TA15軸承座熱等靜壓工藝成形技術(shù)研究

文／李治華，邰清安·中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機集團(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）是一種以氮氣、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散連接。但隨著HIP設(shè)備和計算機技術(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。

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驗室將該工藝擴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，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)彈伺服機構(gòu)殼體。本文研究的軸承座是后機匣的主要部件（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。考慮到數(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、芯模實際尺寸結(jié)構(gòu)，建立二維網(wǎng)格模型，并通過擴展方式，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。通過后期實際熱等靜壓工藝過程試驗可知，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)合實際情況，精確設(shè)計包套結(jié)構(gòu)和尺寸，實現(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，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。