KR20150046721A - 적어도 하나의 원료금속분말로 부품을 구성하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 하나의 실시예는 적어도 하나의 원료금속분말로부터 부품(14)을 구성하는 방법에 관한 것이다. 부품(14)은 최종 부품에 가까운 형상과 부품 체적, 그리고 부품 밀도를 갖는다. 방법에는 소결 밀도를 갖는 소결된 예비형성품(134)를 제공하는 단계(300)와 소결된 예비형성품(134)로부터 부분(134A)을 분리하는 단계(400)가 포함된다. 부분(134A)은 부품(14)의 최종부품에 가까운 형상의 부품 체적을 초과하는 부분 체적을 가지며, 부품(14)의 최종 부품에 가까운 형상과 다른 부분 형상을 갖는다. 방법에는 또한 최종 부품에 가까운 형상과 부품 밀도를 가진 부품을 형성하기 위해 초소성적으로 부분(134A)을 변형시키는 사이, 열 순환 압력에서 열 순환 시간 주기 동안 부분(134A)을 열 순환하는 단계(500)가 포함된다.

Description

적어도 하나의 원료금속분말로 부품을 구성하는 방법{Methods of making parts from at least one elemental metal powder}

본 발명은 적어도 하나의 원료금속분말로 부품을 구성하는 방법에 관한 것이다.

원료금속분말로 구성된 부품은 공지되어있다. 그러나 상기 부품의 제작은 비용이 높고 많은 시간이 소모된다.

본 출원은 2013년 10월 22에 제출된, 미국에서 동시 출원중인 임시 특허 출원 번호 61/894,205의 혜택을 주장한다.

따라서, 적어도 하나의 원료금속분말로 부품을 만드는 방법은, 상기 확인된 문제를 처리하기 위해 의도된, 유용성을 얻게 될 것이다.

본 발명의 하나의 실시예는 최종부품에 가까운 형상과 부품 체적 그리고 부품 밀도를 갖는 적어도 하나의 원료금속분말로 부품을 구성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법에는 소결 밀도를 갖는 소결된 예비형성품(sintered preform)을 제공하는 단계와 소결된 예비형성품으로부터 부분을 분리하는 단계가 포함된다. 상기 부분은 부품의 최종부품에 가까운 형상과는 다른 부분 형상을 가지며, 최종부품에 가까운 형상의 부품 체적에서 초과되는 부분 체적을 갖는다. 방법에는 또한 최종 부품에 가까운 형상과 부품 밀도를 가진 부품을 형성하기 위해 초소성적으로 부분을 변형시키는 사이, 열 순환 압력에서 열 순환 시간 주기 동안 부분을 열 순환시키는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 적어도 하나의 원료금속분말로 부품을 구성하는 방법을 통해 상기 부품 제작시의 비용과 시간을 감소시킬 수 있다.

이와 같이 일반적인 표현과 참조를 통해, 본 발명의 실시예를 설명하는 것은 하기에서, 반드시 축척대로는 도시되지 않은 첨부된 도면으로 설명될 것이며, 참조 부호는 여러 도면에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 항공기 생산 및 서비스 방법론에 대한 흐름도이다;
도 2는 항공기에 대한 블록 구성도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른, 적어도 하나의 원료금속분말로 부품을 구성하는 방법에 대한 흐름도이다;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 적어도 하나의 원료금속분말로 최종부품에 가까운 형상의 부품을 구성하기 위한 장치의 하나의 실시예에 대한 단면도이다;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 적어도 하나의 원료금속분말로 최종부품에 가까운 형상의 부품을 구성하기 위한 시스템의 하나의 실시예에 대한 블록 구성도이다;
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 최종부품에 가까운 형상의 부품의 하나의 실시예에 대한 사시도이다;
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른, 소결된 예비형성품의 하나의 실시예에 대한 정면도이다;및
도 7b는 도 7a에 도시된 상기 소결된 예비형성품와 그로부터 분리된 부분에 대한 정면도이다.
상기에 나타난 블록 구성도에서, 다양한 요소 및/또는 구성요소를 연결하는 실선들은 기계, 전기, 유체, 광학, 전자 및 이들 간의 연결 및/또는 조합을 나타낼 수 있다. 여기서 사용된 바와 같이, "연결"은 직접적이고 간접적으로 연관되는 것을 의미한다. 예를 들어, 부재 A는 직접적으로 부재 B와 관련될 수 있으며, 또는 간접적으로 예를 들어 다른 부재 C를 매개로 이와 함께 관련될 수 있다. 블록 구성도에 도시된 것 이외의 다른 연결이 또한 존재할 수 있다. 만일 있다면, 다양한 요소 및/또는 구성요소를 연결하는 일점 쇄선은 실선에 의해 나타내진 것들의 목적과 유사한 기능으로 연결된 것을 나타낸다;그러나, 일점 쇄선으로 나타낸 연결은 본 발명의 선택적으로 제공된 것 중 하나 또는 대안 또는 선택 사양인 실시예에 관한 것이다. 마찬가지로, 일점 쇄선으로 나타낸 어떤 요소 및/또는 구성요소는 본 발명의 대안 또는 선택 사양의 실시예를 나타낸다. 만일 있다면, 환경 요소는 점선으로 나타낸다.
상기에 도시된 흐름도에서, 블록(block)은 공정 및/또는 공정의 일부분을 타나낼 수 있다. 그러므로, 다양한 블록을 연결하는 선은 공정 또는 공정의 일부분 사이의 어떤 특정한 순서 또는 의존성을 나타내지 않는다.

다음의 설명에서, 제시된 개념의 충분한 이해를 제공하기 위해 많은 세부 사항이 제시된다. 제시된 개념은 이러한 세부 사항 중 일부 또는 전체가 없이도 실시될 수 있다. 다른 경우, 제시된 개념을 불필요하게 불명료해지지 않기 위해서, 잘 알려진 처리 공정은 자세하게 설명되지 않는다. 일부 개념이 특정 실시예와 함께 설명되는 동안, 이러한 실시예는 제한하려 하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 발명의 실시예는 도 1에 도시된 것과 같은 항공기 제작 및 서비스 방법(100)과 도 2에 도시된 항공기(102)의 맥락으로 설명될 수 있다. 제작 준비 단계에서, 도시된 방법(100)은 항공기의 사양 및 설계(104)와 자재 조달(106)이 포함될 수 있다. 제작시 단계에는, 항공기의 구성요소 및 하위조립품 제작(108)과 시스템 통합(110)이 이루어진다. 이후, 항공기(102)는 운영(114)단계로 이어지기 위해 승인 및 수송(112)을 거치게 된다. 고객에 의한 운영 중에는, 항공기(102)의 규칙적인 유지관리 및 서비스(116)가 예정된다(또한 수정, 재구성, 재정비 등과 같은 것들이 포함될 수 있다).

도시된 방법(100)의 각 단계는 시스템 인테그레이터(system integrator), 제3자, 및/또는 운영자(예, 고객) 등에 의해 실행되고, 수행될 수 있다. 이러한 설명의 목적을 위해, 시스템 인테그레이터에는 많은 항공기 제조사와 주요 시스템 하청업체가, 제한 없이, 포함될 수 있으며;제3자에는 많은 판매업체와 하청업체 및 공급자가, 제한 없이, 포함될 수 있고;그리고 운영자에는 항공사, 임대차 회사, 군사 기업, 서비스 기관 등이 포함될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 도시된 방법(100)에 의해 생산된 항공기(102)는 다수의 높은 수준의 시스템(120)과 인테리어(122)를 가진 기체(118)가 구비될 수 있다. 높은 수준의 시스템(120)의 예에는 하나 이상의 추진 시스템(124), 전자 시스템(126), 유압 시스템(128) 및 환경 시스템(130)이 구비될 수 있다. 다수의 다른 시스템이 포함될 수도 있다. 비록 항공 산업의 예시로 도시되었지만, 다른 실시예는 자동차 산업과 같은 다른 산업에 적용될 수 있다.

이곳에 설명되고 도시된 장치 및 방법은 어느 하나 이상의 제조 및 서비스 방법(100)에 채용될 수 있다. 예를 들어, 구성요소 및 하위조립체 제조(108)에 상응하는 구성요소 및 하위조립체는 항공기(102)가 운영중일 때 생산된 구성요소 및 하위조립체와 유사한 방식으로 제조 또는 제작될 수 있다. 또한, 장치, 방법, 또는 둘의 조합에 대한 하나 이상의 실시예는 생산 단계(108),(110), 예를 들어, 실질적으로 항공기(102)의 조립 시간 단축 또는 비용 절감에 의해 활용될 수 있다. 유사하게, 하나 이상의 장치 또는 방법 실현, 또는 둘의 조합은 예를 들어 제한 없이, 항공기가 운영중일 때, 예를 들어 유지관리 및 서비스(116)시 활용될 수 있다.

도 2 및 도 4에 나타난, 부품(14)과 같은 부품, 예를 들어 항공기(102)와 관련된 부품은 다양한 재료와 다른 기구를 사용하여 구성될 수 있다. 하나의 실시예에서, 부품(14)은 적어도 부분적으로 티타늄으로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 부품(14)은 티타늄, 알루미늄, 그리고 바나듐, 조금더 구체적으로는, TI-6A1-4V의 조합으로 구성될 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예는 적어도 하나의 원료금속분말로부터 부품(14, 도 4 참조)을 구성하는 방법에 관한 것이다. 부품(14)은 최종부품에 가까운 형상과 부품 체적, 그리고 부품 밀도를 갖는다. 계속해서 도 3과 부가적으로 도 7a 및 7B를 참조하면, 방법에는 소결 밀도를 가진 소결된 예비형성품(134,sintered preform)를 제공하는 단계(도 3의 블록 300)와 소결된 예비형성품(134)로부터 부분(134A)을 분리하는 단계(도 3의 블록 400)가 포함된다. 부분(134A)은 최종부품에 가까운 형상의 부품 체적에서 초과하는 부분 체적을 가지며, 부품(14)의 최종부품에 가까운 형상과는 다른 부분 형상을 갖는다. 방법에는 또한 최종부품에 가까운 형상과 부품 밀도를 가진 부품(14)을 형성하기 위해 초소성적으로 부분(134A)을 변형시키는 사이, 열 순환 압력에서 열 순환 시간 주기 동안 부분(134A)을 열 순환시키는 단계(도 3의 블록 500)가 포함된다.

앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 소결된 예비형성품(134, 도 7a 참조)은 냉간 압축된 예비형성품을 일정한 온도에서 소결 시간 주기 동안 소결하여 형성된다. 앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 일정한 온도는 화씨 약 1900도에서 화씨 2500도이다. 앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 소결 시간 주기는 약 2시간에서 20시간이다.

앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 냉간 압축된 예비형성품는 냉간 압축된 밀도를 가질 수 있으며, 냉간 압축 온도와 냉간 압축 압력에서 냉간 압축 시간 주기 동안 적어도 하나의 원료금속분말을 냉간 압축하여 형성된다. 냉간 압축을 하는 것은 다양한 방식과 다른 기구를 이용하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 냉간 압축을 하는 것은 냉간 등방압 가압법을 포함할 수 있다. 앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 냉간 압축된 밀도는 부품(14)과 관련된 이론적 전체 밀도의 약 50퍼센트에서 85퍼센트이다. 이곳에서 사용된 것과 같이, 부품에 기공이 없다면 부품은 부품의 이론적 전체 밀도를 가질 것이다. 앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 냉간 압축의 압력은 제곱 인치당 약 60,000 파운드(60,000psi)이다. 앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 냉간 압축의 압력은 열 순환 압력보다 더 크다.

앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 소결된 밀도는 부품(14)과 관련된 이론적 전체 밀도의 약 80퍼센트에서 99퍼센트이다. 앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 소결된 밀도는 부품(14)과 관련된 이론적 전체 밀도의 약 95퍼센트에서 99.5퍼센트이다.

앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 부품 밀도는 소결 밀도보다 더 크고, 소결 밀도는 냉간 압축 밀도보다 더 크다. 앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 부품 밀도는 부품(14)과 관련된 이론적 전체 밀도의 약 99.5퍼센트에서 100퍼센트이고, 소결 밀도는 이론적 전체 밀도의 약 80퍼센트에서 95퍼센트이며, 냉간 압축 밀도는 이론적 전체 밀도의 약 50퍼센트에서 85퍼센트이다.

앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 냉간 압축된 예비형성품을 형성시키는 것은 적어도 하나의 원료금속분말을 냉간 압축하기 전에 적어도 하나의 원료금속분말을 마모(attriting)시키는 것을 추가로 포함한다. 마모시키는 것은 다양한 방식과 다양한 기구를 통해 이루어진다. 하나의 실시예에서, 마모시키는 것은 적어도 하나의 원료금속분말을 더 미세한 입자로 갈거나 또는 그렇지 않으면 부수는 것을 포함할 수 있으며, 다수의 원료금속분말이 사용된 예시 및/또는 실시예에서, 마모시키는 것은 다수의 원료금속분말을 혼합하는 것이 부가적으로 포함될 수 있다. 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 원료금속분말은 큰 구형 부재가 배치된 드럼 안에 배치된다. 드럼이 회전하며 드럼 내의 부재를 이동시키고, 이로 인해 적어도 하나의 원료 분말은 더욱 미세한 입자로 갈려지고, 적어도 하나의 원료 분말을 혼합시킨다.

앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 방법은 또한 최종부품에 가까운 형상을 최종부품 형상으로 변형시키기 위해 부분(134A)을 최종부품에 가까운 형상으로 변형시킨 이후의 부품(14)을 처리하는 단계를 포함한다. 부품(14)은 다양한 방식으로 처리될 수 있다. 예를 들어, 부품(14)은 다듬질(machine), 그라인딩(grind), 폴리싱(polish), 절삭(cut), 펀칭(punch), 드릴링(drill)될 수 있으며 또는 어떤 다른 형식의 후처리 과정을 격을 수 있다.

앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 부분(134A, 도 7a 및 도 7b 참고)은 제1 온도와 제2 온도 사이에서 열 순환된다. 열 순환은 여러 가지 다른 속도와 여러 가지 다른 최대 온도와 최소 온도 사이에서 발생할 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 제1 온도는 화씨 약 1580도 일 수 있으며, 제2 온도는 화씨 약 1870도 일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 제1 온도는 화씨 약 1450도 일 수 있으며, 제2 온도는 화씨 약 2000도 일 수 있다.

앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 부분(134A,도 7a 및 7B 참고)은 많은 열 순환 횟수 동안 열에 의해 순환될 수 있다. 앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 열 순환의 횟수는 약 5회에서 40회이다. 앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 다른 실시예에서, 열 순환 횟수는 약 10회에서 약 20회이다.

앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 열 순환 시간 주기는 약 한 시간 이내이다.

앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 각각의 열 순환은, 하기에서 자세하게 설명될, 부분(134A)의 재질의 결정학적인 변화를 야기한다.

앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 부분(134A,도 7a 및 도 7b 참고)은 불활성 환경(inert atmosphere)에서 열 순환된다. 불활성 환경에서 열 순환되는 부분(134A)은 산화가 최소화된다. 불활성 환경에 대한 하나의 실시예에는 아르곤 환경이 포함된다.

앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 원료금속분말은 티나늄(titanium) 분말과 알루미늄(aluminum) 분말, 그리고 바나듐(vanadium) 분말 중 적어도 하나이다.

앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 부품(14,도 4 참고)은 다수의 원료금속분말로 구성된다. 앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 다수의 원료금속분말은 티타늄 분말과 알루미늄 분말, 그리고 바나듐 분말 중 적어도 두 개의 분말을 포함한다.

앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 열 순환 압력은 일정하다. 앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 열 순환 압력은 제곱 인치 당 약 2000파운드(2000psi)이다. 앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 열 순환 압력은 제곱 인치 당 약 1000파운드(1000psi)에서 약 4000파운드(4000psi)로 다양할 수 있다.

도 7a 및 도 7b를 참고로, 앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 소결된 예비형성품(134)은 원통 형상을 갖는다. 앞선 및/또는 다음의 예시와 실시예 중 적어도 어느 주제의 일부분을 포함할 수 있는 본 발명의 하나의 실시예에서, 소결된 예비형성품(134)은 지름(600)과 제1 높이(604)를 가지며, 소결된 예비형성품(134)의 부분(134A)은 소결된 예비형성품(134)의 지름(600)을 가지며, 제1 높이(604)보다 작은 제2 높이(608)를 가진다.

계속해서 도 7a 및 도 7b를 참고하면, 소결된 예비형성품(134)은 입방체 또는 원통형과 같은, 다양한 형상을 가질 수 있다. 바람직하게, 소결된 예비형성품(134)은 부분(134A)의 부피가 부분(134A)의 지름으로부터 쉽게 계산될 수 있는 형상이다.

본 명세와 이곳에서 제시된 방법의 공정을 설명하도록 도시된 도면은 반드시 수행되어야 하는 작업의 순서를 결정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 하나의 실시예로서 어느정도 순서가 제시되어 있긴 하지만, 작업의 순서는 적절한 때에 수정될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다. 게다가, 본 발명의 어떤 실시예로서, 본 명세서에 설명된 모든 작업이 수행될 필요는 없다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따르는 부품(14)을 형성하기 위한 장치(10)의 하나의 실시예가 도시되어 있다. 장치(10)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 공동 사용 금형과 같은 두 개 이상의 금형(12)을 구비한 금형 조립체를 구비한다. 금형은 일반적으로 강하고 단단한 재질로 형성되며 또한 부품(14)의 처리 온도보다 높은 용융점을 가진 재료로 형성된다. 또한, 금형(12)은 낮은 열팽창, 높은 열 단열, 그리고 낮은 전자기 흡수에 대한 특성화된 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 각각의 금형(12)은 유도 코일(하기에 설명됨)을 위해 적절한 크기로 재단된 스테인리스 스틸(stainless steel) 또는 인코넬(Inconel)®625 합금으로 형성된, 금속판과 같은, 여려 겹 적층된 금속판을 구비할 수 있다. 적층된 금속판은 각각의 금형표면 윤곽에 대해 일반적으로 수직을 향하고 있을 수 있다. 각각의 금속판은 약 1/16인치에서 1/4인치의 두께, 예를 들어 바람직하게 약 0.2인치를 가질 수 있다. 인접한 적층 금속판 사이에는 금형의 냉각을 용이하게 하기 위해 약 0.15인치 정도 간격의 공극(air gap)이 적용될 수 있다. 적층된 금속판은 클램프(도시되지 않음), 패스너(도시되지 않음), 및/또는 다른 적절한 기법을 이용하여 서로 부착될 수 있다. 적층된 금속판은 전기적, 열적 특성을 근거로 선정될 수 있으며, 자기장에 투과성이 있을 수 있다. 전기 절연 코팅(electrically insulating coating,도시되지 않음)은 적층된 금속판 사이의 전류 흐름을 차단하기 위해 각각의 적층된 금속판의 각 면에 선택적으로 적용될 수 있다. 절연 코팅은 예를 들어 세라믹 재질과 같은 재질이 될 수 있다. 적층된 금형 장치(10)의 열 팽창과 수축을 용이하게 하기 위해 다중 열 팽창 슬롯(multiple thermal expantion slots)이 금형에 적용될 수 있다.

금형 조립체는 또한 금형(12)이 장착되기 위한 두 개 이상의 스트롱백(13,strongback)이 구비될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 제1 및 제2 금형(12)은 제1 및 제2 스트롱백(13)에 각각 장착되고 지지될 수 있다. 스트롱백(13)은 금속판과 같은 딱딱한 판이며, 금형(12)을 고정하고 금형(12)의 치수 정밀도를 유지하기 위한 기계적 구속장치로써 작용한다. 금형 조립체는 또한 일반적으로, 도 4의 (15)로서 도시되며, 부품(14)에 미리 예상된 정도의 압력을 적용하기 위해 또 다른 금형을 향해 금형(12)을 이동시키는 것과 같이, 금형(12)을 또 다른 금형을 향해 이동하고 서로 멀어지도록 이동시키는 것을 제어할 수 있는 액추에이터를 구비한다. 유압식, 공압식, 또는 전기식과 같은 다양한 타입의 액추에이터가 채용될 수 있다.

도 4의 단면에 나타난 바와 같이, 금형(12)에는 내부 공동이 형성되어있다. 진공 열간 압축 또는 열간 등방 압축과 같은, 열간 압축 처리에 의해 형성된 부품(14)의 실시예에서, 금형(12)에 형성된 내부 공동은 부품(14)이 배치되어 있는 곳인 금형 공동으로써 제공될 수 있다. 그러나, 도 4 및 도 5에 도시된 실시예에서, 부품(14)을 형성하기 위한 장치는 금형(12)의 선택적인 가열을 용이하게 하기 위해 금형(12) 전체에 연장되어 있는 하나 이상의 유도 코일(16)을 구비한다. 열 제어 시스템은 유도 코일에 연결될 수 있다. 서셉터(suscepter)는 각 금형(12)의 유도 코일에 열에 의해 결합될 수 있다. 각각의 서셉터는 예를 들어, 강자성(ferromagnetic) 재질, 코발트(cobalt), 철 또는 니켈과 같은 열 전도성 재질이 될 수 있다. 각 서셉터는 일반적으로 각 금형의 제1 금형 윤곽 표면에 일치시킬 수 있다.

전기 및 열 절연 코팅(17), 즉, 금형 라이너(die liners)는 금형(12)의 금형 윤곽 표면에 제공될 수 있다. 전기 및 열 절연 코팅은, 예를 들어, 알루미나(alumina) 또는 실리콘 카바이드(silicon cabide) 및, 조금더 구체적으로는 SiC 섬유를 가진 SiC 복합제일 수 있다. 서셉터는, 결국, 각각의 금형의 전기 및 열 절연 코팅에 제공될 수 있다.

냉각 시스템은 각 금형(12)에 제공될 수 있다. 냉각 시스템은, 예를 들어, 각 금형(12) 전체에 선택적으로 분포된 냉각수 배관을 구비할 수 있다. 냉각수 배관은 각각의 금형(12)으로 냉매를 흘려보내도록 구성될 수 있다. 냉매는 예를 들어, 액체, 기체 또는 미스트(mist) 또는 에어로졸(aerosol)와 같은 형태일 수 있는 가스/액체 혼합일 수 있다.

서셉터(18)는 진동 자기장과 같은 유도 가열 코일(16)에 의해 발생되는 전자기 에너지에 반응을 보인다. 유도 가열 코일에 의해 발생된 전자기 에너지에 대한 반응으로, 서셉터는 가열되고, 결국은, 부품(14)을 가열한다. 금형이 가열되고 냉각되는 기술에 대하여, 유도 가열 기술은, 서셉터의 비교적 신속한 가열 및 냉각의 결과와 같은 제어 방식으로, 부품(14)을 더욱 빠르게 가열 및 냉각할 수 있다. 예를 들어, 어떤 유도 가열 기술은 전통적인 오토클레이브(autoclave) 또는 열간 등방 압축(HIP) 과정보다 두자릿수 이상 더 빠르게 부품(14)을 가열 및 냉각할 수 있다.

하나의 실시예에서, 서셉터는 유도 가열 코일에 의해 발생된 전자기 에너지 반응으로 가열된 서셉터에 설정 온도점을 생성하기 위해 선택된 특정 재질 구성을 가진 철, 니켈, 크롬 및/또는 코발트의 결합을 포함한 강자성 재질로 형성된다. 이 점에서, 서셉터는 유도에 의해 가열된 서셉터에 설정 온도점을 형성하는 강자성과 상자성 간의 상전이가 발생하는 곳의 서셉터의 퀴리점(Curie point)으로 구성된다. 게다가, 서셉터는 부품(14)의 상변화 온도보다, 비록 약간 더 높을지라도, 더 높은 퀴리점으로 구성될 수 있다.

또한 도 4에 도시된 바와 같이, 부품(14)은 금형 공동 내부에 배치된다. 하기에 설명된 바와 같이, 방법 및 장치(10)는 부품(14)의 다른 부분이 다른 방향으로 연장된 곳에서, 요구되는 복잡한 형상을 갖기 위해 부품을 형성할 수 있다. 그러나, 방법 및 장치는 어떠한 요구되는 구성을 가진 부품도 형성할 수 있다. 이처럼, 방법 및 장치가 매우 다양한 목적을 위한 부품(14)을 형성할 수 있다. 이 점에서, 방법 및 장치는 우주항공, 자동차, 선박, 건설, 구조 및 많은 다른 목적을 위해 형성될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같은, 예를 들어, 항공기 기체에 바닥 빔(floor beam)을 연결하기 위한 연결 판은 본 발명의 방법 및 장치의 실시예에 따라 형성될 수 있는 복잡하게 형성된 부품(14)의 하나의 예시로서 형성되고 도시된다.

부품(14)은 또한 다양한 재질로 형성될 수 있지만, 일반적으로 높은 온도와 압력, 즉, 대기 온도 및 압력보다 높은 온도와 압력에서 그리고, 일반적으로, 대기 온도 및 압력보다 더 높은 상태에서 두 고체 상태 사이에서 상변화를 격는 금속 합금으로 형성된다. 예를 들어, 부품(14)을 형성하는 금속 합금은 강철 또는 철 합금일 수 있다. 그러나, 하나의 실시예에서, 부품(14)은 6%(중량비율)의 알루미늄, 4%(중량비율)의 바나듐 그리고 90%(중량비율)의 티타늄으로 형성된 Ti-6-4와 같은 티타늄 합금으로 형성된다. 실온의 평형조건 하에서, Ti-6-4는 두 고체 상태, 즉, 낮은 온도에서 더욱 안정되는 알파 상태로 지칭되는 육방 밀집 상태와, 높은 온도에서 더욱 안정되는 베타 상태로 지칭되는 체심 입방 상태의 두 고체 상태를 포함한다. 실온의 평형조건에서, Ti-6-4는 열역학에 의해 결정되는 각 상태의 상대적인 양을 가진 배타 상태와 알파 상태의 혼합물이다. 온도가 증가할수록, 합금이 베타 트랜서스(transus) 온도 너머의 온도에서 베타 상태로 완전히 형성될 때까지, 알파 상태는 상변화 온도 범위를 너머 배타 상태로 변한다. Ti-6-4를 위한 실시예로서, 베타 트랜서스 온도는 섭씨 1000도 가까이 된다. 유사하게, Ti-6-4는 베타 트랜서스 온도 이하, 상태 변화 범위 이상에서 온도가 증가할수록 서서히 베타 상태에서 알파 상태로 변하게 될 것이다. 티타늄 합금을 위한, 육방 밀집 상태에서 체심 입방 상태로의 상 변화가 온도 범위 너머에서 나타나는 반면, 순수 티타늄을 위한 상 변화는 단일 온도 값, 섭씨 약 880도에서 나타난다. 여기에서 참조한 상 변화 온도 범위에는 수많은 온도뿐만 아니라 단일 온도 값을 포함하는 모든 범위가 포함된다. 이에 더해, 베타 트랜서스 온도는 정확한 합금 조성에 따라 달라진다.

알파 상태에서 베타 상태로 변화하는 동안, 동반되는 원자의 미세구조 재배치는 온도 변화로 인한 각 상태에 대한 격자 파라미터(lattice parameters)에서의 변화이다. 이러한 격자 파라미터에서의 변화는 뚜렷한 체적 변화를 야기한다. 이러한 체적에서의 미세구조 변화는 합금의 가열시 변형 속도에 순간적인 증가를 야기하며, 결국, 낮은 적용 압력 또는, 달리 말하면, 주어진 압력에서 더 많은 변형이 발생 된 것에 대응하여 주어진 변형의 양이 발생 될 수 있다. 상 변화 온도 범위 내 또는 근접한 온도에서 부품(14)의 상태 변화 초소성(superplasticity)을 이용하여, 부품(14)은 종래의 기술보다 더 낮은 온도와 압력으로도 강화될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시예에서, 부품(14)을 형성하기 위한 장치(10)는 적어도 부품(14)의 한 면에 근접하기 위해 금형 공동 내부에 배치된 유체정역학적 압축 매체(26)를 채용한다. 유체정역학적 압축 매체가 부품(14)의 한 면에 단지 근접할 필요가 있을 때, 유체정역학적 압축 매체는, 실시예에서와 같이, 부품(14)의 각각의 크기에 근접하기 위해 부품(14)을 둘러싸거나 캡슐에 넣을 수 있다. 유체정역학적 압축 매체가 부품(14)과 구별되도록 부품(14)의 삽입 전에 금형 공동 내부에 배치될 수 있기 때문에, 유체정역학적 압축 매체는 부품(14)이 유체정역학적 압축 매체를 수반하는 금형 공동 내부로 부품(14)을 삽입하기 전에 부품(14)에 코팅되거나 또는 다른 방식으로 배치될 수 있다.

유체정역학적 압축 매체(26)는 본 발명의 실시예에 따른 방법 및 장치(10)에서 부품(14)을 강화하는 처리 압력 및 온도에서 비교적 높은 점도를 가진 액체로 구성된다. 그런 점에서, 액체의 점도는 상변화 온도 범위 내의 작동점에 있거나 또는 가깝게 있을 수 있다. 예를 들어, 점도는 상변화 온도 범위 내에 있는 온도를 위해 약 10³ 포와즈(poise)에서 약 10⁶ 포와즈의 범위에 있을 수 있다. 이에 더해, 액체는 일반적으로 낮은 열용량을 가지며, 복사 에너지를 투과하고, 전기적으로 비 전도성이며 비교적 높은 열 전도성을 갖는다. 그런 점에서, 유체정역학적 압축 매체는 유리와 같은 비정질 재질(amorphous material)이 될 수 있다. 이에 더해, 유체정역학적 압축 매체는 부품(14)이 처리되고 강화될 높은 온도에서 바람직하게 부품과 반응하지 않는다.

하나의 실시예에서, 유체정역학적 압축 매체(26)는, 예비형성품에 근접한 제1 레이어(layer)와 예비형성품에서 제1 레이어(layer)의 맞은편에 있고 제1 레이어(layer)에 의해 예비형성품으로부터 이격된 제2 레이어(layer)로 구성된, 두 개의 유리(glass) 레이어로 형성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 제1 레이어는 일반적으로 제2 레이어보다 단단하고, 이에 따라 부품(14)의 빈공간으로의 유리의 침입을 감소시킨다.

본 발명에 따른 방법 및 장치에 대한 다른 실시예에는 여러 가지 구성요소, 특성 그리고 기능이 포함된다. 본 발명에 따른 방법 및 장치의 다양한 실시예는 어떠한 조합으로 본 발명에 따른 방법 및 장치의 다른 실시예 중 어느 하나의 구성요소, 특성, 그리고 기능 중의 어느 하나를 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이며, 이러한 모든 가능성은 본 발명의 의도와 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

청구되거나 또는 청구되지 않을 수 있는, 본 발명에 따른 주제의 실시예와 불완전한 예시는 하기 A1-A27의 단락에서 제공된다.

A1. 소결 밀도를 가진 소결된 예비형성품(134)를 제공하는 단계(300);

소결된 예비형성품으로부터, 부품 체적에서 초과하는 부분 체적을 가지며 부품(14)의 최종부품에 가까운 형상과는 다른 형상 부분을 가진, 부분(134A)을 분리하는 단계(400);및

최종부품에 가까운 형상과 부품 밀도를 가진 부품(14)을 형성하기 위해 초소성적으로 부분(134A)을 변형시키는 사이, 열 순환 압력에서 열 순환 시간 주기 동안 부분(134A)을 열 순환시키는 단계(500)로 구성된, 적어도 하나의 원료금속분말로부터, 거의 최종부품에 가까운 형상이며 부품 체적과 부품 밀도를 가진, 부품(14)을 구성하는 방법(100).

A2. 단락 A1의 방법(100)에서의 소결된 예비형성품(134)는 일정한 온도에서 소결 시간주기를 위해 냉간 압축된 예비형성품을 소결하여 형성된다.

A3. 단락 A2의 방법(100)에서의 일정한 온도는 화씨 약 1900도에서 화씨 약 2500도이다.

A4. 단락 A2에서 A3 중의 어느 한 단락의 방법(100)에서의 소결 시간 주기는 약 2시간에서 20시간이다.

A5. 단락 A2에서 A4 중 어느 한 단락의 방법(100)에서의 냉간 압축된 예비형성품는 냉간 압축된 밀도를 가지며 냉간 압축 온도와 압력에서 냉간 압축 시간 주기에 대하여 적어도 하나의 원료금속분말을 냉간 압축하여 형성된다.

A6. 단락 A5의 방법(100)에서의 냉간 압축 밀도는 부품(14)에 대한 이론적 총 밀도의 약 50퍼센트에서 약 85퍼센트이다.

A7. 단락 A5의 방법(100)에서의 냉간 압축 압력은 인치 제곱 당 약 60,000파운드(60,000psi)이다.

A8. 단락 A5에서 단락 A7 중 어느 한 단락의 방법(100)에서의 냉간 압축 압력은 열 순환 압력보다 더 높다.

A9. 단락 A8의 방법(100)에서의 부품 밀도는 소결 밀도보다 크고 소결 밀도는 냉간 압축 밀도보다 크다.

A10. 단락 A9의 방법(100)에서의 부품 밀도는 부품(14)의 이론상 총 밀도의 약 99퍼센트에서 100퍼센트이며, 소결 밀도는 이론상 총 밀도의 약 80퍼센트에서 95퍼센트이고, 냉간 압축 밀도는 이론상 총 밀도의 약 50퍼센트에서 85퍼센트이다.

A11. 단락 A5에서 단락 A10 중 어느 한 단락의 방법(100)에서의 냉간 압축된 예비형성품을 형성하는 것은 적어도 하나의 원료금속분말을 냉간 압축하기 전에 적어도 하나의 원료금속분말을 마모(attriting)시키는 것이 추가로 포함된다.

A12. 단락 A1에서 단락 A11 중 어느 한 단락의 방법(100)에는 최종 부품에 가까운 형상을 최종 부품 형상으로 변화시키기 위해 부분(134A)을 최종 부품으로 변형시킨 이후의 부품(14) 처리 단계가 추가로 구성된다.

A13. 단락 A1에서 단락 A12 중 어느 한 단락의 방법(100)의 부분(134A)은 제1 온도와 제2 온도 사이에서 열에 의해 순환된다.

A14. 단락 A13의 방법(100)에서의 부분(134A)은 수많은 열 순환을 위해 열에 의해 순환된다.

A15. 단락 A14의 방법(100)에서의 열 순환 횟수는 약 5회에서 25회이다.

A16. 단락 A14에서 단락 A15 중 어느 한 단락의 방법(100)에서의 각각의 열 순환은 부분(134A) 재질의 결정학적인 변화를 야기한다.

A17. 단락 A1에서 단락 A16 중 어느 한 단락의 방법(100)에서의 부분(134A)은 불활성 환경에서 열에 의해 순환된다.

A18. 단락 A1에서 단락 A17 중 어느 한 단락의 방법(100)에서의 열 순환 시간 주기는 약 한 시간 이내이다.

A19. 단락 A1에서 단락 A18 중 어느 한 단락의 방법(100)에서 적어도 하나의 원료금속분말은 티타늄 분말, 알루미늄 분말, 그리고 바나듐 분말 중 적어도 하나이다.

A20. 단락 A1에서 단락 A19 중 어느 한 단락의 방법(100)에서의 부품(14)은 수많은 원료금속분말로 구성된다.

A21. 단락 A20의 방법(100)에서의 수많은 원료금속분말은 티타늄 분말, 알루미늄 분말, 그리고 바나듐 분말 중 적어도 두 개를 포함한다.

A22. 단락 A1에서 단락 A21 중 어느 한 단락의 방법(100)에서의 소결 밀도는 총 밀도의 약 80퍼센트에서 99퍼센트이다.

A23. 단락 A1에서 단락 A5, 그리고 단락 A7에서 단락 A9 중 어느 한 단락의 방법(100)에서의 소결 밀도는 부품(14)의 이론적 총 밀도의 약 95퍼센트에서 약 99퍼센트이다.

A24. 단락 A1에서 단락 A23 중 어느 한 단락의 방법(100)에서의 열 순환 압력은 일정하다.

A25. 단락 A24의 방법(100)에서의 열 순환 압력은 인치 제곱 당 약 2000파운드(2000psi)이다.

A26. 단락 A1에서 단락 A25 중 어느 한 단락의 방법(100)에서의 소결된 예비형성품는 원통형 형상을 갖는다.

A27. 단락 26의 방법(100)에서의 소결된 예비형성품(134)는 지름과 제1 높이를 가지며, 상기 예비형성품(134)의 부분(134A)은 소결된 예비형성품(134)의 지름을 가지며, 제1 높이보다 낮은 제2 높이를 갖는다.

상기 언급된 설명과 관련 도면에서 제시된 가르침의 이점을 갖는, 본 발명의 주재의 많은 변형은 이러한 발명과 관련된 당 업계의 숙련자에게 명백해 질 것이다. 그러므로, 본 발명이 제공된 특정한 실시예에 한정되지 않으며 그것의 변경은 첨부된 청구 범위 내에 있는 것으로 이해되어야 한다. 더욱이, 앞서 언급된 명세서와 해당 도면은 구성요소 및/또는 기능의 어떤 예시적인 조합을 설명하며, 이는 구성요소 및/또는 기능의 다른 조합이 첨부된 청구 범위에서 벗어남 없이 실현될 수 있다는 것으로 이해되어야 할 것이다.

10 : 장치 12 : 금형
13 : 스트롱백 14 : 부품
15 : 금형 조립체 16 : 유도 가열 코일
17 : 코팅 18 : 서셉터
26 : 유체정역학적 압축 매체 134 : 소결된 예비형성품
134A : 부분

Claims (15)

1. 적어도 하나의 원료금속분말로부터, 거의 최종 부품에 가까운 형상과 부품 체적 및 부품 밀도를 가진, 부품(14)을 구성하는 방법(100)으로서,
   소결 밀도를 가진 소결된 예비형성품(134)를 제공하는 단계(300);
   소결된 예비형성품으로부터, 상기 부품(14)의 최종부품에 가까운 형상의 부품 체적을 초과하는 부분 체적을 가지며 부품(14)의 최종부품에 가까운 형상과는 다른 부분 형상을 가진, 부분(134A)을 분리하는 단계(400);그리고
   최종 부품에 가까운 형상과 부품 밀도를 가진 부품(14)을 형성하기 위해 초소성적으로 부분(134A)을 변형시키면서 열 순환 압력에서 열 순환 시간 주기 동안 부분(134A)을 열로 순환시키는 단계(500)로 구성된, 적어도 하나의 원료금속분말로부터, 거의 최종 부품에 가까운 형상과 부품 체적 및 부품 밀도를 가진, 부품(14)을 구성하는 방법(100).
   
2. 제1항에 있어서, 최종 부품에 가까운 형상을 최종 부품 형상으로 변화시키기 위해 부분(134A)을 최종 부품에 가까운 형상으로 변형시킨 후에 상기 부품(14)을 처리하는 단계가 추가로 구성된, 부품(14)을 구성하는 방법(100).
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부분(134A)이 제1 온도와 제2 온도 사이에서 열 순환되는, 부품(14)을 구성하는 방법(100).
   
4. 제3항에 있어서, 상기 부분(134A)이 2회 이상에 걸쳐 열 순환되는, 부품(14)을 구성하는 방법(100).
   
5. 제4항에 있어서, 열 순환의 횟수가 5회에서 25회인, 부품(14)을 구성하는 방법(100).
   
6. 제4항에 있어서, 각각의 열 순환이 상기 부분(134A) 재질의 결정학적인 변화를 야기하는, 부품(14)을 구성하는 방법(100).
   
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 부분(134A)이 불활성 환경에서 열 순환되는, 부품(14)을 구성하는 방법(100).
   
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 열 순환 시간 주기가 약 한 시간 이내인, 부품(14)을 구성하는 방법(100).
   
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 원료금속분말이 티타늄(titanium) 분말과 알루미늄(aluminum) 분말 그리고 바나듐(vanadium) 분말 중 적어도 하나인, 부품(14)을 구성하는 방법(100).
   
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 부품(14)이 다수의 원료금속분말로 구성된, 부품(14)을 구성하는 방법(100).
    
11. 제10항에 있어서, 다수의 원료금속분말에 티타늄 분말과 알루미늄 분말 그리고 바나듐 분말 중 적어도 두 개가 포함되는, 부품(14)을 구성하는 방법(100).
    
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 소결 밀도가 총 밀도의 약 80퍼센트에서 99퍼센트인, 부품(14)을 구성하는 방법(100).
    
13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 소결 밀도가 부품(14)의 이론적 총 밀도의 약 95퍼센트에서 99퍼센트인, 부품(14)을 구성하는 방법(100).
    
14. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 열 순환 압력이 일정한, 부품(14)을 구성하는 방법(100).
    
15. 제14항에 있어서, 열 순환 압력이 인치 제곱 당 약 2000파운드(2000psi)인, 부품(14)을 구성하는 방법(100).
    

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