难熔金属体的粉浆和压力铸造
【专利说明】难熔金属体的粉浆和压力铸造
[0001]相关串请
[0002]本申请要求于2013年6月4日提交的美国临时专利申请号61/830，892的权益和优先权，其全部公开内容兹被援引纳入本文。
技术领域
[0003]在各实施例中，本发明涉及施压或不施压的粉浆铸造，尤其涉及金属体的粉浆铸造或压力铸造。
【背景技术】
[0004]粉末冶金技术已被用于制造各种精制金属件。例如可给软袋装满金属粉末并将其放置在接近最终压制形状和零件尺寸的模具中。袋和模具被密封，并采用冷等静压制来形成经压制的金属粉末“生坯”。然后，可烧结生坯以增加其密度，随后将其机加工至其期望的最终尺寸。虽然这种粉末冶金技术可用于一些特定应用场合，但当最终零件具有更复杂形状时该技术的实用性受限。形状越复杂，需要在袋和模具中放置更多的多余粉末以防止在压制过程中开裂。因此，烧结零件的重量与处于最终机加工形态的新零件重量之比可超过4:1，这导致较高的机加工成本、材料成本和人工成本。而且利用这种粉末冶金技术制造的零件的最终烧结密度很少能超过其理论密度的94%。这种零件还可能有不利的大晶粒尺寸，如大于40微米。
[0005]用于形成复杂形状的另一粉末冶金技术是粉浆浇铸，其中将“粉浆”(即金属细粉的水中悬浮液)、分散剂(用于稳定粉末以抵抗胶体力)、一种或多种溶剂(用于控制粉浆黏度并有助于浇铸)和用于强化铸件形状的粘合剂放置在模具中，把液体抽走，并烧结所产生的生坯以进行致密化和强化。遗憾的是，粉浆浇铸通常需使用抗絮凝剂或悬浮剂以防止粉末沉淀和凝聚以及保持合意的粉浆黏度。这种抗絮凝剂例如包括醇类、其它有机液或海藻酸盐(即海藻酸的铵盐和钠盐)。使用这样的添加剂会增大粉浆浇铸工艺的成本、复杂性、环境影响和材料处理要求。
[0006]鉴于此，人们需要简化的基于粉末冶金的技术制造复杂金属零件，该技术不使用外来添加剂且能实现较高的零件密度和较小的最终晶粒尺寸。
【发明内容】
[0007]根据本发明的各实施例，利用具有特定的粉末大小分布的金属粉末的粉浆铸造或压力铸造来生产金属零件(或“本体”)，粉浆铸造或压力铸造在浇铸期间不需要使用额外的有机或无机悬浮剂。金属粉末悬浮在包括水如去离子(DI)水或基本由水如去离子水构成的液体中并被注入到浇铸模具中。如上所述，所述液体不包括任何絮凝添加剂或抗絮凝添加剂。此外，优选实施例采用这样的粉末，其基本仅由一种或多种金属组成而不包含固体或粉末助剂如粘合剂或增塑剂。模具是多孔的(且例如可包括石膏或基本由石膏组成)，供粉末悬浮的液体借助毛细作用被吸入模具。烧结所产生的生坯以增大其密度，(需要和/或必要的话)对其进行最终机加工以使最终零件成形。金属粉末例如可包括一种或多种难熔金属或基本由一种或多种难熔金属组成。例如金属粉末可包括钨(W)、钽(Ta)、铌(Nb)、锆(Zr)、钼(Mo)和/或钛(Ti)或基本由它们组成。
[0008]大体上，例如在粉浆被注入模具中时，粉浆不会发生膨胀或触变流动；相反，粉浆黏度优选作为粉浆剪切率的函数(即相对于剪切率变化而言)是大致恒定的。此外，在本发明优选实施例中，不必为了促进粉浆内金属粉末的混合或沉淀而摇动(如搅动、摇晃、旋转和/或振动)粉浆和/或模具；相反，粉浆内金属粉末的经设计的颗粒尺寸分布给粉浆内粉末在铸造之前和铸造期间的沉淀提供了阻力(即在优选实施例中，粉浆是胶态稳定的，而不是比如胶态不稳定或亚稳定的)，同时还有助于粉浆本身在不进行摇动情况下具有低阻力浇铸性能。类似地，在本发明优选实施例中，没有电压或电流在铸造过程中被施加于模具或粉浆上以影响沉淀性能。另外，(烧结前后的)生坯和模制件通常不会有功能上或机械性能上的差异，即零件在成分、微观结构、机械性能、孔隙度、残余应力、晶粒大小、颗粒尺寸等方面展现出很小梯度(如果有)。相反，根据本发明实施例制造的本体或零件的机械性能或功能特性(如未烧结零件或烧结零件的晶粒大小，和/或粉浆和/或生坯的粉末颗粒尺寸)在各个(乃至所有)方向上是大体一致的。而且，本发明实施例的特征在于粉浆基本没有酸性或碱性pH改性剂；这种改性剂可能对优选实施例所使用的金属粉末颗粒产生有害影响(例如腐蚀和/或化学反应)，并且一般对于构建本文所述粉浆的胶态稳定而言是不必要的。
[0009]本文所用术语“本体”、“零件”和“物品”是指这样的整块三维物体(而非仅是粉末颗粒)，其具有平板那样的简单形状，但也可具有比如坩祸和带凸面和/或带凹面的其它体积那样的更复杂形状。对于复杂形状而言，最终形状(不考虑任何与工艺有关的收缩)一般通过铸造(而非整体压缩)和烧结形成，此后可进行机加工。
[0010]在一方面，本发明的特征在于一种制造成型件的方法。使粉末悬浮在包括水或基本由水组成的液体中以形成粉浆。粉末具有在0.15微米至0.5微米之间的颗粒尺寸分布dlO、在0.6微米至1微米之间的颗粒尺寸分布d50、在2.4微米至3微米之间的颗粒尺寸分布d90，其中Y的颗粒尺寸分布dX是指X%的颗粒具有小于Y的尺寸。
[0011]将粉浆加入其形状基本等于成形件期望形状的模具中。粉末的颗粒尺寸分布(i)基本能阻止粉末与液体通过凝聚和/或沉降发生分离，并(ii)能保持液体内粉末颗粒的大致均匀分布。随后，从粉浆中排出至少一部分液体以形成包括粉末或基本由粉末组成的生坯，烧结生坯以形成成型件。
[0012]本发明的实施例可包括一个或多个以下的任何各种不同组合。粉末颗粒尺寸分布可以是约0.3微米的dlO、约0.8微米的d50、约2.7微米的d90。烧结后，成型件可具有理论密度的约95%和约99%之间的密度，甚至具有理论密度的约97%和约99%之间的密度。烧结后，成型件可具有在约10微米至约20微米之间的晶粒大小(如平均晶粒大小)。粉末可包括一种或多种金属或基本由一种或多种金属组成，如一种或多种难熔金属。粉末可包括钨、钽、铌、锆、钼和/或钛或者基本由它们组成。生坯可在氢中烧结。生坯可在约3000° F和5000° F之间的温度下烧结。
[0013]通过提供具有约0.42微米的颗粒尺寸分布dlO、约1.8微米的d50和约3.8微米的d90的原始粉末，一部分原始粉末被解聚，以及混合原始粉末的解聚部分与原始粉末的第二部分，可以制成所述粉末。该部分原始粉末可通过球磨被解聚。生坯密度可在理论密度的约30%和约40%之间。所述液体可基本由去离子水组成。模具可以是多孔的。基本所有来自粉浆的液体均可排入模具，从而形成生坯。在将粉浆加入模具后且在制成生坯前，既不摇动(比如摇晃、搅动、振动和/或旋转)粉浆，也不摇动生坯。在将粉浆引入模具期间和/或之后，可将超大气压力(其可以是流体静压)施加至模具和/或粉浆。粉末可基本均匀地分布在生坯内(即形成在生坯内的颗粒或晶粒大小没有显著的梯度或层次)。模具可基本只含有粉浆。可将成型件机加工成期望的尺寸和/或形状。
[0014]在另一方面，本发明实施例的特征在于一种生产成型件的方法。使粉末悬浮在没有絮凝添加剂或抗絮凝添加剂的水中以形成粉浆。将粉浆加入到其形状大约互补于(即其所封闭的用于加入粉浆的空间约等于)成型件期望形状的模具中，在加入期间基本不发生粉末与水的分离(和/或粉末在水中的沉淀或沉降)。随后，允许至少部分液体从粉浆中排出以形成包括粉末或基本由粉末组成的生坯，烧结生坯以形成成型件。
[0015]本发明的实施例可以包括一个或多个以下的任何各种不同组合。粉末具有这样的颗粒尺寸分布，其(i)能基本防止粉末与液体通过凝聚和/或沉降中的至少一个而发生分离，并(ii)能保持液体内粉末颗粒的大致均匀分布。该颗粒尺寸分布可以是0.15微米至0.5微米之间的dl0、0.6微米至1微米之间的d50、2.4微米至3微米之间的d90，Y的颗粒尺寸分布dX是指X%的颗粒具有小于Y的尺寸。粉末可以包括一种或多种金属(比如难熔金属如钨)或基本由一种或多种金属组成。在将粉浆引入模具期间和/或之后，可将超大气压力施加至模具和/或粉浆。模具可以基本只含有粉浆。
[0016]通过参考以下说明、附图和权利要求书，本文所公开的本发明的这些和其它的目的、优点和特征将更加明确。而且应理解，本文所述的各实施例的特征并不互相排斥，而是可以按各种组合和排列的形式存在。本文所用的词语“约”和“基本”是指±10%，在一些实施例中指±5%。表述“基本由……组成”是指排除其它功能性材料，除非本文另有说明。然而，可共同或单独地存在微量的所述其它材料。本文所用“基本由至少一种金属组成”是指金属或两种以上金属的混合物，而不是金属与非金属元素或化学物如氧或氮之间的化合物(如金属氮化物或金属氧化物)；可共同或单独地存在微量的所述非金属元素或化学物质，如作为杂质。
【附图说明】
[0017]在附图中，所有不同视图中的相同附图标记一般表示相同的零部件。另外，附图不一定按比例绘制，而是把重点放在示出本发明原理上。在以下描述中，参照下列附图来描述本发明的各实施例，其中:
[0018]图1是根据本发明各实施例的被引入模具的粉浆的剖视示意图。
[0019]图2是在根据本发明各实施例的模具内的生坯的横剖示意图。
[0020]图3是在根据本发明各实施例的铸造之后的物件的剖视示意图。
[0021]图4是示出根据本发明各实施例的铸造件的微观结构的显微照片。
[0022]图5A-5C是根据本发明各实施例的通过压力铸造制造物件的剖视示意图。
【具体实施方式】
[0023]为了能够在不需要额外的悬浮助剂情况下进行粉浆和压力铸造，本发明实施例所用的金属粉末具有颗粒尺寸分布(PSD)，其维持粉末沉降速度和粉浆黏度之间的有利比例。在各实施例中，金属粉末具有在0.15微米至0.5微米之间如0.3微米的PSD dl0、0.6微米至1微米之间如0.8微米的PSD d50、2.4微米至3微米之间如2.7微米的PSD d90 (本领域技术人员已知，X数值的PSD dlO是指10%的粉末颗粒具有小于X的尺寸)。具有期望PSD的粉末可通过例如解聚和混合市售粉末来准备。在各实施例中，粉浆具有在0.7至1.3Pa-s之间的黏度，优选在0.9至1.1Pa-s之间的黏度。相反，在没有悬浮助剂情况下使用具有传统PSD的粉末一般会导致较高的沉降速度和