CN110997195A - 使用冷喷涂形成锻造结构的方法 - Google Patents
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Abstract
一种生产具有锻造结构的产品的方法和设备。该方法包括以下步骤：将热量和压缩载荷同时施加到冷喷涂沉积预成型件的施加区域，以将包含固结颗粒结构转变成锻造结构，该压缩载荷横向施加到施加区域。向施加区域施加压缩载荷和热量使施加区域中的预成型件的材料的温度升高到材料的重结晶温度和熔点之间。
Description
相关引用
本申请要求于2017年6月20日提交的澳大利亚临时专利申请号2017902355的优先权，其内容应被理解为通过引用结合到本说明书中。
技术领域
本发明总体上涉及由粉末的冷喷涂沉积生产锻造结构的方法以及相关设备。本发明特别适用于生产钛和钛合金锻造结构，并且在下文中关于该示例性应用公开本发明将是方便的。然而，应当理解，本发明不限于该应用，而是可以适用于多种金属、金属/金属合金、金属基质复合材料等的冷喷涂沉积。
背景技术
以下对本发明背景的讨论旨在促进对本发明的理解。然而，应当理解，该讨论并不是承认或认可所涉及的任何材料在本申请的优先权日之前已经出版、已知或属于部分公知常识。
锻造材料是指从常用铸造材料，或甚至是增材制造加工材料“加工”而成的材料，以改善诸如延展性的性能。锻造材料通常没有内部和外部缺陷，例如收缩和孔隙率，这些缺陷是铸件中常见的问题，并且在高温下，在铸造成形中固有地比锻造品级更强。微结构在材料性能中起着重要作用，而表面形貌在其实用性和寿命方面也起着重要作用，因为锻造金属或合金的光滑表面有助于避免焦点加速腐蚀，例如被熔融盐或碳沉积。
制造锻造材料的常见工业实践包括热等静压或加压(HIP)，这是一种完善的工艺，可以提高多种材料(如钛、钢、铝和高温合金)的机械性能和可加工性。HIP工艺包括将成型制品密封在压力室内，并在该压力室内施加等静压和升高的温度一段选定的时间，例如在100MPa下的950℃持续4小时。通常通过加热压力室内的惰性气体对室加压。因此，热等静压(HIPing)提供了多方向的压力，其施加在处理过的制品的整个外表面上。使用此方法，可以减少或消除铸件中的空隙，并且可以将封装的粉末固结以形成完全致密的材料。此外，可以去除由于在铸造或增材制造过程中截留的气体而产生的，看起来像小的加压气泡的截留气体。因此，使用HIPing工艺，可以将微结构转变为锻造结构。
现在，包括钛及其合金在内的许多金属也采用增材制造方法来制造，例如冷喷涂技术。在冷喷涂过程中，固态的小颗粒在超音速气体射流中被加速至高速(通常高于500m/s)并沉积在基板材料上。利用颗粒的动能通过与基板碰撞时的塑性变形来实现粘结。不存在氧化能实现冷喷涂技术用于从粉末近净成形制造有形钛产品。
固体喷雾沉积组分可以通过以期望的喷雾图案逐步沉积各层而形成，参见例如申请人的国际专利公开WO2015157816。然而，使用常规冷喷涂方法形成的低孔隙率固体形状的生产可能具有形成和结构问题，这是由于达到高速度所需的加速气体的加热要求以及必需的颗粒热软化(其有利于低孔隙率沉积物的产生)。例如，具有低孔隙率的冷喷涂钛合金的生产通常需要在700至1100℃的范围内预热冷喷涂气体。每当冷喷涂气体射流穿过冷喷涂沉积物以在其上喷涂冷喷涂颗粒时，这不可避免地导致大量热量传递到冷喷涂沉积物。加热产生热应力，即使仍在进行冷喷涂，热应力也可能导致大的沉积物开裂或沉积物与基板分离。如果表面温度足够高，甚至可能发生氧化。
鉴于成功地使用HIP以从铸造材料形成锻造结构的方法，人们已努力将这种技术应用于增材制造技术。例如，Blose,R.E.等人在报告中描述了“使用冷喷涂工艺将附加特征应用于钛合金的新机会”Metal Powder Report 61.9(2006):30-37，热处理和HIPing在冷喷涂的Ti-6Al-4V固结颗粒涂层中的应用。Blose发现，单独的热处理对降低孔隙率没有影响。然而，金相分析表明，在HIP之后，所有涂层的密度都接近100％(与初始孔隙率无关)。还发现，HIPed样品的微结构与在铸造、锻造变形和再结晶材料中获得的显微结构相同。美国专利号6905728中教导了另一个实例，该专利教导了一种方法，其中将冷气动力喷涂工艺颗粒冷喷涂到涡轮叶片或叶片上，然后对该部件进行真空烧结；在真空烧结步骤之后进行HIP工艺；并在进行HIPing步骤后进行热处理。
然而，这些方法仍然存在一些缺陷。Tammas-Williams在Metallurgical andMaterials Transactions A,Vol 47/5,1939–1946中观察到，在HIP处理后，可能会出现较大的隧道缺陷。发明人自己也观察到，当使用HIP时，截留气体凝结并在材料的芯中形成大的气穴，例如参见图1(C)。使用HIP时，会在材料的芯部形成较大的气囊，参见例如图1(C)。此外，HIPing是一种能源密集、昂贵且耗时的批处理过程。它使用高压和高温，这可能很危险，需要专用设备。
因此，期望提供一种由冷喷涂来源的材料生产锻造结构的新的和/或替代的方法。
发明内容
本发明提供一种用于增材制造来源于冷喷涂固结颗粒沉积的锻造结构的方法和设备。
本发明的第一方面提供了一种生产具有锻造结构的产品的方法，该方法包括：
将热量和压缩载荷同时施加到具有固结颗粒结构的冷喷涂沉积预成型件的施加区域，以将固结颗粒结构转变为锻造结构。
其中将压缩载荷横向施加到施加区域，
并且其中向施加区域施加压缩载荷和热量使施加区域中的预成型件的材料的温度升高到材料的重结晶温度和熔点之间。
本发明的方法通过在形成冷喷涂预成型件之后对冷喷涂沉积的预成型件同时施加热量和载荷/压力，从而能够形成金属、金属合金或金属复合材料的锻造结构化产品。横向施加的选定的且同时施加的热和压缩载荷能够使多孔的固结颗粒冷喷涂结构快速重结晶为锻造结构。
将横向载荷和热同时施加到预成型件的施加区域引起固结的冷喷涂颗粒结构向其中的锻造结构的结构转变(重结晶)。尽管不希望受到任何一种理论的限制，但是认为所施加的热量提供了足够的热能，以将施加区域中的预成型件材料的局部温度升高到高于材料的重结晶温度但低于材料的熔点。因此，冷喷涂沉积材料的晶体结构的晶粒被在材料的晶体结构中成核和生长的一组新晶粒所替代，压缩横向载荷作用在两个前沿，这有助于消除孔隙率，同时启动动态和静态重结晶所需的加工硬化。从这个意义上来说，施加的压缩侧向载荷能够在该温度下压缩结构，从而消除结构/微结构中的任何孔或空隙。结果是致密的锻造结构/锻造微结构。可以理解，新形成的晶粒/晶体的尺寸决定了材料的最终机械性能。
应当理解，如现有技术的HIP工艺中所施加的，例如在本发明的背景技术中所描述的，载荷是横向施加到施加区域而不是多方向施加的。因此，本发明使用了一种压缩方法，其例如使用压缩印模或辊(多个)对施加区域提供横向压缩。相比之下，HIPing是一种能源密集、昂贵、费时且繁琐的批处理过程。由于需要将材料容纳在容器中并施加多方向压力，HIPing限于仅具有特定几何形状或特定尺寸的加工结构。本发明旨在避免这些缺点，并且优选地提供连续方法。应该理解，压缩载荷的横向施加表明将压缩载荷施加到施加区域的方向在施加区域的平面的横向(lateral)。在大多数情况下，该压缩载荷方向(载荷施加方向)将基本上垂直于施加区域的平面。对于曲面，压缩载荷方向(载荷施加方向)将基本上垂直于施加区域或点的切线平面。
应当理解，冷喷涂沉积预成型件是使用冷喷涂沉积形成的预成型件。这种类型的预成型件具有固结颗粒结构，通常包括固结的冷喷涂喷溅体结构(cold spray splatstructure)。这种冷喷涂的固结颗粒结构是由撞击到基板上的颗粒变形形成的，由在彼此的顶部堆积的固结或聚集的颗粒形成“小扁豆”状特征以使预成型件逐渐形成为期望的形状和构造。通常，冷喷涂喷溅体结构提供高强度且延展性有限。
可以任何期望的形式提供预成型件。然而，本发明有利地构造成加工细长体。在一些实施方式中，预成型件是细长体，例如(但不限于)条、片材、线材、杆或棒。因此，本发明允许处理细长且长的线材和管材等以将那些预成型件的微结构转变为锻造结构。
还应该意识到，锻造结构或锻造微结构是包含有限的(如果有的话)铸件树突元件的结构。优选地，该微结构具有等轴结晶晶粒结构。
在本发明中，具有锻造结构的材料(形成为重结晶的结构)是在不熔化材料的情况下，即通过无熔化途径来制造的。从这个意义上讲，冷喷涂固结颗粒结构由固体颗粒形成。沉积的预成型件迅速重结晶为低于材料熔点的锻造结构。在冷喷涂过程或压缩载荷期间不会发生状态转换，从而使该过程成为固态过程。因此，该材料为低于从原材料到成品锻造结构产品的材料熔点的固态。对于某些方法，可以直接从粉末生产出最终的锻造结构。因此，本发明提供了一种新的和可替代的方法来制造轧制产品，例如条、棒、管、片材和线材以及大范围的工业产品。因此，与传统的熔融成型冶金方法相比，该方法具有显著低的碳足迹，比目前的方法更安全且更有效。
在此过程中通常避免氧化、氮化、脱碳和任何分解。无熔化工艺的使用还允许以锻造形式快速且以显著更低的成本生产对氧敏感的材料，例如钛和钽。例如，高强度、高延展性的Ti锻造结构可由粉碎成粉末的Ti海绵制成，而无需在受控气氛下进行昂贵的熔化过程。类似的优势适用于对相变和固化过程敏感的材料。
本发明还克服了具有固有熔化工艺的其他增材制造方法的局限性。例如，本发明的预成型件产品有利地在整个范围内保持基本均匀的微结构，而在铸锭中没有宏观偏析和其他与熔融相关的缺陷，因为构成的粉末颗粒在冷喷涂过程中没有熔化。
可以使用多种合适的技术将热量施加到施加区域。在一些实施方式中，使用传导、感应、电阻或热加热方法施加热量。然而，优选地，加热技术是快速加热技术。在实施方式中，这种快速加热是通过电流加热、感应加热或激光加热中的至少一种将热量施加到施加区域来实现的。这些加热方法中的每一种都能够使施加区域被快速加热，以将施加区域中的预成型件材料的局部温度快速升高至材料的重结晶温度以上但低于材料的熔点。快速加热导致局部温度以快速速率升高，通常以大于100℃/s，优选大于200℃/s，更优选大于500℃/s的速度加热。应当理解，“快速”是指与例如在HIPing中使用的替代技术所花费的小时数相比，施加区域中的高局部温度在数秒之内达到(其可能需要1到2个小时以达到>1000℃)。快速加热技术的使用有助于避免在该过程中材料的氧化。此外，快速加热与同时施加压缩载荷相结合，可使预成型件的锻造结构/微结构在固态过程中快速形成。因此，与先前的工艺(例如，HIPing)相比，预成型件可以快速地转变为锻造结构，从而有利于工艺按比例放大以及如果需要的话，可以进行连续工艺。在示例性实施例中，使用基于电流的装置将热量施加到施加区域。该电流可以作为交流电流或直流电形式施加。在使用直流电的情况下，该电流优选地包括脉冲直流电流。可以在不同的占空比下施加电流。例如，交流或直流电源的占空比可为10％至100％。类似地，电流可以具有不同的脉冲频率。例如，交流或直流电源的脉冲频率可为0Hz至500Hz。
在将热量作为电流施加到施加区域的情况下，该施加然后通过材料的电阻加热来加热施加区域的材料。因此，施加到预成型件的最佳电流取决于材料。类似地，施加到施加区域的最佳载荷取决于所形成的预成型件的机械和物理特性。这些性能取决于构成材料和形成预成型件的冷喷涂沉积材料的性能(孔隙率和密度)以及预成型件的厚度。因此，取决于所形成的预成型件的材料和特性，施加的电流和压缩载荷可以落在宽范围的值内。在实施方式中，施加电流的电流密度为500至2000A/mm2，优选为800至1500A/mm2，更优选为1000至1100A/mm2。与施加的电流相关的电压优选为2至3伏。在实施方式中，施加的压缩载荷为10至100kg/m2，优选为20至60kg/m2。
应当理解，施加到样品上以进行重结晶的载荷和热量、辊的旋转速度和冷喷涂材料的沉积速度是本发明方法中的重要参数。此外，通过压缩载荷施加系统，优选地通过辊的进给速度通常与经由冷喷涂系统制造预成型件的速度同步。
向施加区域施加压缩载荷和热量使施加区域中的预成型件的材料的局部温度升高到材料的重结晶温度和熔点之间。当然，应将材料加热到的局部温度是材料特异性的，取决于材料的重结晶温度和材料的熔点。在实施方式中，局部温度在材料的熔点的35％至85％之间，优选地在材料的熔点的40％至60％之间，并且还更优选地在材料的熔点的45％至55％之间。在一些实施方式中，该局部温度为材料熔点的约50％。同样，该局部温度应在材料的重结晶温度和熔点之间。例如，Ti(约1600℃熔化温度)及其合金的局部温度范围为约500至800℃，对于Ta，其熔化温度为3017℃，典型的局部温度可为约1500℃，对于Al，熔化温度为660℃，典型的局部温度可高达570℃。
沉积材料通过辊的速度也很重要，因为它与材料沉积以连续制造锻造结构的速度有关。在实施方式中，从沉积步骤到施加载荷和电流步骤的预成型件的进给速度为1至10mm/s，优选为1至5mm/s，更优选为约2mm/s。在实施方式中，冷喷涂材料的沉积速度为1至10mm/s，优选为1至5mm/s，并且更优选为约2mm/s。应当理解，对于一定高度的材料，冷喷涂速度优选与处理系统的进给速度同步。冷喷涂可产生约15kg/hr或4g/s的显著更高的沉积速率，因此，如果需要的话，沉积速率也可以更高。在此实施方式中，沉积的这种连续耦合随后是当预成型件通过加工系统移动是本发明的优点之一时立即施加横向压缩载荷和热量，因为它允许对材料进行非常快速的连续加工，从而避免需要两步过程(在当前制造过程中发现)，该过程包括首先进行冷喷涂沉积步骤，然后进行HIPing。
可以使用许多不同的设备和布置将压缩横向载荷和热量同时施加到预成型件上。在实施方式中，使用配置为可压缩地接合预成型件的至少一个辊来横向施加压缩载荷。尽管单个辊可以与接合表面结合使用，但是优选的是，使用至少两个辊，在它们之间进给和压缩预成型件。这种布置的至少一个辊优选地被配置为施加热量，优选地以电流的形式施加到预成型件。一个或多个辊被配置为使电流通过预成型件以产生“热量”，同时施加载荷以将喷溅体结构转变为锻造结构。为实现这个目的，辊的至少一部分可以包括导电材料。
应当理解，辊可以由允许将选定的压力和热量施加到被供给以与辊接合的冷喷涂预成型件的任何合适的材料形成。优选地，选择辊的材料以实现高导电性和耐磨性。合适的材料包括铜和铜合金、钢、铝和铝合金、铬镍铁合金、钨等。
在一些实施方式中，至少一个辊包括冷却系统或布置。这能实现控制输入到材料中的热量，避免反应失控和熔化。该冷却系统可包括任何合适的冷却系统，例如制冷、水冷却、对流冷却、传导冷却等。
优选地在同时向该预成型件的施加区域施加热量和压缩载荷的步骤之前的形成步骤中形成冷喷涂沉积预成型件。在实施方式中，该步骤包括：
使用冷喷涂沉积形成具有固结颗粒结构的预成型件，以将结构以期望的构造增材构建。
因此，在一些实施方式中，本发明提供了一种生产具有锻造结构的产品的方法，该方法包括：
使用冷喷涂沉积形成具有固结颗粒结构的预成型件，以将结构以期望的构造增材构建；和
将热和压缩载荷同时施加到预成型件的施加区域，以将包含的固结颗粒结构转变为锻造结构，
其中将压缩载荷横向施加到施加区域，
并且其中向施加区域施加压缩载荷和热量使施加区域中的预成型件的材料的温度升高到材料的重结晶温度和熔点之间。
在经受加热和压缩横向载荷之前，可以将预成型件冷喷涂在任何合适的表面上。预成型件通常在进给轴线上或在进给轴线上形成，该预成型件在该过程中沿着该进给轴线移动。该进给轴线可与表面例如沉积表面对齐，该预成型件通过在所述沉积表面上沉积材料而在其上形成预成型件。在一些实施方式中，沉积表面可以形成辊之一的表面。在这样的实施方式中，预成型件在被所述辊压缩之前在至少一个辊的表面上形成。
使用冷喷涂沉积形成预成型件。在实施方式中，形成步骤包括：
使用冷喷涂涂抹器将冷喷涂的材料沉积在沉积表面上，以在进给轴线上或周围形成产品沉积表面；
使用冷喷涂沉积将材料依次沉积到各自的顶部产品沉积表面上，以形成材料的连续沉积层；和
在沿着进给轴线的轴向上将以下中的至少一个相对于另一个移动：冷喷涂涂抹器或预成型件，
从而形成选定长度的预成型件。
还应理解，术语“顶部产品沉积表面”是预成型件产品的外部或最新沉积层的沉积表面，其轴向最接近冷喷涂涂抹器。还应当理解，一旦冷喷涂涂抹器或预成型件移动，则再次使用冷喷涂涂抹器在沉积表面上沉积冷喷涂材料，以在进给轴线上或周围形成产品沉积表面，然后将材料依次沉积到各自的顶部产品沉积表面上，以连续形成预成型件。重复这些步骤，直到获得所需的长度，或者在连续过程的情况下，持续所需的时间长度，直到关闭设备等。
优选地，预成型件形成为连续元件，通常为细长体的形式。
本发明在沉积轴线上或周围沉积轴线产生预成型件产品。因此，由本发明的方法形成的预成型件可以包括(但不应限于)带、条(bar)、线材、片材、平板(slab)、盘、棒(rod)、杆(pole)、标尺(staff)、杖(wand)、圆柱、立柱(column)、桅杆(mast)、轴(shaft)、销(dowel)等。在实施方式中，预成型件形成为带、片材、线材、棒或条。在一些实施方式中，预成型件包括条，其被理解为具有大于其宽度/直径的长度，例如至少为其宽度/直径的两倍。大宽度或直径的预成型件可以由本发明生产，仅受可用设备的尺寸限制。在其他实施方式中，预成型件是中空的或包括一个或多个空隙。在优选的实施方式中，该方法用于生产线材和棒。
类似地，本发明优选在沉积轴上或周围产生产品。因此，由本发明的方法形成的产品可以包括(但不应限于)带、条、线材、片材、平板、盘、棒、杆、标尺、杖、圆柱、立柱、桅杆、轴、销等。在实施方式中，产品形成为带、片材、线材、棒或条。在一些实施方式中，产品包括线材、棒或带。当产品是线材时，线材的直径可以<10mm，优选<5mm，更优选<4mm。
本发明的方法能够将钛粉直接转化为锻造结构金属体。随着廉价钛粉的出现，本发明的方法因此可以为生产初级轧制成品如线材、条或棒提供经济上有吸引力的选择。
在一些实施方式中，预成型件和/或产品沿着预成型件/产品的长度具有恒定的直径。在其他实施方式中，预成型件和/或产品形成为沿着预成型件的长度具有可变或非恒定的直径。具有非恒定直径的预成型件和产品包括圆锥形状、圆锥截面、具有阶梯或锥度的形状(大直径到小直径)等。在一个实施方式中，直径在整个预成型件和/或产品的长度上或沿着其长度以恒定的方式变化。
本发明的方法优选包括连续制造方法。本发明人认为“锻造材料的连续增材制造”是本发明引入的一项新功能，其可以为许多行业提供具有成本效益的制造选择。为了帮助连续制造，优选在通过冷喷涂沉积形成预成型件的施加区域之后立即将热和压缩横向载荷施加到预成型件的施加区域。在其中预成型件是细长的实施方式中，将热和压缩横向载荷在该部分通过冷喷涂沉积形成之后不久，优选地立即地施加到预成型件的该部分。在形成离散的预成型件的情况下，优选地在通过冷喷涂沉积形成预成型件之后立即将热和压缩横向载荷施加到预成型件上。
然而，应当理解，在其他实施方式中，该过程可以在至少两个单独的步骤中进行，其中在第一步中，使用冷喷涂沉积工艺(如上所述)形成预成型件，然后在第二步中，将热量和压缩横向载荷施加到预成型件上。在这些实施方式中，预成型件可以形成在任何合适的基板上，并且随后可以使用任何合适的方式转移到第二步。在一个实施方式中，预成型件是在具有不同热膨胀系数的材料上形成的(例如，Ti预成型件是在钢基板上形成的)，并且利用加热或冷却技术以利用热膨胀差来将成型的预成型件与预成型件分离。在第二步中，可以将热和压缩横向载荷施加到预成型件，以将冷喷涂微结构转变为锻造微结构。可以使用前面讨论的各种方法将压缩的横向载荷和热量施加到成型的预成型件上。
冷喷涂沉积预型件可包括任何合适的材料，优选地任何合适的金属或其合金。应当理解，冷喷涂沉积预型件可包括Al、Cu、Zn、Ni、Ti、Ta、Mg、Sc、Fe、钢及其合金中的至少一种。在一些实施方式中，冷喷涂沉积预成型件可包括金属基质复合材料，例如金属与诸如碳化物(用于高耐磨应用)的陶瓷和超导体的混合物。在一些实施方式中，材料包括Ti、Cu、Al、Fe、Sc、Ni、Mg、Ta或其合金中的至少一种。感兴趣的金属合金的实例是合金Ti-6Al-4V。该材料优选使用本发明的方法作为预成型件生产。
在一些实施方式中，冷喷涂沉积预成型件由包括至少两种不同粉末的混合物的冷喷涂沉积材料形成。在一些实施方式中，材料包括陶瓷或玻璃。在其他实施方式中，可以制造由至少两种不同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成型件。例如，可以使用两种或多种不同粉末的共混物或复合颗粒(由多于一种的材料组成的颗粒)作为原料。该方法能够产生新的锻造材料，其只能通过混合不同的粉末而得自本发明材料，以实现独特的物理和机械性能，例如在超导体和半导体中的应用。
在一些实施方式中，冷喷涂沉积预成型件的组成可以沿预成型件的长度变化。这可以在产品特性方面提供灵活性。例如，可以通过改变不同端部之间的组成来制造在相对的轴向端部具有不同焊接特性的诸如条或棒的金属预成型件。替代地，如果期望沿着预成型件的长度改变预成型件的性质(例如，热膨胀系数)，则预成型件组成可以相应地变化。因此，预成型件可包括离散长度的不同材料，或者预成型件的组成可沿预成型件的长度逐渐变化，或者预成型件可包括这些布置的组合。
如果从多种材料制造预成型件，则必须考虑不同材料的相容性。如果两种或多种建议的材料在某种程度上不相容(例如，相干/键合)，则可能需要通过相互相容的材料(多种)的一个或多个区域来分隔不相容的材料。可替代地，可以制造预成型件，使得从一种材料到另一种材料的成分逐渐变化，以减轻所使用的材料之间的任何不相容性问题。
任何合适的颗粒/粉末均可用于本发明的方法。通常将选择所使用的粉末/颗粒及其性质以满足特定预成型件产品的期望性质、组成和/或经济性。通常，通过冷喷涂施加的颗粒的尺寸为5至45微米，平均粒度为15至30微米。然而，应当理解，粒度可以根据所用粉末的来源和规格而变化。类似地，在某些应用中也可以使用较大的颗粒，例如粒度高达约150微米的颗粒。本领域技术人员将能够基于粉末的形态和将要形成的预成型件的特性来确定要使用的最佳粒度或粒度分布。适用于本发明的颗粒是可商购的。
应当理解，冷喷涂的颗粒的平均尺寸可能会影响所得的材料层沉积的密度，从而影响所形成的预成型件的密度。优选地，沉积具有均匀的密度。在一些实施方式中，预成型件包括孔，其通常与喷雾的颗粒具有相同的比例。孔优选在整个预成型件中具有均匀的浓度。
本发明的第二方面提供了一种由根据本发明的第一方面的方法形成的锻造结构预成型件。
本发明的第三方面提供了一种用于生产具有锻造结构的产品的设备，该设备包括：
压缩载荷涂抹器，其被配置为将热量和压缩载荷同时施加到冷喷涂沉积预成型件的施加区域，所述压缩载荷横向施加到所述施加区域，
其中，在使用中，向施加区域施加压缩载荷和热量使施加区域中的预成型件的材料的温度升高到材料的重结晶温度和熔点之间。
本发明的第三方面还可提供一种用于生产具有锻造结构的产品的设备，该设备包括：
压缩载荷涂抹器，其被配置为向冷喷涂沉积预成型件的施加区域同时施加热量和压缩载荷，以将施加区域中的预成型件的材料的温度提高到材料的重结晶温度和熔点之间，其中，压缩载荷横向施加到施加区域。
可以使用多种合适的技术将热量施加到施加区域。然而，优选地，加热技术是快速加热技术，如先前关于本发明的第一方面所讨论的。在实施方式中，这种快速加热是通过电流加热、感应加热或激光加热中的至少一种将热量施加到施加区域来实现的。在示例性实例中，使用基于电流的装置将热量施加到施加区域。该电流可以作为交流电流或直流电形式施加。在使用直流电的情况下，该电流优选地包括脉冲直流电流。可以在不同的占空比下施加电流。例如，交流或直流电源的占空比可为10％至100％。类似地，电流可以具有不同的脉冲频率。例如，交流或直流电源的脉冲频率可为0Hz至500Hz。
施加的最佳载荷取决于所形成的预成型件的机械和物理性能。在实施方式中，施加的压缩载荷为10至100kg/m2，优选为20至60kg/m2。
在将热量作为电流施加到施加区域的情况下，施加到预成型件的最佳电流取决于材料。因此，取决于所形成的预成型件的材料和特性，施加的电流和压缩载荷可以落在宽范围的值内。在实施方式中，施加电流的电流密度为500至2000A/mm2，优选为800至1500A/mm2，更优选为1000至1100A/mm2。与施加的电流相关的电压优选为2至3伏。
如以上关于本发明的第一方面所讨论的，可以使用许多不同的设备和布置将压缩横向载荷和热量同时施加到预成型件上。在实施方式中，使用配置为压缩地接合预成型件的至少一个辊施加压缩横向载荷和热量。尽管单个辊可以与接合表面结合使用，但是优选的是，使用至少两个辊，在它们之间进给和压缩预成型件。这种布置的至少一个辊优选地被配置为施加热量，优选地以电流的形式施加到预成型件。一个或多个辊被配置为使电流通过预成型件以产生“热量”，同时施加载荷以将喷溅体结构转变为锻造结构。为实现这个目的，辊的至少一部分可以包括导电材料。
应当理解，辊可以由允许将选定的压力和电流施加到被供给以与辊接合的冷喷涂预成型件的任何合适的材料形成。优选地，选择辊的材料以实现高导电性和耐磨性。合适的材料包括Cu和Cu合金、不锈钢、Al和Al合金、Ni和Ni合金，例如铬镍铁合金、钨(W)、Mg、Sc等。
在一些实施方式中，至少一个辊包括冷却系统或布置。这能实现控制输入到材料中的热量，避免反应失控和熔化。该冷却系统可包括任何合适的冷却系统，例如制冷、水冷却、对流冷却、传导冷却等。
该设备优选地还包括用于在沉积表面上形成冷喷涂沉积预成型件的冷喷涂沉积设备。因此，可以在使用压缩载荷涂抹器之前立即形成冷喷涂沉积预成型件。在实施方式中，用于生产具有锻造结构的产品的设备可以包括：
用于在具有固结颗粒结构的沉积表面上形成预型件的冷喷涂沉积设备；和
压缩载荷涂抹器，其被配置为将热量和压缩载荷同时施加到使用冷喷涂沉积设备形成的预成型件的施加区域，以将施加区域中的预成型件的材料的温度提高到材料的重结晶温度和熔点之间，其中，压缩载荷横向施加到施加区域。
同样，优选地，预成型件在进给轴线上或进给轴线周围形成，预成型件在该过程中沿着该进给轴线移动。可以在沿着进给轴线对准的沉积表面上形成预成型件。在一些实施方式中，该沉积表面包括至少一个辊的表面。在这样的实施方式中，预成型件在被所述辊压缩之前在至少一个辊的表面上形成。
用于本发明的冷喷涂设备很可能是常规形式，并且这种设备是可商购的或单独建造的。一般而言，在美国专利号5,302,414中描述和说明了用于冷喷涂的设备的基础，其内容应理解为通过该参考文献并入本说明书中。可以使用许多可商购的冷喷涂设备。应当理解，本发明不限于一种或某种类型的冷喷涂系统或设备，并且可以使用多种冷喷涂系统和设备来实施。
冷喷涂设备通常包括具有喷嘴的冷喷涂枪形式的冷喷涂涂抹器。喷嘴通常包括出口开口，通过该出口开口喷射沉积材料，该喷嘴在期望的方向上引导喷射的沉积材料。在使用中，喷嘴优选地在移动过程中基本平行于或平行于预成型件旋转的轴线对准。
可以操纵冷喷涂过程的操作参数，以获得具有所需特性(密度、表面光洁度等)的预成型件。因此，可以根据需要调整诸如温度、压力、间隔(冷喷涂喷嘴与待涂覆的起始基板表面之间的距离)、送粉速度以及起始基板与冷喷嘴的相对运动的参数。通常，粒度和分布越小，形成在起始基板表面上的层越致密。适应所使用的冷喷涂设备以允许使用更高的压力和更高的温度来实现更高的颗粒速度和更致密的微结构，或者允许预加热颗粒可能是合适的。
冷喷涂涂抹器的沉积图案和相关运动也会影响材料沉积层的形貌。因此，还优选地控制喷涂涂抹器的沉积图案和相关运动。在一些实施方式中，受控运动包括至少两个点之间的线性周期性运动。
本发明的第四方面提供了一种使用根据本发明的第三方面的设备形成的根据本发明的第一方面的方法。
应当理解，本发明可应用于许多领域，包括：
·形成具有锻造结构的产品的替代方法，例如轧制产品，例如棒、坯料、线材、板、带、螺母、螺栓、片材等。
·冷喷涂、热喷涂、焊接、辊制造、汽车制造、海洋工业、采矿、电缆和电线制造、生物医学应用、航空航天。
·通过无熔化沉积和混合粉末的原位热电热机械处理结合，通过快速创建具有一定电子特性的新型微结构的电子产品和超导性。
·由腐蚀和磨损引起的部件的快速修理和翻新。
附图说明
现在将参考附图来描述本发明，这些附图示出了本发明的特定优选实施方式，其中：
图1提供了示意图，其显示(A)冷喷涂材料预成型件的固结颗粒(喷溅体)；(B)根据本发明经过热和压缩以形成锻造材料的冷喷涂材料预成型件的固结颗粒；和(C)经过HIP处理以形成锻造材料的冷喷涂材料预成型件的固结颗粒。
图2提供了(A)SEM显微照片，其显示了由冷喷涂的固结颗粒Ti喷溅体在铝基板上的积聚形成的冷喷涂的蚀刻的微结构；和(B)SEM显微照片，其显示了经蚀刻的商购锻造(商业纯–“CP”)Ti微结构。具有锻造微结构的其他金属(例如Cu、不锈钢、Al等)也实现了类似的等轴晶状晶粒结构。
图3提供了(a)设备的第一实施方式的示意图，该设备使用冷喷涂无熔化沉积直接从粉末连续地生产出锻造结构化金属带；(b)显示了在载荷和电流的共同作用下，冷喷涂喷溅体结构如何转变为锻造结构的示意图。辊之间的应用区域(或反应区域)被放大，以演示其中发生从喷溅体结构向锻造结构转变的方式。
图3A提供了(a)两步设备的第二实施方式的示意图，该设备使用冷喷涂的无熔化沉积直接从粉末生产锻造结构化金属带，其中(A)显示了形成预成型件带的第一步；和(B)表示形成锻造材料的第二步骤。
图4示出了(a)在化学蚀刻之前被抛光的暴露于高电流和载荷下的冷喷涂Ti带的微结构；(b)暴露于高电流和载荷下的冷喷涂钛带的微结构，其经过抛光和蚀刻以显示出重结晶和致密区域。
图5示出了对应于图4(b)中被抛光和蚀刻的致密区域的微结构。
图6示出了抛光和蚀刻的冷喷涂Ti-6Al-4V合金的微结构。
图7提供了经过抛光和蚀刻的处理的(锻造)冷喷涂Ti-6Al-4V合金的高倍放大微结构。
图8示出了经抛光和蚀刻的冷喷涂的Ti带的微结构。
图9示出了运行2中产生的冷喷涂Ti带的微结构(锻造)，其已暴露于经过抛光和蚀刻的高电流和载荷下以显示重结晶和致密化区域。
图10示出了运行3中产生的冷喷涂Ti带的微结构(锻造)，其已暴露于经过抛光和蚀刻的高电流和载荷下以显示重结晶和致密化区域。
图11示出了运行4中产生的冷喷涂Ti带的微结构(锻造)，其已暴露于经过抛光和蚀刻的高电流和载荷下以显示重结晶和致密化区域。
图12提供了SEM显微照片，其示出了(A)由冷喷涂的固结颗粒Ni喷溅体(尚未锻造)的堆积形成的冷喷涂的微结构；(B)由冷喷涂的固结颗粒铜喷溅体(尚未锻造)的堆积形成的冷喷涂的蚀刻微结构；和(C)由冷喷涂固结颗粒Al喷溅体(尚未锻造)的堆积形成的冷喷涂的蚀刻微结构。
具体实施方式
本发明提供了一种使用冷喷涂技术形成诸如盘、条、棒、圆锥体等的材料的预成型件的方法。在本发明中，产品具有锻造结构(称为“重结晶”结构)，并且通过无熔化途径制造。从这个意义上讲，将原始固体粉末材料沉积在冷喷涂的固结颗粒结构中，然后将其快速重结晶为锻造结构。该固体粉末转化过程不涉及熔化步骤。在实施方式中，该材料能够通过从固体粉末进料开始的连续工艺形成最终的锻造结构材料。
冷喷涂是一种已知的方法，其已用于将涂料施加到表面。上一般而言，该过程涉及将(金属和/或非金属)颗粒供入高压气流中，然后通过会聚/发散喷嘴使气体流加速至超音速，或在喷嘴喉后供入颗粒变成超音速气体流。然后将颗粒导向要沉积的表面。该方法在相对较低的温度下进行，该温度低于基板和要沉积的颗粒的熔点，由于颗粒撞击在基板表面上而形成涂层。该过程在相对较低的温度下进行，从而允许减少或避免对被涂覆表面和构成涂层的颗粒的热力学、热和/或化学作用。这意味着可以保持颗粒的原始结构和性质，而不会发生否则可能与高温涂覆过程例如等离子体、HVOF、电弧、气火焰喷涂或其他热喷涂过程相关的相变等。例如，在美国专利号5,302,414中描述了冷喷涂的基本原理、设备和方法，其内容应理解为通过该引用结合到本说明书中。
在本发明中，使用冷喷涂技术在进给轴线上或周围增材建立固结颗粒预成型件结构，其随后使用同时施加热量和横向载荷/压力的方法对其进行加工，以沿进给轴线形成锻造结构。
应当理解，预成型件可包括冷喷涂沉积材料，该材料选自铝(Al)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、钛(Ti)、钽(Ta)、钢、镁(Mg)、钪(Sc)、铁(Fe)及其合金中的至少一种。在一些实施方式中，冷喷涂沉积材料可包括金属基质复合材料，例如金属与诸如碳化物(用于高耐磨应用)的陶瓷和超导体的混合物。然而，本发明特别适用于Ti、Cu、钢和Al及其合金。
为了实现颗粒的连续沉积，冷喷涂设备110和100A(图3和图3A)优选包括至少两个粉末进给器(未示出)，当一个进给器用完粉末时，允许在操作期间切换粉末进给器。
固结颗粒预成型件结构是由冷喷涂颗粒112的变形形成的，该变形撞击在基板上(在所示的实施方式中，下辊120-图3)，由固结颗粒在彼此顶部堆积形成“扁豆”状特征以将预成型件制成所需的形状和配置，如图2(A)所示。图2(A)示出了冷喷涂的蚀刻微结构，其是由铝基板上的Ti喷溅体的积聚形成。在该微结构中突出显示了一个扁豆状的喷溅体50。其他金属，例如铜、不锈钢等具有相似的冷喷涂微结构。通常，冷喷涂喷溅体结构提供高强度且延展性低，并且在结构中的喷溅体之间可能包含空隙，这些的大小和程度在一定程度上取决于所使用的气体，使结构具有一定程度的多孔性，例如，参见图6、图8和图12所示的显示了空隙的冷喷涂微结构。
沉积后，将堆积的预成型件(例如，钛带)的施涂区域承受压缩载荷和热量(这会导致施涂区域发热)的结合，从而将冷喷涂喷溅体结构(图2(A))转变为致密的锻造结构(图2(B))。如图2(B)所示，该材料的锻造结构具有等轴晶状晶粒结构。Al、Cu、Zn、Ni、Ta、Mg、Sc、Fe、钢或它们的合金的锻造结构将显示出相似的等轴晶体结构。锻造结构材料具有优异的机械性能，例如高延展性，其允许制造各种工业产品，例如线材、电缆、棒、钢坯料、片材等。
可以使用多种设备配置将压缩载荷施加到预成型件上。在一些实施方式中，使用具有压缩元件的压力机施加压缩载荷。然而，该方法包括连续过程是有利的，其中将冷喷涂形成的预成型件连续地送入、通过或在压缩载荷承载设备下，以立即将沉积的材料预成型件结构转变为锻造结构。
应当理解，在该设备中，压缩载荷被横向地施加到施加区域，而不是像在热等静压(HIPing)过程中所施加的那样在整个表面区域上被多方向地或普遍地施加。HIPing涉及在压力室中密封成型品，并施加选定的压力和温度以消除孔隙率时期。因此，HIPing从所有方向对材料施加压力。从所有方向向冷喷涂结构施加压力(载荷)对孔隙率消除有很大的限制，这是因为互连的孔隙率允许通过加压介质在冷喷涂材料内建立几乎相等的压力，从而抵消施加到材料表面的压力的作用。这损害了使用HIP在冷喷涂结构中的孔隙率消除。HIP室的加压、加热和冷却是一个耗时、能量密集且成本高的过程。
如实施例所示，本发明从横面向冷喷涂结构施加载荷，以完全和快速地消除孔隙率。
在图1中提供了由本发明和通过HIP生产的各种微结构的示意图比较。如该图所示，冷喷涂材料的固结颗粒(喷溅体形状颗粒30)形成具有明显孔隙率的结构(图1(A))。本发明形成具有等轴晶粒35结构的锻造材料，该结构具有最小至无孔隙率或缺陷(图1(B))。相比之下，HIP锻造材料也具有等轴晶粒40结构，但仍可能包含来自截留的气体的缺陷和空隙，其可能聚结并在材料的核中形成大的气囊(如背景技术所述)，如图1(C)的结构中的空隙45所示。
可以使用多种合适的技术将施加的热量施加到施加区域。在实施方式中，通过电流加热、感应加热或激光加热中的至少一种将热量施加到施加区域。如前所述，这些加热方法中的每一种都使得施加区域能够被快速加热以升高施加区域中的预成型件材料的局部温度高于材料的重结晶温度但低于材料的熔点，从而避免该过程中的氧化。快速加热技术的使用有助于避免该过程中材料的氧化，因为它可以显著降低在重结晶过程中可能发生氧化和氧气进入的情况。因此，与先前的工艺(例如HIPing)相比，预成型件可以迅速转变为锻造结构。
在示例性实例中，使用基于电流的装置将热量施加到施加区域。该电流可以作为交流电流或直流电形式施加。在使用直流电的情况下，该电流优选地包括脉冲直流电流。可以在不同的占空比下施加电流。例如，交流或直流电源的占空比可为10％至100％。类似地，电流可以具有不同的脉冲频率。例如，交流或直流电源的脉冲频率可为0Hz至500Hz。
向施加区域施加压缩载荷和热量使施加区域中的预成型件的材料的局部温度升高到材料的重结晶温度和熔点之间。当然，材料的温度是材料特异性的，取决于材料的重结晶温度和材料的熔点。在实施方式中，温度在材料的熔点的35％至85％之间，优选地在材料的熔点的40％至60％之间，并且还更优选地在材料的熔点的45％至55％之间。在一些实施方式中，温度为材料熔点的约50％。
例如，Ti(约1600℃熔化温度)及其合金的温度范围为约500到800℃。不希望受限于任何一种理论，发明人注意到，在这些温度下，Ti在所施加的横向载荷下软化。然而，应当理解，热量(施加电流)和载荷之间的相互作用使材料发生转化，这增加了结构转化性质的复杂性。这使得载荷和温度能够变化(例如，可以增加载荷并降低温度)以通过减小在原位重结晶过程中形成的晶体的尺寸来调节材料性能以获得更高的强度。
在图3中示出了根据本发明的方法和设备100的一个实施方式的实例。该设备100使用冷喷涂无熔化沉积直接从粉末连续生产细长的预成型件带。在该过程中，冷喷涂设备110被配置为通过将大量冷喷涂颗粒112沉积在一对辊120中的一个辊上以形成固结颗粒结构，来沉积金属带作为细长的预成型件115，例如钛带。如上所述，以建立预型件115。预成型件115穿过相对的一组旋转辊120用于同时压缩横向载荷、变形和加热。辊120沿方向R旋转以使预成型件115在进给方向F上移动通过其中(顶部辊和底部辊沿相反方向旋转)。辊120与接合在辊120之间的预成型件115的施加区域125接合，并施加电流或使电流通过该施加区域125以在其中产生“热量”(电阻加热等)，同时施加压缩横向载荷以在不熔化的情况下将(预成型件115中)的喷溅体结构转变为锻造结构130。从电流源131、发电机、电源等提供电流。如图2(A)所示，压缩横向载荷是使用气动载荷设备132施加的，其是横向移动辊120的气动活塞。然而，应当理解，其他压缩装置可以等同地用于获得该结果。辊120的压缩载荷横向施加到在辊120之间压缩的施加区域，并且横向施加到通过辊120的预成型件的进给方向F。施加压缩侧向载荷和热量(在所示实施方式中，使用电流施加热量)使材料加热到高于材料的重结晶温度但低于材料的熔点的局部温度。因此，材料的晶体结构能够重结晶，并且施加横向压缩载荷还有助于在软化过程中压缩冷喷涂喷溅体结构中固有的孔隙的任何空隙。在图3(b)中，辊120之间的施加区域125(或反应区域)被放大以说明其中发生喷溅体结构(例如，如图2(A)所示)到锻造结构(例如，如图2(B)所示)的转化的方式。在这里，结构115包括在喷溅体之间具有孔隙的冷喷涂喷溅体，在施加区域125中承受横向(或单轴)载荷和电流，以形成致密的锻造重结晶结构130。新的重结晶晶粒的成核和生长在载荷和电流作用下在施加区域125处或刚在施加区域125之后发生。
在所示的实施方式中，预成型件115的沉积发生在一对辊120中的一个辊的表面上。然而，应当理解，在其他布置中，预成型件可以沉积在其他沉积表面上，例如材料在平坦表面上的线性沉积，或者旋转以形成圆柱形条、管道或管的起始基板的沉积，例如在国际专利公开WO2015157816(圆柱形预成型件)、国际专利公开WO2009109016(空心管道)或国际专利公开WO2011017752(空心管道)中所述的，其每一个的内容应被理解为通过以上引用并入本说明书中。
在所示的实施方式中，施加的电流通过材料的电阻加热来加热施加区域的材料。因此，施加到预成型件115的最佳电流取决于材料。类似地，施加的最佳载荷取决于所形成的预成型件115的机械、电和物理特性。这些性能取决于构成材料和形成预成型件115的冷喷涂沉积材料的性能(孔隙率和密度)。因此，取决于所形成的预成型件的材料和特性，施加的电流和压缩载荷可以落在宽范围的值内。在实施方式中，施加电流的电流密度为500至2000A/mm2，优选为800至1500A/mm2，更优选为1000至1100A/mm2。与施加的电流相关的电压优选为2至3伏。在实施方式中，施加的压缩载荷为10至100kg/m2，优选为20至60kg/m2。
控制载荷和热量(在此处通过施加电流)对于实现沉积冷喷涂喷溅体结构到锻造结构的所需的结构转变(重结晶)很重要。新形成的晶体的尺寸限定了最终的机械性能，同时避免了熔融过程。沉积的材料通过辊的速度也很重要，因为它与为连续制造锻造结构的材料沉积的速度有关。
施加电流以产生热量的替代方式是使用传导加热，例如使用围绕负载设备的盘绕导线。然而，应当理解，优选的加热技术是快速加热技术，例如可以通过电流(材料的电阻加热)、感应加热或激光加热施加到施加区域。
在图3A中示出了本发明的方法和设备100A的另一实施方式的实例。该设备100A将方法分成两个单独的阶段，即(A)步骤1-预成型件形成步骤，和(B)步骤2-锻造材料形成步骤。在第一步中，通过将大量的冷喷涂颗粒112A沉积在一对辊120A的一个辊上来形成预成型件115A，以形成固结颗粒结构以如上所述构建预成型件115A。这使用冷喷涂无熔化沉积直接从粉末生产细长的预成型件带。细长带可以形成在任何沉积表面上。在图3A中，预成型件115A沉积在沿方向R’旋转的一对辊120A中的一个辊上，然后将其压缩以进一步将预成型件固结成带。预成型件115A在进给方向F’上移动通过辊120A。然而，应当理解，预成型件115A可以简单地冷喷涂到固结的金属预成型件中而没有额外的压缩，例如在钢基板上形成钛。然后将预成型件115A移除，并在成型后的某个时间点将其进给到步骤2。对于在钢基板上形成的钛，这可以使用热膨胀系数的差来实现。
同样，为了实现颗粒的连续沉积，冷喷涂设备110A优选包括至少两个粉末进给器(未示出)，当一个进给器用完粉末时，允许在操作期间切换粉末进给器。
在第二阶段中，所形成的预成型件115A穿过压缩装置150用于同时压缩载荷以及变形和加热。该压缩设备150可包括压力机152，但是可包括与第一实施方式类似的辊。压力机接合预成型件115A的施加区域125(参见图3)，并在其中施加“热量”，同时施加压缩载荷以将喷溅体结构(在预成型件115A中)转变为具有不熔化的锻造结构的产品130A。预成型件115A在进给方向F”上移动通过压缩设备150。向施加区域125(图3A)施加压缩载荷和电流导致预成型件115A中的材料加热至高于材料的重结晶温度但低于材料的熔点的温度。因此，预成型件115A的材料的晶体结构能够再结晶，并且施加压缩横向载荷还有助于压缩预成型件115A的冷喷涂喷溅体结构中固有的孔隙的任何空隙，以形成锻造结构，从而产生锻造材料产品130A。然后，可以将锻造材料产品130A形成为期望的产品，例如线材、杆，坯料等。辊160将带传送通过压缩装置150。
同样，可以使用多种合适的技术将施加的热量施加到施加区域125。在实施方式中，通过电流加热、感应加热或激光加热中的至少一种将热量施加到施加区域。在所示的实施方式中，使用感应加热器153施加热量。然而，与第一实施方式一样，可以通过将交流电流或直流电施加到施加区域来施加热量。
本发明的方法提供了许多优点：
1.粉末到锻造结构的沉积和转变允许快速生产各种产品和产品形状，例如轧制产品(例如，棒、线材、片材、螺母、螺栓等)，从而使传统工业有成本效益地转变为现代增材制造厂。
2.消除了材料的整体熔化。锻造结构由固体粉末直接制成。这意味着对于某些过程，最终的锻造结构可以直接从还原的矿石粉末中产生。例如，高强度、高延展性的Ti锻造结构可由粉碎成粉末的Ti海绵制成，而无需在受控气氛下进行昂贵的熔化过程。
3.可以通过连续的粉末进给以及将喷溅体结构快速(几秒钟内)转变为重结晶的锻造结构，来连续制造锻造结构(例如，棒、坯料、线材、板、带、螺母、螺栓、片材等的轧制产品)。由于两个原因，这很重要。首先，在当前的增材制造过程中，例如电子束熔化(EBM)和激光辅助熔化(LAM)，熔化过程导致铸件结构的形成，就机械性能而言，铸件结构通常不如锻造结构。第二，在高压室内高温下运行的喷溅体结构(如HIPing)的当前后处理是非常耗时的批处理过程，并且是能源密集型的，因此会影响该技术的成本竞争力。
4.本发明的无熔化方法允许以锻造形式快速生产氧敏感材料，例如Ti和钽，并且以显著较低的成本为这些传统上被认为昂贵的产品打开了新的市场。同样适用于对相变和凝固过程敏感的材料。
5.通过采用本发明，一起避免熔化过程共同导致当前全球生产的每种锻造材料的碳足迹显著降低。
6.只能通过混合不同的粉末材料来获得独特的物理和机械性能(例如在超导体和半导体中的应用)，才能从本发明获得新的锻造材料的产生。
7.本发明还可以用于响应工业上使用冷喷涂回收大粒度粉末的需求。其他增材制造行业(例如EBM)要求狭窄的粒度范围，从而为其余产生的粉末带来大量盈余。大量盈余必须倾倒在土地上或以很高的成本融化。本发明可用于将这种过量的粉末再循环并转化成准备用于市场的增材制造的锻造产品。
8.材料形状和配置的应用，例如细长的管道、片材和线材，使用HIP工艺无法通过增材制造工艺将其加工成锻造结构。
实施例
在以下实施例中对本发明的实施方式的描述是在由钛合金颗粒生产扁平带钛合金预成型件的背景下进行的。然而，应当理解，本发明能够生产各种金属及其合金的预成型件，并且该描述不应解释为将实施方式限制为仅生产钛合金预成型件和锻造产品。
实施例1-带的冷喷涂沉积
为了证明冷喷涂喷溅体结构转变(重结晶)为锻造结构，使用了具有以下参数的CGT Kinetic 4000冷喷涂系统：
·冷喷涂设备：CGT Kinetiks 4000系统
·用于控制冷喷涂枪的运动的机械臂：ABB IRB2600
·超音速喷嘴数：1
·间隔：30mm
·喷射角：始终垂直于表面
·气体：氮气
·气体停滞温度：750℃
·气体停滞压力：25巴(2.5MPa)
·送粉速率：21.4g/min
·机器人移动速度：5mm/s
使用具有26μm平均粒度的商业纯钛(CP Ti)粉末，增材制造预成型件带。钛粉具有不规则形状。带尺寸为1.5mm高x 4mm宽x 150mm长。
应当指出，该实验中的冷喷涂系统不是为获得高密度结构而设置的，而是为了检验本发明消除或减少孔隙率的有效性。完全消除喷涂结构中的孔隙，需要使用昂贵的粉末，其粒度范围窄，并且需要来自冷喷涂系统的更高的能量(压力和温度)。
使用具有表1中的尺寸的市售喷嘴将CP Ti沉积在不锈钢板的侧面。沉积后，将沉积的CP Ti带与不锈钢基板分离。
表1：冷喷涂喷嘴的尺寸
在高电流和高载荷下带的原位转变
使用改良的点焊机将CP Ti带同时暴露在高电流(3000安培)和载荷(25kg)下。将控制系统添加到点焊机，以允许高电流在所需的时间内通过样品。由于点焊机旨在将材料局部熔化以连接部件的事实，因此需要进行这种修改。在本发明中，我们避免熔化，并使用电流将材料精确地加热到所需的温度，以引发重结晶反应并进行。在不同的保持时间下，将电流(3000安培)施加到CP Ti带上的一个点。在通过10个脉冲以0.2秒的电流持续时间和1秒的停止时间获得的2秒的总保持时间下，CP Ti结构的完全重结晶和致密化如图4至图9所示。
从冷喷涂喷溅体产生铸造的重结晶结构。
图4(a)显示了在箭头200处暴露于高电流和高载荷下的冷喷涂CP钛的抛光微结构。微结构显示了一个反应区205，其中高密度CP T是由暴露于高电流和载荷在点200喷涂的冷喷涂CP Ti 210上产生的。喷涂的CP Ti 201具有含孔隙率的微结构。
在施加区域(或反应区205)中观察到孔隙率显著降低，证实了有助于延展性提高和机械性能增强的结构致密化。
如图4(b)所示蚀刻试样，以揭示冷喷涂喷溅体结构转变为重结晶的锻造结构。在图4(b)的等轴晶粒中存在针状成分，这证实了在此过程中CP Ti从喷溅体结构转变为锻造结构。
图5以更高的放大倍数显示了图4(b)的应用区域(或反应区)，其中图6显示了CPTi的喷涂的喷溅体结构的多孔。
从图8中喷涂的多孔结构获得了图7中具有60微米先前β晶粒的重结晶的Ti-6Al-4V结构。因此，图7和图8表明，对于广泛使用的Ti-6Al-4V合金，施加到CP Ti带上的电流和载荷产生类似的致密化和重结晶的锻造结构。
实施例2
使用以下列出的参数，使用实施例1中详述的方法进行另外三个实验运行：
·运行2：Ti64晶粒由冷喷涂结构产生，对原始高度为4.65mm的样品施加3000安培持续1秒导致高度降低至2.9mm，提供了38％的降低。
·运行3：Ti64晶粒由冷喷涂结构产生，对原始高度为4.65mm的样品施加3000安培持续0.8秒导致高度降低至2.8mm，提供了40％的降低。
·运行4：Ti64晶粒由冷喷涂结构产生，对原始高度为4.65mm的样品施加3000安培持续5秒导致高度降低至3.65mm，提供了20％的降低。
图9至图11显示了运行2、运行3和运行4的生产样品的蚀刻SEM图像。运行2和运行3的所得微结构各自都显示还存在非常小的孔隙。运行4的所得微结构表明形成并呈现出大晶粒。
应当理解，实施例1中描述的方法可以应用于可以使用冷喷涂沉积的任何金属，例如Al、Cu、锌、Ni、Ti、Ta、钢，以及金属基质复合材料，例如金属与诸如碳化物和超导体的陶瓷的混合物。
通过图示，图12提供了SEM显微照片，其示出了(A)由冷喷涂的固结颗粒Ni喷溅体(未刻蚀，尚未加热和压缩)的堆积形成的冷喷涂的微结构；(B)由冷喷涂的固结颗粒Cu喷溅体(尚未加热和压缩)的堆积形成的冷喷涂的蚀刻微结构；和(C)由冷喷涂固结颗粒Al喷溅体(尚未加热和压缩)的堆积形成的冷喷涂的蚀刻微结构。
如实施例1所述，可以由冷喷涂的Ni，Cu和Al固结颗粒中的每一种形成锻造材料通过使用与实施例1中所述类似的技术，使图12的这些材料的预成型件经受高电流和横向压缩载荷，类似于实施例1中所述的CP Ti，对冷喷涂结构进行类似的完全重结晶和致密化。最终的铸造微结构将类似于图5和图7中所示的转变的Ti结构，即是如图12中所示的由冷喷涂扁豆状“喷溅体”结构形成的“等轴的重结晶”结构。
尽管实施例和所附说明仅示出了扁平带状预成型件，但是应当理解，可以通过控制喷嘴和/或材料沉积表面的运动来产生预成型件的各种构造。类似地，应当理解，也可以通过在冷喷涂涂抹器的喷涂图案中引入无沉积区域或区而将空隙或中空引入预成型件中，其中不沉积材料。
类似地，尽管实施例和随附的描述仅示出了具有基本恒定的横截面的预成型件，但是应当理解，预成型件也可以形成为具有可变或非恒定直径，例如圆锥形状、圆锥截面或具有阶梯或锥度(大直径到小直径)的形状。
类似地，在实施例和随附的描述中仅例示了使用电流来加热样品，应当理解的是，可以同时使用其他类型的热源，特别是快速加热源来加热样品的选定区域，同时施加载荷。实例包括感应加热或激光加热。
尽管没有详细介绍，但应了解，上述材料可能会进行下列：
·使用金相学和光学显微镜进行显微结构分析，以比较转化后的重结晶结构与喷涂结构，尤其是在孔分布方面；和
·通过显微硬度测量机械性能，以比较喷涂和重结晶的材料。
本领域技术人员将理解，本文描述的发明除了具体描述的内容之外还可以进行变化和修改。应当理解，本发明包括落入本发明的精神和范围内的所有这样的变化和修改。
在本说明书(包括权利要求书)中使用术语“包括(comprise)”、“包括(comprises)”、“包括(comprised)”或“包括(comprising)”时，它们应解释为规定了所述特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除存在其一个或多个其他特征、整数、步骤、组件或组。
Claims (39)
1.一种生产具有锻造结构的产品的方法，所述方法包括：
将热量和压缩载荷同时施加到具有固结颗粒结构的冷喷涂沉积预成型件的施加区域，以将所述固结颗粒结构转变为锻造结构，
其中将所述压缩载荷横向施加到所述施加区域，
并且其中向所述施加区域施加所述压缩载荷和所述热量使所述施加区域中的所述预成型件的材料的温度升高到所述材料的重结晶温度和熔点之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过快速加热技术施加热量，优选为电流加热、感应加热或激光加热中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中使用包括交流电流或脉冲直流电流中的至少一种的电流施加所述热量。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中使用电流密度为500至2000A/mm2，优选为800至1500A/mm2，更优选为1000至1100A/mm2的电流施加所述热量。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中与所施加的电流相关的电压为2至3伏。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所施加的压缩载荷为10至100kg/m2，优选为20至60kg/m2。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括连续制造过程。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述预成型件是细长体。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述预成型件包括带、片材、线材、棒或条。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用配置为与所述预成型件压缩接合的至少一个辊施加所述压缩载荷。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括至少两个辊，在所述两个辊之间进给和压缩所述预成型件。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中至少一个辊被配置为向所述预成型件施加热量，优选为电流。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中所述辊的至少一部分包括导电材料。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中至少一个辊包括冷却系统或布置。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括在施加热量和压缩载荷之前的以下步骤：
使用冷喷涂沉积形成具有固结颗粒结构的预成型件，以将所述结构以期望的构造增材构建。
16.根据权利要求15所述的方法，其中使用配置为可压缩地接合所述预成型件的至少一个辊施加所述压缩载荷，并且其中，在进行压缩之前，在所述至少一个辊中的一个辊的表面上形成所述预成型件。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述预成型件在进给轴线上或进给轴线周围形成，所述预成型件在这个过程中沿着所述进给轴线移动。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中所述预成型件通过将材料沉积到沉积表面上而形成。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中所述形成步骤包括：
使用冷喷涂涂抹器将冷喷涂的材料沉积在沉积表面上，以在进给轴线上或进给轴线周围形成产品沉积表面；
使用冷喷涂沉积将材料依次沉积到各自的顶部产品沉积表面上，以形成所述材料的连续沉积层；和
在沿着所述进给轴线的轴向上将以下中的至少一个相对于另一个移动：所述冷喷涂涂抹器或所述预成型件，
从而形成选定长度的预成型件。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其中所述预成型件形成为连续元件，优选为细长体。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的方法，其中所述预成型件形成为带、片材、线材、棒或条。
22.根据权利要求15至21中任一项所述的方法，其中在通过冷喷涂沉积形成所述预成型件的所述施加区域之后，立即将所述热量和所述压缩载荷施加到所述预成型件的所述施加区域。
23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述冷喷涂沉积预成型件包括金属或其合金，优选地为钛、铜、铝、铁、钪、镍、镁、钽或其合金中的至少一种。
24.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述冷喷涂沉积预型件包括至少两种不同粉末的混合物。
25.由前述权利要求中任一项所述的方法形成的锻造结构预成型件。
26.一种用于生产具有锻造结构的产品的设备，包括：
压缩载荷涂抹器，其被配置为将热量和压缩载荷同时施加到冷喷涂沉积预成型件的施加区域，所述压缩载荷被横向施加到所述施加区域，
其中，在使用中，向所述施加区域施加压缩载荷和热量使所述施加区域中的预成型件的材料的温度升高到所述材料的重结晶温度和熔点之间。
27.根据权利要求26所述的设备，其中通过快速加热技术施加所述热量，优选为电流加热、感应加热或激光加热中的至少一种。
28.根据权利要求26或27所述的设备，其中使用包括交流电流或脉冲直流电流中的至少一种的电流施加所述热量。
29.根据权利要求28所述的设备，其中，所述压缩载荷涂抹器被配置为提供具有以下各项的电流：
所述施加电流的电流密度为500至2000A/mm2，优选为800至1500A/mm2，更优选为1000至1100A/mm2。
30.根据权利要求26至29中任一项所述的设备，其中，所述压缩载荷涂抹器可以向所述施加区域施加10至100kg/m2，优选地20至60kg/m2的载荷。
31.根据权利要求26至30中的任一项所述的设备，其中，所述压缩载荷涂抹器包括配置为与所述预成型件压缩接合的至少一个辊。
32.根据权利要求31所述的设备，还包括至少两个辊，在所述两个辊之间进给和压缩所述预成型件。
33.根据权利要求31或32所述的设备，其中至少一个辊被配置为向所述预成型件施加热量，优选为电流。
34.根据权利要求31、32或33所述的设备，其中所述辊的至少一部分包括导电材料。
35.根据权利要求31至34中任一项所述的设备，其中至少一个辊包括冷却系统或布置。
36.根据权利要求26至35中任一项所述的设备，其还包括用于在沉积表面上形成冷喷涂沉积预成型件的冷喷涂沉积设备。
37.根据权利要求36所述的设备，其中所述预成型件在被所述辊压缩之前在至少一个所述辊的表面上形成。
38.根据权利要求36或37所述的设备，其中所述预成型件在进给轴线上或进给轴线周围形成，所述预成型件在这个过程中沿着所述进给轴线移动。
39.根据权利要求1至24中任一项所述的方法，使用根据权利要求26至38中任一项所述的设备形成的。
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