CN103958096B - 热等静压罐的端板、热等静压罐和热等静压方法 - Google Patents

热等静压罐的端板、热等静压罐和热等静压方法 Download PDF

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Abstract

热等静压罐的端板包括中心区域和主区域，所述主区域从所述中心区域径向延伸并且在围绕所述端板周边的拐角处终止。所述端板沿所述主区域从所述中心区域到所述拐角的厚度增加，从而确定一个锥角。所述拐角包括内表面，所述内表面包括圆角部分，所述主区域通过所述圆角部分平滑地过渡到唇缘。还公开了一种包括所述端板中的至少一者的热等静压罐，以及一种使用所述热等静压罐热等静压冶金粉末的方法。

Description

热等静压罐的端板、热等静压罐和热等静压方法
技术领域
本公开总体上涉及热等静压。本公开的某些方面涉及热等静压罐和热等静压方法。
发明背景
常常通过简写“HIPping”提到的热等静压是一种用于制造大粉末冶金物件(包括但不限于大圆筒)的制造工艺。热等静压常规地用于锻造将金属和金属合金粉末固结成粉末罐锻造坯，所述锻造坯可以是圆筒形的或具有其他坯体形状。热等静压工艺提高材料的机械性质和后续锻造和其他加工的可使用性。
典型HIP工艺包括将粉末状金属和/或粉末状金属合金(“冶金粉末”)装载到柔性膜或密封罐中，所述柔性膜或密封罐充当粉末与周围加压介质之间的压力屏障。加压介质可以是液体或更通常是惰性气体，诸如氩气。在使用罐的HIP工艺中，将装有粉末的罐放置于压力腔室中并且加热到使罐内部的冶金粉末形成冶金结合的温度。加压腔室并且保持在高压和高温下。罐变形，并且罐内的冶金粉末被压缩。等静压力的使用确保在整个冶金粉末主体中的均一压实压力，这在固结的坯块中产生均匀的密度分布。
热等静压罐可以具有圆筒形状或适合于从放置于罐中的冶金粉末形成所要压实形状的任何其他所要形状。图1A中以罐100示意性示出的一种常规热等静压罐设计包括圆筒形钢壁和平面或阶梯状端板。图1B是热等静压罐100的一部分穿过中心轴线的截面的示意性图示。热等静压罐100包括主体部分102和平面端板104，所述平面端板通过焊珠106紧固到主体部分102的每一端上。填充杆108穿过端板104紧固并且被配置成允许罐100用冶金粉末填充并且允许从罐100抽出空气。一旦罐100用冶金粉末填充并且从罐100抽出空气，就将罐100密封。可以通过卷曲填充杆108或通过其他手段使罐100的内部与外部环境隔绝来实现密封。主体部分102、端板104和填充杆108典型地由软钢或不锈钢制成。
常规热等静压罐设计具有若干缺点。举例来说，常规圆筒形热等静压罐在组装后内部难以清洁。另外，可能不能用冶金粉末完全填充常规热等静压罐的内部，这是由于粉末在通过填充杆进入罐中之后水平移动困难。某些热等静压罐设计包括多个填充杆以改进罐填充并且提高除气效率。然而，包括额外的填充杆增加了成本，在HIP期间提供额外的可能罐失效点，并且典型地对增加真空除气效率仅具有小的影响。在HIP固结期间由局部高度扭曲造成的极端应力下焊接从而将填充杆穿过端板紧固(并且将端板紧固到罐上)和包括多个填充杆以解决粉末填充问题使得HIP固结期间焊接失败的风险增加。另外，包括多个填充杆的常规罐设计在热等静压期间必须进行反转以保证所有杆用冶金粉末填充并且防止杆在固结期间崩溃，并且这一程序增加员工的危险并且为部件损坏创造机会。
因此，需要改进的热等静压罐设计。这种设计优选地解决了与常规罐设计有关的粉末填充问题，但无需在罐上包括额外的填充杆。
发明概要
本公开的一个非限制性方面是针对一种热等静压罐的端板。端板包括中心区域和主区域，所述主区域从中心区域径向延伸并且在围绕端板周边的拐角处终止。拐角包括被配置成与罐的主体部分配合的周边唇缘。端板从中心区域到拐角的厚度增加并且确定一个锥角。拐角的内表面包括圆角部分，主区域通过所述圆角部分平滑地过渡到唇缘。
本公开的另一个非限制性方面是针对一种用于热等静压粉末状材料的罐。热等静压罐包括圆筒形主体部分，所述圆筒形主体部分包括环形第一端和环形第二端。第一端板焊接到主体部分的环形第一端。第二端板焊接到主体部分的环形第二端。第一端板包括中心区域和主区域，所述主区域从中心区域径向延伸并且在围绕第一端板周边的拐角处终止。拐角包括被配置成与罐的主体部分的环形第一端配合的周边唇缘。第一端板从中心区域到拐角的厚度增加并且确定一个锥角。拐角的内表面包括圆角部分，主区域通过所述圆角部分平滑地过渡到唇缘。第一端板进一步包括穿过其的填充杆，粉末可以通过所述填充杆引入到热等静压罐的内部体积中。
本公开的另一个非限制性方面是针对一种用于热等静压粉末状材料的方法。所述方法包括提供热等静压罐，所述热等静压罐包括圆筒形主体部分，所述圆筒形主体部分包括环形第一端和环形第二端。第一端板焊接到主体部分的环形第一端。第二端板焊接到主体部分的环形第二端。第一端板包括中心区域和主区域，所述主区域从中心区域径向延伸并且在围绕第一端板周边的拐角处终止。拐角包括被配置成与罐的主体部分的环形第一端配合的周边唇缘。第一端板从中心区域到拐角的厚度增加并且确定一个锥角。拐角的内表面包括圆角部分，主区域通过所述圆角部分平滑地过渡到唇缘。第一端板进一步包括穿过其的填充杆，粉末可以通过所述填充杆引入到热等静压罐的内部体积中。至少一种冶金粉末通过填充杆引入到热等静压罐的内部体积中。通过填充杆从热等静压罐的内部体积抽出空气。将填充杆卷曲以使内部体积相对于外部气氛气密密封，并且对热等静压罐进行热等静压。
本公开的另一个非限制性方面是针对一种通过热等静压冶金粉末而形成的坯体。热等静压坯体包括至少一个在热等静压期间形成的基本上平面的端面。基本上平面的端面降低或消除了在热等静压之后机械加工坯体端面的需要。在一个非限制性实施方案中，坯体包括镍基超合金。
附图简述
参考随附图式可以更好地理解本文所描述的方法和制品的特征和优势，其中∶
图1A是包括平面端板的常规圆筒形热等静压罐的示意性图示；
图1B是图1A的常规圆筒形热等静压罐的一个区域的截面的示意性图示，其中所述截面是沿纵轴并且穿过端板的一部分和罐的主体部分取得；
图2是包括拱形端板的热等静压罐的一个区域的截面的示意性图示；
图3是在热等静压期间冶金粉末填充的包括常规平面端板的热等静压罐的一个区域中所产生的应力的图示；
图4A是根据本公开的热等静压罐的锥形端板的一个非限制性实施方案的截面的示意性图示；
图4B是图4A中所示的锥形端板的拐角区域的详细图示；
图5是在热等静压期间根据本公开的热等静压罐的锥形端板的一个实施方案的一个区域中所产生的应力的图示；
图6是根据本公开的热等静压罐的一个非限制性实施方案的截面的示意性图示；
图7是根据本公开的热等静压方法的一个非限制性实施方案的步骤的流程图；
图8是根据本公开通过热等静压冶金粉末而形成的包括基本上平面的端面的罐状坯体的一个非限制性实施方案的截面的示意性图示；
图9A是根据本公开的热等静压罐的环形AISI T-304不锈钢端板的一个非限制性实施方案的截面的详细示意性图示；
图9B是图9A上由虚线圆圈涵盖的部分的放大视图；
图10A是根据本公开用于固结RR1000镍基超合金粉末的HIP工艺的一个非限制性实施方案的温度-时间曲线；
图10B是根据本公开用于固结RR1000镍基超合金粉末的HIP工艺的一个非限制性实施方案的压力-时间曲线；并且
图11是根据本公开的一个非限制性实施方案的热等静压罐的照片。
读者在考虑以下对根据本公开的某些非限制性实施方案的详细描述后将理解前述细节以及其他内容。
发明详述
应了解，已简化对本文所公开的实施方案的某些描述，以仅说明与清楚理解所公开的实施方案有关的那些元件、特征和方面，而出于清楚的目的去除其他元件、特征和方面。在考虑对所公开的实施方案的本描述之后，本领域技术人员将认识到在所公开的实施方案的特定实现方式或应用中其他元件和/或特征可以是合乎需要的。然而，因为这类其他元件和/或特征可以由本领域技术人员在考虑对所公开的实施方案的本描述之后容易地确定和实现，并且因此不是完全理解所公开的实施方案所必需的，所以本文不提供对这类元件和/或特征的描述。因此，应了解，本文所阐述的描述仅仅是示例性的并且说明所公开的实施方案，并且不旨在限制如仅仅由权利要求书界定的本发明的范围。
在非限制性实施方案的本描述中，除了在操作实施例中或在以其他方式提明的情况下，所有表示量或特征的数字均应理解为在所有情况下由术语“约”修饰。因此，除非指明为相反的，否则以下描述中所阐述的任何数值参数均是近似值，其可以视在根据本公开的主题中设法获得的所要性质而变化。至少但并非企图限制等效于权利要求书的范围的原则的应用，本文所提供的每一数值参数将至少是根据所报导的有效数字并且通过应用普通四舍五入技术来理解。
另外，本文所叙述的任何数值范围旨在包括其中所包括的所有子范围。举例来说，范围“1到10”旨在包括所叙述的最小值1与所叙述的最大值10之间的所有子范围(并且包括所叙述的最小值1和所叙述的最大值10)，也就是说，最小值等于或大于1并且最大值等于或小于10。本文所叙述的任何最大数值限制旨在包括其中所包括的所有较低的数值限制并且本文所叙述的任何最小数值限制旨在包括其中所包括的所有较高数值限制。因此，申请人保留修正本公开(包括权利要求书)的权利，以明确叙述本文所明确叙述的范围内的任何子范围。所有这类范围均旨在固有地公开于本文中，使得用以明确叙述任何这类子范围的修正将符合35U.S.C.§112第一段和35U.S.C.§132(a)的要求。
除非另有陈述，否则如本文所用的语法冠词“一个”“一种”和“所述”旨在包括“至少一个”或“一个或多个”。因此，本文使用所述冠词来指所述冠词的语法对象中的一者或多于一者(即指至少一者)。举例来说，“一个部件”意指一个或多个部件，并且因此可能涵盖超过一个部件并且在所描述的实施方案的一种实现方式中采用或使用超过一个组件。
本公开包括对各种实施方案的描述。应了解，本文所描述的所有实施方案是示例性、说明性而非限制性的。因此，本发明不受各种示例性、说明性而非限制性的实施方案的描述限制。相反地，本发明仅仅由权利要求书界定，所述权利要求书可以进行修正以叙述明确或固有地描述于本公开中或以其他方式明确地或固有地由本公开支持的任何特征。
如上文所论述，常规热等静压罐设计具有若干缺点。除在热等静压工艺期间与常规罐设计有关的困难之外，使用常规热等静压罐形成的坯体可能存在缺点。举例来说，归因于通过热等静压制备的某些镍基超合金坯体的应变速率敏感性开裂，可能难以成功地锻造所述坯体。本发明人观测到在锻造期间坯体开裂在所形成的坯体上邻近热等静压罐中端板过渡到罐的主体部分的区域的尖角处开始。提供拱形或圆顶形端板可以降低这种开裂现象的发生率。图2是穿过包括圆顶形端板112的示例性热等静压罐110所取得的截面的示意性图示。本发明人判定因为圆顶形端板的高强度，所以圆顶在热等静压期间不变平，这阻止固结坯块的端面形成平面表面并且在固结坯体上产生凸面端面。热等静压之后，后续加工步骤(诸如锻造)要求坯体具有平面端面。因此，凸面端面必须机械加工成平面的。这导致高材料损失，这对于较不昂贵的钢合金的热等静压可能是可容忍的，但在镍基超合金和其他高度昂贵的合金情况下可能代价很高。另外，归因于所需坯料端板材料的量和相关机械加工成本，圆顶形端板的制造是昂贵的。
在热等静压工艺期间，通过施加高温和等静压力使冶金粉末固结并且致密化到全密度。在固结期间热等静压罐崩溃。尽管罐上的应变在热等静压期间通常是均一的，但罐的某些区域(诸如拐角)处于较大应力下并且高度局部化应变。如果例如热等静压罐的内部体积在端板过渡到罐的主体部分的拐角区域中未完全用冶金粉末填充，那么所述区域中的局部化应变的程度可能是严重的并且可能引起焊接失败和作为结果而发生的冶金粉末的不完全致密化。
图3是所计算的冶金粉末填充的包括常规平顶端板的圆筒形热等静压罐的一个区域在热等静压期间所经历的应力水平(以帕为单位)的图示。图3显示平面端板中端板与罐的主体部分的环形末端配合处的拐角区域经历高应力水平和高度局部化应变。所述图进一步显示在热等静压期间，在罐中拐角区域所经历的高应力转移到所形成的坯体的拐角中的区域中。固结坯体的拐角在热等静压期间所经受的应力可以产生在镦锻锻造或其他固结后加工期间破裂的坯体。
本公开的一个方面是针对一种热等静压罐端板设计，所述热等静压罐端板设计可以在热等静压期间在罐变形时使热等静压罐的拐角区域的应力集中降低。图4A是穿过根据本公开的一个非限制性实施方案的环形端板210的中心的截面的示意性图示。端板210包括外面212和内面214。内面214形成紧固有端板210的热等静压罐的内表面的一个区域。外面214形成热等静压罐的外表面的一个区域。端板210还包括中心区域216，在某些非限制性实施方案中，所述中心区域具有总体上均一的厚度(即在实施方案中，在中心区域216中外面212与内面214之间的距离总体上是均一的)。在某些非限制性实施方案中，中心区域216的均一厚度可以在约0.25英寸到约1英寸范围内，或是约0.5英寸。在某些非限制性实施方案中，中心区域216的直径如沿外面212所测量可以在约0.25英寸到约1英寸范围内，或是约0.5英寸。在某些非限制性实施方案中，中心区域216可以包括穿过端板210的孔洞，其在外面212与内面214之间穿过并且允许进入热等静压罐的内部体积。
仍参考图4A，端板210进一步包括主区域218，所述主区域从中心区域216径向延伸并且在拐角220处终止，所述拐角整个地围绕环形端板210的环形周边222延伸。在某些非限制性实施方案中，端板210的外面212的直径可以在约1英寸到约30英寸范围内，或在约5英寸到约25英寸范围内，或是约20.6英寸。如图4A中所示，从中心区域216通过主区域到达拐角220，端板210的厚度增加。在主区域218中，端板210随着距离端板210的中心的距离增加而增加的厚度确定一个锥角θ。在端板210的某些非限制性实施方案中，锥角可以在约3°到约15°或约5°到约10°范围内，或是约8°。在图4A中所示的端板210的非限制性实施方案中，外面212基本上是平面的并且通过内面214沿周边222的方向远离外面212向下倾斜形成锥角。
现参考图4A和4B，拐角220包括周边唇缘224，其形状被配置成与热等静压罐的圆筒形主体部分(未示出)的环形面配合。拐角220包括圆角内表面区域226，主区域218通过所述圆角内表面区域平滑地过渡(即在没有尖锐边缘或拐角的情况下过渡)到周边唇缘224中。在端板210的某些非限制性实施方案中，圆角内表面区域226可以具有环形截面，其半径在约0.5英寸到约3.0英寸范围内，或是约2.0英寸。然而，应了解，内表面区域226的半径通常将视热等静压罐的尺寸而定。如图5中所示并且如下文中进一步论述，拐角220的圆角内表面区域226起到使拐角区域中所产生的应力在端板上传播并且到达罐垂直壁的作用。否则，固结坯体可能包括具有高残余应力的尖角。包括尖角的HIP坯体端面的部分在锻造或其他坯体加工之前必须机械加工掉，从而产生昂贵合金材料的浪费。
关于根据本公开的热等静压罐端板，应了解，圆角内表面区域226不需要具有环形截面并且可能具有从主区域218平滑地过渡到周边唇缘224并且将热等静压期间拐角220中所经历的应力传播出去的任何截面形状。弯曲内表面区域226的其他可能截面形状的非限制性实例包括例如圆形和椭圆形。
在根据本公开的一个非限制性实施方案中，端板210的周边唇缘224包括倒角228，所述倒角围绕端板210的周边延伸。倒角228被配置成用于容纳将端板210紧固到热等静压罐的主体部分(未示出)上的焊珠(未示出)。在一个非限制性实施方案中，倒角228包括约0.125英寸到约0.25英寸范围内的倒角宽度并且相对于端板210的轴线形成角度，使得形成在约30°到约60°范围内或是约45°的倒角角度。
在根据本公开的一个非限制性实施方案中，端板210进一步包括至少一个填充杆230。至少一个填充杆230被配置成允许粉末状材料引入紧固有端板210的热等静压罐的内部体积中。填充杆230还允许在HIP固结之前从热等静压罐的内部体积中移除气体。在一个非限制性实施方案中，将单一填充杆230焊接到穿过端板210的中心区域216所形成的孔洞的周边。应了解，尽管在图4A中示出了位于端板210的中心区域中的单一填充杆230，但一个或多个填充杆可以位于端板上的其他位置，并且在端板上的中心位置处不需要包括填充杆。每一这种填充杆将提供与紧固有端板的热等静压罐的内部体积的流体联通。
在端板210的一个非限制性实施方案中，端板210仅包括单一填充杆230。多个填充杆通常用于常规端板上以改进用冶金粉末填充罐的效率。在用冶金粉末振动装载罐期间，粉末倾向于保持呈圆锥形配置。由于这一倾向，难以使得通过填充杆引入热等静压罐中的冶金粉末沿水平方向向外移动并且从而填充罐的所有区域。被设计成包括锥角的端板210提高了用冶金粉末完全填充热等静压罐的内部体积的可能性。端板210的拐角220的内表面区域226的圆角部分也有助于更好地确保用冶金粉末完全填充内部体积。锥形设计和端板210的圆角内表面区域促进冶金粉末流向热等静压罐的内部体积的外部边缘并且更好地保证冶金粉末与罐内壁之间不存在间隙。
热等静压罐上仅包括单一填充杆(诸如端板210的单一填充杆230)消除了在填充或热等静压期间翻转罐的需要。单一填充杆罐设计可以使用插入式杆状物进行冶金粉末位置测量。在常规多杆热等静压罐端板情况下，这可能是不可能的，并且必须在热等静压之前将罐物理地反转。归因于罐重量，将用冶金粉末填充的大热等静压罐反转是困难的并且有罐损坏的风险。另外，在HIP工艺中的加压期间，每一填充杆必然是额外的罐渗透点并且是额外的可能罐失效点。
本发明人已发现包括锥形构造(诸如在例如端板210中所包括)的端板设计提供可能的额外益处。一个这样的益处是可能改进直接HIP产率。使用包括常规平面端板的热等静压罐产生具有凹面端面的HIP坯体，所述HIP坯体在锻造之前必须机械加工成平面表面。根据本公开的端板的实施方案可以产生具有平面端面或至少与使用常规平面端板所产生的坯体相比较平(较不凹)的端面的坯体。因此，使用本文所涵盖的端板和罐设计的实施方案可以降低或消除为在镦锻锻造之前在HIP坯体上提供平面末端表面而进行HIP后机械加工的需要。对HIP后机械加工的需要降低使成本降低并且减少时间，而且可以消除对可能导致部件失效的加工步骤的需要。本文的端板设计还可以使HIP坯体的拐角区域的强度增加，因为与使用平面端板相比固结涉及更多侧面移动。
使用本文所涵盖的包括锥形内面和包括圆角内表面的拐角的端板和罐设计的实施方案还可以改进罐的内部清洁。粉末冶金产品的规格可能需要在热等静压工艺期间热等静压罐的内表面极度清洁。已发现如本文所公开的某些端板设计在清洁和水或粉末吹扫期间促进从罐的内部体积排出。
热等静压罐的端板典型地在使用之前进行电抛光以改进最终部件的清洁度。已观测到，本文所涵盖的包括锥形内面和包括圆角内表面的拐角的端板设计实施方案可以更均匀地电抛光。因此，根据本公开的端板的某些实施方案的锥形和圆角内表面改进罐清洁度并且提高加工效率。
根据本公开的某些端板实施方案的一个额外的优势是包括锥形和圆角表面的设计使HIP固结期间端面的凹度降低。端板的锥形圆顶形和圆形拐角使拐角区域的强度增加并且固结涉及更多侧面移动。所得平端固结坯体在后续成形操作期间容易镦锻锻造。
还已确定，根据本公开的某些端板实施方案(诸如端板210)的拐角的圆角内表面使HIP固结期间端板与热等静压罐的主体部分之间的焊接接头上的应力集中降低。如图1A和1B中所示，常规平面端板的拐角典型地直接焊接到热等静压罐的主体部分的末端。如图3中所示，常规设计中的焊缝是应力集中点，其在热等静压罐的振动装载期间或随后在HIP固结期间可以引起焊接断裂和罐破裂。
图5是显示所计算的包括以端板210的方式构建的端板的热等静压罐所经历的应力的图示。图5显示相对于图3中所考虑的常规平面端板的拐角处所见的应力集中，在所述端板的圆角拐角处应力未集中，而是总体上空间分布。另外，在图5中所考虑的实施方案中，焊缝(位于端板的倒角区域的周边边缘上)周围未集中高水平的应力。因此，预期根据本公开的包括锥形内面和包括圆角内表面的拐角的端板实施方案可以∶降低端板拐角处的应力集中，替代地使应力分布到固结坯体中；降低端板与罐主体部分之间的焊缝区域的应力集中；并且提供具有平面或较平端面的HIP坯体，从而消除或降低了进行锻造前机械加工以在坯体上提供平面端面的需要。
在非限制性实施方案中，根据本公开的端板由低碳钢、软钢或不锈钢组成或包括低碳钢、软钢或不锈钢。在一个具体实施方案中，根据本公开的端板是由AISI T-304不锈钢(UNS S30400)制造。在其他非限制性实施方案中，根据本公开的端板由镍基超级合金组成或包括镍基超级合金，诸如但不限于选自以下各项的合金：Alloy600(UNS N06600)、Alloy625(UNS N06625)和Alloy718(UNS N07718)。然而，应了解根据本公开的端板可以由与有待于包括在热等静压罐中的冶金粉末相容并且具有适合用于热等静压工艺的性质的任何金属或金属合金制成。在一个非限制性实施方案中，端板的至少一部分被电抛光并且具有电抛光面，这可以促进粉末填充并且改进热等静压罐的内部体积的清洁度。在另一个非限制性实施方案中，根据本公开的端板展现约或不大于125RMS(均方根)的表面粗糙度。任何适用于降低端板内表面的表面粗糙度的技术均可以加强粉末填充和/或提高罐的内部体积的清洁度。
根据本公开构建的端板可以总体上是环形的并且被配置成适合热等静压罐的圆筒形主体部分。然而，应了解，根据本公开的端板可以具有被设计成适合有待于提供的热等静压罐的主体部分的任何形状。无论总体形状如何，根据本公开的任何这种端板实施方案均将具有本文所描述的锥形内面和/或拐角圆角内表面特征。
现参考图6，本公开的另一个方面是针对一种用于热等静压粉末状材料的罐。图6描绘了根据本公开的热等静压罐300的一个非限制性实施方案的截面。罐300包括主体部分302，其可以具有例如圆筒形形状或任何其他适合的形状。罐300包括根据本公开构建的第一端板304以如本文所描述包括锥形内面和包括圆角内表面的拐角。端板304焊接到主体部分302的环形第一端306。端板304可以具有例如上文所描述的图4A和4B中所示的端板210的设计。端板304可以包括至少一个吊耳307，所述至少一个吊耳被配置成加快罐300的提起和移动。
现参考图4A、4B和6，热等静压罐300包括端板304，所述端板参考图4A和4B包括外面212、内面214和中心区域216。在一个非限制性实施方案中，中心区域216可以具有均一厚度。在具体非限制性实施方案中，中心区域216的均一厚度可以在约0.25英寸到约1.00英寸范围内，或是约0.5英寸。在非限制性实施方案中，中心区域216的直径可以在约0.25英寸到约1英寸范围内，或是约0.5英寸。在另一个非限制性实施方案中，中心区域216可以在端板中界定一个孔洞。在一个非限制性实施方案中，第一端板304的形状可以是环形的，以与热等静压罐300的圆筒形主体部分302的环形末端配合。然而，如上文所论述，根据本公开的端板可以具有适合于与热等静压罐的特定主体部分的形状配合的任何总体形状。
仍参考图4A、4B和6的非限制性实施方案，第一端板210、304进一步包括主区域218，所述主区域从中心区域216径向延伸并且在围绕端板的环形周边222的拐角220处终止。根据一个非限制性实施方案，第一端板304的直径可以在约1.0英寸到约30英寸范围内，或在约5英寸到约25英寸范围内，或是约20.6英寸。外面212基本上是平面的，但端板210从中心区域216到拐角220的厚度增加并且从而确定一个锥角θ。在非限制性实施方案中，锥角可以在约3°到约15°范围内，或在约5°到约10°范围内，或是约8°。拐角220包括周边唇缘224，所述周边唇缘被配置成与主体部分302的环形第一端配合。拐角220包括内表面226，所述内表面是圆角的，使得主区域218与周边唇缘224之间平滑地过渡。在非限制性实施方案中，圆角部分是半径为约0.5英寸到约3.0英寸或为约2.0英寸的环形。
在根据本公开的一个非限制性实施方案中，端板210、304的周边唇缘224包括倒角228。倒角228被配置成容纳用于将端板210、304焊接到热等静压罐300的主体部分302上的焊珠308。在一个非限制性实施方案中，倒角228可以包括在约0.125英寸到约0.25英寸范围内的倒角长度和在约30°到约60°范围内或是约45°的倒角角度。
在非限制性实施方案中，根据本公开的端板、填充杆和罐主体部分由低碳钢、软钢或不锈钢组成或包括低碳钢、软钢或不锈钢。在一个具体实施方案中，根据本公开的端板、填充杆和罐主体部分是由AISI T-304不锈钢(UNS S30400)制造。在其他非限制性实施方案中，根据本公开的端板、填充杆和罐主体部分由镍基超级合金组成或包括镍基超级合金，诸如但不限于Alloy600(UNS N06600)、Alloy625(UNS N06625)或Alloy718(UNS N07718)。然而，应了解根据本公开的端板、填充杆和罐主体部分可以由与有待于包括在热等静压罐中的冶金粉末相容并且具有适合用于热等静压工艺的性质的任何金属或金属合金制成。
参考图7的流程图，本公开的另一个方面是针对一种用于热等静压冶金粉末的方法400。所述方法包括提供具有根据本公开的设计的热等静压罐402。举例来说，所述热等静压罐可以具有上文所描述的图6中所示的设计。在一个非限制性实施方案中，所述热等静压罐可以包括圆筒形主体部分，所述圆筒形主体部分包括环形第一端和环形第二端。第一端板焊接到圆筒形主体部分的环形第一端。所述第一端板包括中心区域和主区域，所述主区域从中心区域径向延伸并且在围绕端板周边的拐角处终止，其中所述拐角包括被配置成与罐的主体部分配合的周边唇缘。端板从中心区域到拐角的厚度增加并且确定一个锥角，并且拐角的内表面包括圆角部分，主区域通过所述圆角部分平滑地过渡到周边唇缘。填充杆连接到第一端板上并且被配置成能够与罐的内部体积流体联通。第二端板焊接到圆筒形主体部分的环形第二端。再次参考图7，方法400进一步包括通过填充杆在罐中布置至少一种冶金粉末，诸如镍基超合金粉末404。通过填充杆从罐中抽出空气406。在从罐中抽出足够的空气之后，将填充杆卷曲，或以其他方式密封，以将罐气密密封408。以常规方式将冶金粉末在抽出空气的罐中热等静压，以提供热等静压坯体410。
现参考图8中所示的非限制性示意性实施例，根据本公开的另一个方面是针对一种根据根据本公开的方法的非限制性实施方案制造的热等静压粉末金属部件或坯体500。图8描绘了仍包裹在根据本公开的变形罐502中的坯体500的截面。坯体500包括至少一个基本上平面的端面504。在非限制性实施方案中，热等静压粉末金属坯体500包含镍基超合金。在通过例如机械加工和/或酸洗移除罐502之后，坯体500几乎不需要进一步机械加工以在镦锻锻造或其他坯体加工之前呈现平面端面504。在另一个非限制性实施方案中，热等静压粉末金属坯体500包含以下各项中的一者：Rolls Royce RR1000合金、Alloy10合金和低碳ASTROLOY合金，所述合金的组成是冶金领域技术人员已知的。如本领域中已知，RR1000合金具有以下标称组成(以重量百分数计)∶55Ni、14.5Cr、16.5Co、4.5Mo和余量的Ni。Alloy10公开于美国专利No.6,890,370中，该专利在此以全文引用的方式并入本文中。Alloy10合金具有以下组成范围(以重量百分数计)∶14.0-18.0Co、10.0-11.5Cr、3.45-4.15Al、3.60-4.20Ti、0.45-1.5Ta、1.4-2.0Nb、0.03-0.04C、0.01-0.025B、0.05-0.15Zr、2.0-3.0Mo、4.5W+Re和余量的Ni。在一个优选实施方案中，Alloy10的Mo/(W+Re)比率在0.25到0.5范围内。在另一个实施方案中，当Alloy10不含铼时，Mo/W比率在约0.25到约0.5范围内。如本领域中已知，低碳ASTROLOY合金具有以下组成(以重量百分数计)∶3.85-4.14Al、0.015-0.0235B、0.020-0.040C、14.0-16.0Cr、16.0-18.0Co、4.50-5.50Mo、52.6-58.3Ni和3.35-3.65Ti。
以下实施例旨在进一步描述某些非限制性实施方案，而不限制本发明的范围。本领域技术人员将了解，以下实施例的变化形式在本发明的范围内是可能的，本发明的范围仅仅由权利要求书界定。
实施例1
根据图9A和图9B中的图构建两个热等静压罐端板。所述端板是从3.5英寸AISI T-304不锈钢板机械加工。所述端板基本上无表面缺陷并且表面粗糙度是125RMS。所述端板中的一者经机械加工包括直径是1.002英寸的中心孔洞。每一端板重约161磅。
实施例2
如下制造根据本公开的一个实施方案的热等静压罐。埋弧焊接62.75英寸宽0.5英寸厚AISI T-304不锈钢片，以形成外径是24.28英寸的圆筒形罐主体部分。根据美国机械工程师学会锅炉与压力容器规范(American Society of Mechanical Engineers Boilerand Pressure Vessel Code)进行所有焊接。X射线检查熔接缝以确保完整。将来自实施例1的端板TIG焊接到不锈钢圆筒的每一端以形成热等静压罐。在所述端板中的一者的中心提供1英寸直径孔洞，而第二端板是实心的并且没有孔洞。将具有1.5英寸外径和1.0英寸内径的13英寸长T-304不锈钢管TIG焊接到孔洞周边，以提供用以允许引入粉末并且从热等静压罐的内部体积移除空气的填充杆。
实施例3
用砂布(翼片砂轮)将实施例2的热等静压罐的内部体积彻底清洁，用去离子水冲洗，并且通过填充杆吹扫。接着使用电化学法电抛光罐的内壁，用去离子水冲洗，并且干燥。干燥后，用5471.5磅RR1000合金粉末填充HIP罐。将粉末填充的热等静压罐放入除气炉中并且抽空到小于1托的压力，并且将填充杆卷曲以将罐气密密封。接着将罐放入HIP炉。用氩气对HIP炉进行加压并且根据图10A的温度-时间曲线和图10B的压力-时间曲线进行加热。热等静压罐崩溃并且罐内粉末固结成实心坯。热等静压后，将热等静压罐和其中的固结坯体从HIP炉中移出并且使其冷却到室温。图11是在热等静压工艺完成之后里面包括固结RR1000合金坯体的热等静压罐的照片。
实施例4
在热等静压以后，将在实施例3中制成的里面包括固结坯体的热等静压的罐冷却到室温。可以将罐在盐酸或硫酸中进行酸洗，以溶解罐并且暴露RR1000合金坯体。合金坯体的末端与以相同方式但使用常规热等静压罐通过HIP工艺制备的类似坯体的末端相比较平。
应了解，本说明书说明了本发明与清楚理解本发明有关的那些方面。对本领域技术人员来说将显而易见并且因此不会促进更好地理解本发明的某些方面未予以呈现，以简化本说明书。尽管本文中仅必要地描述了有限数量的本发明实施方案，但本领域技术人员在考虑前述描述后将认识到可以使用本发明的许多修改和变化形式。本发明的所有这类变化和修改形式均旨在由前述描述和以下权利要求书涵盖。

Claims (22)

1.一种热等静压罐的端板，所述端板包括：
中心区域；
主区域，所述主区域从所述中心区域径向延伸并且在围绕所述端板周边的拐角处终止，所述拐角包括被配置成与所述热等静压罐的主体部分配合的周边唇缘；
基本上平面的外面；和
内面，其中所述端板从所述中心区域到所述拐角的厚度增加并且确定一个锥角，其中所述锥角进一步是由在所述主区域中在所述外面与所述内面之间随着距离所述中心区域的距离增加而增加的距离来确定；并且
其中所述拐角的内表面包括圆角部分，所述主区域通过所述圆角部分平滑地过渡到所述周边唇缘。
2.如权利要求1所述的端板，其中所述周边唇缘包括倒角，所述倒角被配置成容纳用于将所述端板焊接到热等静压罐的主体部分的焊珠。
3.如权利要求1所述的端板，其进一步包括至少一个填充杆，其中所述至少一个填充杆被配置成当所述端板紧固到所述热等静压罐的主体部分时能够与所述热等静压罐的内部体积流体联通。
4.如权利要求3所述的端板，其中所述端板仅包括单一填充杆。
5.如权利要求1所述的端板，其中所述端板包括低碳钢和不锈钢中的至少一者。
6.如权利要求1所述的端板，其中所述端板包括软钢和不锈钢中的至少一者。
7.如权利要求1所述的端板，其中所述端板的至少一部分包括电抛光面。
8.如权利要求1所述的端板，其中所述端板被配置成紧固到所述热等静压罐的圆筒形主体部分。
9.一种用于热等静压粉末状材料的罐，所述罐包括：
圆筒形主体部分，所述圆筒形主体部分包括环形第一端和环形第二端；
第一端板，所述第一端板焊接到所述圆筒形主体部分的所述环形第一端，所述第一端板包括：
中心区域，
主区域，所述主区域从所述中心区域径向延伸并且在围绕所述端板周边的拐角处终止，所述拐角包括被配置成与所述主体部分配合的周边唇缘，
基本上平面的外面；和
内面，其中所述端板从所述中心区域到所述拐角的厚度增加并且确定一个锥角，其中所述锥角进一步是由在所述主区域中在所述外面与所述内面之间随着距离所述中心区域的距离增加而增加的距离来确定，并且
其中所述拐角的内表面包括圆角部分，所述主区域通过所述圆角部分平滑地过渡到所述周边唇缘；和
第二端板，所述第二端板焊接到所述圆筒形主体部分的所述环形第二端。
10.如权利要求9所述的用于热等静压粉末状材料的罐，其中所述第一端板的所述周边唇缘进一步包括倒角，所述倒角被配置成容纳用于将所述第一端板焊接到所述罐的所述圆筒形主体部分的所述环形第一端的焊珠。
11.如权利要求9所述的用于热等静压粉末状材料的罐，其中所述第一端板进一步包括至少一个填充杆，其中所述至少一个填充杆被配置成当所述第一端板焊接到所述罐的所述圆筒形主体部分的所述环形第一端时能够与所述罐的内部体积流体联通。
12.如权利要求11所述的用于热等静压粉末状材料的罐，其中所述第一端板仅包括单一填充杆。
13.如权利要求9所述的用于热等静压粉末状材料的罐，其中所述第一端板包括低碳钢和不锈钢中的至少一者。
14.如权利要求9所述的用于热等静压粉末状材料的罐，其中所述第一端板包括软钢和不锈钢中的至少一者。
15.如权利要求9所述的用于热等静压粉末状材料的罐，其中所述第一端板的至少一部分包括电抛光面。
16.如权利要求9所述的用于热等静压粉末状材料的罐，其中所述第二端板包括：
中心区域；
主区域，所述主区域从所述中心区域径向延伸并且在围绕所述端板周边的拐角处终止，所述拐角包括被配置成与所述罐的主体部分配合的周边唇缘；和
基本上平面的外面；
其中所述端板从所述中心区域到所述拐角的厚度增加并且确定一个锥角；并且
其中所述拐角的内表面包括圆角部分，所述主区域通过所述圆角部分平滑地过渡到所述周边唇缘。
17.如权利要求16所述的用于热等静压粉末状材料的罐，其中所述第二端板进一步包括：
内面，其中所述锥角是由在所述主区域中在所述外面与所述内面之间随着距离所述中心区域的距离增加而增加的距离来确定。
18.一种用于热等静压粉末状材料的方法，所述方法包括：
提供用于热等静压的罐，所述罐包括：
圆筒形主体部分，所述圆筒形主体部分包括环形第一端和环形第二端，
第一端板，所述第一端板焊接到所述圆筒形主体部分的所述环形第一端，所述第一端板包括：
中心区域，
主区域，所述主区域从所述中心区域径向延伸并且在围绕所述端板周边的拐角处终止，所述拐角包括被配置成与所述罐的主体部分配合的周边唇缘，
基本上平面的外面，和
内面，其中所述端板从所述中心区域到所述拐角的厚度增加并且确定一个锥角，其中所述锥角进一步是由在所述主区域中在所述外面与所述内面之间随着距离所述中心区域的距离增加而增加的距离来确定，并且
其中所述拐角的内表面包括圆角部分，所述主区域通过所述圆角部分平滑地过渡到所述周边唇缘，
填充杆，所述填充杆与所述第一端板连接，其中所述填充杆提供与所述罐的内部体积的流体联通，和
第二端板，所述第二端板焊接到所述圆筒形主体部分的所述环形第二端；
通过所述填充杆在所述罐中布置至少一种冶金粉末；
通过所述填充杆从所述罐抽出空气；
卷曲所述填充杆以将所述罐气密密封；和
热等静压所述罐以提供热等静压坯体。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述罐的所述第一端板的所述周边唇缘进一步包括：
倒角，所述倒角被配置成容纳用于将所述第一端板焊接到所述罐的所述圆筒形主体部分的所述环形第一端的焊珠。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述冶金粉末是镍基超合金粉末。
21.如权利要求18所述的方法，其中所述冶金粉末是Rolls Royce RR1000合金粉末、Alloy 10合金粉末和低碳ASTROLOY合金粉末中的一者。
22.如权利要求18所述的方法，其中所述罐的所述第二端板进一步包括：
中心区域，
主区域，所述主区域从所述中心区域径向延伸并且在围绕所述端板周边的拐角处终止，所述拐角包括被配置成与所述罐的主体部分配合的周边唇缘，
基本上平面的外面，和
内面，其中所述端板从所述中心区域到所述拐角的厚度增加并且确定一个锥角，其中所述锥角是由在所述主区域中在所述外面与所述内面之间随着距离所述中心区域的距离增加而增加的距离来确定。
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