CN106457399A - 用于通过预制本体制造金属部件的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种用于制造金属部件(50)的方法,该方法包括如下步骤:‑提供包套(5)的步骤(100),所述包套(5)限定金属部件(50)的至少一部分形状;‑在包套(5)中布置金属材料(7)的步骤(200);‑密封包套(5)的步骤(300);‑在预定压力和预定温度下使包套(5)经受热等静压达预定时间的步骤(400);‑可选的移除包套(5)的步骤(500);其特征在于,所述金属材料(7)包括至少一个预制的粘结本体(1、2、3、4),该预制的粘结本体(1、2、3、4)由金属粉末组成,其中至少一部分金属粉末被固结,使得金属粉末被保持在一起而成预制的粘结本体(1、2、3、4),并且其中至少一部分(1、2、3、4)预制的粘结本体(1、2、3、4)通过随后布置叠加的金属粉末层而通过增材制造来制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于制造金属部件的方法。
背景技术
热等静压(HIP)是用于制造近净成形部件和高性能材料的优选方法。在HIP中,包套(capsule)限定部件的形状,且其典型地由钢板制造。包套用金属或复合粉末填充,并经受高温高等压,以便金属粉末冶金结合成类似锻件强度的紧密部件。
热等静压适合制造具有不同材料区域的部件。典型的,这些部件通过向包套中添加粉末形式的不同材料制造。为实现每种单独材料的期望性能,因此关键在于避免混合不同粉末。
将不同粉末定位在包套中的常用技术是在粉末填充期间使用填充模板,并在密封包套之前移除模板。这种技术的缺点是:移除模板时很难控制粉末分离。这种技术还严重受限于不同粉末区域的尺寸和几何形状。
已为便于制造具有不同材料的区域的部件做出了尝试。例如,WO2010/114474示出一种方法,其中制造了聚合物材料和金属粉末制成的形体,并将该形体放置在HIP包套中的选定区域中。但是,尽管证实是成功的,但由于形体中的聚合物材料要在HIP之前移除,因此这种方法耗费时间。该方法还可能导致包套中的富碳残余物。
因此,本公开一方面是实现一种用于制造金属部件的方法,该方法解决或至少克服一个或多个现有技术的问题。
特别的,本公开一方面是实现一种允许用HIP有效制造金属部件的方法。本公开的进一步方面提供一种改进的方法,该方法用于制造具有不同材料的区域的金属部件。
定义
“金属材料”意指如下材料,该材料是金属或金属和非金属相或颗粒的复合材料。金属的例子是(但不限于)纯金属,或金属和其它元素的合金,如钢。复合材料的例子是包括硬质颗粒例如(但不限于)WC、TiC、TaC、TiN或金属基质中的硬质相的金属基质的复合材料,金属基质例如(但不限于)Ni、Co、Fe、Cr。
此处可交换地使用的“由金属粉末材料组成的粘结本体”或“粘结本体”意指如下形体,该形体具有足够强度,以允许在不损坏的情况下被人工即通过手进行处理。
发明内容
根据本发明,通过包括如下步骤的用于制造金属部件的方法满足至少一个上述提及的方面:提供包套5的步骤100,包套5限定金属部件50的至少一部分形状;在包套5中布置金属材料7的步骤200;密封包套5的步骤300;在预定压力和预定温度下使包套5经受热等静压达预定时间的步骤400;可选的移除包套5的步骤500;其特征在于,金属材料7包括至少一个预制的粘结本体1、2、3、4,其中该预制的粘结本体1、2、3、4由金属粉末组成,其中至少一部分金属粉末被固结,因此使得金属粉末被保持在一起而成预制的粘结本体1、2、3、4,并且其中至少一部分预制的粘结本体1、2、3、4通过随后布置叠加的金属粉末层而通过增材制造来制造。
增材制造是一种将离散的金属粉末层连续置于彼此之上直至预制本体形成的技术。这种技术允许制造具有复杂几何外形的形体。根据如上下文限定的本发明方法,增材制造可以是3D打印。
根据本发明,不止一部分预制的粘结本体1、2、3、4通过增材制造形成,如预制的粘结本体1、2、3、4中的两个或三个部分通过增材制造形成。根据如上下文限定的方法的进一步实施例,预制的粘结本体1、2、3、4通过增材制造来制造,即,所述预制的粘结本体1、2、3、4全部都通过增材制造来制造。
用在如上下文限定的方法中的预制的粘结本体1、2、3、4可以在没有损坏风险的情况下处理。这使得能够以高精度将预制的粘结本体定位在HIP包套中,并且当数个不同材料制成的形体(诸如两个或更多个)被布置在包套中时,不会有将不同材料混合的风险。
整个预制的粘结本体1、2、3、4可由烧结的金属粉末组成。因此,整个预制的粘结本体1、2、3、4可通过烧结来固结。烧结是一种有效的方法,用于在预制的粘结本体中实现足够强度。而且,通过选择合适的烧结温度,最终的烧结体可具有非常匹配疏松的金属粉末的孔隙率的孔隙度。因此,当包套还填充疏松的金属粉末时,烧结体会以等同于疏松的金属粉末的方式收缩和变形。反过来,这会导致最终部件的均匀、可预见的变形。
根据一个替换例,可以只有预制的粘结本体1、2、3、4的表面部分被固结。因此,预制的粘结本体1、2、3、4的表面部分将会由固结的金属粉末组成。
此外,根据一个替换例,在通过随后布置叠加的金属粉末和粘结剂层之前,粘结剂被添加到预制的粘结本体1、2、3、4的表面部分。通过例如在执行烧结之前的热处理可以去除粘结剂。
根据一个替换例,预制的粘结本体的表面部分中的金属粉末可以通过熔化之后冷却来固结。而且,根据如上下文限定的本发明方法,预制的粘结本体1、2、3、4的组成部分(如表面部分)可通过使用激光束或电子束辐照来固结。
如上下文限定的方法可用于制造阀轴50,阀轴50包括阀盘52和阀杆53;其中
-包套5限定至少一部分阀盘52;
-金属材料7由阀座1、包括芯头11的芯体2、熔覆层4以及布置在芯头11上的缓冲层3组成,芯头11限定阀盘52的内部;其中,
阀座1、缓冲层3和熔覆层4中的至少一个是金属粉末制成的预制的粘结本体。
根据一个替换例,阀座1、缓冲层3和熔覆层4中的两个可以是金属粉末制成的预制的粘结本体,其余的金属材料可以是疏松的金属粉末。由此,实现了:在没有混合不同材料的风险下可以制造阀轴,阀轴具有相当复杂的设计,该设计具有不同材料制成的三个部件。预制本体优选地被烧结,其与疏松的粉末一起引起HIP处理的阀轴的均匀、可预见的变形。
例如,至少阀座1和缓冲层3是金属粉末制成的预制的粘结本体,而熔覆层4是疏松的金属粉末。可替换的,至少阀座1和熔覆层4是金属粉末制成的预制的粘结本体,而缓冲层3是疏松的金属粉末。可替换的,至少缓冲层3和熔覆层4是金属粉末制成的预制的粘结本体,而阀座是疏松的金属粉末。可替换的,至少阀座1、缓冲层3、熔覆层4是金属粉末制成的预制的粘结本体。
芯体2也可以是金属粉末制成的预制的粘结本体。但是,芯体也可以通过锻造实心金属材料制造。
根据如上下文限定的本方法,阀座1和/或缓冲层3和/或熔覆层4通过烧结金属粉末来预制,其中烧结在低于金属粉末的熔点的温度和大气压下执行。在芯体2是金属粉末制成的预制本体的情况下,芯体2也可被烧结。
除预制的粘结本体1、2、3、4的表面部分之外,粘结剂也可被添加到预制的粘结本体1、2、3、4的其它部分。添加粘结剂到预制的粘结本体1、2、3、4的其它部分的作用是在不损坏的情况下提供预制的粘结本体1、2、3、4的人工处理,即,该预制的粘结本体可通过手处理。
附图说明
图1-3:示意性示出本发明方法的主要步骤。
图4:示意性示出通过本发明方法获得的部件。
图5:示意性示出根据本发明实施例的预制本体。
图6:示出本发明方法的主要步骤的次序的流程图。
具体实施方式
将参考制造呈阀轴形式的金属部件详细描述如上下文中限定的方法。本发明方法的主要步骤的一般次序显示在图6的流程图中。
所述实施例涉及制造二冲程船用柴油发动机的阀轴。但是,这不能理解为限制本发明,应该理解的是,本发明的方法适合于制造所有类型的金属部件,如叶轮、燃油喷嘴、转子轴和应力计环。
图4以横截面示意性示出通过本发明方法获得的阀轴50的透视图。阀轴50包括阀杆53和阀盘52。阀盘具有平坦的上表面54,上表面54在发动机中面对气缸室。平坦表面54也被称为排气表面。从横截面上看,阀轴50包括具有芯头11的芯体2,芯头11被一体形成在阀盘2中,使得芯头11形成阀盘52的内部。芯体2还包括杆部12,杆部12形成阀轴的阀杆53。阀轴50还包括阀座3、缓冲层1以及耐蚀熔覆层4。缓冲层1被布置在芯体上。特别的,缓冲层1被布置在芯头11上,处于芯头11和耐蚀熔覆层4之间以及阀座3和芯头11之间,防止碳从芯头11扩散至耐蚀熔覆层4或阀座3。碳对熔覆层和阀座3的耐蚀性和机械性能具有不良影响。耐蚀熔覆层4覆盖缓冲层和阀座,并且形成芯轴50的阀盘52的外表面。
在本发明方法的第一步骤100中,参见图1,设置了包套5,包套5限定阀轴的外形或轮廓的至少一部分。包套5由钢板制造,钢板通过例如压制或旋压成形然后焊接到一起而形成合适的形式。优选的,钢板由具有低含碳量的钢制造。例如,含碳量为0-0.09wt%的低碳钢。适用于包套的钢的例子为市售钢DC04、DC05或DC06,这些钢可从SSAB公司买到。这些钢种合适的原因在于,它们为阀轴提供最小化的碳扩散。这些钢种类进一步的优点在于:它们可易于通过酸洗移除。包套5具有圆形横截面,并且包括下圆筒部,该下圆筒部具有阀轴50的阀杆53的形式。包套5的上部具有阀轴1的阀盘52的形式。
在步骤200中,参见图2,金属材料7被布置在包套中。金属材料由阀座1、芯体2、缓冲层3和熔覆层4组成。
阀座1由市售合金Inconel 718制造。这种材料具有高韧性、高硬度和良好的耐热蚀性。其它合适的材料包括析出硬化合金,诸如包括Mo、Cr、Nb、Al或Ti中的一种或数种元素的镍基或钴基合金。适用于阀座的合金的另一例子是Ni40Cr3.5NbTi。
预成形芯体2可由含碳量0.15-0.35wt%的合金钢制造。适于预成形芯体的钢的一个例子可以为市售SNCrW钢。预成形芯体2还可通过使用增材制造来制造。预成形芯体2还可以通过锻造来制造。
缓冲层3被布置在芯体2的芯头11上。缓冲层3覆盖芯头11的上侧和边缘部。缓冲层3可由低碳钢组成,该低碳钢含碳量为0-0.09wt%。缓冲层还可与Cr合金化而成,Cr含量在12-25wt%,例如14-20wt%。缓冲层的一种合适材料为市售316L钢。在原理上,缓冲层从芯元件吸收碳,并通过富Cr碳化物的形成而将碳结合在缓冲层中。缓冲层应该足够得厚,以便在芯元件和阀座之间形成连续层。缓冲层的厚度还取决于芯元件中的含碳量以及发动机中的操作条件,例如,缓冲层的厚度的范围可以是2-10mm,例如3-7mm,如3mm或5mm。
缓冲层3的上方布置熔覆层4。熔覆层4形成排气侧4和阀盘52的周界部。熔覆层由高耐蚀合金制造,该合金可以是含有Cr、Nb、Al和Mo的镍基合金。适用于熔覆层的合金的例子是市售合金Ni49Cr1Nb或Inconel657。
根据本发明,阀座1、芯体2、缓冲层3和熔覆层4中的至少一个是由金属粉末组成的预制的粘结本体,金属粉末已经被固结,使得金属粉末被保持在一起而成粘结本体。也就是说,形体1、2、3、4足够坚固,以在不损坏的情况下手工处理,即通过手拾取并置于包套中。每一个形体1、2、3、4可以是由金属粉末组成的预制的粘结本体。还有可能的是,形体1、2、3、4中的两个或三个是由金属粉末组成的预制的粘结本体,其余的形体被提供为疏松的粉末,即没有粘接或结合的粉末。使用的金属粉末如前面部分所述。因此,阀座1可由疏松或固结的Inconel 718粉末组成。缓冲层3可由316L钢粉末组成,熔覆层4可由疏松或固结的Inconel 657粉末组成,并且芯体可由疏松或固结的SNCrW钢粉末组成。但是,典型的是,芯体通过锻造实心钢件(如SNCrW钢)来制造。
至少一部分预制的粘结本体1、2、3、4通过增材制造(如3D打印)制造。根据本发明的一个实施例,多于一个部分的预制的粘结本体1、2、3、4可通过增材制造来制造。根据另一实施例,预制的粘结本体1、2、3、4通过增材制造来制造。
一般的,在增材制造中,形体可通过堆放在彼此之上的金属粉末和粘结剂组成的混合物制成的离散层来构建。粘结剂从形体中移除,形体烧结成粘结状态。如果增材制造是3D打印,那么3D打印可例如在3D打印机“Exone M-Print”中执行,该机器可从Exone公司购买。
如果形体1、2、3、4要被烧结,则它们被放置在烧结炉中,烧结炉被加热到金属粉末的熔点之下。烧结在大气压力或真空和低烧结温度下执行,以防止形体致密化。必需要对所考虑的每种金属材料确定准确的温度。在烧结期间,金属粉末颗粒的接触表面彼此粘结,并且在冷却之后,实现预制的粘结本体。由于形体是烧结的,因此形体是多孔的,即:具有60-80vol%的孔隙率,例如65-75vol%的孔隙率。烧结预制本体的孔隙率可以收烧结温度影响。进一步,如果形体1、2、3、4包括粘结剂,则可通过使用与用于烧结相同的炉子,或者通过使用独立的去粘结设备来去除粘结剂。
根据另一实施例,预制的粘结本体为包含金属粉末的粘结壳体。图5示意性示出了根据第二实施例的粘结本体,在这一情况下是熔覆层4。形体4的整个外表面被固结成粘结壳体9,粘结壳体9封围了一定体积的金属粉末10。取决于形体的尺寸,壳体的厚度可以例如是1-3mm厚。壳体9形成保持金属粉末的容器。取决于制造方法,被壳体封围的金属粉末可为疏松的金属粉末或烧结的金属粉末。
呈壳体形式的预制的粘结体也可通过3D打印来制造,即通过将离散的金属粉末层置于彼此之上来制造。但是,这种情况下,只有各层的周界受激光烧结,因此使得只有最终形体的外表面被固结。用于该目的的合适机器可以是从EOS公司购买的EOS M 400。这种情况下,壳体由粘结烧结金属粉末组成,并且被壳体封围的金属粉末是疏松的金属粉末,即它没有被烧结。
通过电子束(EB)熔化之后冷却来固结各层周界中的金属粉末,形成壳体是可能的。这可通过从Arcam AB公司购买的Arcam Q20设备来实现。这种情况下,壳体由粘结熔化并硬化的金属粉末组成,壳体中的金属粉末通过电子束工艺产生的热量低度烧结。
在包套5中布置金属粉末材料制成的预制的粘结本体1、2、3、4之后,包套通过在包套的上方布置盖6而被闭合。盖被焊接到包套,并在包套中抽真空。最后,包套通过焊接任何开口闭合而被密封。焊接之后,包套应是气密的。
在第三步300中,填充的包套在预定压力、预定温度下经受预定时间的热等静压,以便金属材料被致密化。在HIP期间,预制的粘结本体1、2、3、4和包套5互相冶金结合,从而实现密实、扩散结合、粘结的HIP金属部件。
填充并封闭的包套5由此被放置于HIP室80中,如图3所示。HIP室用气体如氩气增压到500bar之上的等静压。典型的,等静压为900-1200bar之间。HIP室被加热至低于可能形成的熔化温度最低的材料或相的熔点之下。温度越接近熔点,形成熔化材料和不期望的相的风险越高。因此,HIP期间,炉中温度应该尽可能低。但是,低温时扩散过程变慢,并且材料将会包含残余小孔,颗粒间的冶金结合变弱。因此,温度优选为低于熔化温度最低的材料的熔点100-300℃,例如在900-1150℃之间,或1000-1150℃之间。在HIP期间,发生在包套中材料之间的扩散过程依赖于时间,所以时间长些更好。太长的时间会导致较差的HIP材料性能,因为例如晶粒长大或相的过度溶解。优选的,取决于所考虑部件的横截面尺寸,HIP工艺应进行0.5-4小时的时间段。
在可选的步骤500中,在HIP和冷却之后,包套5和盖6可例如通过酸洗或加工从金属部件50中移除。
尽管已经详细讨论了特别的替选例和实施例,但这仅用于解释目的并且不意在进行限制。尤其注意的是,各种替代、变更和修改可在随附权利要求书的范围内进行。
例如,替代制造全部的金属粉末制成的预制的粘结本体,也可以分段制造本体,如阀座,并将各段布置在包套中。这在制造大型部件时会是必需的,因为3D打印机对形体的最大尺寸进行了限制。
当使用实心芯体,即锻造芯体2时,芯体可形成包套的一部分。在这种情况下,包套被焊接到实心芯体2,该实心芯体2例如形成包套的底部。
Claims (16)
1.一种用于制造金属部件(50)的方法,包括如下步骤:
-设置包套(5)的步骤(100),所述包套(5)限定所述金属部件(50)的至少一部分形状;
-在所述包套(5)中布置金属材料(7)的步骤(200);
-密封所述包套(5)的步骤(300);
-在预定压力和预定温度下使所述包套(5)经受热等静压达预定时间的步骤(400);
-可选的移除所述包套(5)的步骤(500);
其特征在于,所述金属材料(7)包括至少一个预制的粘结本体(1、2、3、4),所述预制的粘结本体(1、2、3、4)由金属粉末组成,其中至少一部分所述金属粉末被固结,使得所述金属粉末被保持在一起而成预制的粘结本体(1、2、3、4),其中至少一部分所述预制的粘结本体(1、2、3、4)通过随后布置叠加的金属粉末层而通过增材制造来制造。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述预制的粘结本体(1、2、3、4)通过增材制造来制造。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述金属粉末通过烧结来固结。
4.根据权利要求3所述的方法,其中整个所述预制的粘结本体(1、2、3、4)由烧结的金属粉末组成。
5.根据权利要求3所述的方法,其中所述预制的粘结本体(1、2、3、4)的表面部分由固结的金属粉末组成。
6.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述预制的粘结本体的表面部分中的所述金属粉末通过熔化之后冷却来固结。
7.根据权利要求5或6所述的方法,其中所述预制的粘结本体(1、2、3、4)为包含金属粉末(10)的壳体(9),其中所述壳体(9)由熔化并固化的金属粉末组成。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的方法,其中所述增材制造是3D打印。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的方法,其中所述金属材料(7)包括至少两个预制的粘结本体(1、2、3、4)。
10.根据权利要求1-9中的任一项所述的方法,其中所述金属材料(7)包括至少三个预制的粘结本体(1、2、3、4)。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的方法,其中所述金属材料(7)包括疏松的金属粉末。
12.根据权利要求1-11中的任一项所述的方法,其中所述金属部件为阀轴(50),所述阀轴(50)包括阀盘(52)和阀杆(53);其中
-所述包套(5)限定至少一部分所述阀盘(52);
-所述金属材料(7)由阀座(1)、包括芯头(11)的芯体(2)、熔覆层(4)以及布置在所述芯头(11)上的缓冲层(3)组成;其中,
所述阀座(1)、所述缓冲层(3)和所述熔覆层(4)中的至少一个是金属粉末制成的预制的粘结本体。
13.根据权利要求12所述的方法,其中所述阀座(1)、所述缓冲层(3)和所述熔覆层(4)中的至少两个是金属粉末制成的预制的粘结本体。
14.根据权利要求12或13所述的方法,其中其余的金属材料(7)是疏松的金属粉末。
15.根据权利要求12或13所述的方法,其中所述芯体(2)是锻造体。
16.根据权利要求12-15中的任一项所述的方法,其中所述阀座(1)和/或所述缓冲层(3)和/或所述熔覆层(4)通过烧结金属粉末来预制,其中烧结在低于所述金属粉末的熔点的温度以及大气压力下执行。
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