混合部件的製作方法
2023-06-13 00:54:26
專利名稱：混合部件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種形成混合部件的方法，該混合部件包括至少兩個金屬部分，所述至少兩個金屬部分優選地具有基本上不同的材料性質。本發明還涉及一種如此形成的混合部件。
背景技術：
當前以多種方式實現金屬部件之間的接合，每種方式均具有其自身的局限性。使用緊固件是普通的但是導致由於需要螺栓連接凸緣而增加部件的重量。被鑽出以能夠進行螺栓連接的孔也會造成應力集中，這些孔會充當裂紋發生部位。同樣地，被緊固的接頭也不太適合許多航天應用。接合不同的金屬材料的常見方法是通過焊接或銅焊。然而，這些工藝具有其自身的局限性。僅能對某些材料和材料組合執行焊接，並且焊接工藝會弓I入局部熱影響區，局部熱影響區可能是脆弱的並且可能不利地影響疲勞性能。金屬部分之間的粘合結合是可能的。然而，它們在剝離和張力上的弱點使得它們在其用於傳統航天結構內的適用性受限。粘合劑也趨向於對溼度和高溫敏感，使得它們不適合於許多應用。W02008/110835A1描述了一種方法，通過該方法藉助附加的製造工藝在金屬部件的結合表面上以一系列層「生成」表面突起。一對具有互補的表面突起的金屬部件可以被放在一起並且利用一薄層粘合劑接合。這些互補的突起提高了接合部的表面積。
發明內容
本發明的第一方面提供了一種形成包括至少兩個金屬部分的混合部件的方法，該方法包括通過在第一金屬部分的界面連接面上形成至少一個肉眼可見的界面連接特徵部來製備該第一金屬部分；將所述第一部分定位在模具中；將金屬粉末引入所述模具中並且圍繞所述界面連接特徵部；以及通過熱等靜壓(HIP)工藝使所述金屬粉末固結以形成第二金屬部分，該第二金屬部分包封所述界面連接特徵部以提供所述部件的所述第一部分和所述第二部分之間的機械連接。本發明的另一方面提供一種包括至少兩個金屬部分的混合部件，其中，所述第一金屬部分具有形成在該部分的界面連接面上的至少一個肉眼可見的界面連接特徵部，並且所述第二金屬部分已通過藉助熱等靜壓工藝使金屬粉末圍繞所述界面連接特徵部固結而形成，以提供所述部件的所述第一部分和所述第二部分之間的機械連接。本發明有利之處在於，混合部件可以由至少兩個金屬部分形成。這樣，所述第一金屬部分和所述第二金屬部分可以由為不同目的而最優化的材料形成。例如，可以使所述第一部分的材料最優化以用於接合到複合材料，而所述第二金屬部分可以由相對不太昂貴的材料形成。所述HIP工藝通常在超過大約IOOMI5a的高壓下進行。由於所用的高壓，因此即使當所述界面連接特徵部具有複雜形狀時，圍繞所述界面連接特徵部使所述金屬粉末固結也能產生幾乎沒有孔隙或缺陷的十分緻密的混合部件。在與諸如鑄造或金屬注射成型之類的其它成形工藝相比時，這特別有益，所述其它成形工藝會圍繞所述界面連接特徵部產生一些局部缺陷並且由於這些工藝而會在部件中存在一些內在孔隙。事實上，其中第二部分已經通過鑄造形成的混合部件常常在製造之後經受HIP工藝從而閉合由鑄造工藝引起的氣孔。因此。本發明的形成混合部件的方法有利的是，所述部件能以較少的步驟形成。所述界面連接特徵部是肉眼可見的。也就是說，它們通常具有至少Imm的尺寸。它們不僅僅是純粹的表面粗糙度而是形成所述第一部分和所述第二部分之間的積極的機械連接。優選地，所述界面連接特徵部具有至少5mm的尺寸。在所述界面連接面上可以以一系列層生成所述界面連接特徵部，通過將能量和/ 或材料導向所述界面連接面使每一層生長。可以採用的適當的附加的製造技術是粉末床工藝(powder bed process)或粉末供給工藝。另選地，所述界面連接特徵部可以通過機械加工形成。所述界面連接特徵部可以是從所述界面連接面伸出的突起的陣列。另選地，所述界面連接特徵部可以是具有多個分枝的樹狀突起。然而更進一步，所述界面連接特徵部可以是所述界面連接面中的一系列凹部或凹槽或者它們的陣列。具有所述界面連接特徵部的所述第一部分可以被固定在所述模具中，並且所述金屬粉末可以作為易流動材料被引入以充填所述模具並且包圍所述界面連接特徵部。所述混合部件可以是託架部件，該託架部件包括託架主體(所述第二部分)和界面連接帶(所述第一部分)。當圍繞所述第一部分的所述界面連接特徵部形成所述第二部分時，為了使所述第一部分的所述界面連接特徵部保持它們的完整性，所述第一部分的材料的熔點優選地比所述第二部分的材料高。所述第一部分的材料的楊氏模數、耐蝕性或者韌性中的至少一個可以比所述第二部分的材料高。優選地，所述第一部分具有第二界面連接面，並且形成從所述第二界面連接面伸出的用於嵌入另一個部件的突起的陣列。在形成所述第二部分之前或之後，可以在所述第二界面連接面上形成所述突起。所述其它部件可以是複合部件，並且優選地是層壓複合部件。所述第一界面連接面和所述第二界面連接面可以位於所述第一部分的相對兩面上，使得所述第一部分用作所述混合部件的界面連接帶。
現在將參照附圖描述描述本發明的實施方式，其中圖1示出了第一實施方式的混合託架部件的剖視圖，該混合託架部件包括託架主體和界面連接帶；圖2示出了第一實施方式的界面連接帶的剖視圖；圖3示出了在熱等靜壓模具中形成第一實施方式的混合託架部件的剖視圖；圖4示出了第二實施方式的混合託架部件的剖視圖，該混合託架部件包括託架主體和界面連接帶；圖5示出了第二實施方式的界面連接帶的剖視圖；圖6示出了接合到複合部件的第二實施方式的混合託架部件的剖視圖；圖7示出了第三實施方式的混合託架部件的剖視圖，該混合託架部件包括託架主體和界面連接帶；以及圖8示出了第四實施方式的混合託架部件的剖視圖，該混合託架部件包括託架主體和界面連接帶。
具體實施例方式圖1所示的混合託架部件1包括第一金屬部分和第二金屬部分。該第二金屬部分形成託架部件1的主體2，並且該第一金屬部分形成界面連接帶3。現在將詳細地描述形成圖1所示的混合託架部件1的方法。首先，如圖2所示，在矩形板6的界面連接面5上形成肉眼可見的界面連接特徵部4的三維陣列以形成界面連接帶3。界面連接特徵部4是突起的陣列，每個突起均具有尖端7和懸突部8。如圖3所示，具有界面連接特徵部4的界面連接帶3被結合到兩部分式熱等靜壓模具9內，其中界面連接特徵部4面對模具。模具9具有接納界面連接帶3的邊緣11的凹部10。在界面連接帶3就位的情況下，模具9限定一內部容積，該內部容積大致與託架部件 1的主體2的形狀對應。將金屬粉末經由口 12、13引入模具9以填充所述內部容積。金屬粉末包圍界面連接帶3的界面連接特徵部4。然後使模具9中的組件在將使金屬粉末固結成實心的、十分緻密的部分(主體幻的溫度和壓力下經受熱等靜壓(HIP)。這在兩個金屬部分2、3之間產生機械連接以形成混合託架部件1。然後從HIP模具9除去混合託架1。界面連接帶3由諸如Ti6A14V的鈦製成。主體2由鋁製成。混合託架1是功能梯度部件，其具有橫跨該部件的功能梯度材料。混合託架1有利地在於，其暴露面14中的一個具有改良的耐蝕性和韌性，同時託架1總體保持了輕便和相對較廉價，這是因為它主要由鋁製成。重要的是，界面連接帶3的材料的熔點比主體2的材料的熔點高，使得界面連接帶，特別是其界面連接特徵部4保持它們的結構完整性，這是因為主體2以HIP工藝形成。對於本領域技術人員來說顯而易見的是，兩個金屬部件的材料可以改變以提供適於不同應用的功能梯度混合部分。此外，混合部件可以包括多於兩個的金屬部分，每個附加金屬部分均在單獨的HIP模具中形成。第一金屬部分的材料的楊氏模數、耐蝕性或韌性中的至少一個可以比第二金屬部分的材料高。作為通過HIP工藝形成附加金屬部分的替代方案，可以另選地採用金屬注射成型、鑄造或其它適當的工藝。通過附加的製造工藝在界面連接面5上以一系列層順序地生成界面連接特徵部 4，這些附加製造工藝是諸如W02008/110835A1 (參見8_11欄)中所述的粉末床工藝或者粉末供給工藝，。在粉末床工藝中，使金屬粉末床橫跨支撐構件輾壓，並且雷射頭掃描過粉末床，以將雷射導向粉末床的所選擇的部分。在使熔化的粉末凝固的間歇之後，使另一層粉末輾壓過先前的層以準備燒結。從而當該過程繼續進行時，構造成由鬆散的粉末部分支撐的燒結部分。在已完成該部分之後，從支撐構件去除該部分，並且去除鬆散的粉末。粉末床工藝能用來形成包括板6和界面連接特徵部4的完整的金屬界面連接帶3。粉末供給系統能用來在先前製造的板6上連續地堆積起界面連接特徵部4。粉末供給系統能使界面連接特徵部串聯地或並聯地生長，然而粉末床系統僅能使界面連接特徵部並聯地生長。在粉末供給系統中，未燒結的粉末流過通道而進入雷射束的焦點內。當粉末被沉積時，使它熔化以形成熔珠，該熔珠變得與現有材料固結在一起。粉末僅被引向界面連接面5的所選擇的部分，並且當輸送粉末時其被熔融。W02008/110835A1中所述的粉末床或粉末供給系統的雷射源能由諸如用於指引電子束的電子束源的另一個能量束源代替。另選地，能通過使用諸如電子束的能量束來產生界面連接特徵部4，以便利用 W02004/028731A1中所述的工藝從板6的界面連接面5 「輕拂(flick-up) 」表面材料以雕刻出特徵部4。界面連接特徵部4也可以通過機械加工形成。圖4示出了混合託架部件21的第二實施方式。混合託架21包括第一金屬部分和第二金屬部分。第二金屬部分形成託架部件21的主體22，並且第一金屬部分形成界面連接
23 ο除了以下不同之處外，混合託架21類似於混合託架1，該不同之處是，除了矩形板 26的第一界面連接面25上的肉眼可見的界面連接特徵部M的陣列之外，界面連接帶23還包括位於與第一界面連接面25相對的第二界面連接面36上的突起35的陣列。形成圖4所示的混合託架部件21的方法類似於關於第一實施方式的以上描述的方法，具有在第二界面連接面36上形成突起35的陣列的附加步驟。界面連接特徵部M是突起的陣列，每個突起均具有尖端27和懸突部觀。突起35與突起M相反地取向並且每個突起35也具有尖端37和懸突部38。通過W02008/110835A1中所述的附加的製造工藝中的一個工藝在界面連接面 25、36上以一系列層順序地生成界面連接特徵部M和突起35。另選地，它們可以通過 W02004/028731A1中所述的工藝或者通過機械加工而形成。基於用來形成兩組突起對、35 的方法，在已在其中一個界面連接面上形成第一組突起之後，可能必需翻轉板沈，從而可以在另一個界面連接面上形成另一組突起。以類似於關於第一實施方式的以上描述的方式形成主體22，以便通過圍繞界面連接面M以HIP工藝使金屬粉末固結來形成混合託架部件21。作為上述方法的替代方案，可以通過採取混合託架部件1並且藉助上述突起形成方法中的任何一個方法在暴露面14上形成突起35的陣列來形成第二實施方式的混合託架部件21。通過將託架部件21的突起35的陣列嵌入複合部件中，然後共同固化所述部件可以形成混合穿透加強(HYPER)接頭。W02008/110835A1 (參見.7和8欄)中詳細地描述了 HYPER接頭的形成。託架部件21被結合到模具中，其中突起25面向外，並且將複合疊層鋪設在模具上。該複合疊層包括用未固化的環氧樹脂預浸漬的一系列單軸碳纖維層。每層傳統上被稱為「預浸料坯」。最初的預浸料坯由突起35穿透。在已形成疊層之後，其通過所謂的「真空袋壓」工藝被固化和固結。也就是說，疊層由真空膜(並且任選地各個其它層，諸如通氣層或外層)覆蓋；真空膜被抽空以施加固結壓力並且抽取水分和揮發物；並且疊層(任選地在高壓釜中)被加熱以固化環氧樹脂基體。當環氧樹脂基體在固化之前熔化時，它流動而與突起35密切接觸。突起與基體機械地接合，同時還增大了結合部的表面積。圖6示出了所形成的HYPER接頭，其中託架部件21在被從模具去除後被接合到複合部件40。然後可將接合的部件與各種其它部件組裝在一起。作為上述形成HYPER接頭的方法的替代方案，當乾燥纖維層時可以將所述多個層鋪設在模具上，隨後將樹脂注入模具並且固化以形成複合部件40。可以使突起的輪廓最優化為用於嵌入複合部件中。每個突起均可以具有錐形尖、 截頭圓錐形基座以及倒截頭圓錐形懸突部。懸突部可具有底切邊緣，該底切邊緣是傾斜的並且面向第二界面連接面。錐形尖和倒截頭圓錐形懸突部一起形成每個突起的「頭部」。在上述實施方式中，界面連接特徵部是突起的陣列，每個突起均具有尖端和懸突部。然而，應當理解界面連接特徵部可以採取多種不同的形式。圖7示出了混合託架部件101的第三實施方式，該混合託架部件101包括主體102 和界面連接帶103。界面連接帶具有單個界面連接特徵部104，該界面連接特徵部104形成在界面連接帶的界面連接面105上並且具有樹狀結構。圖8示出了混合託架部件201的第四實施方式，該混合託架部件201包括主體202和界面連接待203。界面連接帶具有在其界面連接面205中形成為一系列凹槽的界面連接特徵部204的陣列。圖7和圖8所示的實施方式的界面連接特徵部104/204例如可以通過前述的附加的製造工藝、表面雕刻工藝或機械加工工藝中的一個工藝形成。託架部件101/201的主體 102/202可以通過利用前述的HIP工藝使金屬粉末圍繞界面連接特徵部104/204固結而形成。如前所述可以使用用於界面連接帶和主體的類似材料。混合託架部件101/201可以通過利用參照上面的第二實施方式描述的方法形成HYPER接頭而接合到複合部件。雖然以上已經參照一個或多個優選實施方式描述了本發明，但是應當理解，在沒有脫離如所附的權利要求所限定的發明的範圍的情況下，可以進行各種改變或修改。
權利要求
1.一種形成包括至少兩個金屬部分的混合部件的方法，該方法包括通過在第一金屬部分的界面連接面上形成至少一個肉眼可見的界面連接特徵部來製備該第一金屬部分；將所述第一部分定位在模具中；將金屬粉末引入所述模具中並且圍繞所述界面連接特徵部； 以及通過熱等靜壓(HIP)工藝使所述金屬粉末固結以形成第二金屬部分，該第二金屬部分包封所述界面連接特徵部以提供所述部件的所述第一部分和所述第二部分之間的機械連接。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，在所述界面連接面上以一系列層生成所述界面連接特徵部，通過將能量和/或材料導向所述界面連接面而使每一層生長。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，通過機械加工形成所述界面連接特徵部。
4.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，所述第二部分通過所述HIP固結而製造得十分緻密。
5.一種將根據前述權利要求中的任一項所述的方法形成的混合部件接合到另一個部件的方法，該方法包括形成從所述混合部件的所述第一部分的第二界面連接面伸出的突起的陣列；並且將所述突起嵌入所述另一個部件。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，在形成所述第二部分之前或之後，在所述第一部分的所述第二界面連接面上形成所述突起。
7.一種包括至少兩個金屬部分的混合部件，其中，所述第一金屬部分具有至少一個形成在該部分的界面連接面上的肉眼可見的界面連接特徵部，並且所述第二金屬部分已通過藉助熱等靜壓工藝使金屬粉末圍繞所述界面連接特徵部固結而形成，以提供所述部件的所述第一部分和所述第二部分之間的機械連接。
8.根據權利要求7所述的部件，其中，所述界面連接特徵部是從所述界面連接面伸出的突起的陣列。
9.根據權利要求7所述的部件，其中，所述界面連接特徵部是具有多個分枝的樹狀突起。
10.根據權利要求7至9中的任一項所述的部件，其中，所述第一部分的材料的熔點比所述第二部分的材料的熔點高。
11.根據權利要求7至10中的任一項所述的部件，其中，所述第一部分的材料的楊氏模數、耐蝕性或韌性比所述第二部分的材料高。
12.一種根據權利要求7至11中的任一項所述的混合部件和另一個部件之間的接頭， 其中，所述混合部件的所述第一部分還包括從其第二界面連接面伸出的突起的陣列，所述突起的陣列被嵌入所述另一個部件。
13.根據權利要求12所述的接頭，其中，所述另一個部件是複合部件。
14.根據權利要求12或13所述的接頭，其中，所述另一個部件是層壓部件。
15.根據權利要求12至14中的任一項所述的接頭，其中，所述界面連接面位於所述第一部分的相對兩面上。
全文摘要
一種形成包括至少兩個金屬部分的混合部件的方法，該方法包括通過在第一金屬部分的界面連接面上形成至少一個肉眼可見的界面連接特徵部來製備該第一金屬部分；將所述第一部分定位在模具中；將金屬粉末引入所述模具中並且圍繞所述界面連接特徵部；以及通過熱等靜壓(HIP)工藝使所述金屬粉末固結以形成第二金屬部分，該第二金屬部分封裝所述界面連接特徵部以提供所述部件的所述第一部分和所述第二部分之間的機械連接。而且，本發明還涉及如此形成的混合部件。所述金屬部分可以具有實質上不同的材料性質。
文檔編號B22F3/15GK102369073SQ201080015408
公開日2012年3月7日 申請日期2010年3月29日 優先權日2009年4月3日
發明者丹尼爾·瓊斯, 喬納森·邁爾 申請人:空中巴士操作有限公司