CN110678283B - 用于对双重微结构部件的制造进行改进的方法 - Google Patents

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Abstract

用于借助于共烧结将被称为生坯部件的至少两个生坯材料的部件焊接在一起的方法，该方法包括以下步骤：‑在所述部件的接合区域处对至少两个生坯部件进行组装以便形成生坯一件式组件，‑对生坯一件式组件进行去粘合，以及‑对一件式组件进行烧结以便获得形成最终部件的致密的一件式组件，其特征在于，两个生坯部件(10，12)各自具有不同的粉末组分，以便生产具有晶粒度不同的至少两个部件的最终部件(1)。

Description

用于对双重微结构部件的制造进行改进的方法
技术领域
本发明涉及通过“先成形后去粘合”的方法、例如粉末注塑成型(PowderInjection Moulding，PIM)方法、特别是通过共烧结的焊接方法生产金属或陶瓷部件的领域。
背景技术
以本身已知的传统方式，通过“先成形后去粘合”类型的方法(特别是PIM方法)生产部件包括四个步骤：
-提供原料或“生坯(vert)”材料
-成形(获得“生坯”部件)，
-去粘合，以及
-烧结(获得致密部件)。
例如可以通过3D打印或者在PIM方法的特定情况下通过模制来实现成形。提供原料(生坯材料)的步骤主要包括将一种或多种金属和/或陶瓷材料的粉末(形成待制造的部件)与具有聚合物基底的一种(或多种)热塑性粘合剂进行混合。使用混合器和/或挤压机在高剪切速率下执行该步骤，以便确保混合物的良好均匀性。必须在一种或多种粘合剂中掺入相对大量的粉末，以便确保将来部件的内聚力。如果混合物包含过多的粉末，则导致过高的粘度，这使得难以进行模制步骤并且有助于裂纹的出现。相反，如果混合物包含过多的粘合剂，则增加了待制造的部件在去粘合步骤期间的塌陷风险。
在PIM方法的情况下，模制步骤包括将原料(通常呈颗粒的形式)放入与塑料行业中的注塑压机类似的注塑压机中。在“先成形后去粘合”类型的其他方法的情况下，这尤其可以是3D打印。然后获得被称为生坯部件的部件，该部件已经基本上具有致密部件(最终)所需的形状。
去粘合步骤包括经由适于一种或多种类型的方法去除一种或多种热塑性粘合剂。如果该步骤控制不当，则可能是在制造期间由于出现缺陷(例如裂纹或化学污染)而对部件造成损坏的根源。在去粘合步骤结束时，部件是多孔的。
烧结步骤包括固结以及使去粘合的生坯部件致密化，以便获得最终部件。因此，部件被加热，并且这种固结和致密化伴随着体积的收缩，这取决于原料的初始组分。该步骤在高温下执行，然而，这样会使得去粘合的生坯部件的材料并未完全熔化：在热量的作用下，材料的晶粒被焊接在一起。固相烧结(部件的所有材料均呈固态)与液相烧结(部件的一部分材料已经达到其熔点)之间是有区别的。在烧结步骤结束时，获得了致密部件，即最终部件。
此外并且独立地，航空工业在过去几年中已经取得了很大的进步，例如，使得能够提高形成飞行器的发动机的部件或直升机的涡轮的部件的材料的温度能力。然而，所获得的温度增益仍然有限，并且开始承认，给定材料的化学组分和微结构不能单独地使其能够满足由规格和技术需求所设定的目标。
这是因为部件(由给定的材料形成)的性能在于其对于优化的均匀微结构在所需的各种机械性能之间实现最佳折中的能力。此外，这些性能通常是相矛盾的。
减少当前材料的限制的装置是使发动机部件的微结构适应于所述部件的周围环境在所述部件上的局部应力。
这相当于在同一部件上生产双重微结构(具有部件的一部分不同于另一部分的化学组分或晶粒度)或具有梯度的微结构(具有沿着部件逐渐变化的晶粒度或化学组分)。例如，对于在涡轮发动机中受热机械应力最大的部件之一的涡轮盘而言，该涡轮盘必须具有所谓的“细晶粒”结构作为盘孔，以在中等温度下保持其牵引和疲劳特性，以及在相同盘的周缘中具有所谓的“大晶粒”结构，以便在高温下具有最佳的蠕变和开裂性能。
当前，例如，用于生产具有梯度(或双重)结构的部件的最著名的方法是热处理，诸如文献EP 3037194 A1中所示出的。然而，与必须不得修改微结构的那些区域相比，对于必须修改微结构的部件的区域的确切位置而言，这种热处理可能缺乏精确性。此外，在误差的情况下，整个部件会报废，这可能造成昂贵的损失。
此外，在PIM中使用的包覆成型技术(以便产生具有双重微结构的最终部件)非常受限，因为在注塑步骤期间发挥作用的压力使得该压力实际上不能破坏待包覆成型的生坯部件。更一般地，一旦最终完成所考虑的结构子组件的各个部件，则无论所考虑的“先成形后去粘合”方法如何，都难以组装大尺寸的结构子组件。
PIM方法(或“先成形后去粘合”类型的任何其他方法)的优点之一在于能够对不同的部件进行共烧结，即在烧结步骤的上游对这些不同的部件进行组装，从而在烧结的同时实现将不同的部件焊接在一起。例如，这使得能够制造几何形状对于直接成形而言过于复杂的部件：因此，能够将这些过于复杂的部件分解成易于成形的单元部件的子组件，然后在烧结步骤期间将这些子组件焊接在一起。在烧结步骤之前，以生坯状态直接对各种生坯部件进行组装。
因此，本发明旨在克服的技术问题在于，借助于“先成形后去粘合”类型的方法、特别是PIM方法生产满足局部适应其微结构的需求的发动机部件。
发明内容
为此，本发明提出了一种对至少两个生坯材料的部件(称为生坯部件)进行焊接的方法，该方法包括以下步骤：
-在所述部件的接合区域处对至少两个生坯部件进行组装，以便形成生坯一件式组件，
-对生坯一件式组件进行去粘合，以及
-对一件式组件进行烧结，以便获得形成最终部件的致密的一件式组件，
其特征在于，两个生坯部件各自具有不同的粉末组分，以便获得包括晶粒度不同的至少两个部件的最终部件。因此，该方法能够发挥利用对由具有相同比例的填料的原料(包含具有不同粒度或化学性质的粉末)形成的两个生坯部件进行共烧结的优势，使得在共烧结之后能够获得具有双重微结构的单个部件。
在此说明，在此使用术语“粒度”来表示原料中的粉末的颗粒的尺寸，使用“晶粒度”来表示微结构的特征元素。先验地，这两个量之间没有任何联系。
要求保护的方法的另一优点在于，可以在去粘合步骤的上游(因此也在烧结步骤的上游)执行对由待焊接在一起的不同部件形成的组件的完好性进行监控。因此，在报废的情况下，所产生的损失基本较小，因为组装步骤是在部件的生产附加值较低的步骤之后的步骤，这与已经去粘合或甚至已经烧结的生坯部件相反。在去粘合或烧结之后检测到的缺陷导致丢弃具有高附加值的部件，这在经济上是不利的。
根据本发明的焊接方法可以包括彼此独立或彼此组合地采用的一个或更多个以下特征或步骤：
-至少两个生坯部件的粉末组分具有不同的粒度，
-至少两个生坯部件包括具有小于16μm、25μm或45μm的D90的粉末，
-至少两个生坯部件具有不同的粉末化学组分。
根据本发明的焊接方法还可以包括以下的一系列步骤：
-在这些部件的接合区域处使至少两个生坯部件进行接触，
-将焊珠添加到生坯部件，使得焊珠紧贴接合区域的形状，并且使得形成均匀的生坯一件式组件，
-对生坯一件式组件进行去粘合，以及
-对一件式组件进行烧结，以便获得形成最终部件的致密且均匀的一件式组件。
该方法的替代方案相对于现有技术具有多个优点，特别在于接合区域的表面不再是限制特征或可能的脆性来源的事实。这是因为如果必要的话，添加焊珠使得能够扩展焊接的表面(接合区域)。此外，用于进行接触的表面不再需要例如在上游通过加工进行准备：这些表面不需要完美配合，因为焊珠克服了任何的接触缺陷。
根据本发明的焊接方法可以包括彼此独立或彼此组合地采用的一个或更多个以下特征或步骤：
-在去粘合步骤之前进行加工步骤，以便对焊珠进行再加工，
-焊珠的组分类似于生坯部件的组分，
-待组装的生坯部件具有相同的组分，
-焊珠和生坯部件具有相同的组分，
-借助于注塑螺杆执行焊珠的添加，该注塑螺杆的一个喷嘴指向接合区域，以便堆积由软化的生坯材料制成的焊珠，
-通过将固态生坯材料的条带定位成与接合区域接触并且通过借助于热风枪来对该条带进行加热来执行焊珠的添加，
-焊珠的添加是自动化的。
本发明还涉及一种形成最终部件的致密的一件式组件，该一件式组件包括通过上述方法组装的至少两个部件，其特征在于，两个生坯部件具有不同的粉末组分，使得最终部件具有晶粒度不同的至少两个部分。
根据本发明的最终部件还可以包括生坯部件，该生坯部件具有不同的粉末化学组分或具有粒度不同的粉末组分。
于是，因为已经产生了双重微结构，因此烧结部件可以遵循易于实施的标准且均匀的热处理。
附图说明
当参考附图阅读以非限制性示例的方式给出的以下描述时，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将更清楚地显现，在附图中：
-图1是具有两个部分的部件的透视图，必须对这两个部分的微结构进行区分，
-图2是根据要求保护的方法的第一替代方案在待焊接的两个部件之间添加焊珠的步骤的透视图，
-图3是根据要求保护的方法的第二替代方案在待焊接的两个部件之间添加焊珠的步骤的透视图，
-图4是根据图2和图3的一个或另一个替代方案的均匀的生坯一件式组件的示意横截面视图，
-图5是根据上文所示的一个或另一个替代方案的在加工步骤之后的均匀的生坯一件式组件的示意横截面视图，
-图6是通过传统的现有技术的共烧结方法获得的最终部件的示意横截面视图，
-图7是通过要求保护的方法的一个或另一个替代方案获得的最终部件的示意横截面视图，
-图8是图1的部件的透视图，该部件的区别微结构已经被示意性地、人为放大地示出。
具体实施方式
在本申请中，术语“原料”或“生坯材料”是指根据以下材料的混合物：
-形成待制造部件的至少一种金属和/或陶瓷材料，和
-具有聚合物基底的一种(或多种)热塑性粘合剂。
该混合物通常具有颗粒的形式。
此外，在本申请中，术语“生坯部件”是指在制造过程中已经成形但尚未被去粘合的部件。因此，该生坯部件具有最终致密部件的大致形状，但是，由于该生坯部件尚未经过烧结步骤，因此尚未具有其最终尺寸。烧结步骤涉及被称为体积收缩的现象，该现象是导致部件的尺寸减小的尺寸收缩的现象。这种体积收缩取决于原料的初始组分、特别是所述原料中的填料的比例。在配方中，填料是经由机械装置分散在基底中的固态的不可混溶物质。因此，填料的比例对应于原料中粉末的体积。
如在图1中可以看到的，使用者希望生产最终部件1，该最终部件包括具有不同微结构的两个部件(或部件10、12)。
例如，使用者希望获得最终部件1，该最终部件在表面上具有小晶粒(例如以便延迟疲劳下的裂纹萌生)，并且在该部件的其余部分中具有较大晶粒(例如以便具有抗蠕变能力)。
根据在此提出的方法的生产技术包括使用包含粗粉粒度的原料形成第一生坯部件10以及使用包含较细粒度的原料形成第二生坯部件12(参见图8)。借助于PIM方法(或者例如用于形成生坯部件的3D打印类型的任何其他方法)生产两个部件10、12，上述方法在上述模制(或成形)步骤处中止。
因此，在这些生坯部件10、12的接合区域14处对两个生坯部件10、12进行组装，以便形成生坯一件式组件。特别是可以通过添加由生坯材料制成的焊珠以在生坯状态下进行这种组装，如下文中详细说明的。
如在图2和图3中可以看到的，使用者希望焊接两个部件：例如，板10和中空圆柱体12。两个部件10、12被称为“生坯”部件，即，如上文所提到的，这两个部件尚未经过去粘合步骤。
因此，两个生坯部件10、12在这些生坯部件10、12的接合区域14处进行接触。将原料中的焊珠16本身添加到生坯部件10、12，使得焊珠16紧贴接合区域14的形状。然后，组件形成均匀的生坯一件式组件。
根据图2中所示的实施例，焊珠16的堆积是使用注塑螺杆18完成的，该注塑螺杆的喷嘴20指向接合区域14。喷嘴20的出口处的温度与生坯部件10、12在模制步骤期间的注塑温度基本上相同。例如，对于申请人如今使用的原料铬镍铁合金
Figure BDA0002291343330000071
(Inconel
Figure BDA0002291343330000072
)，喷嘴20的温度为190℃。为了更好地控制该方法，注塑螺杆18可以被安装在机械臂22上，该机械臂连接到控制单元24，以允许该方法的自动化。
根据图3中所示的实施例，焊珠16的添加分两个步骤进行：
-首先，使固态生坯材料的条带26与接合区域14进行接触，
-其次，借助于热风枪28对所述固态生坯材料的条带26进行加热，以便软化条带26的材料并且形成焊珠16。
对于前述实施例，热风枪28可以被固定在连接到控制单元24的机械臂24上。如上文所提到的，这允许更好地控制添加焊珠16的步骤。
对于配方Inconel
Figure BDA0002291343330000073
的生坯材料，枪28的出口处的空气温度必须大于100℃。
两个生坯部件10、12可以具有相同的组分，或者如下所述般具有不同的组分。对于焊珠16：该焊珠可以具有与待组装的两个部件10、12的组分类似或相同(取决于两个部件10、12本身具有相同的组分)的组分。
类似的组分是指具有以下特性的组分：
-填料的组分比例与均匀的生坯一件式组件的其他构件10、12、16的组分比例相同，以便提供这些构件10、12、16中的每一个在烧结步骤期间的相同(或基本上相同)的体积收缩率，
-与均匀的生坯一件式组件的其他构件10、12、16的致密化速度相同(或基本上相同)的致密化速度，
-与均匀的生坯一件式组件的其他构件10、12、16的烧结范围兼容的烧结范围。
在添加焊珠16之后，该方法可以包括加工步骤：焊珠16处于生坯状态，即使在去粘合步骤之前也可以通过加工对该焊珠立即进行再加工，以便直接赋予该焊珠半径或特定形状，如图4和图5中所示。
预先去粘合的加工的优点在于，与在较硬的最终部件上进行加工相比，该预先去粘合的加工需要更少的能量。此外，在具有较低附加值的生坯部件上的加工误差比具有高附加值的最终部件上的加工误差具有更小的影响。
此外，如在图6和图7中可以看到的，本申请中所描述的方法使得能够在焊接PIM部件中克服由现有技术已知的共烧结施加的约束，该约束导致接合区域14由与待组装的部件10、12接触的所有初始表面30、32界定(参见图6)。由于本申请的方法提出的解决方案，是焊珠16与待组装的部件10、12之间的接触表面34、34’、36、38构成了接合区域14(参见图7)。因此，存在四个接触表面34、34’、36、38，而之前只存在两个接触表面30、32。由此产生的直接优点在于，提高了焊接后的接合区域14的机械强度。
因此，在添加焊珠16之后，均匀的一件式组件整体形成最终部件1(参见图5)，该最终部件包括两个部件10、12和焊珠16。接合区域14包括至少四个表面34、34’、36、38(属于第一部件10的第一表面36、属于第二部件12的第二表面38、属于焊珠16的第三表面34和第四表面34’)：在烧结步骤期间，第一表面36与第三表面34配合，并且第二表面38与第四表面34’配合，使得能够加强最终部件1的机械强度。
此外，如上文所提到的，无需对生坯部件10、12的接触的表面30、32进行共烧结：因为接合是通过使与焊珠16的表面34、34’接触的生坯部件10、12的表面36、38进行共烧结来进行的，该焊珠被添加到第二步骤中以便包围接合区域14的形状，待焊接的不同表面34、34’、36、38之间的接触是令人满意的并且不需要在烧结步骤的上游进行准备。
在添加焊珠16并且对该焊珠进行可能的加工之后，对均匀的一件式组件进行去粘合，然后进行烧结，以便获得均匀且致密的一件式组件，即为最终部件，如在图7和图8中可以看到的。
因此，如本申请中所描述的生坯组装部件的完整生产方法的示例的说明例如利用由Inconel
Figure BDA0002291343330000091
制成的部件执行：
-注塑待组装的部件、例如两个单独的部件10、12；
-通过本申请中要求保护的方法通过添加由Inconel
Figure BDA0002291343330000092
制成的焊珠16对部件10、12进行组装；
-如果需要，可能在接合区域14中进行再加工；
-根据为Inconel
Figure BDA0002291343330000093
定义的常规协议进行去粘合；
-根据为Inconel
Figure BDA0002291343330000094
定义的常规方法进行烧结。
在烧结期间，包含较细粒度的粉末的一件式组件的部分(对应于第二生坯部件12)具有更细的晶粒，而包含较大粒度的粉末的最终部件1的部分(对应于第一生坯部件10)具有更大的晶粒(参见图8)。
由于两个生坯部件10、12已经具有不同的粒度，于是烧结的一件式组件可以进行标准且均匀的热处理：在烧结步骤中产生了双重微结构。
可以通过改变生坯部件10、12中的每一个的粉末的化学组分(例如通过使用具有碳含量可变的镍基的超合金)而不是改变它们的粒度来获得相同类型的结果。在这种类型的超合金中，碳以碳化物的形式沉淀，并且这种沉淀的碳含量或多或少与烧结期间晶粒的增大相反。
特别地，通过使用包含化学编号为1的粉末的第一原料(第一部件10)以及包含化学编号为2的粉末的第二原料(第二部件12)来获得相同类型的结果。例如，这可以是具有高碳含量的René
Figure BDA0002291343330000101
的合金(具有化学编号为1的粉末)以及具有低碳含量的René
Figure BDA0002291343330000102
的合金(具有化学编号为2的粉末)。由于René
Figure BDA0002291343330000103
上的碳含量对晶粒在烧结期间的增大有影响，因此获得了具有双重结构的烧结的一件式组件。
各种实施例使得能够获得具有不同粒度的最终部件1。例如，利用具有小于16μm、25μm或45μm的D90的Inconel
Figure BDA0002291343330000104
粉末。也可以考虑以下情况，其中，通过采用例如含有660ppm的碳或160ppm的碳的René
Figure BDA0002291343330000105
而具有不同化学组分的两种粉末。D90的这些测量值与单独形成每个部件的原料中使用的粉末的粒度有关。
参数D90代表包括部件的颗粒的尺寸分布曲线上的一个点。该特定点表示所考虑的部件的总体积中的90％的颗粒是何尺寸。例如，如果D90为844nm，则所考虑的部件的90％的颗粒具有小于或等于844nm的直径，因此10％的颗粒具有更大的尺寸。这种测量尤其可以经由激光衍射获得。通常，为了表征部件的粒度，对D10、D50和D90进行测量。D10始终小于D50，D50小于D90。值越接近，粉末的颗粒尺寸越均匀。
技术障碍在于使用两种不同的原料(生坯部件10、12)在生坯状态下形成最终部件1。实际上，重要的是，两种原料具有相似的填料的比例(粉末/粘合剂的比例)，这保证了在烧结期间生坯部件10、12中的每一个的体积收缩是相同或基本相同的。
还要求生坯部件10、12的烧结范围彼此兼容。
还必须确保生坯部件10和12的形成允许在两个生坯部件10、12之间的接合处获得可靠的接口14。
如本申请中所描述的生坯组装部件的完整生产方法的说明例如利用由Inconel
Figure BDA0002291343330000111
制成的部件执行：
-注塑待组装的部件、例如两个单独的部件10、12，这两个部件中的一个部件具有粒度A，并且另一个部件具有粒度B；
-通过本申请中要求保护的方法对部件10、12进行组装；
-如果需要，可能在接合区域14中进行再加工；
-根据为Inconel
Figure BDA0002291343330000112
定义的常规协议进行去粘合；
-根据为Inconel
Figure BDA0002291343330000113
定义的常规协议进行烧结。

Claims (4)

1.用于将至少两个生坯材料的部件(10，12)焊接在一起的方法，所述部件被称为生坯部件，所述方法包括以下步骤：
-在所述部件的接合区域(14)处对所述至少两个生坯部件(10，12)进行组装，以便形成生坯一件式组件，
-对所述生坯一件式组件进行去粘合，以及
-对所述一件式组件进行烧结，以便获得形成最终部件(1)的致密的一件式组件，
其特征在于，所述两个生坯部件(10，12)各自由包含具有不同粒度或化学组分的粉末且具有相同的填料比例的混合物制成，以便生产具有晶粒度不同的至少两个部件的最终部件(1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生坯部件(10，12)包含具有小于16μm、25μm或45μm的D90的粉末。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括将焊珠(16)添加到所述生坯部件，使得所述焊珠(16)紧贴所述接合区域(14)的形状，并且使得形成均匀的生坯一件式组件。
4.形成最终部件(1)的致密的一件式组件，所述组件包括通过根据权利要求1至3中任一项所述的方法进行组装的至少两个生坯部件(10，12)，其特征在于，所述至少两个生坯部件(10，12)具有粒度或粉末化学组分不同的不同粉末组分和相同的填料比例，使得所述最终部件(1)具有晶粒度不同的至少两个部件。
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