用於通過預製本體製造金屬部件的方法與流程
2023-06-02 01:00:17 2
本發明涉及一種根據權利要求1的前序部分所述的用於製造金屬部件的方法。
背景技術：
熱等靜壓(HIP)是用於製造近淨成形部件和高性能材料的優選方法。在HIP中，包套(capsule)限定部件的形狀，且其典型地由鋼板製造。包套用金屬或複合粉末填充，並經受高溫高等壓，以便金屬粉末冶金結合成類似鍛件強度的緊密部件。
熱等靜壓適合製造具有不同材料區域的部件。典型的，這些部件通過向包套中添加粉末形式的不同材料製造。為實現每種單獨材料的期望性能，因此關鍵在於避免混合不同粉末。
將不同粉末定位在包套中的常用技術是在粉末填充期間使用填充模板，並在密封包套之前移除模板。這種技術的缺點是：移除模板時很難控制粉末分離。這種技術還嚴重受限於不同粉末區域的尺寸和幾何形狀。
已為便於製造具有不同材料的區域的部件做出了嘗試。例如，WO2010/114474示出一種方法，其中製造了聚合物材料和金屬粉末製成的形體，並將該形體放置在HIP包套中的選定區域中。但是，儘管證實是成功的，但由於形體中的聚合物材料要在HIP之前移除，因此這種方法耗費時間。該方法還可能導致包套中的富碳殘餘物。
因此，本公開一方面是實現一種用於製造金屬部件的方法，該方法解決或至少克服一個或多個現有技術的問題。
特別的，本公開一方面是實現一種允許用HIP有效製造金屬部件的方法。本公開的進一步方面提供一種改進的方法，該方法用於製造具有不同材料的區域的金屬部件。
定義
「金屬材料」意指如下材料，該材料是金屬或金屬和非金屬相或顆粒的複合材料。金屬的例子是(但不限於)純金屬，或金屬和其它元素的合金，如鋼。複合材料的例子是包括硬質顆粒例如(但不限於)WC、TiC、TaC、TiN或金屬基質中的硬質相的金屬基質的複合材料，金屬基質例如(但不限於)Ni、Co、Fe、Cr。
此處可交換地使用的「由金屬粉末材料組成的粘結本體」或「粘結本體」意指如下形體，該形體具有足夠強度，以允許在不損壞的情況下被人工即通過手進行處理。
技術實現要素：
根據本發明，通過包括如下步驟的用於製造金屬部件的方法滿足至少一個上述提及的方面：提供包套5的步驟100，包套5限定金屬部件50的至少一部分形狀；在包套5中布置金屬材料7的步驟200；密封包套5的步驟300；在預定壓力和預定溫度下使包套5經受熱等靜壓達預定時間的步驟400；可選的移除包套5的步驟500；其特徵在於，金屬材料7包括至少一個預製的粘結本體1、2、3、4，其中該預製的粘結本體1、2、3、4由金屬粉末組成，其中至少一部分金屬粉末被固結，因此使得金屬粉末被保持在一起而成預製的粘結本體1、2、3、4，並且其中至少一部分預製的粘結本體1、2、3、4通過隨後布置疊加的金屬粉末層而通過增材製造來製造。
增材製造是一種將離散的金屬粉末層連續置於彼此之上直至預製本體形成的技術。這種技術允許製造具有複雜幾何外形的形體。根據如上下文限定的本發明方法，增材製造可以是3D列印。
根據本發明，不止一部分預製的粘結本體1、2、3、4通過增材製造形成，如預製的粘結本體1、2、3、4中的兩個或三個部分通過增材製造形成。根據如上下文限定的方法的進一步實施例，預製的粘結本體1、2、3、4通過增材製造來製造，即，所述預製的粘結本體1、2、3、4全部都通過增材製造來製造。
用在如上下文限定的方法中的預製的粘結本體1、2、3、4可以在沒有損壞風險的情況下處理。這使得能夠以高精度將預製的粘結本體定位在HIP包套中，並且當數個不同材料製成的形體(諸如兩個或更多個)被布置在包套中時，不會有將不同材料混合的風險。
整個預製的粘結本體1、2、3、4可由燒結的金屬粉末組成。因此，整個預製的粘結本體1、2、3、4可通過燒結來固結。燒結是一種有效的方法，用於在預製的粘結本體中實現足夠強度。而且，通過選擇合適的燒結溫度，最終的燒結體可具有非常匹配疏鬆的金屬粉末的孔隙率的孔隙度。因此，當包套還填充疏鬆的金屬粉末時，燒結體會以等同於疏鬆的金屬粉末的方式收縮和變形。反過來，這會導致最終部件的均勻、可預見的變形。
根據一個替換例，可以只有預製的粘結本體1、2、3、4的表面部分被固結。因此，預製的粘結本體1、2、3、4的表面部分將會由固結的金屬粉末組成。
此外，根據一個替換例，在通過隨後布置疊加的金屬粉末和粘結劑層之前，粘結劑被添加到預製的粘結本體1、2、3、4的表面部分。通過例如在執行燒結之前的熱處理可以去除粘結劑。
根據一個替換例，預製的粘結本體的表面部分中的金屬粉末可以通過熔化之後冷卻來固結。而且，根據如上下文限定的本發明方法，預製的粘結本體1、2、3、4的組成部分(如表面部分)可通過使用雷射束或電子束輻照來固結。
如上下文限定的方法可用於製造閥軸50，閥軸50包括閥盤52和閥杆53；其中
-包套5限定至少一部分閥盤52；
-金屬材料7由閥座1、包括芯頭11的芯體2、熔覆層4以及布置在芯頭11上的緩衝層3組成，芯頭11限定閥盤52的內部；其中，
閥座1、緩衝層3和熔覆層4中的至少一個是金屬粉末製成的預製的粘結本體。
根據一個替換例，閥座1、緩衝層3和熔覆層4中的兩個可以是金屬粉末製成的預製的粘結本體，其餘的金屬材料可以是疏鬆的金屬粉末。由此，實現了：在沒有混合不同材料的風險下可以製造閥軸，閥軸具有相當複雜的設計，該設計具有不同材料製成的三個部件。預製本體優選地被燒結，其與疏鬆的粉末一起引起HIP處理的閥軸的均勻、可預見的變形。
例如，至少閥座1和緩衝層3是金屬粉末製成的預製的粘結本體，而熔覆層4是疏鬆的金屬粉末。可替換的，至少閥座1和熔覆層4是金屬粉末製成的預製的粘結本體，而緩衝層3是疏鬆的金屬粉末。可替換的，至少緩衝層3和熔覆層4是金屬粉末製成的預製的粘結本體，而閥座是疏鬆的金屬粉末。可替換的，至少閥座1、緩衝層3、熔覆層4是金屬粉末製成的預製的粘結本體。
芯體2也可以是金屬粉末製成的預製的粘結本體。但是，芯體也可以通過鍛造實心金屬材料製造。
根據如上下文限定的本方法，閥座1和/或緩衝層3和/或熔覆層4通過燒結金屬粉末來預製，其中燒結在低於金屬粉末的熔點的溫度和大氣壓下執行。在芯體2是金屬粉末製成的預製本體的情況下，芯體2也可被燒結。
除預製的粘結本體1、2、3、4的表面部分之外，粘結劑也可被添加到預製的粘結本體1、2、3、4的其它部分。添加粘結劑到預製的粘結本體1、2、3、4的其它部分的作用是在不損壞的情況下提供預製的粘結本體1、2、3、4的人工處理，即，該預製的粘結本體可通過手處理。
附圖說明
圖1-3：示意性示出本發明方法的主要步驟。
圖4：示意性示出通過本發明方法獲得的部件。
圖5：示意性示出根據本發明實施例的預製本體。
圖6：示出本發明方法的主要步驟的次序的流程圖。
具體實施方式
將參考製造呈閥軸形式的金屬部件詳細描述如上下文中限定的方法。本發明方法的主要步驟的一般次序顯示在圖6的流程圖中。
所述實施例涉及製造二衝程船用柴油發動機的閥軸。但是，這不能理解為限制本發明，應該理解的是，本發明的方法適合於製造所有類型的金屬部件，如葉輪、燃油噴嘴、轉子軸和應力計環。
圖4以橫截面示意性示出通過本發明方法獲得的閥軸50的透視圖。閥軸50包括閥杆53和閥盤52。閥盤具有平坦的上表面54，上表面54在發動機中面對氣缸室。平坦表面54也被稱為排氣表面。從橫截面上看，閥軸50包括具有芯頭11的芯體2，芯頭11被一體形成在閥盤2中，使得芯頭11形成閥盤52的內部。芯體2還包括杆部12，杆部12形成閥軸的閥杆53。閥軸50還包括閥座3、緩衝層1以及耐蝕熔覆層4。緩衝層1被布置在芯體上。特別的，緩衝層1被布置在芯頭11上，處於芯頭11和耐蝕熔覆層4之間以及閥座3和芯頭11之間，防止碳從芯頭11擴散至耐蝕熔覆層4或閥座3。碳對熔覆層和閥座3的耐蝕性和機械性能具有不良影響。耐蝕熔覆層4覆蓋緩衝層和閥座，並且形成芯軸50的閥盤52的外表面。
在本發明方法的第一步驟100中，參見圖1，設置了包套5，包套5限定閥軸的外形或輪廓的至少一部分。包套5由鋼板製造，鋼板通過例如壓制或旋壓成形然後焊接到一起而形成合適的形式。優選的，鋼板由具有低含碳量的鋼製造。例如，含碳量為0-0.09wt％的低碳鋼。適用於包套的鋼的例子為市售鋼DC04、DC05或DC06，這些鋼可從SSAB公司買到。這些鋼種合適的原因在於，它們為閥軸提供最小化的碳擴散。這些鋼種類進一步的優點在於：它們可易於通過酸洗移除。包套5具有圓形橫截面，並且包括下圓筒部，該下圓筒部具有閥軸50的閥杆53的形式。包套5的上部具有閥軸1的閥盤52的形式。
在步驟200中，參見圖2，金屬材料7被布置在包套中。金屬材料由閥座1、芯體2、緩衝層3和熔覆層4組成。
閥座1由市售合金Inconel 718製造。這種材料具有高韌性、高硬度和良好的耐熱蝕性。其它合適的材料包括析出硬化合金，諸如包括Mo、Cr、Nb、Al或Ti中的一種或數種元素的鎳基或鈷基合金。適用於閥座的合金的另一例子是Ni40Cr3.5NbTi。
預成形芯體2可由含碳量0.15-0.35wt％的合金鋼製造。適於預成形芯體的鋼的一個例子可以為市售SNCrW鋼。預成形芯體2還可通過使用增材製造來製造。預成形芯體2還可以通過鍛造來製造。
緩衝層3被布置在芯體2的芯頭11上。緩衝層3覆蓋芯頭11的上側和邊緣部。緩衝層3可由低碳鋼組成，該低碳鋼含碳量為0-0.09wt％。緩衝層還可與Cr合金化而成，Cr含量在12-25wt％，例如14-20wt％。緩衝層的一種合適材料為市售316L鋼。在原理上，緩衝層從芯元件吸收碳，並通過富Cr碳化物的形成而將碳結合在緩衝層中。緩衝層應該足夠得厚，以便在芯元件和閥座之間形成連續層。緩衝層的厚度還取決於芯元件中的含碳量以及發動機中的操作條件，例如，緩衝層的厚度的範圍可以是2-10mm，例如3-7mm，如3mm或5mm。
緩衝層3的上方布置熔覆層4。熔覆層4形成排氣側4和閥盤52的周界部。熔覆層由高耐蝕合金製造，該合金可以是含有Cr、Nb、Al和Mo的鎳基合金。適用於熔覆層的合金的例子是市售合金Ni49Cr1Nb或Inconel657。
根據本發明，閥座1、芯體2、緩衝層3和熔覆層4中的至少一個是由金屬粉末組成的預製的粘結本體，金屬粉末已經被固結，使得金屬粉末被保持在一起而成粘結本體。也就是說，形體1、2、3、4足夠堅固，以在不損壞的情況下手工處理，即通過手拾取並置於包套中。每一個形體1、2、3、4可以是由金屬粉末組成的預製的粘結本體。還有可能的是，形體1、2、3、4中的兩個或三個是由金屬粉末組成的預製的粘結本體，其餘的形體被提供為疏鬆的粉末，即沒有粘接或結合的粉末。使用的金屬粉末如前面部分所述。因此，閥座1可由疏鬆或固結的Inconel 718粉末組成。緩衝層3可由316L鋼粉末組成，熔覆層4可由疏鬆或固結的Inconel 657粉末組成，並且芯體可由疏鬆或固結的SNCrW鋼粉末組成。但是，典型的是，芯體通過鍛造實心鋼件(如SNCrW鋼)來製造。
至少一部分預製的粘結本體1、2、3、4通過增材製造(如3D列印)製造。根據本發明的一個實施例，多於一個部分的預製的粘結本體1、2、3、4可通過增材製造來製造。根據另一實施例，預製的粘結本體1、2、3、4通過增材製造來製造。
一般的，在增材製造中，形體可通過堆放在彼此之上的金屬粉末和粘結劑組成的混合物製成的離散層來構建。粘結劑從形體中移除，形體燒結成粘結狀態。如果增材製造是3D列印，那麼3D列印可例如在3D印表機「Exone M-Print」中執行，該機器可從Exone公司購買。
如果形體1、2、3、4要被燒結，則它們被放置在燒結爐中，燒結爐被加熱到金屬粉末的熔點之下。燒結在大氣壓力或真空和低燒結溫度下執行，以防止形體緻密化。必需要對所考慮的每種金屬材料確定準確的溫度。在燒結期間，金屬粉末顆粒的接觸表面彼此粘結，並且在冷卻之後，實現預製的粘結本體。由於形體是燒結的，因此形體是多孔的，即：具有60-80vol％的孔隙率，例如65-75vol％的孔隙率。燒結預製本體的孔隙率可以收燒結溫度影響。進一步，如果形體1、2、3、4包括粘結劑，則可通過使用與用於燒結相同的爐子，或者通過使用獨立的去粘結設備來去除粘結劑。
根據另一實施例，預製的粘結本體為包含金屬粉末的粘結殼體。圖5示意性示出了根據第二實施例的粘結本體，在這一情況下是熔覆層4。形體4的整個外表面被固結成粘結殼體9，粘結殼體9封圍了一定體積的金屬粉末10。取決於形體的尺寸，殼體的厚度可以例如是1-3mm厚。殼體9形成保持金屬粉末的容器。取決於製造方法，被殼體封圍的金屬粉末可為疏鬆的金屬粉末或燒結的金屬粉末。
呈殼體形式的預製的粘結體也可通過3D列印來製造，即通過將離散的金屬粉末層置於彼此之上來製造。但是，這種情況下，只有各層的周界受雷射燒結，因此使得只有最終形體的外表面被固結。用於該目的的合適機器可以是從EOS公司購買的EOS M 400。這種情況下，殼體由粘結燒結金屬粉末組成，並且被殼體封圍的金屬粉末是疏鬆的金屬粉末，即它沒有被燒結。
通過電子束(EB)熔化之後冷卻來固結各層周界中的金屬粉末，形成殼體是可能的。這可通過從Arcam AB公司購買的Arcam Q20設備來實現。這種情況下，殼體由粘結熔化並硬化的金屬粉末組成，殼體中的金屬粉末通過電子束工藝產生的熱量低度燒結。
在包套5中布置金屬粉末材料製成的預製的粘結本體1、2、3、4之後，包套通過在包套的上方布置蓋6而被閉合。蓋被焊接到包套，並在包套中抽真空。最後，包套通過焊接任何開口閉合而被密封。焊接之後，包套應是氣密的。
在第三步300中，填充的包套在預定壓力、預定溫度下經受預定時間的熱等靜壓，以便金屬材料被緻密化。在HIP期間，預製的粘結本體1、2、3、4和包套5互相冶金結合，從而實現密實、擴散結合、粘結的HIP金屬部件。
填充並封閉的包套5由此被放置於HIP室80中，如圖3所示。HIP室用氣體如氬氣增壓到500bar之上的等靜壓。典型的，等靜壓為900-1200bar之間。HIP室被加熱至低於可能形成的熔化溫度最低的材料或相的熔點之下。溫度越接近熔點，形成熔化材料和不期望的相的風險越高。因此，HIP期間，爐中溫度應該儘可能低。但是，低溫時擴散過程變慢，並且材料將會包含殘餘小孔，顆粒間的冶金結合變弱。因此，溫度優選為低於熔化溫度最低的材料的熔點100-300℃，例如在900-1150℃之間，或1000-1150℃之間。在HIP期間，發生在包套中材料之間的擴散過程依賴於時間，所以時間長些更好。太長的時間會導致較差的HIP材料性能，因為例如晶粒長大或相的過度溶解。優選的，取決於所考慮部件的橫截面尺寸，HIP工藝應進行0.5-4小時的時間段。
在可選的步驟500中，在HIP和冷卻之後，包套5和蓋6可例如通過酸洗或加工從金屬部件50中移除。
儘管已經詳細討論了特別的替選例和實施例，但這僅用於解釋目的並且不意在進行限制。尤其注意的是，各種替代、變更和修改可在隨附權利要求書的範圍內進行。
例如，替代製造全部的金屬粉末製成的預製的粘結本體，也可以分段製造本體，如閥座，並將各段布置在包套中。這在製造大型部件時會是必需的，因為3D印表機對形體的最大尺寸進行了限制。
當使用實心芯體，即鍛造芯體2時，芯體可形成包套的一部分。在這種情況下，包套被焊接到實心芯體2，該實心芯體2例如形成包套的底部。