Для изготовления сложных компонентов, необходимых в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, порошковое литье эффективно решает технические проблемы, присущие точному литью, такие как усадочные полости, пористость и композиционная сегрегация, а также многочисленные проблемы, связанные со сваркой поковок. В настоящее время при производстве сплавов Ti2AlNb методом порошковой металлургии основное внимание уделяется параметрам процесса горячего изостатического прессования (ГИП) (время, температура, давление), последующей термообработке и процессам горячей деформации, а также исследованию микроструктуры и характеристик порошковых сплавов, размеров формованных деталей. Наша компания подготовила предварительно легированный порошок Ti2AlNb с использованием процесса плазменного вращающегося электрода (PREP), а затем произвела порошковые сплавы Ti2AlNb с помощью процесса горячего изостатического прессования порошка.
Способ приготовления порошкового сплава Ti2AlNb: предварительно легированный порошок Ti2AlNb с размером частиц менее 250 мкм загружают в цилиндрическую оболочку из низко-углеродистой стали в атмосферной среде. После прессования, точечной сварки, вакуумной дегазации и герметизирующей сварки проводят горячее изостатическое прессование (ГИП) в печи горячего изостатического прессования типа РД(З)-1-850 ООО «НИИ Стали Haopu Technology Co., Ltd.» с получением заготовок порошковой металлургии. Процесс горячего изостатического прессования: температуру печи повышают до 1030 градусов, давление более 140 МПа, время выдержки 2–4 часа, затем печь охлаждают. Процесс термообработки: Условия термообработки раствора - 980 градусов в течение 2 часов с последующим охлаждением печи, со временем до комнатной температуры не менее 1 часа. Условия термообработки старением - 890 градусов в течение 4 ч с последующим охлаждением печи со временем до комнатной температуры не менее 1 ч. После горячего изостатического прессования внешняя оболочка и сердечник удаляются путем механической обработки и химического фрезерования для получения закрытых деталей рабочего колеса из титанового сплава. На рисунке ниже показаны взаимосвязи при сборке и физическое изображение экспериментальной закрытой втулки и сердечника рабочего колеса.
Рис. Схема сборки и физическая схема сердечника втулки рабочего колеса с кожухом.
Свойства на растяжение были проверены при температуре 650 градусов с использованием электронной универсальной испытательной машины CMT5305 в соответствии с GB/T 228.2-2015 «Металлические материалы, испытание на растяжение-Часть 2: Метод высокотемпературных испытаний»; Срок службы ползучести был испытан при 650 градусах/360 МПа с использованием электронной машины для испытания на ползучесть с управлением RD-100 микро-в соответствии со стандартом GB/T 2039-2012 «Металлические материалы, метод испытания на ползучесть при одноосном растяжении»; Размеры образцов для испытаний на растяжение и ползучесть составляли 5 мм в диаметре и расчетную длину 25 мм, по крайней мере, с двумя параллельными образцами. Образцы порошкового сплава Ti2AlNb после монтажа и полировки травились реагентом Кролла (3% HF + 6% HNO3 + 91% H2O, объемная доля) и получали СЭМ-изображения с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа TESCAN MIRA4. EBSD-анализ проводился на СЭМ Thermo Quattro S-типа, оснащенном датчиком дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD), а программным обеспечением для обработки данных было HKL Channel 5. Пористость горячего изостатически прессованного сплава Ti2AlNb характеризовалась с использованием системы рентгеновской микрокомпьютерной томографии (Micro-CT) VersaXRM-500. Площадь анализа порошковой прессовки составляла примерно Φ1,9 мм × 2,2 мм.
При изготовлении компонентов порошковой металлургии решающее значение имеет конструкция герметизирующей структуры. Разумная конструкция герметизирующей структуры должна гарантировать, что все части прессовки порошка уплотнены и обеспечивают формирование почти -конечной-формы. В качестве контейнера для горячего изостатического прессования (ГИП) сплавов порошковой металлургии герметизация напрямую влияет на металлургическое качество и размерный вид готового изделия. На практике изменения параметров процесса во время уплотнения HIP могут привести к различиям в процессе уплотнения. Особенно при изготовлении больших и сложных компонентов структура капсулы/формы обычно относительно сложна, а различия в процессе уплотнения от поверхности к внутренней части прессовки порошка более выражены, даже проявляя явление «не-неравномерного уплотнения». Это явление приводит к неодинаковым уровням уплотнения и усадочной деформации в разных частях детали, что влияет на механические свойства детали. С использованием порошка EIGA были успешно изготовлены различные типы компонентов порошковой металлургии Ti2AlNb в режиме HIP 1030 градусов /140 МПа/3 часа. Испытания показали, что отклонение размеров основных деталей составляет менее 2%, а качество поверхности превосходит качество литых сплавов. Приняв конструкцию инкапсуляционной структуры с использованием конечных элементов, процесс уплотнения имеет тенденцию быть равномерным на протяжении всего процесса уплотнения, эффективно избегая явления «не-неравномерного уплотнения» и помогая обеспечить постоянство общих характеристик компонента.
1) По сравнению с методом PREP, предварительно легированный порошок Ti2AlNb, полученный методом EIGA, имеет более широкий гранулометрический состав, небольшое количество сателлитных сфер и более высокую плотность выпуска.
(2) По сравнению со сплавом Ti2AlNb, полученным горячим изостатическим прессованием порошка PREP, высокотемпературная прочность и срок службы ползучести сплава, соответствующего порошку EIGA, немного снижаются, но удлинение лучше из-за более высокой однородности микроструктуры. Результаты конечно-элементного моделирования в процессе подготовки компонентов показывают, что рабочее колесо Ti2AlNb, изготовленное из порошка EIGA, имеет меньшую усадку и больше подходит для горячего изостатического прессования сложных компонентов.
(3) Используя моделирование методом конечных элементов для помощи в проектировании капсулы, сложные компоненты порошковой металлургии Ti2AlNb были успешно изготовлены с использованием предварительно легированного порошка EIGA. Детали имеют высокую точность размеров и поверхности и не имеют металлургических дефектов.
