TA15轴承座热等静压工艺成形技术研究

文／李治华，邰清安·中国航发沈阳黎明航空发动机集团有限责任公司邓太庆·航天材料及工艺研究所

本项目采用850℃～980℃温度、施加压力不小于120MPa、保持2h～4h成形后炉冷的热等静压工艺，700℃～850℃保温1h～4h，冷却到100℃以下出炉空冷的热处理工艺成形出尺寸和表面质量满足加工要求、室温拉伸性能接近锻件水平的粉末制件，实现了钛合金复杂结构件的整体近净成形。

热等静压工艺（HIP）是一种以氮气、氩气等惰性气体为传压介质，将制品放置到密闭的容器中，在一定的温度和压力的共同作用下，向制品施加各向同等的压力，对制品进行压制烧结处理的技术。HIP成形技术是在冷等静压和热压技术基础上发展起来的综合工艺，HIP最早开始用于难成形材料的制坯和扩散连接。但随着HIP设备和计算机技术的发展，HIP在近净成形难加工材料复杂零件方面的技术优势和经济优势逐渐显现了出来，成为当今世界工业发达国家研究的热点。

HIP近净成形技术结合了粉末HIP技术制备高性能组织和模具（包套与型芯）控形技术，在一次热等静压过程中同时实现材料致密和构件成形的工艺过程，是典型的“材料-工艺一体化技术”。其主要涉及粉末制备、包套与型芯设计与制造、热等静压工艺、包套与型芯的去除等。其中，包套为成形粉末提供真空环境，并传递温度、压力致密粉末，型芯约束最终零件的结构。热等静压后，包套和型芯一般需要去除，结构简单的包套和型芯采用传统的机械加工方法即可去除，结构复杂部位一般采用选择性腐蚀的方法去除。去除包套和型芯后，即可获得高致密、力学性能与锻件相当、尺寸精度高的金属零件，整个过程几乎不产生任何废料。

热等静压技术早期主要用于核燃料的制备，20世纪80年代美国空军材料实验室将该工艺扩展到了制造镍基高温合金和钛合金的预成形坯。国内导弹研究院的李海泓分析了钛合金粉末冶金技术的优点，并采用钛合金粉末冶金技术成形出性能优越的空空导弹伺服机构壳体。本文研究的轴承座是后机匣的主要部件（见图1），材料为ZTA15，最大直径φ432mm，总高168mm，壁厚4mm，零件前后端面分布有螺栓孔、螺纹孔、销子孔、减重花边；径向分布有斜安装座、腔槽、销子孔、减重槽，结构复杂。目前成形工艺采用熔模铸造，毛料问题多，零件表面经常发现缺陷，导致处理周期长，合格率低。本文旨在采用一种复杂构件近净成形方法，成形出尺寸和表面质量满足加工要求、室温拉伸性能接近锻件水平的粉末制件，解决轴承座毛坯存在的问题。

图1 轴承座零件图

轴承座热等静压成形工艺

热等静压工艺流程

轴承座热等静压近净成形工艺流程如图2所示。

图2 轴承座热等静压近净成形工艺流程图

⑴模拟条件。

基于有限元软件，对轴承座在高温下热等静压过程的行为进行分析，充分了解合金粉末在热等静压过程中的变形趋势，为后续包套设计提供理论参考。芯模及包套的形状如图3所示。

图3 热等静压模具图

包套与芯模之间的空隙部位填充钛合金（TA15）粉末。该零件为轴对称回转体工件，因此，在有限元分析时，为减少计算工作量，提高计算效率，只对其中1/4进行计算分析。考虑到数值模型划分网格的复杂性，有限元分析可利用平面网格周向扩展方法得到各工件的三维网格，所得五面体网格单元数少、精度高，该划分方式在模拟过程中具有计算速度快、成形精确度高、易于计算等优势，可对工件在热等静压过程的变形行为进行直观分析。基于轴承座包套、零件、芯模实际尺寸结构，建立二维网格模型，并通过扩展方式，建立起的三维五面体网格模型如图4所示，单元格总数为77790个，其中包套单元格数10770个，零件单元格数19320个，内芯单元格数47700个，变形体之间的摩擦系数设为0.2；加载时间14400s，增量步长设为10s；总增量步数为1440步。收敛容差采用相对位移，设为0.1。

轴承座热等静压有限元分析

图4 三维网格模型

⑵模拟结果分析。

为了清晰直观的查看TA15钛合金热等静压的成形过程，采用切片的方式对模拟结果进行分析；由于该零件为近似回转体轴对称结构，取其中一个切片的模拟过程进行分析。

1)相对密度变化情况。

在热等静压过程中，其不同时间段的相对密度变化情况如图5所示。

图5 相对密度变化情况

热等静压3000s时，温度和压力均未达到设定的最大值，此时，局部密度已经开始发生变化，零件外形也随着包套发生了一定的形变；6000s时，已达到热等静压保温保压状态，并持续了40min，可见此时零件大多位置的相对密度达到了0.98，而下方的两个凸出部位相对密度仅为0.85；从10000s至14400s过程中，零件形状持续发生改变，相对密度逐渐增加；结束时，零件整体相对密度基本达到0.98，局部位置的相对密度也在0.90以上，说明在这些局部位置不易致密，在后期模具设计和热等静压工艺参数选取上需注意考虑。通过后期实际热等静压工艺过程试验可知，在那些局部不易致密的位置几乎能获得全致密，说明该包套结构经3h热等静压处理后完全能获得几乎全致密零件，保证零件具有良好的力学性能。

2)相对位移变化情况。

轴承座热等静压过程中，其不同时间的相对位移变化情况如图6、图7所示。

热等静压3000s时，温度和压力分别达到800℃和120MPa，在该环境下零件随着包套发生了一定的形变；6000s时，已达到热等静压保温保压状态，并持续了40min，零件整体发生了较大的位移，尤其是肩部的位移量较大，X方向和Y方向相对位移量约为9mm和13mm；从10000s至14400s过程中，零件形状持续发生改变，在14400s结束时，零件整体相对位移量达到最大，其最大位移发生在肩部，X方向和Y方向相对位移量约为14mm和18mm，接近内表面位置粉末变形较小，这是由于轴承座内表面受包套芯模约束，在热等静压过程中尺寸基本保持不变，粉末基本上靠外包套受力致使其收缩致密。因此，在实际操作过程中，为了保证热等静压近净成形后零件的尺寸，应充分考虑粉末收缩和包套变形情况，结合实际情况，精确设计包套结构和尺寸，实现轴承座产品热等静压近净成形。

图6 X方向相对位移变化情况

图7 Y方向相对位移变化情况

轴承座粉末制件性能检测

力学性能

本批轴承座共2件（见图8），分别在解剖件和试环上进行力学性能检测，检测结果见表1。从表中数据可以看出：粉末轴承座无论是试环还是解剖件室温性能都达到了技术标准的要求，500℃的持久时间都在90h以上，虽然在标准中要求实测，但其值已经远远高于锻件要求的50小时。

图8 TA15合金轴承座

高低倍组织

TA15合金轴承座粉末件低倍试样在解剖件纵向位置切取，低倍检测结果见图9，无裂纹、气孔、偏析、金属和非金属夹杂、缩孔及其他冶金缺陷。

TA15合金轴承座粉末件高倍组织可见圆形颗粒，在扫描电镜下对颗粒成分进行能谱分析，粉末颗粒周边和内部元素含量无明显差异，见图10。

无损检测

根据试制协议要求轴承座需要进行X射线和荧光检查，确定是否存在内部缺陷。按GJB1187A-2001的B级分别对2件轴承座进行X射线检查，不存在气孔、夹杂和裂纹等缺陷。按GJB 2367A-2005分别对2件轴承座进行荧光渗透检验，未发现裂纹等缺陷。

表1 TA15轴承座性能检测结果

图9 TA15合金轴承座低倍组织

图10 TA15合金轴承座高倍组织

结论

⑴采用热等静压工艺能够成形出粉末合金轴承座复杂制件；

⑵热等静压工艺成形的轴承座组织和性能满足试制技术协议的要求，轴承座粉末制件内部不存在气孔、夹杂和裂纹等缺陷。