一种具有碳化钨覆层的复杂钛合金构件的加工方法

金属材料;冶金;铸造;磨削;抛光设备的制造及处理,应用技术1.本发明属于钛合金复合材料加工领域，特别涉及一种具有碳化钨覆层的复杂钛合金构件的加工方法。背景技术：2.钛合金作为一种比强度高、变形系数小、热强性、低温韧性好的材料，被广泛应用在航空航天、舰船制造等领域。但是，同样因其熔点高、强度高的特点，存在较难熔炼且难以进行机械加工等问题，进而导致复杂的钛合金构件加工较为困难的工艺难题。目前，对于钛合金复杂构件的成形加工通常采用的即是铸造或真空熔炼的方法，但是，所得成品的致密性差，产品的内部缺陷也难以避免，产品的质量难以保证。3.另外，对于需要频繁承受较大载荷的钛合金构件而言，单独钛合金构件产品的硬度往往不足以满足使用条件。许多研究人员提出了在钛合金构件表面涂覆碳化钨覆层以增强其硬度性能的方法。目前，使用较多的覆层方法主要包括激光熔覆、等离子喷涂以及较为先进的超音速火焰喷涂法，但是，这些工艺方法涂覆所得的碳化钨涂层较薄，仍然存在产品使用寿命有限的缺陷。4.有鉴于此，开发一种可有效保证产品质量和使用性能的碳化钨覆层复杂钛合金构件的加工方法，对于钛合金构件的应用及推广，具有积极的意义。技术实现要素：5.为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有碳化钨覆层的复杂钛合金构件的加工方法，以解决现有技术中具有碳化钨覆层的复杂钛合金构件产品质量不理想的问题；6.本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种产品质量和使用性能均较好的具有碳化钨覆层的复杂钛合金构件。7.为解决上述技术问题，本发明所述的一种具有碳化钨覆层的复杂钛合金构件的加工方法，包括如下步骤：8.(1)按照选定所述钛合金构件的组成，取原料粉末加入至内层形状与所述钛合金构件形状相同的刚性模具中，进行真空高温烧结处理，脱模得到钛合金初坯，备用；9.(2)将所述钛合金初坯置于热等静压用包套内，并装入碳化钨粉末，经振实、除气、封焊，备用；10.(3)将所述钛合金构件连同包套一并进行热等静压处理，得到带包套的碳化硅覆层的钛合金构件；11.(4)将所述带包套的钛合金构件进行化铣处理，即得所需具有碳化钨覆层的钛合金构件。12.具体的，所述步骤(1)中，所述钛合金初坯的尺寸相对于选定所述钛合金构件尺寸的尺寸进行等比例缩小。13.具体的，所述步骤(1)中，所述真空高温烧结步骤的温度为1000-1300℃，炉内的真空度低于10-3pa。14.具体的，所述步骤(2)中，所述碳化钨覆层的厚度为0.1-5mm。15.根据本发明的一个实施方案，所述碳化钨粉末为破碎后的碳化钨颗粒经球磨机球磨制得，球磨后的碳化钨粉体畸变能和表面能增加，增强热等静压过程中与钛合金的结合能力，球磨造成的熔点降低也有利于粉末颗粒间冶金结合的能力。16.具体的，所述步骤(2)中，所述步骤(2)中，所述包套包括可拼合的第一包套组件和第二包套组件；经拼合后的所述包套具有内部空间与所述具有碳化钨覆层的钛合金构件的大小和形状相一致的结构。17.具体的，所述包套设置有连接进粉管的孔洞，可用于加入所述碳化钨粉末以及除气处理。18.根据本发明的一个实施方案，其中，所述刚性模具使用合金工具钢制作，所述包套使用低碳钢制作。19.具体的，所述具有碳化钨覆层的复杂钛合金构件的加工方法，所述步骤(2)具体包括：20.将所述包套竖直放置于振动台上同时进行装粉和振实；21.进行加热-除气-封焊一体化处理；22.将封焊后的所述包套从原来的竖直放置转变为水平放置，并在多点冲击装置上进行多点冲击，使粉末在构件周围分布均匀。23.根据本发明的一个实施方案，将所述钛合金初坯放入包套的方法应为：按照目标形状将所述钛合金初坯准确放入第一包套组件，再将第二包套组件按目标形状与其对应放置，最后通过氩弧焊连接两包套。24.根据本发明的一个实施方案，所述多点冲击装置应由固定底座、支架和气压锤组成，为根据包套形状在各方向对包套进行均匀冲击的装置，应当根据包套形状适当选择支架、气压锤数量及气压锤冲击方向，以保证粉末在钛合金初坯和包套之间均匀分布。25.具体的，所述步骤(3)中，所述热等静压处理步骤为：在惰性氛围下，加热温度为700-900℃，压力为100-140mpa，热等静压处理时间2-5h。26.具体的，所述步骤(4)中，所述化铣处理步骤中，处理介质为10-15％浓度硫酸，工作电流不大于200a，工作电压不大于5v。27.本发明还公开了由所述方法制备得到的具有碳化钨覆层的复杂钛合金构件。28.本发明所述具有碳化钨覆层的复杂钛合金构件的加工方法，通过将预加工的钛合金初坯装入适配结构的包套中并加入碳化钨粉末进行热等静压处理的方式，实现了碳化钨材料在钛合金构件表面的均匀覆层，并实现了对真空烧结钛合金的致密化处理，提升了钛合金构件的综合性能，可以得到一种同时具有低密度、高强度、高硬度、高耐磨性、高致密度和长使用寿命的钛合金构件，本发明所述方法尤其适用于复杂结构的钛合金构件的加工。29.本发明所述具有碳化钨覆层的复杂钛合金构件的加工方法，在热等静压处理步骤中，通过配合多点振实处理的步骤使碳化钨均匀覆在钛合金表面，很好的改善了覆层的均匀性，满足了构件各方向性能均匀的需求，并实现了定量的在钛合金表面覆盖碳化钨，不仅克服了传统覆层过薄使用寿命差的问题，同时突破了传统覆层方式无法保证覆层厚度的局限性，可以加工具有不同厚度要求的碳化钨覆层的复杂钛合金构件，附图说明30.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。31.图1为本发明加工方法的流程图；32.图2为本发明一个实施方式选用工件的结构图；33.图3为图2所示工件选用包套中所述第一包套组件1竖直放置的三视图，其中，(a)正视图、(b)侧视图、(c)俯视图；34.图4为图2所示工件选用包套中所述第二包套组件2竖直放置的三视图，其中：(a)正视图、(b)侧视图、(c)俯视图；35.图5为本发明一个具体实施方式的已装入钛合金初坯整体拼合后的所述包套的示意图，其中，(1)为包套竖直放置的示意图，(2)为包套水平放置的示意图，其中，1-第一包套组件，2-第二包套组件，3-包套连接处，4-钛合金初坯；36.图6是本发明一个具体实施方式的多点冲击装置的结构示意图，其中，11-固定底座，12-气压锤，13-支架。具体实施方式37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。38.实施例139.本实施例利用本发明所述制造具有碳化硅覆层的复杂钛合金构件的方法制造飞机发动机涡轮可以很好的解决其价格困难的问题，同时满足其高强度、高耐磨性的需求，下面以如图2所示的一种直径300mm、宽度80mm的飞机发动机涡轮为例详述本发明的加工方法。40.如图1所示的流程图，本实施例具有碳化钨覆层的复杂钛合金构件的加工方法，包括如下步骤：41.(1)按照选定所述钛合金构件的组成，取原料粉末ta15(ti-6al-2zr-1mo-1v)加入至内层形状与所述钛合金构件形状相同的刚性模具中，进行真空高温烧结处理，脱模得到钛合金初坯，备用；42.所述刚性模具为一个内部形状与所需成品形状相同，直径298mm、宽度78mm，且各方向尺寸随直径、宽度相对于目标形状等比例缩小的合金工具钢制成的刚性模具；43.所述真空高温烧结为1200℃高温烧结，炉内的真空度低于10-3pa。44.(2)将所述钛合金初坯置于热等静压用包套内，并装入足量的碳化钨粉末(以装满所述包套为准)，经振实、除气、封焊，备用；45.所述包套为由第一包套组件1和第二包套组件2的拼合结构的低碳钢包套，其中，如图3-4所示的结构，所述第一包套组件1和第二包套组件2两部分整体拼合后，形成的内部空间的结构和尺寸与所需成品的形状大小均相同，外部尺寸比所需成品形状略大。所述第一包套组件1和第二包套组件2拼合后形成一个六棱柱结构，其中，所述第二包套组件2与所述第一包套组件1的不同之处在于所述第二包套组件2中心处有一与目标构件中心孔洞大小形状相同的圆柱体，如图3和4中所示，侧面图和俯视图中长方形为所述圆柱体未被包套遮挡部分的截面。如图3-4所示结构，所述包套应留有一孔洞，用以连接下粉管进行装粉及除气。46.如图5所示的结构，所述发动机涡轮初坯4放入包套的方法应为：按照目标形状将所述发动机涡轮初坯5准确放入第一包套组件1，再将第二包套组件2按目标形状与第一包套组件1对应放置，最后通过氩弧焊连接，二者形成的包套连接处3如图位置。47.本实施例中，所述碳化钨粉末应为破碎后的碳化钨颗粒经球磨机球磨制得，球磨时间为90h，使碳化钨粉末粒度降至0.5μm以下，球磨后的碳化钨粉体畸变能和表面能增加，增强热等静压过程中与钛合金的结合能力，球磨造成的熔点降低也有利于粉末颗粒间冶金结合的能力，避免碳化钨覆层脱落或开裂。48.本实施例中，所述发动机涡轮初坯装入所述包套后，应通过装粉设备将所述碳化钨粉末装入包套中，装粉过程应与在振动台上的振动过程同时进行，以使粉末在构件周围充分振实并均匀分布，振动台频率设置为800hz，振动时间1h，振动台上的振动过程包套放置方式应为如图5所示的竖直方向放置。所述振动台振动操作完成后将包套送入加热-除气-封焊一体化设备进行加热-除气-封焊一体化处理，即在真空除气仓中加热除气30min后对下粉管进行液压钳封。49.所述加热-除气-封焊一体化处理后应将包套放置在多点冲击装置多点冲击2h，放置方向应为如图5所示的水平放置，消除振动台振动产生的竖直方向粉末分布不均，以保证粉末在钛合金初坯和包套之间在各个方向都能均匀分布。50.如图6所示的结构，所述多点冲击装置应由固定底座11、支架13和气压锤12组成，为根据包套形状在各方向对包套进行均匀冲击的装置，根据图3所示的六边形包套，多点冲击装置应安装有六个支架，在支架上分别安装有六个气动锤，气动锤打击周期设定为50次/min，冲击力20n，六个气动锤使用接力配管连接，安装在相同高度。51.(3)将所述钛合金构件连同包套一并进行热等静压处理，得到带包套的碳化硅覆层的钛合金构件；所述热等静压处理为：在氩气氛围下，加热温度为800℃，压力为120mpa，热等静压处理时间3h。52.(4)将所述带包套的钛合金构件进行化铣处理，化铣处理介质为12％浓度硫酸，工作电流160a，工作电压4v，即得所需具有碳化钨覆层的飞机发动机涡轮。53.实施例254.本实施例所述具有碳化钨覆层的复杂钛合金构件的加工方法同实施例1，所述飞机发动机涡轮的结构与实施例1相同，其区别仅在于，所述步骤(3)中，所述热等静压处理为：在氩气氛围下，加热温度为700℃，压力为140mpa，热等静压处理时间5h。55.实施例356.本实施例所述具有碳化钨覆层的复杂钛合金构件的加工方法同实施例1，所述飞机发动机涡轮的结构与实施例1相同，其区别仅在于，所述步骤(3)中，所述热等静压处理为：在氩气氛围下，加热温度为900℃，压力为100mpa，热等静压处理时间2h。57.对比例158.按照选定所述钛合金构件的组成，取原料粉末ta15(ti-6al-2zr-1mo-1v)加入至内层形状与所述钛合金构件形状相同的刚性模具中，进行热等静压处理，去除包套得到钛合金初坯，备用，所述热等静压处理为：在氩气氛围下，加热温度为800℃，压力为120mpa，热等静压处理时间3h。59.使用激光熔覆法在所述钛合金初坯表面涂覆1mm厚的碳化钨覆层。60.对比例261.按照选定所述钛合金构件的组成，取原料粉末ta15(ti-6al-2zr-1mo-1v)加入至内层形状与所述钛合金构件形状相同的刚性模具中，进行真空高温烧结处理，脱模得到钛合金初坯，备用。62.使用激光熔覆法在所述钛合金初坯表面涂覆1mm厚的碳化钨覆层。63.实验例64.对上述实施例1-3及对比例1-2所制备构建的抗拉强度、硬度、耐磨性等性能进行测试，所述测试方法如下：65.抗拉强度：取内部无碳化钨部分构件作为试样在单轴拉伸试验机进行测试；66.硬度：采用维氏硬度计测量构件表面硬度；67.耐磨性测试：采用销盘摩擦磨损试验机测试构件表面耐磨性，采用180目氧化铝砂纸作磨料，不加任何润滑剂，载荷4.9n，磨损长度120m。68.测试结果如下表1所示。69.表1构件的性能测试结果70.指标实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2抗拉强度(mpa)913882857910713硬度(hv)131013301270630630磨损率(％)3.93.54.79971.可见，本发明所述具有碳化钨覆层的复杂钛合金构件的加工方法，实现了碳化钨材料在钛合金构件表面的均匀覆层，并实现了对真空烧结钛合金的致密化处理，提升了钛合金构件的综合性能。72.以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。









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