CN115151359A - 用于制造具有高纵横比部分的金属构件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造金属成型体的方法，所述成型体包括(i)金属基材和(ii)存在于所述金属基材上的部分，所述部分具有高纵横比并且含有非晶态金属合金，其中经由增材制造将具有高纵横比的含有所述非晶态金属合金的所述部分施加到所述金属基材上。
Description
本发明涉及一种用于制造金属成型体的方法，该成型体包括金属基材和施加在该基材上的高纵横比部分。
非晶态金属有利地具有机械特点，例如高强度和高硬度。此外，它们表现出高耐腐蚀性。因此，非晶态金属为对于制造构件而言令人感兴趣的材料，在这些构件中这些特点是至关重要的。
因而，例如对于至少分部分地具有薄壁区域和/或高纵横比区域的构件而言可为有利的是，这些部分含有非晶态金属。根据该构件的应用，通过非晶态金属的存在可在适当时改善薄壁部分的机械性能，特别是当这些区域承受更高的机械负荷时。
WO 2012/031022 A2描述了具有高纵横比的成型体的制造，该成型体含有非晶态金属。该制造通过热塑成型进行。其中，将非晶态的，要成型的金属坯料加热到介于玻璃化转变温度与结晶温度之间的温度，并且通过压制转换为所期望的形状。热塑性压制需要使用阴模，这又使得制造复杂的几何形状变得困难。
具有薄壁的高纵横比部分的构件例如为谐波传动减速器的所谓的柔轮。具有薄壁的高纵横比部分的其他示例性的构件为具有薄片或薄刃的刀具(例如手术刀)。
WO 2015/156797 A1描述了一种谐波传动减速器，该谐波传动减速器的柔轮含有非晶态金属。非晶态金属柔轮的制造经由热塑成型或铸造进行。
US 2016/339509 A1描述了通过铸造来制造成型体，该成型体含有非晶态金属合金，其中熔融的金属合金存在于两个可彼此移动的基材之间的间隙中，在该间隙中铸造该熔融的金属合金并且使其迅速冷却。
在具有高纵横比(即高度与材料厚度之比的比值高)的非晶态构件中，经由铸造方法的制造是非常有问题的。为了确保所使用的合金的熔体非晶态凝固，必须实现足够高的冷却速率。另一方面，熔体在其凝固之前便应已经完全填充了模具。但在实践中表明：许多合金不符合这两个要求(即在完全填充铸模时非晶态凝固)。在快速冷却的过程中，熔体的粘度迅速增加，从而难以填充具有高纵横比的结构(例如薄壁结构或狭窄通道)。
经由增材制造方法制造非晶态金属成型体为已知的。
WO 2008/039134 A1描述了经由基于粉末床的电弧熔融方法制造金属非晶态成型体。
US 2018/257141 A1描述了经由增材制造方法制造金属柔轮。整个构件都是通过增材制造制造的。因为柔轮的实施为相对庞大且实心的底板也是经由增材制造方法制造的，所以柔轮的制造耗时且成本密集。
DE 10 2008 012 064 A1描述了一种用于制造多件式成型体的方法。在这个方法中，首先通过铸造或切削来制造基材或基体。随后，经由增材制造方法将第一部分施加在该基体的第一表面上，车削该基体，并且经由增材制造将其他部分施加在车削过的基体的第二表面上。未提及非晶态金属针对增材制造部分的使用。
WO 2018/148010 A1描述了一种用于制造涡轮发动机的部件的方法，其中经由增材制造方法将成型为环形或锥形的部分施加在锻造的基材或基体上。未提及非晶态金属针对增材制造锥形部分的使用。
EP 2 957 367 A1描述了一种用于制造成型体的方法，其中首先提供基材体，并且通过增材制造在这个基材体上添加其他部分，从而使得获得最终的成型体。
本发明的目的在于，通过一种方法来制造具有高纵横比部分的金属成型体，该方法可尽可能高效地(例如省时地且成本效益高地)来执行并且得出具有有利的机械特点的构件。
该目的通过一种用于制造金属成型体的方法来实现，该成型体包括(i)金属基材和(ii)存在于该金属基材上的部分，该部分具有高纵横比并且含有非晶态金属合金，
其中经由增材制造将具有高纵横比的含有非晶态金属合金的部分施加到该金属基材上。
优选地，经由非增材冶金方法制造金属基材。
非增材冶金方法例如为铸造、切削、热塑成型或粉末冶金方法。用于制造金属基材的示例性粉末冶金方法为压制(例如热压或等静压，特别是热等静压(HIP))、金属粉末注射成型和/或烧结。非增材冶金方法也例如可为至少两步的，并且可包括上文提及的两个或几个方法。例如，金属基材的制造包括铸造和随后的热塑成型。
通过传统的冶金方法(例如铸造)而非增材制造来制造金属基材使得节省了时间，并且由此也使得整个方法成本效益更高。另一方面，因为成型体的具有高纵横比的部分是通过增材制造使用非晶态凝固的金属合金来制造的，所以能够实现通过传统方法(例如铸造方法)无法制造的具有高纵横比的非晶态结构，例如薄壁空心体。由于非晶态金属合金存在于具有高纵横比的部分中，这个部分具有良好的机械特点，特别是高弹性，即使在壁厚薄的情况下。
金属基材可含有基本金属和/或金属合金。合适的基本金属或金属合金的选择可由本领域技术人员在考虑到成型体的预期使用的情况下基于其一般专业知识进行。
在本发明的上下文中，术语“金属”既包括基本金属也包括金属合金。
金属基材可含有非晶态金属(特别是非晶态金属合金)和/或结晶金属(以基本金属或金属合金的形式)。在本发明的上下文中也可行的是，金属基材含有非晶态金属合金，该非晶态金属合金作为基质起作用，并且在该非晶态金属合金中分散有结晶金属。
例如，金属基材由铝或铝合金、钢、钛或钛合金制成。
金属基材的具体形状取决于成型体的预期使用。例如，成型体的金属基材以板(例如柔轮或壳体的底板)、齿轮轮缘、壳体或铣头的切割区域的形式存在。基材也例如可为医用刀具、手术器械(例如手术刀)或镊子的一部分。
在经由增材制造施加具有高纵横比的部分之前，可任选地使金属基材仍经受表面处理。例如，可施加金属的涂层，该金属改善非晶态金属合金在基材上的附着力。
金属基材作为载体起作用，经由增材制造将具有高纵横比并且含有非晶态金属合金的部分施加在该载体上。金属基材为利用根据本发明的方法制造的成型体的部分。
用于制造金属非晶态结构的合适的增材制造方法对本领域技术人员来说为已知的。例如，增材制造方法为基于粉末床的电弧熔融、堆焊(例如粉末或金属丝堆焊)、液态金属喷射、挤压方法或粘结剂喷射。增材制造方法也例如在EN ISO/ASTM 52921：2017标准中进行了总结。在一种优选的实施方式中，具有高纵横比的部分的增材制造通过基于粉末床的激光或电子束熔融进行。例如L.
等人在Materials Today，第16卷，1月/2月，2013年，第37页及以后中描述了通过基于粉末床的电弧熔融进行的非晶态金属成型体的增材制造。
在增材制造方法中，基于预定的CAD数据逐层构造具有高纵横比的部分。例如，在基于粉末床的激光或电子束熔融中，将(之前优选地通过非增材冶金方法制造的)金属基材引入对应的装置的结构空间，并且任选地通过适当的措施(例如通过包围金属基材的粉末床)固定在该结构空间中；依次涂覆金属合金的粉末层，其中将第一粉末层涂覆在金属基材的表面上；在每个已涂覆的粉末层中，通过激光或电子束的作用在形成具有高纵横比的部分(例如空心体的壁)的区域中熔化金属合金，并且随后至少部分地非晶态凝固。
在增材制造方法中可非晶态凝固的合适的金属合金对本领域技术人员来说为已知的。
例如，非晶态金属合金为过渡金属基合金、Al基合金或Mg基合金。例如，过渡金属基合金为Zr基合金、Cu基合金、Fe基合金、Ti基合金、Ni基合金、或贵金属基合金(例如，Pt或Pd基合金)。Zr基合金为含有Zr作为主要成分(以原子％计)的合金。换句话说：在Zr基合金中，Zr为以最高浓度(以原子％表示)存在的元素。这同样也适用于上文提及的合金中的别的合金。因而，例如Cu基合金为其主要成分(以原子％计)为铜的合金。
对非晶态金属合金的概述例如在以下出版物中可找到：
-“Bulk Metallic Glasses-An Overview”，编辑：M.Miller和P.Liaw，Springer，第2-17页和第210-222页；
-A.L.Greer，Materials Today，2009年1月-2月，第12卷，第14-22页；
-A.Inoue等人，Materials，2010年，3，第5320-5339页。
非晶态凝固的金属合金中的元素的示例性组合如下：
-后过渡金属和非金属，其中该后过渡金属表示为基体，例如Ni-P、Pd-Si、Au-Si-Ge、Pd-Ni-Cu-P、Fe-Cr-Mo-P-C-B
-前过渡金属和后过渡金属，其中两种金属均可表示为基体，例如Zr-Cu、Zr-Ni、Ti-Ni、Zr-Cu-Ni-A1、Zr-Ti-Cu-Ni-Be
-具有稀土金属的组B中的金属，其中金属B表示为基体，例如Al-La、AI-Ce、Al-La-Ni-Co、La-(Al/Ga)-Cu-Ni
-具有后过渡金属的组A中的金属，其中金属A表示为基体，例如Mg-Cu、Ca-Mg-Zn、Ca-Mg-Cu
过渡金属基合金除了一种或几种金属合金元素之外，还可任选地含有一种或几种准金属(例如B、Si、Ge、As、Sb或Te，或这些元素中的至少两种元素的组合)和/或一种或几种非金属元素(例如P或S)作为合金元素。
例如，非晶态金属合金可为Zr-Cu-Al-Nb合金。优选地，这种Zr-Cu-Al-Nb合金除了锆之外，附加地具有23.5重量％至24.5重量％的铜、3.5重量％至4.0重量％的铝以及1.5重量％至2.0重量％的铌，其中这些重量比加起来为100重量％。最后提及的这种合金可通过贸易手段从德国贺利氏公司(Heraeus Deutschland GmbH)以
的名称购得。在一种进一步的示例性的实施方式中，非晶态金属合金可含有锆、钛、铜、镍和铝元素。优选的合金成分例如为Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10和Zr59.3Cu28.8Al10.4Nb1.5，其中下标表示合金中的相应的元素的原子％。合金的再一个组例如可含有Zr、Al、Ni、Cu和Pd元素，特别是Zr60Al10Ni10Cu15Pd5。合金的另一个合适的组例如含有至少85重量％的Pt，以及Cu和磷，其中该合金进一步地可含有Co和/或镍，例如Pt57.5Cu14.5Ni5P23(下标为原子％)。合金的另一个合适的组为含有硫磺作为合金元素的过渡金属基合金。这样的含硫的过渡金属基合金例如在EP 3 447 158 A1中进行了描述。
形成具有高纵横比的部分的材料例如可由一种或几种非晶态金属合金组成。然而，在本发明的上下文中可行的是，除了非晶态金属合金之外，该部分还含有结晶金属(例如一种或几种结晶金属合金)。例如，非晶态金属合金可作为基质起作用，在其中分散有一种或几种结晶金属合金。即使是利用这些复合结构，非晶态金属的有利的特点也发挥作用。
如本领域技术人员已知的，非晶态金属合金在动态差示扫描量热法(DSC)中表现出玻璃化转变，以及在向结晶状态过渡时表现出放热热色调(结晶焓)，而在X射线衍射中看不到尖锐的衍射反射(“布拉格峰”)。
优选地，具有高纵横比的含有非晶态金属合金的部分具有小于50％，更优选小于25％，还更优选小于10％的结晶度或者甚至为完全非晶态的。经由DSC将结晶比确定为形成该部分的材料的结晶焓与完全非晶态的参考样品(即X射线衍射图案中没有衍射反射(布拉格峰))的结晶焓之比。
成型体的含有非晶态金属合金并且具有高纵横比的部分例如为空心体。但在本发明的上下文中，任何别的几何形状(例如棒状、刃状或刀具的刀片)同样是可行的。
存在于金属基材上的具有高纵横比的部分的确切形状取决于成型体的预期使用。由于该部分是经由增材制造方法制造的，所以必要时也能够实现复杂的几何形状。
例如，该空心体为管状空心体。管可具有圆形的横截面，或者也可具有有棱角的或有棱边的横截面。在本发明的上下文中，空心体的别的形状然而也是可行的。空心体可为封闭的或开放的空心体。空心体的壁例如可实施为实心的，或者也可实施为格子结构的形式。
在空心体的情况下，该空心体的壁含有非晶态金属合金。
优选地，含有非晶态金属合金的部分具有至少为10，更优选至少为20的纵横比。例如，纵横比在10至1000，更优选20至500的范围内。
成型体的存在于基材上的部分的纵横比从该部分的高度H与该部分的最小材料厚度Dmin之比中得出。
如果该部分例如为空心体(例如圆柱形空心体)，那么最小材料厚度从空心体的最小壁厚中得出。即，施加在成型体的金属基材上的空心体优选地具有高度H和最小壁厚Dmin，其中H/Dmin≥10，更优选≥20；例如1000≥H/Dmin≥10或500≥H/Dmin≥20。
根据本发明的方法特别有利的是，施加在金属基材上的具有高纵横比的部分具有相对低的材料厚度。
例如，具有高纵横比的含有非晶态金属合金的部分的材料厚度在0.05mm至50mm，更优选0.05mm至5mm，还更优选0.05mm至2mm的范围内。如果该部分为空心体，那么该空心体的壁厚例如为0.05mm至50mm，更优选0.05mm至5mm，还更优选0.05mm至2mm。
利用根据本发明的方法制造的成型体例如为谐波传动减速器的柔轮、铣头或具有平放的管状衬套(增材制造的空心体)的齿轮(非增材制造的金属基材)、医用刀具、手术器械(例如手术刀)或镊子。
Claims (12)
1.一种用于制造金属成型体的方法，所述成型体包括(i)金属基材和(ii)存在于所述金属基材上的部分，所述部分具有高纵横比并且含有非晶态金属合金，
其中经由增材制造将具有高纵横比的含有所述非晶态金属合金的所述部分施加到所述金属基材上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中经由非增材冶金方法制造所述金属基材
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述非增材冶金方法为铸造、切削、热塑成型或粉末冶金方法，或所述方法中的至少两种方法的组合。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的方法，其中所述金属基材含有结晶金属和/或非晶态金属。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述金属基材为板、壳体、齿轮轮缘或铣头的切割区域。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述增材制造为基于粉末床的电弧熔融、堆焊、液态金属喷射、挤压方法或粘结剂喷射。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述基于粉末床的电弧熔融为基于粉末床的激光或电子束熔融。
8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中具有高纵横比的含有所述非晶态金属合金的所述部分具有至少为10的纵横比。
9.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中具有高纵横比的含有所述非晶态金属合金的所述部分具有0.05mm至50mm的范围内的材料厚度。
10.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中具有高纵横比的含有所述非晶态金属合金的所述部分为空心体，特别地为管状空心体；为棒状部分或刀具的刀片或刀刃。
11.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中存在于具有高纵横比的所述部分中的所述非晶态金属合金为过渡金属基合金、Al基合金或Mg基合金。
12.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述成型体为谐波传动减速器的柔轮、铣头或具有平放的管状衬套的齿轮、医用刀具、手术器械或镊子。
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