快速烧结制造复杂形状的零件的方法及实施该方法的装置制造方法

快速烧结制造复杂形状的零件的方法及实施该方法的装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种通过快速烧结制造金属、陶瓷或复合材料零件（PF）的方法，该方法包括在模具（M）内向含有粉状组成材料的装置同时施加单轴向压力和电流，所述单轴向压力借助至少两个在所述模具内部朝向彼此滑动的活塞（P1、P2）而被施加，每个所述活塞具有接触所述材料的支承面（F1、F2），使用所述支承面，以便限定待被制造的部件的形状，其特征在于：所述部件具有复杂形状，包括至少一个诸如杆、板、斜面或壳的第一细长部分（V）和诸如基部、底座或立体部分的第二部分（B），所述第二部分（B）在所述第一部分的细长方向上不是细长的；并且，在基本上平行于所述零件的所述第一部分的最小尺寸的方向（z）上，或如果所述零件为杆，在基本上平行于所述杆的两个最小尺寸中的一个最小尺寸的方向（z）上，施加所述单轴向压力。本发明也涉及用于实施这种方法的装置，和由通过快速烧结而被烧结的TiAl金属间合金或金属/硅化物复合材料而制成的涡轮叶片。
【专利说明】快速烧结制造复杂形状的零件的方法及实施该方法的装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用快速烧结来制造具有复杂形状的部件(如，接近成品尺寸的涡轮叶片预成型体)的方法。本发明也涉及用于实施这种方法的装置，以及由烧结的TiAl金属-金属合金或硅化物合金制成的涡轮叶片，利用这种方法可获得该涡轮叶片。
【背景技术】
[0002]快速烧结(也通过代表“放电等离子烧结”的首字母缩略词“SPS”被得知)是一种烧结技术，其中，通过在模具内部使粉状材料经受单轴向压力，同时施加电流以快速加热，来压实粉状材料。快速加热限制了扩散过程，因此，可以获得保留其原始微观结构的材料。在金属-金属合金的情况下，有益效果主要在于，限制了颗粒尺寸的粗度的增大，因此，促使了微观结构的细化。[0003]由 R.0rru 等人写的文章“Consolidation/synthesis of materials by electriccurrent activated/assisted sintering，， (Material Science and Engineering R63(2009) 127-287)提供了这种技术的一般性概述。应注意到，在这个出版物中，“SPS”仅指的是电流以DC (直流电)脉冲(即，不存在极性逆转的脉冲)的形式被施加的烧结方法。在本发明的范围内，表述“快速烧结”将在更广泛的含义上被理解，也包括电流具有AC (交流电)形式或非脉冲的DC形式的这样的变型。
[0004]对于快速烧结的大多数研究集中在圆柱形的、或至多是棱柱形的部件的制造上。即使从工业角度上看，这种技术主要被用于制造此后被机器加工成更加复杂的部件的圆盘、圆柱或棱柱。这种方法花费大，且不允许有效地使用某些具有优越的机械性能、但难于机械加工的材料。
[0005]作为替代实施方式或为了补充这点，已知利用快速烧结来组装可预先利用快速烧结而获得的更简单的元件(在这方面，参考文献FR2906242)。采用几个烧结步骤的需求导致成本的增加。在任何情况下，由于这种方法仅可用于制造少量的具有简单形状(板状、圆柱体形、棱柱形等)的部件的组件，故该方法不适合于所有的应用。
[0006]通过快速烧结“直接”制造具有更加复杂的形状的部件，总是已被认为是非常难的，且是相对有限量的学术研究和产业成果的主题。
[0007]由E.0levsky 等人写的文章 “Fundamentals of Spark-PlasmaSintering:Applications to Net-Shaping of High Strength Temperature ResistantComponents” (Material Science Forums 第 654 卷-第 656 卷(2010)第 412 页-第 415页)，论述了具有矮的高度和圆形截面的圆柱体形状或棱柱形状的部件的制造，其中，基部单独由存在的肋状物构造。作者强调，利用快速烧结来制造具有复杂形状的部件是罕见的且困难的。即使在相对简单的情况下，他们一直认为，所生产的部件的微观结构呈现为实质上是不均匀的。
[0008]由Guy Mol6nat 等人写的文章 “Application of Spark Plasma Sintering toTitanium Aluminide Alloys” (Advanced Engineering Materials2007，9，第 8 期)，探讨了 TiAl的快速烧结。尽管提到了应用于制造涡轮叶片，但一般而言，作为待实现的目标，实际上仅制造了圆柱形测试样本。
[0009]文献EP0535593论述了通过快速烧结制造具有准圆柱形对称性、呈现螺旋形状的部件。该制造方法在烧结前需要压实步骤。
[0010]文献FR2512146描述了通过快速烧结生产可用作刹车片的薄板。
[0011]文献JP2004-168632描述了通过在两个阶段快速烧结制造具有锥形形状的注射器。
[0012]文献JP1228730描述了通过快速烧结制造具有一个或多个锥形凹槽、呈现圆柱形滚轴形式的拉丝模具。
[0013]文献JP3267552描述了制造活塞裙，包括利用快速烧结生产整体圆柱形形状的预成型体的步骤，接着是所述预成型体的深拉步骤。
[0014]文献W02009/004444描述了通过快速烧结生产大体上具有半球形状的由生物相容性的多孔材料构成的中空部件。
[0015]所有上述例子仍属于相对简单的部件的类别，基本上具有圆柱形对称性(EP0535593、JP2004-168632、JP1228730、JP1228730、JP3267552)，或者可替选地呈现薄板或壳的形式(FR25121146、W02009/004444)。即使在这些相对简单的形状的例子中，有时仍需要多步骤方法(EP0535593:先前的压实JP2004-168632:两个阶段的快速烧结；JP3267552:预成型体的拉伸)。此外，上述文献针对的应用通常并不是从机械学角度进行非常明确地规定，这点意味着，可以允许被制造的部件的微观结构的一定程度的不均匀性(对于文献W02009/004444而言，甚至寻求高的孔隙率)。
[0016]由Kiyotaka Kato 等人写的文章 “Trial manufacturing of TiAl parts byinjection molding”( 1999 年 3 月 17 日，Chemical Abstract Service，哥伦布,俄亥俄州，(美国))，论述了采用注射成型方法制造呈现涡轮叶片形式的TiAl部件。由此所获的部件具有相对不均匀的密度和不可忽视的孔隙率。
[0017]本发明寻求解决现有技术的上述缺点，允许通过快速烧结直接生产具有非常紧密且均匀的微观结构的复杂形状的部件，因此该部件可暴露于高的机械应力下。这些部件例如可以是接近成品尺寸的涡轮叶片预成型体，该预成型体包括立体基部和斜壳形式的片形部。就发明人知道的而言，快速烧结从未被应用于制造像这样复杂的元件。至多，文献W02010/092298和FR2941965公开了使用快速烧结技术，以将一薄层陶瓷涂层涂到由超耐热合金制成的涡轮叶片上，该涡轮叶片通过单晶纤维拉丝然后通过表面加工被制成。

【发明内容】

[0018]因此，本发明的一个主题是一种通过快速烧结来制造由金属、陶瓷或复合材料构成的部件的方法，所述方法包括:在模具(M)内，向粉状组成材料同时施加单轴向压力和电流，所述单轴向压力借助至少两个在所述模具内部朝向彼此滑动的活塞(PU P2)直接地或者通过力传递部件而施加，所述活塞和/或所述力传递部件具有支承面，所述支承面与所述组成材料接触且彼此相互合作限定待被制造的部件的形状，特征在于:
[0019]-所述部件具有复杂形状，至少包括杆型、板型、斜面型或壳型的细长的第一部分和基部型、底座型或立体部件型的第二部分，该第二部分在所述第一部分为细长的方向上不是细长的；和
[0020]-在基本上平行于部件的所述第一部分的最小尺寸的方向上，或在杆的情况下，在基本上平行于杆的两个最小尺寸中的一个最小尺寸的方向上，施加所述单轴向压力。
[0021]“杆”的意思是具有恒定或可变的横截面的部件，该部件在一个方向上是长型的且可以内接于具有长度L和底部直径(或底面边长)D的圆柱体或棱柱内，其中，L/D的比率为大于或等于2，优选大于或等于4。
[0022]“板”的意思是由两个平坦表面限制的物体，所述两个平坦表面彼此相距厚度e的距离，与其他尺寸屯、d2相比，厚度e是小的，其中，di/e和d2/e的比值为大于或等于3，优选大于或等于5。
[0023]“斜面”的意思是由两个接近平行的(形成小于或等于15°的角度)平坦表面限制的物体，所述两个平坦表面彼此相距平均厚度em的距离，与其他尺寸Cl1、d2相比，厚度em是小的，其中，Cl1Zeffl和d2/em的比值为大于或等于3，优选大于或等于5。
[0024]“壳”的意思是由两个接近平行的(小于或等于15°的角度)非平坦的表面限制的物体，所述两个表面彼此相距平均厚度em的距离，与其他尺寸Cl1、d2相比，厚度em是小的，其中，Cl1Zeffl和d2/em的比值为大于或等于3，优选大于或等于5。
[0025]“立体部件”的意思是其最长尺寸和最短尺寸之间的比值不超过因数2的部件。
[0026]“基部”的意思是立体型或者可替选地板型或壳型的部件，其最长尺寸基本上垂直于所述第一部分逐渐变细的所述方向。优选地，基部的所述最长尺寸不应该超过所述第一部分的最长尺寸的一半。
`[0027]根据本发明的方法的一些特定的实施方式:
[0028]-至少在部件的所述第一部分的情况下，可以在浮动模具的条件下进行快速烧结。为了使材料处于“浮动模具”的条件下，必要的是，在与侧向支承面接触的所述材料的每个点上，在致密化期间，材料应该能够平行于所述侧向支承面移动，而且，相应的运动矢量必须具有平行于压力的施加方向的非零分量。“侧向支承面”的意思是活塞、插入件或模具的与材料接触且基本上平行于压力的施加方向、或更一般地与所述方向形成小于45°的角度的任何表面。
[0029]-优选地，该方法可以仅采用一个快速烧结步骤。
[0030]-至少两个所述活塞和待被制造的部件(和力传递部件，在其存在的情况下)可以由D形的整体横截面的插入件所包围，所述插入件具有支持所述组件的形状的第一表面和呈柱面弧形状的支持模具的内表面的形状的第二表面。
[0031]-该方法可以包括:在前的校正温度的步骤，使得在包括模具、活塞、粉状组成材料和任何插入件的组件内的温度场可以与在模具或活塞上的点处由传感器测量的每个温度值相关联；和电流强度的反馈控制，以便控制在由所述传感器测量的温度和基准温度之间的差异。有利地，所述基准温度可以由数值模拟来确定。
[0032]-所述粉状组成材料可以基于金属合金(如，基于钛的合金)，或者可替选地基于金属-金属合金(如，基于TiAl)。“基于TiAl的合金”的意思是含有至少40%、优选至少45%的Ti和至少40%、优选至少45%的Al的合金。百分比指的是原子组成。作为替代实施方式，所述粉状组成材料可以包含金属(如，Nb或Mo)和该金属(或不同金属)的硅化物，同时，在适用情况下，还包含添加元素或合金元素(如T1、Cr、Hf、Al等)。[0033]-待被制造的部件的所述第一部分可以为斜壳。“斜壳”的意思是一壳(见在上文的定义)，所述壳的接近平行的表面是不规律化的，即，不能由直线的移位而形成。
[0034]-所述待被制造的部件尤其可以为接近成品尺寸的涡轮叶片预成型体。“接近成品尺寸的”的意思是一种预成型体，所述预成型体的表面点没有一个点与成品部件的形状相差大于1mm。
[0035]本发明的另一个目的是一种用于实施这种方法的装置，该装置包括由导电材料制成的模具和至少两个同样导电的活塞，所述活塞能够在所述模具的内部在被称为轴线的方向上朝向彼此滑动，并且每个活塞具有用来与待被压实的粉状材料接触的支承面，所述支承面协同限定待被制造的部件的形状，特征在于:
[0036]-所述支承面限定具有复杂形状的部件，所述部件至少包括杆型、板型、斜面型或壳型的细长的第一部分和基部型、底座型或立体部件型的第二部分，该第二部分在所述第一部分是细长的方向上不是细长的；和
[0037]-所述轴向基本上平行于部件的所述第一部分的最小尺寸的方向，或在杆的情况下，基本上平行于杆的两个最小尺寸中的一个最小尺寸的方向。
[0038]作为替代实施方式，该装置可以包括由导电材料制成的模具、至少两个同样导电的活塞，所述活塞能够在所述模具的内部、在被称为轴线的方向上朝向彼此滑动；其特征在于，该装置还包括同样导电的、且置于所述活塞和待被压实的粉状材料之间的力传递部件，至少所述力传递部件(和在适当情况下，所述活塞可以)具有用来与所述粉状材料接触且协同限定待被制造的部件的形状的支承面，并且，其中:
[0039]-所述支承面限定具有复杂形状的部件，所述部件包括杆型、板型、斜面型或壳型的细长的第一部分和基部型、底座型或立体部件型的第二部分，该第二部分在所述第一部分是细长的方向上不是细长的；和
[0040]-所述轴向基本上平行于部件的所述第一部分的最小尺寸的方向，或在杆的情况下，平行于杆的两个最小尺寸中的一个最小尺寸的方向。
[0041]所述装置还可以包括用来包围至少两个所述活塞和待被制造的部件(连同任何力传递部件，在其存在的情况下)的插入件，每个所述插入件具有支持所述组件的形状的第一表面、和呈柱面弧形状的支持模具的内表面的形状的第二表面。
[0042]特别地，所述支承面可以协同限定接近成品尺寸的涡轮叶片预成型体。
[0043]本发明的另一个主题是，一种基于TiAl的金属-金属合金的、采用快速烧结而烧结的涡轮叶片，该涡轮叶片优选具有孔隙空间百分比小于或等于0.1%、优选小于或等于
0.01%的孔隙率，且优选不具有(例如，通过扫描电子显微镜)可检测到的孔隙率。这是因为，因基于TiAl的金属-金属合金的密度大约为通常用于这种用途的超耐热合金的密度(大约8g/cm3)的一半(大约4g/cm3)，而该基于TiAl的金属_金属合金是对于制造涡轮叶片特别引人注目的材料。然而，这些材料为难于进行机械加工且机械加工花费大的材料:因此，对于由通过现有技术的快速烧结方法所生产的传统的圆柱形或棱柱形的预成型体来制成由基于TiAl的金属-金属合金制成的涡轮叶片的形状，在经济上还不是可行的。以有竞争力的价格，通过粉末冶金技术制造基于TiAl的金属-金属合金的涡轮叶片仅通过本发明的方法才可以。此外，快速烧结方法通过改善微观结构，提供了改良的机械性能。
[0044]本发明的另一个主题是，一种基于金属-硅化物(例如，基于Nb/Nb5Si3或Mo/MoSi2，可能含有合金元素，如T1、Cr、Hf、Al等)的、采用快速烧结而被烧结的涡轮叶片，该涡轮叶片优选具有孔隙空间百分比小于或等于0.1%、优选小于或等于0.01%的孔隙率，且优选不具有(例如，通过扫描电子显微镜)可检测到的孔隙率。
【专利附图】

【附图说明】
[0045]参照举例给出的附图，通过阅读给出的说明书，本发明的其他特征、细节和优点将变得显而易见，所述附图分别描述:
[0046]图1为由TiAl制成的且利用本发明的方法生产的接近成品尺寸的涡轮叶片预成型体；
[0047]图2A为和图1的预成型体相同的预成型体的横截面视图；
[0048]图2B至2E为通过扫描电子显微镜获得的、示出了图2A的预成型体的各个部分的优良的致密性(左侧图)和微观结构(右侧图)的四幅图；
[0049]图3为由烧结模具、两个用于施加单轴向压力的活塞、D形外围插入件、和根据本发明的一个实施方式的烧结部件(涡轮叶片预成型体)构成的组件的分解图；
[0050]图4为在工作情况下的图3的组件的视图；
[0051]图5A为利用未根据本发明的教导的方法的涡轮叶片预成型体的制造；
[0052]图5B和5C为通过扫描 电子显微镜获得的、示出了利用图5A的方法获得的TiAl预成型体的各个部分微观结构的两幅图；
[0053]图6为由烧结模具、两个施加单轴向压力的活塞、D形外围插入件、力传递部件、和根据本发明的可替选实施方式的烧结部件(涡轮叶片预成型体)构成的组件的分解图；和
[0054]图7为通过扫描电子显微镜获得的、示出了通过根据本发明的方法获得的Nb/Nb5Si3预成型体的微观结构的图片。
【具体实施方式】
[0055]图1示出了通过根据本发明的快速烧结方法由TiAl制成的涡轮叶片预成型体PF。具有36mm的高度的该预成型体与成品叶片基本上相同，仅需要一个去除大约0.5mm材料厚度的精加工步骤。因此，该预成型体可有资格作为是“接近成品尺寸的”。待被去除的材料厚度可被降低到大约0.1mm的值，该值对应于其中材料被石墨污染的层。正如准备使用的叶片，预成型体PF包括具有不能由少数量的简单的几何形状限定的复杂形状的立体基部B、和以斜壳形式的沿着轴线“x”具有明显长细比的片形部V。可立即注意到，与在上文提到的现有技术文献中描述的通过快速烧结制造的所有物体的形状相比，该部件的形状是更加复杂的。
[0056]根据本发明，预成型体PF可以利用图3 (分解图)和图4 (在操作情况下的视图)中描述的装置通过快速烧结而被制成。该装置包括由导电材料(通常地，石墨)制成的圆柱形模具M和两个同样为导电材料(通常，与用于模具的材料相同)的活塞P1、P2，该活塞在模具M的中心槽内部沿着被称为轴向(“z”)的方向滑动。这些活塞用来沿着轴线z向用来形成预成型体PF的粉状材料施加单轴向压力。通过协同限定所述预成型体的支承面F1、F2，来施加该压力。
[0057]为了使部件更加容易地从模具中移除，部件的形状包含例如5°的隙角、和/或圆角。通过在各个材料/石墨接触面和石墨/石墨接触面上喷涂基于石墨的物质，可以提供润滑作用。
[0058]作为替代方案，可使用多于两个的活塞，以便在制造过程期间，限制破裂的风险和/或允许不同的压力被施加到部件的不同点上。
[0059]将注意到，在图3和图4的组件中，压力垂直于片形部V伸长的方向而施加，或者，相当于，平行于所述片形部的厚度(最小尺寸)方向而施加压力。如将从下文中明显看出，这种取向是本发明的方法的重要特征。这种设置确保了烧结在浮动模具的条件下执行，这些条件在上文已被限定；其可获得一种材料，尽管部件的形状是不规则的，但整个部件中该材料是紧密的。
[0060]由于待制造的预成型体PF的上述取向，活塞P1、活塞P2的截面在X方向上延伸。然而，模具M的中心槽必须具有大体上是圆形的或在任何情况下不具有尖锐边的横截面，以便避免会引起模具损坏的应力集中。利用插入件ID1、插入件ID2，活塞与模具的槽匹配，该插入件ID1、插入件ID2大体具有D形的或半月形的横截面，具有支持所述组件的形状的第一表面和支持模具的内表面(即，模具的中心槽)的形状的呈柱面弧形状的第二表面。插入件ID1、插入件ID2优选由与模具和活塞相同的材料(通常，石墨)制成，以便确保组件的各个元件经受最一致的可能的热膨胀。当然，插入件的数量可以不是2。
[0061]对于任何快速烧结方法，作为普遍情况，待生产的部件的组成材料(或其前体)以粉末形态被引入到模具中，然后，通过活塞沿轴向z施加压力，同时电流通过组件，以通过焦耳效应实现快速加热。如果组成材料为导电材料，则电流直接通过组成材料，在原地生成热；如果组成材料是不导电的，则在模具(该模具本身是导电的)内产生热量，然后通过传导被转移至材料。
[0062]粉状材料所被加热到的温度在该方法中是重要的参数，这是因为该温度对由此获得的部件的微观结构具有强烈的影响；因此，该温度需要在作为整体的部件上是尽可能均匀的。在复杂部件的情况下，可以证明这一点是关键的，这是因为该部件的不规则形状具有引入不均匀的电流分布和因而引入不均匀的温度的倾向。在这种情况下，在部件的各个点之间可出现温度差异，这可能导致部件的机械性能的显著损害。特别地，存在过热的风险，该过热可能甚至引起材料的局部熔融。
[0063]一个难题是，在烧结操作期间，不能测量部件的各个部分的温度；通常地，利用一个或多个热传感器(如，高温计或热电偶)，仅可以在模具或活塞的一些点上实时地测量温度。因此，执行校准:设计由模具、活塞、插入件、和粉状材料构成的组件，然后利用CAD (计算机辅助设计)工具对该组件建模。然后，采用有限元法模拟焦耳效应(该装置为焦耳效应的核心)，同时求解遍及该装置的热能和电能的耦合方程；关于这一点，参考由G.Molenat、L.DurancUJ.Galy 和A.Couret所著的“Temperature Control in Spark PlasmaSintering: an FEM Approach，，文章(Journal of Metallurgy, 2010 卷，文章 ID145431 )。用这种方式，可将在装置和材料内的温度分布和由高温计或热电偶测量的每个温度值关联起来。这种模拟允许在任何点估计材料的温度，且特别地，由于电流强度被反馈控制以适合基准温度，故这点避免了任何过热。
[0064]利用“Sumitomo2080”型号的SPS (放电等离子烧结)机，施加IOOMPa的压力，利用一组DC (直流)脉冲使组成材料(TiAl)至大约1200°C的温度(由高温计测量的温度，该温度对应于在部件的中心内的大约1260°C的温度)(基准温度斜率为100°C /分钟，升到1125°C，然后基准温度斜率为25°C /分钟，升到1200°C，然后保持该温度两分钟-通过观测模具的外表面的高温计测量温度)，来制造图1的预成型体。如图2A-2E所示，这些操作条件已能够获得非常紧密的和均匀的、在扫描电子显微镜上不具有可见的多孔性的材料。可在图中看到，在整个部件中，被压实的TiAl的微观结构具有两相型。
[0065]通过比较实施例，图5A示出了快速烧结配置，其中，平行于片形部的延伸的轴线施加压力。由于在用来形成片形部的尖端的部分中，材料不能平行于限定所述片形部的主面的侧向支承面移动、或不能平行于压力的施加方向移动，故这种配置不能满足浮动模具的条件。通过扫描电子显微镜获得的视图显示，虽然基部的紧密度是令人满意的(图5C)，但片形部的尖端是高度多孔的(图5B)。利用这种配置制造的涡轮叶片将具有不足以允许其被使用的良好机械性能。将注意到，图5A至5C涉及叶片，该叶片的片形部具有明显不及参照图1至图4所考虑的部件的片形部显著。如果试图利用图5A的配置生产图1的部件，则将获得更不令人满意的片形部的紧密状态，具有更多的微观结构的不均一性。这点强调了在烧结模具内的部件的取向的重要性。
[0066]已关于TiAl涡轮叶片的制造来详细地描述本发明的方法。从设计的角度(由于这种部件的极大的几何复杂性，和由于在机械强度方面的非常紧密的要求)和从应用的角度看，这都是特别有利的方案，但为非限制性的。因此，本发明的方法适用于通过快速烧结制造任何种类的具有复杂形状的部件，所述部件包括杆类型、板类型、斜面类型或壳类型的至少的细长的第一部分和基部类型、底座类型或立体部件类型的至少第二部分，该第二部分在所述第一部分细长的方向上不是细长的。
[0067]这样的部件的组成材料可以是通过快速烧结可被压实的全金属、金属-金属合金、陶瓷或复合材料。
[0068]本发明的方法的另一个特别有利的应用是生产金属-硅化物复合材料的复杂部件，尤其是涡轮叶片。这些材料组合:具有抗蠕变性和抗氧化性的硅化物；具有延展性和韧性的金属基质(由Nb或Mo制成)( 可以脱离金属基质使用硅化物，但以那种方法获得的部件将是脆性的)；以及可能地，添加元素，如T1、Cr、Hf、Al。在涡轮叶片的形成中使用这样的材料将使得允许航空引擎的操作温度增加大约150°C。然而，尽管对这样的材料的研究开始于二十世纪八十年代，但材料的成形加工还仍未被掌握。
[0069]通过组成材料，类似于图1的叶片预成型体的叶片预成型体利用购买于AlfaAesar的纯Nb和Nb5Si3这两种粉末的50%_50% (以体积计)的混合物制造。
[0070]通过在1700°C核心温度(基准温度斜率为100°C /分钟，升到1525°C，然后基准温度斜率为25°C /分钟，升到1600°C，然后保持该温度2分钟，通过高温计测量这些温度)下施加125MPa压力2分钟，进行快速烧结。这些条件实质上比用于烧结TiAl的条件更加苛亥IJ。采用在图6中阐明的仪器来实施该方法。从这幅图中可注意到，基质更加完全地覆盖活塞，以便改善电流的流动，从而在组件内获得更优良的热分布。另外，力传递部件PTl至力传递部件PT5被置于活塞和组成材料之间。这些部件带有协同限定部件的形状的支承面；更特别地，在图6的实施例中，由力传递部件带有的支承面限定了叶片的片形部和叶片底座的下部，底座的上部由活塞具有的支承面所限定。如图7所示，所获的微观结构是两相，额外含有因所涉及的高温而出现的氧化物(较暗区域)。由于没有优化材料的组成，故存在微米级孔。
【权利要求】
1.一种用于通过快速烧结来制造由金属、陶瓷或复合材料构成的部件(PF)的方法，所述方法包括在模具(M)内，向粉状组成材料同时施加单轴向压力和电流，所述单轴向压力借助至少两个在所述模具内部朝向彼此滑动的活塞(PU P2)直接地或者经由力传递部件施加，所述活塞和/或所述力传递部件具有支承面，所述支承面与所述组成材料接触且相互合作限定待被制造的所述部件的形状，其特征在于: -所述部件具有复杂形状，至少包括细长的第一部分(V)和第二部分(B)，所述第一部分诸如为杆类型、板类型、斜面类型或壳类型，所述第二部分(B)诸如为基部类型、底座类型或立体部件类型，所述第二部分在所述第一部分为细长的方向上不是细长的；和 -在基本上平行于所述部件的所述第一部分的最小尺寸的方向(Z)上，或在杆的情况下，在基本上平行于所述杆的两个最小尺寸中的一个最小尺寸的方向上，施加所述单轴向压力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，至少在所述部件的所述第一部分的情况下，在浮动模具的条件下进行所述快速烧结。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，该方法仅采用一个快速烧结的步骤。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述至少两个活塞和待被制造的所述部件由具有D形的整体截面的插入件(ID1、ID2)所包围，所述插入件(ID1、ID2)具有支持所述组件的形状的第一表面、和呈柱面弧形状的支持所述模具的内表面的形状的第二表面。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括: -在前的校正温度的步骤，使得在包括所述模具、所述活塞、所述粉状组成材料和任何插入件的组件内的温度场能够 与在所述模具或所述活塞上的点处由温度传感器测量的每个温度值相关联；和 -电流强度的反馈控制，以便控制在由所述传感器测量的温度和基准温度之间的差异。
6.根据前一项权利要求所述的方法，其中，所述基准温度由数值模拟来确定。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述粉状组成材料基于金属-金属合金。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述金属-金属合金是基于钛的合金，诸如基于TiAl的合金。
9.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，所述粉状组成材料包含:金属，诸如Nb或Mo ;和该金属或不同金属的硅化物。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，待被制造的所述部件的所述第一部分为斜壳。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，待被制造的所述部件为接近成品尺寸的涡轮叶片预成型体。
12.一种用于实施根据前述权利要求中的任一项所述的方法的装置，包括由导电材料制成的模具(M)和至少两个同样导电的活塞(PU P2)，所述活塞(PU P2)能够在所述模具的内部、在被称为轴线(z)的方向上朝向彼此滑动，并且每个所述活塞具有用来与待被压实的粉状材料接触的支承面(F1、F2)，所述支承面协同限定待被制造的部件的形状，其特征在于:-所述支承面限定具有复杂形状的部件(PF)，所述部件(PF)包括所述杆类型、所述板类型、所述斜面类型或所述壳类型的细长的第一部分(V)和所述基部类型、所述底座类型或所述立体部件类型的第二部分(B)，该第二部分在所述第一部分为细长的方向上不是细长的；和 -所述轴线的方向基本上平行于所述部件的所述第一部分的最小尺寸的方向，或在杆的情况下，基本上平行于所述杆的两个最小尺寸中的一个最小尺寸的方向。
13.一种用于实施根据权利要求1至11中的任一项所述的方法的装置，包括由导电材料制成的模具(M)、至少两个同样导电的活塞(PU P2)，所述活塞(PU P2)能够在所述模具的内部、在被称为轴线(z)的方向上朝向彼此滑动；其特征在于，所述装置还包括也导电的、且置于所述活塞和待被压实的粉状材料之间的力传递部件(PT1-PT5)，至少所述力传递部件具有用来与所述粉状材料接触且协同限定待被制造的部件的形状的支承面，并且: -所述支承面限定具有复杂形状的部件(PF)，所述部件(PF)包括所述杆类型、所述板类型、所述斜面类型或所述壳类型的细长的第一部分(V)和所述基部类型、所述底座类型或所述立体部件类型的第二部分(B)，该第二部分在所述第一部分为细长的方向上不是细长的；和 -所述轴线的方向基本上平行于所述部件的所述第一部分的最小尺寸的方向，或在杆的情况下，基本上平行于所述杆的两个最小尺寸中的一个最小尺寸的方向。
14.根据权利要求12和13中的任一项所述的装置，还包括用来包围所述至少两个活塞和待被制造的所述部件的插入件(ID1、ID2)，每个所述插入件具有支持所述组件的形状的第一表面、和呈柱面弧形状 的支持所述模具的内表面的形状的第二表面。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的装置，其中，所述支承面协同限定接近成品尺寸的涡轮叶片预成型体。
16.一种采用快速烧结而被烧结的以基于TiAl的金属-金属合金涡轮叶片。
17.—种基于金属-娃化物、尤其是基于Nb/Nb5Si3 *Mo/MoSi2的米用快速烧结而被烧结的涡轮叶片。
18.根据权利要求16和17中的任一项所述的涡轮叶片，具有孔隙空间百分比小于或等于0.1%、优选小于或等于0.01%的孔隙率。
【文档编号】B22F5/04GK103502490SQ201280021196
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年3月29日 优先权日:2011年3月31日
【发明者】阿兰·库雷特, 让-菲利普·蒙肖, 利兹·杜兰德, 乌里亚·贾巴尔, 托马斯·沃新恩 申请人:国家科学研究中心