Um die komplexen Komponenten zu bewältigen, die in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt erforderlich sind, löst Pulverguss effektiv technische Herausforderungen, die dem Präzisionsguss innewohnen, wie z. B. Lunker, Porosität und Zusammensetzungstrennung sowie zahlreiche Probleme im Zusammenhang mit dem Schweißen von Schmiedestücken. Derzeit konzentrieren wir uns bei der Herstellung von Ti2AlNb-Legierungen mittels Pulvermetallurgie auf die Prozessparameter des Heißisostatischen Pressens (HIP) (Zeit, Temperatur, Druck), die anschließenden Wärmebehandlungs- und Heißverformungsprozesse sowie die Untersuchung der Mikrostruktur und Leistung von Pulverlegierungen und der Abmessungen der geformten Komponenten. Unser Unternehmen hat mit dem Plasma-Rotationselektroden-Verfahren (PREP) vorlegiertes Ti2AlNb-Pulver hergestellt und anschließend Ti2AlNb-Pulverlegierungen durch das heißisostatische Pulverpressverfahren hergestellt.
Herstellungsverfahren für die Ti2AlNb-Pulverlegierung: Vorlegiertes Ti2AlNb-Pulver mit einer Partikelgröße unter 250 μm wird in einer atmosphärischen Umgebung in eine zylindrische Stahlhülle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt geladen. Nach dem Verdichten, Punktschweißen, Vakuumentgasen und Dichtschweißen wird das heißisostatische Pressen (HIP) in einem heißisostatischen Pressofen vom Typ RD(Z)-1-850 des Steel Research Institute Haopu Technology Co., Ltd. abgeschlossen, um pulvermetallurgische Knüppel zu erhalten. Heißisostatischer Pressvorgang: Die Ofentemperatur wird auf 1030 Grad erhöht, der Druck beträgt mehr als 140 MPa, die Haltezeit beträgt 2–4 Stunden und dann wird der Ofen abgekühlt. Wärmebehandlungsprozess: Die Bedingungen für die Lösungswärmebehandlung liegen bei 980 Grad für 2 Stunden, gefolgt von einer Abkühlung im Ofen, wobei die Zeit bis zur Raumtemperatur mindestens 1 Stunde beträgt. Die Bedingungen für die Alterungswärmebehandlung liegen bei 890 Grad für 4 Stunden, gefolgt von Ofenabkühlung, wobei die Zeit bis zur Raumtemperatur mindestens 1 Stunde beträgt. Nach dem heißisostatischen Pressen werden die Außenhülle und der Kern durch maschinelle Bearbeitung und chemisches Fräsen entfernt, um geschlossene Laufradteile aus Titanlegierung zu erhalten. Die folgende Abbildung zeigt die Montagebeziehung und das physikalische Bild der experimentellen geschlossenen Laufradhülse und des Kerns.
Abb. Zusammenbaubeziehung und physikalisches Diagramm des ummantelten Laufradhülsenkerns.
Die Zugeigenschaften wurden bei 650 Grad mit einer elektronischen Universalprüfmaschine CMT5305 gemäß GB/T 228.2-2015 „Metallische Werkstoffe, Zugprüfung-Teil 2: Hochtemperaturprüfverfahren“ getestet; Die Kriechlebensdauer wurde bei 650 Grad/360 MPa mit einer RD-100 Mikro-gesteuerten elektronischen Kriechprüfmaschine gemäß GB/T 2039-2012 „Metallische Materialien, uniaxiale Zugkriechtestmethode“ getestet; Die Probenabmessungen für Zug- und Kriechversuche betrugen 5 mm Durchmesser und 25 mm Messlänge, mit mindestens zwei parallelen Proben. Die Ti2AlNb-Pulverlegierungsproben wurden nach dem Montieren und Polieren mit Kroll-Reagenz (3 % HF + 6 % HNO3 + 91 % H2O, Volumenanteil) geätzt und REM-Bilder wurden mit einem TESCAN MIRA4-Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop aufgenommen. Die EBSD-Analyse wurde mit einem Thermo Quattro S-Typ SEM durchgeführt, das mit einer Elektronenrückstreuungsbeugungssonde (EBSD) ausgestattet war, und die Datenverarbeitungssoftware war HKL Channel 5. Die Porosität der heiß isostatisch gepressten Ti2AlNb-Legierung wurde mit einem VersaXRM-500 Röntgen-Mikrocomputertomographiesystem (Mikro-CT) charakterisiert. Die Analysefläche des Pulverpresskörpers betrug etwa Φ1,9 mm × 2,2 mm.
Bei der Herstellung von pulvermetallurgischen Bauteilen ist die Gestaltung der Kapselungsstruktur von entscheidender Bedeutung. Ein vernünftiges Design der Verkapselungsstruktur muss sicherstellen, dass alle Teile des Pulverpresslings verdichtet sind und eine nahezu -Endform-formung erreichen. Als Behälter für das heißisostatische Pressen (HIP) von pulvermetallurgischen Legierungen wirkt sich die Einkapselung direkt auf die metallurgische Qualität und das dimensionale Erscheinungsbild des Endprodukts aus. In der Praxis können Schwankungen der Prozessparameter während der HIP-Verdichtung zu Unterschieden im Verdichtungsprozess führen. Insbesondere bei der Herstellung großer, komplexer Komponenten ist die Einkapselungs-/Formstruktur normalerweise relativ komplex und die Unterschiede im Verdichtungsprozess von der Oberfläche bis zum Inneren des Pulverpresskörpers sind ausgeprägter und zeigen sogar das Phänomen einer „ungleichmäßigen Verdichtung“. Dieses Phänomen führt zu inkonsistenten Verdichtungsgraden und Schrumpfungsverformungen in verschiedenen Teilen des Bauteils und beeinträchtigt somit die mechanischen Eigenschaften des Bauteils. Unter Verwendung von EIGA-Pulver wurden verschiedene Arten von Ti2AlNb-Pulvermetallurgiekomponenten erfolgreich unter einem HIP-Regime von 1030 Grad/140 MPa/3 Stunden hergestellt. Tests ergaben, dass die Maßabweichung der Schlüsselkomponenten weniger als 2 % betrug und die Oberflächenqualität der von Gusslegierungen überlegen war. Durch die Verwendung eines Finite-Elemente--unterstützten Kapselungsstrukturdesigns ist der Verdichtungsprozess tendenziell während des gesamten Verdichtungsbildungsprozesses gleichmäßig, wodurch das Phänomen der „ungleichmäßigen Verdichtung“ effektiv vermieden und dazu beigetragen wird, die Konsistenz der Gesamtleistung der Komponente sicherzustellen.
1) Im Vergleich zur PREP-Methode weist das mit der EIGA-Methode hergestellte vorlegierte Ti2AlNb-Pulver eine breitere Partikelgrößenverteilung, eine geringere Anzahl von Satellitenkugeln und eine höhere Klopfdichte auf.
(2) Im Vergleich zur Ti2AlNb-Legierung, die durch isostatisches Heißpressen von PREP-Pulver gebildet wird, sind die Hochtemperaturfestigkeit und die Kriechlebensdauer der Legierung entsprechend EIGA-Pulver leicht verringert, aber die Dehnung ist aufgrund der höheren Gleichmäßigkeit der Mikrostruktur besser. Im Komponentenvorbereitungsprozess zeigen die Ergebnisse der Finite-Elemente-Simulation, dass das mit EIGA-Pulver hergestellte Ti2AlNb-Laufrad eine geringere Schrumpfung aufweist und sich besser für das heißisostatische Pressen komplexer Komponenten eignet.
(3) Mithilfe der Finite-Elemente-Simulation zur Unterstützung des Entwurfs der Kapselung wurden komplexe Ti2AlNb-Pulvermetallurgiekomponenten erfolgreich mit vorlegiertem EIGA-Pulver hergestellt. Die Bauteile weisen eine hohe Maß- und Oberflächengenauigkeit auf und weisen keine metallurgischen Mängel auf.
