使用冷喷涂形成锻造结构的方法技术

一种生产具有锻造结构的产品的方法和设备。该方法包括以下步骤：将热量和压缩载荷同时施加到冷喷涂沉积预成型件的施加区域，以将包含固结颗粒结构转变成锻造结构，该压缩载荷横向施加到施加区域。向施加区域施加压缩载荷和热量使施加区域中的预成型件的材料的温度升高到材料的重结晶温度和熔点之间。

Method of forming forging structure by cold spraying

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用冷喷涂形成锻造结构的方法相关引用本申请要求于2017年6月20日提交的澳大利亚临时专利申请号2017902355的优先权，其内容应被理解为通过引用结合到本说明书中。
本专利技术总体上涉及由粉末的冷喷涂沉积生产锻造结构的方法以及相关设备。本专利技术特别适用于生产钛和钛合金锻造结构，并且在下文中关于该示例性应用公开本专利技术将是方便的。然而，应当理解，本专利技术不限于该应用，而是可以适用于多种金属、金属/金属合金、金属基质复合材料等的冷喷涂沉积。
技术介绍
以下对本专利技术背景的讨论旨在促进对本专利技术的理解。然而，应当理解，该讨论并不是承认或认可所涉及的任何材料在本申请的优先权日之前已经出版、已知或属于部分公知常识。锻造材料是指从常用铸造材料，或甚至是增材制造加工材料“加工”而成的材料，以改善诸如延展性的性能。锻造材料通常没有内部和外部缺陷，例如收缩和孔隙率，这些缺陷是铸件中常见的问题，并且在高温下，在铸造成形中固有地比锻造品级更强。微结构在材料性能中起着重要作用，而表面形貌在其实用性和寿命方面也起着重要作用，因为锻造金属或合金的光滑表面有助于避免焦点加速腐蚀，例如被熔融盐或碳沉积。制造锻造材料的常见工业实践包括热等静压或加压(HIP)，这是一种完善的工艺，可以提高多种材料(如钛、钢、铝和高温合金)的机械性能和可加工性。HIP工艺包括将成型制品密封在压力室内，并在该压力室内施加等静压和升高的温度一段选定的时间，例如在100MPa下的950℃持续4小时。通常通过加热压力室内的惰性气体对室加压。因此，热等静压(HIPing)提供了多方向的压力，其施加在处理过的制品的整个外表面上。使用此方法，可以减少或消除铸件中的空隙，并且可以将封装的粉末固结以形成完全致密的材料。此外，可以去除由于在铸造或增材制造过程中截留的气体而产生的，看起来像小的加压气泡的截留气体。因此，使用HIPing工艺，可以将微结构转变为锻造结构。现在，包括钛及其合金在内的许多金属也采用增材制造方法来制造，例如冷喷涂技术。在冷喷涂过程中，固态的小颗粒在超音速气体射流中被加速至高速(通常高于500m/s)并沉积在基板材料上。利用颗粒的动能通过与基板碰撞时的塑性变形来实现粘结。不存在氧化能实现冷喷涂技术用于从粉末近净成形制造有形钛产品。固体喷雾沉积组分可以通过以期望的喷雾图案逐步沉积各层而形成，参见例如申请人的国际专利公开WO2015157816。然而，使用常规冷喷涂方法形成的低孔隙率固体形状的生产可能具有形成和结构问题，这是由于达到高速度所需的加速气体的加热要求以及必需的颗粒热软化(其有利于低孔隙率沉积物的产生)。例如，具有低孔隙率的冷喷涂钛合金的生产通常需要在700至1100℃的范围内预热冷喷涂气体。每当冷喷涂气体射流穿过冷喷涂沉积物以在其上喷涂冷喷涂颗粒时，这不可避免地导致大量热量传递到冷喷涂沉积物。加热产生热应力，即使仍在进行冷喷涂，热应力也可能导致大的沉积物开裂或沉积物与基板分离。如果表面温度足够高，甚至可能发生氧化。鉴于成功地使用HIP以从铸造材料形成锻造结构的方法，人们已努力将这种技术应用于增材制造技术。例如，Blose,R.E.等人在报告中描述了“使用冷喷涂工艺将附加特征应用于钛合金的新机会”MetalPowderReport61.9(2006):30-37，热处理和HIPing在冷喷涂的Ti-6Al-4V固结颗粒涂层中的应用。Blose发现，单独的热处理对降低孔隙率没有影响。然而，金相分析表明，在HIP之后，所有涂层的密度都接近100％(与初始孔隙率无关)。还发现，HIPed样品的微结构与在铸造、锻造变形和再结晶材料中获得的显微结构相同。美国专利号6905728中教导了另一个实例，该专利教导了一种方法，其中将冷气动力喷涂工艺颗粒冷喷涂到涡轮叶片或叶片上，然后对该部件进行真空烧结；在真空烧结步骤之后进行HIP工艺；并在进行HIPing步骤后进行热处理。然而，这些方法仍然存在一些缺陷。Tammas-Williams在MetallurgicalandMaterialsTransactionsA,Vol47/5,1939–1946中观察到，在HIP处理后，可能会出现较大的隧道缺陷。专利技术人自己也观察到，当使用HIP时，截留气体凝结并在材料的芯中形成大的气穴，例如参见图1(C)。使用HIP时，会在材料的芯部形成较大的气囊，参见例如图1(C)。此外，HIPing是一种能源密集、昂贵且耗时的批处理过程。它使用高压和高温，这可能很危险，需要专用设备。因此，期望提供一种由冷喷涂来源的材料生产锻造结构的新的和/或替代的方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于增材制造来源于冷喷涂固结颗粒沉积的锻造结构的方法和设备。本专利技术的第一方面提供了一种生产具有锻造结构的产品的方法，该方法包括：将热量和压缩载荷同时施加到具有固结颗粒结构的冷喷涂沉积预成型件的施加区域，以将固结颗粒结构转变为锻造结构。其中将压缩载荷横向施加到施加区域，并且其中向施加区域施加压缩载荷和热量使施加区域中的预成型件的材料的温度升高到材料的重结晶温度和熔点之间。本专利技术的方法通过在形成冷喷涂预成型件之后对冷喷涂沉积的预成型件同时施加热量和载荷/压力，从而能够形成金属、金属合金或金属复合材料的锻造结构化产品。横向施加的选定的且同时施加的热和压缩载荷能够使多孔的固结颗粒冷喷涂结构快速重结晶为锻造结构。将横向载荷和热同时施加到预成型件的施加区域引起固结的冷喷涂颗粒结构向其中的锻造结构的结构转变(重结晶)。尽管不希望受到任何一种理论的限制，但是认为所施加的热量提供了足够的热能，以将施加区域中的预成型件材料的局部温度升高到高于材料的重结晶温度但低于材料的熔点。因此，冷喷涂沉积材料的晶体结构的晶粒被在材料的晶体结构中成核和生长的一组新晶粒所替代，压缩横向载荷作用在两个前沿，这有助于消除孔隙率，同时启动动态和静态重结晶所需的加工硬化。从这个意义上来说，施加的压缩侧向载荷能够在该温度下压缩结构，从而消除结构/微结构中的任何孔或空隙。结果是致密的锻造结构/锻造微结构。可以理解，新形成的晶粒/晶体的尺寸决定了材料的最终机械性能。应当理解，如现有技术的HIP工艺中所施加的，例如在本专利技术的
技术介绍
中所描述的，载荷是横向施加到施加区域而不是多方向施加的。因此，本专利技术使用了一种压缩方法，其例如使用压缩印模或辊(多个)对施加区域提供横向压缩。相比之下，HIPing是一种能源密集、昂贵、费时且繁琐的批处理过程。由于需要将材料容纳在容器中并施加多方向压力，HIPing限于仅具有特定几何形状或特定尺寸的加工结构。本专利技术旨在避免这些缺点，并且优选地提供连续方法。应该理解，压缩载荷的横向施加表明将压缩载荷施加到施加区域的方向在施加区域的平面的横向(lateral)。在大多数情况下，该压缩载荷方向(载荷施加方向)将基本上垂直于施加区域的平面。对于曲面，压缩载荷方向(载荷施加方向)将基本上垂直于施加区域或点的切线平面。应当理解，冷喷涂沉积预成型件是使用冷喷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生产具有锻造结构的产品的方法，所述方法包括：/n将热量和压缩载荷同时施加到具有固结颗粒结构的冷喷涂沉积预成型件的施加区域，以将所述固结颗粒结构转变为锻造结构，/n其中将所述压缩载荷横向施加到所述施加区域，/n并且其中向所述施加区域施加所述压缩载荷和所述热量使所述施加区域中的所述预成型件的材料的温度升高到所述材料的重结晶温度和熔点之间。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170620 AU 20179023551.一种生产具有锻造结构的产品的方法，所述方法包括：
将热量和压缩载荷同时施加到具有固结颗粒结构的冷喷涂沉积预成型件的施加区域，以将所述固结颗粒结构转变为锻造结构，
其中将所述压缩载荷横向施加到所述施加区域，
并且其中向所述施加区域施加所述压缩载荷和所述热量使所述施加区域中的所述预成型件的材料的温度升高到所述材料的重结晶温度和熔点之间。


2.根据权利要求1所述的方法，其中通过快速加热技术施加热量，优选为电流加热、感应加热或激光加热中的至少一种。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其中使用包括交流电流或脉冲直流电流中的至少一种的电流施加所述热量。


4.根据权利要求2或3所述的方法，其中使用电流密度为500至2000A/mm2，优选为800至1500A/mm2，更优选为1000至1100A/mm2的电流施加所述热量。


5.根据权利要求3或4所述的方法，其中与所施加的电流相关的电压为2至3伏。


6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所施加的压缩载荷为10至100kg/m2，优选为20至60kg/m2。


7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括连续制造过程。


8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述预成型件是细长体。


9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述预成型件包括带、片材、线材、棒或条。


10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用配置为与所述预成型件压缩接合的至少一个辊施加所述压缩载荷。


11.根据权利要求10所述的方法，还包括至少两个辊，在所述两个辊之间进给和压缩所述预成型件。


12.根据权利要求10或11所述的方法，其中至少一个辊被配置为向所述预成型件施加热量，优选为电流。


13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中所述辊的至少一部分包括导电材料。


14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中至少一个辊包括冷却系统或布置。


15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括在施加热量和压缩载荷之前的以下步骤：
使用冷喷涂沉积形成具有固结颗粒结构的预成型件，以将所述结构以期望的构造增材构建。


16.根据权利要求15所述的方法，其中使用配置为可压缩地接合所述预成型件的至少一个辊施加所述压缩载荷，并且其中，在进行压缩之前，在所述至少一个辊中的一个辊的表面上形成所述预成型件。


17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述预成型件在进给轴线上或进给轴线周围形成，所述预成型件在这个过程中沿着所述进给轴线移动。


18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中所述预成型件通过将材料沉积到沉积表面上而形成。


19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中所述形成步骤包括：
使用冷喷涂涂抹器将冷喷涂的材料沉积在沉积表面上，以在进给轴线上或进给轴线周围形成产品沉积表面；
使用冷喷涂沉积将材料依次沉积到各自的顶部产品沉积表面上，以形成所述材料的连续沉积层；和
在沿着所述进给轴线的轴向上将以下中的至少一个相对于另...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨登·赫什马托拉·扎伊里，斯特凡·古利齐亚，
申请(专利权)人：联邦科学和工业研究组织，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU