靜壓工藝
關(guān)注創(chuàng)建者：化石 創(chuàng)建時間：2019-01-30
靜壓工藝的實例教程
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。
展開 熱等靜壓(HIP-Hot Isostatic Pressing)工藝是一種以氮氣、氬氣等惰性氣體為傳壓介質(zhì)，一定的溫度和壓力共同作用于密閉容器中的制品，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，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。熱等靜壓技術(shù)早期主要用于核燃料的制備。國內(nèi)導(dǎo)彈研究院的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)越的空對空導(dǎo)彈伺服機構(gòu)殼體。
本文研究的高壓渦輪盤是Ⅰ類轉(zhuǎn)動件(圖1)，材料為FGH97 合金，單級結(jié)構(gòu)，高壓渦輪盤圓周上有90 個樅樹型榫槽，用于裝配高壓渦輪工作葉片，并通過鎖板固定，榫槽底部加工φ6.7mm 的斜孔，用于給高壓渦輪工作葉片提供冷氣。本文旨在采用熱等靜壓工藝，成形出尺寸和表面質(zhì)量滿足加工要求、組織性能滿足盤件技術(shù)要求的粉末制件，實現(xiàn)FGH97合金盤件的研制。
圖1 高壓渦輪盤零件圖
高壓渦輪盤熱等靜壓成形工藝
高壓渦輪盤主要制備工藝流程為：真空感應(yīng)冶煉母合金棒料→等離子旋轉(zhuǎn)電極法(PREP)制備粉末→粉末處理→粉末裝套→熱等靜壓成形(HIP)→機加工(去包套皮)→熱處理(固溶+時效)→理化檢驗(切除試樣環(huán))。
FGH97 合金熔煉
FGH97 合金棒料熔煉在VIDP400 型真空感應(yīng)熔煉爐(德國ALD 公司)中完成。VIDP400 熔煉爐裝爐量為(2450±50)kg/爐，澆注過程采用2 次擋渣，1 次過濾的方式，澆注的合金棒料具有純凈度高、氣體含量低等優(yōu)點。
展開 通過該工藝制備的各種精密陶瓷零部件，已用于航空、汽車、機械、能源、光通訊、生命醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
四
等靜壓成型
等靜壓成型是目前生產(chǎn)氧化鋁陶瓷球的主要成型方式。
熱等靜壓工藝是通過惰性氣體(如氬氣或氮氣)向加工部件的外表面施加高壓(50-200MPa)和高溫(400-2000℃)，升高的溫度和壓力使材料通過塑性流動和擴散消除了表面下的空隙。熱等靜壓工藝通過薄壁預(yù)應(yīng)力繞線單元可以實現(xiàn)均勻快速的冷卻過程，與自然冷卻過程相比生產(chǎn)效率提高了70%。
冷等靜壓工藝可以對陶瓷或金屬粉末施加更高的壓力，在室溫或稍高的溫度(<93℃)下可達(dá)100-600MPa，以獲得具有足夠強度的“生坯”部件進(jìn)行處理和加工，并燒結(jié)至最終強度。熱等靜壓與冷等靜壓技術(shù)讓陶瓷制造商能夠在控制材料性能的前提下提高生產(chǎn)率。
展開 通過該工藝制備的各種精密陶瓷零部件，已用于航空、汽車、機械、能源、光通訊、生命醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
四
等靜壓成型
等靜壓成型是目前生產(chǎn)氧化鋁陶瓷球的主要成型方式。
熱等靜壓工藝是通過惰性氣體(如氬氣或氮氣)向加工部件的外表面施加高壓(50-200MPa)和高溫(400-2000℃)，升高的溫度和壓力使材料通過塑性流動和擴散消除了表面下的空隙。熱等靜壓工藝通過薄壁預(yù)應(yīng)力繞線單元可以實現(xiàn)均勻快速的冷卻過程，與自然冷卻過程相比生產(chǎn)效率提高了70%。
冷等靜壓工藝可以對陶瓷或金屬粉末施加更高的壓力，在室溫或稍高的溫度(<93℃)下可達(dá)100-600MPa，以獲得具有足夠強度的“生坯”部件進(jìn)行處理和加工，并燒結(jié)至最終強度。
展開 模型
simufact.additve用于3D金屬增材仿真分析，建模過程比較簡單，首先新建一個工藝，定義工藝中的一些步驟，比如，3D打印（建模）、簡單分割，移除支撐，熱等靜壓（HIP)，熱處理等，然后添加組件，simufact.additive支持自動生成支撐，也支持從cad軟件導(dǎo)入支撐模型，然后設(shè)置機械參數(shù)，比如層厚，激光束的能量，速度，束的寬度等，分割厚度，分割方向，移除支撐順序等，然后設(shè)置分析參數(shù)，對工件劃分體網(wǎng)格和表面網(wǎng)格，最后提交計算，后處理分析。主要對殘余應(yīng)力和變形進(jìn)行分析。模型采用316不銹鋼材料。該模型主要分三個階段：3D打印（建模）過程，簡單分割，移除支撐。
模型視圖，圖中支撐為自動生成。
網(wǎng)格模型顯示：
結(jié)果分析：后處理方式參考simufact.forming和simufact.welding，可以測量任意位置的結(jié)果，剖切等。
應(yīng)力結(jié)果：為了消除一部分殘余應(yīng)力可以增添熱處理工藝，或熱等靜壓工藝。
變形結(jié)果：
從該工藝分割方向看：從左到右，注意觀察變形結(jié)果變化：當(dāng)分割左邊時，工件左側(cè)出現(xiàn)較大變形，
當(dāng)分割到右邊時，右邊變形增大了，但是其值遠(yuǎn)小于剛分割左邊時的變形，即分割右邊時，其產(chǎn)生的部分變形與左側(cè)變形中和了一部分，分割方向?qū)ψ冃问怯幸欢ㄓ绊懙摹?移除支撐后，工件也會發(fā)生一定的變形，應(yīng)力也有所變化。
希望大家多多交流3D金屬增材制造（3D打印）共同學(xué)習(xí)。有問題也可以直接在技術(shù)鄰搜索我的ID:qcwhwang
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靜壓工藝的最新內(nèi)容
與采用單一高溫合金鑄造的整體渦輪相比，采用熱等靜壓(HIP)工藝將粉末高溫合金(盤件部位)和鑄造合金(葉片部位)連接起來制備的雙合金整體葉盤可實現(xiàn)盤件材料與葉片材料的最佳組合。雙合金整體渦輪可顯著降低盤件重量，提高渦輪使用溫度，提升渦輪整體性能，延長渦輪使用壽命[37]。
在該計劃中，成功采用DED-L修復(fù)航空發(fā)動機ReneN5單晶材料導(dǎo)向葉片外環(huán)磨損問題，通過控制熱輸入和過程主動冷卻而實現(xiàn)單晶組織連續(xù)外延生長，并抑制變形和微裂紋產(chǎn)生；該項目同時運用PBF-L技術(shù)修復(fù)Mar-M-247合金導(dǎo)向葉片，采用高達(dá)1 150 ℃的預(yù)熱和熱等靜壓工藝可以有效避免表面和內(nèi)部裂紋。
國外高性能氮化硅陶瓷球一般采用熱等靜壓（HIP）工藝制備，熱等靜壓燒結(jié)方式能減小陶瓷內(nèi)部的微量孔隙，使得燒制成型的陶瓷內(nèi)部致密性高，是現(xiàn)階段比較理想的燒結(jié)方式，但由于設(shè)備技術(shù)受國外限制且設(shè)備成本高昂，導(dǎo)致其加工成本較高。
GPS與HIP燒結(jié)得到氮化硅陶瓷性能對比
（圖片來源：陳波等，《氮化硅陶瓷在四大領(lǐng)域的研究及應(yīng)用進(jìn)展》）
第四階段為后處理研磨加工。
熱等靜壓燒結(jié)
為了克服傳統(tǒng)燒結(jié)工藝存在的缺陷，Duna以B和C為添加劑，采用熱等靜壓燒結(jié)工藝，在1900℃便獲得了密度大于98%、室溫抗彎強度高達(dá)600MPa左右的細(xì)晶SiC陶瓷。盡管熱等靜壓燒結(jié)可獲得形狀復(fù)雜的致密SiC制品，并且制品具有較好的力學(xué)性能，但是HIP燒結(jié)必須對素坯進(jìn)行包封，所以很難實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
熱等靜壓工藝是通過惰性氣體(如氬氣或氮氣)向加工部件的外表面施加高壓(50-200MPa)和高溫(400-2000℃)，升高的溫度和壓力使材料通過塑性流動和擴散消除了表面下的空隙。熱等靜壓工藝通過薄壁預(yù)應(yīng)力繞線單元可以實現(xiàn)均勻快速的冷卻過程，與自然冷卻過程相比生產(chǎn)效率提高了70%。
熱等靜壓工藝是通過惰性氣體(如氬氣或氮氣)向加工部件的外表面施加高壓(50-200MPa)和高溫(400-2000℃)，升高的溫度和壓力使材料通過塑性流動和擴散消除了表面下的空隙。熱等靜壓工藝通過薄壁預(yù)應(yīng)力繞線單元可以實現(xiàn)均勻快速的冷卻過程，與自然冷卻過程相比生產(chǎn)效率提高了70%。
FGH97 合金渦輪盤采用溫度為(1200±10)℃，壓力不低于120MPa，保溫保壓時間不少于2h 的熱等靜壓工藝。
過去淬火前忘了鉆定位銷孔、銑槽等工藝、靜壓導(dǎo)軌的內(nèi)油囊型腔，采用電加工后變難為易了。過去淬火前忘了鉆定位銷孔、銑槽等工藝，淬火后這種工件只能報廢，現(xiàn)在則大可不必，可用電火花打孔、切槽進(jìn)行補救。相反有時為了避免淬火開裂、變形等影響，有意把鉆孔、開槽等工藝安排在淬火之后。
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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。
