徐磊,郭瑞鵬,吳杰,盧正冠,楊銳

中國科學院金屬研究所 沈陽 110016

摘要

熱等靜壓(hot isostatic pressing,HIP)工藝是高性能粉末冶金制品致密化的重要手段。熱等靜壓致密化和近凈成形工藝過程控制相結合,能夠為后續機械加工、等溫鍛造或熱處理過程提供所需形狀、尺寸和組織的熱制毛坯。熱等靜壓工藝的原理是將制品放置到密閉的容器中,向制品施加各向同等的壓力,同時施以高溫,在高溫高壓的作用下,制品得以燒結和致密化。熱等靜壓是高性能材料生產和新材料開發不可或缺的手段：熱等靜壓可以直接由粉末成形,粉末裝入包套(其作用類似于模具)中,包套可以采用金屬或陶瓷制作(低碳鋼、Ni、Mo、玻璃等),然后用N2、Ar氣作為加壓介質,是一種對粉末直接加熱加壓從而燒結成形的粉末冶金工藝;或者用于成形后的鑄件的內部缺陷愈合,如對鋁合金、鈦合金、高溫合金等包含縮松、縮孔的鑄件進行熱致密化處理,從而提高鑄件的整體力學性能[1,2,3,4,5]。

粉末熱等靜壓近凈成形是利用包套與內部型芯組合模具設計制造技術,將金屬粉末密封在與目標件相似的復雜型腔內熱等靜壓成形,隨后去除外包套,再利用選擇性化學銑技術去除內部型芯模具得到目標毛坯零件的新型復合成形技術。該技術繼承了粉末冶金和熱等靜壓技術的優點,同時借鑒了鑄造復雜零件的模殼與型芯組合模具成形技術,因此國外研究者又將粉末熱等靜壓近凈成形技術稱作“粉末鑄造技術”,可視為精密鑄造技術的升級版[6,7,8]。經優化設計包套成形的熱等靜壓零件尺寸精度和表面粗糙度可以達到或超過精密鑄造件水平;與精密鑄件相比,熱等靜壓近凈成形零件的致密度高,成分均勻,組織中沒有宏觀成分偏析,因此綜合力學性能優異,可達到相同材料鍛件水平。與傳統機械加工方法相比,熱等靜壓近凈成形零件具有2方面優勢：(1) 材料利用率高,熱等靜壓近凈成形技術可以把材料利用率從鍛造加工的10%~20%提高到50%以上;(2) 工藝過程相對簡單,工藝周期短,除了熱等靜壓設備不需要其它重要裝備,可以節省大量的機械加工工作量。

熱等靜壓近凈成形已經成為一種重要的粉末冶金工藝方法,其制件具有均勻細小的微觀組織,良好的綜合性能,可用于制造高性能、形狀復雜的零部件,用以滿足核工業、航空航天、艦船深潛等重要領域的發展需求[9,10,11,12,13,14,15]。

1 技術發展概況

鈦合金化學活性強,與幾乎所有陶瓷坩堝、噴嘴材料反應,容易被氧等雜質沾污,制成粉末后比表面積增大,更易沾污,造成性能急劇下降,因此粉末冶金技術難度極大[16,17,18]。20世紀90年代中期以后,隨著鈦合金熔煉、潔凈制粉技術的進步和粉末冶金技術的發展,通過預合金粉末熱等靜壓工藝制備鈦合金復雜構件的研究受到越來越多研究機構的關注。20世紀90年代,鈦合金粉末冶金近凈成形技術首先應用于航天領域。美國航天飛機主發動機SSME和Atlas-3、Atlas-5等發動機、法國火神發動機、俄羅斯RD-180、RD-191、RD-0120等發動機渦輪泵單元、泵殼、閥體等部件均采用該技術制備并獲應用[19,20,21]。歐美等國隨后陸續開展了鈦合金粉末冶金航空部件的研制,如F-14飛機的短艙隔框及F-100發動機的風扇盤等。英國羅羅公司與伯明翰大學合作開展了鈦合金粉末冶金整體機匣的研究,形成了完整的制備工藝技術[6,14]。目前,普惠公司、通用公司和羅羅公司均在進行軍機發動機粉末冶金機匣的研制。從20世紀70年代起,俄羅斯的VILS公司、美國的Crucible Research和法國的Tecphy公司就開始采用金屬包套研制了一系列航空和航天發動機用鈦合金部件;隨著鈦合金粉末冶金復雜零件熱等靜壓收縮模擬預測模型的建立和發展,成立于2000年的美國Synertech PM公司在過去10多年中生產了多種火箭發動機、航空發動機壓氣機和飛機機身部件[6]。

粉末冶金近凈成形技術的難點是制備環節較多,因此須嚴格控制每一關鍵工藝環節。模具設計制備的成功經驗是由長期的實踐與理論相結合不斷積累而獲得。美俄等國研發機構已經擁有成熟的模具設計制備技術,他們借助于計算機仿真模擬,系統研究粉末構件的致密化收縮行為,為粉末構件的尺寸精確控制、模具優化設計提供了很好的理論指導,顯著縮短了研制周期,降低了成本。

目前制備鈦合金預合金粉末的主流方法為氣體霧化(gas atomization,GA)法和等離子旋轉電極(plasma rotating electrode process,PREP)法2種[22,23]。圖1給出了GA和PREP 2種制粉工藝的示意圖。GA法最早由美國坩堝材料公司(Crucible Materials Corporation)發明,早期的GA設備采用陶瓷坩堝,對鈦合金粉末的潔凈度有一定影響;PREP法是利用等離子電弧熔化金屬電極,金屬熔滴在離心力的作用下進入霧化塔,同時金屬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]。

圖12種制備鈦合金預合金粉末典型工藝示意圖

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

20世紀90年代后期德國ALD公司針對難熔金屬發明了無坩堝感應熔煉超聲氣體霧化制粉 (electrode induction melting gas atomization,EIGA)法,為解決活性金屬霧化制粉的沾污問題提供了技術途徑。中國科學院金屬研究所持續關注并跟蹤了這一技術進展,預見到該技術在航空、航天鈦合金粉末冶金技術領域的潛在應用,于2005年建成國內首臺潔凈鈦合金霧化制粉設備,該設備在為開展鈦合金粉末冶金研究提供合格粉末原料方面發揮了重要作用。國內其它開展粉末冶金技術和增材制造相關研究的單位采用的制粉設備主要是EIGA和PREP,例如西北有色金屬研究院(集團)下屬的西安歐中材料科技有限公司引進了俄羅斯的超高轉速(3×105r/min)等離子旋轉電極霧化(SS-PREP)金屬球形粉末制備生產線,中國兵器科學研究院寧波分院、飛而康快速制造科技有限責任公司陸續引進了德國ALD公司的無坩堝EIGA制粉設備,北京鋼鐵研究總院擁有俄羅斯的PREP制粉設備。國內開展鈦合金粉末近凈成形的單位主要是各材料研究所和大學,其中開展工作比較早的是航天材料及工藝研究所和西北有色金屬研究院。航天材料及工藝研究所研發的產品包括多種牌號(如TC4、TC11、TA7、TA15)的航空航天部件,如舵面骨架結構件、筒件、水平翼骨架、葉輪等。這些構件的力學性能達到鍛件指標,且尺寸精度可達到±0.2 mm的水平,形成了舵翼骨架類、艙體類和異型結構類3大產品體系,并實現了部分產品的規模生產[9,27]。國內高校則主要開展了以下研究工作：粉末收縮的有限元仿真預測、鈦合金粉末致密化過程的組織演化和機理分析。華中科技大學史玉升、魏青松團隊開展了包套優化設計規則、粉末材料在高溫高壓耦合作用下的致密化及其組織結構的演變機理、零件致密化過程的變形規律的數值模擬等工作,能夠預測復雜的閉式葉輪部件的收縮[14,28~31];北京航空航天大學郎利輝研究團隊在熱等靜壓整體包套設計和準等靜壓制備復雜部件方面進行了研究[32,33]。國內開展鈦合金粉末冶金的研究團隊大都受限于平臺條件,對典型鈦合金Ti-6Al-4V(TC4)粉末合金制備開展的研究工作較多,而對高溫鈦合金(如Ti6242、Ti55和Ti60等)、其它結構鈦合金(TC11、TC18、Ti55531等)、鈦鋁金屬間化合物 (γ-TiAl、Ti3Al、Ti2AlNb)和形狀記憶合金的粉末合金制備研究較少,這些材料的致密化模型和組織演化機理尚缺少材料研究的基本數據和理論支持。

中國科學院金屬研究所從2003年開始開展鈦合金粉末近凈成形技術研究,承擔了長征五號氫泵葉輪的研制任務,在該任務牽引下研發了相關技術,在國內首次形成了粉末冶金葉輪制造的研發與小批量生產能力。2016年11月3日,隨著“長征五號”的成功首飛,金屬研究所研制的葉輪產品成為我國首件通過火箭發動機飛行考核的鈦合金粉末冶金轉動件,標志我國全面突破了粉末冶金氫泵葉輪的關鍵技術。本課題組于2003年開展潔凈γ-TiAl金屬間化合物粉末坯料制備和板材軋制研究工作[34,35,36,37],經過十余年的發展,掌握了潔凈粉末制備和預處理、熱等靜壓包套模具設計、熱等靜壓均勻化致密化參數優化、粉末致密化過程中的有限元仿真、部件精確尺寸控制和內部型芯模具的選擇性化學銑去除等一系列關鍵技術,開發了一整套具有自主知識產權的粉末近凈成形相關專用設備,合金體系實現了從結構鈦合金到高溫鈦合金以及鈦鋁金屬間化合物的全面覆蓋,使用溫度從-253 ℃的低溫鈦合金拓展到900 ℃的γ-TiAl金屬間化合物,形成了多種牌號的鈦合金近凈成形產品的小批量生產能力。金屬研究所從材料研制的角度出發,建立了針對快速凝固氣體霧化粉末的合金設計規范,采用不同的預處理手段處理物理化學活性存在較大差異的各種預合金粉末,從相變的層面系統分析了粉末在致密化過程中的組織演化和性能的關系,分析了孔隙缺陷的分類和成因及其對合金性能的影響[38,39,40,41,42,43,44,45,46,47]。本文從典型低溫鈦合金Ti-5Al-2.5Sn超低間隙(ELI)合金研制、Ti55高溫鈦合金研制、鈦鋁金屬間化合物研制、粉末致密化的有限元仿真4個方面對本課題組在鈦合金粉末冶金近凈成形領域的主要研究進展加以簡要介紹。

2 Ti-5Al-2.5Sn ELI低溫鈦合金研制

2.1 粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn ELI合金的制備

Ti-5Al-2.5Sn ELI是在Ti-5Al-2.5Sn合金基礎上,通過嚴格控制O、N和H等間隙元素的含量,開發出的超低間隙合金。該合金在低溫下表現出良好的綜合力學性能,如比強度高、塑性好、無缺口敏感、膨脹系數小,所以該合金在航天領域中的一些低溫服役結構件中得到廣泛應用,如氫泵葉輪、發動機低溫轉子、飛行器低溫容器等[48,49,50]。本課題組自2008年開始研制粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn ELI合金和部件,其制備工藝路線為：合金優化設計→氣體霧化法制備Ti-5Al-2.5Sn ELI潔凈預合金粉末→粉末填充到包套中、封裝除氣→熱等靜壓致密化→包套去除→內部型芯模具化學銑去除→退火處理→粉末合金或部件毛坯。圖2以本課題組為航天用戶研制的管件為例示出了近凈成形的主要工藝流程。

圖2中國科學院金屬研究所粉末冶金近凈成形工藝流程圖

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

航天材料及工藝研究所李圣剛等[27]采用PREP 工藝,將Ti-5Al-2.5Sn ELI鈦合金棒材制備成鈦合金球形粉末,使用自制的除雜設備去除夾雜,達到非金屬夾雜含量每千克不超過20個,制得的粉末冶金低溫鈦合金材料性能全面達到同批次鍛件性能水平。本課題組選用的預合金粉末采用無坩堝感應熔煉的方式制備,徹底避免了引入夾雜的風險,特別是針對使用條件十分苛刻的氫泵葉輪等高速轉動部件,制備過程中如果引入非金屬夾雜將會影響使用性能,導致部件疲勞性能降低而迅速失效,為此本課題組對于轉動部件的粉末制備均采用EIGA工藝。

采用EIGA法制備的Ti-5Al-2.5Sn ELI潔凈預合金粉末的化學成分如表1中所示。可見,預合金粉末的化學成分與名義成分相符,間隙元素含量處于較低水平,雜質元素和間隙元素含量較制粉電極未見明顯增加,表明制粉過程潔凈無污染。

5.2 粉末Ti2AlNb合金致密化過程的有限元模擬

包套是粉末合金熱等靜壓成形所需的容器,將直接影響粉末熱等靜壓制品的冶金質量和外觀尺寸。在進行實際復雜構件熱等靜壓致密化時,熱等靜壓溫度、壓力、升溫速率、降溫速率和包套形狀及尺寸等工藝參數的變化均會導致致密化進程的差異[96,97,98,99,100,101,102,103,104,105,106],特別是當構件尺寸較大時,從包套表面到粉末構件內部的熱等靜壓致密化進程差別可能十分顯著,先焊合的粉末形成一層堅硬的殼層,該層殼對隨后的粉末致密化起阻礙作用,這種現象被稱為“不均勻致密化”。圖17為熱等靜壓不均勻致密化模型的示意圖。

圖17包套熱等靜壓不均勻致密化示意圖

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)

不均勻致密化會導致粉末體各部位致密化程度和收縮變形的不均勻,從而造成粉末構件各部位力學性能的散差。對Ti2AlNb實際粉末冶金部件的截面特征(圖18)進行等效簡化,設計了2種尺寸的圓柱形包套分析不均勻致密化對粉末Ti2AlNb合金綜合力學性能的影響。有限元模擬結果(圖19[65])顯示,當包套內徑為20 mm時,粉末坯料中心處粉末Ti2AlNb合金相對密度分布于99.2%~99.4%,坯料相對密度分布均勻;當包套內徑達到80 mm時,坯料中心處粉末Ti2AlNb合金相對密度分布于98.86%~99.35%,相對密度分布不均勻。且包套內徑尺寸較小時,Ti2AlNb粉末坯料的致密度較高。

圖18利用粉末冶金近凈成形工藝制備的Ti2AlNb合金復雜環形件

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

圖19包套直徑對粉末Ti2AlNb合金相對密度的影響[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

實驗研究[67]表明,包套尺寸的變化對粉末Ti2AlNb合金室溫及650 ℃拉伸性能影響不顯著,但對高溫持久壽命影響顯著,采用小內徑包套制備的粉末Ti2AlNb合金高溫持久壽命比大內徑包套約提高22%。通過有限元預測粉末合金的致密度變化,預測結果可以用來指導熱等靜壓工藝參數的確定,從而使具有復雜形狀及尺寸的粉末Ti2AlNb合金構件各部位的致密化過程均勻進行,進而提高材料的綜合力學性能,尤其是高溫持久壽命[65]。

6 結語與展望

鈦合金粉末近凈成形工藝成本較高是限制其發展的一個問題,隨著工件形狀尺寸復雜程度的提高,包套/模具的制備和熱等靜壓成為成本的主要因素,有限元模擬仿真和工件的批量化生產能夠明顯降低工藝成本。由于粉末熱等靜壓近凈成形的高技術應用背景,粉末收縮專用模擬軟件無法獲得,只能自主開發。高性能粉末鈦合金熱等靜壓近凈成形技術要實現大規模推廣應用,仍需要開展系統的工程化應用研究。未來發展重點包括對性能和成本等有重要影響的制粉技術,低成本高精度近凈成形模具材料與加工技術以及計算模擬設計技術。同時致密化、顯微組織演變等機理性研究對粉末鈦合金技術特別是難變形高溫鈦基材料的應用將起到直接推動作用。此外,在模具去除過程中采用的電化學腐蝕工藝對環境的沖擊和影響也是該技術發展過程中亟待解決的問題。

來源--金屬學報