專利名稱：超塑性成型模具和模具插入件的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于通過超塑性成型來成型部件的模具、插入件、裝置和方法，以及采用該方法獲得的部件。
在某些溫度和機械應力條件下，某些材料，例如，鈦、鈦合金、鋁或某些鋁合金、某些鋼等表現出超塑性，即發生大量變形而不破斷的能力。這一性能可以使材料能夠采用一般用縮寫SPF(SuperPlasticForming)表示的超塑性模制方法制造形狀復雜的部件。
在本領域目前已經知道用于通過超塑性成型來成型部件的金屬模具。由于采用特殊合金制造并且需要進行復雜的機械加工，這種金屬模具比較貴。此外，該金屬模具需要消耗大量的能量進行加熱以達到適合進行熱塑成型的溫度，而且，對于溫度的不均勻分布和溫度變化很敏感，這可能導致模具的變形。
為了盡可能地解決上述這些缺點，目前，特別是在US-A-4,984,348，US-A-5,661,992或者US-A-5,214,949中提出了用于通過超塑性成型來成型鈦或鈦合金部件的模具。該模具一般包括一個在其中形成模腔的基座和一個蓋子，鈦或鈦合金板將放置在二者之間。根據傳統方法，將模具加熱，將所述金屬板夾持在基座與蓋子之間，然后，在壓力作用下向基座與蓋子之間噴入惰性氣體。在氣體壓力作用下，所述金屬板發生超塑性變形，呈現模腔的形狀。
US-A-4,984,348，US-A-5,661,992和US-A-5,214,949中描述的模具至少部分采用陶瓷制造。更具體地，這種材料是一種耐熱混凝土，該混凝土一般包括基于粒狀熔融石英的填料和基于鋁酸鹽和硅酸鹽的粘結劑。
在耐熱混凝土中，粘結劑構成基體，粒狀填料存在于其中。然而，在某些條件下，粒狀填料的顆粒能夠與基體分離。特別是，在耐熱混凝土模具中處于超塑性狀態的材料如鈦或鈦合金進入與正在成型材料接觸的模具表面上的微小孔隙。在成型部件脫模時，這會導致在模具表面處的材料分離出去和/或在成型部件表面形成缺陷。此外，模具發生過早磨損。這些不足之處造成大量已成型的部件被丟棄。
此外，在超塑性模制條件下，形成制備模具用耐熱混凝土的粘結劑的材料，例如鋁酸鹽或硅酸鹽趨于進入已成型部件內達幾微米的深度。在某些場合，尤其是當已成型的鈦或鈦合金部件設計用于飛機工業時，已成型部件的這種表面污染是不可接受的。
本發明的目的是提供用于通過超塑性成型來成型部件的模具，該模具耐磨損和熱沖擊，能夠制備具有非常滿意的表面光潔度的部件。
為此，本發明的目標是用于通過超塑性成型來成型部件的模具，特別是由鈦或鈦合金、鋁或鋁合金或者具有超塑性的任何材料制成的部件，其特征在于該模具包括至少一個用于與待成型部件接觸、采用燒結熔融石英制成的部分。
根據該模具的其它特征模具的燒結熔融石英部分構成模具的插入件；模具包括設計用來在模具與成型部件的至少部分接觸表面之間形成隔離層的裝置；用來形成隔離層的所述裝置包括覆蓋在至少部分與成型中的部件接觸的模具部分的表面上的氮化硼涂層；用來形成隔離層的所述裝置包括在與成型中的部件接觸的模具表面噴射惰性氣體，特別是氦氣或氬氣的裝置。
本發明的目標也是一種用于通過超塑性成型來成型部件的模具中的插入件，特別是由鈦或鈦合金、鋁或鋁合金或者具有超塑性的任何材料制成的部件，所述插入件限定出設計與成型部件接觸的模具表面，其特征在于它由燒結熔融石英制成。
本發明的目標還是一種包括帶有兩個壓盤的壓機的成型裝置，用于通過超塑性成型來成型部件的模具置于兩個壓盤之間，所述部件特別是由鈦或鈦合金、鋁或鋁合金或者具有超塑性的任何材料制成的部件，其特征在于該模具是如上所述的模具。
根據該裝置的另一個特征，優選由陶瓷制成的加熱單元置于每個壓機壓盤與模具之間。
本發明的目標還是一種部件成型方法，其中，所述部件通過在模具內對能夠發生超塑性變形的板材，特別是鈦或鈦合金、鋁或鋁合金或者具有超塑性的任何材料的板材進行超塑性成型來獲得，其特征在于該板材置于如上所述的模具中。
根據該方法的其它特征隔離層在模具與成型部件的至少部分接觸表面之間形成；在板材放置模具內之前，隔離層通過在模具與成型部件的至少部分接觸表面上涂覆氮化硼形成；隔離層通過在模具與成型部件的接觸表面之間噴射惰性氣體，特別是氦氣或氬氣形成。
本發明的目標又是一種部件，特別是由鈦或鈦合金、鋁或鋁合金或者具有超塑性的任何材料制成的部件，其特征在于該部件采用如上所述方法獲得。
通過閱讀純粹以實施例形式給出的下述描述并參照附圖，將會更好地了解本發明。所述附圖中

圖1是根據本發明的模具的剖面圖；圖2是采用本發明的方法獲得的部件的示意圖；圖3到圖5是根據本發明的成型裝置的示意圖。
圖1說明的是根據本發明的模具，其用一般性標記10表示。該模具用于通過超塑性成型來成型部件12，例如，如圖2所示。
部件12例如由鈦或鈦合金如TA6V制成。該部件可以采用能夠發生超塑性變形的其它材料，例如鋁制成。
該實施例中如圖1所示的模具10包括基座14和蓋子16，能夠發生超塑性變形的板材18將位于二者之間。基座14中裝入限定出設計與成型部件接觸的模具表面的插入件20。另一種情況是，模制表面直接在基座14中形成。
根據本發明，模具10包括至少一個設計與成型部件接觸的部分，其采用燒結熔融石英制成。模具的燒結熔融石英部分因而可以包括基座14、插入件20和/或蓋子16。
本領域的專業人員迄今一直反對在本發明領域使用燒結熔融石英，主要是因為其熱絕緣性能原則上與模具的加熱不相容。但是在本發明中，發現燒結熔融石英具有眾多優點，下面介紹其顯著優點。
燒結熔融石英實際上對溫度的不均勻分布不敏感。為此，沒有必要計算模具形狀，這對于傳統金屬模具是要求的。
而且，燒結熔融石英由在燒結期間通過部分熔合而結合在一起的石英顆粒構成。該燒結結構中的石英顆粒非常不易分離，這與耐熱混凝土(陶瓷)結構中的石英顆粒不同。
此外，燒結石英的結構中不包括任何粘結劑，由高純度的熔融石英相構成，沒有污染正在模具中通過超塑性成型的部件的危險，這與所觀察到的采用耐熱混凝土時，其中的粘結劑趨于污染成型部件時的情形不同。
最后，與采用傳統金屬模具時需要的能量相比，將由燒結熔融石英制成的模具或者部分模具升至超塑性成型要求溫度所需要的能量較少。一旦模具或者部分模具達到要求的溫度，燒結熔融石英表現出熱惰性，從而能夠有利地限制在后續模制循環期間溫度發生變化。
圖1所示的模具10被設計放在例如圖3到圖5中所示的成型裝置22中。在所述這些圖中，未示出插入件20。
成型裝置22包括帶有兩個壓盤，下壓盤26和上壓盤28的壓機24，模具10置于兩個壓盤之間。下加熱單元30位于下壓機壓盤26與模具基座14之間。上加熱單元32位于上壓機壓盤28與模具蓋16之間。這些傳統類型的加熱單元30，32優選采用陶瓷制成。
在如圖3到圖5所示的實施例中，成型裝置22包括在蓋子16與板材18之間壓力下噴射惰性氣體如氦氣或氬氣的傳統裝置34。該加壓氣體用于對板材18進行變形，以便使其壓靠在基座14的成型表面上。
為了使板材18處于適合超塑性成型的狀態，通過加熱單元30，32將熱傳導至基座14和蓋子16上來加熱模具10。
為了模制板材18，將板材放入如圖4所示的敞開的模具10內，并置于基座14和蓋子16之間。然后，將模具10封閉，如圖1所示，以將板材18夾在基座14和蓋子16之間。結果，板材18在基座14和蓋子16之間形成密封。熱量從已加熱的模具10傳導至板材上，使其升至適合超塑性成型的溫度。當達到要求的溫度條件時，在壓力下，向模具內噴入惰性氣體，使板材18變形，如圖5所示。
成型之后，根據傳統的脫模操作從模具10中取出部件。
為了避免在已成型的部件表面上形成不希望的氧化物，特別是鈦的氧化物，以及避免所述氧化物擴散到模具內部，優選在模具與成型部件的至少部分接觸表面之間形成隔離層。
這種隔離層例如通過在將板材18放入模具之前，在模具與成型部件的至少部分接觸表面上涂覆氮化硼來形成。如果合適，將氮化硼涂層僅僅涂覆在板材或者模具上。例如通過噴涂在板材上形成氮化硼涂層。
隔離層也可以通過在模具與成型部件的接觸表面之間噴射惰性氣體如氦氣或氬氣來形成。為此，成型裝置22包括用于噴射這種惰性氣體的裝置36(在圖5中用箭頭示出)，所述氣體噴射在基座14與板材18之間，噴射即其接觸的板材表面與使板材18變形的氣體壓力所作用的板材表面相對。
氣體噴射裝置36例如包括使氣體擴散通過至少部分燒結熔融石英模具，從而有利地利用該材料的孔隙或者通過模具中的通孔將氣體輸送至將與成型部件接觸的模具表面的裝置。
調整噴射在基座14與板材18之間的氣體壓力，使其不會阻礙板材由基座成型表面產生的變形。噴射在蓋子16與板材18之間的氣體提供板材18變形所要求的能量，并且，與噴射在基座14與板材18之間的氣體一樣，也形成隔離層。
當然，氮化硼涂層和氣體隔離層可以一起使用。
在本發明的優點中，將注意到本發明能夠借助至少部分采用熔融石英制成、耐磨損(石英顆粒不分離)和耐熱沖擊的模具，通過超塑性成型來成型部件。因此，根據本發明的模具能夠獲得表面光潔度非常令人滿意的部件。
權利要求
1.用于通過超塑性成型來成型部件(12)的模具(10)，其特征在于該模具包括至少一個設計用于與待成型部件(12)接觸、采用燒結熔融石英制成的部分。
2.根據權利要求1的模具(10)，其特征在于模具(10)的所述燒結熔融石英部分構成模具(10)的插入件(20)。
3.根據權利要求1或2的模具(10)，其特征在于它包括用來在模具(10)與成型部件(12)的至少部分接觸表面之間形成隔離層的裝置。
4.根據權利要求3的模具(10)，其特征在于用來形成隔離層的所述裝置包括覆蓋在至少部分與成型部件(12)接觸的模具(10)部分的表面上的氮化硼涂層。
5.根據權利要求3或4的模具(10)，其特征在于用來形成隔離層的所述裝置包括在與成型部件(12)接觸的模具(10)部分的表面上噴射惰性氣體，特別是氦氣或氬氣的裝置(36)。
6.用于通過超塑性成型來成型部件(12)的模具(10)中的插入件(20)，這種插入件限定出設計與成型部件(12)接觸的模制表面，其特征在于它由燒結熔融石英制成。
7.包括帶有兩個壓盤(26，28)的壓機的成型裝置，用于通過超塑性成型來成型部件(12)的模具(10)置于兩個壓盤之間，其特征在于該模具(10)是根據權利要求1到5中之任何一項的模具(10)。
8.根據權利要求7的裝置，其特征在于優選由陶瓷制成的加熱單元(30，32)置于每個壓機壓盤(26，28)與模具(10)之間。
9.一種部件(12)成型方法，其中，所述部件(12)通過在模具(10)內對由能夠發生超塑性變形的材料制成的板材(18)進行超塑性成型來獲得，其特征在于該板材(18)置于根據權利要求1到5中之任何一項的模具(10)中。
10.根據權利要求9的方法，其特征在于隔離層在模具(10)與成型部件(12)的至少部分接觸表面之間形成。
11.根據權利要求10的方法，其特征在于在板材(18)放置模具(10)內之前，隔離層通過在模具(10)與成型部件(12)的至少部分接觸表面上涂覆氮化硼形成。
12.根據權利要求9或10的方法，其特征在于隔離層通過在模具(10)與成型部件(12)的接觸表面之間噴射惰性氣體，特別是氦氣或氬氣形成。
13.部件(12)，特別是鈦或鈦合金，鋁或鋁合金，或其它具有超塑性的任何材料，其特征在于通過根據權利要求9到12中的任何一項的方法獲得。
全文摘要
模具(10)包括至少一個設計用于與待成型部件(12)接觸、采用燒結熔融石英制成的部分。根據該方法，所述部件(12)通過在模具(10)內對能夠發生超塑性變形的板材(18)，例如鈦或鈦合金、鋁或鋁合金或者具有超塑性的任何材料的板材進行超塑性成型來獲得。優選地，例如通過在板材(18)放置模具(10)內之前，在模具(10)與成型部件(12)的至少部分接觸表面上涂覆氮化硼和/或通過在模具(10)與成型部件(12)的接觸表面之間噴射惰性氣體，特別是氦氣或氬氣，在模具(10)與成型部件(12)的至少部分接觸表面之間形成隔離層。
文檔編號B21D26/055GK1468155SQ01817106
公開日2004年1月14日 申請日期2001年9月12日 優先權日2000年9月15日
發明者D·默爾, F·凱爾羅德, D 默爾, 薜 申請人:維蘇維尤斯·克魯斯布公司, 維蘇維尤斯 克魯斯布公司