文／李治華，邰清安·中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)有限責(zé)任公司鄧太慶·航天材料及工藝研究所

本項(xiàng)目采用850℃～980℃溫度、施加壓力不小于120MPa、保持2h～4h成形后爐冷的熱等靜壓工藝，700℃～850℃保溫1h～4h，冷卻到100℃以下出爐空冷的熱處理工藝成形出尺寸和表面質(zhì)量滿足加工要求、室溫拉伸性能接近鍛件水平的粉末制件，實(shí)現(xiàn)了鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的整體近凈成形。

熱等靜壓工藝（HIP）是一種以氮?dú)?、氬氣等惰性氣體為傳壓介質(zhì)，將制品放置到密閉的容器中，在一定的溫度和壓力的共同作用下，向制品施加各向同等的壓力，對制品進(jìn)行壓制燒結(jié)處理的技術(shù)。HIP成形技術(shù)是在冷等靜壓和熱壓技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的綜合工藝，HIP最早開始用于難成形材料的制坯和擴(kuò)散連接。但隨著HIP設(shè)備和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，HIP在近凈成形難加工材料復(fù)雜零件方面的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)了出來，成為當(dāng)今世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家研究的熱點(diǎn)。

HIP近凈成形技術(shù)結(jié)合了粉末HIP技術(shù)制備高性能組織和模具（包套與型芯）控形技術(shù)，在一次熱等靜壓過程中同時實(shí)現(xiàn)材料致密和構(gòu)件成形的工藝過程，是典型的“材料-工藝一體化技術(shù)”。其主要涉及粉末制備、包套與型芯設(shè)計與制造、熱等靜壓工藝、包套與型芯的去除等。其中，包套為成形粉末提供真空環(huán)境，并傳遞溫度、壓力致密粉末，型芯約束最終零件的結(jié)構(gòu)。熱等靜壓后，包套和型芯一般需要去除，結(jié)構(gòu)簡單的包套和型芯采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法即可去除，結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位一般采用選擇性腐蝕的方法去除。去除包套和型芯后，即可獲得高致密、力學(xué)性能與鍛件相當(dāng)、尺寸精度高的金屬零件，整個過程幾乎不產(chǎn)生任何廢料。

熱等靜壓技術(shù)早期主要用于核燃料的制備，20世紀(jì)80年代美國空軍材料實(shí)驗(yàn)室將該工藝擴(kuò)展到了制造鎳基高溫合金和鈦合金的預(yù)成形坯。國內(nèi)導(dǎo)彈研究院的李海泓分析了鈦合金粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并采用鈦合金粉末冶金技術(shù)成形出性能優(yōu)越的空空導(dǎo)彈伺服機(jī)構(gòu)殼體。本文研究的軸承座是后機(jī)匣的主要部件（見圖1），材料為ZTA15，最大直徑φ432mm，總高168mm，壁厚4mm，零件前后端面分布有螺栓孔、螺紋孔、銷子孔、減重花邊；徑向分布有斜安裝座、腔槽、銷子孔、減重槽，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。目前成形工藝采用熔模鑄造，毛料問題多，零件表面經(jīng)常發(fā)現(xiàn)缺陷，導(dǎo)致處理周期長，合格率低。本文旨在采用一種復(fù)雜構(gòu)件近凈成形方法，成形出尺寸和表面質(zhì)量滿足加工要求、室溫拉伸性能接近鍛件水平的粉末制件，解決軸承座毛坯存在的問題。

圖1 軸承座零件圖

軸承座熱等靜壓成形工藝

熱等靜壓工藝流程

軸承座熱等靜壓近凈成形工藝流程如圖2所示。

圖2 軸承座熱等靜壓近凈成形工藝流程圖

⑴模擬條件。

基于有限元軟件，對軸承座在高溫下熱等靜壓過程的行為進(jìn)行分析，充分了解合金粉末在熱等靜壓過程中的變形趨勢，為后續(xù)包套設(shè)計提供理論參考。芯模及包套的形狀如圖3所示。

圖3 熱等靜壓模具圖

包套與芯模之間的空隙部位填充鈦合金（TA15）粉末。該零件為軸對稱回轉(zhuǎn)體工件，因此，在有限元分析時，為減少計算工作量，提高計算效率，只對其中1/4進(jìn)行計算分析?？紤]到數(shù)值模型劃分網(wǎng)格的復(fù)雜性，有限元分析可利用平面網(wǎng)格周向擴(kuò)展方法得到各工件的三維網(wǎng)格，所得五面體網(wǎng)格單元數(shù)少、精度高，該劃分方式在模擬過程中具有計算速度快、成形精確度高、易于計算等優(yōu)勢，可對工件在熱等靜壓過程的變形行為進(jìn)行直觀分析?；谳S承座包套、零件、芯模實(shí)際尺寸結(jié)構(gòu)，建立二維網(wǎng)格模型，并通過擴(kuò)展方式，建立起的三維五面體網(wǎng)格模型如圖4所示，單元格總數(shù)為77790個，其中包套單元格數(shù)10770個，零件單元格數(shù)19320個，內(nèi)芯單元格數(shù)47700個，變形體之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.2；加載時間14400s，增量步長設(shè)為10s；總增量步數(shù)為1440步。收斂容差采用相對位移，設(shè)為0.1。

軸承座熱等靜壓有限元分析

圖4 三維網(wǎng)格模型

⑵模擬結(jié)果分析。

為了清晰直觀的查看TA15鈦合金熱等靜壓的成形過程，采用切片的方式對模擬結(jié)果進(jìn)行分析；由于該零件為近似回轉(zhuǎn)體軸對稱結(jié)構(gòu)，取其中一個切片的模擬過程進(jìn)行分析。

1)相對密度變化情況。

在熱等靜壓過程中，其不同時間段的相對密度變化情況如圖5所示。

圖5 相對密度變化情況

熱等靜壓3000s時，溫度和壓力均未達(dá)到設(shè)定的最大值，此時，局部密度已經(jīng)開始發(fā)生變化，零件外形也隨著包套發(fā)生了一定的形變；6000s時，已達(dá)到熱等靜壓保溫保壓狀態(tài)，并持續(xù)了40min，可見此時零件大多位置的相對密度達(dá)到了0.98，而下方的兩個凸出部位相對密度僅為0.85；從10000s至14400s過程中，零件形狀持續(xù)發(fā)生改變，相對密度逐漸增加；結(jié)束時，零件整體相對密度基本達(dá)到0.98，局部位置的相對密度也在0.90以上，說明在這些局部位置不易致密，在后期模具設(shè)計和熱等靜壓工藝參數(shù)選取上需注意考慮。通過后期實(shí)際熱等靜壓工藝過程試驗(yàn)可知，在那些局部不易致密的位置幾乎能獲得全致密，說明該包套結(jié)構(gòu)經(jīng)3h熱等靜壓處理后完全能獲得幾乎全致密零件，保證零件具有良好的力學(xué)性能。

2)相對位移變化情況。

軸承座熱等靜壓過程中，其不同時間的相對位移變化情況如圖6、圖7所示。

熱等靜壓3000s時，溫度和壓力分別達(dá)到800℃和120MPa，在該環(huán)境下零件隨著包套發(fā)生了一定的形變；6000s時，已達(dá)到熱等靜壓保溫保壓狀態(tài)，并持續(xù)了40min，零件整體發(fā)生了較大的位移，尤其是肩部的位移量較大，X方向和Y方向相對位移量約為9mm和13mm；從10000s至14400s過程中，零件形狀持續(xù)發(fā)生改變，在14400s結(jié)束時，零件整體相對位移量達(dá)到最大，其最大位移發(fā)生在肩部，X方向和Y方向相對位移量約為14mm和18mm，接近內(nèi)表面位置粉末變形較小，這是由于軸承座內(nèi)表面受包套芯模約束，在熱等靜壓過程中尺寸基本保持不變，粉末基本上靠外包套受力致使其收縮致密。因此，在實(shí)際操作過程中，為了保證熱等靜壓近凈成形后零件的尺寸，應(yīng)充分考慮粉末收縮和包套變形情況，結(jié)合實(shí)際情況，精確設(shè)計包套結(jié)構(gòu)和尺寸，實(shí)現(xiàn)軸承座產(chǎn)品熱等靜壓近凈成形。

圖6 X方向相對位移變化情況

圖7 Y方向相對位移變化情況

軸承座粉末制件性能檢測

力學(xué)性能

本批軸承座共2件（見圖8），分別在解剖件和試環(huán)上進(jìn)行力學(xué)性能檢測，檢測結(jié)果見表1。從表中數(shù)據(jù)可以看出：粉末軸承座無論是試環(huán)還是解剖件室溫性能都達(dá)到了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，500℃的持久時間都在90h以上，雖然在標(biāo)準(zhǔn)中要求實(shí)測，但其值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鍛件要求的50小時。

圖8 TA15合金軸承座

高低倍組織

TA15合金軸承座粉末件低倍試樣在解剖件縱向位置切取，低倍檢測結(jié)果見圖9，無裂紋、氣孔、偏析、金屬和非金屬夾雜、縮孔及其他冶金缺陷。

TA15合金軸承座粉末件高倍組織可見圓形顆粒，在掃描電鏡下對顆粒成分進(jìn)行能譜分析，粉末顆粒周邊和內(nèi)部元素含量無明顯差異，見圖10。

無損檢測

根據(jù)試制協(xié)議要求軸承座需要進(jìn)行X射線和熒光檢查，確定是否存在內(nèi)部缺陷。按GJB1187A-2001的B級分別對2件軸承座進(jìn)行X射線檢查，不存在氣孔、夾雜和裂紋等缺陷。按GJB 2367A-2005分別對2件軸承座進(jìn)行熒光滲透檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。

表1 TA15軸承座性能檢測結(jié)果

圖9 TA15合金軸承座低倍組織

圖10 TA15合金軸承座高倍組織

結(jié)論

⑴采用熱等靜壓工藝能夠成形出粉末合金軸承座復(fù)雜制件；

⑵熱等靜壓工藝成形的軸承座組織和性能滿足試制技術(shù)協(xié)議的要求，軸承座粉末制件內(nèi)部不存在氣孔、夾雜和裂紋等缺陷。