一种内部控型零件热等静压成形模具及其成形方法

1.本发明涉及热等静压工艺技术领域，特别是涉及一种内部控型零件热等静压成形模具及其成形方法。


背景技术：

2.热等静压工艺是在高温和高压的作用下将粉末直接烧结致密的近净成形技术，其具有材料利用率高、生产加工周期短、零件综合性能好等优点，并且适用于制备材料熔点高、结构复杂以及异种材料连接的零件，尤其是航空航天领域等对零件的结构和功能的要求较高的技术领域。相比于铸造，热等静压工艺制备的零件综合性能好，无偏析、缩松缩孔等缺陷，相比于锻造，其加工周期短、材料利用率高、可实现复杂结构零件的制备。
3.热等静压技术是一种在等向压力条件下的成形制备技术，但对于内部需要控型的零件(零件如附图2所示)，受到包套和内部控型模具的影响(模具如附图6所示)，粉末内部受到的力实际并非等向的，因此粉末的收缩也是不均匀的，粉末在热等静压后会出现收缩，即使初始装粉密度较高，成形后也会发生接近30％的体积收缩，因此当控型模具上方的粉末发生收缩时，而底部圆形基块由于屏蔽效应影响压力传递，使得粉末并非受到等向压力的作用，导致控型模具将出现向上变形，最终导致零件整体发生翘曲(翘曲零件如附图7所示)。目前专利为了减少零件翘曲变形，通常是通过优化模腔结构和热等静压工艺温度压力曲线来实现的，如专利号为“cn110666174a”，专利名称为“改善热等静压粉末冶金扁平状构件端面翘曲变形的方法”中包括(1)优化扁平状的带有台阶的盘形结构件的成形模腔结构；(2)将热等静压加载过程调整为先升温后升压的工艺，但上述专利中的零件整体结构较简单，并不需要内部控型，且仅对局部的精度进行了优化，因此并不适用内部需要控型的零件成型，并且对于热等静压设备而言，先升温后升压的方式操作难度较大，实现困难。此外，无论是现有技术，还是上述专利因为成形后的零件内部会存在一定的残余应力，这也会导致热等静压后零件的翘曲变形增大，难以满足形位公差要求，增加了机械加工去除包套的难度，严重时将直接导致零件报废。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种内部控型零件热等静压成形模具及其成形方法，对成形模具进行了结构补偿的设计，将成型模腔分成上下两层粉末成型层，在热等静压过程中上下两层粉末成型层的同步收缩，能够保证控型模具上下两侧受力均衡，能够有效防止热等静压后的零件出现翘曲问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明公开了一种内部控型热等静压零件成形模具，包括圆形基块和罩设在所述圆形基块上的成型包套，所述成型包套和所述圆形基块密封连接，所述圆形基块中心设有预留孔，所述预留孔内安装有用于支撑并固定所述成型包套的型芯，所述型芯、所述圆形基块和所述成型包套之间具有成型模腔，所述成型模腔包括呈上下分布的上粉末成型层和下粉末成型层，所述上粉末成型层和所述下粉末
成型层之间设有固定在所述型芯上的控型模具，所述控型模具上预留有能够连通所述上粉末成型层和下粉末成型层的连接间隙，所述成型包套上设有待密封的粉末填充口，所述粉末填充口与所述上粉末成型层连通。
6.优选地，所述下粉末成型层的厚度需满足h≥1/2h，h为下粉末成型层的厚度，h为上粉末成型层厚度的h。
7.优选地，所述型芯为管状型芯，所述管状型芯的壁厚需满足1/10l≤t≤3/10l，t为管状型芯的壁厚，l为圆形基块的半径减去管状型芯的半径。
8.优选地，所述成型包套的中部设有供所述型芯的端部插入并固定的连通孔。
9.优选地，所述成型包套边角采用圆角过渡。
10.还公开了一种内部控型热等静压零件成形方法，采用了上述的内部控型热等静压零件成形模具，包括以下步骤：
11.s1、通过所述粉末填充口向所述成型模腔内填充粉末颗粒；
12.s2、通过所述粉末填充口对所述成型模腔内部抽真空，然后密封所述粉末填充口；
13.s3、将所述内部控型零件热等静压成形模具放入热等静压炉中进行热等静压；
14.s4、将热等静压获得的没有连通孔隙的压坯通过机加工或酸浸的方法去除圆形基块、成型包套、控型模具和型芯得到零件；
15.s5、对所述零件进行修整和表面处理，得到最终的成形零件。
16.优选地，步骤s4和步骤s5之间包括步骤s4’：将步骤s4中得到的零件放入所述热等静压炉中再次进行热等静压，热等静压的温度、压力均有所提升。
17.优选地，将步骤s5得到的零件进行去应力退火。
18.优选地，步骤s2中，采用振动装粉的方式填充粉末颗粒，初始装粉的密度需≥65％。
19.优选地，包括步骤s1之间包括步骤s0：对零件进行结构分析，根据粉末收缩率确定粉末用量、下粉末成型层的厚度和上粉末成型层厚度，确定圆形基块和控型模具的相对位置，并得到圆形基块、成型包套、控型模具和型芯的模型，然后将模型导入有限元软件中进行仿真，根据数值模拟结果进一步优化圆形基块、成型包套、控型模具和型芯的结构，直到获得满足要求的零件几何精度模拟结果，然后根据模拟结果通过机械加工的方式制备圆形基块、成型包套、控型模具以及型芯，将圆形基块和成型包套进行表面抛光清洗处理，以去除材料表面的油污和杂质，然后将成型包套、圆形基块、控型模具和型芯进行装配。
20.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
21.1.本发明的成形模具中进行了结构补偿的设计，将对成型包套、型芯和圆形基块之间的成型模腔分成了上下两层粉末成型层，上层为主要成形层，下层为补偿层，当进行热等静压成形工艺时，上层粉末和下层粉末能够同步收缩，从而使得控型模具上下两侧受力平衡，防止某一侧收缩过大而引起翘曲。
22.2.本发明的成形模具中优化了型芯结构，将柱状型芯改为管状型芯，既可减少材料用量，又能降低零件的翘曲变形，采用管状型芯时，热等静压炉中的高压气体能够进入到管状型芯的中间，该力作用在管状型芯的内壁上，使其产生扩张的趋势，对于粉末包套整体而言，该力跟翘曲变形恰好是相反的，因此可以减弱翘曲变形。
23.3.本发明的成形模具中成形包套的结构采用圆角平滑过渡，以解决直角过渡产生
的“应力屏蔽”效应所引起的无法很好地传递给内部粉末压力的问题，能够保证粉末受到具有足够的压力，且受力均衡，保证零件的致密度。
24.4.本发明的成形方法中对零件进行了两次热等静压，且第二次热等静压压力和温度均有所提升，能够有效防止粉末收缩不均匀带来的翘曲变形，并且充分保证了零件的致密度。
25.5.本发明的成形方法中通过对成形零件进行退火处理，能够有效消除其内部的应力，以降低热等静压后零件的翘曲变形，使零件满足形位公差要求。
26.6.本发明的成形方法中在制作成形模具时，通过对粉末固体结构补偿、包套模具优化设计、热等静压工艺优化以及数值模拟辅助验证的多种方法相结合的方式，有效减小了零件的翘曲变形问题，保证了零件的成形精度，缩短了后续去除包套的加工周期，提高了生产效率。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为内部控型热等静压零件成形模具的结构示意图；
29.图2为成形零件的立体结构示意图
30.图3为成形零件的透视结构示意图
31.图4为成形零件的正视图；
32.图5为图4中a-a处的剖视图；
33.图6为现有成形模具的结构示意图；
34.图7为采用现有成形模具制作而发生翘曲的成形零件结构示意图；
35.图8为内部控型热等静压零件成形方法的流程图。
36.附图标记说明：1、圆形基块；2、成型包套；3、控型模具；4、型芯；5、上粉末成型层；6、下粉末成型层；7、成形零件；8、连接肋板。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.实施例1
39.本实施例提供了一种内部控型热等静压零件成形模具，如图1至图8所示，包括圆形基块1、成型包套2、控型模具3以及型芯4，其中圆形基块1作为包套的一部分位于底部，起到承载和密封的作用。成型包套2罩设在圆形基块1上，成型包套2和圆形基块1密封连接，可采用焊接方式进行密封连接，当然若有其他方式，也可以采用其他种方式。圆形基块1中心设有预留孔，型芯4的底端竖向安装在预留孔内，型芯4的顶端用于支撑成型包套2，且与成
型包套2固定连接，同样的型芯4与预留孔、成型包套2之间也可以采用焊接的方式，同样若有其他种方式也可采用其他种方式。控型模具3固定连接在型芯4上，可采用焊接或过盈插接方式，有效为焊接。控型模具3将成型模腔分成了上下分布的上粉末成型层5和下粉末成型层6，控型模具3根据零件内部需控型的形状设置，但控型模具3上要预留有连接间隙，通过连接间隙可使上粉末成型层5和下粉末成型层6连通，填充粉末后上粉末成型层5中的粉末和下粉末成型层6中的粉末能够通过连接间隙相互接触，以便于粉末在热等静压成型时连接间隙中能够形成连接肋板8，以将上粉末成型层5中成型的部分和下粉末成型层6中成型的部能够连接在一起。成型包套2上设有待密封的粉末填充口，粉末填充口与上粉末成型层5连通，通过粉末填充口可向上粉末成型层5内填充粉末，粉末通过连接间隙可渗入下粉末成型层6中，填充时可采用振动方式填充，一方面以保证粉末能够有效充满下粉末成型层6，避免因控型模具3的阻挡而填充不到位，另一当面可以保证粉末密实。此外通过粉末填充口还可对成型模腔内进行抽真空，并在抽完真空后进行密封，以保证热等静压过程中成型模腔始终处于密封状态，密封可采用密封件密封，也可采用焊封的方式进行密封，为保证成型包套2的完整性，优选焊封的方式。
40.工作原理：
41.首先，将粉末通过粉末填充口填入成型模腔内，填充时采用振动装粉的方式，保证上粉末成型层5和下粉末成型层6中充满粉末，并且密实程度达到预设要求；然后，将成型模腔内进行抽真空，并在真空度达标后，对粉末填充口封焊；再然后，将上述模具连通粉末一同放入热等静压炉中进行热等静压，热等静压温度根据粉末材料的熔点确定，作为优选地热等静压温度为粉末材料熔点绝对温度的0.5～0.6，保温时间2～3h，压力80～120mpa，热等静压后粉末会和圆形基块、成型包套、控型模具以及型芯连接成一个整体压坯；再然后，将获得的压坯通过机加工或酸浸的方法去除圆形基块1、成型包套2、控型模具3和型芯4；最后，将上述得到的零件进行适当的修整和表面处理后即可得到最终的成形零件7。作为优选地，在零件第一次热等静压后，可再次进行一次热等静压，以提高零件的致密度，此次热等静压炉内的温度和压力均所有提升，优选为粉末材料熔点绝对温度的0.6～0.75，保温时间2～3h，压力100～200mpa。此外，为消除应力，还可在第二次热等静压后，对成形零件7进行去应力退火，以消除内部的残余应力。
42.进一步，本实施例中，如图1至图8所示，下粉末成型层6的厚度需满足h≥1/2h，h为下粉末成型层6的厚度，h为上粉末成型层5厚度的h。该厚度可有效平衡上粉末成型层5内的粉末收缩带来的大变形，保证控型模具3上下两侧受力平衡，防止一侧收缩过大而引起翘曲。具体的h≥1/2h是根据经验以及将模具模型导入有限元软件中进行仿真模拟的数值模拟结果确定的。
43.本实施例中，如图1至图8所示，型芯4为管状型芯，设置管状型芯的目的是为了减小翘曲变形，成型过程中热等静压炉中的高压气体能够进入到管状型芯的中部，作用在管状型芯的内壁上，减弱力的屏蔽效应，起到平衡压力作用，因此可以减弱翘曲变形。但若管状型芯的壁厚太大，则起不到减弱效果，厚度太小，在变形过程中会发生破坏和泄露，影响成形，管状型芯的壁厚范围确定在1/10l≤t≤3/10l，t为管状型芯的壁厚，l为圆形基块1的半径减去管状型芯的半径。当然上述只是优选的方式，并不代表只能使用管状型芯，实际仍可以采用实心柱状型芯。
44.本实施例中，如图1至图8所示，型芯4的顶部端面和成型包套2的顶部内壁进行焊接，成型包套2的中部设有连通孔，连通孔与型芯4的内径相同且同轴连通，该种方式能够保证高压气体能够从连通孔和预留孔同时进入管状型芯内部，保证型芯4内壁受力均匀。
45.进一步，为了优化成型包套2的受力，本实施例中，如图1至图8所示，将连通孔的直径增大，使其与型芯4的外壁直径匹配，从而供型芯4的顶端插入连通孔内并与之固定，固定方式可采用焊接方式。这种方式能够避免型芯4影响其顶部的成型包套2变形。
46.本实施例中，如图1至图8所示，成型包套2的壁厚为2～5mm，该厚度范围比较适用于涡轮盘类的零件尺寸，当然，此范围只做参考值，具体壁厚根据实际零件结构和形状进行设计即可，尤其是非涡轮盘类的零件。
47.进一步，本实施例中，如图1至图8所示，成型包套2的边角采用圆角过渡，以避免结构突变带来的难变形问题。现有的包套结构通常采用直角过渡，且通过焊接连接到一起，这种方式在研究中发现，直角过渡带来的结构突变和焊缝位置会产生“应力屏蔽”效应，该部位使得热等静压炉中的压力无法很好地传递到内部粉末，因此造成粉末受力较小且不均衡，粉末收缩量少，致密度小。而圆角过渡会减小粉末受力不平衡的情况，降低翘曲变形程度。此外，在焊接时也应尽量减少单条焊缝长度和数量。
48.实施例2
49.本实施例提供了一种内部控型热等静压零件成形方法，采用了实施例1中的内部控型热等静压零件成形模具，如图1至图8所示，包括以下步骤：
50.s1、通过粉末填充口向成型模腔内填充粉末颗粒，需保证上粉末成型层5和下粉末成型层6内填充无死角，且密实程度达到预设要求；
51.s2、通过粉末填充口对成型模腔内部抽真空，然后密封粉末填充口，可采用密封件或焊封方式，优选焊封方式；
52.s3、将内部控型零件热等静压成形模具放入热等静压炉中进行热等静压，热等静压温度根据粉末材料的熔点确定，作为优选地热等静压温度为粉末材料熔点绝对温度的0.5～0.6，保温时间2～3h，压力80～120mpa；
53.s4、将热等静压获得的没有连通孔隙的压坯通过机加工或酸浸的方法去除圆形基块1、成型包套2、控型模具3和型芯4得到内部完成控型的零件；
54.s5、将内部完成控型的零件进行适当的修整和表面处理，得到最终的成形零件7。
55.进一步，本实施例中，如图1至图8所示，步骤s4和步骤s5之间包括步骤s4’：将步骤s4中得到的成形零件7放入热等静压炉中再次进行热等静压，以提高零件的致密度，热等静压温度为粉末材料熔点绝对温度的0.6～0.75，保温时间2～3h，压力100～200mpa；
56.本实施例中，如图1至图8所示，将步骤s4’得到的零件进行去应力退火，以消除成形零件7内部的残余应力。
57.本实施例中，如图1至图8所示，步骤s2中，采用振动装粉的方式填充粉末颗粒，初始装粉的密度需≥65％。
58.进一步，本实施例中，如图1至图8所示，包括步骤s1之间包括步骤s0：对零件进行结构分析，根据粉末收缩率确定粉末用量、下粉末成型层6的厚度和上粉末成型层5的厚度，确定圆形基块1和控型模具3的相对位置，并得到圆形基块1、成型包套2、控型模具3和型芯4的模型，然后将模型导入有限元软件中进行仿真，根据数值模拟结果进一步优化圆形基块
1、成型包套2、控型模具3以及型芯4的结构，直到获得满足要求的零件几何精度模拟结果，然后根据模拟结果通过机械加工的方式制备圆形基块1、成型包套2、控型模具3以及型芯4，将成型包套2和圆形基块1进行表面抛光清洗处理，以去除材料表面的油污和杂质，可使用酒精和丙酮作为清洗剂进行清洗，然后将圆形基块1、成型包套2、控型模具3和型芯4进行装配。可采用焊接进行装配，对于没有气密性要求的位置可采用点焊的方式进行固定，保证其不发生相对移动，同时尽量减少单条焊缝长度和数量。
59.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种内部控型热等静压零件成形模具，其特征在于，包括圆形基块和罩设在所述圆形基块上的成型包套，所述成型包套和所述圆形基块密封连接，所述圆形基块中心设有预留孔，所述预留孔内安装有用于支撑并固定所述成型包套的型芯，所述型芯、所述圆形基块和所述成型包套之间具有成型模腔，所述成型模腔包括呈上下分布的上粉末成型层和下粉末成型层，所述上粉末成型层和所述下粉末成型层之间设有固定在所述型芯上的控型模具，所述控型模具上预留有能够连通所述上粉末成型层和下粉末成型层的连接间隙，所述成型包套上设有待密封的粉末填充口，所述粉末填充口与所述上粉末成型层连通。2.根据权利要求1所述的一种内部控型热等静压零件成形模具，其特征在于，所述下粉末成型层的厚度需满足h≥1/2h，h为下粉末成型层的厚度，h为上粉末成型层厚度的h。3.根据权利要求1或2所述的一种内部控型热等静压零件成形模具，其特征在于，所述型芯为管状型芯，所述管状型芯的壁厚需满足1/10l≤t≤3/10l，t为管状型芯的壁厚，l为圆形基块的半径减去管状型芯的半径。4.根据权利要求3所述的一种内部控型热等静压零件成形模具，其特征在于，所述成型包套的中部设有供所述型芯的端部插入并固定的连通孔。5.根据权利要求4所述的一种内部控型热等静压零件成形模具，其特征在于，所述成型包套边角采用圆角过渡。6.一种内部控型热等静压零件成形方法，采用了如权利要求1至5任意一项所述的内部控型热等静压零件成形模具，其特征在于，包括以下步骤：s1、通过所述粉末填充口向所述成型模腔内填充粉末颗粒；s2、通过所述粉末填充口对所述成型模腔内部抽真空，然后密封所述粉末填充口；s3、将所述内部控型零件热等静压成形模具放入热等静压炉中进行热等静压；s4、将热等静压获得的没有连通孔隙的压坯通过机加工或酸浸的方法去除圆形基块、成型包套、控型模具和型芯得到零件；s5、对所述零件进行修整和表面处理，得到最终的成形零件。7.根据权利要求6所述的一种内部控型零件热等静压成形方法，其特征在于，步骤s4和步骤s5之间包括步骤s4’：将步骤s4中得到的零件放入所述热等静压炉中再次进行热等静压，热等静压的温度、压力均有所提升。8.根据权利要求7所述的一种内部控型零件热等静压成形方法，其特征在于，将步骤s4’得到的零件进行去应力退火。9.根据权利要求6所述的一种内部控型零件热等静压成形方法，其特征在于，步骤s2中，采用振动装粉的方式填充粉末颗粒，初始装粉的密度需≥65％。10.根据权利要求6所述的一种内部控型零件热等静压成形方法，其特征在于，步骤s1之间包括步骤s0：对零件进行结构分析，根据粉末收缩率确定粉末用量、下粉末成型层的厚度和上粉末成型层厚度，确定圆形基块和控型模具的相对位置，并得到圆形基块、成型包套、控型模具和型芯的模型，然后将模型导入有限元软件中进行仿真，根据数值模拟结果进一步优化圆形基块、成型包套、控型模具和型芯结构，直到获得满足要求的零件几何精度模拟结果，然后根据模拟结果通过机械加工的方式制备圆形基块、成型包套、控型模具和型芯，将圆形基块和成型包套进行表面抛光清洗处理，以去除材料表面的油污和杂质，然后将圆形基块、成型包套、控型模具和型芯进行装配。

技术总结
本发明公开了一种内部控型热等静压零件成形模具及其成形方法，属于热等静压工艺技术领域，成形模具包括圆形基块和成型包套，圆形基块中心设有预留孔，预留孔内安装有型芯，型芯、圆形基块和成型包套之间具有成型模腔，成型模腔包括上下分布的上粉末成型层和下粉末成型层，上粉末成型层和下粉末成型层之间设有控型模具，控型模具上预留有连接间隙，成型包套上设有与上粉末成型层连通的粉末填充口。成形方法包括：S1、填充粉末颗粒；S2、抽真空，密封粉末填充口；S3、进行热等静压；S4、去除压坯的圆形基块、成型包套、控型模具和型芯得到零件；S5、进行修整和表面处理得到成形零件。结构补偿设计能够保证控型模具上下受力均衡，有效防止零件翘曲。止零件翘曲。止零件翘曲。


技术研发人员：李勇 张德鑫 郎利辉
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/7/18