[发明专利]一种钛合金薄壁件热等静压成形/渗碳工艺

说明书

本发明设计了航空航天制造技术领域一种钛合金薄壁件热等静压成形/渗碳工艺，主要由带有真空孔的盖片、带有装粉口的顶板、固定模具、带有可嵌入固定模具凹槽的成形圆筒壁、石墨纸，以及钛合金粉末组成。本工艺包括成形圆筒壁的设计和制备、碳源的选择、热等静压成形工艺、渗碳复合工艺过程控制及前后处理，同时针对热等静压及渗碳复合工艺过程中的包套变形问题提出了解决方法。本发明同时兼顾了钛合金薄壁件的成形及渗碳，减少了钛合金薄壁件成形的加工步骤，实现了钛合金薄壁件指定表面的渗碳，同时非渗碳面不会受到污染，可以有效缩短渗碳时间、降低制造成本，使渗碳层均匀，且会形成固结的石墨层，达到减阻耐磨效果。

技术领域

本发明属于航空航天制造技术领域，特别是涉及一种钛合金薄壁件热等静压成形/渗碳工艺。

技术背景

Ti6Al4V合金是目前应用最广泛的工程材料之一，由于其比强度高、耐腐蚀性能强、疲劳性能好而被广泛应用于机械、航空和航天工业等领域。但钛合金硬度较低，抗磨减摩性能差且制备和加工生产成本高等缺点严重制约了其应用范围。因此，利用表面改性技术改善钛合金的表面性能备受关注，钛合金表面改性技术通常有电镀、渗碳、PVD、CVD、激光强化、气体氮化等，其中，渗碳工艺是提高钛合金表面性能的一种简单、有效的方法。

目前常用的航空航天钛合金零件渗碳方法有气体渗碳、真空渗碳和等离子渗碳、辉光渗碳等工艺，但这些工艺过程尚存在一些技术问题。首先，钛合金零件成形及渗碳工艺繁多，过程繁琐，传统渗碳方法时间较长、制造成本高，同时会造成渗碳层不均匀等现象；其次，传统渗碳方法难以全角度渗碳或指定表面渗碳；第三：热等静压过程中由于高温高压会导致钛合金薄壁件变形，因此需要提出一种可以解决上述技术问题的渗碳工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛合金薄壁件热等静压成形/渗碳工艺，以解决上述背景技术中提出的问题：首先，实现了热等静压成形的同时进行渗碳，减少了钛合金零件工艺步骤；其次，实现了钛合金零件指定表面渗碳，同时非渗碳面不会受到污染；最后，有效缩短了渗碳时间、降低了制造成本，且使得渗碳层均匀。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

优选的，根据所需表面渗碳成形的钛合金薄壁件的尺寸和外表面形状设计特征，加工出合理的成形包套，该成形包套包括带有真空孔的盖片、带有装粉口的顶板、固定模具、带有可嵌入固定模具凹槽的成形圆筒壁及石墨纸，包套采用圆柱形设计，将钛合金粉末装入该成形包套中。

优选的，所述热等静压过程中的表面渗碳工艺按如下步骤进行：

1）根据所需成形的钛合金薄壁件的特征设计内置固定模具和成形圆筒壁，钛合金薄壁件形状通过内置固定模具形状控制；

2）根据所需成形钛合金薄壁件及渗碳表面厚度，通过分析确定不同包套、固定模具以及钛合金粉末下钛合金薄壁件的变形情况，确定出以下最佳控形参数；

3）根据上述步骤2）确定带有装粉口的顶板厚度为10-12mm，圆筒壁的底板厚度为15-20mm，圆筒壁的底板凹槽深约为5mm，圆筒壁的筒壁厚度约为2mm；

4）根据所述步骤2）确定固定模具的材料为高纯石墨，将石墨纸均匀贴合于固定模具表面，所述圆筒壁的材料为不锈钢板；

5）根据所需成形的钛合金薄壁件的材料需求，采用气雾化法制备出球形钛合金粉末，并筛分出-60-+325目的粉末备用；

6）采用过盈配合，将固定模具嵌入带有固定模具凹槽的成形圆筒壁中；

7）将筛选好的钛合金粉末通过带有装粉口的顶板装入圆筒壁内，将带有真空孔的盖片置于装粉口上，并焊封；

8）将上述加工成形包套放置在加热炉中加热至500-550°C，利用FJ-620分子泵通过真空孔对圆筒壁内部进行真空处理，直至达到1.0×10^-3-1.0×10^-4Pa，并将带有真空孔的盖片焊封；