CN1071185C - 压实制品的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

压实制品的方法和设备，其中，制品放入到容器内的第一熔盐传压介质中。第一介质加热到高的第一压实温度。容器放入到第二熔盐传压介质中，第二介质的温度低于第一介质的温度。第一介质和第二介质相通，因此，施加在第二介质上的压力可传给第一介质。施加到第二低温介质上的压力足以压实放入第一高温介质中的制品。在制品压实后，容器从第二介质中取出。此方法和设备对金属和金属间化合物铸件的内部气孔的闭合特别有效。

Description

压实制品的方法和设备
本发明涉及压实制品的方法和设备，尤其是对制品(例如金属和金属间化合物铸件)进行热等静压制，以使其内部气孔闭合，机械性能改善。
热等静压制(HIP)是使具有内部气孔的制品的孔隙闭合，从而提高其密度的广泛使用的一种技术。此技术尤其广泛用于铸造业处理金属铸件，以使其内部气孔闭合，金相组织和机械性能改善。
热等静压法是向铸件或其它制品施加高温和高气压，例如氩气压力，且在此温度和压力下保持一适当时间，以获得无内部气孔的金相组织。使用高压惰性气体进行热等静压操作的设备是非常昂贵的。此外，这种热等静压设备要达到要求的高温和高压，而且在制品压实后，温度和压力再降下来，需要很长的时间。因此，尽管为生产优质铸件普遍采用热等静压法，但它也大大增加了铸件的成本。
对于热压金属，金属间化合物和陶瓷制品，已开发了另一种试图模拟热等静压条件的替代工艺，且已投入实际应用，称为CERACON法。此方法就是把预热的制品放入模腔内，再用预热的陶瓷颗粒充满模腔，然后将液压传动推杆推入模腔内，以压迫制品周围的颗粒。在该方法中，颗粒对被压实制品施加的只是伪等静压。此外，此方法不能用于处理活性材料，例如活性金属(例如钛和钛合金)和金属间化合物(例如TiAl)，除非将制品密封在保护性容器内，或在真空下或惰性气体中进行压制操作。
这样就需要有一种在高温和纯高等静压力下压实制品的方法和设备，其费用比以前使用的依靠惰性气体压力的热等静压法的费用还要低。
本发明的目的就是满足以上要求。
本发明涉及压实制品的方法，包括：
a)将作为第一压力传递介质的熔盐放入到容器中的制品周围；
b)将第二流体介质放入所述容器周围；
c)所述第二介质中产生的压力足以压实放入所述第一介质中的所述制品，所述制品置于所述容器中；
d)使所述第一介质和所述第二介质相通，因此，施加于所述第二介质的压力可传给所述第一介质；
其特征在于，所述第二介质也是熔盐，所述第二介质中产生的压力是通过向第二介质施加压力而得到的。
第一介质和第二介质可以是同样的熔盐，也可以是不同的熔盐。
在本发明的一实施例中，第二低温介质放入到第二容器中，通过推入第二容器，且与第二介质接触的活塞，将压力施加在第二介质上。施加于第二介质的压力可传给第一高温介质，以等静压的方式施加在第一介质中的制品上。
本发明也涉及压实制品的设备，包括：
a)第一容器，盛放需压实的所述制品和放入在所述制品周围且作为第一压力传递介质的熔盐，
b)第二容器，用于盛放第二流体介质和带有所述制品及所述第一介质的所述第一容器；
所述第一介质和所述第二介质的传递装置，使得所述第二介质的压力被传递到所述第一介质；
其特征在于，所述第二介质也是熔盐，还包括向所述第二介质施加压力的装置，该压力足以压实放入所述第一介质中的所述制品。
第一介质和第二介质可以是同样的熔盐，也可以是不同的熔盐。
在本发明的一实施例中，第一介质和第二介质通过第一容器上的开口相通。
在本发明的另一实施例中，将压力施加于第二低温介质的装置包括用于与第二容器内的第二介质接触的活塞。
在实施本发明时，施加在第一介质中制品上的压力实际上是等压的，因此，向制品各个方向施加的压力是均匀的。以上述方式利用液压传递介质压实制品，例如金属和金属间化合物铸件，提供了一种费用低、周期短的热等静压法。此外，在可选择的第一介质中压实制品，可以防止制品氧化。
对于所需压制温度低的铸件(例如铝铸件为1000°F)，以上所述的第一、第二传压介质可使用同样的熔盐。
从以下的详细说明和附图中将会明显地看到本发明的其它目的和优点。
图1是根据本发明的一实施例实施本发明方法的设备的剖视图。
图2是装有压实铸件的铸造支架或型架的剖视图。
图3是沿图2的3-3线看铸造型架的视图。
图4A、4B和4C是根据本发明的另一实施例实施本发明方法的设备的剖视图。
图1表示根据本发明的一实施例压实多种制品(例如根据本发明的一实施例方法铸造的内燃机阀10)的设备。阀10可以是熔模铸造的原子百分比为50％Ti-50％Al的内燃机排气阀。图2中的金属间化合物阀包括通常形式的阀杆10a和阀头10b。然而，本发明不限于压实内燃机阀，而且可用于压实任何制品。此外，本发明不限于压实金属间化合物制品，而且可用于压实的制品包括金属、金属间化合物、陶瓷和其他材料。压实TiAl金属间化合物的内燃机阀10仅仅是为举例说明而提供的，本发明并非局限于此。
此设置包括第一内陶瓷容器20，它有一个圆柱形的内腔20a，用以盛放第一液压传递介质22，在介质中放有用于压实的阀10。第一传压介质22包括有熔盐，其成分是从高熔点盐中挑选出来的，以提供稳定的、高于较高的第一温度的熔点，使阀10在压力下得到压实。例如，为压实上述TiAl阀10，高温熔盐包括100％BaCl2，其稳定熔点约为2500°F，因此，在约2300°F的压实温度下，即阀10和介质22为2300°F，阀10能被压实。
阀10可放在适当的型架(例如型架30)上，型架包括下面的陶瓷(例如氧化铝)支承构件32,33，它们可容纳10个阀10。尤其是，在中心阀10周围，有6个阀10相间环绕在下面的构件32上，有3个阀10放在构件33上。构件33包括容纳阀头10b的相配的凹槽33a和竖直开口33b，这样，阀杆10a穿过其中向上延伸，如图2-3所示。
型架30也包括上面的陶瓷(例如氧化铝)支承构件34,35，它们也容纳10个阀10。在中心阀10周围，有6个阀10相间环绕在上面的构件34上。有3个阀10放在下面的构件35上。构件34,35包括容纳阀头10b的相配的凹槽34a,35a，和竖直开口34b,35b，这样，阀杆100穿过其中向下延伸，如图2-3所示。
在上支承构件34,35上的阀10和下构件32,33上的阀布置的排列形式相同，但相错一定角度，因此，上阀可安装在下阀之间。上面的支承构件34,35通过三个互成120°角的直立的支柱36(图中示出2根)支撑在下面的支承构件32,33上。以上所述的型架部分和阀10通过重力装配在一起，没有紧固件和其它类似的东西。
如图1所示，在第一容器20的内腔20a内，可有多个型架30(图中示出2个)，一个在另一个顶上排列。如图所示，在图1的设备中用2个型架30可压实总共40个阀10，每个型架支撑20个阀10。
设备包括盛装第二传压介质42的第二金属容器40，第二介质的温度低于第一介质的温度，即低于第一容器20内的熔盐22的温度。第二介质包括有熔盐，其成分是从低熔点和高熔点盐中选择出来的，以提供所需的低温。为压实上述TiAl阀10，熔盐为BaCl,CaCl。和NaCl以一定比例制成的混合物(例如35％BaCl,45％CaCl和20％NaCl，重量百分比)，以提供稳定的熔点(约850°F)，因此，当介质42为1000°F的最低温度时，阀10即可被压实。
如图1所示，第一容器20包括上盖板48，它使第一介质(第一熔盐)22和第二介质(第二熔盐)42相通，这样，施加于第二介质42的压力可传给第一介质22。相通情况受小孔或开口(例如开口46)大小的影响，为避免压制过程中容器20内的高温熔盐与容器40内的低温熔盐不适当的混合，应限制开口的尺寸(例如直径为1/2英寸)。上盖板48也可以是多孔陶瓷纤维材料的，从而使流体压力从此传递。上盖板48通过重力支撑在容器20上。
第二容器40是一具有圆柱形模腔50的金属模，模腔50内装有第一容器20。金属模40包括一上开口端40a，用于接受一液压机或类似压力机的活塞或压头52；例如可以是普通500吨液压机的活塞。周边密封构件60(由钴合金3制成)放在活塞和金属模之间的活塞52周围，在所述压制过程中，它一般可承受住25000磅/英寸2的压力。容器或称金属模40支撑在液压机的底座(图中未示出)上，或用螺栓固定在适当的支架上。
活塞52有将压力施加于第二介质42的装置，第二介质42的压力通过开口46传给第一容器20内的第一介质22。在相应的压制温度下，选择的由活塞52施加的压力足以压实放入第一容器20内第一介质22中的阀10。活塞52包括通向外界的排气通路54，因此，当活塞52开始推入模腔时，模腔50内的空气可排出。在空气排出后，活塞52上的排气通路54由空气排气阀56(示意地表示)关闭。
在如图1所示的压实型架30上的40个铸造TiAl阀所用的设备中，容器或金属模40由合适的镍基超级耐热合金(例如IN718)制成，其外径为19英寸，高34英寸。在压制过程中，金属模40最大能承受住约66000磅/英寸2的圆周应力。模腔50的内径为7英寸，高24英寸。陶瓷容器20由氧化铝制成，其外径为5英寸，高18英寸。内腔20a的内径为4英寸，高17.5英寸。容器20放置在模腔50下面的金属(例如IN718)台58上。活塞52由440型不锈钢制成，其外径约为6.99英寸。
在实施本发明方法的实施例中，为压实铸造TiAl阀10，如图2-3所示，阀10首先放在型架30上。型架30再装入陶瓷容器20内。BaCl2熔盐装入到容器20内的型架30周围。随后将上盖板48放在容器上。然后，将容器放入到适当的加热装置(如熔融盐槽加热装置，图中没有表示)中，加热到要求的等静压制温度。在本发明的一实施例中，为了以上所述的铸造TiAl阀10的等静压，使用熔盐的压制温度为2300°F。当然，如果阀10由其它材料制成，所使用的等静压温度也不同。根据压制的材料不同，使用的压制温度的范围为600-2500°F。
被加热的盛放熔盐介质22的容器20和放在熔盐介质22中，型架30上的阀10置于模腔50内，为提供温度适当的熔盐介质42，模腔50已被预热(用一套电阻加热装置41示意地表示)。为在2300°F下，压实熔盐介质22中的铸造TiAl阀10，模腔50中的熔盐介质42最低要预热到1000°F。
尤其是，当35％BaCl2,45％CaCl2和20％NaCl(重量百分比)的混合物装入模腔50时，混合物要通过电阻或感应加热装置41加热到最低温度(1000°F)。此最低温度1000°F用来减少阀10的冷却。
在经加热的容器20放入金属模40以后，活塞52立即下落或推入模腔50内，以便使容器20内的阀在承受高的等静压制压力之前，其温降最小。活塞52开始推入到模腔50中时，由于排气通道54是敞开的，因此模腔内的空气可以排出。然后关闭空气排气阀56，活塞52继续推进与熔盐介质42接触，以施加所需的等静压制压力。低温熔盐介质42将施加的压力通过开口46(或二者之间的其它传压装置)传给容器20内的高温熔盐介质22和型架30上的阀10。对于在2300°F下铸造TiAl阀10，典型的等静压制压力约为25000磅/英寸2。此压力足以使阀的铸造显微组织中的内部气孔闭合。等静压力施加在阀10上的时间大约只有1分钟。当然，对于其它材料制成的阀10(或其它制品)，等静压制温度、压力和在温度/压力下的持续时间将是不同的，而且要进行选择，以使阀(或其它制品)压实。
在阀10等静压制后(例如施加等静压力1分钟后)，活塞52抬起，然后容器20从模腔50中取出。热等静压阀10可从容器中取出后放入到惰性气氛中，以冷却至室温，或在容器20中冷却到室温，然后再从容器20中取出。
对上述方式热等静压的铸造TiAl阀10所进行的金相分析表明，阀无内部气孔。
图4A，4B和4C表示本发明的另一实施例的设备。它除了将压力施加于热模中的第二传压介质的装置外，其它设备与上文图1-3中所述的设备相类似。在图4A,4B和4C中，带撇号的相同的参考数字与图1-3中相同的数字具有相同的功能。
参考图4A，里面的第一陶瓷容器20＇放入热模40＇内，在容器20＇内高温熔盐(第一传压介质22＇)中，有支撑在型架30＇(一个落在另一个上)上的阀10＇。金属模40＇盛有低温熔盐(第二传压介质42＇)环绕着第一容器20＇，它通过盖板48＇上的开口46＇(或容器与金属模之间的其它开口装置)与第一介质22＇相通。
热模40＇支撑在下面固定的框架80＇上。上面可移动的框架82＇在金属模40＇顶上。上面的框架82＇用吊车或上压板(图中未示出)移动。上框架82＇包括周边构件82a＇和带有突出部分82c＇的横粱82b＇，以及对准在金属模40＇的内腔50＇上面的中心开口82d＇。开口82d＇可以接纳液压缸92＇的推杆90＇，液压缸安在框架上。
如图4A所示，在框架82＇放在金属模40＇上以前，将合适材料的薄板100＇(例如1/16英寸厚的低碳1010钢的薄板)放在金属模40＇上，以便盖上金属模的上开口40a＇和第二介质42＇的表面。薄板100＇包括周边部分100a＇和放在金属模开口40a＇内的中心部分100b＇。对于直径为7英寸的模腔50＇，使用的薄板直径为10英寸。
如图4B所示，上框架82＇向金属模40＇下落，直到横粱82b＇与热模40＇的上端接触为止。此运动使薄板100＇和内腔50＇之间的空气压出。薄板100＇在外周边100a＇处被横粱82b＇封闭，同时突出部分82c＇与薄板中心部分100b＇接触，见图4B。然后，框架80＇,82＇用螺栓或用其它方式固定在一起。
在横粱82b＇与金属模40接触以后，驱动液压缸92＇，以使推杆90＇相对于横粱82b＇运动，将薄板100＇的中心部分100b＇推入到第二介质42＇中，使所需的压制压力通过第二介质42＇施加到容器20＇内的第一介质22＇上，见图4C。在压制过程中，薄板中心部分100b＇产生塑性变形。
在等静压制以后，驱动液压缸92＇，以提起推杆90。然后上框架82＇和框架80＇分开，并使上框架82＇升起，从而将薄板100＇拆下、废弃。然后，将型架30从金属模40＇中取出，以拿掉处于其上的经热等静压的阀10＇。
本实施例的设备优于图1-3的设备，因为可以使用小的液压缸92＇(例如力为29000磅)，通过其小直径(例如
Figure C9312103900141
英寸)的推杆90和与推杆90＇接触的大面积薄板100＇(例如对直径为7英寸的模腔，薄板的直径为10英寸)施加压力。由于这种结构，产生压制压力所需的推杆90＇的行程相对较短。
本发明的优点是，仅仅需要等静压力通过熔盐介质22(22＇),42(42＇)施加到制品(例如阀10)上，而不需要昂贵的气压装置，以上述方式利用液压传递介质压实制品，例如金属和金属间化合物铸件，提供了一种费用较低、周期较短的热等静压制方法。此外，在选择的第一介质中压实制品，可以防止制品氧化。
对于象铝那样的铸件，需要较低的压制温度(例如铝铸件为1000°F)，可使用相同的熔盐作为容器20(20＇),40(40＇)内的传压介质22(22＇),42(42＇)。即低温介质42(42＇)可代替高温介质22(22＇)放进容器20(20＇)。
尽管为说明的目的对本发明的特别较佳实施例进行了详细的说明，但是应该认识到对所公开设备的变动或改进，包括部件重新排列，都属于本发明的范畴。

Claims (14)

1．压实制品(10)的方法，包括：
a)将作为第一压力传递介质(22)的熔盐放入到容器(20)中的制品(10)周围；
b)将第二流体介质(42)放入所述容器(20)周围；
c)所述第二介质(42)中产生的压力足以压实放入所述第一介质(22)中的所述制品(10)，所述制品(10)置于所述容器(20)中；
d)使所述第一介质和所述第二介质(22,42)相通，因此，施加于所述第二介质(42)的压力可传给所述第一介质(22)；
其特征在于，所述第二介质(42)也是熔盐，所述第二介质中产生的压力是通过向第二介质施加压力而得到的。
2．按权利要求1的方法，其特征在于，所说的第一介质(22)处于第一高温下，而所述第二介质(42)处于低于所述第一温度的第二温度。
3．按权利要求2的方法，其特征在于，所述制品(10)放入所述容器(20)中，然后将加热到所述第一高温的所述第一介质(22)注入到所述容器(20)内的所述制品(10)周围。
4．按权利要求1到3中任一项的方法，其特征在于，所述第二介质(42)装入热模(40)，通过移动而与第二介质(42)相接触的施压装置(52)把所述压力施加到所述第二介质上。
5．按权利要求4的方法，其特征在于，压力通过盖在所述第二介质上的薄板(100＇)加到第二介质(42＇)上，薄板通过向所述模(40＇)移动的施压构件(90＇)与第二介质接触。
6．按权利要求1的方法，包括在所述制品(10)压实后，将容器(20)从第二介质中(42)取出的步骤。
7．按权利要求1的方法，其特征在于，所述制品(10)是金属或金属间化合物制品。
8．压实制品(10)的设备，包括：
a)第一容器(20)，盛放需压实的所述制品(10)和放入在所述制品周围且作为第一压力传递介质(22)的熔盐，
b)第二容器(40)，用于盛放第二流体介质(42)和带有所述制品(10)及所述第一介质(22)的所述第一容器(20)；
c)所述第一介质(22)和所述第二介质(42)的传递装置，使得所述第二介质(42)的压力被传递到所述第一介质(22)；
其特征在于，所述第二介质(42)也是熔盐，还包括向所述第二介质施加压力的装置(52)，该压力足以压实放入所述第一介质(22)中的所述制品(10)。
9．按权利要求8的设备，其特征在于，第一介质(22)处于第一高温下，而所述第二介质(42)处于低于所述第一温度的第二温度。
10．按权利要求8或9的设备，其特征在于，所述传递装置包括开口装置(46)，该开口装置(46)设置在所述第一容器和第二容器(20,40)之间，用于使所述第一介质(22)和所述第二介质(42)相通。
11．按权利要求8的设备，其特征在于，包括与所述第二介质(42)接触的施压装置(52)。
12．按权利要求11的设备，其特征在于，施加所述压力的所述装置(90＇,92＇,100＇)包括盖在所述第二介质(42＇)上的薄板和施压构件(90＇)，该施压构件向所述第二容器(40＇)移动，使所述薄板和所述第二介质(42＇)接触以施加所述压力。
13．按权利要求12的设备，其特征在于，所述薄板是钢板(100＇)，所述施压构件是液压缸(92＇)的推杆(90＇)。
14．按权利要求8的设备，其特征在于，所述第一容器(20)包括所述制品(10)放在其上的支持件(32,33)。
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