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用于热等静压真空脱气装置的容持器

申请号 CN201780037640.1 申请日 2017-04-28 公开(公告)号 CN109562449A 公开(公告)日 2019-04-02
申请人 高级交互材料科学有限公司; 发明人 G·F·阿舍尔;
摘要 一种用于热 等静压 的容持器,该容持器包含主体,该主体由片材形成并且在主体外侧沿其纵向长度使用背衬条熔合在一起。还公开了一种容持器,该容持器具有主体以及在 热等静压 时扩散结合的顶盖和底盖;一种容持器,该容持器具有气体吹扫入口和出口;以及一种用于 真空 脱气的装置。
权利要求

1.一种用于热等静压的容持器,该容持器包含主体,该主体由片材形成并且在主体外侧沿其纵向长度使用背衬条熔合在一起。
2.根据权利要求1所述的容持器,其中,该容持器包含至少一个排放口,该排放口穿透进入到在该容持器主体与该背衬条之间的空隙中。
3.根据权利要求1所述的容持器,该容持器还包含至少一个气体吹扫入口和至少一个气体吹扫出口。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的容持器,其中,该排放口包含至少一个从该容持器主体外部进入到在该容持器主体与该背衬条之间的空隙中的通孔。
5.根据权利要求4所述的容持器,其中,该至少一个通孔具有至少2毫米的直径。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的容持器,其中,该至少一个通孔包括两个通孔。
7.一种用于热等静压的容持器,该容持器包含主体、顶盖和底盖,其中,该顶盖和该底盖在热等静压过程中扩散结合到该主体上。
8.一种用于热等静压的容持器,该容持器包含两端密封的主体、至少一个限定出从容持器外部到容持器内部的气体通道的气体吹扫入口、以及至少一个限定出从容持器外部到容持器内部的气体通道的气体抽排出口,其中,该至少一个气体吹扫入口和至少一个气体抽排出口限定出贯穿该容持器的气体通道,该气体通道从该气体吹扫入口延伸到该气体抽排出口。
9.根据权利要求8所述的容持器,其中,每至少一个气体吹扫入口和至少一个气体抽排出口通过管限定,该管提供从该容持器内部到该容持器外部的通道,并且其中,该管被内部结构加强,该内部结构被配置成允许气体通过该管并且防止粉末材料通过该管。
10.一种容持器,该容持器是如参考图1至6所描述的和/或在其中示出的。
11.一种用于对容持器内的金属粉末进行真空脱气的装置,该装置包含用于加热该金属粉末的烘箱、用于从该容持器内的金属粉末中抽排气体的真空、以及用于吹扫该容持器内的金属粉末的气体源,其中,对该容持器内的金属粉末的吹扫和抽排通过多个控制,这些阀门可操作以控制从该气体源到该容持器的气体提供以及从该真空泵到该容持器的真空提供。

说明书全文

用于热等静压真空脱气装置的容持器

[0001] 本发明涉及用于热等静压的方法和装置。
[0002] 发明背景
[0003] 热等静压是一种使用高温和高压为工程部件提供严格限定的材料特性的制造工艺。自20世纪70年代以来,热等静压一直被用来降低金属的孔隙率并且增加陶瓷材料的密度。热等静压常规地依赖于氩气以等静压地增加对待固结的容持器或部件的外部的气体压。氩气是常用的,因为它是惰性的并且将不与置于热等静压炉内的材料和容持器发生化学反应。
[0004] 热等静压的成功在很大程度上取决于对材料工程以及热等静压如何工作的基本理解。例如,热等静压参数的容持设计和定制巩固并且优化了容持器内材料的特性,这对于制造的部件是否在设定的特性和公差范围内是根本的。
[0005] 本文描述的发明寻求解决使用热等静压制造工程部件所固有的问题。
[0006] 发明概述
[0007] 本发明的一个方面提供了一种用于热等静压的容持器,该容持器包含主体,该主体由片材形成并且在主体外侧沿其纵向长度使用背衬条熔合在一起。
[0008] 在一些实施方案中,该容持器可以进一步包含从该容持器主体外部穿透进入到在该容持器主体与该背衬条之间的空隙中的通孔。
[0009] 提供从该容持器主体外部到在该容持器与该背衬条之间的空隙的排放口是非常有利的,因为该排放口为捕获在该容持器主体与该背衬条之间任何气体提供了逃逸方式。
[0010] 本发明的另一方面提供了一种容持器,该容持器包含两端通过由翻折翼缘(return flange)限定的自密封焊接接头密封的主体。
[0011] 在开始热等静压过程之前,对该容持器进行真空密封以使在热等静压过程中容持失效的险最小化是关键的。使用由翻折翼缘限定的自密封焊接接头是有利的,因为它使密封该容持器所需的焊接材料的量最小化。翻折翼缘在压力下自密封,因此当在热等静压过程中容持器处于压力下时,将解决穿过焊缝的任何泄漏
[0012] 本发明的另一个方面提供了一种用于热等静压的容持器,该容持器包含两端密封的主体、至少一个限定出从容持器外部到容持器内部的气体通道的气体吹扫管道、以及至少一个限定出从容持器外部到容持器内部的气体通道的气体抽排管道,其中,该至少一个气体吹扫管道和至少一个气体抽排管道限定出贯穿该容持器的气体通道,该气体通道从该气体吹扫管道延伸到该气体抽排管道。
[0013] 在热等静压之前,需要将容持器内的金属粉末清洁以去除可能影响材料的最终化学结构的任何杂质或物质。本文所描述的脱气过程包括通过至少一个气体吹扫管道吹扫惰性气体以清洁该材料,随后将该容持器中的任何气体通过至少一个气体抽排管道抽排。该至少一个气体吹扫管道和至少一个气体抽排管道被定向成限定穿过该容持器并且因此穿过该金属粉末的气体通道,以使气体能够渗透到该金属粉末的单独颗粒之间。
[0014] 本发明的另一个方面提供了一种用于对容持器内的金属粉末进行真空脱气的装置,该装置包含用于加热该容持器内的金属粉末的烘箱、用于从该容持器内的金属粉末中抽排气体的真空、以及用于吹扫该容持器内的金属粉末的气体源,其中,对该容持器内的金属粉末的吹扫和抽排通过多个控制,这些阀门可操作以控制从该气体源到该容持器的气体提供以及从该真空泵到该容持器的真空提供。
[0015] 附图简述
[0016] 以下附图展示了本文描述的本发明的实施方案的实施例
[0017] 图1示出了根据本发明的方面的简单圆柱形容持器;
[0018] 图2示出了根据本发明的方面的更复杂的容持器;
[0019] 图3展示了从由金属片形成并且使用背衬条通过焊接连接的容持器的内部的视图;
[0020] 图4a和4b展示了用于密封该容持器的端部的焊接封闭件;
[0021] 图5示出了包含气体吹扫管道和气体抽排管道的容持器;
[0022] 图6示出了图5的气体吹扫管道和气体抽排管道的内部形貌的详细视图;
[0023] 图7示出了根据本发明的方面的真空脱气装置的示意图。
[0024] 发明详述
[0025] 现在将通过参考附图来描述本发明的方面。
[0026] 如图1和2所展示的,热等静压需要合适的容持器(10)。这样的容持器(10)可典型地由诸如不锈或低钢的金属片制成。在制造之前,使容持器(10)材料经受合适的热和冷加工以改变其材料特性,使得容持器(10)材料比用于制造容持器(10)的焊接金属更强。不锈钢容持器(10)需要在形成和弯曲之后并且在制造之前在真空炉中对片材进行退火,以防止在热等静压的早期阶段的过程中材料破裂。如下所描述的,热等静压需要非常高的温度,该温度将使金属粉末、并且在一些实施方案中使容持器(10)本身处于超塑性状态。当粉末和容持器(10)处于超塑性状态时,用于制造容持器(10)的材料必须具有合适的等级以支撑粉末。
[0027] 可以制造所有形状和尺寸的容持器(10),用于本发明的实施方案。图1示出了适用于本文所描述的填充、真空脱气和热等静压过程的圆柱形容持器(10)的简化视图。容持器(10)包含金属片主体(12),该金属片主体被形成为具有内表面轮廓,该内表面轮廓被设计成与待使用热等静压工艺形成的工程部件的最终外部形状接近。在一些实施方案中,容持器(10)必须由固定装置支撑,以在粉末固结期间为容持器(10)提供支撑的同时考虑体积变化。该固定装置典型地由两英寸的箱部分形成,并且被定位在该容持器的端部之间、该容持器的外部。该固定装置在防止该容持器完全塌陷的同时允许该容持器的受控变形
[0028] 图1中的金属片主体(12)具有圆柱形状,该圆柱形状使用对接焊缝形成,以将该金属片材的端部连接在一起,从而形成该容持器(10)的最终形状。如图3所示,每个对接焊缝使用焊接背衬条(14)制成,该焊接背衬条通过TIG焊接被焊接到容持器主体(12)的外部。背衬条(14)在接头(16)的任一侧在容持器主体(12)的端部之间跨越。在一些实施方案中,背衬条(14)围绕其周长被固定到容持器主体(12)上。在其他实施方案中,背衬条(14)围绕其周长被连续焊接到容持器主体(12)上。具有连续焊接的背衬条的容持器主体(12)将必然在容持器主体(12)与背衬条(14)之间限定出空隙。为了将在容持器主体(12)与背衬条(14)之间的空隙排放,在接头(16)的任一侧提供穿过背衬条(14)进入到该空隙中的小孔。捕获在该空隙中的任何空气通过接头(16)被排放到容持器(10)中。每个孔(18)具有2毫米的最小直径。一旦焊接背衬条(14)就位并且被排放,就使用TIG焊接将片材(12)的端部从容持器(10)的内部焊接在一起,以完全穿透片材(12)并且连接到背衬条(14)上。
[0029] 用于圆柱类型部件的容持器(10)设计可以从内部或外部固结。例如,可以使用根据需要用氮化涂覆的实心芯作为用于部件内径的近净成形器,并且可以使用薄外部容持器作为可移动外部膜以适应当粉末固结时其整体体积变化。相反,也可以使用厚外部圆柱体和在该圆柱体内侧的薄可移动膜从圆柱体内部将容持器(10)设计固结。
[0030] 图2展示了更复杂的容持器(10),该容持器遵循与图1中所示的容持器相同的总体设计原理。
[0031] 在设计容持器(10)时必须小心,以考虑在冷却过程中固结粉末和容持器(10)材料的热膨胀系数。这(与热等静压参数结合)必须定制,以允许固结粉末和容持器(10)冷却同时由热膨胀系数不匹配产生的诱导应力最小。
[0032] 在包覆、特别是用含有B的Ni基合金( 10和15)包覆的情况下,必须在粉末与基底材料之间放置不小于0.5mm的镍箔充当B过滤器。这防止在包覆界面处形成硼化(硼化铁将可能沿着基底晶粒边界向下延伸),完全阻止了 向钢基底的固态扩散。
[0033] 在许多情况下,包覆部件的目的是增强磨损、腐蚀和/或强度特性。在此类情况下,并且特别是在用镍基合金的情况下,固结包覆层将展现出显著不同的热膨胀系数并且将具有高得多的热强度。因此,必须允许温度停留在合适的应力消除温度处,以允许基底/容持器松弛至包覆材料。
[0034] 容持器(10)的端部(20)由具有翼缘封闭接头的片材形成。图4展示了简单容持器(10)的封闭。容持器(10)的端部(20)相对于容持器(10)定位,使得容持器(10)的端部的翼缘部分被定向为从容持器(10)向外。每个翼缘的端部与容持器(10)的端部对齐并且被焊接到容持器(10)上。焊缝提供临时密封以在真空脱气期间保持容持器(10)的完整性。在热等静压期间,施加在容持器(10)上的压力迫使容持器的端部(20)的翼缘朝向容持器的金属片主体,并且使容持器(10)的端部(20)的翼缘扩散结合到容持器(10)。
[0035] 在热等静压期间,容持器(10)的焊缝经受其中的加压气体的全压力。为了使焊接失效的风险最小化,在容持器的制造期间使用的每个焊缝的冠部到根部的厚度大于该片材。焊缝不得展现出根部管孔(root piping)。优选的是,所有使用的焊缝是搭接接头或自密封接头。例如,如图4所示,在搭接接头和自密封接头上使用的所有焊缝都是修圆的。
[0036] 容持器(10)具有至少一个气体吹扫管道(22)和至少一个气体抽排管道(24)。每个气体吹扫管道(22)和气体抽排管道(24)通过容持器(10)中的开口插入并且被焊接到容持器(10)上。如图6所示,子弹状物(26)被插入到每个气体吹扫管道(22)和气体抽排管道(24)中,并且在贯穿容持器(10)在开口区域中被焊接到其上。子弹状物(26)允许气体通过气体吹扫管道(22)或气体抽排管道(24),同时防止粉末从容持器(10)中抽出。子弹状物(26)还防止在随后的热等静压期间气体吹扫管道(22)或气体抽排管道(24)的塌陷。
[0037] 许多工程部件具有内孔。为了使用热等静压形成这样的内孔,在容持器(10)中使用心轴,围绕该心轴填充金属粉末。在某些情况下,该心轴可用氮化硼的性悬浮液涂覆。
[0038] 一旦容持器(10)已被适当的金属粉末填充,就将其闭合,并且将容持器(10)连接到在开放式大气空气循环烘箱内的如图7中示意性地示出的真空脱气装置(100)。通过将端盖焊接到容持器(10)上来将较小容持器(10)闭合。较大容持器具有定做的填充口,该填充口在填充后关闭并且通过焊接密封。如图6所示,真空脱气装置(100)包含用于产生真空的旋转泵(102)。旋转泵(102)通过一个或多个气体抽排管道(24)可操作地联接到容持器(10)。一系列阀门(104)位于旋转泵(102)与容持器(10)之间,用于选择性地向容持器(10)施加真空。至少一个压力传感器和至少一个温度传感器与容持器(10)相关联,以测量并且记录其中的温度和压力。真空脱气装置(100)在使用前定位在烘箱(未示出)中。在热等静压过程之前,气体吹扫程序有效地洗涤该金属粉末以从其中去除任何污染物和杂质。
[0039] 如上所描述的,容持器(10)具有多个气体吹扫管道(22)和多个气体抽排管(24)。通常,每个气体吹扫管道(22)与一个气体抽排管道(24)成对线地相对,或者以其他方式策略性地放置以促使容持器(10)内的气体沿着路径通过粉末。真空脱气装置(100)可操作地联接到容持器(10),使得诸如氦气的气体源连接到一个或多个气体吹扫管道(22),并且旋转泵(102)可操作地连接到一个或多个气体抽排管道(24)。在所有情况下,当真空脱气装置(100)连接到气体吹扫管道时,它总是与至少一个气体抽排管道(24)连接。
[0040] 在脱气过程中在初始气体吹扫中使用纯氦气将在金属粉末表面上的化学键合物质激活。在真空脱气过程中随后的气体吹扫机械地将废物从粉末中冲洗。使用96%氦气和4%氢气有力地清洁金属粉末的表面,以提供比单独的氦气高得多的粉末表面上的清洁度。
选择氦气是由于其惰性性质和原子粒径。
[0041] 一旦容持器(10)连接到真空脱气装置(100),就进行泄漏测试。在得到满意的泄漏测试结果后,遵循真空抽排程序以使容持器(10)内的压力降低至适当的压力。在真空抽排过程之后,用气体吹扫该容持器,该气体可以是纯氦气、96%氦气和4%氢气、或任何其他合适的气体。容持器(10)被气体吹扫一段适当的时间。根据需要一个接一个地重复真空和气体吹扫程序。
[0042] 在该真空脱气过程完成之后,将该金属粉末热等静压。该热等静压工艺的一般原则适用于所有容持器设计,但是对于每个容持器设计,必须考虑温度和压力曲线。当温度和压力都施加到容持器(10)时,必须在热等静压过程的初始阶段考虑容持器(10)的完整性。
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