形成金屬部件的方法
【專利說明】形成金屬部件的方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年8月2日提交的英國專利申請號1313849.9、2013年11月15日提交的英國專利申請號1320168.6和2013年11月15日提交的英國專利申請號1320171.0的優先權，其全部公開內容通過引用的方式被完整包含在本文中。
技術領域
[0003]本發明涉及由粉末供料形成金屬部件的方法。
[0004]本發明還涉及由粉末供料形成金屬部件的裝置。
【背景技術】
[0005]粉末冶金是由粉末供料形成金屬部件的已知方法。在已知的熱等靜壓制(HIP)工藝中，粉末在鋼鐵模具中成形，鋼鐵模具被施加壓力和溫度。一般，氬氣被用于提供50兆帕至300兆帕范圍的等靜壓力。在此工藝中，材料溫度被提高從而燒結粉末并引起顆粒熔合到一起。然而，已知的粉末冶金受到被加工產品的尺寸及其形狀復雜度的限制。另外，這是一種高昂且費時的工藝。與更為傳統的鑄造工藝所生產的產品相比，這難于實現批量生產并且經常不能生產出所需尺寸和復雜度的產品。

【發明內容】

[0006]根據本發明的第一個方面，提供了一種由粉末供料形成金屬部件的前述類型的方法，包括的步驟有:由陶瓷材料構建陰性模具，所述陶瓷材料的熔點高于所述粉末供料的熔點；將金屬粉末的所述供料布置在所述模具中；將所述模具置于具有感應加熱系統的真空室中；和采用所述感應加熱系統將所述模具加熱至高于所述金屬粉末的熔點的溫度，使得所述金屬粉末在所述模具中熔化;其中所述感應加熱系統包括顆粒狀的電納材料。在一個實施例中，在將供料布置在模具中的過程中，能夠引入一定程度的振動以利于供料在模具內的分散。
[0007]在一個實施例中，還引入供料管，供料管內含有額外的液態金屬用于隨著模具的冷卻和模具內所含金屬的收縮而供給至模具。
[0008]根據本發明的第二個方面，提供了一種上述類型的裝置，包括:由陶瓷材料構成的部件的陰性模具，陶瓷材料的熔點高于容納在模具中的所述粉末供料的熔點；用于容納所述模具的真空室，該真空室裝備有感應加熱系統;其中所述感應加熱系統包括顆粒狀的電納材料并且被配置為將所述模具加熱至高于金屬粉末的熔點的溫度以利于模具內的金屬粉末熔化。
【附圖說明】
[0009]圖1示出了形成金屬部件的方法；
[0010]圖2示出了構建陽性模型的步驟；
[0011]圖3示出了用于生產模具的附加層；
[0012]圖4示出了供料的布置；
[0013]圖5示出了用于形成金屬部件的裝置；
[0014]圖6示出了供料段的橫截面；
[0015]圖7示出了金屬粉末加載后的圖5的模具；
[0016]圖8示出了具有液態金屬的圖7的模具；
[0017]圖9示出了模具的部分橫截面視圖；
[0018]圖10不出了進一步冷卻后的圖9的視圖；
[0019]圖11示出了一個可選結構的模具；
[0020]圖12表明了一個加熱系統；
[0021]圖13不出了模具的一個可選實施例;及
[0022]圖14示出了浸入顆粒狀電納材料的模具。
【具體實施方式】
[0023]圖1
[0024]—種由粉末供料形成金屬部件的方法在圖1中被表明。供料初始處于粉末狀態(圖4中詳示)并且通過采用加熱的方式(圖12中詳示)形成固態部件。在步驟101中，部件的犧牲性陽性模型102被構建。在步驟103中，由材料圍繞陽性模型構建陰性模具104，構建陰性模具的材料的熔點高于形成部件的材料的熔點(圖3中詳示)。
[0025]在步驟105中犧牲性陽性模型被移除從而在陰性模具的內部留下空隙106。
[0026]在步驟107中金屬粉末108的供料被布置在模具內。在步驟109中，加熱110被施加至模具直至高于金屬粉末的熔點的溫度從而引起金屬粉末在模具內熔化，由此在模具104內產生恪融金屬111。
[0027]在此用于形成金屬部件的金屬粉末108，在第一個實施例中，為由純金屬顆粒形成的粉末。然而，在可選實施例中金屬粉末108為包括合金的顆粒。因此應當認識到，由所述金屬粉末形成的金屬部件能夠由純金屬或者合金化合物組成。
[0028]然而金屬粉末需要根據已知的粉末冶金技術分級至特定的尺寸范圍，例如熱等靜壓、粉末冶金、金屬注塑，等，本文所描述的方法對粉末顆粒的尺寸范圍相對不敏感。唯一的要求在于金屬粉末易于流入陶瓷模具。當模具限定的橫截面具有小至0.5毫米的直徑的情況下，通過例如氣體物化生產的球形粉末將更為合適。在更大的模具橫截面的條件下，即使通過壓碎和碾磨生產的帶角的粉末也能夠填充模具，特別是當粉末的流動能夠得到振動的輔助時，例如將結合圖4所描述的。
[0029]圖2
[0030]構建陽性犧牲性模型的步驟在圖2中被表明。操作根據原材料201執行以生產陽性模型102。在第一個實施例中，能夠根據合適的材料執行機加工操作以確定陽性模型的形狀。然而，應當注意的是所采用的材料必須是能夠移除犧牲性材料的類型從而限定陰性模具。
[0031]可選擇地，能夠執行注蠟工藝203。在圍繞蠟陽性模型構建模具后，能夠通過加熱的方式移除蠟。此方案在傳統鑄造系統中是已知的，此時同樣需要在注入熔融金屬之前對模具進行加熱。然而，在一個實施例中，模具能夠允許冷卻并且顆粒能夠在室溫條件下添加。
[0032]可選擇地，能夠通過增材制造204的工藝生產陽性模具，例如通過合適的快速成型材料。材料能夠通過加熱和/或合適的溶解的方式被移除。
[0033]圖3
[0034]在本實施例中，陰性模具，熔點高于待形成的部件的金屬的熔點，為相對透氣的陶瓷殼體。在一個實施例中，陶瓷模具通過添加多個層來制造，如圖3所示。
[0035]在圖3所示的實施例中，層被添加為可選的濕漿體層及其后的基本干燥的灰粉層。
[0036]漿體301被涂敷至模型102。干燥的灰粉302隨后被涂敷將其自身黏附至濕漿體從而構建一個層。
[0037]此過程被重復，如步驟303—般所示，結果層304被構建。因此，進行進一步的重復直至陰性模具104被構建至所需厚度。陶瓷模具104理想地應當具有相對薄的壁橫截面從而允許來自于輻射熱系統的輻射熱在其中傳遞，以使得金屬粉末能夠被熔化。然而，壁橫截面必須足夠厚以防止加工期間的開裂或者破損，并且因此在構建模具時必須實現具有高熱傳導性但同時具有足夠強度的折中。
[0038]在一個實施例中，采用初級耐火惰性漿體插入至所采用的金屬。類似或者不同材料的干沙隨后被涂敷并且另外的漿體被涂敷，隨后是沙、灰粉等。
[0039]用于形成陶瓷殼體的多種合適陶瓷材料是已知的，例如二氧化硅和氧化鋁。經過實驗已經發現二氧化硅殼體并不具有足夠高的熱傳導性以允許粉末金屬在合適的時間范圍內采用輻射熱系統控制熔化。因此，在一個優選實施例中，采用由具有高熱傳導性的氧化鋁材料構成陰性模具。具有高熱傳導性的其它類型的殼體材料也能夠被采用，然而它們不能易于在熔融金屬中分解，正如采用某些金屬時石墨基模具所經受的。
[0040]圖4
[0041]用于布置供料的步驟107在圖4中被詳細示出。陽性犧牲性模型102已經被移除，如步驟105所表明地。陰性模具104被置于振動臺401上，其自身被靜態基座402支撐。以此方式，隨著供料108倍布置到模具104內，或者在布置完成后，引入一定程度的振動，如箭頭403和404所示，以利于供料在模具內分散。高頻振動，例如40至60赫茲，及例如0。10至0.15毫米的低振幅使得用于大型和復雜的金屬部件的模具能夠被很容易地填充。
[0042]因此，被布置在模具內然后被加熱，如步驟109所表明的。在一個實施例中，加熱是在無壓力條件下實施的并且模具被加熱至引起供料熔化的溫度。以此方式，能夠獲得接近100%密度而采用的工藝相比于已知系統而言具有較小的整體復雜性。加熱不僅需要提高金屬的溫度，還需要完全熔化金屬。因此，在純金屬條件下，一般加熱至高于金屬熔點大約50攝氏度，或者在合金條件下高于液態溫度。
[0043]在一些已知系統中，污染物經常通過容器引入并且當采用鈦時這是一個突出問題。采用固態擴散的工藝導致容器經受與其內部容納的材料類似的環境。因此，即使機加工消除后，仍然可能殘留顯著的材料混合物層。因此，需要額外的處理以獲得所需結果。
[0044]已經認識到采用金屬粉末作為供料能夠生產具有所需性能的產品。對于微結構來說存在非常均勻的趨勢，這能夠提高強度和疲勞性能。此類型的性能能夠通過鍛造操作提供，但眾所周知的是，鍛造導致高水平的浪費的產生并且因此提高了整體成本。類似地，鑄造工藝領域一般為50 % ;當貴重合金被采用時再次提高了