0.7；芯模和包套材料均選用20#碳鋼，其物性參數(shù)可在Marc軟件材料性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行選擇。

圖2 數(shù)值模型截面Fig.2 Sectional view of numerical model

2.2 邊界條件

熱等靜壓過(guò)程采用120 MPa/900℃、保溫2 h的工藝參數(shù)進(jìn)行模擬，其載荷與溫度由包套外側(cè)向內(nèi)部施加，作用方向均垂直于包套外表面，且隨著工藝過(guò)程的進(jìn)行，包套形狀發(fā)生改變，其力的方向也隨之變化，但其方向仍垂直于包套，直到整個(gè)模擬過(guò)程結(jié)束。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 零件相對(duì)密度分布

由于軸承座產(chǎn)品為回轉(zhuǎn)體軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了更直觀的對(duì)粉末冶金熱等靜壓成形過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行切片分析，選取零件4個(gè)典型工況步進(jìn)行觀察，如圖3所示：第300步為熱等靜壓工藝的3 000 s，這時(shí)處于工藝升溫升壓狀態(tài)，壓力為100 MPa，溫度為750℃；第600步、第900步分別為工藝的6 000 s、9 000 s，均為保溫保壓階段，壓力為120 MPa，溫度為900℃；保溫結(jié)束后對(duì)壓力和溫度進(jìn)行卸載，第1440步為熱等靜壓工藝的14 400 s，是整個(gè)工藝的結(jié)束點(diǎn)。由圖3可以看出，熱等靜壓3 000 s時(shí)，溫度和壓力均未達(dá)到設(shè)定的最大值，此時(shí)，零件外形也隨著包套發(fā)生了一定的形變，粉末體局部密度已經(jīng)開始發(fā)生變化，中心部位的相對(duì)密度出現(xiàn)了明顯的梯度分布，外邊緣位置的相對(duì)密度變化較小，尤其是內(nèi)凸臺(tái)和右下凸臺(tái)位置的相對(duì)密度未發(fā)生變化；隨著工藝過(guò)程的進(jìn)行，到6 000 s時(shí)已到達(dá)保溫保壓階段，并持續(xù)了40 min，可見此時(shí)零件大多位置的相對(duì)密度達(dá)到了0.98，而兩個(gè)凸臺(tái)部位相對(duì)密度僅為0.85；從9 000 s至14 400 s過(guò)程中，零件形狀持續(xù)發(fā)生改變，相對(duì)密度逐漸增加；結(jié)束時(shí)，零件整體密度基本達(dá)到0.98，局部位置的相對(duì)密度也在0.85以上。

由于工藝結(jié)束后零件兩側(cè)凸臺(tái)位置仍存在相對(duì)密度的梯度變化，對(duì)這兩處位置進(jìn)行相對(duì)密度分析，其變化曲線如圖4所示。分析成形工藝過(guò)程認(rèn)為，該現(xiàn)象與溫度和壓力參數(shù)無(wú)關(guān)，而與零件、包套結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于芯部模具的存在，使受力狀態(tài)發(fā)生變化，熱等靜壓的靜水壓力變?yōu)橛赏獠肯騼?nèi)施加的單向壓力，而粉末體在成形過(guò)程中相當(dāng)于帶孔隙的連續(xù)體，因此，在壓力傳遞過(guò)程中發(fā)生損耗，尤其是內(nèi)凸臺(tái)的尖角位置，壓力不易傳遞，出現(xiàn)明顯的梯度現(xiàn)象；而外部由于邊緣的尖角效應(yīng)，作用在包套上壓力未完全作用至粉末體上，造成該部位相對(duì)密度偏低。

3.2 零件位移量分析

由圖5零件相對(duì)位移變化情況可以看出，零件肩部位置變化最大，其肩部最大位移量達(dá)到了15 mm，這是因?yàn)樵撐恢锰畛涞姆勰┝孔畲?，其間隙量相對(duì)較大，在壓力作用下收縮量達(dá)到最大值；而靠近芯部模具的邊緣位置和兩側(cè)凸臺(tái)位置的相對(duì)位移量較小，僅為5 mm，這與相對(duì)密度分布是相對(duì)應(yīng)的，也是造成兩側(cè)凸臺(tái)位置相對(duì)密度偏低的主要原因。

圖5 相對(duì)位移變化情況

3.3 對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)

通過(guò)模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該零件的主要缺陷為局部相對(duì)密度偏低導(dǎo)致性能下降，肩部收縮量較大易造成局部材料缺失；針對(duì)缺陷存在的風(fēng)險(xiǎn)，建議在零件肩部位置增加5 mm以上的裝粉量，對(duì)粉末收縮的尺寸進(jìn)行補(bǔ)償；在外包套設(shè)計(jì)上，應(yīng)采用光滑過(guò)渡，避免設(shè)計(jì)成尖角或棱邊形式，并減小包套局部厚度，有利于外部壓力傳遞；芯部模具可設(shè)計(jì)為空心結(jié)構(gòu)，使外部單向受力變?yōu)閮?nèi)、外雙向受力，提高產(chǎn)品致密度；此外，還應(yīng)在尖角位置加3 mm以上填粉量，在后續(xù)機(jī)加工過(guò)程中，將相對(duì)密度較低部位去除掉，保留壓實(shí)部位，保證產(chǎn)品整體質(zhì)量。實(shí)踐證明，經(jīng)改進(jìn)后的工藝能夠壓制出合格的軸承座毛坯件。

4 結(jié)論

(1)采用Marc軟件對(duì)軸承座零件粉末冶金熱等靜壓工藝過(guò)程進(jìn)行模擬，設(shè)置了相應(yīng)的粉體材料、芯模、包套的性能參數(shù)，并建立了工藝過(guò)程的幾何非線性、材料非線性、邊界條件非線性等數(shù)學(xué)模型。

(2)通過(guò)熱等靜壓工藝過(guò)程的模擬計(jì)算，分析結(jié)果可知，采用該熱等靜壓工藝可有效提高材料整體相對(duì)密度，但在兩側(cè)凸臺(tái)位置仍存在相對(duì)密度梯度分布，相對(duì)密度0.85左右，而該位置的相對(duì)位移量也較小，兩者結(jié)果吻合，易造成產(chǎn)品性能下降；此外，零件肩部位置的收縮量較大，易發(fā)生材料缺失。

(3)根據(jù)模擬結(jié)果和缺陷產(chǎn)生原因的分析，建議在收縮量較大部位和相對(duì)密度低的部位增加粉末填充量，保證產(chǎn)品最終尺寸；對(duì)于兩側(cè)尖端部位，建議降低包套厚度，并將包套外形設(shè)計(jì)為光滑過(guò)渡，且芯部模具可改為空心結(jié)構(gòu)，保證內(nèi)外受力均勻，提高零件整體相對(duì)密度，制備出性能、尺寸合格的產(chǎn)品。

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Numerical Simulation of Hot Isostatic Pressing for TA15 Titanium Alloy Powder Product

WANG Bing JI Wei DENG Taiqing ZHAO Feng LIN Yansong

(Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology，Beijing 100076)

In order to reduce development cycle and test costs of high quality powder metallurgy new products, hip near net-shape forming process of bushing bearing was simulated by Marc. The results show that product geometric dimensions change greatly and the relative density reached 0.98，the local tip position relative density is only 0.85 by the process of forming. In order to improve the local position density and ensure the overall quality of the product, an improvement program by improving the capsule and mold structure, the local increasing in the amount of powder is proposed. The result has provided theoretical guidance for the actual production by numerical simulation.

Hot isostatic pressing, Numerical simulation, Relative density

2016-12-05

王冰，1984年出生，工程師，主要從事粉末冶金產(chǎn)品及技術(shù)研究工作。E-mail：fevernova9180@163.com

TG376

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.004