CN101992296B - 用于具有可调容积和角部的热等静压容器的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于具有可调容积和角部的热等静压容器的装置和方法。提供了一种用于使用热等静压来形成坯料的改进的容器(201，301)和方法。该方法和容器(201，301)允许调节容器(201，301)的容积，以便基于容器(201，301)的选定的粉末装料来获得具有期望的形状的坯料。另外，可调节容器(201，301)的角部，以便允许消除边缘效应且允许对所产生的坯料的进一步的形状控制。
Description
技术领域
本文公开的主题涉及用于使用热等静压来形成坯料的改进的容器和方法，且更具体而言，涉及具有允许调节容器的角部形状和容积以便获得具有期望的形状和大小的坯料的特征的方法和容器。
背景技术
冶金技术已经发展到用于由通过(例如)微铸造或原子化按照预定的颗粒大小制成的金属粉末来制造金属坯料或其它物品。通常与Ni、Cr、Co和Fe高度合金化的这些粉末结合成接近100％理论密度的致密块体。所产生的坯料具有均匀的成分和致密的微结构，从而使得能够制造具有改进的刚度、强度、抗断裂性和热膨胀系数的构件。这样的改进的属性在制造例如涡轮的旋转式构件(其中存在高温和/或高应力条件)时可为特别有价值的。
这些金属粉末结合成致密块体在称为热等静压(HIP)的过程中典型地发生在高压和高温下。典型地，将粉末放入已经密封且其容纳物处于真空下的容器(有时称为“罐”)中。该容器还经受升高的温度，且使用惰性气体(诸如例如氩)在外部对该容器加压，以避免化学反应。例如，可应用高达480℃至1315℃的温度和从51MPa至310MPa或者甚至更高的压力来处理金属粉末。通过对包围粉末的容器加压，选定的流体介质(例如惰性气体)在所有侧且沿所有的方向对粉末施加压力。
HIP处理所需的设备通常是非常昂贵的，且需要特殊的构造。由于极端的温度和压力，当粉末的体积在HIP过程期间减少时，容器显著地变形或被压坏，且容器被连结到由紧密的粉末产生的坯料的表面上。取决于所产生的坯料的期望形状，可将容器的表面的全部或一部分切掉(即，通过在HIP过程之后进行机械加工)。另外，取决于期望的形状和在HIP过程期间发生的变形的性质，也可切掉坯料的部分。假定用来制造坯料的粉末典型地非常昂贵，则去除坯料的部分就是不合需要的。
图1和2提供了在HIP过程中使用传统容器所遇到的问题的示例性图示。图1提供了在经受HIP过程的极端温度和压力之前的容器101的一部分的示意图。容器101包围预期进行压制的粉末混合物105，且提供密封以防止用来加压的流体(例如氩)在HIP过程期间进入。在加压之前，顶部100和底部135之间的壁110基本是直的以及/或者没有变形。顶部100和底部135在HIP过程之间也没有变形。
图2示出了在经受HIP过程之后的容器101的同一部分。HIP过程的条件现在已经将粉末转化成金属坯料106。但是，从粉末到固体金属的密度变化还导致了容积的非常惊人的变化。当容积减小时，随着从粉末105变成坯料106，容器101也变形。图2示出了壁110现在已经呈现弓形形状，且顶部100和底部135也可经历变形。因此，坯料106也具有有时称为沙漏形的类似的形状。
不幸的是，取决于坯料106的期望形状(或者将由坯料106构成的最终构件的形状)，图2所示的变形可为不合需要的，因为坯料106的所产生的形状可能需要从其表面上去除贵重的材料。例如，假设沿着坯料106的壁110需要圆柱形外表面，则可能需要沿着线130切割(即机械加工)容器101和坯料106，以便获得期望的外表面。除了失去容器101的全部或部分之外，容器101的角部107不提供对坯料106的相应的边缘的形状控制。与外壁110的弓形变形相联系，沿着容器101的顶部和底部将在部分115处失去大量的坯料106。因为原来的粉末的相当高的成本，所以这个损失是不合需要的。另外，虽然与粉末成本相比较不重要，但是由于机械加工过程还损失了容器101的部分。在某些应用中，可能合乎需要的是将容器101的材料保持在所产生的坯料上，以便包括在最终的工件上。在这种情况下，将避免去除容器来使坯料成形。
另外，不可针对不同的粉末装料来调节容器101的大小。更具体而言，一旦容器101已经制造好，可装入容器101的内部中的粉末的量就是固定的，这继而提供了固定的坯料大小。再次，从坯料106中去除材料来使坯料106减小到期望大小是不合需要的。制造多个容器来单独地处理不同的粉末装料所需的不同的预期容积也是不合需要的。
因此，在容器的角部处提供形状控制且提供与HIP处理有关的粉末损失的降低或消除的改进的装置和方法将是有用的。还对HIP处理提供容积可调的容器的改进的装置和方法也将是有用的。
发明内容
本发明提供了一种用于使用热等静压来形成坯料的改进的装置和方法，且更具体而言提供了一种具有允许调节容器的角部形状和容积以便获得期望的形状和大小的坯料的特征的方法和容器。将在以下描述中对本发明的目标和优点进行部分地阐述，或者根据描述，本发明的目标和优点可为显而易见的，或者可通过实践本发明来学习本发明的目标和优点。
在一个示例性实施例中，本发明提供了一种用于将粉末压制加工成坯料的容器。该容器包括限定沿着容器延伸的轴向方向的外壁。外壁限定容器的内部。提供了包括连接到缘边上的凸起部的容器顶部。缘边在凸起部的周边周围延伸。容器顶部定位成以便与外壁且与延伸到容器的内部中的缘边进行匹配接收。容器顶部的缘边构造成以便沿着外壁滑动，从而使得内部的容器可选择性地调节。缘边限定与轴向方向成角α的倒角。倒角的厚度沿着朝向凸起部的方向增大。容器还包括由外壁接收的容器底部。
在另一个示例性实施例中，本发明提供了一种用于将粉末压制加工成坯料的容器。该容器包括限定沿着容器延伸的轴向方向的外壁。外壁限定容器的内部。提供了容器顶部和容器底部。容器顶部和容器底部各自包括连接到缘边上的凸起部。缘边在容器底部和容器顶部两者的凸起部的周边周围延伸。容器顶部和容器底部各自定位成以便由外壁与容器顶部和容器底部中的各个的缘边进行匹配接收。因此，容器顶部和容器底部各自延伸到容器的内部中。容器顶部和容器底部的缘边构造成以便沿着外壁滑动，从而使得内部的容积可选择性地调节。容器顶部和容器底部的缘边各自限定与轴向方向成角α的倒角，使得各个倒角的厚度沿朝向凸起部的方向增大。
在本发明的又一个示例性方面，提供了一种用于改进材料在热等静压期间的使用的方法。该方法包括提供用于接收预期进行压制的粉末的容器的步骤。该容器包括限定沿着容器延伸的轴向方向的外壁。外壁限定容器的内部。提供了包括连接到缘边上的凸起部的容器顶部。缘边在凸起部的周边周围延伸。容器顶部定位成以便由外壁与延伸到容器的内部中的缘边进行匹配接收。容器顶部的缘边构造成以便沿着外壁滑动，从而使得内部的容积可选择性地调节。缘边限定与轴向方向成角α的倒角。倒角的厚度沿朝向凸起部的方向增大。容器底部由外壁接收。该方法还包括选择容器顶部相对于外壁的位置，以便提供对预期进行热等静压的选定量的材料的接收。为角α确定非零值，从而使得在粉末的热等静压之后，所产生的坯料将沿着容器顶部具有预定形状。
参照以下描述和所附的权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和特点将得到更好的理解。结合在此说明书中且构成此说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，且附图与描述一起用来阐明本发明的原理。
附图说明
针对本领域普通技术人员，本发明的示例性实施例的完整和能够实施的公开在说明书中所有阐述，说明书对附图进行了参照，在附图中：
图1是沿着经受HIP过程之前的容器的一侧的示意性截面。
图2是沿着经历了HIP过程的压力和温度之后的图1的容器的一侧的示意性截面。
图3提供了本发明的一个示例性实施例的截面图。虚线示出了通过容器顶部和底部的滑动进行的对容器的容积的调节。
图4提供了本发明的一个示例性实施例的截面图。虚线示出了通过容器顶部和底部的滑动进行的对容器的容积的调节。半径线还表明了容器顶部和底部的内表面特征。
部件列表
100顶部
101容器
105粉末混合物
106坯料
107角部
110壁
115部分
130线
135底部
200(容器)顶部
201容器
207角部
209焊缝
210外壁
211焊缝
235(容器)底部
240凸起部
245缘边
250凸起部
255缘边
265角部
270内部
300(容器)顶部
301容器
308内表面
309焊缝
311焊缝
335底部
345缘边
350凸起部
A轴向方向
R曲率
具体实施方式
为了提供本文所描述的有利改进，本发明提供了一种用于使用热等静压来形成坯料的改进的容器和方法，且更具体而言提供了一种具有允许调节容器的角部形状和容积以便获得期望的形状和大小的坯料的特征的改进的容器和方法。为了描述本发明，现在将对本发明的实施例详细地进行参照，实施例的一个或多个实例在图中示出。作为本发明的解释而非本发明的限制，提供了各个实例。实际上，将对本领域技术人员显而易见的是，可在不偏离本发明的范围或精神的情况下在本发明中作出各种修改和变化。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，意在本发明覆盖在所附的权利要求书及其等效物的范围内的这样的修改和变化。
在图3中显示了根据本发明的容器201的示例性实施例的截面。容器201包括限定沿着容器201的长度延伸的轴向方向A的外壁210。为了限定角α，轴向方向A是任意选择的，如将在下面描述的那样。另外，容器201被示为形状为圆柱形。但是，使用本文公开的教导，本领域技术人员将理解，本发明也可应用于各种其它形状的容器。
容器201包括容器顶部200和容器底部235。容器顶部200包括在其周边周围连接到缘边245上的凸起部240。凸起部240和缘边245优选整体地制造成一个零件，以形成容器顶部200，但是也可使用其它构造。
容器顶部200构造成使得其可以以匹配或互补的方式接收到外壁210中的大小和形状。例如，容器顶部200在形状上是圆形的，以与外壁210的圆柱形形状相配，但是顶部200比外壁210具有略微更小的直径。因此，顶部200的缘边245安装在外壁210内，延伸到容器201的内部270中。外壁210和缘边245的容差允许缘边245沿着轴向方向A滑动。因此，容器顶部200的位置可容易地调节成使得可选择性地确定由容器201的内部270保持的粉末的量。
以非常类似于容器顶部200的方式构造容器底部235。具体而言，容器底部235包括在凸起部250周围的缘边255。缘边255也接收到容器201的内部270中，且构造成以便沿着轴向方向A滑动。因而，容器底部235也可用来调节容器201的内部的容积。
因此，容器顶部200和底部235允许有对将要装入容器201的内部270中的粉末的量的可调性。在一个示例性使用方面，且取决于所产生的坯料的期望形状和容积，容器底部235沿着轴向方向A定位。用焊缝209永久地固定最终位置。然后以期望容积将粉末装入容器201中。然后将容器顶部200插入外壁210中，且基于装入容器201中的粉末的量来使容器顶部200滑动到期望位置上。然后使用焊缝211永久地固定容器顶部200的最终位置。
图3的示例性实施例示出了具有可调的容器顶部200和可调的容器底部235两者的容器201。备选地，容器201可构造成使得顶部200或底部235中的一个可沿轴向移动，以允许调节内部270的容积。除了如之前所表明的那样对容器201使用备选形状之外，也可应用容器201的不同的大小和比例。
各个缘边245和255限定与轴向方向A成角α的倒角。更具体而言，各个缘边245和255的截面的厚度沿着朝向它们相应的凸起部240和250的方向增大。厚度的增长率由角α确定，角α典型地在约1度至约10度的范围中。基于容器201的预期变形和HIP过程所产生的坯料的期望形状来选择角α。例如约1度至约10度的角α可消除在使用传统容器(例如图1和图2中显示的容器)时产生的不希望的边缘效应。
对于某些坯料来说，可能期望在容器顶部200和容器底部235附近进行进一步的形状控制。例如，容器201包含角部207和265，角部207和265可在HIP过程之后在坯料中导致不希望有的边缘。现在转到图4，容器301包含类似于容器201的特征，同样的参考标号表示相同的或类似的特征。但是，沿着容器顶部300的内表面308，在表面308连结缘边345和凸起部340处的一部分上增加曲率半径R。对容器底部335使用类似的曲率半径R。这个曲率半径允许沿着容器301的角部(例如图3所示的角部207和265)对所产生的坯料进行另外的形状控制。优选地，容器301原来构造有期望的曲率半径R。但是，如果在容器顶部或容器底部中提供了足够的厚度，则也可在原来的构造之后通过(例如)机械加工容器的角部来增加曲率半径R。
虽然已经相对于本主题的具体的示例性实施例和方法来对本主题进行了详细描述，但是将理解，在获得了前述的理解之后，本领域技术人员可容易地产生这种实施例的备选方案、变化和等效物。因此，本公开的范围作为实例而非作为限制，且本主题公开不排除包括如将对本领域普通技术人员容易地显而易见的、对本主题的这种修改、变化和/或增加。
Claims (8)
1.一种用于将粉末压制加工成坯料的容器(201，301)，所述容器(201，301)包括：
限定沿着所述容器(201，301)延伸的轴向方向(A)的外壁(210，310)，所述外壁(210，310)限定所述容器(201，301)的内部(270，370)；
包括连接到缘边(245，255，345，355)上的凸起部(240，250，340，350)的容器顶部(200，300)，所述缘边(245，255，345，355)在所述凸起部(240，250，340，350)的周边周围延伸，所述容器顶部(200，300)定位成以便由所述外壁(21O，31O)与延伸到所述容器(201，301)的内部(270，370)中的所述缘边(245，255，345，355)进行匹配接收，所述容器顶部(200，300)的所述缘边(245，255，345，355)构造成以便沿着所述外壁(21O，310)滑动，从而使得所述内部(270，370)的容积可选择性地调节，所述缘边(245，255，345，355)限定与所述轴向方向(A)成角α的倒角，所述倒角的厚度沿朝向所述凸起部(240，250，340，350)的方向增大；以及
由所述外壁(210，310)接收的容器底部(235，335)，
其中，所述角α在1度至10度的范围中。
2.根据权利要求1所述的用于将粉末压制加工成坯料的容器(301)，其特征在于，所述容器顶部(300)限定内表面(308)，所述内表面(308)具有由连结所述容器顶部(300)的缘边(345，355)和凸起部(340，350)的所述内表面(308)的一部分上的曲率半径(R)限定的轮廓。
3.根据权利要求1所述的用于将粉末压制加工成坯料的容器(201，301)，其特征在于，所述容器(201，301)进一步包括连结所述容器顶部(200，300)和所述外壁(210，310)以便固定所述容器(201，301)的内部(270，370)的容积的焊缝(209，211，309，311)。
4.根据权利要求1所述的用于将粉末压制加工成坯料的容器(201，301)，其特征在于，所述外壁(210，310)在形状上基本为圆柱形。
5.一种用于改进材料在热等静压期间的使用的方法，所述方法包括以下步骤：
提供用于接收预期进行压制的粉末的容器(201，301)，所述容器(201，301)包括：
限定沿着所述容器(201，301)延伸的轴向方向(A)的外壁(210，310)，所述外壁(210，310)限定所述容器(201，301)的内部(270，370)；
包括连接到缘边(245，255，345，355)上的凸起部(240，250，340，350)的容器顶部(200，300)，所述缘边(245，255，345，355)在所述凸起部(240，250，340，350)的周边周围延伸，
所述容器顶部(200，300)定位成以便由所述外壁(210，310)与延伸到所述容器(201，301)的内部(270，370)中的所述缘边(245，255，345，355)进行匹配接收，
所述容器顶部(200，300)的所述缘边(245，255，345，355)构造成以便沿着所述外壁(210，310)滑动，从而使得所述内部(270，370)的容积可选择性地调节，
所述缘边(245，255，345，355)限定与所述轴向方向(A)成角α的倒角，所述倒角的厚度沿朝向所述凸起部(240，250，340，350)的方向增大；以及
由所述外壁(210，310)接收的容器底部(235，335)；
选择所述容器顶部(200，300)相对于所述外壁(210，31O)的位置，以便提供对预期进行热等静压的选定量的材料的接收；以及
为角α确定非零值，从而使得在粉末的热等静压之后，所产生的坯料将沿着所述容器顶部(200，300)具有预定形状，
其中，所述角α在1度至10度的范围中。
6.根据权利要求5所述的用于改进材料在热等静压期间的使用的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
使所述容器(201，301)经受热等静压；
使所述容器(201，301)的所述外壁(210，310)和容器顶部(200，300)变形，从而使得所产生的坯料沿着所述容器顶部(200，300)呈现预定形状。
7.根据权利要求6所述的用于改进材料在热等静压期间的使用的方法，其特征在于，所述所产生的坯料沿着所述坯料的至少一部分具有基本圆柱形的形状。
8.根据权利要求6所述的用于改进材料在热等静压期间的使用的方法，其特征在于，所述容器顶部(300)限定内表面(308)，所述方法进一步包括在连结所述容器(301)的缘边(345，355)和凸起部(340，350)的一部分处沿着所述内表面(308)提供曲率半径(R)的步骤。
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