本发明涉及一种用于制作热等静压包套的方法，以及使用该包套来生产预成型件的热等静压工艺。
背景技术：
热等静压(hotisostaticpressing,hip)涉及将一个物体置于高温等静压的密闭外壳中，使该物体发生塑性变形。在金属手册的第9版卷7第419页，将hip定义为“一种在高温下将高等静压施加到粉末零件或压块上来使颗粒粘结的材料加工技术”。通过减少金属的孔隙率或提高诸多陶瓷材料的密度，hip被广泛应用于致密化通过铸造、粉末冶金、陶瓷工艺等工艺形成的部件。
hip也可作为一种将金属粉末固结成致密件的制造工艺。具体地，将粉末材料置于一个包套中，在热等静压过程中该包套作为所述粉末材料和周围加压介质之间的压力变送器。所述包套包括用于容纳所述粉末材料的内腔、以及至少一个入口设置来让粉末材料从其中进入所述内腔并在进行热等静压之前让内腔中的气体从其中排出。在将所述粉末材料填充到所述包套中后，所述包套的入口被连接到一个真空泵以抽出包套中的气体。然后包套通过一个后处理步骤，如热卷边(hotcrimping)来实现气密封。填充了粉末材料的气密封包套通过热等静压来形成致密的物体。具体地，可将所述包套置于一个压力室中，并加热至包套内粉末材料形成冶金结合所需的温度。包套形变且包套内的粉末材料被压缩。等静压后，用机械加工和/或化学溶解的方法将包套从所述物体上除去。
有时，为了获得一个复杂几何形状的物体，就需要一个复杂几何形状的hip包套。在这样的情形下，所述包套制造将变得非常昂贵且费时。另外，就一些复杂的包套而言，可能难以在其整个内部完全填充满粉末材料，因为在粉末材料进入到包套后难以在其内部平移。此外，填充粉末到包套的过程也是一种污染的来源，这可能会导致整个hip过程的失败。
因此，希望提供新的热等静压方法或工艺，其可消除及减轻现有技术中至少一个缺点。
技术实现要素：
一方面，一种方法包括：固结第一粉末材料以形成封闭的多孔包套，该封闭的多孔包套在其内具有空腔，同时使第二粉末材料保持未固结并被封装在所述封闭的多孔包套的空腔内；将所述封闭的多孔包套的空腔抽真空，并使得该封闭的多孔包套致密化，成为气密封的包套；及热等静压所述气密封的包套和封装在所述气密封的包套中的未固结的粉末材料。
另一方面，一种用来形成用于热等静压的其内有粉末材料的封闭包套的方法包括：固结第一粉末材料以形成封闭的多孔包套，该封闭的多孔包套在其内具有空腔，同时使第二粉末材料保持未固结并被封装在所述封闭的多孔包套的空腔内；将所述封闭的多孔包套的空腔抽真空，并使得该封闭的多孔包套致密化，成为用于热等静压的气密封的包套。
又一方面，一种方法包括：建立一个预定几何形状的外层的三维模型，其中所述预定几何形状包括目标产物的几何形状和一定的几何补偿；逐层堆积粉末材料，同时基于所述外层的三维模型固结所述粉末材料的第一部分以形成所述外层，并且使得所述粉末材料第二部分保持未固结并被封装在所述外层内；将所述外层的内部抽真空，并使得所述外层致密化成气密封的包套；及热等静压所述气密封的包套和封装在所述气密封的包套中的未固结的粉末材料。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：
图1a显示了根据本发明的一个实施例的热等静压(hip)工艺的目标产品的立体图。
图1b显示了图1a所示的目标产品的垂直纵向截面图。
图2显示了一个预定的几何形状，其包括图1b所示的目标产物的几何形状和一定的几何补偿。
图3a显示了一个使用粘合剂喷射型3d打印机来形成图2所示的预定几何形状的外层来作为hip包套的工艺。
图3b显示了一个由图3a所示的工艺制得的填充有未固结粉末的hip包套。
图4a显示了将图3b所示的填充有未固结粉末的hip包套置于高压釜中进行真空渗入以使该包套致密化。
图4b显示了图4a所获得的填充有未固结粉末的致密化的包套。
图5a显示了对图4b所示的填充有未固结粉末的致密化的包套进行hip处理。
图5b显示了图5a所获得的hip产物。
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。除非另作定义，在本文中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分或元件。本文中使用的“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或”、“或者”并不意味着排他，而是指存在提及项目(例如成分)中的至少一个，并且包括提及项目的组合可以存在的情况。“包括”、“包含”、“具有”、或“含有”以及类似的词语是指除了列于其后的项目及其等同物外，其他的项目也可在范围内。
本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。此外，在“大约第一数值到第二数值”的表述中，“大约”同时修正第一数值和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。本文中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。
本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。比如，像温度、气压、时间等类似的组件的数量和过程的数值等，当我们说1到90时，指代的是例如15到85、22到68、43到51、30到32等类似的枚举数值。当数值小于1时，一个单位可以是0.0001、0.001、0.01或0.1。这里只是做为特殊举例来说明。在本文中列举出的数字是指用类似的方法得到的在最大值和最小值之间的所有可能的数值组合。
本发明的实施例涉及一种用于形成热等静压(hip)包套的方法，其通过逐层固结第一粉末材料形成该包套，同时在形成该包套的过程中，留下一些未固结的第二粉末材料封装于该包套中。所述包套的外观形状是封闭的，即其内具有至少一个封闭的空腔，用来容纳所述未固结的第二粉末材料，而包套的实体部分具有多孔的微观结构，使得气体可通过包套的微孔排出。因此，此方法并不需要再设置一个用来将粉末材料引入包套的入口或用来将包套中的气体排出的出口。其中，所述包套的“微孔”是指形成所述包套的材料颗粒间的空隙，尺寸一般在微米级。
在一些实施例中，可用相同的粉末材料来制作所述包套以及hip产品，在逐层堆积所述粉末材料的过程中，通过如增材制造等制造工艺将粉末材料的一部分固结，而另一部分粉末材料保持为未固结的松散状态。所述固结部分形成一个封闭包套时，被该包套封装其内的粉末仍保持松散状态。通过在包套上的微孔对封闭包套内部进行抽真空，然后将该包套上的微孔封住，可获得填充了用于hip的粉末材料的气密封包套。所述气密封包套和气密封包套内的粉末材料可通过热等静压形成目标产品的预成型件。该气密封包套成为所述预成型件的外层。在热等静压后，可通过机械加工和/或化学溶解的方法将该包套(即所述预成型件的外层)从预成型件上除去。
本文所述的“增材制造工艺”涉及各种分层制造工艺，其基于3d模型或其他数字数据，在计算机控制下形成连续的材料层。在一些实施例中，用于固结粉末材料以制作包套的增材制造工艺包括喷墨打印工艺。本文所述的“喷墨打印工艺”涉及以打印头为工具来在基材(通常为粉末形式)表面上施加微小液滴的一种增材制造工艺。正如其他许多增材制造工艺，在喷墨打印过程中，要打印的物体是由该物体的三维模型的许多薄截面所建成的。一种喷墨打印头可跨越粉末床上的粉末移动，并选择性地释放液体粘合材料(粘合剂)。将遍布整个截面的一薄层粉末粘合后又重复一遍该过程，并将每一层结合到上一层。当物体制作完成后，该物体周围未结合的粉末(除了封装于该物体内部的粉末)可以通过一个被称为“去粉”的过程移除，所述移除的粉末可在一定程度进行重新使用。
所述粉末材料可包括金属粉末、金属基复合材料(metalmatrixcomposite,mmc)粉末、陶瓷粉末、或它们的组合。在一些实施例中，所述粉末材料包括一种金属粉末。本文所述的“金属粉末”是指金属性的材料，如金属、合金或金属化合物所形成的粉末。在一些实施例中，所述金属性的材料包括钛(ti)、铝(al)、镍(ni)、钢和超合金中的至少一种。在一些具体的实施例中，所述金属性的材料包含钛。
在一些实施例中，可用渗入材料对所述装有粉末材料的多孔包套进行渗入处理，以使该多孔包套致密化并密闭该包套上的微孔。所述渗入材料能够沿着包套的颗粒间的空隙空间流动从而对该包套的微孔进行物理填充，或/和与制作包套的材料中的一种或多种元素反应而形成新材料，比如，一种熔点比该渗入材料的熔点更高的合金。所述渗入材料可以和制作所述包套及hip产品的粉末材料相同或是不同。在一些实施例中，制作所述包套及hip产品的粉末材料是一种金属(如，ti)而渗入材料是一种包括该金属的合金(如，ti-cu-ni合金)。
在一些实施例中，所述对封闭包套内部抽真空并使该多孔包套致密化的步骤是通过在真空装置(例如，真空炉)中进行真空渗入来实现的。因为可能存在一个可以确保包套中的粉末材料保持稳定的冶金结构的特定温度界限，可将所述渗入过程的温度控制并维持在该温度界限内。
在一些实施例中，所述封装有未固结的粉末材料的封闭包套具有一个预定的几何形状，该预定几何形状包括所述预成型件的几何形状和一定的几何补偿，其中所述包套和所述未固结粉末材料分别构成了该预定几何形状的外层和内部部分。在一些实施例中，所述包套基于包套的3d模型，即所述预定几何形状的外层的3d模型而制作。
图1a-5b显示了依据本发明的一个示例性实施例的一种hip工艺，用来制作一个环形圆筒。
图1a显示了将要制作的环形圆筒100(目标产品)的立体图，图1b显示了沿图1中的剖面a获得的该环形圆筒100的垂直纵向截面图。为了得到如图1a和图1b所示的目标产品100，可设计一个如图2所示的预定几何形状200，其包括目标产品100的几何形状和一定的几何补偿。其中，所述几何补偿的形状和尺寸可以通过计算得到。在一些实施例中，所述几何补偿包括围绕所述目标产品100的几何形状的一个环形，其可以是厚度均匀的环形，也可以是厚度不均匀的环形。在一些实施例中，所述环形几何补偿的厚度在0至10毫米的范围。可建立所述预定几何形状200的外层的3d模型，作为hip工艺中使用的包套的3d模型。该外层的厚度可在约0.5毫米至约2.0毫米的范围。
图3a示意性地显示了使用粘合剂喷射型3d打印机310基于所述3d模型打印包套320的工艺。在该步骤中，用来制造所述包套的粉末330是由制作目标产品所用的材料制成的。将所述粉末330一层层地堆积于托盘340上，同时用打印机310的喷射打印头沿预定路径跨越所述粉末移动，并将一种液体粘结剂315施加到正在被打印的粉末上。这样，对应于所述包套的3d模型的那部分粉末结合在一起并固结形成所述包套320，而其余部分的粉末保持未固结及疏松状态。当包套320制作完成后，可以通过一种或多种处理方式，比如通过加热来进一步固化所述粘合剂。包套320外部的未固结粉末可以通过一定方法来从托盘340上除去。然后可获得一个如图3b所示的充满了未固结粉末的完整包套，作为初坯件360。
如图4a所示，将初坯件360移到高压釜410以进行真空渗入处理。在一些实施例中，在真空渗入过程中，将所述初坯件360浸入熔融的渗入材料中，其中，所述渗入材料可以与制造包套320的材料相同或不同。通过控制真空渗入的处理时间，可获得一个接近包套厚度的渗入深度。进行所述真空渗入处理后，渗入材料填充了多孔包套320中的微孔，将所述包套320致密化成了一个气密封的包套322。
如图5a所示，所述内含未固结粉末330的气密封包套322被置于热等静压炉430中的平台432上，进行热等静压处理以形成如图5b所示的预成型件500。通过精确控制温度、压力和处理时间可以获得优化的材料特性。所述内含未固结粉末330的气密封包套322(被处理的部件)，在惰性气体(如氩气)中被加热，且该惰性气体在所有方向上向所述被处理的部件均匀地施加“等静”压力。这就使得该材料变成“塑性”的以允许空隙在压差下塌陷。塌陷的空隙的表面结合在一起，从而有效地消除缺陷以达到接近部件的理论密度的目的，同时又提高了部件的机械性能。
所述工艺涉及以基本自动的方法制作填充有粉末材料hip包套/胶囊。所述包套的制作和粉末的填充在一个相对清洁和控制良好的环境下进行且几乎不需要人工干预，因此污染的机会更少。此外，因为包套制造和粉末填充所需的成本和时间是基本上独立于目标产物的几何形状的，所以如前所述的hip工艺极其适用于制造复杂的部件。另外，与一些现有技术，如激光烧结或熔化相比，上述方法更加快速也更加稳定。
本说明书用具体实施例来描述发明，包括最佳模式，并且可以帮助任何熟悉本发明工艺的人进行实验操作。这些操作包括使用任何装置和系统并且使用任何具体化的方法。本发明的专利范围由权利要求书来定义，并可能包括其它发生在本技术领域的例子。如果所述其它例子在结构上与权利要求书的书面语言没有不同，或者它们有着与权利要求书描述的相当的结构，都被认为是在本发明的权利要求的范围中。