专利名称：一种钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法
技术领域：
本发明属于航空宇航制造技术领域，特别是涉及一种钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法。
背景技术：
随着航空、航天工业的迅速发展，钛合金薄壁框梁结构得到了越来越广泛的应用。为了满足减重的需要，这类零件通常被设计成带有较薄的腹板和较高的内筋。构件外形复杂,且要求尺寸精度高、内部质量稳定,加之钛合金的成形性能较差,这给构件的成形带来了极大的困难。近年来，采用大型整体钛合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件的薄壁框梁结构来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式的拼装，虽然可以减轻机身质量，提高构件的强度、刚度和可靠性，但是原材料的利用率极低，去除量高达 90% 95%。电铸工艺米用金属电沉积技术在芯模表面沉积一定厚度的金属，再加以必要的修整及加工，再将该金属沉积层与芯模分离。从而获得具有特定功能的金属制品。该技术对芯模表面微细特征的复制能力特别强，电铸层的纯度高，且没有出现采用传统冶金铸造工艺制备的材料所常见的夹杂、锁孔等缺陷。但是，仅仅利用该技术，无法成形整体的薄壁框梁结构。热等静压是上世纪50年代发展起来的一种集粉末的固结成形和烧结处理于一体的新技术。在高温(2000°C)、高压(200MPa)的条件下，通过气体介质使压力均等的传递到材料表面，从而使材料产生固结成形。该技术继承了冷等静压技术和粉末烧结处理的双重优势，克服了粉末冶金过程中烧结温度高的缺点，基本上消除了内部气孔，实现了材料的100%致密化，且材料性能各向相同，大大改善了产品的性能。但是，仅利用热等静压技术却无法成形整体的薄壁框梁结构
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供的钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法包括按顺序进行的下列步骤:1)根据薄壁框梁的形状使用蜡质剂成形电铸的芯模，该芯模作为包套电铸成形的阴极。芯模成形后，在表面进行导电化处理，并在室温下的清洗剂中浸泡除油。2)使用含硫活性镍作为阳极，处理过的芯模作为阴极，完成包套的电铸成形过程。使用氨基磺酸盐溶液作为电铸溶液，利用缓冲剂调节溶液的PH值为酸性，温度控制在较低温度，同时利用搅拌减少溶液中的浓差极化。3)电铸完成后，将电铸层和蜡质芯模整体放入烘箱中加热使芯模熔化去除，再用合适的有机溶剂将残余的蜡质剂清洗干净，得到热等静压近净成形所需的包套模具的主体部分。该包套包括电铸成形的主体部分以及带有真空管的上盖板。4)根据薄壁框梁零件材料的需求，利用等离子旋转电极法制备钛合金粉末，选择100 200目区间的粉末备用。5)将上述制备好的球形钛合金粉末装入已制备好的包套模具中，并且通过机械震动的方式使其密实。6)将上盖板放置在包套的上端口处并封焊好。7)将上述的已经充填粉末的包套放置在加热炉中加热，在高温下利用抽真空设备通过真空管对包套内部进行抽真空处理。8)将上述已经抽真空处理过的包套放入热等静压设备中进行热等静压处理，使钛合金粉末在高温高压下固结成形，形成所需的薄壁框梁零件。9 )利用强酸对外部包套进行腐蚀去除，最终得到钛合金薄壁框梁零件。所述步骤I)中导电化处理为在芯模表面涂覆200 300目的石墨粉作为导电介质。所述步骤2)中氨基磺酸盐电铸溶液的主要成分为四水氨基磺酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸纳。所述步骤3)烘箱加热温度为120°C。所述步骤7)中加热炉的温度为450°C，包套内部的真空度为3X10_2Pa。所述步骤8)中热等静压的条件为在I小时内使热等静压设备内的温度达到550°C 600°C，保温I小时，再在I小时内升温至900°C 1000°C，保温2小时；同时在I小时使热等静压设备内的压力升至50MPa lOOMPa，保压I小时，再在I小时内升压至IOOMPa 150MPa，保压2小时，之后将炉温冷却至室温。所述步骤9)中的强酸为硫酸。本发明提供的钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法是利用热等静压技术对钛合金粉末进行固结成形使其致密化，并且利用电铸技术精确成形外部包套，包套对零件成形起到约束作用而达到一次成形复杂薄壁框梁零件的目的。这样，不仅免除了昂贵复杂的内部芯模的生产加工，而且大大提高原材料的利用率，在极大的降低了零件的生产成本的基础上，得到致密度高、机械性能优异的薄壁框梁零件。
图1为采用本发明提供的钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法生产出的薄壁框梁零件的示意图。图2为采用本发明提供的钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法成形的电铸阴极芯模的结构示意图。图3为采用本发明提供的钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法成形薄壁框梁零件时所使用包套的结构示意图。图4为采用本发明提供的钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法成形薄壁框梁零件时所使用包套的内部结构示意图。图5为采用本发明提供的钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法成形薄壁框梁零件时已经充填粉末的包套的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法进行详细说明。如图1一图5所示，本发明提供的钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法包括按顺序进行的下列步骤:I)根据薄壁框梁I的形状使用蜡质剂成形电铸的芯模2，该芯模2与薄壁框梁I的外形尺寸相同并作为包套主体部分4电铸成形的阴极。为保证芯模2在电铸溶液中不浮起，在芯模2浇铸前应在模具中吊入钢铁之类的重物，芯模2成形后，在表面涂覆200 300目的石墨粉作为导电介质，涂覆导电粉后，用水洗去表面上未黏着的粉末，并在室温下的清洗剂中浸泡除油。2)使用含硫量较低的活性镍作为阳极，处理过的芯模2作为阴极，完成包套主体部分4的电铸成形过程。使用氨基磺酸盐溶液作为电铸溶液，其中，电铸溶液的主要成分为四水氨基磺酸镍、氯化镍、硼酸、十 二烷基硫酸钠。溶液的PH值调整为酸性，温度控制在较低温度，同时采用搅拌的方式减少溶液中的浓差极化。3)电铸完成后，将包裹有电铸层的蜡质芯模2整体放入烘箱中加热使芯模2熔化去除，再用有机溶剂将残余的蜡质剂清洗干净，得到包裹在外的整体电铸层，即热等静压近净成形所需的包套模具的主体部分4。该包套3包括电铸成形的主体部分4以及带有真空管的上盖板5。4)根据薄壁框梁I零件材料的需求，利用等离子旋转电极法制备球形钛合金粉末7，并筛分出100 200目区间的粉末备用。5)将上述制备好的球形钛合金粉末7装入已制备好的包套主体部分4中，并且通过机械震动的方式使其密实。采用球形钛合金粉末7的目的是使其便于流动，从而有利于薄壁框梁I零件的成形。6)将上盖板5放置在包套主体部分4的上端口处并封焊好。7)将上述的已经充填粉末的包套8放置在加热炉中加热，加热炉的温度为450°C，在高温下利用抽真空设备通过真空管6对包套8内部进行抽真空处理，包套8内部的真空度为 3 X IO^2Pa08)将上述已经抽真空处理过的包套8放入热等静压设备中进行热等静压处理，热等静压处理的条件为在I小时内使热等静压设备内的温度达到550°C 600°C，保温I小时，再在I小时内升温至900°C 1000°C，保温2小时；同时在I小时使热等静压设备内的压力升至50MPa lOOMPa，保压I小时，再在I小时内升压至IOOMPa 150MPa，保压2小时，之后将炉温冷却至室温，以使钛合金粉末7在高温高压下固结成形，形成所需的薄壁框梁I零件。9)利用浓度较高的硫酸对外部包套8进行腐蚀去除，最终得到钛合金薄壁框梁I零件。由于薄壁框梁I零件由具有抗腐蚀性的钛合金材料制成，因此在腐蚀的过程中不受强酸的影响。另外，薄壁框梁I零件的形状不同时，芯模2以及包套3的形状也随之改变，芯模去除的加热温度要根据芯模材料的不同做相应的调整，热等静压处理的条件要根据薄壁框梁I的材料及形状不同而作相应的调整。
权利要求
1.钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法，其特征在于:所述的钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法包括按顺序进行的下列步骤: 1)根据薄壁框梁(I)的形状使用蜡质剂成形电铸的芯模(2)，该芯模(2)与薄壁框梁(O的外形尺寸相同并作为包套主体部分(4)电铸成形的阴极。为保证芯模(2)在电铸溶液中不浮起，在芯模(2)浇铸前应在模具中吊入钢铁之类的重物，芯模(2)成形后，在表面进行导电化处理，并在室温下的清洗剂中浸泡除油。
2)使用含硫活性镍作为阳极，处理过的芯模(2)作为阴极，完成包套主体部分(4)的电铸成形过程。使用氨基磺酸盐溶液作为电铸溶液，利用缓冲剂调节溶液的PH值为酸性，温度控制在较低温度，同时利用搅拌减少溶液中的浓差极化。
3 )电铸完成后，将包裹有电铸层的蜡质芯模(2 )整体放入烘箱中加热使芯模(2 )熔化去除，再用合适的有机溶剂将残余的蜡质剂清洗干净，得到包裹在外的整体电铸层，即热等静压近净成形所需的包套模具的主体部分(4)。该包套(3)包括电铸成形的主体部分(4)以及带有真空管的上盖板(5)。
4)根据薄壁框梁(I)零件材料的需求，利用等离子旋转电极法制备球形钛合金粉末(7)，选择100 200目区间的粉末备用。
5)将上述制备好的球形钛合金粉末(7)装入已制备好的包套主体部分(4)中，并且通过机械震动的方式使其密实。
6)将上盖板(5)放置在包套主体部分(4)的上端口处并封焊好。
7)将上述的已经充填粉末的包套(8)放置在加热炉中加热，在高温下利用抽真空设备通过真空管(6)对包套(8)内部进行抽真空处理。
8)将上述已经抽真空处理过的包套(8)放入热等静压设备中进行热等静压处理，使钛合金粉末在高温高压下固结成形，形成所需的薄壁框梁(I)零件。
9)利用强酸对外部包套(8)进行腐蚀去除，最终得到钛合金薄壁框梁(I)零件。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法，其特征在于所述步骤I)中导电化处理为在芯模表面涂覆200 300目的石墨粉作为导电介质。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法，其特征在于所述步骤2)中氨基磺酸盐电铸溶液的主要成分为四水氨基磺酸镍、氯化镍、硼酸、十_■烧基硫酸纳。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法，其特征在于所述步骤3)烘箱加热温度为120°C。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法，其特征在于所述步骤7)中加热炉的温度为450°C，包套内部的真空度为3X10_2Pa。
6.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法，其特征在于所述步骤8)中热等静压的条件为在I小时内使热等静压设备内的温度达到550°C 600°C，保温I小时，再在I小时内升温至900°C 1000°C，保温2小时；同时在I小时使热等静压设备内的压力升至50MPa lOOMPa，保压I小时，再在I小时内升压至IOOMPa 150MPa，保压2小时，之后将炉温冷却至室温。
7.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法，其特征在于所述步骤9)中的强酸为 硫酸。
全文摘要
一种钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法。该方法包括包套的电铸精确成形、钛合金粉末的制备、粉末装入包套、对包套进行内部抽真空处理、将已抽真空的包套进行热等静压处理、利用化学腐蚀的方法去除包套等步骤。本发明提供的钛合金粉末薄壁框梁结构热等静压近净成形方法是利用热等静压技术对钛合金粉末进行加热和加压，同时使用电铸技术成形外部包套，这样不仅可以大大减少在包套制备过程中的材料浪费，省去复杂繁琐的机加工工序，更为重要的是免去了昂贵的内部芯模的制造和后处理过程中对内部芯模的腐蚀去除。在得到机械性能优异，高致密度零件的同时，可以大大提高零件的生产效率，降低生产成本。
文档编号B22F3/14GK103240415SQ201310136500
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月18日 优先权日2013年4月18日
发明者郎利辉, 王刚, 布国亮 申请人:北京航空航天大学