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热等静压整体近净成形是热等静压(Hot Isostatic Pressing,HIP)工艺结合粉末冶金与现代成形制造技术,在高温、高压致密化粉末材料的同时实现复杂零件的整体近净成形。该工艺材料利用率高,零件综合性能达同质锻件水平,是近净成形领域的研究热点和前沿。本文以HIP近净成形复杂钛合金零件为目标,以等离子旋转电极法制备的Ti6Al4V粉末为研究对象,就HIP近净成形中的若干关键工艺问题进行了研究。具体研究工作及成果如下: 表征了等离子旋转电极法Ti6Al4V粉末表面和微观组织成份,并对Ti6Al4V粉末高温真空净化工艺及β相变温度进行了研究,该研究为热等静压工艺及优化奠定了基础。具体内容包括:借助X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS)和气相色谱仪(Gas Chromatography,GC)对粉末表面氧化和吸附特性进行了研究。结果表明粉末表面氧化主要以Ti和Al元素的氧化物为主,氧化层主要成分为TiO2和Al2O3;粉末表面有O2、H2、N2及碳氧、碳氢化合物污染层,粉末表面氧化层和污染层厚度约为5nm。采用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)及X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)分析了Ti6Al4V粉末的微观组织。结果表明等离子旋转电极法Ti6Al4V粉末由α马氏体相和残余β相组成。对高温真空脱气工艺的研究表明Ti6Al4V粉末的最佳高温真空脱气工艺为600℃/5×10-3Pa。采用热重-差热分析(Thermogravimetric-Differential Scanning Calorimetry,TG-DSC)及理论计算法确定了Ti6Al4V粉末的β相变温度为997℃。 分析了Ti6Al4V合金粉末HIP后的微观组织与形成机理。Ti6Al4V合金粉末同时升温升压HIP工艺的微观组织呈空间连续网状结构等轴晶包裹板条晶的结构。粉末颗粒边界形变较大产生大应变带,最终由于动态再结晶形成颗粒边界的等轴晶区,即α马氏体相受热分解成的长条状α相,经大塑性变形后,长条状α相被破碎直接等轴化而成的等轴α相;颗粒内部形变较小,主要是板条状晶,包括少量等轴晶。随着HIP温度升高或者保温保压时间的增加,等轴晶区与板条晶区逐渐长大,等轴晶区合并成条状晶界。先升温后升压HIP工艺微观组织结构中不存在连续空间网状结构等轴晶区,α集束短粗和扭曲。 优化了Ti6Al4V粉末HIP工艺,得到了最优的工艺参数。分别对850℃/120MPa/3h、910℃/120MPa/3h及950℃/120MPa/3h三组同时升温升压HIP工艺的Ti6Al4V力学性能进行研究,结果表明910℃/120MPa/3h获得的综合力学性能最优,屈服强度、抗拉强度分别达到了856MPa和969MPa,断后延伸率达12%,疲劳极限为350MPa,疲劳断口裂纹源在断口内部。在910℃/120MPa的HIP工艺下,延长保温保压时间,对性能没有改善;采用先升温后升压的HIP工艺,对910℃/120MPa/3h工艺下获得Ti6Al4V力学性能进行研究,结果表明屈服强度、抗拉强度分别为953MPa和1025MPa,断后延伸率12%,属于微孔聚集塑性断裂模式,疲劳极限450MPa,疲劳裂纹萌生于试样表面。采用先升温后升压的HIP工艺可明显改善零件的力学性能。 探讨了不同HIP工艺下粉末致密化的微观机理。同时升温升压粉末致密化过程中,粉末颗粒的靠近和重排先于颗粒的塑性变形,粉末颗粒表面氧化膜在压力的作用下破碎,破碎的氧化膜在后续致密化过程中依然存在颗粒边界处而未消除,最终形成空间连续网状缺陷;先升温后升压HIP工艺粉末致密化过程中,粉末颗粒靠近和重排与颗粒的塑性变形与撕裂同时发生,原始颗粒表面氧化膜在压力和剪切力的作用下变成小碎片,并在随后的粉末致密化过程中融合入基体材料中,最终消除了连续网状氧化膜。因此,同时升温升压HIP工艺得到Ti6Al4V组织较细小,但粉末颗粒间结合质量不如先升温后升压HIP工艺,导致零件的力学性能比先升温后升压的降低。 针对传统碳钢型芯及HIP工艺对成形零件的表面质量问题进行了探讨。结果表明:采用传统碳钢型芯,同时升温升压HIP工艺下,成形零件表面呈波浪状形貌,波峰尖锐,表面粗糙度Rz不超过最大粉末颗粒半径;采用先升温后升压HIP工艺得到平整零件表面,表面粗糙度与型芯表面粗糙度相当。控形型芯与成形零件间未发生明显元素扩散。 提出采用石墨作为易去除控形型芯的新工艺。针对无隔离层石墨型芯,采用同时升温升压HIP工艺,得到成形零件表面粗糙度于石墨型芯粗糙度相当。针对具有镍隔离层的石墨型芯,在HIP过程中,镍隔离层向成形零件表面发生扩散,生成了耐磨的金属间化合物NiTi2。在使用石墨作为易去除型芯的基础上,首次提出在HIP整体成形零件结构的同时制备零件表面功能层的新工艺,该新工艺具有结构成形和功能层制备并行处理的无污染、节材、省时以及功能层高性能等特点。 提出并验证了增材制造和HIP工艺相结合的快速成形工艺。针对HIP近净成形技术中复杂控形型芯难以成形的问题,本研究采用SLS-HIP复合成形方法,即采用基于选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)的增材制造技术实现复杂型芯的成形,并实现了复杂涡轮盘的热等静压近净成形;针对复杂包套难成形与难去除的问题,本研究验证了SLM-HIP复合成形同质包套新工艺,即采用基于选择性激光熔化(selective laser melting,SLM)的增材制造技术实现复杂同质包套的成形,HIP后不用去除包套的新方法。并提出利用SLM成形梯度渐变结构作为HIP用同质包套的新构思,有望解决同质包套界面组织和性能突变问题。 最终,采用优化后的HIP工艺整体近净成形出了传统方法难以加工的直径为140mm的致密度为99.5%复杂叶盘,轮毂和叶冠直径尺寸误差±0.4mm,叶片成形误差±0.10mm。;零件微观组织靠近型芯区域由于HIP过程中粉末颗粒变形较大而出现等轴晶区,其它区域为板条晶区,从而微观组织出现“分层”现象;针对复杂结构粉末难以填充致密的特点,提出了两步法HIP近净成形工艺,并利用优化的HIP工艺成形了机匣等零件。