热等静压(hip)工艺模型化进展热等静压(HIP)是一种材料加工技术,其是在高温下,对粉末零件或压坯施加以高的等静气体压力,以使颗粒之间相结合。
通常用这项工艺制造全密实(即100%理论密度)的材料制品, 有时也用于生产部分密实的制品。
在加工过程中,压坯各个面受到的压力相同。
关于金属粉末的H IP,温度范围从用于铝合金的480℃到用于钨粉的1700℃左右。
在HIP处理中,最常用的介质是高密度氩气。
压力范围为20～300MPa,最常用的压力为100MPa。
HIP工艺是1955年Saller等在美国BattlelleMemorialInstitute 发明的。
HIP起初用于包层核燃料元件的扩散连接。
1964年第一次实现了铍金属粉末的固结“成形”。
1972年,在美国与瑞典实现了高速工具钢的大量热等静压。
在1970～1980 年,美国空军材料实验室将HIP工艺扩展到了制造镍基高温合金与钛合金粉的预成形坯和近终形锻件。
在20世纪70年代,还发现可用HIP 处理铸件,在铸件的主要形状特征不变形的条件下,使复杂形状铸件内部的孔隙永久愈合。
现在,这项处理仍然是HIP工艺的一项主要用途。
当今,在粉末冶金生产工艺中,HIP工艺的应用涉及到由钢粉与不锈钢粉生产发电透平机零件和油田管道与阀的近终形件,由镍基高温合金制造航空发动机的涡轮盘与轴(这种形状都具有适于声射检验的“当量方块”截面);镍基合金的粉末冶金锻件和轧制的预成形坯;镍基合金的粉末冶金in tegral轴问柱塞泵和透平转子叶轮;粉末冶金钛合金的坯料、第15卷第1期2005年2月粉末冶金工业POWDERMETALLURGYINDUS TRY Vol.15No.1Feb.2005锻件的预成形坯及异形件;工具钢的坯料(轧制加工用)、大型模块及复合结构件;铍、铌合金及其它难熔金属的最终形粉末冶金件;以及弥散与纤维强化的粉末冶金铝合金。
用金属粉末冷压制、烧结及HIP处理制造的小型零件有,由元素粉末混合粉制造的钛基合金、工具钢的异形件,稀土磁体,以及工具、模具、轧辊、耐磨零件;还有由钨-钴硬度合金和其它碳化物复合材料制造的密封件。
按照大小与形状复杂程度,由铁基与镍基合金制造的油田管道与阀代表HIP工艺的前沿;按照力学性能,航空发动机用的镍基合金粉末冶金件代表HIP工艺的最高工艺水平;用HIP工艺制造的工具钢代表最大的生产吨位。
全世界仍然在用HIP处理粉末冶金钨-钴硬质合金零件。
可是,为缩短生产时间与减低生产成本,大多数生产厂商已转向采用烧结/HIP复合工艺。
由上述不难看出,通过HIP处理生产的粉末冶金制品,形状复杂和原料昂贵,为节约原料,减少切削加工量,尽量快速生产出近终形零件,使HIP工艺最佳化,开发了HIP工艺模型。
为使HIP工艺模型化,一直试着用数学方法定义固结,其目的是预测最终产品的性能或者是形状。
这项工作已进行了近30年,大多数模型的起点或者是微观的或者是宏观的,前者的构成方程是基于高应力作用下的颗粒相互作用,后者将粉末作为多孔性材料连续体开发了屈服准则。
第三条途径局限于形状预测,其是基于分析长期积累的实际生产经验,推导经验性模型。
本文将评述这3种方法和说明各种模型的现状与效果。
表1示在本文中关于HIP模型化使用的术语。
读者应该知道,对于一些性能或参数文献中使用的符号往往不同。
另外,由不同作者开发的构成方程,其中使用的材料性能参数,在一些场合术语相同,但数学定义不同。
在一些场合,它们有自己独特的数学描述。
1经验模型最早的模型或对尺寸变化的预测都是基于粉末的初始充填密度(理论密度的百分数)与各个方向的收缩相同。
总的体积收缩是依据下列分析计算的:Vi-VfVi=1-D0(式1)假定体积可用直线性尺寸的立方来计算,则:l3i=Vi(式2)l3f=Vf(式3)表1方程中用的术语符号定义α与屈服方程中的J1一起使用的相对密度的函数β与屈服方程中的J2一起使用的相对密度的函数ε应变ε·应变速率ε·0幂律蠕变方程中的材料性能dεeq等效基体应变增量θ温度δλ非负性常数σ应力σ1、σ2、σ3主应力σav平均应力σm液静压应力σeq等效应力σc蠕变方程中的材料性能参数σy材料的屈服应力τs-应变方程中的液静压应力一起使用的相对密度的函数b在各种屈服函数中使用的材料常数。
可能有不同的特定含义。
f、f1 、f2、f3在不同屈服函数中使用的函数。
可能具有不同的特定含义。
k完全密实产品的热导率kD作为相对密度的幂函数的热导率li压坯的特征起始尺寸lf压坯的特征最终尺寸m各种屈服函数中的材料常数n幂律蠕变指数A幂律蠕变系数D于任何时间粉末的相对密度D0粉末的起始相对密度D·致密化速率F屈服函数J1σ1+σ2+σ3,应力张量的第一不变重J′2<(σ1 -σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2>,应力偏张量的第二不变量P压力Peff 对每一粉末颗粒的有效(接触)压力Plim将造成屈服的外部压力Q蠕变的活化能R半径R0普适气体常数T温度Vi粉末容器的起始体积VfHIP后粉末容器的最终体积若各个方向的收缩相同(各向同性);则l3i-l3fl3i=1-D0(式4)lfli=D1/30(式5 )最终尺寸是初始尺寸乘以起始相对密度的立方根。
换言之,各个方向的收缩或每个线性尺寸的收缩等于(1-D1/3o)。
倘若知道了起始密度和要求的最终尺寸,根据这些方程,就能计算出得到特定的最终尺寸所需要的粉末的起始形状,即起始尺寸。
但是,各向收缩相同的前提限制了有效性。
倘若对一球形容器进行热等静压和不产生热的梯度,则收缩是均一的,可是其它起始形状在各个方向的密度都是不同的。
但是,当起始充填密度大于065和若容许通过后续切削加工制造成近终形状时,这是一个良好的起点。
加工余量大时,总是能制造出令人满意的零件。
但是,为可进行切削加工而增加的粉末量,可能使该生产工艺过于昂贵,因此,这可能是一种不经济的解决办法。
可是,如果可根据非球形参数的经验来修正收缩,和美国C rucible公司根据对近终形零件生产数据的不断分析开发了一个模型,这是对各向同性计算的一项重大改进,和当可将一形状复杂的零件分解成简单的圆柱体、矩形棱柱体、中空圆筒体或球体时,计算的结果很好。
这个模型中的重要变量是起始密度、长径比、圆柱体的面积/端面面积及外经的绝对值。
鉴于这个概念涉及根据分析已有数据构建初始容器(包套),可认为其是一个“专家系统”。
Crucible公司的设计方法(使用他们的收缩数字传送总线(Shrinkbu s)软件)示于图1。
这种方法实际使用已有15年多。
生产数据的统计分析表明,用于同一零件的重复性良好,但如同图1中空圆筒菱形右边的问号所示,这个模型有一些严重的局限性。
其用于预测薄壁容器和较简单的形状,结果良好,但当开始试图预测曲线表面如何收缩时,得到的结果将是不正确的。
已知还有另外两个经验模型。
一个是瑞典生产技术学院(SwedishIns tituteofProductionEngineering)的,也是依据对生产数据的分析,采用与Crucible公司相似的因素,建立了的一个经验模型。
第三个模型是Powde rmetSweden提出的,其和Crucible的一样,也是从事近终形设计。
他们报告了估算的有限元模型,但容器设计都是基于他们的生产经验。
要较精确地控制复杂形状零件HIP后的形状,需要对致密化机理和HIP周期对形状变化的影响有更基本的了解,但这超出了经验模型范畴。
图1Crucible公司的设计程序2微观模型与机理20世纪80年代初,Ash by等就在倡导基于固结过程中粉未颗粒之间的相互作用,建立了HIP工艺的微观机理的机械学模型。
关于这个课题的大部分工作是由Ashby与其合作者完成的,为后来的研究者进行进一步研究开辟了多条途径。
他们根据粉末充填和如何以粉末颗粒为基准来确定孔隙度,将整个固结过程分成了3个阶段。
阶段0描述的是松装粉末充填达到的密度。
阶段1描述的是孔隙仍然连通时致密化的初期阶段(相对密度小于09)。
阶段2描述的是残留孔隙呈小孔洞状时的最终致密化(相对密度大于0 9),阶段1和阶段2的示意图见图2。
图2Ashby的致密化阶段1与阶段2这项工作假定粉末由单一尺寸的球形颗粒组成,但其他研究人员曾试图用非单一尺寸的球形颗粒来确定致密化速率。
Ashby认识到了,在HIP周期中,于任一给定时间,致密化机理都决定于温度与压力,并推导出了塑性屈服、幂律蠕变、Nabarro-Herring蠕变及扩散在每一阶段的方程式。
关于表述这些机理在每一阶段所用方程的全部推导工作见文献<2>。
在这里只介绍推导的最后结果。
塑性屈服致密化。
假定作用于颗粒的有效压力Peff等于或大于材料屈服应力的3倍,则在起始阶段产生屈服。
产生屈服的外部压力恰好为:Plim=3D2D-D01-D0σy (式6)鉴于屈服机理与时间无关,倘若有效压力大于屈服的极限压力,则致密化速率将是无限大的。
而且,当有效压力小于极限屈服压力时,致密化速率为0。
幂律蠕变致密化。
蠕变变形也产生致密化。
呈现幂律蠕变的固体的构成方程为:ε·=ε·0<σσ0>n(式7)σ0与n是材料性能;ε与σ分别是等效应变速率与应力。
在阶段2,致密化速率变为:D·=32<ε·0σn 0>D-(1-D)(<1-(1-D)1/n>n)<32nP>n(式8)虽然,在阶段2后期零件的致密化产生Nabarro-Herring蠕变与扩散,但由于这些机理产生的密度与几何形状的相对变化和塑性屈服与幂律蠕变相比,通常要小。
对于所有机理都已研制出了方程式,和在文献<3>中连同推导都可以找到。
HIP图。
这些方程主要用于构建HIP图。
这些HIP曲线图等同于导。