[发明专利]一种钛合金薄壁框梁结构的粉末热等静压近净成形方法

说明书

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%。

电铸工艺采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℃）、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1）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、十二烷基硫酸钠。

所述步骤3）烘箱加热温度为120℃。

所述步骤7）中加热炉的温度为450℃，包套内部的真空度为3×10^-2Pa。

所述步骤8）中热等静压的条件为在1小时内使热等静压设备内的温度达到550℃～600℃，保温1小时，再在1小时内升温至900℃～1000℃，保温2小时；同时在1小时使热等静压设备内的压力升至50MPa～100MPa，保压1小时，再在1小时内升压至100MPa～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。

附图说明