CN100519011C - 具有多孔和非多孔部分的元件的粉末冶金生产 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过粉末冶金生产或加工的元件，并涉及生产这类元件的方法。预计该通过粉末冶金生产的元件同时具有多孔区域和提供流体密封性能，并且还应该可能以相应低的成本和适度灵活地生产。为此，此类元件具有至少一个由金属间相或固溶体形成的多孔区域。然而，它也可能具有相应的表面涂层。此外，在此类元件中，存在至少一个由金属或相应金属间相或固溶体的金属合金形成的流体密封区域。
Description
本发明涉及通过粉末冶金生产或可选地通过粉末冶金加工的元件，该元件具有至少一个由金属间相或固溶体组成，或具有此类表面涂层的多孔区域。此外，本发明还涉及相应的生产过程。在本文中，术语“通过粉末冶金加工”应被理解为通过粉末冶金对半成品，例如金属泡沫结构的相应的追溯加工(retrospective processing)。
现有技术已公布了由金属间相或固溶体形成的烧结多孔体的可能生产方法。这类方法已在例如德国专利10150948中得到描述。在该文献中，提出了一种具有烧结活性的粉末，该粉末至少形成将被施加于多孔基体表面的金属间相或固溶体。然后，假定借助于热处理引发金属间相或固溶体的形成。同时，可因此增加表面积。
虽然用这种方法生产的物体具有较低的固有质量，而且，如果选择合适的金属间相或固溶体，还具有高的热稳定性，但它们不能被容易地用于某些应用。特别在用作密封元件而不另外与对不同的流体防渗漏的元件相组合或连接时。
因此，本发明的一个目的是提供一种通过粉末冶金生产的元件，该元件同时具有多孔区域和流体密封性能，且还可以低成本和灵活地(flexibly)生产。
根据本发明，这一目的通过具有权利要求1的特征的元件实现。有利的生产过程结果与权利要求10，13和14一致。本发明的有利的方案和改进可通过附属权利要求中列出的特征实现。
根据本发明通过粉末冶金生产或另外按与此相应的方法加工的元件包括至少一个由金属间相或固溶体形成的多孔区域。然而，这类多孔区域还可用由这类金属间相或固溶体组成的相应的表面涂层提供。
而且，至少有一个平面流体密封区域(areal fluid-tight region)，该区域由金属、相应的金属间相或相应固溶体的金属合金形成。
术语“流体密封”应理解成意指至少对特定的液体密封，但在特定的场合也对气体密封，而且甚至对低分子气体或具有低原子数的气体密封。
在一个有利的方案中，流体密封区域可形成元件外壳的一部分，于是相应的多孔区域可在一个方向上与之相邻。
然而，这类的流体密封区域也可能被多孔区域包围。在此情况下，流体密封区域可在元件中形成核心或可选地形成屏障。
镍、铝、钼、钨、铁、钛、钴、铜、硅、铈、钽、铌、锡、锌或铋可被用于形成金属间相或固溶体。已经证实至少多孔区域用铝化镍制造或使用铝化镍制造的相应的表面涂层是特别有利的，因为这也使实现很好的热稳定性成为可能。
但是，多孔区域也可有利地按孔隙率在平面(areal)流体密封区域的方向变化的方式形成。这可以通过台阶，即以每单层中有不同孔隙率的多层，或连续分级的形式实现。
流体密封区域应该有利地具有高于相应的理论密度的96％的密度。
然而，在一个实施方案中，流体密封区域可由纯金属或相应金属间相或平面，例如以片状的形式形成的固溶体的金属合金形成。例如，一个多孔区域可被安置在镍元件上，该镍元件设计成例如片状，和一个或由铝化镍组成或用铝化镍进行表面涂覆的多孔区域可通过材料到材料的粘结连接于其上，如以下更详细描述的。
而且，在流体密封区域中可能形成至少一个通道或小孔。通道可用于通过，例如，液体或气体冷却剂。然而，也可能使用这类通道和邻近的开口在进入多孔区域的全程产生降低的压力，以便在该区域实现抽吸或真空作用。
然而，也可通过机械方法将小孔用于保护根据本发明的元件。
有许多用于生产和/或涂覆根据本发明元件的可选选项。
例如，为生产这类元件，使用不同的初始粉末可能是有利的。在此情形下，应使用具有烧结活性且形成金属间相或固溶体的初始粉末，以至少形成一种平面的流体密封区域。这使利用该效果从而借此在烧结过程中观察到体积增大，导致相应区域足够密实烧结成为可能，从而获得需要的流体密封性。
特别地应该使用平均粒径d50<50μm的初始粉末，以在烧结中形成多孔区域，例如，通过适当地选择不同粒径级分(fraction)来形成上文已经提及要形成的台阶或分级多孔区域是可能的。
然而，为生产根据本发明的元件，也可能生产具有上述粒径级分的初始粉末结合具有烧结活性且通过高能研磨得到的粉末。
例如，多孔区域可能仅由这类初始粉末形成，而一个同样是多孔的邻近区域可能是利用这类初始粉末与具有烧结活性且通过高能研磨得到的粉末的混合物形成，而且对于流体密封区域，其随后将仅仅利用具有烧结活性且通过高能研磨得到的初始粉末形成。
这些被使用的不同粉末在烧结过程中有不同的性能。在本文中，不同的收缩特别重要。
例如，准备用于根据本发明的元件的粉末冶金生产的粉末坯可能具有局部不同的尺寸，其与不同的初始粉末和在烧结过程中观察到的它们的收缩有关，所以烧结后可提供一种至少接近网状的元件，至多仅需要轻微的机械再加工。
在这类粉末坯的生产过程中，示例地给出了特征在于较高收缩的区域，该区域中的粉末坯包括具有高烧结活性的初始粉末，例如通过高能研磨得到的混合粉末，或在这些区域仅由具有相应粘合剂的这类粉末形成，这些必须给予相应的考虑。
然而，在另一可选方案中，也可能以下列方式生产根据本发明的元件，即将用来形成多孔区域的多孔结构用具有烧结活性并形成金属间相或固溶体的粉末表面涂覆(areally coated)。然后，通过烧结操作可在元件的相应表面上按流体密封的方式形成涂覆的区域。
在此情形下，示例地，可能使用多孔初始结构如半成品，其包括相应的金属间相或固溶体。
然而，也可能将同样以半成品形式的多孔结构，如金属泡沫，优选镍泡沫，用形成金属间相或固溶体的粉末进行表面涂覆，如德国专利10150948所述的，并且也可能随后又在表面上由粉末形成一个平面层(areal layer)，该粉末具有烧结活性且形成金属间相或固溶体，并且随后在烧结过程中同样形成流体密封区域。例如，多孔结构，即根据本发明的元件的多孔区域，可以被相应地改变，且在烧结过程中形成流体密封区域。
又一选择性的生产选项在于金属元素，其至少在某些区域是平面的(areal)和流体密封的，并且将要形成流体密封区域，其将通过材料到材料的粘结(material-to-material bonding)与随后形成多孔区域的多孔结构结合。这可通过烧结操作实现，在该操作中金属平面元素(metallic areal metal)预先用包含金属间相或相应的固溶体的至少一种元素的粉末层涂覆，并在烧结过程中与该粉末形成材料到材料的粘结。金属平面元素可能同样由相应金属间相或固溶体的元素形成或由该元素的合金形成。
下面通过实施例的方式描述本发明。
实施例1
用包含镍和铝的初始粉末混合物生产根据本发明的元件的一个实例。粒径级分在5到30μm的范围。
混合物的组成保持镍和铝的原子比为50/50原子％。镍和铝初始粉末彼此混合0.5h的时间。该混合物M1随后被分成两部分量。其中的一部分量在Fritsch P5行星式球磨机以250min/h的转速高能研磨1h的时间。这形成了部分混合物M2。依次，由混合物M1和混合物M2生产包含等量的这两种混合物的第三部分混合物M3。
按下列顺序预先用模压由这些混合物压实元件：混合物M1，混合物M2和混合物M3。
然后，在真空中于1150℃的温度范围进行反应烧结操作，并生产出根据本发明的具有三个不同多孔区域的元件。由粉末混合物M3形成的元件部分形成流体密封区域，而由混合物M1和M2形成的区域具有相当高的孔隙率。
可以在使用粉末混合物的同时使用本身已知且在烧结过程中被除去的常规粘合剂。不同初始粉末M1到M3的粒径实际上保持连续，而且相应地在本实施例的高能研磨中没有粒径变化，只不过粉末的烧结活性被改变了。
实施例2
用高能研磨得到的纯铝粉末或镍-铝粉末对镍泡沫结构表面涂覆。保持镍/铝原子比在75到50原子％镍对25到50原子％铝的范围内。按保留镍泡沫的开孔孔隙率的方式进行用这类粉末的涂覆。而后按这种方式制备的镍泡沫体在其一面用实施例1描述的粉末M3涂覆，随后在大约1150℃的温度再进行烧结。相应的金属间相在镍泡沫的表面形成，并且在另外施加了粉末M3的地方形成了包括铝化镍的流体密封区域。
Claims (8)
1.一种元件，其通过粉末冶金生产或加工，且具有至少一个由金属间相或固溶体形成或具有此类表面涂层或由铝化镍形成或由其涂覆的并具有开孔的金属泡沫结构的多孔区域，和至少一个由金属、金属合金、相应的金属间相或固溶体形成的平面流体密封区域，并且该相应的金属间相或固溶体基于镍、铝、钼、钨、铁、钛、钴、铜、硅、铈、钽、铌、锡、锌或铋，
其中
所述平面流体密封区域形成该元件外壳的一部分，于是相应的多孔区域可在一个方向上与之相邻，
或者
所述平面流体密封区域被多孔区域包围并且由所述金属或所述相应金属间相或固溶体的金属合金形成。
2.如权利要求1所述的元件，其中至少该多孔区域在平面流体密封区域的方向上具有台阶式或逐渐变化的孔隙率和密度。
3.如权利要求1或2所述的元件，其中在平面流体密封区域至少形成一个通道或小孔。
4.如权利要求1或2所述的元件，其中平面流体密封区域具有大于理论密度的96％的密度。
5.一种通过粉末冶金制备权利要求1所述的元件的方法，其中用具有烧结活性且形成金属间相或固溶体的粒径d50<50μm的初始粉末和通过高能研磨得到的具有烧结活性的粉末形成平面流体密封区域。
6.权利要求5所述的方法，其中粉末坯由不同的初始粉末制备，该坯的尺寸与不同初始粉末在烧结过程中的不同收缩有关。
7.一种制备权利要求1所述的元件的方法，其中形成多孔区域的多孔结构用具有烧结活性且形成金属间相或固溶体的粉末涂覆，并且通过随后的烧结操作在元件的表面形成平面流体密封区域。
8.一种制备权利要求1所述的元件的方法，其中形成流体密封区域的金属性的局部流体密封元素由包括金属间相或固溶体的元素的至少一种的粉末层涂覆，并且通过烧结将流体密封区域与被置于粉末层顶部且形成多孔区域的多孔结构结合。
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