CN101257990A - 热等静压的方法 - Google Patents

Abstract

通过热等静压处理金属制品的方法，其中空气被用作热等静压的压力介质。

Description

热等静压的方法

技术领域

本发明涉及金属制品热等静压的方法和相应用途。

背景技术

热等静压(HIP)是用途越来越广泛的技术。例如，热等静压用于在诸如涡轮机叶片的金属铸件中实现多孔性的消除。这样的做法将会实质增加铸件的使用寿命和强度，尤其是疲劳强度。热等静压的另一个应用领域是用压实粉制造具有完全致密和无孔结构的产品。

WO 00/15371、WO 01/14087和WO 03/070402披露了热等静压装置和方法的例子，它们在此全部作为参照引入。

在金属制品的热等静压中，将要经受压制处理的金属制品置于压力容器的负载室中。将该容器密封起来并在该压力容器及其负载室中引入压力介质。加热压力介质并增加压力从而使该制品在选定的时间内同时经受增大的温度和增大的压力。该压力、温度和处理时间当然依赖于许多因素，诸如被压制制品的材料、应用的领域等等。该压力可处在200-5000bar的范围内，而该温度在300-3000℃的范围内。

现有处理金属制品的热等静压技术的缺陷是为提供压力介质而导致的高成本，传统的压力介质是氩或氮。

发明内容

本发明的一个目标是提供其中有关提供压力介质的成本降低的热等静压。

这一目标是通过提供如独立权利要求所要求的热等静压的方法和相应的用途来实现的。实施例限定在从属权利要求中。

依照本发明的第一方面，提供在压力机中对制品进行热等静压的方法，该压力机包括绝热压力容器、封装在压力容器中的炉腔和安置在炉腔内的负载室。该方法包括以下步骤：将要被压制的制品放置在负载室内，所述制品由金属制成；将压力介质供送到压力容器中，所述压力介质是空气；升高负载室中的温度和压力，在选定的时间内维持升高的压力和升高的温度；以及降低负载室中的温度和压力。

依照本发明的第二方面，提供作为金属制品热等静压中的压力介质的空气的用途。

因而，本发明基于在高压压力机内的金属制品热等静压过程中使用空气作为压力介质的有利思想。不用说，这一点有违金属制品热等静压技术中根深蒂固的偏见。如本领域技术人员所熟知的，空气的存在对金属制品的热等静压过程通常是有害的，这是由于金属可能会与空气中包含的氧或氮起反应，或者同时与这二者起反应，例如形成氧化物或氮化物，或者会降低金属的点火温度从而导致在用于热等静压的压力和温度下出现金属着火的情况。

对于热等静压技术中反对在任何类型的热等静压中使用空气的顽固偏见存在的另一个原因是由于以下事实，即接触到压力介质的压力腔部分的材料也必须能够耐受或经得起热等静压温度和压力下的氧和/或氮的有害影响。例如，在压力腔内可能会出现材料迁移，以及在高热等静压温度和压力下氧和氮可能会成为化学侵蚀的主要因素。

然而，可注意到的是空气在热等静压中的使用本身是已知的，例如可从日本专利申请JP2-129077中获知，其披露了制造高密度烧结陶瓷的方法。但是，JP2-129077中披露的空气作为热等静压压力介质的使用仅涉及陶瓷的处理，在这里使用惰性气体例如氩可能会导致非期望地将氧从被处理陶瓷中去除。因而，在该披露的方法中使用空气即为了防止所述氧从陶瓷中的去除。

日本专利申请JP61-23732披露了另一个用于类似目的的方法，其中将氧，O₂，加入到惰性气体以避免非期望地将氧从被处理陶瓷中去除。但是，应当注意到的是JP61-23732未提及在HIP过程中使用空气。相反的是，在将氩和氧输送入压力腔之前将空气从其中排出。

应当注意到的是对于在空气或含氧大气中的陶瓷的热等静压，如上述日本申请所披露的，必须用于组成压力机内部的材料不同于用在惰性气体环境中的材料。原因主要在于该材料必须抵制在陶瓷的HIP过程中高压力和温度下的氧的有害影响。这一点适用于压力机的加热元件、制品保持机构、内衬、内部壳体结构等。压力机的内部定位组件常常必须由陶瓷制成，其显著增加了压力机的整体制造和维护成本。而且，对于实际大小的热等静压的规模而言压力机的内部主体由陶瓷制成不仅是困难而且是昂贵的。对于本领域技术人员而言，这也是在HIP处理中使用空气作为压力介质的另一个制约因素，其更进一步地加强了反对在金属制品的HIP过程中使用空气作为压力介质的偏见。

当然，空气中的金属制品热处理并非是新生事物。但是，与大气压力下的热处理相比，空气在热等静压中作为压力介质使用是完全不同的事情。特定气体对特定材料的影响通常非常依赖于压力。因而，在气体对大气压力下的特殊材料不具有负面影响的温度下，在高压环境中，例如在HIP压力下，完全相同的气体对于相同温度下的相同材料可能是绝对毁灭性的。

使用空气作为金属制品热等静压压力介质的优势是多方面的。其中之一是，周围空气可用作压力介质。因此，没有必要将压力介质传输到处理场所。而且，当典型气体要用作压力介质时，其通常以液态形式传输和储存。因而，存在对低温储存设备和罐车的需要，以及此外对用在连接中的低温泵的需要，它们都非常昂贵。并且，提取和分离传统压力介质例如氮或氩的成本也是相当大的，尤其对于氩而言。因而，甚至在不考虑传输和储存成本时，获得典型压力介质的基本成本在整个处理成本中都是主要因素。

本发明进一步的优势是能够完全省去对于在导入压力介质之前将空气从压力容器中排空的需要，这样就减少了处理时间并且因此降低了成本。换句话说，当使用空气作为压力介质时，执行热等静压的处理成本能够显著地降低。

而且，使用窒息性气体或窒息性毒气例如氮和氩作为压力介质需要采取麻烦的并且时常是昂贵的安全措施。举例来说，与窒息性气体的实际操作相关联的程序必须保证工作人员不会无意中接触到该窒息性气体，或者防止该气体与周围空气混合。如果操作者为了维护或检查要进入压力腔或压力机坐落的检修坑时，必须保证所有窒息性压力介质已经排空。必须提供测量压力机内和其周围环境中的窒息性气体程度的计量器，以及对操作该压力机的工作人员进行专门训练。通过使用空气作为金属制品热等静压的压力介质，能够实质省去这些措施。

应当注意到的是并非所有金属适于经受使用空气作为压力介质的热等静压，这主要是由于空气中包含的氧和/或氮的有害影响。然而，与热等静压技术中的偏见相反，一些金属具有使得使用空气的热等静压成为可能的特性已令人惊奇地被发现。

作为其示例，铝及其合金已经被发现非常适于使用空气的热等静压。尽管铝与空气中含有的氧非常迅速地起反应，并且在铝制品的表面迅速形成氧化铝层，但是依然可能成功施行使用空气作为压力介质的铝或铝合金热等静压。原因在于形成在铝表面的致密的氧化层阻止空气与裸露的金属接触并且从而在热等静压过程中保护该材料。而且，当铝或铝合金在热等静压过程中遭遇到空气时，氧化层的密度将进一步增加。

此外，其它金属例如镁及其合金可适于使用空气的热等静压。因而，应当注意到的是本申请不仅限于对于铝及其合金的使用空气作为压力介质的热等静压，而其它金属也预期在本申请的范围内。

如上面所说明的，依照本发明，空气用作所述压力介质。换句话说，存在于压力机周围环境中的或者在其附近的空气，也即，周围空气能够用作压力介质。在一些实施例中，可使用气体或空气存储设备，空气在一定压力下在其中储存，这是为了促进和加速将空气供入并将压力容器内的压力升高到期望处理压力的过程。那么，对于一些实施例，可使用压缩机将空气供入存储设备和/或将空气从存储设备供入到压力容器。

当使用空气存储设备时，可将在热等静压过程期间存在于压力容器中的空气在该过程完成后供送回空气存储设备并在后面的压制周期中再次使用。这样将减少对设置在空气存储设备和压力容器之间的供送装置例如压缩机的性能要求。

替代地，可简单地将用在压力腔中的空气在后面的压制周期之间释放到大气中。那么，压力介质的释放可在对周围环境没有任何有害影响的情况下，或者在对工作人员或其他靠近压力机或其压力介质出口的人没有任何危害的情况下施行。

此外，可以液态形式将空气供应到执行热等静压的场所或工厂，例如借助低温罐车、低温管道、低温泵等，并且将空气存储在低温储存设备中。

在更多作为示例的实施例中，使用除湿器降低压力介质也即空气的湿度。这是由于周围空气含有一定数量的以蒸汽或液态形式存在的水。通过降低湿度，大大减小了由压力容器内水的存在而引起的有害影响。因而，能够增加压力容器内组件的可靠性和服务寿命，所述组件例如是电导孔、密封面、电端子、绝缘材料等等。

并且，如上所述，适于热等静压过程的压力和温度依赖于特定的材料和要被压制金属制品的使用领域。然而，在示例性的实施例中，压力可在从200到3000bar的范围内，而温度在从300到1000℃的范围内。

对于涉及铝或铝合金热等静压的实施例，典型的压力和温度范围可分别在300-600bar和400-600℃之间。在这种相对低的HIP温度和压力下，空气中含有的氧和氮的有害影响不同于其在更高温度和/或压力下的有害影响，例如当用在陶瓷的热等静压中时。因此，尽管有关于对铝或铝合金进行热等静压的使用空气的压力机的内部组件的材料成本会大于使用例如氩或氮的相应压力机，但是其依然显著小于对陶瓷进行热等静压的相应压力机。

当使用空气作为压力介质时，适当地选择用于压力容器的部件和组件的材料，尤其是那些配置在压力容器内部的部件和组件，以适应空气环境。例如，炉子或其加热元件的材料可例如从这样的材料中选取，这些材料在热等静压过程中和炉子经受的温度和压力下不与空气反应或受其负面影响。因而，本发明的范围决不限于特定的材料。当在热等静压期间使用空气作为压力介质时任何适于炉子的材料都预期在本发明的范围内。

下面将借助示例性实施例对本发明更多目标和优势进行论述。

附图说明

下面将参照附图对本发明的示例性实施例进行描述，其中：

图1是适于用在本发明实施例中的热等静压装置的示意图；

图2是适于用在本发明实施例中的另一热等静压装置的示意图；以及

图3是适于用在本发明实施例中的又一热等静压装置的示意图。

具体实施方式

下面是对与本发明相符的示例性实施例的描述。该描述用于进一步阐明本发明的一般原理并且不被理解为限制性观念。还必须注意到的是附图是示意性的并且所述实施例的压制装置包括许多为便于描述而未在附图中示出的部件和元件。

首先参照图1和2，用于金属制品热等静压的高压压力机在此示出。该压力机包括压力容器1，压力容器1具有热密封压力容器1的内部并减少热量损失的绝热箱2。压力容器1是可以打开的，尽管这一点图中未示出，这样能够取出压力容器1的内容物。而且，可为压力容器1的壁提供容器壁水冷却沟槽(未示出)以保护容器壁不受有害热量的影响。

箱2的内部形成炉腔3，其在压力机运行期间与压力容器的周围环境密封开来。炉腔3的一部分用以接收和保持要被压制的金属制品7，该部分在下面称为负载室4。在负载室中，通常设置保持机构8以保持和支撑要被压制的金属制品7。尽管表示为一个负载室，但根据压力机和要被压制金属制品以及压力机的结构，负载室4也可分成多个保持金属制品7的分室。图1和2示出一个这样的例子，其中负载室4由保持机构8限定并分成四个分开的部分，这四个部分被保持机构8的格栅或穿孔架子9分开，该格栅或穿孔架子使得热压力介质能够围绕由架子9保持的金属制品7流动。当然，实心架子9也可用于保持金属制品7。

炉腔3还包括具有加热元件用以升高炉腔3温度并因而升高负载室4温度的炉子5。在图1和2的示意图中，炉子5配置在炉腔3的侧边，也即，邻近并围绕负载室4。尽管这一点可适合于一些实施例，但其它结构也预期在本发明的范围内。例如，炉子的加热元件还可以或可替代地设置在炉腔3的底部，也即，在负载室下面。

炉子5的加热元件适于由在炉子材料所经受的特殊压力和温度下不受空气负面影响的材料制造，尤其是不受当使用空气作为压力介质时形成在压力容器内的含氧环境的负面影响。如上所述，根据被压制金属制品的应用和材料，所述压力和温度在不同压制过程之间可显著不同。因而，如本领域技术人员可理解的，可使用多种不同的材料，只要使用的材料在热等静压过程中能够抵抗空气、尤其是其中的氧气的有害影响。例如，可使用市场上通常可用的抗氧加热元件，例如本领域中熟知的陶瓷加热元件。

为了在已经密封容器后将压力介质供应到压力容器1中，配置管道6以将压力介质输送到压力容器1，并且当压制周期已经完成后将压力介质从容器1中释放出。该管道设置有在输送和释放压力介质时打开管道6、在压制过程中关闭管道6的阀(未示出)。当然，压力容器可设置有多个输送和释放压力介质的管道。例如，可有一个或多个与输送压力介质的管道分开的释放压力介质的管道。而且，多个分开可控的管道可用于精确地控制和改变压力介质流入和流出压力容器的流量，尤其用于可变地控制压力介质从压力容器中的释放。

而且，图1所示装置包括将作为压力介质的空气供送到压力容器1中的压缩机10。该压缩机10包括与管道6连接的出口11和将空气供应到压缩机的入口12。在图1所示的实施例中，压缩机入口12配置用于从压制装置的周围环境中接收周围空气。因而，不为压力介质提供另外的存储设备。

在图2中，压制装置还包括压力介质存储设备20，对于当前的实施例其采用空气罐的形式，这是由于压力介质是空气。依据这些实施例，空气在一定压力下储存在所述罐20中，从而可以减少将压力介质供应到压力容器并且将其压力增加到期望的压力水平的时间。空气罐优选包括设置用于将空气供送到罐20中并增加罐中空气压力的压缩机21。如本领域技术人员能够容易理解的，可使用单个压缩机用以将空气供送到存储罐20中，以及用以将压力介质供送到压力容器中，从而替代图2所示的这两个压缩机10，21。然后，适当提供用以控制这样一种单个压缩机的供送方向的装置。

而且，当使用空气存储罐20用以将空气供应至压力容器时，可减少对罐20和压力容器1之间的压缩机10的需要。因而，图2所示供送装置10可以是压缩机，但也可以是另一类型的将空气以期望的压力水平从存储设备20传输到压力容器1中的供送或控制装置。换句话说，如果存储罐20的空气压力超过要经由管道6传输到压力容器的空气压力，那么存储罐20可与管道6基本直接连接。因而，存储罐20的出口可与压力容器1的管道6基本直接连接。

而且，供应到存储罐的空气可以是周围空气，直接取自压制装置或压力机位于其中的制造工厂的周围环境。替代地，空气可供自外部来源，例如经由罐车或管道。尤其当需要以液态形式储存空气时，正如下面所谈到的。

这样，在本发明的一些实施例中，压力介质存储设备20可采用低温存储罐的形式。那么，所收集的空气已经冷却到已经实现从气态到液态的转变的温度和压力。因而，空气以液态形式储存在存储罐20中。当低温罐用作所述压力介质存储设备20时，那么优选使用低温泵作为将空气传输到压力容器1中的所述供送装置10。

现在转向图3，本发明另外的示例性实施例在此示出。依照这些实施例，提供除湿器30用以对压力介质进行除湿，也即，去除或至少减少用作压力介质的空气的水含量。

在所示例子中，除湿器30的入口32与压缩机10的出口连接，除湿器30的出口32与压力容器管道6连接。该图示的例子还包括与压缩机10连接的存储罐20。然而，除湿器的使用不限于存储罐的存在。

而且，与上述实施例相似，其中该存储罐20与压力容器1直接连接，除湿器30可配置在压缩机21和存储罐20(未示出)之间。因而，要储存的空气的水含量在将空气供送到存储罐20之前减少，这样减少了由空气罐内水的存在而引起的有害影响。

此外，对于其中使用两个供送装置或压缩机10，21的实施例，也即，与关于图2的描述相似，可使用两个除湿器(未示出)。于是，一个除湿器可设置在用以将空气供送到存储罐20之中的压缩机21之后，而一个在用以将所存储的空气供送到压力容器1中的压缩机10之后，正如在空气供送方向上所看到的。

然而，应当注意到的是所描述的包括除湿器的实施例仅是示例性的并不被理解为限制性观念。因而，本发明的范围决不限于在空气作为压力介质使用之前对空气进行除湿。

现在将要描述与本发明示例性实施例一致的压制操作。首先，打开压力容器1以致可以进入其炉腔3和负载室4。这一点可以本技术领域已知的多种不同方式实现并且无需为理解本发明的原理而对其进行更多的描述。

然后，将要被压制的金属制品7定位在负载室4的保持机构8中并且压力容器1是关闭的。

在目前描述的使用下述温度和压力的实施例中，金属制品由铝或铝合金制成。但是，如上所述，适于使用空气的热等静压的其它材料也预期在本发明的范围内，例如镁及其合金。

当已将金属制品7置于压力容器1的负载室4中时，将采用空气形式的压力介质经由管道6供送到压力容器1中，例如使用压缩机10、增压存储罐20、低温泵、或类似的设备。将空气供送进入压力容器1持续进行，直到在压力容器1内获得期望的空气压力。

在将空气供送到压力容器1时，启动炉子的加热元件并且升高负载室4内的温度。适宜的是，空气的供送持续进行并且增加压力直到已经获得低于压制过程所期望的压力的压力水平以及处在低于期望的压制温度的温度下。然后，密封管道6并且使用炉子的加热元件升高炉腔3中的温度，从而使得压力上升达到期望的压制压力。

与当前所述的使用空气作为铝或铝合金热等静压的压力介质的实施例一致，所期望的压力在300-600bar的范围内，而期望的温度在400-600℃的范围内。

在温度和压力得到维持的选定时期之后，也即，在实际的压制时期之后，通过管道6的打开释放压力容器的压力。在压制周期内使用的空气于是能够被简单地排放到压力容器的周围环境中，或者，尤其是当使用以气态形式储存空气的存储罐时，空气能够被供送回存储罐20，该存储罐使用适当的供送装置，例如压缩机10。如果在压制周期内使用的空气再循环进入空气存储设备，那么可减小对空气供送装置性能和容量的要求，并且可因此使用较小的压缩机。

在完成热等静压周期之后，将金属制品7从压力机1中移出并冷却。依照所述的实施例，压力容器1打开从而使得整个保持机构8能够与压力容器1分开。这样，保持机构8也可保持由此在热等静压周期的冷却阶段经受压制处理的金属制品。

尽管本说明书和附图披露了实施例和示例，包括组件、材料、温度范围、压力范围等的选择，但本发明不限于这些特定示例。在不脱离如后附权利要求所限定的本发明范围的情况下，可有多种修正和变化。

Claims (11)

1.一种在压力机中对制品进行热等静压的方法，所述压力机包括绝热的压力容器(1)、封装在所述压力容器(1)中的炉腔(3)和配置在所述炉腔(3)内部的负载室(4)，所述方法包括以下步骤：

将要被压制的制品(7)定位在负载室(4)内，所述制品由金属制成；

将压力介质供送到压力容器(1)内，所述压力介质是空气；

升高负载室(4)中的温度和压力；

在选定的时期内维持升高的压力和升高的温度；以及

降低负载室(4)中的温度和压力。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述空气是周围空气。

3.如权利要求1或2所述的方法，还包括以下步骤：

在气体存储设备(20)中储存加压的周围空气；以及

将所述加压的空气从气体存储设备(20)供送到压力容器(1)中作为所述压力介质。

4.如权利要求1或2所述的方法，还包括以下步骤：

在低温存储设备(20)中以液态形式储存空气；以及

将所述储存的空气从低温存储设备(20)供送到压力容器中作为所述压力介质。

5.如前述任一权利要求所述的方法，还包括以下步骤：

对要被用作所述压力介质的空气进行除湿。

6.如前述任一权利要求所述的方法，其中，在所述升高负载室中压力的步骤中，将所述压力升高到200-1000bar，优选升高到300-600bar。

7.如前述任一权利要求所述的方法，其中在所述升高负载室中温度的步骤中，将所述温度升高到400-600℃。

8.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述金属从铝和铝合金的组中选择。

9.在对由金属制成的制品进行的热等静压中作为压力介质的空气的用途。

10.如权利要求10所述的用途，其中所述空气是周围空气。

11.如权利要求9或10所述的用途，其中所述金属从铝和铝合金的组中选择。

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