烧结炉制造技术

在示例实施方式中，一种烧结系统包括：检测气体管路，用于使气体能够从外部气源流入烧结炉中。所述系统包括：在所述烧结炉内的检测气体端口，来自所述检测气体管路的气体通过所述检测气体端口流入所述烧结炉中；以及在所述烧结炉内的配准特征，用于使标记生坯物体能够靠近所述检测气体端口定位。所述系统包括：气流监测器，用于检测当所述标记生坯物体在所述烧结炉中在烧结工艺期间收缩时通过所述检测气体管路的气流的变化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】烧结炉
技术介绍
诸如MIM(金属注射成型)和粘合剂喷射的粉末金属制造工艺由粉末状金属材料生产金属物体。这种工艺包括制备包含粉末状金属和粘合剂的“生坯物体”。粘合剂材料可以在烧结工艺的粘合剂烧除阶段期间从生坯物体去除，然后粉末金属可以在烧结工艺中固结和致密化，以提高物体的强度和完整性。诸如加压烧结和大气(无压)烧结之类的烧结工艺将生坯物体暴露在高温下持续预定的时间段，以使粉末状金属颗粒结合在一起。在烧结工艺期间，根据预定的时间-温度曲线，使物体达到低于金属粉末熔点的适当烧结温度，并且使物体保持在该烧结温度。附图说明现在将参考附图描述示例，其中：图1示出适用于检测烧结工艺的终点的示例烧结炉系统的框图；图2示出装载有用于烧结的示例标记生坯物体和其它示例生坯物体的示例性炉架的放大视图；图3示出炉架的示例搁板的放大侧视图和俯视图；图4A示出位于示例炉搁板上的在覆盖检测气体端口的位置处的示例标记物体的侧视图；图4B示出位于示例搁板上的已经在烧结工艺中发生收缩之后的示例标记物体的侧视图；图4C示出在烧结工艺期间通过检测气体管路的气流相对于时间的示例曲线图；图5A示出位于炉搁板上的在靠近检测气体端口的位置处的示例标记物体的侧视图；图5B示出位于示例搁板上的已经在烧结工艺中发生收缩和下垂之后的示例标记物体的侧视图；图5C示出在烧结工艺期间通过检测气体管路的气流相对于时间的示例曲线图；图6A示出位于炉搁板上的在检测气体端口上方的位置处的示例标记物体的侧剖视图；<br>图6B示出示例标记物体在其经历烧结工艺之后的侧剖视图；图6C示出处于烧结之前的初始状态以及在物体已经达到烧结终点之后的收缩状态的示例标记物体的俯视图；图6D示出在烧结工艺期间通过检测气体管路的气流相对于时间的示例曲线图；图7A示出包括多个气体检测管路的示例炉架；图7B示出包括排布穿过框架的两侧的主气体管路的另一示例炉架；图8示出确定烧结工艺终点的示例方法的流程图；图9示出确定烧结工艺终点的示例方法的流程图；图10示出控制烧结工艺的示例方法的流程图；以及图11示出确定烧结工艺终点的方法的示例。在整个附图中，相同的附图标记表示相似但不一定相同的元件。具体实施方式烧结是通常用于改善“生坯”状态物体或部件的机械性能和其它性能的热处理工艺，“生坯”状态物体或部件由诸如粘合剂喷射3D打印工艺和MIM(金属注射成型)工艺之类的不同的制造方法生产。生坯物体是诸如在其被烧结或烧制之前的弱结合的粉末状材料之类的其材料处于弱结合状态的物体。烧结工艺将“生坯”物体暴露在高温下持续预定的时间段。用于烧结工艺的时间-温度曲线大体上基于对包括待烧结的生坯物体的材料类型、材料密度、壁厚以及总质量和总体热负载的性能的实验来确定。这种曲线被设计为控制烧结工艺的加热和冷却循环，以使炉负载(furnaceload)内的生坯物体暴露于合适的烧结温度持续正确的时间量，这将使物体达到烧结终点或烧结完成。然而，由于例如不同材料的热性能的变化、不同的烧结运行之间的总热质量的变化、热电偶与所使用的处理气体的匹配等，确定这种时间-温度曲线可能是昂贵的。此外，时间-温度曲线仅提供用于估计何时将达到烧结终点的间接方法。因此，基于预定的时间-温度曲线控制烧结循环可能导致在给定的烧结炉负载内的烧结物体中质量不佳。在一些示例中，烧结炉可以装载生坯物体并且以特定的时间-温度曲线编程来控制炉的加热和冷却循环。对于给定炉负载的时间-温度曲线通过试错法基于待烧结的生坯物体的预期热负载来大体上确定，这考虑负载的质量以及物体的尺寸和如上所述的材料特性。然而，炉负载可以包括具有不同特性的生坯物体，诸如具有不同热负载和/或不同尺寸、形状和厚度的物体。在一些3D打印工艺中，诸如粘合剂喷射，例如，在不同打印批次内或在相同打印批次内生产的生坯物体中可能存在显著程度的可变性。因此，用于控制烧结循环时间的曲线通常被开发为适应最坏情况。最坏情况可以基于预期具有最大热负载、最厚的物体部分和/或需要最长炉烧结时间的金属粉末材料的类型的生坯物体来确定。由于烧结循环时间通常被开发为适应代表这种最坏情况的生坯物体，因此在相同炉负载内的其它生坯物体通常暴露于更长的烧结时间，该更长的烧结时间可能远远超过它们的烧结终点。延长的烧结时间可能导致一些物体的过度烧结，并且可能降低烧结物体的质量和性能，并且增加与操作烧结炉相关联的成本，包括额外的时间、能量和炉磨损。如上所述，在烧结工艺期间，使生坯物体达到适当的烧结温度持续预定的时间段，以实现烧结终点或烧结完成。烧结温度大体上是被烧结的金属材料的熔点温度的一定百分比。例如，烧结温度可以为熔点的大约70％-90％的量级。测量和监测炉温以确保在炉“热区”的中心处达到并维持正确的烧结温度可能是具有挑战性且昂贵的。用于监测烧结炉中的温度的主要方法涉及热电偶的使用，这会显著增加烧结工艺的成本。热电偶是专用装置，因为它们必须与用于烧结炉负载内的生坯物体材料的处理气体和温度匹配。此外，热电偶通常位于热质量簇(thermalmasscluster)的外部，并且理想地排布到炉热区的中心，以提供最精确的温度信息。此外，应当注意，即使当热电偶可以用于在预定时间段内提供精确的温度监测和控制时，时间-温度曲线的这种准确实施也不是用于确定何时达到烧结终点的决定性方法。相反，这种精确控制最多提供一种用于估计何时已经达到烧结终点的间接方法。因此，通常延长烧结时间以确保炉负载中的最坏情况物体达到烧结终点，如上所述，这可能导致炉负载内的一些物体的过度烧结。因此，本文所描述的示例烧结装置通过能够监测炉内的烧结工艺并且检测烧结终点(即，烧结完成)来提高烧结循环时间的准确性。在烧结工艺期间可以监测排布至烧结炉内的终点检测端口的气流检测通道，以确定通过该通道的气流的变化，例如包括气体压力的变化、气流的流量的变化和气流阻力的变化。当标记生坯物体收缩或经历可能打开或阻挡终点检测端口的其它尺寸变化时，在烧结工艺期间可以检测到通道内的这种气流变化。当在气流检测通道中检测到目标气流(例如，气体流量、压力、阻力)时，控制器可以确定标记生坯物体以及炉中与标记物体一起烧结的其它生坯物体已经达到烧结终点(即，烧结完成点)。然后，烧结工艺可以从炉加热阶段循环到炉冷却阶段。因此，代替基于设计用于估计烧结终点的预定时间-温度曲线来控制烧结循环，本文所描述的装置和方法能够通过监测可以指示实际烧结终点的气流来对烧结循环进行更准确的控制。优化烧结循环时间有助于改善诸如韧性和尺寸公差之类的物体特性，并且与烧结炉一起提供更大的能量效率和成本节省。在特定示例中，烧结系统包括用于使气体能够从外部气源流入烧结炉的检测气体管路。该系统进一步包括：在烧结炉内的检测气体端口，来自检测气体管路的气体通过该检测气体端口流入炉内；以及在烧结炉内的配准特征，用于使标记生坯物体能够靠近检测气体端口定位。该系统包括气流监测器，用于检测当标记生坯物体在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种烧结系统，包括：/n检测气体管路，用于使气体能够从外部气源流入烧结炉中；/n在所述烧结炉内的检测气体端口，来自所述检测气体管路的气体通过所述检测气体端口流入所述烧结炉中；/n在所述烧结炉内的配准特征，用于使标记生坯物体能够靠近所述检测气体端口定位；以及/n气流监测器，用于检测当所述标记生坯物体在所述烧结炉中在烧结工艺期间收缩时通过所述检测气体管路的气流的变化。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种烧结系统，包括：
检测气体管路，用于使气体能够从外部气源流入烧结炉中；
在所述烧结炉内的检测气体端口，来自所述检测气体管路的气体通过所述检测气体端口流入所述烧结炉中；
在所述烧结炉内的配准特征，用于使标记生坯物体能够靠近所述检测气体端口定位；以及
气流监测器，用于检测当所述标记生坯物体在所述烧结炉中在烧结工艺期间收缩时通过所述检测气体管路的气流的变化。


2.如权利要求1所述的烧结系统，进一步包括：控制器，用于确定由所述气流监测器检测的气流的变化何时达到目标值，所述目标值指示所述烧结炉中的所述标记生坯物体和其它生坯物体已经达到烧结终点。


3.如权利要求1所述的烧结系统，进一步包括：
主气体管路，用于使气体能够从所述外部气源流入所述烧结炉中；以及
在所述烧结炉中的多个气流开口，用于允许来自所述主气体管路的气体流入所述烧结炉中并且流过所述烧结炉中的包括所述标记生坯物体的所有生坯物体。


4.如权利要求2所述的烧结系统，进一步包括炉架，生坯物体将被装载到所述炉架上以在所述烧结炉中烧结。


5.如权利要求4所述的烧结系统，其中：
所述炉架包括框架以及联接到所述框架的搁板；
所述主气体管路穿过所述框架排布至形成在所述框架中的多个气流开口；并且
所述检测气体管路穿过所述框架并且穿过搁板的一部分排布至形成在所述搁板中的所述检测气体端口。


6.如权利要求4所述的烧结系统，其中所述烧结炉内的所述配准特征设置在所述炉架的搁板上。


7.如权利要求5所述的烧结系统，其中所述搁板在所述框架上能调节，以使不同尺寸的生坯物体能够配合到所述搁板上。


8.如权利要求1所述的烧结系统，其中所述气流监测器包括在所述烧结炉的外部可操作地联接到所述检测气体管路并且选自气体流量监测器和气体压力监测器的监测器。


9.如权利要求1所述的烧结系统，其中所述外部气源包括质量流控制器，以将恒定的气体流量提供到所述检测气体管路中。
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【专利技术属性】
技术研发人员：戴维·钱皮恩，帕万·舒里，约翰·利贝斯金德，理查德·西弗，
申请(专利权)人：惠普发展公司，有限责任合伙企业，
类型：发明
国别省市：美国;US