鈦合金粉末熱等靜壓近凈成形成本分析

徐 磊，郭瑞鵬, 2，劉羽寅

(1.中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016)(2.東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110819)

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鈦合金粉末熱等靜壓近凈成形成本分析

徐 磊1，郭瑞鵬1, 2，劉羽寅1

(1.中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016)(2.東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110819)

采用粉末冶金熱等靜壓近凈成形(NNS-PM-HIP)技術(shù)制備了幾種典型的鈦合金結(jié)構(gòu)件，利用技術(shù)成本模型分析了NNS-PM-HIP工藝制備鈦合金構(gòu)件的經(jīng)濟性，并與其他成形工藝進行了對比。結(jié)果表明：隨著工件尺寸的加大、復(fù)雜程度的提高，包套/模具的制作以及熱等靜壓成為影響采用NNS-PM-HIP技術(shù)制備鈦合金構(gòu)件成本的主要因素。有限元模擬仿真的介入和工件的批量化生產(chǎn)使得NNS-PM-HIP工藝的成本顯著降低。與鍛造等工藝相比，工件越復(fù)雜、尺寸越大，以及原材料成本占總成本比例越低，NNS-PM-HIP工藝成形鈦合金構(gòu)件的優(yōu)勢越發(fā)突出。

鈦粉末；熱等靜壓；技術(shù)成本分析；復(fù)雜鈦合金構(gòu)件

0 引 言

粉末冶金熱等靜壓近凈成形(near-net-shape hot-isostatic-pressing technology of powder metallurgy，以下簡稱NNS-PM-HIP)特別適合制備具有復(fù)雜型腔的金屬構(gòu)件和金屬薄壁件。20世紀(jì)90年代以來，隨著鈦合金粉末制備工藝的進步和熱等靜壓技術(shù)的日趨成熟，美歐等工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)國家均開展了利用NNS-PM-HIP技術(shù)制備金屬粉末結(jié)構(gòu)件的研發(fā)工作，如高溫合金渦輪盤、Ti-6Al-4V合金整體葉輪、鈦合金大尺寸中介機匣等[1-3]，并獲得了初步應(yīng)用。

傳統(tǒng)的鈦合金成形工藝有鑄造和鍛造等，但對于具有復(fù)雜型腔的構(gòu)件和大型薄壁回轉(zhuǎn)體來說，鑄造所帶來的縮孔、疏松以及模殼材料夾雜和成分宏觀偏析等缺陷難以徹底消除。而鍛造所需的后續(xù)機加工復(fù)雜且周期長, 材料利用率低, 經(jīng)濟性差。NNS-PM-HIP技術(shù)則能夠解決鑄造鈦合金組織不均勻、宏觀成分偏析和其他典型鑄造缺陷難以徹底消除等問題，而且突破了鑄錠尺寸和熱變形設(shè)備能力對鈦合金構(gòu)件尺寸及形狀的限制，能夠制備尺寸更大、形狀復(fù)雜的構(gòu)件，且制備的鈦合金件具有組織細(xì)小均勻、綜合性能優(yōu)良等特點。此外，NNS-PM-HIP技術(shù)可以大大提高材料的利用率(通常超過80%)[4]，成本效應(yīng)顯著。因此，近年來利用NNS-PM-HIP技術(shù)制備鈦合金構(gòu)件受到越來越多的關(guān)注，逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點領(lǐng)域。

拓展NNS-PM-HIP技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域需要解決兩大難題，分別是減小孔隙以及降低成本。國內(nèi)外多家研究機構(gòu)的研究結(jié)果表明，采用NNS-PM-HIP技術(shù)能夠制備出接近理論密度的合金件，并且合金的力學(xué)性能能夠全面超越鑄造合金件，接近或達(dá)到變形合金件的水平[1,5-7]。目前國內(nèi)外大多數(shù)研究工作者主要致力于制備出全致密高性能的粉末冶金件，而針對生產(chǎn)實際中最關(guān)心的近凈成形工藝成本分析的報道較少。降低成本是促使NNS-PM-HIP技術(shù)工程化應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，結(jié)合國內(nèi)外最新研究進展，分析了采用NNS-PM-HIP技術(shù)制備鈦合金件的成本構(gòu)成和影響因素，探討了在保證成形件質(zhì)量的基礎(chǔ)上降低NNS-PM-HIP工藝成本的技術(shù)途徑。

1 成本分析的意義

如何針對技術(shù)變化和投資規(guī)模變動做出科學(xué)決策是技術(shù)管理者和技術(shù)人員的一項日常性工作內(nèi)容。傳統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟分析通常分為技術(shù)評價和經(jīng)濟評價兩部分。通過特定的工藝選擇確定技術(shù)指標(biāo)(這些指標(biāo)一般是相對固定的), 再用于經(jīng)濟評價，因此經(jīng)濟收益的評價是一個靜態(tài)過程。如果技術(shù)指標(biāo)有變動，大都是數(shù)值的變動，本質(zhì)上并不是工藝技術(shù)的變動。如何反映日新月異的技術(shù)進步和技術(shù)創(chuàng)新對成本的影響，需要作定量的科學(xué)評價[8-9]。進行成本分析的目的則在于在工件設(shè)計初期為設(shè)計部門提供參考。為此，本研究在多種粉末冶金構(gòu)件研制的基礎(chǔ)上，建立了NNS-PM-HIP工藝的成本分析模型。

在進行技術(shù)成本分析之前，首先要根據(jù)工藝過程確定技術(shù)成本的構(gòu)成。根據(jù)會計學(xué)的原理，技術(shù)成本的構(gòu)成因素通常分為固定成本因素和變量成本因素。隨產(chǎn)品產(chǎn)量變化而變化的因素稱為變量成本因素，例如原材料等，其余的稱為固定成本因素，如工藝流程中的必須成本及生產(chǎn)場地費用等。在以下的分析討論中，假設(shè)固定成本因素在總成本中所占的比例為定值，因此，本研究建立的成本分析只分析變量成本因素，這也是工程技術(shù)人員最關(guān)心的成本因素。

圖1是NNS-PM-HIP成形的關(guān)鍵工藝過程。根據(jù)NNS-PM-HIP成形的工藝特點，其成本構(gòu)成因素包括粉末原材料、包套/模具的制作、檢漏測試/粉末填充/真空加熱除氣處理和封焊、熱等靜壓成形、包套的去除等因素。

圖1 NNS-PM-HIP成形工藝流程圖Fig.1 Schematic of NNS-PM-HIP process

2 NNS-PM-HIP構(gòu)件案例分析

本研究選用Ti-6Al-4V合金、Ti-55合金和Ti3Al基合金的預(yù)合金粉末，通過NNS-PM-HIP工藝制備了三種鈦合金件，表1則為采用NNS-PM-HIP技術(shù)制備的這三種鈦合金構(gòu)件的相關(guān)參數(shù)。

表1 采用NNS-PM-HIP工藝制備鈦合金構(gòu)件的相關(guān)參數(shù)

2.1 案例1——Ti-6Al-4V合金薄壁筒體

圖2是利用NNS-PM-HIP工藝制備的Ti-6Al-4V合金薄壁筒體，其幾何尺寸為φ220 mm×575 mm, 壁厚2 mm，筒體內(nèi)壁帶有加強筋以及若干圓形凸臺。

圖2 NNS-PM-HIP工藝制備的Ti-6Al-4V合金薄壁筒體Fig.2 Ti-6Al-4V thin-wall cylinder produced by NNS-PM-HIP

圖3 為NNS-PM-HIP工藝制備的Ti-6Al-4V合金薄壁筒體成本構(gòu)成。可以看出，包套制作、粉末原材料和熱等靜壓占總成本的比例超過90%，其中粉末原材料所占比例為34%。結(jié)合圖2分析可知，此類構(gòu)件形狀簡單，采用NNS-PM-HIP工藝制備該類材料低廉、形狀簡單的薄壁回轉(zhuǎn)體構(gòu)件并無顯著優(yōu)勢。但是，其他方法制備壁厚為1.5～3 mm的鈦合金回轉(zhuǎn)體存在很大困難，而采用NNS-PM-HIP工藝可以為一次成形此類構(gòu)件提供新的技術(shù)途徑。

圖3 NNS-PM-HIP工藝制備的Ti-6Al-4V合金薄壁筒體成本的構(gòu)成圖Fig.3 Cost breakdown for Ti-6Al-4V thin-wall cylinder produced by NNS-PM-HIP process

2.2 案例2——Ti-55合金異形筒體

圖4是利用NNS-PM-HIP工藝制備的Ti-55合金異形筒體，其廣口呈圓形(直徑500 mm)，細(xì)口處的幾何形狀不規(guī)則，總長為720 mm，壁厚為1.8 mm，筒體外壁帶有盲筋，總體呈流線型。

圖5為NNS-PM-HIP工藝制備的Ti-55合金異形筒體的主要成本構(gòu)成。可以看出，粉末原材料和熱等靜壓費用占總成本的比例超過70%；包套/模具的制作和去除占總成本的27%左右。該類工件的典型結(jié)構(gòu)特點是尺寸較大、壁厚薄，而且?guī)缀涡螤畈粚ΨQ，但包套/模具的制作和去除相對容易，因此決定此類工件成本的主要因素是粉末原材料和熱等靜壓。結(jié)合表1和圖4分析可知，對于此類大型薄壁構(gòu)件，材料利用率高(本研究中超過82%)，凸顯了NNS-PM-HIP工藝制備此類構(gòu)件的成本優(yōu)勢。

圖4 NNS-PM-HIP工藝制備的Ti-55合金異形筒體Fig.4 Ti-55 asymmetric cylinder produced by NNS-PM-HIP

圖5 NNS-PM-HIP工藝制備的Ti-55合金異形筒體的成本構(gòu)成圖Fig.5 Cost breakdown for Ti-55 asymmetric cylinder produced by NNS-PM-HIP process

2.3 案例3——Ti3Al基合金環(huán)形件

圖6是利用NNS-PM-HIP工藝制備的Ti3Al基合金環(huán)形件，其幾何尺寸為φ650 mm×120 mm，環(huán)形件中心均布4個中空排氣管，邊緣均勻分布多個葉片。

圖6 NNS-PM-HIP工藝制備的Ti3Al基合金環(huán)形件Fig.6 Ti3Al-based alloy ring produced by NNS-PM-HIP

圖7為NNS-PM-HIP工藝制備的Ti3Al基合金環(huán)形件的主要成本構(gòu)成。可以看出，由于此類工件形狀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包套制作占總成本的比例很高，接近60%，而包套/模具的制作、熱等靜壓和粉末原材料占總成本的比例超過了90%。分析可知，此類構(gòu)件形狀復(fù)雜，材料所占成本最小，僅為13%，而包套制作和熱等靜壓成本接近80%，這集中體現(xiàn)了粉末冶金工藝材料利用率高，特別適合用于制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的優(yōu)勢，這也是該工藝的應(yīng)用方向。

圖7 NNS-PM-HIP工藝制備的Ti3Al基合金環(huán)形件的成本構(gòu)成圖Fig.7 Cost breakdown for Ti3Al-based alloy ring produced by NNS-PM-HIP process

3 NNS-PM-HIP經(jīng)濟性分析

圖8為NNS-PM-HIP工藝制備的3種鈦合金構(gòu)件成本構(gòu)成對比圖。由圖8可以看出，在本研究條件下，包套的去除占工藝總成本的比例基本不變，為7% ～9%。對比兩種薄壁筒體成形成本構(gòu)成(圖2、4)可以發(fā)現(xiàn)，粉末原材料的成本占總成本的比例較高，在40%左右；而結(jié)構(gòu)復(fù)雜的環(huán)形件(圖6)與大型薄壁筒體(圖4)相比，包套/模具制作的成本隨構(gòu)件形狀復(fù)雜程度的提高而顯著上升，相應(yīng)地粉末原材料所占成本比例明顯下降，這也是NNS-PM-HIP工藝制備鈦合金構(gòu)件比較理想的成本構(gòu)成。因為采用NNS-PM-HIP工藝制造的構(gòu)件材料越貴、加工難度越大，相對來說材料利用率就越高，這樣會大大降低成本。盡管包套制造成本占了很大比例，但是由于一些復(fù)雜的鈦合金粉末成形件均需要數(shù)控加工，而且有些難加工的鈦合金數(shù)控加工成本很高，包套制造成本會與成形件數(shù)控加工成本相互抵消一部分。因此，材料利用率提高對降低成形件的總成本會起到?jīng)Q定作用。

圖8 NNS-PM-HIP工藝制備的3種鈦合金構(gòu)件的成本構(gòu)成對比圖Fig.8 Cost breakdown for three components produced by NNS-PM-HIP process

3.1 NNS-PM-HIP工藝與典型工藝成本分析對比

通過對三種典型鈦合金構(gòu)件成形成本的分析，不難發(fā)現(xiàn)從技術(shù)角度講NNS-PM-HIP工藝適合制備薄壁回轉(zhuǎn)體或具有復(fù)雜型腔的構(gòu)件以及難加工或者采用其他工藝方法難以成形的構(gòu)件。表2列出了上述三種典型鈦合金構(gòu)件的制造成本與傳統(tǒng)工藝制造成本對比。

表2 NNS-PM-HIP工藝制備的3種典型鈦合金構(gòu)件成本與傳統(tǒng)工藝制備的對比

由表2分析可知，對于1#構(gòu)件，NNS-PM-HIP工藝與傳統(tǒng)工藝相比，不僅沒有成本優(yōu)勢，而且成本明顯偏高，但是NNS-PM-HIP構(gòu)件規(guī)避了焊縫開裂的風(fēng)險，適合使用條件苛刻的場合。對于2#構(gòu)件，NNS-PM-HIP工藝與傳統(tǒng)工藝相比，成本接近，但是粉末冶金產(chǎn)品穩(wěn)定性更好，可以用于制備此類構(gòu)件。對于3#構(gòu)件，NNS-PM-HIP工藝成本僅為傳統(tǒng)工藝方法的70%左右，無論從成本上還是從冶金質(zhì)量上考慮都特別適合采用NNS-PM-HIP工藝來制造。

NNS-PM-HIP工藝的材料利用率高，特別適合制備具有復(fù)雜型腔的鈦合金構(gòu)件和大型薄壁鈦合金構(gòu)件。然而該種工藝真正能夠工程化應(yīng)用，其成本必須和傳統(tǒng)的制備工藝如精密鑄造、鍛造+機加工等具有可比性。據(jù)統(tǒng)計，NNS-PM-HIP工藝的制造成本比常規(guī)工藝如鍛造+機加工等可降低20%以上[10]。以圖4Ti-55合金異形筒體為例，目前，此類構(gòu)件典型制造方式為超塑性成形和精密鑄造。超塑性成形構(gòu)件可成形外圈筒體，但盲筋部分需焊接到筒體上，這不僅增加了成本而且提升了焊縫開裂的風(fēng)險，此外，焊接盲筋時需增加焊接工藝凸臺，對構(gòu)件整體的減重不利；采用精密鑄造成形此類工件時，由于疏松、成分偏析等鑄造缺陷難以徹底消除使精密鑄造工藝的成品率較低，而且后續(xù)處理 (比如清殼、熱等靜壓后續(xù)致密化、化洗減薄等) 使得制造成本大大提升。本研究通過粉末冶金工藝制備的Ti-55合金異形筒體材料利用率在82%左右，而且整體構(gòu)件一次成形，無焊接工藝凸臺，減重效果明顯。上述對比分析可知，采用NNS-PM-HIP工藝制備材料成本較高、局部形狀復(fù)雜的薄壁回轉(zhuǎn)體構(gòu)件優(yōu)勢顯著。

目前，工程上通常采用鍛造+機加工工藝制備如圖6所示的Ti3Al基合金環(huán)形件。實際構(gòu)件的質(zhì)量為14 kg左右，如采用鍛造工藝，首先應(yīng)制備出如圖9所示的鍛件，再進行數(shù)控加工，其中工件支板、葉片和型腔均是機加工出來的。

圖9 Ti3Al基合金鍛件Fig.9 The forging of Ti3Al-based alloy

該鍛件的質(zhì)量為133 kg左右，鍛造Ti3Al基合金成本約為2 000元/kg，且Ti3Al基合金為較典型的可加工性差的鈦合金，使得后續(xù)機加工占總制造成本的比例顯著上升。如果采用NNS-PM-HIP工藝，實際用粉量為25 kg左右(包括冒口及工藝損耗等)，材料利用率是鍛造工藝的5倍以上，且成形后可實現(xiàn)關(guān)鍵尺寸不加工，非關(guān)鍵尺寸少加工。此外，由于Ti3Al基合金合金化程度高、難變形，鍛件尺寸受鑄錠尺寸和熱變形設(shè)備能力限制，而NNS-PM-HIP工藝能夠突破這一限制，可制備形狀更為復(fù)雜、尺寸更大的Ti3Al基合金構(gòu)件(φ650 mm×125 mm)，見圖10，且力學(xué)性能與鍛造合金具有可比性[11]。

圖10 利用NNS-PM-HIP工藝制備的Ti3Al基合金復(fù)雜環(huán)形件Fig.10 Ti3Al-based alloy complex part produced by NNS-PM-HIP process

3.2 有限元模擬仿真對成本的影響

NNS-PM-HIP工藝可以實現(xiàn)近凈成形，然而過去20年來科研工作者通常根據(jù)經(jīng)驗，利用費時費力的“試錯法”或者關(guān)鍵部位留足余量通過后續(xù)加工來獲得粉末冶金構(gòu)件。近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，以及MARC/ABAQUS等通用有限元仿真軟件功能的日益提升和完善，計算機模擬關(guān)鍵尺寸收縮技術(shù)為采用NNS-PM-HIP工藝制備各種工程構(gòu)件提供了有力支持[12]。英國Yuan[3]等人利用ABAQUS/CAE對粉末體在熱等靜壓過程中的收縮變形進行了數(shù)值預(yù)測，并試制了Ti-6Al-4V合金機匣縮比件，結(jié)果顯示，模擬尺寸和構(gòu)件實際尺寸的偏差在2%以內(nèi)；中國科學(xué)院金屬研究所從2000年起陸續(xù)開展了鈦合金NNS-PM-HIP技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)問題的研究，初步掌握了粉末冶金致密化過程的收縮行為[13]和復(fù)雜構(gòu)件的制造工藝，形成了計算機仿真預(yù)測和內(nèi)部成形模具的設(shè)計能力。采用有限元模擬仿真可以優(yōu)化包套設(shè)計，大幅縮短從包套設(shè)計到生產(chǎn)合格工件的周期；同時研究者可以精確預(yù)測粉末在熱等靜壓致密化后構(gòu)件的尺寸，實現(xiàn)近凈成形甚至凈成形，有效降低后續(xù)加工成本。

綜上所述，NNS-PM-HIP成形工藝適合制備鍛造+機加工等常規(guī)工藝成形困難的構(gòu)件，特別適合制備大型薄壁或者具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件；有限元模擬仿真可以有效地降低工件前期設(shè)計成本；工件的批量化生產(chǎn)可以有效地提高熱等靜壓爐的效率，同時包套/模具制作和去除的成本也相應(yīng)地有所降低，從而使單個工件的成本明顯降低。

4 結(jié) 論

(1) NNS-PM-HIP成形工藝的主要成本構(gòu)成為粉末原材料、包套/模具的制作、熱等靜壓和包套/模具的去除。

(2) 隨著工件形狀尺寸復(fù)雜程度的提高，包套/模具制作和熱等靜壓成為NNS-PM-HIP工藝成本的主要因素。而有限元模擬仿真和工件的批量化生產(chǎn)能夠使工藝的成本明顯降低。

(3) 與鍛造等工藝相比，NNS-PM-HIP工藝在制備薄壁筒體時無成本優(yōu)勢，但可為工件一次成形提供新的技術(shù)途徑。對于結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，或原材料越昂貴的工件，NNS-PM-HIP工藝的優(yōu)勢愈發(fā)突出。

[1]Baccion R, Morret F, Fellerin F, et al. High performance and high complexity net shape parts for gas turbines: the ISOPREC powder metallurgy process[J]. Materials & Design, 2000, 21(4):345-350.

[2]Froes F H, Mashl S J. The technologies of titanium powder metallurgy[J]. JOM, 2004, 56(11): 46-48.

[3]Yuan W X, Mei J, Armrov V, et al. Computer modeling and tooling design for near net shaped components using hot isostatic pressing[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 182(1/3): 39-49.

[4]Zak Fang Z. Sintering of advanced materials: fundamental and processes[M]. Cambridge, UK: Woodhead Publishing Limited, 2010.

[5]Wang L, Lang Z B, Shi H P. Properties and forming process of prealloyed powder metallurgy Ti-6Al-4V alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2007, 17(3): 639-643.

[6]Zhang K, Mei J, Wain N, et al. Effect of hot-isostatic-pressing parameters on the microstructure and properties of powder Ti-6Al-4V hot-isostatically-pressed samples[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2010, 41(4): 1033-1045.

[7]Xu L, Guo R P, Bai C G, et al. Effect of hot-isostatic-pressing conditions and cooling rate on microstructure and properties of Ti-6Al-4V alloy from atomized powder[J]. Journal of Materials Science & Technology, in press.

[8]Szekely J, Busch J, Trapaga G. The integrat ion of process and cost modeling-a powerful tool for business planning[J]. JOM, 1996, 48(12): 43-48.

[9]Bhatkal R, Busch J. Applying technical cost modeling to the metals industry[J]. JOM, 1998, 50( 4) : 27-29.

[10]劉慧淵，何如松，周武平，等. 熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J]. 新材料產(chǎn)業(yè)，2010(11):12-17.

[11]Yolton C F, Beckman J P. Powder metallurgy processing and properties of the ordered orthorhombic alloy Ti-22at.%Al-23at.%Nb[J]. Materials Science and Engineering A, 1995, 192-193(Part2):597-603.

[12]郭瑞鵬, 徐磊, 柏春光, 等. 包套設(shè)計對粉末鈦合金拉伸性能的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報. 2014, 24(8): 2050-2056.

[13]程文祥. Ti-5Al-2.5Sn ELI 預(yù)合金粉末熱等靜壓致密化行為與有限元模擬研究[D]. 沈陽:中國科學(xué)院大學(xué), 2013.

Cost Analysis of Titanium Alloy Parts Through Near-net-shapeHot-isostatic-pressing Technology

Xu Lei1, Guo Ruipeng1, 2, Liu Yuyin1

(1.Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)(2. Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Near-net-shape hot-isostatic-pressing technology was used to fabricate several kinds of powder metallurgy titanium components. The cost of the powder metallurgy near-net-shape hot-isostatic-pressing technology (NNS-PM-HIP) was compared with that of traditional forming processes. It indicates that, with increasing size and complexity of the componets, the cost of capsule/tooling and hot-isostatic-pressing are the major manufacturing cost drivers of NNS-PM-HIP. The finite element method and volume production are effective ways to reduce the cost of NNS-PM-HIP. Compared with traditional forming technologies, the economic competitiveness of NNS-PM-HIP process improvessignificantly when high complexity large size components are produced or higher material utilization is required.

titanium powder; hot-isostatic-pressing; technical cost analysis; high complexitytitanium alloy parts

2014-08-27

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(項目號2013AA031606)

徐磊 (1977—)，男，副研究員。