阅读说明：本技术 改善热等静压粉末冶金扁平状构件端面翘曲变形的方法 (Method for improving end face buckling deformation of hot isostatic pressing powder metallurgy flat component ) 是由 徐桂华 张海洋 姚草根 杜志惠 邓太庆 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种改善热等静压粉末冶金扁平状构件端面翘曲变形的方法,包括(1)优化扁平状的带有台阶的盘形结构件的成形模腔结构；(2)将热等静压加载过程调整为先升温后升压的工艺。在实际生产中,该类构件常出现一定程度的翘曲、褶皱现象,导致产品报废或材料利用率的降低,对研制周期和生产成本均有较大影响。通过本发明方法的研究,以较低的生产成本解决了产品尺寸、结构变形的问题,对于提高产品质量、降低生产成本、缩短项目周期有明显的促进作用。(The invention relates to a method for improving the end face buckling deformation of a hot isostatic pressure powder metallurgy flat component, which comprises the following steps of (1) optimizing the forming die cavity structure of a flat disc-shaped structural member with steps; (2) the hot isostatic pressing loading process is adjusted to a process of first heating and then boosting. In actual production, the components often have warping and wrinkling phenomena to a certain degree, so that products are scrapped or the utilization rate of materials is reduced, and the grinding period and the production cost are greatly influenced. Through the research of the method, the problems of size and structural deformation of the product are solved at lower production cost, and the method has obvious promotion effects on improving the product quality, reducing the production cost and shortening the project period.)

改善热等静压粉末冶金扁平状构件端面翘曲变形的方法

技术领域

本发明涉及一种粉末冶金扁平状构件端面翘曲/变形的解决方法，特别适用于高径比较小、端面较大构件的成形控制。

背景技术

盘形构件是粉末冶金技术的主要应用方向之一，涵盖各种支撑盘、涡轮盘、端盖类零件，广泛应用于航空航天的各类发动机，其结构示意图如图1所示。

在实际生产中，由于粉末坯各处收缩量的差异，该类构件的端面常出现不同程度的翘曲或褶皱现象，导致构件扭曲变形，如图2所示。这导致产品报废或材料利用率的降低，对研制周期和生产成本均有较大影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对扁平状的环形构件研制生产中易于出现的端面翘曲变形问题，提出一种改善热等静压粉末冶金扁平状构件端面翘曲变形的方法，通过成形包套的结构优化和成形过程的参数调整两个方面的工作，实现成形状态的优化控制。

本发明所采用的技术方案如下：

一种改善热等静压粉末冶金扁平状构件端面翘曲变形的方法，步骤如下：

(1)优化扁平状的带有台阶的盘形结构件的成形模腔结构；

优化后的成形模腔结构包括模芯、外包套和粉体；模芯的中心位置设置有通孔或盲孔，使得模芯形成管状或桶形结构；模芯固定在带有台阶的扁平状盘形结构的外包套中心，粉体填充在模芯和外包套之间形成的容腔内。

(2)将热等静压加载过程调整为先升温后升压的工艺。

进一步的，外包套与模芯同轴。

进一步的，外包套的最大高度小于模芯的高度，且外包套的顶端相对模芯的顶端存在缩进，外包套的底端相对模芯的底端缩进Δh。

进一步的，当模芯外径d0>50mm时，模芯采用管状结构，并且1/3d0-10mm≤t≤1/3d0，5mm≤Δh≤15mm，其中，t为模芯的壁厚。

进一步的，当模芯外径30mm＜d0≤50mm时，模芯结构采用管状结构或者桶形结构中的任意一种。

若采用管状结构，则令t≥10mm，5mm≤Δh≤10mm；其中，t为模芯的壁厚。

若采用桶形结构，则令10mm<h1<1/3h0，t≥5mm，且5mm≤Δh≤10mm，其中，t为模芯的壁厚，h0为模芯的高度，h1为桶形结构的模芯的桶底的厚度。

进一步的，当模芯外径d0≤30mm时，模芯采用桶形结构，且令10mm<h1<1/3h0，t≥5mm，且Δh＝5mm，其中，t为模芯的壁厚，h0为模芯的高度，h1为桶形结构的模芯的桶底的厚度。

进一步的，将热等静压加载过程调整为先升温后升压的工艺，具体为：

a)升温前，炉膛内的气压不大于0.1Mpa；

b)在室温至500℃之间升温时，不主动加压，保持炉膛内压力不大于10MPa；

c)在500℃至700℃之间升温时，线性加压，保持炉膛内压力不大于80MPa；

d)温度达到700℃时，保温保压1-2小时；

e)在700℃以上，线性加压至目标压力。

本发明与现有技术相比带来的有益效果：

(1)在成形初期，包套及粉坯随着温度升高而软化，包套悬空的部分能够在重力作用下下垂，该方法为解决成形后上翘现象提供一个反向的预补偿量，有利于变形后构件端面的平整。

(2)包套的芯模的高度会随着粉坯的收缩变形而发生一定量的降低，能够大大降低包套整体收缩变形变形不协调所引起的端面翘曲现象。

(3)采用本发明方法，可以明显的改善扁平状盘形件的变形情况，可大大降低产品的材料消耗，避免产品报废。以某涡轮盘为例，传统方法的端面翘曲量达15mm左右，采用该方法后无肉眼可见的明显翘曲，端面尺寸波动仅2mm左右，能够节省1/4的原材料粉末，同时缩短1/3的机加工时间。

附图说明

图1为盘形件结构示意图；

图2为端面翘曲情况示意图，图2中上半部分为目标结构件，下半部分为变形翘曲的示意图；

图3为传统成形模结构示意图；

图4为改进后的第一种成形模结构示意图；

图5为改进后的第二种成形模结构示意图；

图6为成形模结构尺寸实例；

图7为热等静压加载过程实例。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的内容作进一步说明。

本发明涉及一种改善热等静压粉末冶金扁平状构件端面翘曲变形的方法，特别适合于高径比较小的环状构件的成形质量控制。这类构件是粉末冶金技术的主要应用方向之一，涵盖各种支撑盘、涡轮盘、端盖类零件，广泛应用于航空航天的各类发动机。在实际生产中，该类构件常出现一定程度的翘曲、褶皱现象，导致产品报废或材料利用率的降低，对研制周期和生产成本均有较大影响。通过该工艺技术的研究，以较低的生产成本解决了产品尺寸、结构变形的问题，对于提高产品质量、降低生产成本、缩短项目周期有明显的促进作用。

本发明提出的改善热等静压粉末冶金扁平状构件端面翘曲变形的方法，其特征在于步骤如下：

(1)优化扁平状的带有台阶的盘形结构件的成形模腔结构；

(2)将热等静压加载过程调整为先升温后升压的工艺。

针对上面技术方案的具体措施如下：

1.成形模腔结构优化

环形构件的结构均带有一个中心孔。为降低材料损耗，传统成形工艺均会在成形模中设计一个模芯。为实现良好的支撑效果，该模芯通常会采用实心结构，其结构示意图如图3所示。

优化后的成形模腔结构包括模芯1、外包套2和粉体3；模芯1的中心位置设置有通孔或盲孔，使得模芯1形成管状或桶形结构；模芯1固定在带有台阶的扁平状盘形结构的外包套中心，粉体3填充在模芯1和外包套2之间形成的容腔内。外包套2与模芯1同轴。

外包套2的最大高度小于模芯1的高度，且外包套2的顶端相对模芯1的顶端缩进Δh，外包套2的底端相对模芯1的底端缩进Δh。

粉末充填型腔后必然存在一定的孔隙率，在热等静压过程中，随着粉坯的逐渐致密，外包套及粉体的高度会有一定的收缩变形量，实心的模芯无法随之发生适应性变形，这也是导致成形后包套翘曲的重要原因。

综合上述因素，对传统的支撑模芯进行如下改进：

在模芯中心位置设计一定直径的中心孔，使模芯由传统的实心结构变为管状或桶形结构，具体结构如图4和图5所示，分别叙述如下：

当模芯直径d0>50mm时，模芯优先采用图4的结构，并保证1/3d0-10mm≤t≤1/3d0，5mm≤Δh≤15mm。

当模芯直径30mm＜d0≤50mm时，模芯结构可采用为图4或图5中的任意一种。若选择图4的结构，须保证t≥10mm，5mm≤Δh≤10mm。；若选择图5的结构，须保证10mm<h1<1/3h0，t≥5mm，且5mm≤Δh≤10mm。。

当模芯直径d0≤30mm时，模芯应采用图5的结构，须保证10mm<h1<1/3h0，t≥5mm，且Δh＝5mm。

采用上述结构后，模芯在热等静压过程中能够随着粉体的收缩发生适应性的变形，能够大大的消除由于变形不协调所带来的翘曲现象。

2.热等静压加载过程优化

热等静压成形过程中，要对产品施加温度和压力。通常，加热和加压是同步进行的，随着温度的升高，压力也同时增大，最终同时达到最大值。

针对扁平状盘形构件的翘曲变形问题，其加载过程调整为先升温后升压的工艺路线，具体步骤如下：

a)升温前，炉膛内的气压不大于0.1Mpa；

b)在室温至500℃之间升温时，不主动加压，保持炉膛内压力不大于10MPa；

c)在500℃至700℃之间升温时，线性加压，保持炉膛内压力不大于80MPa；

d)温度达到700℃时，保温保压1-2小时；

在700℃以上，线性加压至目标压力。

给出本发明实施例：

以附图2为例，其目标结构为图2中上半部分的标准结构件，是一个带有台阶的盘形结构件。其内孔直径为200mm，具体的解决措施如下：

1.成形模腔结构优化

产品内孔直径为200mm，模芯采用图4的结构，具体尺寸如图6。其中，t＝60mm，Δh＝15mm。

2.热等静压加载过程优化

实际加载过程曲线如图7所示：

a)升温前，炉膛内的气压与大气压一致，为0.1Mpa；

b)在室温至500℃之间升温时，不主动加压，保持炉膛内最大压力为6MPa；

c)在500℃至700℃之间升温时，线性加压，保持炉膛内最大压力为70MPa；

d)温度达到700℃时，保温保压2小时；

e)在700℃以上，线性加压至目标压力。

传统方法的端面翘曲量达15mm左右，采用上述方法后无肉眼可见的明显翘曲，端面尺寸波动仅2mm左右，能够节省1/4的原材料粉末，同时缩短1/3的机加工时间。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。