一种具有特殊功能层复杂零件的热等静压一体化成形方法
【技术领域】
[0001]本发明属于先进制造领域，具体涉及一种以石墨作为易去除控形型芯的等静压成形方法，该方法尤其适用制造航空航天领域具有复杂结构并需要特殊功能层的零件。
【背景技术】
[0002]航空航天领域复杂零件通常采用镍基与钛基等特殊昂贵材料，并且零件表面需要具有隔热、防腐蚀、抗氧化等特殊要求的功能层。这类零件传统加工方法一般采用烧结、铸锻、机加工结合焊接机加工成形，再采用诸如电镀、热喷涂等表面处理工艺在表面生成功能层的方法来生产。传统方法费时、费材，复杂结构甚至无法成形制造、表面沉积功能层与基体结合不牢易剥落等缺点。
[0003]热等静压(HotIsostatic Pressing, HIP)是通过将高温(700-2000 °C )、高压(70-200MPa)气体介质同时均等地作用在包套表面，从而使包套内的粉末材料产生固结。热等静压工艺利用高温高压复合载荷结合模具控形技术可实现陶瓷、硬质合金、复合材料、钛镍等贵重零件的粉末整体近净成形，其零件的力学性能与同材质锻件相当，尺寸精度高，且材料利用率超过90%，几乎不存在材料浪费。
[0004]传统HIP方法成形复杂零件，采用金属材料(如45#钢等)制造控形型芯，由于型芯一般是刚性实心，型芯通常采用机加工或化学腐蚀的方法去除，但机加工方法对于去除型芯往往有很大的局限性，尤其对于复杂结构型芯只能用化学腐蚀来去除。然而化学腐蚀方法成本高，周期长，且对环境污染大。并且HIP后仍然需要采用传统方法在零件表面生成功能层，工艺周期长，并且复杂结构零件难以做到功能层性能一致。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种具有特殊功能层复杂零件的热等静压一体化成形方法，目的在于采用该方法型芯易去除且无污染，并且能使功能层牢固和成形件结合，尤其适用于成形复杂零件。
[0006]本发明提供的一种热等静压一体化成形方法，该方法采用石墨作为控形型芯，并在其表面预沉积一层或多层功能层，再进行热等静压，在热等静压成形零件的过程中，该功能层在高温高压的同时作用下原位转移、扩散到正在成形的零件表面，使得功能层与成形零件紧密结合；热等静压后利用线切割去掉包套，再将控形型芯除去，得到具有功能层的高性能零件。
[0007]上述技术方案的具体实现步骤包括:
[0008](I)根据需要加工零件的形状和尺寸，设计出包套和控形型芯的模型；
[0009](2)按所设计的模型，采用金属做包套，用机加工的方法制造出石墨控形型芯；
[0010](3)在石墨控形型芯表面覆上一层或几层成型件工作环境所需要的功能层；
[0011](4)将石墨型芯固定在包套中，然后往金属包套内填装粉末，并震动摇实；
[0012](5)抽真空并封焊包套；
[0013](6)对包套进行热等静压处理；
[0014](7)采用机加工方法去除包套；
[0015](8)用喷砂法去除石墨控形型芯。
[0016]针对现有热等静压制造方法中存在的问题，本发明提供了一种具有特殊功能层复杂零件的热等静压一体化成形方法，具体而言，本发明具有以下优点:
[0017](I)石墨容易加工。石墨用机加工的方法很容易成形，缩短了加工型芯的时间，并且石墨密度小方便运输。
[0018](2)石墨强度随温度的升高而增强，并且具有较好的导热性，相比传统方法选用刚性金属作控形型芯，金属型芯材料强度随温度的升高而降低，无法控制零件的尺寸精度，而石墨做控形型芯成形出来得零件尺寸更加精密，性能更符合要求。
[0019](3)型芯易去除。用金属材料制造型芯热等静压成形后的零件，表面的包套较易去除，但型芯很难去除，大多数情况下只能采取化学腐蚀的方法，对环境的污染比较严重而且工艺周期长。然而用石墨作控形型芯，用喷砂的方法就很容易去除，这样既方便又环保。
[0020](4)热等静压除去包套后用喷砂的方法去除石墨，解决了复杂零件内腔难覆膜的问题，缩短了加工流程，提高了加工效率。
[0021](5)在热等静压成形零件的过程中，该功能层在高温高压的同时作用下可“原位”渗透、扩散到正在成形的零件表面，并且与传统方法仅仅将功能层沉积到零件表面相比，本发明中的功能层与零件的结合更为均匀，更为紧密。
【附图说明】
[0022]图1为本发明方法热等静压前准备示意图，其中，(a)根据成形件结构的要求制造出石墨控形型芯，(b)将预沉积层沉积到石墨控形型芯表面。
[0023]图2为该发明方法热等静压工艺成形示意图，其中，(C)为热等静压过程中示意图，(d)为热等静压后得到的整体零件，I为抽气口，2为控形包套，3为功能层，4为渗透层，5为高温合金,6为石墨控形型芯；
[0024]图3为该发明方法热等静压后处理示意图，其中(e)为热等静压去包套后所得零件，(f)用喷砂方法去掉石墨控形型芯后得到的最终成形零件。
[0025]图4为实例中制得需要MCrAH作为热障涂层的航空航天机匣示意图，图中7为石墨控形型芯，8为MCrAH功能层，9为渗透层，10为以TC4为材料的成形机匣；
[0026]图5为实例中制得需要镍和碳化钨作为复合涂层的航空航天机匣示意图，图中11为石墨控形型芯，12为碳化钨功能层，13为镍功能层，14为以TC4为材料的成形机匣。
【具体实施方式】
[0027]本发明方法选用石墨作为控形型芯并在其表面预沉积一层或多层功能层，在热等静压成形零件的过程中，该功能层在高温高压的同时作用下可“原位”转移、扩散到正在成形的零件表面，热等静压后可用线切割去掉包套，用喷砂的方法将石墨控形型除去，得到具有功能层的高性能零件。这种成形和表面处理同时进行的“并行工艺”在成形高性能零件的同时获得与基体结合牢靠、性能均一功能层。
[0028]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0029]本发明采用价格低，较常见、加工性能好的材料作为热等静压包套，用石墨作为控形型芯，并在石墨上沉积一层功能膜，最终获得尺寸性能满意的表面需要功能层的复杂零件。
[0030]如图1，图2，图3所示，本发明提供了一种具有特殊功能层复杂件的热等静压一体化成形方法，包括下述步骤:
[0031](I)采用三维造型软件设计出包套和型芯的三维CAD模型。
[0032]针对表面形貌复杂且带复杂内腔的零件，合理设计包套和型芯非常关键，采用UG，Pro/E等三维造型软件设计,方便、效率、准确。
[0033](2)按所设计的三维CAD模型，用机加工或者其他方法制造金属包套，用机加工方法制造石墨型芯。
[0034]制造金属包套选择合适的金属材料(如45钢等),制造石墨型芯选择合适的石墨材料(如闻强石墨，等静压石墨等)。
[0035](3)根据成型件工作环境的特殊要求来选择对石墨表面覆不同的功能膜，高温工作环境下的零件可以选择MCrALY (M = Fe, Co, Ni)作为热障涂层功能膜，提高零件抗热疲劳和高温腐蚀能力可以选择碳化物、氧化物、合金作为耐磨涂层功能膜，等等。然后根据不同的功能层选择不同的方法将功能膜沉积石墨表面，常见的覆膜方法有:电镀、化学镀、热喷涂、激光熔覆、物理气相层积