CN101992298B - 用于热等静压容器的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于热等静压容器的装置和方法，具体而言，提供了一种用于使用热等静压形成坯件(206，306)的改进的方法和容器(201，301)。该改进的方法和容器(201，301)具有特征，该特征在此类工艺过程中经历的高的温度和压力期间控制容器(201，301)的变形，以提供坯件(206，306)，该坯件(206，306)具有预定的形状，例如，基本上平行的、凸的和/或凹的侧面(216)。可实现用于坯件(206，306)的粉末(305)的保存和在得到的坯件(206，306)上容器(201，301)的更有效的使用。
Description
技术领域
本文公开的主题涉及用于使用热等静压形成坯件的一种改进的方法和容器，并且更具体地，涉及具有如下特征的一种方法和容器，该特征控制在此类工艺过程中经历的高的温度和压力期间容器的变形，以便为坯件提供具有预定的形状或位置的侧面。
背景技术
冶金技术已经得到发展，用于由通过例如微铸造或雾化以预定的微粒尺寸产生的金属粉末来制造金属坯件或其它物体。通常与镍、铬、钴和铁高度形成合金的这些粉末被结合成一体形成接近百分之一百理论密度的致密块。得到的坯件具有均匀的成分和致密的微观结构，其为具有改进的刚度、强度、断裂阻力和热膨胀系数的部件的制造做好了准备。此类改进的属性在例如用于存在高的温度和/或高的压力条件的涡轮机的旋转部件的制造中会是特别有价值的。
这些金属粉末结合成一体形成致密块典型地在被称为热等静压(HIP)的工艺过程中在高的压力和温度下发生。典型地，粉末被放入容器(有时被称为“罐”)，该容器已被密封且其内含物放置在真空下。该容器也经受升高的温度，并且使用惰性气体例如氩在外部上施压以避免化学反应。例如，可应用高达480℃到1315℃的温度和从51MPa到310MPa或甚至更高的压力来加工金属粉末。通过对装入粉末的容器增压，选定的流体介质(例如，惰性气体)在所有侧面并在所有方向上向粉末施加压力。
HIP处理所需的设备典型地非常昂贵，并且需要特殊结构。由于极端的温度和压力，随着HIP工艺过程期间粉末的体积减小，容器会极大地变形或压扁，并且容器变得接合到由压紧的粉末产生的坯件的表面上。根据对于得到的坯件的期望形状，在HIP工艺过程后可切除(即通过机加工)容器的所有或部分表面。另外，也可根据期望的形状和在HIP工艺过程期间发生的变形的性质切除坯件的部分。考虑到用来制造坯件的粉末典型地非常昂贵，不期望去除坯件的部分。需要允许在压缩期间控制形状，同时优化从坯件去除材料的工艺过程。
图1和2提供了在HIP工艺过程中使用传统容器所面对的问题的示范性图示。图1提供了在经受HIP工艺过程的极端温度和压力之前的容器101的一部分的示意性图示。容器101装入计划用于压缩的粉末混合物105，并且提供密封件来防止在HIP工艺过程期间用于增压的流体例如氩的进入。在增压之前，顶部100和底部135之间的壁110是基本上直的和/或无变形的。顶部100和底部135在HIP工艺过程之前也是未变形的。
图2图解了在经受HIP工艺过程之后容器101的相同部分。HIP工艺过程的条件现在已将粉末转变成金属坯件106。然而，从粉末到固体金属的密度上的变化也已导致了相当显著的体积上的变化。由于体积减小，容器101也随着从粉末105到坯件106的变化而变形。图2图解了壁110现已呈现弓形形状，并且顶部100和底部135也会遭受变形。因此，坯件106也具有有时被称为沙漏形状的相似形状。
不幸的是，取决于对于坯件106的期望形状(或由坯件106建造的最终部件的形状)，图2中显示的变形可能是非期望的，因为对于坯件106得到的形状可能要求从其表面去除有价值的材料。例如，假设需要沿着坯件106的壁110的圆柱形外表面，则容器101和坯件106可能需要沿着线130切割(即机加工)以获得期望的外表面。然而，除容器101的破坏之外，将在沿着容器101的顶部和底部的部分115处损失大量的坯件106。由于原始粉末的相当高的成本，此损失是非期望的。另外，尽管不如粉末成本那么显著，但容器101的部分也由于机加工过程而损失。在特定的应用中，可能期望在得到的坯件上保留容器101的材料以包括在最终工件上。在此类情况下，要避免去除容器来成形坯件。
因此，一种改进的方法和装置将是有用的，其提供减少或消除与HIP处理相关的粉末损失。一种改进的方法和装置也将是有用的，其还提供具有预定的形状例如基本上平行、凸的或凹的侧面的坯件。最后，一种改进的方法和装置也将是有用的，其还能够允许在坯件上保留容器的全部或期望的部分，以包括在预期的工件中。
发明内容
本发明提供用于使用热等静压形成坯件的一种改进的方法和容器，并且更具体地，涉及一种具有如下特征的方法和容器，该特征控制在此类工艺过程中经历的高的温度和压力期间的容器的变形，以便提供具有预定的形状例如基本上平行、凸的或凹的侧面的坯件。本发明的另外的方面和优点将在下文的描述中部分地阐明，或可由该描述而显而易见，或可通过本发明的实践而获悉。
在一个示范性实施例中，提供了用于粉末成为坯件的压缩工艺过程的一种容器。该容器限定了轴向方向并且包括容器顶部、容器底部和外部壁。外部壁位于容器顶部和底部之间，并且连接容器顶部和底部以限定用于接收粉末的内部。外部壁具有顶部部分和底部部分。外部壁的顶部部分和底部部分成角度地远离容器的内部以形成远离轴向方向的非零的角度α。角度α选择成以便在压缩工艺过程之后顶部部分和底部部分将位于预定位置处，从而为坯件提供选定的形状。
在本发明的另一示范性方面中，提供了用于在热等静压期间优化材料的使用的一种方法。此示范性方法包括提供用于接收计划用来压缩的粉末的容器的步骤。该容器限定轴向方向，并且包括顶部、底部和连接顶部和底部以限定容器的内部的外部壁。外部壁包括顶部部分和底部部分。外部壁的顶部部分和底部部分定位成远离容器的内部，以便形成远离轴向方向的非零的角度α。此示范性方法包括确定对于角度α的非零的值，使得在热等静压期间，容器的顶部部分和底部部分将变形至相对于容器的轴向方向的预定位置。
本发明的另一示范性实施例提供了用于粉末成为坯件的压缩工艺过程的一种容器。该容器限定轴向方向并具有中部。容器包括容器顶部、容器底部和位于两者之间并连接容器顶部和容器底部以限定用于接收粉末的内部的外部壁。外部壁具有顶部部分和底部部分，且这些部分的每一个均具有锥度，由此各部分的厚度沿着轴向方向并朝向容器的中部减少。
在本发明的又另一示范性实施例中，提供了用于在热等静压期间优化材料的使用的一种方法。该方法包括提供用于接收计划用于压缩的粉末的容器的步骤。该容器限定轴向方向，并且包括顶部、底部和连接顶部和底部以限定容器的内部的外部壁，且容器具有中部。外部壁包括顶部部分和底部部分。沿着这些部分的每一个部分形成锥度，由此各部分的厚度以沿着轴向方向并朝向容器的中部的方式减少。各锥度限定外部壁的内表面和外表面之间的角度α。该方法包括确定对于角度α的非零的值，使得在热等静压之后，容器的顶部部分和底部部分将变形至相对于容器的轴向方向的预定位置。
参考下文的描述和所附的权利要求，本发明的这些和其它特性、方面和优点将变得更好理解。结合在此说明书中并构成此说明书的一部分的附图图解了本发明的实施例，并且和描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在说明书中阐明了针对本领域中的技术人员的本发明的示范性实施例的完全和使能的公开，其引用了附图，在其中：
图1是沿着经历HIP工艺过程之前的容器的一侧的示意性横截面。
图2是沿着经历HIP工艺过程的压力和温度之后的容器的一侧的示意性横截面。
图3、4和5是根据本发明的容器的示范性实施例的示意性横截面视图。仅在各图中描绘了容器的一侧。假想线图解了压缩工艺过程之后的容器。
图6是根据本发明的容器的示范性实施例的示意性横截面视图。仅描绘了容器的一侧。
图7是容器已经受HIP工艺过程之后的图6的示范性实施例的示意性横截面视图。
部件清单：
100 顶部
101 容器
105 粉末(混合物)
106 坯件
110 壁
115 部分
130 线
135 底部
200 顶部(部分)
201 容器
202 内部
206 坯件
210 外部壁
215 顶部部分，壁，部分
216 直的侧面，平行的侧面
220 中间部分
225 底部部分
235 容器底部
300 容器顶部，顶部部分，顶部，部分
301 容器
305 粉末
306 坯件
310 外部壁，外侧壁
315 (顶部)部分
325 (底部)部分
330 线
335 容器底部，底部部分，底部，部分
340 外表面
345 内表面
具体实施方式
为提供如本文所述的有利的改进，本发明提供用于使用热等静压形成坯件的一种改进的方法和容器，并且控制在此类工艺过程中经历的高的温度和压力期间容器的变形，以便提供具有预定或选定形状的坯件。出于描述本发明的目的，现将对发明的实施例做出详细参考，其一个或更多的示例在图中图解。各示例作为本发明的解释而非本发明的限制来提供。实际上，对那些本领域中的技术人员来说显而易见的是，可在本发明中做出的不同的修改和变化而不脱离发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的部分来图解或描述的特征能够与另一实施例一起使用来产生又另一个实施例。因此，本发明意在覆盖在所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变化。
图3、4和5图解了根据本发明建造的容器201的示范性实施例。在各图中，以横截面图解了容器201的一侧。容器201被建造成以便在来自HIP工艺过程的压缩期间发生的变形将产生坯件206，该坯件206具有基本上直的侧面216，其也为圆柱形状的坯件206提供了基本上平行的边216。变形过程之后的容器201的形状由在图3、4和5中的假想线图解。
容器201包括在容器顶部200和容器底部235之间延伸以限定内部202的外部壁210。容器201的桶状形状限定了轴向方向A，该轴向方向A在本文用于限定将被描述的角度α。内部202容纳粉末，粉末将在HIP工艺过程期间压缩成为具有基本上平行的侧面和/或基本上圆柱形形状的坯件206。
对此示范性实施例，容器201的外部壁210被分为三部分，包括顶部部分215、底部部分225以及位于顶部部分215和底部部分225之间的中间部分220。中间部分220由基本上平行于轴向方向A的外部壁210的一部分来限定。尽管未在图中显示，但中间部分220可包括例如稍微弓形的形状以帮助控制HIP工艺过程期间的变形。
如在图3、4和5中所示，顶部部分215和底部部分225各自对轴向方向A以非零的角度α定位。用于角度α的值选择成以便在压缩工艺过程期间外部壁210的变形将产生具有基本上平行的侧面216的容器201，这又将给坯件206提供平行的侧面。更具体地，随着HIP工艺过程期间容器201中的粉末的体积减小，壁210将被向内朝着容器201的内部202推动。通过选择适当的角度α，顶部部分215和底部部分225通过该角度α在HIP工艺过程之前向外成角度，在HIP工艺过程期间的变形将导致部分215和225朝着容器201的内部移动，使得在HIP过程之后，角度α将大约为零，以给予坯件206基本上平行的侧面或圆柱形形状。如果期望的话，现在容器201可以被机加工或从坯件206切除。备选地，由于现在容器201保持坯件206的基本上一致的形状，可能期望的是保留容器201在位置上以在预期的工件或最终产品上使用。
可选择不同的角度α与容器201一起使用。出于图示的目的，图3提供了3度的角度α，图4提供了6度的角度α，并且图5提供了10度的角度α。用于任何特定的应用的角度α的值将取决于例如预期的压缩量、粉末的属性、容器201的几何形状，以及用于容器201的建造的材料和厚度。对各应用，角度α的值确定成以便在HIP工艺过程之后，顶部部分215和底部部分225将变形至预定位置。例如，顶部部分215和底部部分225可远离容器201的内部202定位，使得在压缩之后，容器201的外部壁210基本上平行。在此类情况下，在特定的实施例中角度α典型地在0和大约10度之间的范围中。在又其它实施例中，角度α在大约1度到大约10度的范围中。然而，也可为顶部部分215和底部部分225选择其它预定位置，以提供带有预定的或选定的形状的得到的坯件206。作为示例，角度α可选择成以便在变形之后，顶部部分215和/或底部部分225提供凹的、凸的或根据需要另外成形的外部壁210。
图6和7图解了根据本发明建造的容器301的另外的示范性实施例。在各图中，以横截面图解容器301的一侧。图6描画了在HIP工艺过程之前的容器301而图7图解了在HIP工艺过程之后的容器301。与图3-5的实施例一样，容器301建造成以便在来自HIP工艺过程的压缩期间发生的变形导致具有沿着容器301的内表面345的基本上直的侧面的坯件306，其也为圆柱形地成形的坯件306提供基本上平行的边。
容器301包括外部壁310，该外部壁310在容器顶部300和容器底部335之间延伸以限定用于粉末305的内部，该粉末305将在HIP工艺过程期间压缩成具有基本上平行的侧面和/或基本上圆柱形形状的坯件306。对此示范性实施例，容器301的外部壁310被分为包括顶部部分315和底部部分325的两部分。
如在图6中所示，外部壁310的各部分315和325包括外表面340和内表面345。在变形之前，外表面340为基本上平坦的，且平行于容器301的轴向方向A，使得容器301沿着外表面340具有基本上圆柱形的形状。然而，在变形之前，内表面345相对于轴向方向A成非零的角度α。更具体地，外部壁310的各部分315和325是锥形的，因为内表面345相对于轴向方向A或外表面340成非零的角度α。各部分300和355的锥度被构造成使得在从顶部300或底部335中的任一个沿朝着容器301的中部的方向移动时外部壁310在厚度上减少。
如在图7中图解，角度α的值选择成以便在压缩工艺过程之后，外部壁310的变形将导致具有基本上平行于轴向方向A的内表面345的容器301。更具体地，通过为顶部部分315和底部部分325的锥度选择适当的角度α，在HIP工艺过程期间的变形将导致部分315和325朝向容器301的内部移动，使得在HIP工艺过程之后，坯件306将具有基本上平行的侧面或圆柱形形状以及沿着线330的基本上直的轮廓。如果期望的话，现在容器301可以沿着线330机加工或从坯件306的表面去除且来自坯件306的材料没有损失或损失最小。与图2的切割线130比较，材料上的节省会是显著的。
可选择不同的角度α以与容器301一起使用。出于图示的目的，图6提供了大约3度的角度α。然而，用于任何特定应用的角度α的值将取决于例如预期的压缩量、粉末的属性、容器301的几何形状以及用于建造容器301的材料和厚度。对于各应用，角度α的值确定成以便在HIP工艺过程之后，顶部部分315和底部部分325将变形至预定位置。在特定实施例中，角度α在0和大约10度之间的范围中。在又其它实施例中，角度α在大约1度至大约10度的范围中。另外，对顶部部分315和底部部分325也可选择其它预定位置，以便为得到的坯件306提供预定或选定的形状。作为示例，角度α可选择成以便在变形之后，顶部部分315和/或底部部分325提供外部壁310，该外部壁310为凹的、凸的或根据需要另外成形。
尽管已关于特定的示范性实施例及其方法详细地描述了本主题，但将领会的是，本领域技术人员在获得对上述的理解之后可轻易做出对此类实施例的备选、变更和等价物。因此，本公开的范围作为示例而非限制，并且，如同对本领域中的技术人员将轻易显而易见的是，该主题公开不排除包括本主题的此类修改、变更和/或添加。
Claims (10)
1.一种用于粉末形成坯件的压缩工艺过程的容器(201)，所述容器(201)限定轴向方向(A)，所述容器(201)包括：
容器顶部(200)；
容器底部(235)；和
外部壁(210)，其位于所述容器顶部(200)和所述容器底部(235)之间并连接所述容器顶部(200)和所述容器底部(235)，以限定用于接收所述粉末的内部(202)，所述外部壁(210)具有顶部部分(215)和底部部分(225)，所述外部壁(210)的所述顶部部分(215)和底部部分(225)成角度地远离所述容器(201)的所述内部(202)，以形成离所述轴向方向(A)的非零的角度(α)，其中所述角度(α)选择成以便在压缩工艺过程之后，所述顶部部分(215)和底部部分(225)将位于预定位置处，从而为所述坯件提供选定的形状。
2.如权利要求1所述的用于粉末形成坯件的压缩工艺过程的容器(201)，其特征在于，所述角度(α)在1度至10度的范围中。
3.如权利要求1所述的用于粉末形成坯件的压缩工艺过程的容器(201)，其特征在于，所述角度(α)选择成以便在压缩工艺过程之后，所述坯件具有沿着所述容器(201)的所述外部壁(210)基本上平行的、基本上凸的，或基本上凹的侧面(216)。
4.一种用于在热等静压期间优化材料的使用的方法，所述方法包括如下步骤：
提供用于接收计划用于压缩的粉末的容器(201)，所述容器(201)限定轴向方向(A)并包括顶部(200)、底部(235)和连接所述顶部(200)与所述底部(235)以限定所述容器(201)的内部(202)的外部壁(210)，所述外部壁(210)包括顶部部分(215)和底部部分(225)；
远离所述容器(201)的所述内部(202)定位所述外部壁(210)的所述顶部部分(215)和底部部分(225)，以便形成离所述轴向方向(A)的非零的角度(α)；以及
确定用于角度(α)的非零的值，使得在热等静压之后，所述容器(201)的所述顶部部分(215)和所述底部部分(225)将变形至相对于所述容器(201)的所述轴向方向(A)的预定位置。
5.如权利要求4所述的用于在热等静压期间优化材料的使用的方法，所述方法包括如下步骤：
使所述容器(201)遭受热等静压；
使所述容器(201)的所述外部壁(210)变形，以便所述顶部部分(215)和所述底部部分(225)基本上与所述容器(201)的所述轴向方向(A)平行。
6.如权利要求4所述的用于在热等静压期间优化材料的使用的方法，其特征在于，所述角度(α)在1度至10度的范围中。
7.一种用于粉末形成坯件的压缩工艺过程的容器(301)，所述容器(301)限定轴向方向(A)并具有中部，所述容器(301)包括：
容器顶部(300)；
容器底部(335)；以及
外部壁(310)，其位于所述容器顶部(300)和所述容器底部(335)之间并连接所述容器顶部(300)和所述容器底部(335)以限定用于接收粉末的内部，所述外部壁(310)具有顶部部分(315)和底部部分(325)，各所述部分(315，325)具有锥度，由此各所述部分(315，325)的厚度沿着所述轴向方向(A)并朝向所述容器(301)的所述中部减少。
8.如权利要求7所述的用于粉末形成坯件的压缩工艺过程的容器(301)，其特征在于，所述壁(310)还包括沿着各所述部分(315，325)的内表面(345)和外表面(340)，其中，所述内表面(345)和所述外表面(340)在所述内表面(345)和所述外表面(340)之间形成角度(α)，所述角度(α)在1度至10度的范围中。
9.一种用于在热等静压期间优化材料的使用的方法，所述方法包括如下步骤：
提供用于接收计划用于压缩的粉末的容器(301)，所述容器(301)限定轴向方向(A)并包括顶部(300)、底部(335)以及连接所述顶部(300)和所述底部(335)以限定所述容器(301)的内部的外部壁(310)，所述容器(301)具有中部，所述外部壁(310)包括顶部部分(315)和底部部分(325)；
沿着各所述部分(315，325)形成锥度，由此各所述部分(315，325)的厚度以沿着所述轴向方向(A)并朝向所述容器(301)的所述中部的方式减少，各所述锥度在所述外部壁(310)的内表面(345)和外表面(340)之间限定角度(α)；
确定用于角度(α)的非零的值，使得在热等静压之后，所述容器(301)的所述顶部部分(315)和所述底部部分(325)将变形至相对于所述容器(301)的所述轴向方向(A)的预定位置。
10.如权利要求9所述的用于在热等静压期间优化材料的使用的方法，所述方法包括如下步骤：
使所述容器(301)遭受热等静压；
使所述容器(301)的所述外部壁(310)变形，以便所述顶部部分(315)和所述底部部分(325)基本上平行于所述容器(301)的所述轴向方向(A)。
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