一种可回收重复使用的热等静压用控型模芯、其制造方法及其应用技术领域
本发明属于先进制造技术领域，更具体地，涉及一种可回收重复使用
的热等静压用控型模芯、其制造方法及其应用。
背景技术
热等静压近净成形是一种通过高温高压介质同时均匀的作用在粉末材
料表面，在高温高压共同作用下粉末材料发生蠕变固结，进而使材料成形
的一种先进加工技术。在成形过程中通过精确控制包套和控型模具的变形，
可达到近净成形，甚至净成形。该技术尤其适用于难加工材料的成形，如
钛合金、高温合金、钨合金、金属陶瓷等材料。
热等静压近净成形作为一种有效制造高性能复杂难加工零件的方法，
成形零件具有致密、组织细小无偏析的优点，该技术在航空发动机叶片，
机匣；航天飞机蒙皮和壳体；汽车发动机阀体及增压叶轮；近海油气田法
兰盘，接头，阀体和管道等方面有着独特的应用。
热等静压近净成形用控型模具的制备及后续加工去除都十分的繁琐复
杂，且在腐蚀去除过程中易对环境产生较严重污染。简化热等静压控型模
具的去除，或对控型模具进行回收重复利用，对热等静压近净成形技术的
进一步发展具有十分重要的意义。传统HIP方法通常采用碳钢作为控型模
具，碳钢模具具有易加工，取材方便的优点。但碳钢模具在高温高压作用
下易变形，导致成形误差大；同时碳钢模具在后续腐蚀去除时较困难，并
对环境产生较大污染。本发明中提出一种可重复使用的控型模具加工制备
方法，可以有效的解决上述碳钢模具的缺点。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种热等静压近
净成形用控型模具可重复使用的加工制备方法。该方法可以降低热等静压
近净成形过程中控型模具的制造成本，提高控型模具的控型精度，及降低
后续腐蚀对环境的污染。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种可回收重复使
用的热等静压用控型模芯，其特征在于，包括芯体、金属导电层和隔离层，
其中，
所述芯体由氧化铝陶瓷制成；
所述金属导电层覆在所述芯体的全部侧面及上底面和/或下底面的全
部部位上，其由Ag制成；
所述隔离层覆在所述金属导电层的全部侧面及上底面和/或下底面的
全部部位上，其由Fe制成。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种可回收重复使用的热等静压
用控型模芯，其特征在于，包括芯体、保护层、金属导电层和隔离层，其
中，
所述芯体由WC硬质合金制成；
所述保护层覆在芯体的所有外表面的全部部位上，其由氧化铝陶瓷材
料制成；
所述金属导电层覆在所述保护层的全部侧面及上底面和/或下底面的
全部部位上，其由Ag制成；
所述隔离层覆在所述金属导电层的全部侧面及上底面和/或下底面的
全部部位上，其由Fe制成。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种控型模芯的制备方法，其特
征在于，包括以下步骤：
1)根据零件内腔的形状，采用氧化铝陶瓷材料制作与零件内腔形状相
应的芯体；
2)采用离子镀技术在氧化铝陶瓷模具外表面镀上一层金属Ag，以形成
金属导电层；
3)采用电铸工艺在表面沉积一层2～3mm厚度的由Fe形成的隔离层，
其中，电铸采用工业纯铁作阳极，采用的电镀液中各成分的浓度如下：氨
基磺酸亚铁为130～150g/L，氨基磺酸亚铁为130～150g/L，硼酸为20～30g/L，
尿素为150～200g/L，另外，电镀液的pH值为1.5～2.5，温度为40～60℃，
电铸时阴极的电流密度为4～5A/dm2。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种应用控型模芯成形工件的方
法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将控型模芯放入TC4钛合金粉末中，以形成压坯，此后在压坯外套
上包套，然后将压坯放入热等静压炉中进行加热加压处理，其中，加热加
压的过程为：
以8～12℃/min的速度，将温度从室温上升到920～980℃，保温2～4h；
接着以1.5～2.5MPa/min的速度将压力升高到100～140Mpa，然后在920～980℃
和100～140Mpa的温度和压力下保温保压2～4h，然后降温卸压；
2)待热等静压炉冷却至室温时，取出压坯，然后去除包套；
3)采用稀硝酸对压坯中的隔离层进行腐蚀去除，以分离控型模芯和由
TC4钛合金材料形成的零件，然后回收控型模具。
优选地，在腐蚀过程中可以采用施加超声波，加热升温等的方法，促
进稀硝酸对Fe隔离层的腐蚀去除，提高腐蚀效率。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种控型模芯的制备方法，其特
征在于，包括以下步骤：
1)根据零件内腔的形状，采用WC硬质合金制作与零件内腔形状相应
的芯体；
2)采用热喷涂工艺在芯体外表面沉积一层保护层，所述热喷涂工艺采
用的涂料由氧化铝陶瓷材料形成；
3)采用离子镀技术在保护层外表面镀上一层金属Ag，以形成金属导电
层；
4)采用电铸工艺在表面沉积一层2～3mm厚度的由Fe形成的隔离层，
其中，电铸采用工业纯铁作阳极，采用的电镀液中各成分的浓度如下：氯
化亚铁为200～400g/L，氯化铵60～100g/L，二氯化锰120～180g/L，另外，
电镀液的pH值为1.5～2.5，温度为60～70℃，阴极电流密度为8～12A/dm2。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种应用控型模芯成形工件的方
法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将控型模芯放入镍基合金粉末中，以形成压坯，此后在压坯外套上
包套，然后将压坯放入热等静压炉中进行加热加压处理，其中，加热加压
的过程为：
以8～12℃/min的速度，将温度从室温上升到800～900℃，保温15～25min；
接着以1.5～2.5MPa/min的速度将压力升高到100～140Mpa，同时以4～6℃
/min的速率将温度继续上升到1000～1100℃。在1000～1100℃和100～140MPa
条件下保温保压2～4h，然后降温卸压；
2)待热等静压炉冷却至室温时，取出压坯，然后去除包套；
3)采用稀硝酸对压坯中的隔离层进行腐蚀去除，以分离控型模芯和由
镍基合金材料形成的零件，然后回收控型模具。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够
取得下列有益效果：
1)本发明成本低，制造控型模芯是热等静压成形技术的主要生产成本，
本发明可使控型模具回收重复使用，大大降低了热等静压成形技术的生产
成本。
2)本发明污染小，热等静压成形零件后续腐蚀去除包套、模具过程中，
易对环境产生较大污染，本发明中控型模具可回收重复使用，避免了长时
间对模具的腐蚀去除，减少了对环境的污染。
3)本发明效率高，本发明中热等静压零件后续腐蚀处理，避免了对控
型模具长时间的腐蚀，大大缩短了生产周期。
4)本发明控型精度高，采用高温强度高的材料制备控型模具，模具在
高温高压作用下变形小，成形零件精度误差相对较小。
附图说明
图1(a)～图1(d)为本发明的热等静压成形示意图，其中图1(a)
为采用合适的热等静压工艺对包含隔离层的控型模具进行热等静压成形，
图1(b)为采用合适的腐蚀条件去除中间隔离层，图1(c)和图1(d)分
别为分离后的热等静压零件和控型模具；
图2和图3分别为两种不同构造的控型模芯的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图
及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体
实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的
本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可
以相互组合。
参照图1～图3，本发明的实质是提供一种热等静压近净成形过程中使
用的控型模芯，表面具有易去除材料隔离层，同时芯部耐腐蚀的可重复使
用控型模具的加工制备方法。采用这种控型模具进行热等静压近净成形，
成形后仅去除零件与控型模具间的隔离层，使控型模具能够得到回收重复
使用。这样可大大的降低热等静压近净成形的生产成本，减少对环境的污
染，同时还使控型的精度得到提高。
实施例1
一种控型模芯的制备方法，包括以下步骤：
1)根据零件内腔的形状，采用氧化铝陶瓷材料制作与零件内腔形状相
应的芯体1；
2)采用离子镀技术在氧化铝陶瓷模具外表面镀上一层金属Ag，以形成
金属导电层2；
3)采用电铸工艺在表面沉积一层2.5mm厚度的由Fe形成的隔离层3，
其中，电铸采用工业纯铁作阳极，采用的电镀液中各成分的浓度如下：氨
基磺酸亚铁为130g/L，氨基磺酸亚铁为150g/L，硼酸为25g/L，尿素为
150g/L，另外，电镀液的pH值为1.5，温度为40℃，电铸时阴极的电流密
度为4A/dm2。
实施例2
一种控型模芯的制备方法，包括以下步骤：
1)根据零件内腔的形状，采用氧化铝陶瓷材料制作与零件内腔形状相
应的芯体1；
2)采用离子镀技术在氧化铝陶瓷模具外表面镀上一层金属Ag，以形成
金属导电层2；
3)采用电铸工艺在表面沉积一层2mm厚度的由Fe形成的隔离层3，其
中，电铸采用工业纯铁作阳极，采用的电镀液中各成分的浓度如下：氨基
磺酸亚铁为140g/L，氨基磺酸亚铁为140g/L，硼酸为20g/L，尿素为180g/L，
另外，电镀液的pH值为2，温度为60℃，电铸时阴极的电流密度为5A/dm2。
实施例3
一种控型模芯的制备方法，包括以下步骤：
1)根据零件内腔的形状，采用氧化铝陶瓷材料制作与零件内腔形状相
应的芯体1；
2)采用离子镀技术在氧化铝陶瓷模具外表面镀上一层金属Ag，以形成
金属导电层2；
3)采用电铸工艺在表面沉积一层3mm厚度的由Fe形成的隔离层3，其
中，电铸采用工业纯铁作阳极，采用的电镀液中各成分的浓度如下：氨基
磺酸亚铁为150g/L，氨基磺酸亚铁为130g/L，硼酸为30g/L，尿素为200g/L，
另外，电镀液的pH值为2.5，温度为50℃，电铸时阴极的电流密度为4.5A/dm2。
实施例4
一种应用控型模芯成形工件的方法，包括以下步骤：
1)将控型模芯放入TC4钛合金粉末中，以形成压坯，此后在压坯外套
上包套，然后将压坯放入热等静压炉中进行加热加压处理，其中，加热加
压的过程为：
以10℃/min的速度，将温度从室温上升到950℃，保温2h；接着以
1.5MPa/min的速度将压力升高到120Mpa，然后在920℃和100Mpa的温度和
压力下保温保压2h，然后降温卸压；
2)待热等静压炉冷却至室温时，取出压坯，然后去除包套；
3)采用稀硝酸对压坯中的隔离层3进行腐蚀去除，以分离控型模芯和
由TC4钛合金材料形成的零件，然后回收控型模具。
实施例5
一种应用控型模芯成形工件的方法，包括以下步骤：
1)将控型模芯放入TC4钛合金粉末中，以形成压坯，此后在压坯外套
上包套，然后将压坯放入热等静压炉中进行加热加压处理，其中，加热加
压的过程为：
以12℃/min的速度，将温度从室温上升到920℃，保温3h；接着以
2MPa/min的速度将压力升高到100Mpa，然后在980℃和120Mpa的温度和压
力下保温保压4h，然后降温卸压；
2)待热等静压炉冷却至室温时，取出压坯，然后去除包套；
3)采用稀硝酸对压坯中的隔离层3进行腐蚀去除，以分离控型模芯和
由TC4钛合金材料形成的零件，然后回收控型模具。
实施例6
一种应用控型模芯成形工件的方法，包括以下步骤：
1)将控型模芯放入TC4钛合金粉末中，以形成压坯，此后在压坯外套
上包套，然后将压坯放入热等静压炉中进行加热加压处理，其中，加热加
压的过程为：
以8℃/min的速度，将温度从室温上升到980℃，保温4h；接着以
2.5MPa/min的速度将压力升高到140Mpa，然后在950℃和140Mpa的温度和
压力下保温保压3h，然后降温卸压；
2)待热等静压炉冷却至室温时，取出压坯，然后去除包套；
3)采用稀硝酸对压坯中的隔离层3进行腐蚀去除，以分离控型模芯和
由TC4钛合金材料形成的零件，然后回收控型模具。
实施例7
一种控型模芯的制备方法，包括以下步骤：
1)根据零件内腔的形状，采用WC硬质合金制作与零件内腔形状相应
的芯体1’；
2)采用热喷涂工艺在芯体1’外表面沉积一层保护层4’，所述热喷
涂工艺采用的涂料由氧化铝陶瓷材料形成；
3)采用离子镀技术在保护层4’外表面镀上一层金属Ag，以形成金属
导电层2’；
4)采用电铸工艺在表面沉积一层2.5mm厚度的由Fe形成的隔离层3’，
其中，电铸采用工业纯铁作阳极，采用的电镀液中各成分的浓度如下：氯
化亚铁为200g/L，氯化铵60g/L，二氯化锰120g/L，另外，电镀液的pH值
为1.5，温度为70℃，阴极电流密度为8A/dm2。
实施例8
一种控型模芯的制备方法，包括以下步骤：
1)根据零件内腔的形状，采用WC硬质合金制作与零件内腔形状相应
的芯体1’；
2)采用热喷涂工艺在芯体1’外表面沉积一层保护层4’，所述热喷
涂工艺采用的涂料由氧化铝陶瓷材料形成；
3)采用离子镀技术在保护层4’外表面镀上一层金属Ag，以形成金属
导电层2’；
4)采用电铸工艺在表面沉积一层2mm厚度的由Fe形成的隔离层3’，
其中，电铸采用工业纯铁作阳极，采用的电镀液中各成分的浓度如下：氯
化亚铁为400g/L，氯化铵80g/L，二氯化锰180g/L，另外，电镀液的pH值
为2，温度为65℃，阴极电流密度为12A/dm2。
实施例9
一种控型模芯的制备方法，包括以下步骤：
1)根据零件内腔的形状，采用WC硬质合金制作与零件内腔形状相应
的芯体1’；
2)采用热喷涂工艺在芯体1’外表面沉积一层保护层4’，所述热喷
涂工艺采用的涂料由氧化铝陶瓷材料形成；
3)采用离子镀技术在保护层4’外表面镀上一层金属Ag，以形成金属
导电层2’；
4)采用电铸工艺在表面沉积一层3mm厚度的由Fe形成的隔离层3’，
其中，电铸采用工业纯铁作阳极，采用的电镀液中各成分的浓度如下：氯
化亚铁为300g/L，氯化铵100g/L，二氯化锰150g/L，另外，电镀液的pH
值为2.5，温度为60℃，阴极电流密度为10A/dm2。
实施例10
一种应用控型模芯成形工件的方法，包括以下步骤：
1)将控型模芯放入镍基合金粉末中，以形成压坯，此后在压坯外套上
包套，然后将压坯放入热等静压炉中进行加热加压处理，其中，镍基合金
可以为镍基耐热合金，镍基耐蚀合金，镍基耐磨合金，镍基精密合金或镍
基形状记忆合金，例如Ni625、inconel625等，加热加压的过程为：
以10℃/min的速度，将温度从室温上升到900℃，保温25min；接着
以1.5MPa/min的速度将压力升高到120Mpa，同时以4℃/min的速率将温度
继续上升到1000℃。在1000℃和100MPa条件下保温保压2h，然后降温卸
压；
2)待热等静压炉冷却至室温时，取出压坯，然后去除包套；
3)采用稀硝酸对压坯中的隔离层3’进行腐蚀去除，以分离控型模芯
和由镍基合金材料形成的零件，然后回收控型模具。
实施例11
一种应用控型模芯成形工件的方法，包括以下步骤：
1)将控型模芯放入镍基合金粉末中，以形成压坯，此后在压坯外套上
包套，然后将压坯放入热等静压炉中进行加热加压处理，其中，镍基合金
可以为镍基耐热合金，镍基耐蚀合金，镍基耐磨合金，镍基精密合金或镍
基形状记忆合金，例如Ni625、inconel625等，加热加压的过程为：
以8℃/min的速度，将温度从室温上升到850℃，保温20min；接着以
2MPa/min的速度将压力升高到100Mpa，同时以6℃/min的速率将温度继续
上升到1050℃。在1100℃和120MPa条件下保温保压4h，然后降温卸压；
2)待热等静压炉冷却至室温时，取出压坯，然后去除包套；
3)采用稀硝酸对压坯中的隔离层3’进行腐蚀去除，以分离控型模芯
和由镍基合金材料形成的零件，然后回收控型模具。
实施例12
一种应用控型模芯成形工件的方法，包括以下步骤：
1)将控型模芯放入镍基合金粉末中，以形成压坯，此后在压坯外套上
包套，然后将压坯放入热等静压炉中进行加热加压处理，其中，镍基合金
可以为镍基耐热合金，镍基耐蚀合金，镍基耐磨合金，镍基精密合金或镍
基形状记忆合金，例如Ni625、inconel625等，加热加压的过程为：
以12℃/min的速度，将温度从室温上升到800℃，保温15min；接着
以2.5MPa/min的速度将压力升高到140Mpa，同时以5℃/min的速率将温度
继续上升到1100℃。在1050℃和140MPa条件下保温保压3h，然后降温卸
压；
2)待热等静压炉冷却至室温时，取出压坯，然后去除包套；
3)采用稀硝酸对压坯中的隔离层3’进行腐蚀去除，以分离控型模芯
和由镍基合金材料形成的零件，然后回收控型模具。
实施例13
一种可回收重复使用的热等静压用控型模芯，包括芯体1、金属导电层
2和隔离层3，其中，所述芯体1由氧化铝陶瓷制成；所述金属导电层2覆
在所述芯体1的全部侧面及上底面和/或下底面的全部部位上，其由Ag制
成；所述隔离层3覆在所述金属导电层2的全部侧面及上底面和/或下底面
的全部部位上，其由Fe制成。
实施例14
一种可回收重复使用的热等静压用控型模芯，包括芯体1’、保护层4’、
金属导电层2’和隔离层3’，其中，所述芯体1’由WC硬质合金制成；所
述保护层4’覆在芯体1’的所有表面的全部部位上，其由氧化铝陶瓷材料
制成；所述金属导电层2’覆在所述保护层4’的全部侧面及上底面和/或
下底面的全部部位上，其由Ag制成；所述隔离层3’覆在所述金属导电层
2’的全部侧面及上底面和/或下底面的全部部位上，其由Fe制成。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，
并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等
同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。