徐磊,郭瑞鹏,吴杰,卢正冠,杨锐

中国科学院金属研究所 沈阳 110016

摘要

热等静压(hot isostatic pressing,HIP)工艺是高性能粉末冶金制品致密化的重要手段。热等静压致密化和近净成形工艺过程控制相结合,能够为后续机械加工、等温锻造或热处理过程提供所需形状、尺寸和组织的热制毛坯。热等静压工艺的原理是将制品放置到密闭的容器中,向制品施加各向同等的压力,同时施以高温,在高温高压的作用下,制品得以烧结和致密化。热等静压是高性能材料生产和新材料开发不可或缺的手段：热等静压可以直接由粉末成形,粉末装入包套(其作用类似于模具)中,包套可以采用金属或陶瓷制作(低碳钢、Ni、Mo、玻璃等),然后用N2、Ar气作为加压介质,是一种对粉末直接加热加压从而烧结成形的粉末冶金工艺;或者用于成形后的铸件的内部缺陷愈合,如对铝合金、钛合金、高温合金等包含缩松、缩孔的铸件进行热致密化处理,从而提高铸件的整体力学性能[1,2,3,4,5]。

粉末热等静压近净成形是利用包套与内部型芯组合模具设计制造技术,将金属粉末密封在与目标件相似的复杂型腔内热等静压成形,随后去除外包套,再利用选择性化学铣技术去除内部型芯模具得到目标毛坯零件的新型复合成形技术。该技术继承了粉末冶金和热等静压技术的优点,同时借鉴了铸造复杂零件的模壳与型芯组合模具成形技术,因此国外研究者又将粉末热等静压近净成形技术称作“粉末铸造技术”,可视为精密铸造技术的升级版[6,7,8]。经优化设计包套成形的热等静压零件尺寸精度和表面粗糙度可以达到或超过精密铸造件水平;与精密铸件相比,热等静压近净成形零件的致密度高,成分均匀,组织中没有宏观成分偏析,因此综合力学性能优异,可达到相同材料锻件水平。与传统机械加工方法相比,热等静压近净成形零件具有2方面优势：(1) 材料利用率高,热等静压近净成形技术可以把材料利用率从锻造加工的10%~20%提高到50%以上;(2) 工艺过程相对简单,工艺周期短,除了热等静压设备不需要其它重要装备,可以节省大量的机械加工工作量。

热等静压近净成形已经成为一种重要的粉末冶金工艺方法,其制件具有均匀细小的微观组织,良好的综合性能,可用于制造高性能、形状复杂的零部件,用以满足核工业、航空航天、舰船深潜等重要领域的发展需求[9,10,11,12,13,14,15]。

1 技术发展概况

钛合金化学活性强,与几乎所有陶瓷坩埚、喷嘴材料反应,容易被氧等杂质沾污,制成粉末后比表面积增大,更易沾污,造成性能急剧下降,因此粉末冶金技术难度极大[16,17,18]。20世纪90年代中期以后,随着钛合金熔炼、洁净制粉技术的进步和粉末冶金技术的发展,通过预合金粉末热等静压工艺制备钛合金复杂构件的研究受到越来越多研究机构的关注。20世纪90年代,钛合金粉末冶金近净成形技术首先应用于航天领域。美国航天飞机主发动机SSME和Atlas-3、Atlas-5等发动机、法国火神发动机、俄罗斯RD-180、RD-191、RD-0120等发动机涡轮泵单元、泵壳、阀体等部件均采用该技术制备并获应用[19,20,21]。欧美等国随后陆续开展了钛合金粉末冶金航空部件的研制,如F-14飞机的短舱隔框及F-100发动机的风扇盘等。英国罗罗公司与伯明翰大学合作开展了钛合金粉末冶金整体机匣的研究,形成了完整的制备工艺技术[6,14]。目前,普惠公司、通用公司和罗罗公司均在进行军机发动机粉末冶金机匣的研制。从20世纪70年代起,俄罗斯的VILS公司、美国的Crucible Research和法国的Tecphy公司就开始采用金属包套研制了一系列航空和航天发动机用钛合金部件;随着钛合金粉末冶金复杂零件热等静压收缩模拟预测模型的建立和发展,成立于2000年的美国Synertech PM公司在过去10多年中生产了多种火箭发动机、航空发动机压气机和飞机机身部件[6]。

粉末冶金近净成形技术的难点是制备环节较多,因此须严格控制每一关键工艺环节。模具设计制备的成功经验是由长期的实践与理论相结合不断积累而获得。美俄等国研发机构已经拥有成熟的模具设计制备技术,他们借助于计算机仿真模拟,系统研究粉末构件的致密化收缩行为,为粉末构件的尺寸精确控制、模具优化设计提供了很好的理论指导,显著缩短了研制周期,降低了成本。

目前制备钛合金预合金粉末的主流方法为气体雾化(gas atomization,GA)法和等离子旋转电极(plasma rotating electrode process,PREP)法2种[22,23]。图1给出了GA和PREP 2种制粉工艺的示意图。GA法最早由美国坩埚材料公司(Crucible Materials Corporation)发明,早期的GA设备采用陶瓷坩埚,对钛合金粉末的洁净度有一定影响;PREP法是利用等离子电弧熔化金属电极,金属熔滴在离心力的作用下进入雾化塔,同时金属熔滴在表面能的作用下完成球化,快速凝固后形成球形粉末[24,25,26]。

图12种制备钛合金预合金粉末典型工艺示意图

Fig.1Schematics of the processes for producing prealloyed Ti powders
(a) gas atomization (GA) (b) plasma rotating electrode process (PREP)

20世纪90年代后期德国ALD公司针对难熔金属发明了无坩埚感应熔炼超声气体雾化制粉 (electrode induction melting gas atomization,EIGA)法,为解决活性金属雾化制粉的沾污问题提供了技术途径。中国科学院金属研究所持续关注并跟踪了这一技术进展,预见到该技术在航空、航天钛合金粉末冶金技术领域的潜在应用,于2005年建成国内首台洁净钛合金雾化制粉设备,该设备在为开展钛合金粉末冶金研究提供合格粉末原料方面发挥了重要作用。国内其它开展粉末冶金技术和增材制造相关研究的单位采用的制粉设备主要是EIGA和PREP,例如西北有色金属研究院(集团)下属的西安欧中材料科技有限公司引进了俄罗斯的超高转速(3×105r/min)等离子旋转电极雾化(SS-PREP)金属球形粉末制备生产线,中国兵器科学研究院宁波分院、飞而康快速制造科技有限责任公司陆续引进了德国ALD公司的无坩埚EIGA制粉设备,北京钢铁研究总院拥有俄罗斯的PREP制粉设备。国内开展钛合金粉末近净成形的单位主要是各材料研究所和大学,其中开展工作比较早的是航天材料及工艺研究所和西北有色金属研究院。航天材料及工艺研究所研发的产品包括多种牌号(如TC4、TC11、TA7、TA15)的航空航天部件,如舵面骨架结构件、筒件、水平翼骨架、叶轮等。这些构件的力学性能达到锻件指标,且尺寸精度可达到±0.2 mm的水平,形成了舵翼骨架类、舱体类和异型结构类3大产品体系,并实现了部分产品的规模生产[9,27]。国内高校则主要开展了以下研究工作：粉末收缩的有限元仿真预测、钛合金粉末致密化过程的组织演化和机理分析。华中科技大学史玉升、魏青松团队开展了包套优化设计规则、粉末材料在高温高压耦合作用下的致密化及其组织结构的演变机理、零件致密化过程的变形规律的数值模拟等工作,能够预测复杂的闭式叶轮部件的收缩[14,28~31];北京航空航天大学郎利辉研究团队在热等静压整体包套设计和准等静压制备复杂部件方面进行了研究[32,33]。国内开展钛合金粉末冶金的研究团队大都受限于平台条件,对典型钛合金Ti-6Al-4V(TC4)粉末合金制备开展的研究工作较多,而对高温钛合金(如Ti6242、Ti55和Ti60等)、其它结构钛合金(TC11、TC18、Ti55531等)、钛铝金属间化合物 (γ-TiAl、Ti3Al、Ti2AlNb)和形状记忆合金的粉末合金制备研究较少,这些材料的致密化模型和组织演化机理尚缺少材料研究的基本数据和理论支持。

中国科学院金属研究所从2003年开始开展钛合金粉末近净成形技术研究,承担了长征五号氢泵叶轮的研制任务,在该任务牵引下研发了相关技术,在国内首次形成了粉末冶金叶轮制造的研发与小批量生产能力。2016年11月3日,随着“长征五号”的成功首飞,金属研究所研制的叶轮产品成为我国首件通过火箭发动机飞行考核的钛合金粉末冶金转动件,标志我国全面突破了粉末冶金氢泵叶轮的关键技术。本课题组于2003年开展洁净γ-TiAl金属间化合物粉末坯料制备和板材轧制研究工作[34,35,36,37],经过十余年的发展,掌握了洁净粉末制备和预处理、热等静压包套模具设计、热等静压均匀化致密化参数优化、粉末致密化过程中的有限元仿真、部件精确尺寸控制和内部型芯模具的选择性化学铣去除等一系列关键技术,开发了一整套具有自主知识产权的粉末近净成形相关专用设备,合金体系实现了从结构钛合金到高温钛合金以及钛铝金属间化合物的全面覆盖,使用温度从-253 ℃的低温钛合金拓展到900 ℃的γ-TiAl金属间化合物,形成了多种牌号的钛合金近净成形产品的小批量生产能力。金属研究所从材料研制的角度出发,建立了针对快速凝固气体雾化粉末的合金设计规范,采用不同的预处理手段处理物理化学活性存在较大差异的各种预合金粉末,从相变的层面系统分析了粉末在致密化过程中的组织演化和性能的关系,分析了孔隙缺陷的分类和成因及其对合金性能的影响[38,39,40,41,42,43,44,45,46,47]。本文从典型低温钛合金Ti-5Al-2.5Sn超低间隙(ELI)合金研制、Ti55高温钛合金研制、钛铝金属间化合物研制、粉末致密化的有限元仿真4个方面对本课题组在钛合金粉末冶金近净成形领域的主要研究进展加以简要介绍。

2 Ti-5Al-2.5Sn ELI低温钛合金研制

2.1 粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn ELI合金的制备

Ti-5Al-2.5Sn ELI是在Ti-5Al-2.5Sn合金基础上,通过严格控制O、N和H等间隙元素的含量,开发出的超低间隙合金。该合金在低温下表现出良好的综合力学性能,如比强度高、塑性好、无缺口敏感、膨胀系数小,所以该合金在航天领域中的一些低温服役结构件中得到广泛应用,如氢泵叶轮、发动机低温转子、飞行器低温容器等[48,49,50]。本课题组自2008年开始研制粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn ELI合金和部件,其制备工艺路线为：合金优化设计→气体雾化法制备Ti-5Al-2.5Sn ELI洁净预合金粉末→粉末填充到包套中、封装除气→热等静压致密化→包套去除→内部型芯模具化学铣去除→退火处理→粉末合金或部件毛坯。图2以本课题组为航天用户研制的管件为例示出了近净成形的主要工艺流程。

图2中国科学院金属研究所粉末冶金近净成形工艺流程图

Fig.2Manufacturing flow chart of powder metallurgy (PM) near net shape forming at Institute of Metal Research (IMR), Chinese Academy of Sciences (CAS)
(a) part design (b) tooling assembly (c) capsule powder filling and degassing
(d) HIPing and partial tooling removal (HIP—hot isostatic pressing)(e) tooling removal finish machining by selective acid leaching (f) finished part

2.2 粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn ELI合金的性能

航天材料及工艺研究所李圣刚等[27]采用PREP 工艺,将Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金棒材制备成钛合金球形粉末,使用自制的除杂设备去除夹杂,达到非金属夹杂含量每千克不超过20个,制得的粉末冶金低温钛合金材料性能全面达到同批次锻件性能水平。本课题组选用的预合金粉末采用无坩埚感应熔炼的方式制备,彻底避免了引入夹杂的风险,特别是针对使用条件十分苛刻的氢泵叶轮等高速转动部件,制备过程中如果引入非金属夹杂将会影响使用性能,导致部件疲劳性能降低而迅速失效,为此本课题组对于转动部件的粉末制备均采用EIGA工艺。

采用EIGA法制备的Ti-5Al-2.5Sn ELI洁净预合金粉末的化学成分如表1中所示。可见,预合金粉末的化学成分与名义成分相符,间隙元素含量处于较低水平,杂质元素和间隙元素含量较制粉电极未见明显增加,表明制粉过程洁净无污染。

5.2 粉末Ti2AlNb合金致密化过程的有限元模拟

包套是粉末合金热等静压成形所需的容器,将直接影响粉末热等静压制品的冶金质量和外观尺寸。在进行实际复杂构件热等静压致密化时,热等静压温度、压力、升温速率、降温速率和包套形状及尺寸等工艺参数的变化均会导致致密化进程的差异[96,97,98,99,100,101,102,103,104,105,106],特别是当构件尺寸较大时,从包套表面到粉末构件内部的热等静压致密化进程差别可能十分显著,先焊合的粉末形成一层坚硬的壳层,该层壳对随后的粉末致密化起阻碍作用,这种现象被称为“不均匀致密化”。图17为热等静压不均匀致密化模型的示意图。

图17包套热等静压不均匀致密化示意图

Fig.17Shielding effect in HIPing process (P—hipping pressure;Pi— inner pressure;σX,σY,σZ—stresses;R2—outer radius;R1—inner radius of solid shell)

不均匀致密化会导致粉末体各部位致密化程度和收缩变形的不均匀,从而造成粉末构件各部位力学性能的散差。对Ti2AlNb实际粉末冶金部件的截面特征(图18)进行等效简化,设计了2种尺寸的圆柱形包套分析不均匀致密化对粉末Ti2AlNb合金综合力学性能的影响。有限元模拟结果(图19[65])显示,当包套内径为20 mm时,粉末坯料中心处粉末Ti2AlNb合金相对密度分布于99.2%~99.4%,坯料相对密度分布均匀;当包套内径达到80 mm时,坯料中心处粉末Ti2AlNb合金相对密度分布于98.86%~99.35%,相对密度分布不均匀。且包套内径尺寸较小时,Ti2AlNb粉末坯料的致密度较高。

图18利用粉末冶金近净成形工艺制备的Ti2AlNb合金复杂环形件

Fig.18PM near net shaped forming Ti2AlNb alloy complex part (a) and its vertical section (b)

图19包套直径对粉末Ti2AlNb合金相对密度的影响[65]

Fig.19The effect of container size (R) on the relative density distribution of PM Ti2AlNb alloys[65](a)R=20 mm (b)R=80 mm

实验研究[67]表明,包套尺寸的变化对粉末Ti2AlNb合金室温及650 ℃拉伸性能影响不显著,但对高温持久寿命影响显著,采用小内径包套制备的粉末Ti2AlNb合金高温持久寿命比大内径包套约提高22%。通过有限元预测粉末合金的致密度变化,预测结果可以用来指导热等静压工艺参数的确定,从而使具有复杂形状及尺寸的粉末Ti2AlNb合金构件各部位的致密化过程均匀进行,进而提高材料的综合力学性能,尤其是高温持久寿命[65]。

6 结语与展望

钛合金粉末近净成形工艺成本较高是限制其发展的一个问题,随着工件形状尺寸复杂程度的提高,包套/模具的制备和热等静压成为成本的主要因素,有限元模拟仿真和工件的批量化生产能够明显降低工艺成本。由于粉末热等静压近净成形的高技术应用背景,粉末收缩专用模拟软件无法获得,只能自主开发。高性能粉末钛合金热等静压近净成形技术要实现大规模推广应用,仍需要开展系统的工程化应用研究。未来发展重点包括对性能和成本等有重要影响的制粉技术,低成本高精度近净成形模具材料与加工技术以及计算模拟设计技术。同时致密化、显微组织演变等机理性研究对粉末钛合金技术特别是难变形高温钛基材料的应用将起到直接推动作用。此外,在模具去除过程中采用的电化学腐蚀工艺对环境的冲击和影响也是该技术发展过程中亟待解决的问题。

来源--金属学报