CN106413913A - 使用冷喷涂生产预制件的方法 - Google Patents

Abstract

通过冷喷涂沉积生产预制件的方法，该方法包括：提供围绕预制件旋转轴线的初始基体，初始基体具有至少一个轴向端，该轴向端具有基本平坦的沉积表面；使初始基体围绕预制件旋转轴线旋转；使用冷喷涂沉积将材料沉积到初始基体的沉积表面上以形成产品沉积表面，冷喷涂沉积的方法包括冷喷涂敷料器，通过冷喷涂敷料器将材料喷涂到沉积表面上；使用冷喷涂沉积将材料连续地沉积到相应的顶部产品沉积表面上以形成材料的连续的沉积层；以及使冷喷涂敷料器或初始基体和预制件产品中的至少一个相对于另一个沿着预制件旋转轴线在轴向方向移动以保持冷喷涂敷料器和顶部产品沉积表面之间的恒定距离，从而形成选定长度的预制件产品，其中冷喷涂敷料器在与预制件旋转轴线垂直的平面中移动以便在初始基体的各个相应的沉积表面或预制件产品的产品沉积表面上将材料沉积为基本平坦的表面。

Description

使用冷喷涂生产预制件的方法

技术领域

本发明大体涉及使用冷喷涂沉积技术生产预制件的方法。本发明具体可应用于生产具有圆形横截面的预制件，并且更具体地可应用于生产圆形的钛或钛合金预制件，并且在下文公开涉及示例性应用的本发明将是方便的。然而，应当理解的是，本发明应不限于该应用，并且可以用于生产多种材料的预制件，并且特别是包括铜、铝、铁合金、陶瓷、金属基复合材料等的金属材料的预制件。

发明背景

以下讨论的本发明的背景旨在促进对发明的理解。然而，应该理解的是，讨论并非是确认或承认如在本申请的优先权日提到的任何材料是被公开的，已知的或公知常识的一部分。

钛及其合金具有高度的氧亲和力，因此对于生产是昂贵的，因为需要使用受控空气的方法，诸如真空电弧和冷床熔炼。直接制造钛部分或产品的一个可选的方法是通过使用冷喷涂技术。在冷喷涂方法中，呈固体状态的小颗粒以超音速气体射流被加速到高速(通常高于500m/s)并且沉积在基体材料上。颗粒的动能在与基体的碰撞时通过塑性变形被用于实现粘合。无氧化存在使冷喷涂技术能够被用于由粉末成形的钛产品的近终形(nearnet shape)制造。

在一个特定的应用中，冷喷涂技术已被用于生产无缝空心管。国际专利公布号WO2009109016A1描述了一个此类方法，在此类方法中，使用颗粒的冷空气动力喷涂到包含芯轴和模具的初始基体(starter substrate)上生产无缝管，其中芯轴的外表面界定管的内表面并且模具的内表面界定管的外表面。管随后与初始基体分离。该方法在国际专利公布WO2011017752A1中通过使用可移动的初始基体被改进，初始基体该可移动的初始基体相对于形成的管可纵向移动以将形成的管逐渐地从初始基体移除。这种改进使期望长度的无缝钛或钛合金管能够形成。

虽然形成空心产品是有用的，这些管形成的方法不能被用于形成实心形状，诸如仅由喷涂沉积材料构成的棒或条，因为各个管形成方法依赖于初始基体的使用来支撑和成形形成的产品。

实心喷涂沉积组件可以通过层的逐渐沉积以期望的喷涂模式形成。然而，使用常规冷喷涂方法形成的实心形状可能具有由用于实现高速和允许颗粒的一些热软化的加速气体的加热需要导致的困难。例如，具有低孔隙度的钛合金的冷喷涂通常需要在700℃至1100℃范围预热。这不可避免地导致每次气体射流移动通过时，相当多的热传递到沉积物。加热产生热应力，甚至当冷喷涂仍然在进行中，热应力导致大沉积物中的开裂，或沉积物与基体分离。如果表面温度足够高，甚至可以发生氧化。

为了缓解该问题，冷喷涂喷嘴通常快速扫掠穿过表面，以允许在任何一个位置处的热量在下一次喷嘴通过前消散。例如，材料的大的沉积物诸如方形截面条或坯料，可以通过使用光栅喷涂方法的冷喷涂来生产，其中大的冷喷涂枪以每次通过结束时具有180°转角的紧光栅模式在静止沉积表面上以0.5m/s或更大速度移动。除了机器人臂移动枪所需的高速之外，光栅喷涂方法还在移动冷喷涂枪的机器人臂上放置相当大的张力，并且导致喷涂枪和软管中的振动，这影响沉积物的均匀性。此外，可以存在来自粉末供料器的供料波动。由于其重复地在沉积物表面间断地移动，超音速射流中的干扰进一步加剧该影响。如果沉积物的厚度仅为几毫米或更少，这些表面不规则是小的并且通常被简单忽略。然而，当沉积物增长时，不规则趋向于变得越来越夸张。碰撞在斜坡上的颗粒减少了冲击速度的法向分量，并且气体喷涂流被限制在深的脊线或凹陷中。因此，表面必须是间隔的机械加工平面，这浪费材料和时间。

因此，提供使用冷喷涂技术生产预制件的可选的方法将是满足需要的。

发明概述

本发明提供了通过冷喷涂沉积生产预制件的方法，该方法包括：

提供围绕预制件旋转轴线的初始基体，所述初始基体具有至少一个轴向端，该轴向端具有基本平坦的沉积表面；

使初始基体围绕预制件旋转轴线旋转；

使用冷喷涂沉积将材料沉积到初始基体的沉积表面上，以形成产品沉积表面，该冷喷涂沉积的方法包括冷喷涂敷料器，通过冷喷涂敷料器将材料喷涂到沉积表面上；

使用冷喷涂沉积将材料连续地沉积到相应的顶部产品沉积表面上，以形成材料的连续的沉积层；以及

使冷喷涂敷料器或初始基体和预制件产品中的至少一个相对于另一个沿着预制件旋转轴线在轴向方向移动，以保持冷喷涂敷料器和顶部产品沉积表面之间的恒定距离，从而形成选定长度的预制件产品，

其中冷喷涂敷料器在与预制件旋转轴线垂直的平面中移动，以使得在初始基体的各个相应的沉积表面或预制件产品的产品沉积表面上将材料沉积为基本平坦的表面。

本发明的方法在各个层形成之后，通过预制件的轴向移动，使所需长度的钛、钛合金或其他材料的预制件产品能够形成。本发明解决了现有技术冷喷涂沉积方法通过采用以下移动的组合的问题：当冷喷涂喷嘴的移动在与预制件旋转轴线垂直的平面中具有控制的移动时，工件围绕预制件旋转轴线旋转。该旋转确保在喷嘴和工件间的相对移动是快速的，而控制并移动喷嘴和枪的机器人或其他装置并不需要获得高速或进行快速转动。

此外，本发明的预制件产品有利地保持基本均匀的遍及的微观结构，而无在铸锭中发现的宏观分离和其他熔炼相关的缺陷，因为构成的粉末颗粒在冷喷涂过程中未被融化。

本发明生产围绕预制件旋转轴线的预制件产品。因此，预制件通常形成为圆形的预制件。应理解，此处使用术语“圆形的预制件”意指实心的、并且围绕其中央纵向轴线具有弯曲的或圆形的横截面形状的形状。圆形的横截面形状可以包括任何圆形形状，这些圆形形状包括圆形、椭圆形等等。在一些实施方案中，圆形横截面形状具有关于其中央纵向轴线的旋转对称。在其他实施方案中，圆形横截面形状关于其中央纵向轴线是非对称的，例如椭圆等等。

因此，由本发明的方法形成的预制件可以包括(但不应限于)以下中的至少一个：盘、棒、杆、棍、杖、柱体、柱子、轴(shaft)、销钉等等。在一些实施方案中，预制件包括条，其被理解为具有大于其直径的长度，例如具有其直径的至少两倍的长度。相当大直径的预制件可以通过本发明生产，仅被可用的装置的尺寸限制。在其他的实施方案中，预制件是中空的或包括一个或多个空隙。

在一些实施方案中，预制件具有沿着预制件长度的恒定的直径。在其他的实施方案中，预制件以沿着预制件长度的可变的或不恒定的直径形成。具有不恒定直径的预制件包括圆锥形状、圆锥截面、具有梯级或锥度的形状(大直径到较小的直径)等等。在一个实施方案中，直径以恒定的方式贯穿或沿着预制件长度变化。

还应该理解，术语“顶部产品沉积表面”是预制件产品的外部或最新的沉积层的沉积表面，轴向地最接近冷喷涂敷料器。

冷喷涂敷料器在与预制件旋转轴线垂直的平面中移动，以使得在初始基体的各个相应的沉积表面或预制件产品的产品沉积表面上将材料沉积为基本平坦的表面。该平面由两个轴线(X和Y)限定，两个轴线中的每个轴线与预制件旋转轴线垂直，当喷涂材料以形成产品预制件时，冷喷涂敷料器的沉积运动在该平面中相对于这两个轴线移动。如下面描述的，为了在初始基体的各个相应的沉积表面或预制件产品的产品沉积表面上沉积材料的各个相应的层，该移动可以是线性的，沿着该平面内的多边形形状或其他路径行进。

如以上提到的，重要的是保持基本平坦的沉积表面，以缓解且更优选地基本避免形成沉积的材料并因此其微观结构中的缺陷或其他不规则性。基本平坦的沉积表面通常包括平面表面，该平面表面优选地与预制件旋转轴线垂直定向。因此，沉积材料的平坦的表面优选地通过冷喷涂敷料器的控制的移动保持。

在一些实施方案中，这可以通过冷喷涂敷料器的移动的控制实现，以使得冷喷涂敷料器相对于沉积表面的瞬时速度与冷喷涂敷料器到预制件旋转轴线的径向距离成反比。优选地，初始基体和附接的产品预制件的旋转速度是基本恒定的。

应该注意，初始基体和附接的产品预制件的旋转速度还可以被控制和改变，以改变冷喷涂敷料器和沉积表面的相对速度。此外，冷喷涂敷料器相对于沉积表面的瞬时速度可以被控制以与冷喷涂敷料器到预制件旋转轴线的径向距离成反比，并且在该实施方案中还导致初始基体和附接的产品预制件的旋转速度的变化。

在一些实施方案中，冷喷涂敷料器可被控制为恒定的速度，并且初始基体和产品预制件(当被形成时)围绕预制件旋转轴线X-X的旋转速度可以根据冷喷涂敷料器距预制件旋转轴线的径向距离来控制。如可被理解的，这还改变冷喷涂敷料器和沉积表面之间的瞬时速度。

喷涂敷料器的沉积模式和相关的移动还可以影响材料的沉积层的形态。因此优选地，喷涂敷料器的沉积模式和相关的移动还是被控制的。在一些实施方案中，控制的移动包括在至少两个点间的线性周期运动。例如，控制的移动可以包括在两个点——点A和点B间的线性周期运动。

在第一种喷涂方法中(喷涂方法1)，点A在预制件产品的沉积表面的边缘，而点B接近相应的沉积表面的中央或在相应的沉积表面的中央。因此，在喷涂方法1中，喷嘴在与预制件旋转轴线垂直的平面中在点A和点B之间线性地来回移动。相对于靠近点A的喷嘴速度，喷嘴速度靠近点B时更高。

在第二种喷涂方法中(喷涂方法2)，点A和点B在相应的沉积表面的边缘处或邻近相应的沉积表面的边缘，优选地位于沉积表面的相对侧。在喷涂方法2中，喷嘴在与预制件旋转轴线垂直的平面中在预制件的边缘在点A和点B之间线性地来回移动。当从点A朝向点B或从点B朝向点A移动时，喷嘴速度开始增加，在最接近预制件旋转轴线的点(点C，其距点A和点B等距)达到最大，并且然后减小。

如可被理解的，喷涂敷料器的速度与到预制件旋转轴线的径向距离的反比关系理论上将需要喷涂敷料器在预制件的中央(预制件旋转轴线)以无限的速度移动。因此，在一些实施方案中，喷涂敷料器的移动被配置为具有从行进通过预制件旋转轴线的平行路径的径向偏移。该偏移通常是小的距离，例如从0.1mm到15mm，并且优选地从0.5mm到10mm。该小的偏移还允许在喷涂束的边缘的颗粒“填充”预制件的中央部分。这是可能的，因为喷涂束通常呈现一些程度的发散，这主要取决于喷嘴设计。例如，具有圆形横截面喷嘴的喷涂敷料器在基体表面上产生圆形的斑点图案。

在另外的喷涂方法中(喷涂方法3)，控制的移动包括在四个点——点A、B、C和D间的线性周期运动。在优选的实施方案中，点A、B、C和D界定规则多边形的顶点，优选地正方形或长方形，并且控制的移动包括在与预制件旋转轴线垂直的平面中在相应的点之间沿多边形形状行进的线性移动。在一些实施方案中，规则多边形包括具有从0.1mm至15mm的高度，并且优选地从0.5mm至10mm的高度的长方形。

因此，在喷涂方法3中使用四个点——点A、B、C和D，并且喷嘴沿着围绕这些点的长方形或正方形路径行进。优选地，点A和B与点C和D在相应的沉积表面/预制件的相对的边缘上。在一些实施方案中，存在将点A与点B分开的小的距离，例如0.5mm到10mm，并且存在将点C与点D分开的相同的小的距离。在从点A到点B，以及类似的从点C到点D的移动中，冷喷涂敷料器相对于沉积表面的瞬时速度可以被控制为与冷喷涂敷料器到预制件旋转轴线的径向距离成反比。在从点B到点C的移动中以及从点D到点A的移动中，优选地使用相对快速的喷嘴移动。

在又一个实施方案中，冷喷涂敷料器以相对于沉积表面的螺旋模式移动。

应当理解，使用这些和其他喷涂模式，使用本发明的方法，通过初始基体和形成的预制件产品的旋转以及冷喷涂敷料器相对于相应的沉积表面的相应的移动，可以制出圆形横截面。应该理解的是，非对称圆形形状(诸如椭圆形状)可以通过使初始基体和形成的预制件产品的旋转运动与冷喷涂敷料器的侧向移动同步来产生。

冷喷涂敷料器可以通过任何适合的方式移动。在一个实施方案中，冷喷涂敷料器的移动被多轴机器人臂控制。在另一个实施方案中，冷喷涂敷料器的移动被线性致动器控制。

冷喷涂设备通常包括呈具有喷嘴的冷喷涂枪形式的冷喷涂敷料器。喷嘴通常包括出口孔，通过该出口孔喷涂沉积材料，喷嘴使喷涂的沉积材料在所需的方向上定向。使用时，喷嘴优选地在移动期间与预制件旋转轴线基本对齐或平行。然而，在一些实施方案中，当在沉积表面的外边缘处或靠近沉积表面的外边缘时，喷嘴可以朝向预制件旋转轴线的中央以一定的角度定向。当喷嘴的移动接近沉积表面的外边缘(对应于预制件产品的边缘)时，喷嘴优选地移动到该角度。在该实施方案中，每次喷嘴接近预制件的边缘时，冷喷涂喷嘴转动，以使得其朝向预制件的中央向内成角度。该技术可被用于控制预制件边缘的生长，使得预制件保持恒定的直径。

初始基体被用作用于形成预制件产品的起始或初始表面。初始基体可以包括以下的至少一个：

·具有相配的材料性质的基体；或

·由不同的材料制成的基体。

如可被理解的，优选地是，初始基体的材料是沉积的材料将附着到其上的材料。因此，具有相配属性的材料，并且更优选地，相同或基本相似的材料是优选的，因为沉积的冷喷涂材料会与此类材料结合。在一些实施方案中，初始基体由冷喷涂方法制成。在一些实施方案中，初始基体包含初始预制件，并且更优选地包含使用本发明的方法形成的预制件。

初始基体可以具有任何合适的尺寸。在一些实施方案中，初始基体具有至少与预制件产品相同的直径，优选地比预制件产品大的直径。

可能需要的是，一旦预制件产品被形成，特别是当初始预制件与预制件产品不具有相同的材料成分时，将预制件产品与初始基体分开。因此，本发明的方法可以进一步包括从初始基体移除预制件产品的步骤。这通常发生在形成预制件的冷喷涂沉积方法结束时或之后。将预制件产品与初始基体分离可以通过任何合适的方式实现，这些方式包括机械的诸如切割、裂开、破裂、破碎、剪切、破裂等等，或通过其他方式包括初始基体的溶解、融化、蒸发等等。

用颗粒涂覆的初始基体的轴向端表面将影响要生产的预制件的相应表面的特性。所需的是，要涂覆的初始基体的轴向端表面是光滑和无缺陷的。当要涂覆的初始基体的轴向端表面是光滑和无缺陷的(缺陷例如划痕、凹痕、坑、空洞、气孔、夹杂物、标记等)时，生产的预制件也应该是光滑和无缺陷的。如以上注意的，初始基体的轴向端表面优选地是基本平坦的(基本平面的)。在一些实施方案中，初始基体的轴向端表面包含相对于预制件旋转轴线径向平坦的表面。

沉积的材料可包含任何合适的材料，优选地任何合适的金属或其合金。在一些实施方案中，材料包含以下的至少一种：钛、铜、铝、铁或其合金。一种感兴趣的特定金属合金是合金Ti-6Al-4V。该材料优选地使用本发明的方法生产为预制件。当被生产时，预制件产品优选地具有至少80％密度，优选地至少90％密度，和更优选地至少95％密度。应理解，所生产的预制件的密度是部分材料依赖的。在一些实施方案中，材料包含陶瓷或玻璃。在其他实施方案中，可以制造由至少两种不同的金属的复合材料或至少一种金属和至少一种陶瓷的混合物组成的预制件。例如，两种或更多种不同粉末或复合颗粒(由多于一种材料组成的颗粒)的混合可用作原料。

在一些实施方案中，被冷喷涂采用的成分可以沿着要生产的预制件的长度改变。这在产品特征方面可以提供灵活性。例如，通过改变如在不同端之间的成分，可以生产金属预制件，诸如在相对的轴向端具有不同焊接特征的条或棒。可选地，如果预制件性质(例如，热膨胀系数)沿着预制件长度改变是所需的，那么预制件成分可以相应地改变。因此，预制件可以包含不同材料的离散的长度，或预制件的成分可以沿着预制件的长度逐渐地改变，或预制件可以包含这些配置的组合。

如果要由多种材料制造预制件，那么必须考虑不同材料的相容性。如果两种或更多种推荐的材料在一些方面(例如凝聚/粘合)是不相容的，通过互相相容的材料的一个或多个区域分离不相容的材料可以是必要的。可选地，预制件可以被制造，使得在从一种材料到下一种材料的成分上存在逐渐的变化，以减轻在使用的材料之间的任何不相容性问题。

任何合适的颗粒/粉末可以与本发明的方法一起使用。通常将选择使用的粉末/颗粒及其性质以满足特定预制件产品的所需的性质、组成和/或经济性。通常，冷喷涂采用的颗粒的尺寸是从5微米至45微米，具有15微米至30微米的平均颗粒尺寸。然而，应该理解，颗粒尺寸可以根据使用的粉末的来源和规格改变。类似地，在一些应用中还可以使用较大的颗粒，例如颗粒尺寸高达约150微米。本领域技术人员将能够基于粉末的形态和要形成的预制件的特征，确定要使用的优化的颗粒尺寸或颗粒尺寸分布。适用于在本发明中使用的颗粒是商用可得的。

应该理解的是，被冷喷涂的颗粒的平均尺寸可能影响材料的得到的层沉积的密度，因此影响形成的预制件的密度。优选地，沉积是均匀密度且无缺陷的、无连接的微孔的(渗漏)等等的，因为这些缺陷的存在对于得到的预制件的质量可以是有害的。在一些实施方案中，坯料包括小孔，其通常与喷涂的颗粒大小相同。优选地，小孔在整个预制件上是均匀浓度的。

用于实施本发明的方法的装置可能是常规的形式，并且此类设备是商用可得的或个别建造的。概括地说，用于冷喷涂的设备的基础在美国专利号5,302,414中被描述和图示，该专利的内容应该理解为通过该引用被并入本说明书。许多商用可得的冷喷涂设备是可用的。应该理解，本发明不限于一种或某些类型的冷喷涂系统或设备，并且可以使用宽范围的多种冷喷涂系统和设备实施。

冷喷涂敷料器和包括的冷喷涂装置可以包括多种组件。在一些实施方案中，使用安装装置围绕预制件旋转轴线保持初始基体，安装装置包括夹钳卡盘或类似物，例如中空卡盘(feed-through chuck)。优选地，安装装置还包括至少一个支架、轴承或辊，在操作期间初始基体和/或产品预制件可以接合或以另外的方式被支撑在该至少一个支架、轴承或辊上。安装装置还可被操作地连接到围绕预制件旋转轴线的驱动臂，该驱动臂驱动围绕预制件旋转轴线保持初始基体的安装装置的至少一部分的旋转。在一些实施方案中，安装装置还可操作地连接到驱动臂，该驱动臂致动沿着预制件旋转轴线在轴向方向上保持初始基体的安装装置的至少一部分的移动。例如，使用卡盘或其他标准的夹具装置可以将初始基体锁定在合适的位置，并且车床可以被用于旋转卡盘，其中沉积在初始基体的端面上相对于卡盘的旋转轴线径向移动。在该情况下，为了生产预制件，卡盘的旋转结合喷嘴的径向移动负责在初始基体的轴向端面上建造沉积。对于相当长度和/或直径的冷喷涂预制件，可以串联使用多个喷嘴。多个喷嘴的使用还可以加速制造过程。

为了获得具有所需特征(密度、表面光洁度等)的预制件，可以控制用于冷喷涂方法的操作参数。因此，诸如温度、压力、基准距(stand off)(冷喷涂喷嘴和要涂覆的初始基体表面间的距离)、粉末进给速度以及初始基体和冷喷涂喷嘴的相对移动的参数可根据需要被调节。通常，颗粒的尺寸和分布越小，在初始基体的表面上形成的层越密实。为了允许要使用的更高的压力和更高的温度以便获得更高的颗粒速度和更密实的微观结构，或为了允许使颗粒预热，改造使用的冷喷涂设备可以是合适的。

本发明的方法使钛粉能够直接转化形成呈圆形的棒或预制件形式的金属体。随着便宜的钛粉末的出现，本发明的方法因此可以提供用于生产初级碾磨产品诸如坯料的有经济吸引力的选择，坯料在该情况下呈诸如盘、条或棒的预制件的形式。

本发明还提供了用于生产微粒(优选地大规模地超细粒度的材料)的实用的方法。在这方面，贯穿冷喷涂过程，喷涂颗粒的微观结构被基本保持和/或细化。因此，预制件可以包括含有细到超细粒度的微观结构。在预制件材料中，此类微观结构是所需的，因为其赋予了该预制件所需的性质。

附图简述

现在将参照附图的视图描述本发明，附图图示了本发明的特定的优选的实施方案，其中：

图1是本发明的冷喷涂方法启动时的一个实施方案的示意图。

图2是图1中示出的冷喷涂方法的一个实施方案的示意图，其中预制件产品被沉积到初始基体上。

图3是(A)根据本发明的实施方案用于使用两点来形成预制件的冷喷涂沉积模式的示意图；和(B)当以这种模式移动时的瞬时喷嘴速度的绘图。

图4是(A)根据本发明的实施方案用于使用两点来形成预制件的冷喷涂沉积模式的另外的示意图；和(B)当以这种模式移动时的瞬时喷嘴速度的绘图。

图5是(A)根据本发明的实施方案用于使用四点来形成预制件的冷喷涂沉积模式的示意图；和(B)当以那种模式移动时的瞬时喷嘴速度的绘图。

图6提供了附着到使用根据本发明的喷涂方法制造的初始基体的Ti-6Al-4V预制件的照片。

图7提供了使用根据本发明的喷涂方法制造的钛合金Ti-6Al-4V预制件的照片。初始基体已从预制件的底部切断并且顶部表面已被机械加工。

图8是纯钛的预制件的光学显微照片。

详细描述

本发明提供了使用冷喷涂技术形成材料的预制件(诸如盘、条、棒、圆锥体或类似物)的方法。

冷喷涂是已被用于将涂料施加到表面的已知的方法。总体而言，该方法包括将(金属和/或非金属)颗粒输送到高压气体流动流中，该高压气体流动流然后穿过使气体流被加速到超音速的收缩/扩散型喷嘴，或者在喷嘴的喉部之后，将颗粒输送进入超音速气体流中。然后，颗粒被引导到要被沉积的表面。该方法以低于基体和要被沉积的颗粒的熔点的相对低的温度进行，其中由于基体表面上的颗粒碰撞而形成涂层。该方法以相对低的温度进行，从而允许在正在被涂覆的表面上和组成该涂层的颗粒的热力学、热和/或化学效应被减少或避免。这意味着颗粒的原始的结构和性质可被保留而无另外可能与高温涂覆方法(诸如等离子体、HVOF、弧、气火焰喷涂或其他热喷涂方法)相关的相变或类似的情况。冷喷涂的基本原理、装置和方法在例如第5,302,414号的美国专利中被描述，该专利的内容应被理解为通过该引用被并入该说明书中。

在本发明中，冷喷涂技术被用于建造在初始基体的轴向端面上的预制件结构。然后，可以移除初始基体，以生成初级预制件产品。

图1图示了根据本发明的用于形成预制件的一个装置100的基本示意图。在该实施方案中，呈初始基体130形式的起始基体首先被用于提供产品预制件132(图2)被喷涂到其上的表面。图示的初始基体130是圆形条，所述圆形条具有与正在生产的预制件132的所需的外直径大约相同的外直径。然而，应该理解，初始基体可以是任何合适的形状、构型或直径，并且特别是至少与正在生产的预制件产品132的直径相同的直径。初始基体130包括轴向沉积端135，轴向沉积端135具有基本平坦的沉积表面136，操作期间冷喷涂材料沉积于该沉积表面136上。

使用安装装置134将初始基体130关于预制件旋转轴线X-X安装和保持在装置100内。虽然在图1或2中未被详细示出，但是该安装装置134可以是任何合适的夹钳或卡盘类型的装置，这些合适的夹钳或卡盘类型的装置中的许多目前可在市场上获得。在示例性实施方案中，初始基体130关于预制件旋转轴线X-X的卡盘(优选地是中空卡盘)被保持。虽然未被图示，但是安装装置134还可以包括一个或多个支架、轴承或辊，在装置100的操作期间，初始基体130和/或产品预制件132可以接合、支承或以其它方式被支撑在该一个或多个支架、轴承或辊上。

安装装置134的至少一部分围绕预制件旋转轴线X-X被可操作地驱动，这进而驱动初始基体130围绕轴线X-X在箭头R的方向上旋转。许多合适的旋转装置是可能的，包括但不限于驱动轮、转盘、车床装置等。在一个实施方案中，使用附接到车床的卡盘和用于旋转卡盘的车床，初始基体130可被锁定在合适的位置。

一旦初始基体130被安装在安装装置中，初始基体130围绕预制件旋转轴线X-X旋转。冷喷涂敷料器，在此情况下的冷喷涂枪140，用于将所需的材料喷涂到初始基体130的沉积表面136上。如可被理解的，冷喷涂枪140包括喷嘴142，材料通过该喷嘴142以喷涂流144被喷涂和定向到沉积表面136上。冷喷涂枪140将惰性运载气体和材料供给颗粒的来源提供给喷嘴142。冷喷涂枪140和附接的喷嘴142可能是常规形式，并且总体而言，设备的基础是如在美国专利5,302,414中描述和图示的。材料颗粒被夹带在运载气体中，并且运载气体和颗粒被加速到超音速的速度。因此，离开喷嘴142的喷涂物144包括运载气体和夹带的材料颗粒的射流。

使用该方法中常见的任何气体，例如氮气或空气，可以操作冷喷涂枪140和相关的冷喷涂系统。有时使用氦气，因为氦气提供更大的颗粒加速度。例如，钛及其合金使用氮气可以获得可接受的结果。然而，如果与颗粒的可能反应是个问题的话，那么氩气可以是有用的替换物。

冷喷涂枪140被机器人臂146控制以关于三维轴线(X、Y和Z轴线中的每个)移动。然而，应该理解，冷喷涂枪140可以以任何合适的方式移动，包括线性致动器或其他方式。在喷涂应用之前，喷嘴142的端部148被带到距离沉积表面136合适的沉积距离D。为了在沉积表面136上提供所需的沉积模式，沉积距离优选地是10mm至50mm，更优选地是20mm至30mm(取决于冷喷涂枪140)。

当喷嘴142定位在距离沉积表面136所需的沉积距离D时，开始从喷嘴142喷涂材料颗粒。机器人臂146被用于相对于预制件旋转轴线X-X使冷喷涂枪140和喷嘴142径向移动喷涂(关于在图1和2中示出的X和Y轴线)以使材料冷喷涂到初始基体130的沉积表面136上。在这种情况下，初始基体130的旋转结合喷嘴142的径向移动负责用于在初始基体130的沉积表面136上建造沉积。如图2中示出的，许多喷涂模式可用于形成材料的各个沉积层137，该材料的各个沉积层137形成产品预制件132。一些合适的喷涂模式的实施例在下面更详细地描述。

冷喷涂枪140和喷嘴142用于在初始基体130的沉积表面136上喷涂第一沉积层。喷涂到沉积表面136上的颗粒结合到沉积表面136的一部分上。为了保持喷嘴的端部148和轴向沉积端135的顶部喷涂层137之间的恒定距离D，通过沿着轴线X-X移动初始基体或喷嘴142或二者，初始基体130的位置相对于喷嘴144沿着预制件旋转轴线X-X移动。然后操作冷喷涂枪140将另一层的材料沉积到在轴向沉积端135上的材料的顶部喷涂层137上，从而延伸产品预制件132的长度。

在一些实施方案中，初始基体130和产品预制件132沿着轴线X-X在纵向方向上远离冷喷涂嘴142缓慢通过中空卡盘，使得当预制件生长时，保持在喷嘴端部148和预制件的平坦的表面(沉积表面136)之间的恒定距离。在其他实施方案中，喷涂枪140和喷嘴142在纵向方向上沿着轴线X-X远离产品预制件132和初始基体130的轴向沉积端135移动。在另外的其他的实施方案中，使用以上两种移动的组合。

预制件132在箭头S(图2)的方向上和/或喷涂枪140在箭头T(图2)的方向上的移动以等同于需要建造产品预制件132的各个层的颗粒的速度的缓慢的速度持续完成。以这种方式，产品预制件132持续形成，并且可以任何所需的长度形成。

为了使产品预制件132在整个横截面区域上以恒定的速度生长，在每个冷喷涂沉积期间，新近沉积的材料在轴向沉积端135上的顶部层137上应该不断地保持基本平坦的表面。使用下面描述的喷涂模式和方法来保持该平坦的表面。

当达到形成的预制件132的所需长度时，初始基体130被从形成的预制件132的剩余部移除。预制件132与初始基体130的分离可通过任何合适的方式实现，这些合适的方式包括机械的诸如切割、裂开、破裂、破碎、剪切、破裂等，或通过包括初始基体的溶解、融化、蒸发等的其他方式实现。

如以上所注意的，为了在每个冷喷涂沉积期间使新近沉积的材料在轴向沉积端135上材料的顶部层137上保持平坦的表面，产品预制件132在整个横截面区域上应该以恒定的速度生长。使用喷涂模式保持该平坦的表面，在该喷涂模式中，由冷喷涂喷嘴142以距预制件旋转轴线X-X的任何径向距离花费的时间的量与从喷嘴142(被看作是沿着喷嘴142的轴线N-N(图1和2)的径向中心)到预制件旋转轴线X-X的径向距离成比例。在这些喷涂模式中，粉末/颗粒通过喷嘴142的供料速度是基本恒定的，并且初始基体和附接的产品预制件的旋转速度是基本恒定的。

以上的条件，可被无限数目的不同的喷涂方法满足。以下的三种喷涂模式提供了可以满足以上条件的喷涂模式的非限定的实施例。然而，应该理解，本发明不应被这些喷涂模式限制，并且多种其他喷涂模式是可能的。在每个实施例中，喷嘴142的移动可被多轴机器人臂控制。

喷涂方法1：

如图3(A)所示，在喷涂方法1中，喷嘴142在两点——点A和点B1之间来回移动。点A在预制件132的边缘，而点B1接近预制件132的中央或在预制件132的中央。喷嘴142移动经过端135的瞬时速度被控制为与从喷嘴142的端部143到预制件旋转轴线X-X的距离成反比。如图3(B)所示，因此相对于喷嘴靠近点A的速度，喷嘴142靠近点B1的速度更高。

喷涂方法2：

如图4(A)中所示，在喷涂方法2中，喷嘴142在两点——点A和点B2之间来回移动。点A和点B2两者都在预制件132的边缘，通常在相对侧。喷嘴142移动穿过端135的瞬时速度被控制为与从喷嘴142到预制件旋转轴线X-X的距离成反比。如图4(B)所示，当从点A朝向点B2或从点B2朝向A移动时，喷嘴142的速度开始增加，在最接近预制件旋转轴线X-X的点(点C，其距点A和点B等距)达到最大，并且然后减小。

喷涂方法3：

如图5(A)中示出的，喷涂方法3中，使用了4个点——点A、B、C和D，并且喷嘴142沿着在它们之间的长方形路径。点A和点B与点C和点D在预制件132的对侧边缘上。存在将点A与点B分开的小的距离，例如0.5mm至10mm，以及存在将点C与点D分开的相等小的距离。在从点A到点B以及类似的从点C到点D的移动中，喷嘴142移动经过端135的瞬时速度被控制为与从喷嘴142的端部143到预制件旋转轴线X-X的距离成反比。在从点B移动到点C中以及从点D移动到点A中，可以使用相对快速的喷嘴移动。

应该理解，严格地说，如果瞬时喷嘴速度与到预制件旋转轴线X-X的距离成反比，则喷嘴142可以只一次以无限的速度穿过预制件旋转轴线X-X。事实上，可以发现削减最大速度以使得在预制件132的中央的沉积速度不显著大于在较大直径处的沉积速度是可接受的。在一些实施方案中，通过将喷嘴142移动的路径偏移小的距离，例如0.5mm至10mm，如图3(A)、4(A)和5(A)所示的，防止喷嘴142穿过预制件旋转轴线X-X可以是更可取的。喷涂束通常呈现一些程度的发散，这主要取决于喷嘴设计。例如，具有圆形横截面的喷嘴142在基体表面上产生圆形的斑点图案。因此，在喷涂束144边缘的颗粒因此应该“填充”预制件132的中央部分。

喷嘴142通常与预制件旋转轴线X-X平行对齐或近似平行。在一些实施方案中，还可能有必要的是，每当喷嘴142靠近预制件132的边缘150时(图3和4)，改变喷嘴142相对于预制件旋转轴线X-X的角度。此处，冷喷涂喷嘴142被转动，以使得其向内、朝向预制件旋转轴线X-X(以及预制件132的中央)调整角度。该技术被用于控制预制件132的边缘150的生长，以使其保持恒定的直径。

喷涂方法4：

虽然未被图示，但是第四种喷涂方法包括当初始基体130围绕预制件轴线X-X旋转时，喷嘴142以螺旋模式的移动。在该实施方案中，喷嘴142在一些实施方案中可被机器人以基本恒定的速度移动。

喷涂方法5：

可以修改喷涂方法1、2或3的任一个以及其他另外的方法，从而代替与到预制件旋转轴线X-X的距离成反比的喷嘴速度，初始基体130和产品预制件132围绕预制件旋转轴线X-X的旋转速度根据喷嘴142距旋转轴线X-X的径向距离改变。如可被理解的，这还改变在喷嘴端部148和沉积表面136间的瞬时速度。在此类实施方案中，如被机器人移动的喷嘴142的移动的速度，可以保持基本恒定。

实施例

下面的实施例中的本发明的实施方案是在从钛合金颗粒生产圆形钛合金预制件的情景下进行描述。然而，应理解，本发明使多种金属及其合金的预制件生产能够实现，并且描述不应被理解为限制实施方案仅生产钛合金预制件。

实施例1

以上描述和图示的装置100用于制造Ti-6Al-4V合金预制件。使用的冷喷涂系统和条件如下：

·冷喷涂设备：CGT动力学4000系统

·用于控制冷喷涂枪的移动的机器人臂：ABB IRB2600

·超音速喷嘴的数量：一个

·旋转安装装置：具有旋转头的车床

·车床速度1000rpm

·基准距：30mm

·喷涂角度：始终垂直于表面

·气体：氮气

·气体停滞温度：800℃

·气体停滞压力：3.5MPa

·粉末供料速度：21.4g/min

·机器人横向速度范围：7mm/s–163mm/s

原料粉末是通过气体雾化制造的Ti-6Al-4V。初始基体是铝盘。

使用如以上描述的喷涂方法3制造Ti-6Al-4V预制件。在生产预制件时，在喷涂期间通过使喷涂枪140每次重复图5中示出的路径时在箭头T(图2)的方向向后远离初始基体缓慢移动0.3mm喷涂，来保持在喷涂枪140的喷嘴142的端部144和端135的顶部层137之间的距离，以便允许沉积物的生长。当喷涂沉积结束后，初始预制件在生产的圆形盘的端部被切断。

图6示出了在用铝初始基体附着喷涂之后，Ti-6Al-4V预制件和初始基体的照片。

实施例2

以上描述和图示的装置100被用于制造Ti-6Al-4V合金预制件。使用的冷喷涂系统和条件如下：

·冷喷涂设备：Plasma Giken PCS-1000

·用于控制冷喷涂枪的移动的机器人臂：ABB IRB4600

·超音速喷嘴的数量：一个

·旋转安装装置：具有旋转头的车床

·车床速度500rpm

·基准距：20mm

·喷涂角度：始终垂直于表面

·气体：氮气

·气体停滞温度：900℃

·气体停滞压力：5.0MPa

·粉末供料速度：41.3g/min

·机器人横向速度范围：2mm/s-63mm/s

原料粉末是通过气体雾化制造的Ti-6Al-4V。初始基体是铝盘。

与实施例1类似，使用如以上描述的喷涂方法3制造Ti-6Al-4V预制件。在生产预制件时，在喷涂期间通过使喷涂枪140在每次重复图5中示出的路径时在箭头T的方向上远离初始基体向后缓慢移动1.0mm喷涂，来保持在喷涂枪140的喷嘴142的端部144和端135的顶部层137间的距离，以便允许沉积物的生长。

在冷喷涂之后，通过在车床上分割，钛沉积物被从铝初始圆盘移除。通过加工移除表面上的原材料，留下图7中示出的形状。根据该预制件的加工的表面(图7)，明显实心的、金属预制件已被制成。

实施例3

以上描述和图示的装置被用于制造进一步短的纯钛预制件。除了以下的之外，装置和喷涂条件与实施例1中的相同。

·车床速度500rpm

·粉末供料速度：13.9g/min

·机器人横向速度范围：2mm/s-80mm/s

·在每次重复图5中示出的路径时，将喷嘴远离初始基体移动0.7mm，

以便允许沉积物的生长。

在该实施例中，原料粉末是通过氢化物-去氢过程制造的商用纯的钛粉末。此外，盘形钛预制件被制造，该盘形钛预制件具有与图6和7中示出的预制件类似的构型。

在冷喷涂之后，通过在车床上分割，钛沉积物被从铝初始件移除。通过加工移除表面上的原材料，留下直径为73.9mm和8.6mm厚的盘。然后，从该盘切下薄片且然后，将该薄片进一步横切，在环氧基树脂中冷安装且使用标准的金相技术磨光。

图8示出了来自使用光学显微镜拍摄的照片的未侵蚀的微观结构。可以看到颗粒(图8中的黑色)之间的小孔。孔的浓度和分布在整个盘中是非常均匀的。通过诸如图8的显微照片的数字图像分析，孔隙度在距离盘的中央的一系列的径向距离处被测量。为了获得统计学平均值，在每个距离处，测量值选自5张显微照片。表1中给出的结果示出了全部的孔隙度的范围是4.6％-7.0％。

表1：对于代表性Ti预制件样品的孔隙度测量

距旋转轴线的距离(mm)	测量的孔隙度(％)
		0	5.3±0.2
7	4.6±0.2
		12	4.6±0.1
20	6.6±0.3
		27	5.9±0.2
34	7.0±0.1

实施例4

以上描述和图示的装置100被用于制造铜的盘形预制件。纯的、<200网眼的铜粉末被用作原料。初始基体是铝盘。除了以下的之外，使用的冷喷涂系统和条件与实施例1相同：

·车床速度500rpm；

·气体停滞温度：600℃；

·气体停滞压力：3.5MPa；

·粉末供给速度：52.4g/min；

·机器人横向速度范围：2mm/s–60mm/s。

根据喷涂之前和之后的直接供给的粉末的重量测量，确定使用了885g的粉末。通过铜沉积物添加到初始盘的重量是823g。从这两个值，可以推断沉积效率是93.1％。

冷喷涂之后，具有82.3mm直径和11.7mm厚度的圆盘被机器加工。考虑到8.86g/cm³的密度，或铜的理论密度的98.9％的密度，圆盘的重量是551.43g。

虽然实施例和所附的描述仅示出了具有圆形横截面的预制件，但是应该理解，非对称的圆形形状(诸如椭圆形状)可以通过使初始基体和形成的预制件产品的旋转运动与喷涂喷嘴的侧向移动同步来产生。类似地，应该理解，通过在冷喷涂敷料器的喷涂模式中引入无沉积区域或地带，还可以将空隙或空洞引入坯料中，在该空隙或空洞处无材料沉积。

类似地，虽然实施例和所附的描述仅示出了具有基本恒定的横截面的预制件，应理解，还可以形成具有可变或非恒定直径的预制件，诸如圆锥形状，圆锥截面或具有梯级或锥度的形状(大直径到较小的直径)的预制件。

本领域技术人员应理解，本文描述的本发明易于受到除了所具体描述的那些之外的改变或修改。应理解，本发明包括落入本发明的精神和范围内的全部的此类变化和修饰。

术语“包括(comprise)”、“包括(comprises)”、“包括(comprised)”或“包括(comprising)”在本说明书(包括权利要求)中被使用，它们应被解释为列举陈述的特征、完整的事物、步骤或组件存在，但不排除一个或更多个其他的特征、完整的事物、步骤、组件或其组的存在。

Claims (27)

1.一种通过冷喷涂沉积生产预制件的方法，所述方法包括：

提供围绕预制件旋转轴线的初始基体，所述初始基体具有至少一个轴向端，所述轴向端具有基本平坦的沉积表面；

使所述初始基体围绕所述预制件旋转轴线旋转；

使用冷喷涂沉积将材料沉积到所述初始基体的所述沉积表面上，以形成产品沉积表面，所述冷喷涂沉积的方法包括冷喷涂敷料器，所述材料通过所述冷喷涂敷料器喷涂到所述沉积表面上；

使用冷喷涂沉积将材料连续地沉积到相应的顶部产品沉积表面上，以形成所述材料的连续的沉积层；以及

使所述冷喷涂敷料器或所述初始基体和预制件产品中的至少一个相对于另一个沿着所述预制件旋转轴线在轴向方向上移动，以保持所述冷喷涂敷料器和所述顶部产品沉积表面之间的恒定距离，从而形成选定长度的预制件产品，

其中所述冷喷涂敷料器在与所述预制件旋转轴线垂直的平面中移动，以便在所述初始基体的各个相应的沉积表面或所述预制件产品的产品沉积表面上将材料沉积为基本平坦的表面。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过冷喷涂敷料器的控制的移动保持沉积材料的平坦的表面。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述冷喷涂敷料器的移动被控制，使得所述冷喷涂敷料器相对于所述沉积表面的瞬时速度与所述冷喷涂敷料器到所述预制件旋转轴线的径向距离成反比。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述控制的移动包括在至少两个点之间的线性周期运动。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述控制的移动包括在两个点，即点A和点B间的线性周期运动，所述两个点选自以下中的至少一个：

点A在所述预制件产品的边缘，并且点B接近所述预制件产品的中央或在所述预制件产品的中央；或

点A和点B在所述预制件产品的边缘，优选地位于所述预制件产品的相对侧。

6.根据权利要求2至5中的任一项所述的方法，其中所述喷涂敷料器的移动被配置为具有从行进通过所述预制件旋转轴线的平行路径的径向偏移。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述偏移包括从0.1mm至15mm，并且优选地从0.5mm至10mm。

8.根据权利要求2、3、6或7中的任一项所述的方法，其中所述控制的移动包括在四个点，即点A、B、C和D之间的线性周期运动。

9.根据权利要求8所述的方法，其中点A、B、C和D界定规则多边形的顶点，所述规则多边形优选地为正方形或长方形，并且所述控制的移动包括在相应的点之间沿多边形形状行进的线性移动。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述规则多边形包括具有从0.1mm至15mm的高度，优选地从0.5mm至10mm的高度的长方形。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述冷喷涂敷料器的移动被多轴机器人臂控制。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述冷喷涂敷料器包括具有出口孔的喷嘴，沉积材料通过所述出口孔被喷涂，所述喷嘴使所喷涂的沉积材料在所需的方向上定向。

13.根据权利要求12所述的方法，其中在移动期间所述喷嘴基本与所述预制件旋转轴线对齐或平行。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中当在所述预制件产品的外边缘处或靠近所述预制件产品的外边缘时，优选地当所述喷嘴的移动接近所述预制件产品的所述外边缘时，所述喷嘴朝向所述预制件旋转轴线的中心以一定的角度定向。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

从所述初始基体移除所述预制件产品。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述初始基体包括以下中的至少一个：

具有相配的材料性质的基体；或

由不同的材料制成的基体。

17.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述初始基体包括初始预制件。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述初始基体通过冷喷涂方法制成，优选地根据前述权利要求中的任一项所述的方法。

19.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述初始基体至少具有与所述预制件产品相同的直径。

20.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述初始基体的轴向端表面包括相对于所述预制件旋转轴线的径向平坦的表面。

21.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中使用安装装置围绕所述预制件旋转轴线保持所述初始基体，所述安装装置包括夹钳或卡盘，优选地包括中空卡盘。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述安装装置至少包括支架、轴承或辊。

23.根据权利要求21或22所述的方法，其中所述安装装置围绕所述预制件旋转轴线可操作地连接到驱动臂，所述驱动臂驱动围绕所述预制件旋转轴线保持所述初始基体的所述安装装置的至少一部分的旋转。

24.根据权利要求21、22或23所述的方法，其中所述安装装置可操作地连接到驱动臂，所述驱动臂致动沿着所述预制件旋转轴线在轴向方向上保持所述初始基体的所述安装装置的至少一部分的移动。

25.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所沉积的材料包括金属或其合金，优选地包括以下中的至少一种：钛、铜、铝、铁或其合金。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所沉积的材料包括Ti-6Al-4V。

27.一种预制件，优选地圆形的预制件，由根据前述权利要求中的任一项所述的方法形成。