某大型復(fù)雜天線座殼體成形工藝技術(shù)*

李春林，石 剛，王 亮

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039; 2. 航天材料及工藝研究所, 北京 100076)

某大型復(fù)雜天線座殼體成形工藝技術(shù)*

李春林1，石 剛2，王 亮2

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039; 2. 航天材料及工藝研究所, 北京 100076)

應(yīng)用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備鈦合金TC11預(yù)合金粉并觀測了粉末的形貌與粒度，采用粉末冶金熱等靜壓工藝技術(shù)近凈成形了某天線座殼體的縮比試樣并經(jīng)雙重退火熱處理。經(jīng)取樣檢測未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，微觀金相組織均勻細(xì)致，形成了網(wǎng)格組織且有圍繞其分布的等軸α相，呈現(xiàn)出高強(qiáng)度與高韌性的特征，綜合力學(xué)性能略優(yōu)于鍛件。研究結(jié)果表明，粉末冶金熱等靜壓工藝制備的TC11構(gòu)件力學(xué)性能優(yōu)異、性價(jià)比高，特別適用于異形、復(fù)雜、薄壁、高承載天線座殼體類構(gòu)件高質(zhì)量的整體近凈成形。

天線座殼體；鈦合金；TC11；粉末冶金；熱等靜壓；雙重退火

引 言

粉末鈦合金技術(shù)可制造出高性能、低成本的鈦合金構(gòu)件，與傳統(tǒng)鑄、鍛等工藝方法相比具有很多優(yōu)點(diǎn)：材料力學(xué)性能與鍛件相當(dāng)；成形能力較強(qiáng)，易于制備形狀復(fù)雜的產(chǎn)品且成本較低；可制備致密構(gòu)件且無內(nèi)部缺陷；組織均勻細(xì)致，無織構(gòu)、偏析，材料內(nèi)應(yīng)力小，尺寸穩(wěn)定性好[1]；通過粉末冶金技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)多功能鈦基復(fù)合材料構(gòu)件的制備[2]。鈦合金粉末冶金技術(shù)是制備高性能、高可靠、高性價(jià)比鈦合金構(gòu)件的重要技術(shù)方案，在國外已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化廣泛應(yīng)用[3]，而國內(nèi)在這方面的研究(尤其是高強(qiáng)韌鈦合金)與國外相比明顯處于劣勢。本文結(jié)合具體工程背景研究了預(yù)合金粉熱等靜壓近凈成形工藝制備高性能粉末鈦合金構(gòu)件的方法及各項(xiàng)性能指標(biāo)，以期在國內(nèi)高端裝備上推廣應(yīng)用該項(xiàng)先進(jìn)工藝技術(shù)。

1 應(yīng)用需求及成形方案對比

大型復(fù)雜異形天線座殼體(如圖1所示)為某機(jī)載雷達(dá)的關(guān)鍵構(gòu)件，其外形最大包絡(luò)尺寸約為Φ850 mm × 1 500 mm，用以承受較大的外部力學(xué)載荷，同時(shí)要求質(zhì)量輕、耐腐蝕性能好，以滿足該構(gòu)件在各種惡劣工況下的可靠工作。在眾多的備選材料中，高強(qiáng)高韌鈦合金TC11以綜合力學(xué)性能好、密度低、抗腐蝕能力強(qiáng)和材料成熟度高的優(yōu)勢，成為該構(gòu)件的首選材料。

圖1 天線座殼體示意圖

圖1所示的鈦合金構(gòu)件的傳統(tǒng)成形工藝方法是鍛造或精密鑄造。鍛造是應(yīng)用較廣泛的成形方法，其優(yōu)勢在于通過合理的鍛造工藝和熱處理，可精準(zhǔn)地調(diào)控合金的顯微組織，力學(xué)性能優(yōu)良，但對于大型復(fù)雜異形構(gòu)件，其制造工藝復(fù)雜(分段鍛造+焊接)，后續(xù)機(jī)械加工余量大，材料利用率極低，導(dǎo)致制造成本較高。與鍛造相比，精密鑄造的成本較低，可整體近凈成形，但隨著合金化元素的提高，成分偏析、晶粒粗大、疏松和夾雜等鑄造缺陷難以避免，雖可通過熱等靜壓工藝來消除鑄件內(nèi)部疏松等缺陷，但尺寸較厚的兩法蘭端部存在晶粒粗大的現(xiàn)象(可能是中部薄壁區(qū)域的數(shù)倍[4])，加之晶粒尺寸不均勻，這些都影響了鑄件的力學(xué)性能，導(dǎo)致大型鈦合金精鑄件在關(guān)鍵承力構(gòu)件上的應(yīng)用受到限制。

近年來逐步發(fā)展起來的鈦合金3D打印快速增材制造技術(shù)，主要有選擇性激光熔化(SLM)和電子束熔化(EBM)兩種成形方式。利用SLM法制備的鈦合金其顯微組織由于熔池的過冷度大而形成馬氏體組織，且熔池與基體的不完全潤濕效應(yīng)及殘余應(yīng)力的存在，易在合金冷卻的過程中產(chǎn)生微裂紋[5]，同時(shí)因冷卻速度快及預(yù)熱層粉末熱流的影響，導(dǎo)致Al元素的偏析而形成Ti3Al相的析出；EBM法具有能量利用率高、加工速度快、成形的工件殘余應(yīng)力小及組織均勻等優(yōu)點(diǎn)，但由于底層粉末熔化凝固時(shí)受到基板的影響，距成形基板500 μm以內(nèi)的合金成分與遠(yuǎn)離成形基板的成分有明顯的差異[6]。另外，3D打印技術(shù)所需的鈦合金粉末對粒度的要求較苛刻，所成形的構(gòu)件需要再通過熱等靜壓來提高疲勞強(qiáng)度，更為致命的是合金組織和性能在掃描方向和垂直掃描方向呈各向異性的特征，因此3D打印大型鈦合金構(gòu)件存在制造成本高、綜合力學(xué)性能欠佳等缺點(diǎn)，制約了其在關(guān)鍵承力構(gòu)件上的使用。

粉末冶金熱等靜壓技術(shù)和3D打印技術(shù)都屬于近凈成形工藝，均以金屬粉末為原材料制備工件，而粉末冶金熱等靜壓技術(shù)制備鈦合金構(gòu)件具有材料利用率高、力學(xué)性能好的優(yōu)點(diǎn)，制備大型復(fù)雜異形薄壁構(gòu)件具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢[7]，因此發(fā)展鈦合金(特別是高強(qiáng)高韌鈦合金)粉末冶金熱等靜壓近凈成形工藝技術(shù)在關(guān)鍵承力構(gòu)件上的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 粉末冶金熱等靜壓成形工藝及試樣的制備

2.1 基本原理

粉末冶金熱等靜壓技術(shù)的基本原理是利用氮?dú)饣驓鍤獾榷栊詺怏w作為壓力傳遞介質(zhì)，在高溫、高壓的共同作用下使粉末在包套(成形模)內(nèi)完成致密化成形的過程。熱等靜壓致密化過程一般分成3個(gè)階段：第1階段為塑性變形過程，并伴有粉末顆粒的流動(dòng)和重排；第2階段為冪律蠕變過程，粉體進(jìn)一步致密化；第3階段為高溫?cái)U(kuò)散過程，此階段通過晶格、晶界和界面擴(kuò)散的共同作用，使粉末顆粒之間形成良好的冶金結(jié)合。

粉末冶金熱等靜壓工藝分為元素混合法和預(yù)合金粉末法。元素混合法成本較低，便于調(diào)配成分，但粉末合金顯微組織均勻性較差，易發(fā)生成分偏析；預(yù)合金粉末法采用快速凝固制粉工藝，利于提高低合金元素的溶解度，能避免成分偏析和偏聚，是高性能構(gòu)件成形的必然選擇。

2.2 試樣制備的工藝流程

為評(píng)估熱等靜壓預(yù)合金粉末冶金技術(shù)所制備構(gòu)件的綜合性能，擬用TC11預(yù)合金粉先研制圖1所示天線座殼體的縮比試樣，其制備的工藝流程見圖2。

圖2 粉末TC11合金及試驗(yàn)件制備工藝流程

2.2.1 TC11預(yù)合金粉

選用直徑為50 mm的TC11鍛棒(質(zhì)量符合GJB 2218A相關(guān)要求)，用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備TC11預(yù)合金粉，實(shí)測粉末的化學(xué)成分(見表1)并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比。結(jié)果表明，預(yù)合金粉末的化學(xué)成分符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，特別是C、N、H、O等雜質(zhì)元素的含量控制在很低的水平，屬于潔凈制粉，這對于提高成形構(gòu)件的綜合性能非常有利。

表1 TC11預(yù)合金粉化學(xué)成分(質(zhì)量百分比) %

數(shù)據(jù)來源AlMoZrSiFeCNHOGB/T3620.15.8～7.02.8～3.80.8～2.00.20～0.35≤0.25≤0.08≤0.05≤0.012≤0.15實(shí)測值6.583.421.750.260.0280.00390.0130.00130.11

粉末的形貌對粉末冶金材料的性能和成形工藝有較大的影響。利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察TC11預(yù)合金粉末的微觀形貌，如圖3所示。由圖可見，粉末顆粒為球形，顆粒尺寸均勻、表面光滑，行星顆粒很少。這種形貌的粉末流動(dòng)性好，具有穩(wěn)定和較高的松裝密度，而這兩個(gè)特征對粉末鈦合金材料及復(fù)雜形狀構(gòu)件的生產(chǎn)至關(guān)重要。

圖3 預(yù)合金粉末表面形貌SEM照片

采用激光粒度儀測定預(yù)合金粉末的粒度，如表2所示。從表中可看出粉末粒度分布在45～250 μm之間，其中粒度在150～180 μm區(qū)間的粉末約占總重量的70%，這有利于小顆粒粉末填充到大顆粒粉末的間隙內(nèi)，可提高粉末的松裝密度和振實(shí)密度，同時(shí)該粒度區(qū)間的粉末流動(dòng)性較好，由此可見該粉末的工藝性能(流動(dòng)性與振實(shí)密度)優(yōu)異。

表2 TC11預(yù)合金粉粒度分布

2.2.2 熱等靜壓(HIP)

將預(yù)合金粉末填充入低碳鋼包套中，經(jīng)除氣與密封封裝后，將包套置于熱等靜壓爐內(nèi)，采用同步升溫(升溫速率為7～8℃/min)和升壓的方式，在溫度900 ℃、壓力120 MPa的情況下保持2 h，然后再隨爐冷卻至200 ℃以下、降壓至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓即可出爐去除包套完成試樣的制備。

2.2.3 雙重退火(DA)

將同爐制備的試樣分成兩部分，一部分保持原狀態(tài)即HIP態(tài)(所制取的試樣標(biāo)記為1#)，另一部分再進(jìn)行雙重退火熱處理即DA態(tài)(所制取的試樣標(biāo)記為2#)。

TC11屬α-β型鈦合金，為了改善合金的塑性、斷裂韌度和組織穩(wěn)定性，一般需進(jìn)行雙重退火熱處理，即第1次加熱溫度為950 ℃，保溫2 h，空冷，目的是在晶粒不長大的情況下使再結(jié)晶充分進(jìn)行；第2次加熱溫度為530 ℃，保溫6 h，空冷，目的是使β相充分分解以保證組織的穩(wěn)定性。

3 試樣性能測試與分析

為與試樣1#和2#進(jìn)行性能對比，選擇與制備TC11預(yù)合金粉相同狀態(tài)(同一冶煉與鍛造批次)的鍛棒來制取試樣3#。試樣2#和3#同爐進(jìn)行雙重退火熱處理。

3.1 內(nèi)部質(zhì)量檢測

采用X射線檢測技術(shù)對熱等靜壓近凈成形的粉末TC11縮比試樣的內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行了全面的無損探傷?？s比試樣整體檢測結(jié)果表明，無微裂紋、氣孔、縮孔、疏松、空隙等內(nèi)部缺陷。圖4所示為縮比試樣網(wǎng)格加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)局部X射線檢測照片，照片顯示非常清晰、干凈，無任何缺陷特征。

圖4 試樣網(wǎng)格加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)局部X射線檢測照片

3.2 力學(xué)性能檢測

在電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上按GB/T 228.1—2010測試3種試樣的室溫拉伸性能，性能指標(biāo)見表3(每種試樣各測試3件，粉末TC11的取樣方向分別為徑向、切向與軸向，TC11鍛棒的取樣方向?yàn)檩S向)。

表3 3種試樣室溫下的力學(xué)性能

由表可見，3種試樣的塑性指標(biāo)(A和Z)均較高，而Rm及Rp0.2差異較明顯。試樣1#(HIP態(tài)粉末TC11)的抗拉強(qiáng)度與試樣3#(DA態(tài)TC11鍛棒)相當(dāng)，而試樣1#的屈服強(qiáng)度略高于試樣3#；試樣2#(DA態(tài)粉末TC11)的抗拉及屈服強(qiáng)度均明顯優(yōu)于試樣1#、3#；室溫下試樣2#的彈性模量與試樣3#相當(dāng)；兩種粉末TC11試樣的力學(xué)性能均表現(xiàn)出各向同性的特征。

經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知，經(jīng)雙重退火的粉末TC11材料(試樣2#)的強(qiáng)度高于同種熱處理狀態(tài)的TC11鍛棒(試樣3#)，而其他性能指標(biāo)相當(dāng)。由此可見，粉末TC11材料(DA態(tài))的性能略優(yōu)于鍛件，具有良好的綜合力學(xué)性能，這對于高承載構(gòu)件具有重大意義。

3.3 金相顯微組織

采用金相顯微鏡觀察3種試樣的微觀組織，如圖5所示。

圖5 3種TC11試樣的金相組織

由圖可見，試樣1#和2#的金相組織類似，主要以條狀、片層狀α相+相間的β相組成，形成了網(wǎng)格組織并有細(xì)小的等軸α相分布其間。試樣1#組織細(xì)小，初步形成了網(wǎng)格組織，經(jīng)過雙重退火后(試樣2#)組織形態(tài)未發(fā)生明顯變化，但組織變大，條狀、片層狀α相及等軸α相均變粗，形成了均勻的網(wǎng)格組織且晶粒界面處的等軸α相分布更均勻。

試樣1#和2#金相組織的主要特征是等軸α相主要分布在原始粉末顆粒形成的晶粒界面處并包裹著網(wǎng)格組織，這種組織形貌類似于鍛件中的雙態(tài)組織，但等軸α相的分布方式不同。形成這一組織形貌的原因在于特殊的粉末冶金制備工藝——球形預(yù)合金粉末裝入包套后，顆粒間密集堆積，在熱等靜壓(高溫、高壓)的作用下粉末顆粒相互接觸的界面上產(chǎn)生了很大的應(yīng)變，在溫度和壓力達(dá)到規(guī)定值并保持恒定的過程中，粉末完成致密化的同時(shí)，在原粉末晶料邊界的位置，經(jīng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成了等軸α相[8]，后續(xù)的雙重退火熱處理可使其組織更均勻、穩(wěn)定，最終形成以細(xì)小的等軸α相包裹網(wǎng)格組織為主要特征的微觀組織。

圖5(c)所示為TC11鍛棒的金相組織，在α相+相間的轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嗷w上，分布著均勻的等軸α相，這表明鍛棒內(nèi)部組織狀態(tài)良好。

由于制備工藝上有本質(zhì)區(qū)別，粉末TC11與鍛棒相比，其金相組織在晶粒界面上分布了細(xì)小的等軸α相，這對于提高材料的強(qiáng)度十分有利，這也是DA態(tài)粉末TC11合金的強(qiáng)度略優(yōu)于鍛棒的重要原因。

4 結(jié)束語

采用粉末冶金熱等靜壓技術(shù)制備的TC11試件，經(jīng)檢測構(gòu)件內(nèi)部無缺陷，組織均勻細(xì)致，無織構(gòu)、偏析，形成了網(wǎng)格組織并有圍繞其分布的等軸α相，雙重退火處理可進(jìn)一步提升材料的性能，其力學(xué)性能優(yōu)于鍛件，高強(qiáng)度和高韌性兼具，因此特別適合圖1所示的異形、復(fù)雜、薄壁、高精度天線座殼體的高質(zhì)量、低成本近凈成形。

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李春林(1974-)，男，高級(jí)工程師，主要從事工藝總體研究與設(shè)計(jì)工作。

Forming Technology of a Large Complex Antenna Pedestal Shell

LI Chun-lin1，SHI Gang2，WANG Liang2

(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China;2.AerospaceResearchInstituteofMaterialandProcessingTechnology,Beijing100076,China)

Prealloyed powder of titanium alloy TC11 is produced by the plasma rotating electrode process (PREP). The morphologies and particle size of PREP powders are observed and tested. The scale reduced sample of an antenna pedestal shell is prepared by hot isostatic pressing (HIP) powder metallurgy (PM) near-net-shape process and is double annealed. No inner defects are detected from the sample. The microstructures of the PM TC11 alloy are fine and uniform. The basketweave structures surrounded by equiaxed α phase are formed, which correspond to high strength and high toughness. The comprehensive mechanical performance of the PM TC11 alloy is slightly better than that of the forged rod. Study results show that the TC11 structure-parts produced by HIP PM process have high mechanical performance and high performance-to-cost ratio, especially suitable for the high-quality integral near-net-shaping of complex, thin wall, special-shaped and high load structure-parts like antenna pedestal shells.

antenna pedestal shell; titanium alloy; TC11; powder metallurgy; hot isostatic pressing; double annealing

2016-02-19

TN820.8+2

A

1008-5300(2016)02-0045-05