CN102369073B

CN102369073B - 形成混合部件的方法、该部件接合另一部件的方法及接头

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Publication number: CN102369073B
Application number: CN201080015408.6A
Authority: CN
Inventors: 乔纳森·迈尔; 丹尼尔·琼斯
Original assignee: Airbus Operations Ltd
Current assignee: Airbus Operations Ltd
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-03-29
Also published as: US9085030B2; JP2012522890A; JP5844729B2; EP2414118A1; WO2010112904A1; US20120099923A1; CN102369073A; GB0905731D0

Abstract

一种形成包括至少两个金属部分的混合部件的方法，该方法包括：通过在第一金属部分的界面连接面上形成至少一个肉眼可见的界面连接特征部来制备该第一金属部分；将所述第一部分定位在模具中；将金属粉末引入所述模具中并且围绕所述界面连接特征部；以及通过热等静压(HIP)工艺使所述金属粉末固结以形成第二金属部分，该第二金属部分封装所述界面连接特征部以提供所述部件的所述第一部分和所述第二部分之间的机械连接。而且，本发明还涉及如此形成的混合部件。所述金属部分可以具有实质上不同的材料性质。

Description

形成混合部件的方法、该部件接合另一部件的方法及接头

技术领域

本发明涉及一种形成混合部件的方法，该混合部件包括至少两个金属部分，所述至少两个金属部分优选地具有基本上不同的材料性质。本发明还涉及一种如此形成的混合部件。

背景技术

当前以多种方式实现金属部件之间的接合，每种方式均具有其自身的局限性。

使用紧固件是普通的但是导致由于需要螺栓连接凸缘而增加部件的重量。被钻出以能够进行螺栓连接的孔也会造成应力集中，这些孔会充当裂纹发生部位。同样地，被紧固的接头也不太适合许多航天应用。

接合不同的金属材料的常见方法是通过焊接或铜焊。然而，这些工艺具有其自身的局限性。仅能对某些材料和材料组合执行焊接，并且焊接工艺会引入局部热影响区，局部热影响区可能是脆弱的并且可能不利地影响疲劳性能。

金属部分之间的粘合结合是可能的。然而，它们在剥离和张力上的弱点使得它们在其用于传统航天结构内的适用性受限。粘合剂也趋向于对湿度和高温敏感，使得它们不适合于许多应用。

WO2008/110835A1描述了一种方法，通过该方法借助附加的制造工艺在金属部件的结合表面上以一系列层“生成”表面突起。一对具有互补的表面突起的金属部件可以被放在一起并且利用一薄层粘合剂接合。这些互补的突起提高了接合部的表面积。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种形成包括至少两个金属部分的混合部件的方法，该方法包括：通过在第一金属部分的界面连接面上形成至少一个肉眼可见的界面连接特征部来制备该第一金属部分；将所述第一部分定位在模具中；将金属粉末引入所述模具中并且围绕所述界面连接特征部；以及通过热等静压（HIP）工艺使所述金属粉末固结以形成第二金属部分，该第二金属部分包封所述界面连接特征部以提供所述部件的所述第一部分和所述第二部分之间的机械连接。

本发明的另一方面提供一种包括至少两个金属部分的混合部件，其中，所述第一金属部分具有形成在该部分的界面连接面上的至少一个肉眼可见的界面连接特征部，并且所述第二金属部分已通过借助热等静压工艺使金属粉末围绕所述界面连接特征部固结而形成，以提供所述部件的所述第一部分和所述第二部分之间的机械连接。

本发明有利之处在于，混合部件可以由至少两个金属部分形成。这样，所述第一金属部分和所述第二金属部分可以由为不同目的而最优化的材料形成。例如，可以使所述第一部分的材料最优化以用于接合到复合材料，而所述第二金属部分可以由相对不太昂贵的材料形成。所述HIP工艺通常在超过大约100MPa的高压下进行。由于所用的高压，因此即使当所述界面连接特征部具有复杂形状时，围绕所述界面连接特征部使所述金属粉末固结也能产生几乎没有孔隙或缺陷的十分致密的混合部件。在与诸如铸造或金属注射成型之类的其它成形工艺相比时，这特别有益，所述其它成形工艺会围绕所述界面连接特征部产生一些局部缺陷并且由于这些工艺而会在部件中存在一些内在孔隙。事实上，其中第二部分已经通过铸造形成的混合部件常常在制造之后经受HIP工艺从而闭合由铸造工艺引起的气孔。因此。本发明的形成混合部件的方法有利的是，所述部件能以较少的步骤形成。

所述界面连接特征部是肉眼可见的。也就是说，它们通常具有至少1mm的尺寸。它们不仅仅是纯粹的表面粗糙度而是形成所述第一部分和所述第二部分之间的积极的机械连接。优选地，所述界面连接特征部具有至少5mm的尺寸。

在所述界面连接面上可以以一系列层生成所述界面连接特征部，通过将能量和/或材料导向所述界面连接面使每一层生长。可以采用的适当的附加的制造技术是粉末床工艺（powder bed process）或粉末供给工艺。另选地，所述界面连接特征部可以通过机械加工形成。所述界面连接特征部可以是从所述界面连接面伸出的突起的阵列。另选地，所述界面连接特征部可以是具有多个分枝的树状突起。然而更进一步，所述界面连接特征部可以是所述界面连接面中的一系列凹部或凹槽或者它们的阵列。

具有所述界面连接特征部的所述第一部分可以被固定在所述模具中，并且所述金属粉末可以作为易流动材料被引入以充填所述模具并且包围所述界面连接特征部。

所述混合部件可以是托架部件，该托架部件包括托架主体（所述第二部分）和界面连接带（所述第一部分）。

当围绕所述第一部分的所述界面连接特征部形成所述第二部分时，为了使所述第一部分的所述界面连接特征部保持它们的完整性，所述第一部分的材料的熔点优选地比所述第二部分的材料高。所述第一部分的材料的杨氏模数、耐蚀性或者韧性中的至少一个可以比所述第二部分的材料高。

优选地，所述第一部分具有第二界面连接面，并且形成从所述第二界面连接面伸出的用于嵌入另一个部件的突起的阵列。在形成所述第二部分之前或之后，可以在所述第二界面连接面上形成所述突起。所述其它部件可以是复合部件，并且优选地是层压复合部件。所述第一界面连接面和所述第二界面连接面可以位于所述第一部分的相对两面上，使得所述第一部分用作所述混合部件的界面连接带。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的实施方式，其中：

图1示出了第一实施方式的混合托架部件的剖视图，该混合托架部件包括托架主体和界面连接带；

图2示出了第一实施方式的界面连接带的剖视图；

图3示出了在热等静压模具中形成第一实施方式的混合托架部件的剖视图；

图4示出了第二实施方式的混合托架部件的剖视图，该混合托架部件包括托架主体和界面连接带；

图5示出了第二实施方式的界面连接带的剖视图；

图6示出了接合到复合部件的第二实施方式的混合托架部件的剖视图；

图7示出了第三实施方式的混合托架部件的剖视图，该混合托架部件包括托架主体和界面连接带；以及

图8示出了第四实施方式的混合托架部件的剖视图，该混合托架部件包括托架主体和界面连接带。

具体实施方式

图1所示的混合托架部件1包括第一金属部分和第二金属部分。该第二金属部分形成托架部件1的主体2，并且该第一金属部分形成界面连接带3。

现在将详细地描述形成图1所示的混合托架部件1的方法。首先，如图2所示，在矩形板6的界面连接面5上形成肉眼可见的界面连接特征部4的三维阵列以形成界面连接带3。界面连接特征部4是突起的阵列，每个突起均具有尖端7和悬突部8。

如图3所示，具有界面连接特征部4的界面连接带3被结合到两部分式热等静压模具9内，其中界面连接特征部4面对模具。模具9具有接纳界面连接带3的边缘11的凹部10。在界面连接带3就位的情况下，模具9限定一内部容积，该内部容积大致与托架部件1的主体2的形状对应。

将金属粉末经由口12、13引入模具9以填充所述内部容积。金属粉末包围界面连接带3的界面连接特征部4。然后使模具9中的组件在将使金属粉末固结成实心的、十分致密的部分（主体2）的温度和压力下经受热等静压（HIP）。这在两个金属部分2、3之间产生机械连接以形成混合托架部件1。然后从HIP模具9除去混合托架1。

界面连接带3由诸如Ti6A14V的钛制成。主体2由铝制成。混合托架1是功能梯度部件，其具有横跨该部件的功能梯度材料。混合托架1有利地在于，其暴露面14中的一个具有改良的耐蚀性和韧性，同时托架1总体保持了轻便和相对较廉价，这是因为它主要由铝制成。

重要的是，界面连接带3的材料的熔点比主体2的材料的熔点高，使得界面连接带，特别是其界面连接特征部4保持它们的结构完整性，这是因为主体2以HIP工艺形成。

对于本领域技术人员来说显而易见的是，两个金属部件的材料可以改变以提供适于不同应用的功能梯度混合部分。此外，混合部件可以包括多于两个的金属部分，每个附加金属部分均在单独的HIP模具中形成。第一金属部分的材料的杨氏模数、耐蚀性或韧性中的至少一个可以比第二金属部分的材料高。

作为通过HIP工艺形成附加金属部分的替代方案，可以另选地采用金属注射成型、铸造或其它适当的工艺。

通过附加的制造工艺在界面连接面5上以一系列层顺序地生成界面连接特征部4，这些附加制造工艺是诸如WO2008/110835A1（参见8-11栏）中所述的粉末床工艺或者粉末供给工艺。在粉末床工艺中，使金属粉末床横跨支撑构件辗压，并且激光头扫描过粉末床，以将激光导向粉末床的所选择的部分。在使熔化的粉末凝固的间歇之后，使另一层粉末辗压过先前的层以准备烧结。从而当该过程继续进行时，构造成由松散的粉末部分支撑的烧结部分。在已完成该部分之后，从支撑构件去除该部分，并且去除松散的粉末。粉末床工艺能用来形成包括板6和界面连接特征部4的完整的金属界面连接带3。

粉末供给系统能用来在先前制造的板6上连续地堆积起界面连接特征部4。粉末供给系统能使界面连接特征部串联地或并联地生长，然而粉末床系统仅能使界面连接特征部并联地生长。在粉末供给系统中，未烧结的粉末流过通道而进入激光束的焦点内。当粉末被沉积时，使它熔化以形成熔珠，该熔珠变得与现有材料固结在一起。粉末仅被引向界面连接面5的所选择的部分，并且当输送粉末时其被熔融。WO2008/110835A1中所述的粉末床或粉末供给系统的激光源能由诸如用于指引电子束的电子束源的另一个能量束源代替。

另选地，能通过使用诸如电子束的能量束来产生界面连接特征部4，以便利用WO2004/028731A1中所述的工艺从板6的界面连接面5“轻拂（flick-up）”表面材料以雕刻出特征部4。

界面连接特征部4也可以通过机械加工形成。

图4示出了混合托架部件21的第二实施方式。混合托架21包括第一金属部分和第二金属部分。第二金属部分形成托架部件21的主体22，并且第一金属部分形成界面连接带23。

除了以下不同之处外，混合托架21类似于混合托架1，该不同之处是，除了矩形板26的第一界面连接面25上的肉眼可见的界面连接特征部24的阵列之外，界面连接带23还包括位于与第一界面连接面25相对的第二界面连接面36上的突起35的阵列。

形成图4所示的混合托架部件21的方法类似于关于第一实施方式的以上描述的方法，具有在第二界面连接面36上形成突起35的阵列的附加步骤。界面连接特征部24是突起的阵列，每个突起均具有尖端27和悬突部28。突起35与突起24相反地取向并且每个突起35也具有尖端37和悬突部38。

通过WO2008/110835A1中所述的附加的制造工艺中的一个工艺在界面连接面25、36上以一系列层顺序地生成界面连接特征部24和突起35。另选地，它们可以通过WO2004/028731A1中所述的工艺或者通过机械加工而形成。基于用来形成两组突起24、35的方法，在已在其中一个界面连接面上形成第一组突起之后，可能必需翻转板26，从而可以在另一个界面连接面上形成另一组突起。

以类似于关于第一实施方式的以上描述的方式形成主体22，以便通过围绕界面连接面24以HIP工艺使金属粉末固结来形成混合托架部件21。

作为上述方法的替代方案，可以通过采取混合托架部件1并且借助上述突起形成方法中的任何一个方法在暴露面14上形成突起35的阵列来形成第二实施方式的混合托架部件21。

通过将托架部件21的突起35的阵列嵌入复合部件中，然后共同固化所述部件可以形成混合穿透加强（HYPER）接头。WO2008/110835A1（参见.7和8栏）中详细地描述了HYPER接头的形成。

托架部件21被结合到模具中，其中突起35面向外，并且将复合叠层铺设在模具上。该复合叠层包括用未固化的环氧树脂预浸渍的一系列单轴碳纤维层。每层传统上被称为“预浸料坯”。最初的预浸料坯由突起35穿透。在已形成叠层之后，其通过所谓的“真空袋压”工艺被固化和固结。也就是说，叠层由真空膜（并且任选地各个其它层，诸如通气层或外层）覆盖；真空膜被抽空以施加固结压力并且抽取水分和挥发物；并且叠层（任选地在高压釜中）被加热以固化环氧树脂基体。当环氧树脂基体在固化之前熔化时，它流动而与突起35密切接触。突起与基体机械地接合，同时还增大了结合部的表面积。图6示出了所形成的HYPER接头，其中托架部件21在被从模具去除后被接合到复合部件40。然后可将接合的部件与各种其它部件组装在一起。

作为上述形成HYPER接头的方法的替代方案，当干燥纤维层时可以将所述多个层铺设在模具上，随后将树脂注入模具并且固化以形成复合部件40。

可以使突起的轮廓最优化为用于嵌入复合部件中。每个突起均可以具有锥形尖、截头圆锥形基座以及倒截头圆锥形悬突部。悬突部可具有底切边缘，该底切边缘是倾斜的并且面向第二界面连接面。锥形尖和倒截头圆锥形悬突部一起形成每个突起的“头部”。

在上述实施方式中，界面连接特征部是突起的阵列，每个突起均具有尖端和悬突部。然而，应当理解界面连接特征部可以采取多种不同的形式。

图7示出了混合托架部件101的第三实施方式，该混合托架部件101包括主体102和界面连接带103。界面连接带具有单个界面连接特征部104，该界面连接特征部104形成在界面连接带的界面连接面105上并且具有树状结构。图8示出了混合托架部件201的第四实施方式，该混合托架部件201包括主体202和界面连接待203。界面连接带具有在其界面连接面205中形成为一系列凹槽的界面连接特征部204的阵列。

图7和图8所示的实施方式的界面连接特征部104/204例如可以通过前述的附加的制造工艺、表面雕刻工艺或机械加工工艺中的一个工艺形成。托架部件101/201的主体102/202可以通过利用前述的HIP工艺使金属粉末围绕界面连接特征部104/204固结而形成。如前所述可以使用用于界面连接带和主体的类似材料。混合托架部件101/201可以通过利用参照上面的第二实施方式描述的方法形成HYPER接头而接合到复合部件。

虽然以上已经参照一个或多个优选实施方式描述了本发明，但是应当理解，在没有脱离如所附的权利要求所限定的发明的范围的情况下，可以进行各种改变或修改。

Claims

1.一种形成包括至少两个金属部分的混合部件的方法，该方法包括：通过在第一金属部分的界面连接面上形成至少一个肉眼可见的界面连接特征部来制备该第一金属部分；将所述第一部分定位在模具中；将金属粉末引入所述模具中并且围绕所述界面连接特征部；以及通过热等静压（HIP）工艺使所述金属粉末固结以形成第二金属部分，该第二金属部分包封所述界面连接特征部以提供所述部件的所述第一部分和所述第二部分之间的机械连接，其中，所述界面连接特征部包括悬突部。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述界面连接面上以一系列层生成所述界面连接特征部，通过将能量和/或材料导向所述界面连接面而使每一层生长。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过机械加工形成所述界面连接特征部。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述界面连接特征部是从所述界面连接面伸出的突起的阵列。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述界面连接特征部是具有多个分枝的树状突起。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一部分的材料的熔点比所述第二部分的材料的熔点高。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一部分的材料的杨氏模数、耐蚀性或韧性比所述第二部分的材料高。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二部分通过所述HIP固结而制造得十分致密。

9.一种将根据权利要求1所述的方法形成的混合部件接合到另一个部件的方法，该方法包括：形成从所述混合部件的所述第一部分的第二界面连接面伸出的突起的阵列；并且将所述突起嵌入所述另一个部件。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在形成所述第二部分之前或之后，在所述第一部分的所述第二界面连接面上形成所述突起。

11.一种混合部件和另一个部件之间的接头，其中，所述混合部件由根据权利要求1所述的方法获得，所述混合部件包括至少两个金属部分，所述至少两个金属部分包括第一金属部分和第二金属部分，所述第一金属部分具有至少一个形成在该部分的界面连接面上的肉眼可见的界面连接特征部，所述第二金属部分包封所述界面连接特征部以提供所述部件的所述第一部分和所述第二部分之间的机械连接，并且其中所述混合部件的所述第一部分还包括从其第二界面连接面伸出的突起的阵列，所述突起的阵列被嵌入所述另一个部件。

12.根据权利要求11所述的接头，其中，所述另一个部件是复合部件。

13.根据权利要求11所述的接头，其中，所述另一个部件是层压部件。

14.根据权利要求11所述的接头，其中，所述界面连接面位于所述第一部分的相对两面上。