Ti6Al4V粉末熱等靜壓近凈成形工藝研究.pdf

1、熱等靜壓整體近凈成形是熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing,HIP）工藝結(jié)合粉末冶金與現(xiàn)代成形制造技術(shù)，在高溫、高壓致密化粉末材料的同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的整體近凈成形。該工藝材料利用率高，零件綜合性能達(dá)同質(zhì)鍛件水平，是近凈成形領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿。本文以HIP近凈成形復(fù)雜鈦合金零件為目標(biāo)，以等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備的Ti6Al4V粉末為研究對(duì)象，就HIP近凈成形中的若干關(guān)鍵工藝問(wèn)題進(jìn)行了研究。具體研究工作及成果如下：
　

2、　表征了等離子旋轉(zhuǎn)電極法Ti6Al4V粉末表面和微觀組織成份，并對(duì)Ti6Al4V粉末高溫真空凈化工藝及β相變溫度進(jìn)行了研究，該研究為熱等靜壓工藝及優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。具體內(nèi)容包括：借助X射線光電子能譜（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）和氣相色譜儀(Gas Chromatography,GC)對(duì)粉末表面氧化和吸附特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明粉末表面氧化主要以Ti和Al元素的氧化物為主，氧化層主要成分為T(mén)i

3、O2和Al2O3；粉末表面有O2、H2、N2及碳氧、碳?xì)浠衔镂廴緦?，粉末表面氧化層和污染層厚度約為5nm。采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy,SEM）及X射線衍射（X-Ray Diffraction,XRD）分析了Ti6Al4V粉末的微觀組織。結(jié)果表明等離子旋轉(zhuǎn)電極法Ti6Al4V粉末由α馬氏體相和殘余β相組成。對(duì)高溫真空脫氣工藝的研究表明Ti6Al4V粉末的最佳高溫真空脫氣工藝為600℃/5

4、×10-3Pa。采用熱重-差熱分析（Thermogravimetric-Differential Scanning Calorimetry,TG-DSC）及理論計(jì)算法確定了Ti6Al4V粉末的β相變溫度為997℃。
　　分析了Ti6Al4V合金粉末HIP后的微觀組織與形成機(jī)理。Ti6Al4V合金粉末同時(shí)升溫升壓HIP工藝的微觀組織呈空間連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等軸晶包裹板條晶的結(jié)構(gòu)。粉末顆粒邊界形變較大產(chǎn)生大應(yīng)變帶，最終由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成顆粒

5、邊界的等軸晶區(qū)，即α馬氏體相受熱分解成的長(zhǎng)條狀α相，經(jīng)大塑性變形后，長(zhǎng)條狀α相被破碎直接等軸化而成的等軸α相；顆粒內(nèi)部形變較小，主要是板條狀晶，包括少量等軸晶。隨著HIP溫度升高或者保溫保壓時(shí)間的增加，等軸晶區(qū)與板條晶區(qū)逐漸長(zhǎng)大，等軸晶區(qū)合并成條狀晶界。先升溫后升壓HIP工藝微觀組織結(jié)構(gòu)中不存在連續(xù)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等軸晶區(qū)，α集束短粗和扭曲。
　　優(yōu)化了Ti6Al4V粉末HIP工藝，得到了最優(yōu)的工藝參數(shù)。分別對(duì)850℃/120MPa/

6、3h、910℃/120MPa/3h及950℃/120MPa/3h三組同時(shí)升溫升壓HIP工藝的Ti6Al4V力學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明910℃/120MPa/3h獲得的綜合力學(xué)性能最優(yōu)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到了856MPa和969MPa，斷后延伸率達(dá)12％，疲勞極限為350MPa，疲勞斷口裂紋源在斷口內(nèi)部。在910℃/120MPa的HIP工藝下，延長(zhǎng)保溫保壓時(shí)間，對(duì)性能沒(méi)有改善；采用先升溫后升壓的HIP工藝，對(duì)910℃/120MPa/

7、3h工藝下獲得Ti6Al4V力學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別為953MPa和1025MPa，斷后延伸率12％，屬于微孔聚集塑性斷裂模式，疲勞極限450MPa，疲勞裂紋萌生于試樣表面。采用先升溫后升壓的HIP工藝可明顯改善零件的力學(xué)性能。
　　探討了不同HIP工藝下粉末致密化的微觀機(jī)理。同時(shí)升溫升壓粉末致密化過(guò)程中，粉末顆粒的靠近和重排先于顆粒的塑性變形，粉末顆粒表面氧化膜在壓力的作用下破碎，破碎的氧化膜在后續(xù)致密化

8、過(guò)程中依然存在顆粒邊界處而未消除，最終形成空間連續(xù)網(wǎng)狀缺陷；先升溫后升壓HIP工藝粉末致密化過(guò)程中，粉末顆粒靠近和重排與顆粒的塑性變形與撕裂同時(shí)發(fā)生，原始顆粒表面氧化膜在壓力和剪切力的作用下變成小碎片，并在隨后的粉末致密化過(guò)程中融合入基體材料中，最終消除了連續(xù)網(wǎng)狀氧化膜。因此，同時(shí)升溫升壓HIP工藝得到Ti6Al4V組織較細(xì)小，但粉末顆粒間結(jié)合質(zhì)量不如先升溫后升壓HIP工藝，導(dǎo)致零件的力學(xué)性能比先升溫后升壓的降低。
　　針對(duì)傳統(tǒng)碳

9、鋼型芯及HIP工藝對(duì)成形零件的表面質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：采用傳統(tǒng)碳鋼型芯，同時(shí)升溫升壓HIP工藝下，成形零件表面呈波浪狀形貌，波峰尖銳，表面粗糙度Rz不超過(guò)最大粉末顆粒半徑；采用先升溫后升壓HIP工藝得到平整零件表面，表面粗糙度與型芯表面粗糙度相當(dāng)?？匦涡托九c成形零件間未發(fā)生明顯元素?cái)U(kuò)散。
　　提出采用石墨作為易去除控形型芯的新工藝。針對(duì)無(wú)隔離層石墨型芯，采用同時(shí)升溫升壓HIP工藝，得到成形零件表面粗糙度于石墨型芯粗糙度相

10、當(dāng)。針對(duì)具有鎳隔離層的石墨型芯，在HIP過(guò)程中，鎳隔離層向成形零件表面發(fā)生擴(kuò)散，生成了耐磨的金屬間化合物NiTi2。在使用石墨作為易去除型芯的基礎(chǔ)上，首次提出在HIP整體成形零件結(jié)構(gòu)的同時(shí)制備零件表面功能層的新工藝，該新工藝具有結(jié)構(gòu)成形和功能層制備并行處理的無(wú)污染、節(jié)材、省時(shí)以及功能層高性能等特點(diǎn)。
　　提出并驗(yàn)證了增材制造和HIP工藝相結(jié)合的快速成形工藝。針對(duì)HIP近凈成形技術(shù)中復(fù)雜控形型芯難以成形的問(wèn)題，本研究采用SLS-HI

11、P復(fù)合成形方法，即采用基于選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，SLS)的增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型芯的成形，并實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜渦輪盤(pán)的熱等靜壓近凈成形；針對(duì)復(fù)雜包套難成形與難去除的問(wèn)題，本研究驗(yàn)證了SLM-HIP復(fù)合成形同質(zhì)包套新工藝，即采用基于選擇性激光熔化(selective laser melting，SLM)的增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜同質(zhì)包套的成形，HIP后不用去除包套的新方法。并提出利用SLM成形梯度漸變結(jié)構(gòu)

12、作為HIP用同質(zhì)包套的新構(gòu)思，有望解決同質(zhì)包套界面組織和性能突變問(wèn)題。
　　最終，采用優(yōu)化后的HIP工藝整體近凈成形出了傳統(tǒng)方法難以加工的直徑為140mm的致密度為99.5％復(fù)雜葉盤(pán)，輪轂和葉冠直徑尺寸誤差±0.4mm，葉片成形誤差±0.10mm。；零件微觀組織靠近型芯區(qū)域由于HIP過(guò)程中粉末顆粒變形較大而出現(xiàn)等軸晶區(qū)，其它區(qū)域?yàn)榘鍡l晶區(qū)，從而微觀組織出現(xiàn)“分層”現(xiàn)象；針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)粉末難以填充致密的特點(diǎn)，提出了兩步法HIP近凈成形