CN104395020A - 用于生产设有金属涂覆层的金属体的方法 - Google Patents

用于生产设有金属涂覆层的金属体的方法 Download PDF

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Abstract

一种生产设有金属涂覆层(13)的金属体(14)的方法，包括以下步骤：提供中空体(2)，该中空体(2)包括底壁(3)和侧壁(4)并且具有内空间(6)；用将形成所述涂覆层的金属涂覆材料(7)填充所述空间(6)；将所述中空体(2)定位在金属囊状物(10)中；封闭所述金属囊状物(10)且从所述金属囊状物(10)的内部排出空气；以及在所述囊状物(10)的外侧上施加高压和高温，使得所述涂覆材料(7)结合到所述中空体(2)。所述囊状物(10)与所述中空体(2)同轴且具有侧向内周边，所述侧向内周边的形状和尺寸与所述中空体(2)的外侧向周边的形状和尺寸对应，并且在从由固体金属材料块构成的坯料(1)去除材料的加工操作中，形成在其中具有芯部(5)的所述中空体(2)。

Description

用于生产设有金属涂覆层的金属体的方法
技术领域
本发明涉及一种生产设有金属涂覆层的金属体的方法，包括以下步骤：提供中空体，所述中空体包括底壁、从底壁延伸的芯部和侧壁并且具有内空间；用金属涂覆材料填充所述空间，所述涂覆材料将形成所述涂覆层；将中空体定位在金属囊状物中；封闭金属囊状物且从金属囊状物的内部排出空气，以及在所述囊状物的外侧上施加高压和高温，使得所述涂覆材料结合到所述中空体。
优选地但不必需地，在所述施加高压和高温之后，使由中空体和涂覆材料形成的最终体经受加工操作，在该加工操作中，最终体的一个部分被去除且涂覆材料作为其第二部分上的涂覆层被露出。
所施加的高压是借助于加压气体产生的等静压压力。高温是在所使用的任何金属熔化的温度之下的温度。施加高压和高温的工艺从而属于通常称为热等静压(HIP)工艺的工艺。
已经关于柴油发动机的喷射器喷嘴的生产而研发本发明，其中在工具钢体上设置Ni基涂覆层。然而，应理解，即使这是本发明思想的优选实施，但是本发明可适用于生产根据权利要求1前序部分的所有种类的金属体，其中金属涂覆材料将被施加在由另一金属材料构成的特定体上。囊状物用于HIP工艺所需要的密封目的，据此可以避免密封容纳在所述囊状物中的多个上述中空体中的每一个中空体。
背景技术
目前借助于称为Sand-HIP方法的方法来生产用于柴油发动机的喷射器针。根据该方法，由合适的钢号制成并具有在其中延伸的中心芯部的中空体填充有由粉末(通常是Ni基粉末)形成的金属涂覆材料。由此，中心芯部的露出部分完全由粉末覆盖。粉末被(优选机械地)预压，以便在后来向其施加根据HIP工艺的高压和高温之前实现高密度。在粉末预压之后，中空体的敞开的顶部部分(供粉末穿过被引入)被封闭，且剩余的空气被从封闭的中空体的内部排空。这样，提供了多个中空体。
而且，提供了一种囊状物，其中多个这样的中空体在随后的HIP工艺期间被定位在该囊状物中。提供所述囊状物的原因是各个中空体相对于空气来说没有被密封和排空。所述囊状物具有带有底壁和侧壁的圆柱形或管状形状。底壁由沙覆盖，所述多个中空体以给定的图案并排定位在其上，且在每一个中空体之间具有间距。之后，所述间距填充上沙。中空体也在其顶部上覆盖上沙。在沙填充操作之后，囊状物的顶部通过设置上壁而被封闭，且空气被从囊状物的内部排空(且从而也从中空体的内部排空)且囊状物最终被密封。此后，使囊状物根据热等静压原理经受高压和高温，据此金属涂覆材料的粉末进一步致密化且结合到中空体(包括所述芯部)的周围材料。
囊状物然后被打开且中空体被取出。每一个(初始)中空体被加工，使得侧壁和顶壁被去除且涂覆材料被露出。而且，涂覆层被加工至以下程度，即：从芯部的给定尺寸和延伸开始，在芯部上实现预定的涂覆层厚度。加工是车削操作且该操作基于中空体的几何形状关于中空体的中心轴线是对称的假设。
然而，在HIP工艺期间，中空体和芯部的形状可能由于沙和中空体之间的相互作用而略微变形。认为该变形是由于沙内的摩擦导致非均匀的压力被施加在中空体上的事实。由于该轻微变形，芯部的延伸与其初始地不是完全相同的，从而导致当中空体的材料和涂覆材料的部分之后借助于加工被去除时，实际的涂覆层厚度的不精确和不确定。只要公差要求不是太严格，与完美对称的偏差可能是可接受的。然而，随着公差要求变得越来越严格，要求一种在生产喷射喷嘴时改进公差的方式。
WO20047030850描述了一种通过将耐腐蚀涂覆层施加到预成型的芯部构件上来制造用于柴油发动机的燃料喷嘴的方法。第16页第12-30行和图3描述了一种通过提供预成型的芯部构件12、将芯部构件12放置在管状囊状物15中、在芯部构件12周围放置填充管21且用涂覆材料粉末填充芯部构件和填充管之间的空间来制造喷嘴的实施方式。该布置此后受到HIP(工艺)。
US6168871B1示出了制造用于燃气涡轮的叶片或翼片的方法。根据一种实施方式，通过在心轴12周围布置夹套14并用粉末填充其之间的空腔18来制造翼片。随后，夹套12和/或心轴18被去除(第3栏第65行至第4栏第1行和第21-24行)。根据第二实施方式，心轴12可以设有在叶片内部形成翼梁26的横截面构造(第4栏第41-51行)。
在EP2450557中描述了用于制造燃料喷射喷嘴的另外的方法。
发明内容
发明目的
本发明的目的是提供一种生产设有金属涂覆层的金属体的方法，其弥补了现有技术的上述缺陷中的至少一些。
特别是，一个目的是改进涂覆层的厚度的准确度且从而实现较高的公差要求。
发明概述
本发明的目的通过初始限定的方法来实现，其中所述囊状物与中空体同轴且具有侧向内周边，所述侧向内周边的形状和尺寸与所述中空体的外侧向周边的形状和尺寸对应，其特征在于，在其中具有芯部的所述中空体在加工操作中形成，在该加工操作中，从由固体金属材料块构成的坯料去除材料，其中在所述施加高压和高温之后，使由中空体和附着到中空体的涂覆材料所构成的最终体经受加工操作，在该加工操作中，所述中空体的一个第一部分被去除且所述涂覆材料作为所述中空体的第二部分上的涂覆层被露出，其中所述第一部分包括中空体的侧壁，且所述中空体的所述第二部分包括从中空体的底壁延伸的芯部。
因为中空体在加工操作中形成，在该加工操作中，从中空体的相应部分(即，芯部和中空壁)的位置的由固体块构成的坯料去除材料，所以关于彼此是非常精确的。这继而提供了在HIP之后产生的最终体非常对称且可以被加工成使得实现金属涂覆层的高度尺寸精度的优点。
在中空体的外周边和囊状物的内周边之间存在紧密配合，即仅小的间距。如果所述间距太大，那么囊状物可能不均匀地(非均匀地)变形，且其结果是，施加到中空体的压力可能是非均匀的，且其结果是中空体可能变形，这将不利地影响涂覆层的厚度的精确度，因为涂覆层借助于比如车削操作的加工操作而露出。
因此，优选地，至少对于中空体具有圆形的外周边的情形，囊状物的内径(或者横截面度量，对于不同于圆形的几何形状而言)和所述中空体的外径(对应的横截面度量)之间的比被定义为D囊状物/D中空体，其在1-1.15的范围内，或者甚至更严格的，优选地在1-1.10的范围，或者甚至1-1.05。
根据本发明的优选实施方式，囊状物是伸长的且具有为中空体的多个长度的长度，其中方法包括使多个中空体在囊状物被封闭之前在囊状物内被装订(stapled)在彼此之上。从而，促进了涂覆体的大量的高效生产。
根据优选实施方式，所述第一部分包括中空体的侧壁且中空体的所述第二部分包括从中空体的底壁延伸的芯部，其中在所述芯部的侧向外周边和所述中空体的侧壁的内周边之间存在间距，并且其中所述间距填充有所述金属涂覆材料。通常，通过加工操作来生产在其中具有芯部的中空体，在加工操作中，从固体材料块，比如杆材或棒材去除材料，使得芯部被露出且中空体的管状形状被产生。因此，优选地，中空体是管状体，管状体在其一端由底壁封闭且具有从所述底壁延伸的芯部，在芯部和其侧壁的内周边之间留出空间。
根据一个实施方式，填充所述空间所用的金属涂覆材料是金属粉末。粉末的使用使得也填充更复杂形状的空间成为可能，且对所述空间的不同部分使用不同的粉末成为可能。在利用粉末填充中空体之后，中空体被封闭，但是不密封。
优选地，在中空体被封闭且排空空气之前，已经被引入空间内的粉末被预压，优选地借助于机械施加的力被预压。预压的粉末优选地填充中空体直到其上端，即上壁(帽)附接以封闭中空体所处的端部。中空体被封闭，使得在填充有粉末的内空间和周围环境之间存在连通。换句话说，中空体未被密封。
根据可替代的实施方式，填充所述空间所用的金属涂覆材料是形状和尺寸对应于所述空间的形状和尺寸的固体。从而，避免了可能由缺陷粉末或所述空间的不精确填充或粉末的错误压制造成的具有空隙等的危险，以及当处理粉末时必须采取的措施。上壁对于中空体的封闭是不必要的。通过由涂覆材料构成的固体被设置到位而实现中空体的封闭。
根据优选实施方式，借助于所述方法产生的金属体是喷嘴，特别是用于柴油发动机的喷射器喷嘴。
附图说明
现在将更详细地参考附图来描述本发明的实施方式，在附图中：
图1是坯料的截面图，将从该坯料生产设有金属涂覆层的金属体，
图2-7是示出了根据本发明的方法的基本步骤的截面图，
图8是示出了从在图1-7中公开的步骤获得的半成品的侧视图，
图9是从图8中示出的半成品获得的最终体的截面图，
图10和图11是示出了图9中示出的最终体如何被加工成最终形状的截面图，以及
图12是图11中示出的最终体的透视图。
具体实施方式
图1-7示出了用于生产柴油发动机的喷射喷嘴的本发明的方法的基本步骤。图1示出了坯料1，这里由一块棒料1形成，借助于任何合适的加工操作(优选地借助于车削操作)从该棒料1形成图2中示出的中空体2。在垂直于其纵向轴线的平面中，棒料1具有圆形横截面。可替代地，可以通过将管子(具有或不具有底壁)附接到芯部部分上而形成图2中示出的中空体2。为了形成用于柴油发动机的喷射喷嘴的目的，坯料1可以优选地由任何合适的钢(优选地工具钢)来构造。对于其它应用，坯料可以由具有与钢的金属合金不同的组合物的其它金属合金构造。还设想的是，坯料由不同组合物构成的部分组成。
中空体2包括由底壁3和侧壁4形成的第一部分。中空体2还包括由从中空体2的底壁3延伸的芯部5形成的第二部分，其中在所述芯部5的侧向外周边和中空体2的侧壁4的内周边之间存在空间6(由周向间距形成)。侧壁4在芯部5的纵向方向上延伸超出芯部5。在此处描述的优选实施方式中，底壁3、侧壁4和芯部5因此都由同一个材料块形成。从而，各个部分关于彼此的位置可以是非常精确的，且不需要任何焊接操作等来将一个部分附接到另一部分。
图3示出了本发明的方法的另外的步骤，在该步骤期间，金属涂覆材料7(稍后将在所述芯部5上形成涂覆层)被引入所述空间6中。在此处示出的优选实施方式中，涂覆材料7为粉末的形式。然而，可以设想利用由涂覆材料构成的固体块来填充所述空间6，只要空间6具有使相应形状的固体材料块能够引入空间6的形状。涂覆材料7(这里由粉末形成)也覆盖芯部5的上表面，使得在将涂覆材料7随后附着到芯部5时，芯部5的顶部完全由涂覆材料7覆盖。
涂覆材料7具有与中空体2的部分(涂覆材料将在其上形成涂覆层)不同的微观结构和/或组成。在该具体情形中，涂覆材料将在其上形成涂覆层的部分是芯部5。然而，还可设想的是，在不同应用中，涂覆材料可以设置成用于在中空体的内部(比如侧壁)上形成涂覆层的目的。在本实施方式(用于柴油发动机的喷射喷嘴)中，涂覆材料7具有与中空体2不同的组成。优选地，涂覆材料7包括金属合金，该金属合金导致最终产品的以下区域处的耐腐蚀性提高，在所述区域中，金属合金在所述部分上形成涂覆层，这里所述部分为中空体2的芯部5。优选地，当最终产品是用于柴油发动机的喷射喷嘴时，涂覆材料由镍基材料组成，优选地由NiCr49Nbl、NiCr22Al6或NiCr22Mo8Nb4Ti中的任何组成。
在用涂覆材料7填充空间6之后，使涂覆材料7受到压缩步骤，在该步骤中，对涂覆材料7施加单向压缩机械力F。在图4中，该压缩通过冲压元件8来表示，该冲压元件8设置用以将所述力F从中空体2的敞开端施加到涂覆材料7的粉末上。至少在某种程度上也可以借助于中空体2的摇动来实现涂覆材料7的粉末的压缩，这也在图4中表示。在当涂覆材料7由固体材料块形成的情形中，该压缩步骤将是不必需的。
当压缩的且相对较致密的涂覆材料7被设置在中空体2内时，中空体2被封闭。图5示出如何借助于设置上壁元件9来实现这种封闭，上壁元件9附着到中空体2的侧壁4的上端，从而形成上壁9。在上壁元件9和中空体2的侧壁4之间没有提供密封。因此，在中空体的内空间和周围大气之间存在连通。当之前填充到中空体2内的涂覆材料7不是粉末状态时，中空体2的封闭是优选的。如果涂覆材料处于固体状态，则利用专用的上壁的封闭不是必需的，而是通过涂覆材料自身设置在中空体2中的合适位置而实现。
根据本发明，且如图6所示，提供了囊状物10，多个因此形成的中空体2(填充有所述涂覆材料7)在其随后的热等静压将被执行之前被放置在囊状物10内。囊状物10设置成用于实现从多个中空体排空空气的目的，从而使得能够避免从多个中空体中的每一个排空空气的步骤和密封多个中空体中的每一个的步骤。囊状物10由任何合适的金属合金制成。囊状物是管状的。囊状物具有(通常至少1mm)的壁厚度足够大，以保证囊状物的内部在其将经受的HIP条件下也密封。囊状物具有的壁厚度足够小，以允许其变形(例如由于在HIP工艺期间中空体2的变形造成)。囊状物10通过与中空体2(当中空体2被放置在囊状物10内时)且具有侧向内周边的管子形成，侧向内周边的形状和尺寸对应于所述中空体2的外侧向周边的形状和尺寸。囊状物10的长度略大于单个中空体2的长度的整数倍(当中空体2在其最终形状且准备插入囊状物10内时)。多个中空体2在囊状物内被装订在彼此之上，使得所述中空体2和囊状物10的中心轴线对齐。在每一对中空体2之间，提供了分隔材料的薄盘或层15，其优选地由耐热纤维基材料形成，目的是防止单个中空体在HIP工艺期间直接地结合到彼此，且从而有利于中空体2相互之间的随后分离。
当中空体2被插入囊状物10内时，其外周边和囊状物10的内周边之间的间距仅大到足够实现所述插入。中空体2的直径和囊状物10的内径之间的差异太大将导致在随后的HIP期间穿过囊状物传递到中空体的压缩不太均匀。优选地，囊状物10的内径和所述中空体2的外径之间的比(被定义为D囊状物/D中空体)是1-1.10的范围。
囊状物10的壁厚以及中空体2的侧壁4的壁厚小到足够允许由所述壁在后面的HIP工艺期间受到的等静压压力造成的其变形。
在将中空体2定位在囊状物10中之后，囊状物10在其相对端被封闭，如图7所示，此后，囊状物10和设置在囊状物10中的中空体2所包括的整个单元受到借助于气体和高温产生的等静压压力(也在图7中表示)。通常，压力在700-1100巴的范围内，优选地，900-1100巴，且最优选地大约1000巴，且温度被选择成在不涉及任何材料中的熔融阶段的情况下，使得涂覆材料7的致密化和涂覆材料7与中空体2的结合根据HIP的原理实现。优选地，且特别是对于中空体2由工具钢制成且涂覆材料7是Ni基材料的系统，温度在900-1200℃，优选地1100-1200℃，且最优选地大约1150℃，且一旦所述压力和温度已经达到，则HIP步骤的持续时间在1-4小时的范围内，优选地大约3小时。在HIP工艺已经完成之后，所述单元可优选地经受任何合适的热处理，比如退火。在本文描述的优选实施方式中，所述单元经受退火，优选地在约650℃的温度下持续约6小时的时间段。
作为HIP工艺的结果，涂覆材料被致密化(当初始材料在粉末状态时)并结合到中空体2的侧壁3、上壁9和芯部5。由于涂覆材料的致密化和中空体2的侧壁4和囊状物10的对应变形，囊状物10将在对应于涂覆材料在囊状物中存在的位置处具有腰部。这可以在图7和图8中更清楚地看到，图8是在其HIP之后囊状物10的侧视图。因此，根据本发明的方法，当使用了粉末状态的初始涂覆材料时，导致使观察者能够在单个中空体2位于囊状物10中的地方通过眼睛观察以确定囊状物形状。由此，方便通过切割囊状物10将单个中空体2从彼此分离。因为盘15布置在单个中空体2之间，因此在相邻的中空体2之间没有直接金属相互连接或结合，且因为所述盘容易从相应的中空体2分离，因此囊状物10的切割实际上仅是将所述体2从彼此分离所需要的金属切割操作。从而，沿着图8中示出的阴影线进行切割。
在将单个中空体2彼此分离之后，获得了具有图9中示出的形状的最终体11。如可看到的，这些最终体11还包括由囊状物10的其余部分形成的外侧壁12，囊状物10的其余部分在HIP工艺期间结合到管状部分2的侧壁4的外周边。最终体11受到加工操作，如图10和图11表示的那样，在此期间，最终体11的一部分被去除，使得涂覆材料7作为涂覆层13被露出。在用于柴油发动机的喷射喷嘴的当前情形中，通过加工去除由囊状物10的其余部分形成的外侧壁12、以及中空体2的侧壁4的上壁9、和涂覆材料7的一部分，使得仅保留部分地由通过涂覆材料7的其余部分形成的涂覆层13覆盖的芯部5。加工是车削操作。车削操作通过将最终体11设置在车床上并将其围绕其中心轴线旋转来进行，据此假设最终体围绕其中心轴线是对称的。由于在该步骤之前采取的建议措施，最终体实际上非常对称，且因此其余涂覆层13的厚度可基于芯部5的已知直径被非常精确地确定。剩余最终体在图11中示出且在此用14表示。该体14可称为用于柴油发动机的喷射喷嘴，其设有在其上的金属涂覆层13。为了最终生产喷嘴，在喷嘴中钻出通孔(未示出)以便实现其作为喷嘴的功能。可能的其它措施，比如为喷嘴设置接合装置以便使其余柴油发动机的燃料供应系统中的其它部件接合，当然这是可设想的，然而对于上面提出的本发明思想不是至关重要的。图12仅是透视图，示出了剩余最终体14的整体几何形状，特别是表示了穿过垂直于其纵向轴线的平面取得的其横截面的环状。

Claims (8)

1.一种生产设有金属涂覆层(13)的金属体(14)的方法，包括以下步骤：
提供中空体(2)，所述中空体(2)包括底壁(3)、从底壁(3)延伸的芯部(5)、侧壁(4)并且具有内空间(6)，
之后，用金属涂覆材料(7)填充所述空间(6)，所述涂覆材料(7)将形成所述涂覆层，
之后，将所述中空体(2)定位在金属囊状物(10)中，
之后，封闭所述金属囊状物(10)且从所述金属囊状物(10)的内部排出空气，以及
之后，在所述囊状物(10)的外侧上施加高压和高温，使得所述涂覆材料(7)结合到所述中空体(2)，
其中所述囊状物(10)与所述中空体(2)同轴且具有侧向内周边，所述侧向内周边的形状和尺寸与所述中空体(2)的外侧向周边的形状和尺寸对应，其特征在于，在加工操作中形成其中具有芯部(5)的所述中空体(2)，在所述加工操作中，从由固体金属材料块构成的坯料(1)去除材料，
其中在所述施加高压和高温之后，使由所述中空体(2)和所述涂覆材料(7)形成的最终体(11)经受加工操作，在所述加工操作中，所述中空体(2)的一个第一部分被去除且所述涂覆材料(7)作为所述中空体(2)的第二部分上的涂覆层(13)被露出，其中所述第一部分包括所述中空体(2)的所述侧壁(4)，且所述中空体(2)的所述第二部分包括从所述中空体(2)的底壁(3)延伸的所述芯部(5)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述囊状物(10)的内径和所述中空体(2)的外径之间的比被定义为D囊状物/D中空体，其在1-1.15的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述囊状物(10)是伸长的且具有为所述中空体(2)的多个长度的长度，且多个中空体在所述囊状物(10)被封闭之前在所述囊状物(10)内被装订在彼此之上。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，填充所述空间(6)所用的所述金属涂覆材料(7)是金属粉末。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述中空体(2)被封闭之前，所述金属粉末被预压。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，填充所述空间(6)所用的所述金属涂覆材料是固体，所述固体具有对应于所述空间(6)的形状和尺寸的形状和尺寸。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，由所述方法生产的所述金属体(14)是喷嘴。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述喷嘴是用于柴油发动机的喷射器喷嘴。
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