复杂金属件同质包套热等静压整体成形关键技术基础研究

It is difficult for traditional method to manufacture complex metal parts with difficult-to-machine materials directly. Selective Laser Melting(SLM) method can solve the problem. However, its comprehensive performance can not reach the level of forgings. Hot isostatic pressing(HIP) method can integrally form complex metal parts with properties close to forgings, but its manufacturing cycle of complex package usually consume a long time（5-6 months）, high cost(accounting for above 60% of total manufacturing cost) and polluted. Situation above has become a technology bottleneck which plagued the technology development in long time. Based on this, the project combines the characteristics that SLM can form complex structure and the HIP can make the metal powder dense to come up with a new method of forming high-performance complex difficult machining parts. i.e. adopting SLM to form unremoving homogeneous package rapidly and lowcosts,then HIP to make the metal powder dense. This research will focus on the following works: the theoretical and experimental research on the manufacturability of selective laser melting of complex bag set and the law of bag set under the high temperature and high pressure of HIP; Construct the material constitutive model and finite element equations, realize the process of numerical simulation to quantitative prediction by continuum mechanics and elastic-plastic theory. Obtain the "process window" for optimization, and make the criteria for SLM-HIP composite forming technology. This research can provide theory and technology foundation for the direct integral shaping of complex and difficult-to-machine high temperature alloy.

复杂难加工金属件用传统方法难以直接整体成形，选择性激光熔化（SLM）成形可解决这个难题，但存在成形效率低、制件精度和性能难以保证等问题。热等静压（HIP）可直接整体成形出力学性能达锻件的复杂金属件，但其包套制造周期长（5-6个月），成本高（占总成本60%以上），化学腐蚀去除过程繁杂且有污染，成为该技术发展的瓶颈。 为此，本项目采用SLM可成形复杂结构、HIP可致密金属粉末的特点，提出将二者复合用于整体成形高性能复杂难加工金属件的新方法，即用SLM快速、低成本成形无需去除的复杂同质包套，用HIP致密包套中金属粉末来直接整体成形。拟开展工作：研究同质包套在SLM-HIP复合作用下组织演变规律；构建HIP过程中材料本构模型与有限元控制方程，运用连续介质力学和弹塑性理论实现数值模拟；获取优化的SLM-HIP复合成形的工艺准则。 研究成果将为高性能复杂难加工金属件直接整体成形提供理论和技术基础。

复杂难加工金属件用传统方法难以直接整体成形，激光选区熔化（SLM）成形可解决这个难题，但存在成形效率低、制件精度和性能难以保证等问题。热等静压（HIP）可直接整体成形出力学性能达锻件的复杂金属件，但其包套制造周期长（5-6个月），成本高（占总成本60%以上），化学腐蚀去除过程繁杂且有污染，成为该技术发展的瓶颈。为此，本项目用SLM可成形复杂结构、HIP可致密金属粉末的特点，提出将二者复合用于整体成形高性能复杂难加工零件的新方法，即用SLM快速、低成本成形无需去除的HIP复杂同质包套，用HIP致密包套中金属粉末来直接整体成形。本项目具体研究成果如下：.1.理论成果.（1）建立基于粉末材料-SLM参数-包套质量的理论模型，并提出SLM成形高致密复杂同质包套的工艺规范;.（2）揭示了HIP热力耦合作用下，粉末成形过程中的温度场、应力场和致密度的时空分布，阐明在高温高压同步作用下包套区域厚度、形态结构和HIP工艺参数对零件变形的影响规律，建立相应整体成形的数学模型和包套优化方法；.（3）提出了热等静压一体化成形复杂高性能零件与功能涂层的新方法，阐明了预涂层、HIP粉末致密体和二者界面梯度组织形态、尺度及元素分布规律，建立了基于材料、工艺优化以及后处理的界面组织性能调控方法。.2.学术成果.（1）发表论文共23篇，其中中科院1区论文5篇，2区论文16篇；.（2）授权专利7篇，已受理11篇；.在上述研究基础上，实现了5件航空航天发动机中的典型零件（机匣、涡轮盘等）的成形，并获得2016年湖北高校十大科技成果转化项目、2016年湖北省技术发明一等奖、2015年中国机械工业联合会科学技术一等奖和2016年上海市科学技术奖二等奖。同时，在此工作基础上成功申请到自然科学基金重大项目、重点研发计划、教育部创新团队项目、民机中欧国际合作项目等重大研发项目。