專利名稱：熱等靜壓壓制中或涉及熱等靜壓壓制的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱等靜壓壓制技術(shù)，此外，涉及使用這些改進(jìn)了的技術(shù)制造的一些產(chǎn)
品O
背景技術(shù)：
許多工業(yè)加工都是在惡劣的環(huán)境中進(jìn)行的，所述惡劣的環(huán)境都是作為升高的壓力、極端的溫度、PH值、磨損和/或腐蝕的結(jié)果。這些條件限制了其中實(shí)施這些加工的容器的壽命。制備這樣的容器的材料的選擇由待經(jīng)歷的加工條件確定。然而，最能恢復(fù)原狀的材料也往往是最貴的材料，因此材料的選擇通常是費(fèi)用和使用壽命之間的折衷。這種加工的一個(gè)例子是將高分子量的碳?xì)浠衔镞M(jìn)行催化裂化以生產(chǎn)燃油。該加工通常在大約1100°c的高溫、高鉻鋼管中進(jìn)行操作，其中將細(xì)粉狀催化劑顆粒與長鏈碳?xì)浠衔镌诟咩t鋼管中混合。催化劑顆粒焦化并被移除以通過還原再生。在其中進(jìn)行反應(yīng)的鋼管也受到存在的碳的影響，并且這會(huì)導(dǎo)致稱為綠蝕的狀態(tài)。這限制了在其中發(fā)生催化裂化的鋼管的使用壽命。綠蝕是鋼的碳化，其作為具有碳的基礎(chǔ)鋼晶粒結(jié)構(gòu)超飽和的結(jié)果而發(fā)生。一旦晶粒結(jié)構(gòu)已經(jīng)飽和，更多的碳可沉積在晶粒邊界，如果未被檢測(cè)出來，其會(huì)導(dǎo)致鋼管的破裂。鋼碳化的閾溫度在800°C的區(qū)域內(nèi)，其遠(yuǎn)低于催化裂化的標(biāo)準(zhǔn)操作溫度。由于管只能當(dāng)催化裂化裝置停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)從催化裂化裝置中換掉，在停止運(yùn)轉(zhuǎn)之間的期間方面該管的壽命是一個(gè)限制因素。此外，由于在單獨(dú)的管中的裂紋以及對(duì)相鄰管以及設(shè)備的其他部件帶來的損傷，為了防止計(jì)劃之外的停止運(yùn)轉(zhuǎn)，該管在遠(yuǎn)早于其理論壽命之前就被換掉了。通常，用于催化裂化裝置的管經(jīng)歷復(fù)雜的制造過程，其典型地包括在金屬坯料中鑄造一個(gè)孔。將該鑄件鍛造為大約2米長的管，如果孔不在鑄造加工期間形成，則可以在鍛造期間形成。然后使用工具穿過該孔對(duì)管進(jìn)行鍛造以便在該孔中產(chǎn)生一個(gè)縱向槽。為了從直槽產(chǎn)生螺旋漸開線，將該管加熱并扭曲。125mm至160mm范圍的外徑被轉(zhuǎn)動(dòng)且多個(gè)2米長的管被焊接在一起以制造可為10米長的全長的管組件。另一個(gè)在惡劣環(huán)境下進(jìn)行加工的例子是在包括海底鉆井、抽出船用柴油、石油或其它產(chǎn)品的各種應(yīng)用中使用的井下動(dòng)力鉆具(mud motor)和螺桿泵(progress ive cavitypump)。在井下動(dòng)力鉆具中，高壓泥漿充滿了中心腔。在螺桿泵中，被抽出的流體可能處于高壓狀態(tài)。螺桿泵或井下動(dòng)力鉆具的管道通常是直的，但是它必須能夠適應(yīng)1: 100范圍內(nèi)的曲率。這增加了管的應(yīng)力，因?yàn)楣艿囊粋?cè)處于張應(yīng)力而另一側(cè)處于壓應(yīng)力。為了使得產(chǎn)生自然應(yīng)力的接口最少，井下動(dòng)力鉆具和螺桿泵的管通常很長。惡劣環(huán)境的一個(gè)不同的例子是在相當(dāng)大的張應(yīng)力下運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承。例如，在航空器工業(yè)中，當(dāng)航空器著陸時(shí)，起落架承受相當(dāng)大的應(yīng)力。航空器支架內(nèi)的軸承必須既輕且在使用時(shí)能夠承受非常高的應(yīng)力。另一個(gè)通常經(jīng)受相當(dāng)大應(yīng)力的制品的例子是在擠壓加工中使用的模具。擠壓是一種可用于制造恒定橫截面積產(chǎn)品的技術(shù)，該產(chǎn)品可以以不同材料制造，所述材料包括聚合物、橡膠和木質(zhì)復(fù)合材料。所用的模具通常包括具有相稱的切掉部分的外部塊狀體，以在通過它被擠壓的材料中提供所需的形狀。該外部塊狀體必須具有高機(jī)械強(qiáng)度來承受擠壓加工的壓力。可用于成形部件的工藝為熱等靜壓壓制(HIP)。熱等靜壓壓制是單階段工藝，其產(chǎn)生最終形狀部件或近終形部件，該部件從限制在模腔中并受到等靜壓的金屬粉末形成。熱等靜壓壓制工藝產(chǎn)生基本均勻的物質(zhì)，并且已知使用氮化硼作為擴(kuò)散阻擋層來防止材料脫離模具、或任何提供在模具中來限定待成型部件的更多的結(jié)構(gòu)特征的插件，防止材料通過原子擴(kuò)散移動(dòng)進(jìn)入通過熱等靜壓壓制工藝而被壓實(shí)的金屬粉末中。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決至少一些上述提到的與在惡劣環(huán)境中操作相關(guān)的問題，提出了本發(fā)明。在此描述的部件是由第一材料制成、且具備至少一個(gè)具有改變了的表面結(jié)構(gòu)的表面，該改變了的表面結(jié)構(gòu)是第二材料擴(kuò)散進(jìn)入第一材料中的結(jié)果。第一材料可以是金屬或金屬合金，所述部件可由壓縮的金屬粉末制造。該金屬可以是鐵類金屬、鈦、鎳、鎳合金或鋁。該部件可以利用最終形狀或近終形制造工藝來制造，并且其尺寸大體上為例如至少2m長。使第二材料能擴(kuò)散進(jìn)入第一材料是有益的，因?yàn)槟苁沟诙牧系臐舛葟牟考砻骐S距離而逐漸改變。作為結(jié)果，在兩種材料之間沒有簡單劃定的邊界，其防止了第二材料層在加工條件下從第一材料剪切掉。與在由第一材料制造的部件的表面上形成單獨(dú)的涂膜或?qū)硬煌?，該部件的表面結(jié)構(gòu)可以使用在此所述的工藝而改變。因而，所制造的部件不會(huì)載持單獨(dú)的第二材料的涂膜，但是可以使第二材料擴(kuò)散進(jìn)入第一材料的表面。根據(jù)本發(fā)明，提供一種催化裂化裝置管，其由第一材料制成、且具備至少一個(gè)具有改變了的表面結(jié)構(gòu)的表面，該改變了的表面結(jié)構(gòu)是第二材料擴(kuò)散進(jìn)入第一材料的結(jié)果。使第二材料能擴(kuò)散進(jìn)入第一材料從而形成催化裂化裝置管是有益的，因?yàn)樗苁沟诙牧系臐舛葟墓艿谋砻骐S距離而逐漸改變。作為結(jié)果，在兩種材料之間不存在簡單劃定的邊界，其防止了第二材料層在加工條件下從第一材料剪切掉。催化裂化裝置管可以通過熱等靜壓壓制工藝來制成。對(duì)第一和第二材料一起進(jìn)行熱等靜壓壓制加工，使得由提供在熱等靜壓壓制加工發(fā)生的容器內(nèi)的成型器的形狀決定該管的內(nèi)部形狀。作為結(jié)果，不需要之后的工藝步驟來提供第二材料，也不會(huì)導(dǎo)致管的形狀變化。該熱等靜壓壓制工藝提供了一種最終形狀或近終形部件，因此，該工藝能容易地形成所要求的約+/-0. 5mm的精度內(nèi)的催化裂化裝置管。該催化裂化裝置管可以具有螺旋漸開線。該螺旋漸開線的提供增加了表面積并增加了湍流，因而促進(jìn)催化劑和反應(yīng)物在管內(nèi)的混合。第二材料可以包括硼。已知硼化鐵(feiro-boride)抵抗鋼的碳化。然而，硼化鐵也是非常不穩(wěn)定的，因此其不能以這種形式引入。因此，第二材料可包括硼和至少一種穩(wěn)定劑。在熱等靜壓壓制加工過程中，硼將擴(kuò)散進(jìn)入鋼中并且與鋼中的一些鐵形成硼化鐵。第二材料可以包括鋁，且第一材料可以是鐵材料。在熱等靜壓壓制加工過程中，鋁會(huì)與鐵反應(yīng)，形成強(qiáng)烈抵抗碳化的招化鐵(ferro-aluminide)。此外，根據(jù)本發(fā)明，提供一種在井下動(dòng)力鉆具和螺桿泵中使用的分段部件(segment)，該分段部件由第一材料制成、且具備至少一個(gè)具有改變了的表面結(jié)構(gòu)的表面，該改變了的表面結(jié)構(gòu)是第二材料擴(kuò)散進(jìn)入第一材料的結(jié)果。用于井下動(dòng)力鉆具和螺桿泵的該分段部件可以由熱等靜壓壓制工藝制成。井下動(dòng)力鉆具或螺桿泵需要成形為+/-20 μ m(微米)的精度，其適合于熱等靜壓壓制工藝。無論該分段部件是要用于井下動(dòng)力鉆具還是螺桿泵，其都可具有凸?fàn)畹膱A頂端和凹狀的圓頂端。該分段部件的凸?fàn)畹膱A頂端和凹狀的圓頂端具有相同半徑，使得當(dāng)兩個(gè)分段部件彼此相鄰時(shí)，第一個(gè)分段部件的凸?fàn)畹膱A頂端與第二個(gè)分段部件的凹狀的圓頂端對(duì)接。這樣就會(huì)有一個(gè)相當(dāng)大的表面接觸面積。這些分段部件的圓頂端也能使分段部件彼此相對(duì)旋轉(zhuǎn)從而作為整體為井下動(dòng)力鉆具或螺桿泵提供比較小的曲率半徑。該分段部件在接近凸?fàn)畹膱A頂端處可以具有凸緣。該凸緣可具有比該分段部件本體半徑大Imm的范圍內(nèi)的半徑。在接近凹狀的圓頂端處也可以具有凸緣。在凸緣和各自的端面之間可以具有短的肩部，其設(shè)置用來確保當(dāng)這些分段部件彼此相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓頂端的邊緣不會(huì)碰撞外殼。每個(gè)分段部件的內(nèi)部可以具有螺旋漸開線來促進(jìn)泥漿流過該動(dòng)力鉆具或流體流過螺旋泵。多個(gè)分段部件可以相鄰設(shè)置并包含在一個(gè)外殼內(nèi)。該外殼可以在20m長的范圍內(nèi)并且每個(gè)分段部件可以在Im長的范圍內(nèi)。在外殼內(nèi)提供多個(gè)分段部件可以實(shí)現(xiàn)維護(hù)的模塊化方法，其中，在任何給定的維護(hù)周期內(nèi)，僅顯示出磨損跡象的分段部件需要被替換。這與現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)有著明顯區(qū)別，在現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)下，井下動(dòng)力鉆具是由較少數(shù)量的構(gòu)件，例如由5個(gè)構(gòu)件焊接在一起而形成。由于根據(jù)本發(fā)明在相鄰的分段部件之間沒有焊接，未損壞的分段部件可以被再次放入外外殼。在使用中，每個(gè)分段部件的凸緣都與外殼的內(nèi)表面面接。這確保了分段部件本體不與外殼接觸，因?yàn)檫@會(huì)由于外殼的彎曲而導(dǎo)致相當(dāng)大的壓縮和拉伸力。外殼可以是鋼的，例如`US 4140合金鋼或EN24，并且該分段部件可以是鎳基合金例如Sagitite⑧。根據(jù)鋼的等級(jí),鋼的熱膨脹系數(shù)為11. 5-13X 10'相反，Sagitite 的熱膨脹系數(shù)為9X 10_6，因此可通過在某一溫度下將多個(gè)分段部件放入鋼外殼中來構(gòu)建井下動(dòng)力鉆具，以端蓋封閉該外殼，然后讓該井下動(dòng)力鉆具冷卻。作為熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的結(jié)果，鋼會(huì)進(jìn)一步收縮并安全地將這些部件密封在外殼內(nèi)。此外，根據(jù)本發(fā)明，提供航空器的起落架支架，該支架由第一材料制成、且具備至少一個(gè)具有改變了的表面結(jié)構(gòu)的表面，該改變了的表面結(jié)構(gòu)是第二材料擴(kuò)散進(jìn)入第一材料的結(jié)果。航空器的起落架支架在壓縮狀態(tài)需要高的剛性。該第一材料可以是鈦合金，第二材料可以是二硼化鈦。鈦合金可以是TiAl6V4。不能對(duì)鈦進(jìn)行熱處理來賦予剛性，因?yàn)殁佋诟邷叵聲?huì)強(qiáng)烈吸收其他化合物。二硼化鈦擴(kuò)散穿過表面的上部3_，在那里形成了復(fù)雜的金屬間相網(wǎng)狀組織。起落架支架可以通過熱等靜壓壓制工藝制成。在熱等靜壓壓制過程之后，可將外表面等溫鍛造以便提供最終的外表面。此外，根據(jù)本發(fā)明，提供在擠壓機(jī)中使用的模具，該模具由第一材料制造、且具備至少一個(gè)具有改變了的表面結(jié)構(gòu)的表面，該改變了的表面結(jié)構(gòu)是第二材料擴(kuò)散進(jìn)入第一材料的結(jié)果。
第一材料可以是中強(qiáng)度合金，例如鋼。這有助于整體上減少模具的重量和成本。第二材料可以是非常硬的合金，其可以承受擠壓過程的壓力。該模具可以由熱等靜壓壓制工藝制造，使用一系列同心填充物以提供第一、第二、和可能的第三、甚至第四材料層?？梢蕴峁┏尚纹鱽泶_保模具在熱等靜壓壓制過程中制成最終形狀?？蛇x擇地，如果當(dāng)熱等靜壓壓制過程已完成時(shí)該模具不是最終形狀，那么可以隨后機(jī)加工通孔來完成其形狀。此外，根據(jù)本發(fā)明，提供制造部件的方法，該方法包括以下步驟制造對(duì)應(yīng)于待成形的部件的內(nèi)部尺寸的成型器；在該成型器的至少一個(gè)表面上提供第二材料層；將該成型器在容器中定位并用第一材料填充該容器；對(duì)該容器進(jìn)行熱等靜壓壓制，使得第二材料擴(kuò)散進(jìn)入第一材料。提供特別傾向于擴(kuò)散進(jìn)入第一材料的第二材料在熱等靜壓壓制工藝中表現(xiàn)出示范性的變化。通常地，既然提供第二材料，就會(huì)特別阻止擴(kuò)散進(jìn)入待成形的部件中。第一和/或第二材料可以是金屬粉末?？蛇x擇地，第二材料可以是特定的陶瓷，例如為鋼制部件提供耐磨表面。例如，鋯不能擴(kuò)散進(jìn)入鋼，但是鎳可以擴(kuò)散進(jìn)入鋼。因此，除了氧化鋯之外，通過將鎳引入第二材料可以在鋼制部件上提供鉿(affnium)穩(wěn)定氧化鋯表面。關(guān)于給定的部件，與目前的作法相比，提供第二材料會(huì)改變第一材料的選擇。第二材料擴(kuò)散進(jìn)入第一材料意味著部件的性能不再僅由制造該部件整體的材料所決定。作為結(jié)果，可以選擇更經(jīng)濟(jì)的材料作為第一材料，條件是在第一材料和第二材料之間原位形成的表面層提供部件作為整體所需要的表面性能。在熱等靜壓壓 制過程結(jié)束后將成型器從部件移除。該成型器可以是碳制的或鋼制的。碳比較容易加工和移除。此外，它相對(duì)穩(wěn)定和容易預(yù)測(cè)。因此碳適用于鋼制部件?？墒牵紩?huì)擴(kuò)散到鈦制部件中，因此對(duì)于鈦制部件來說，可以使用鋼制成型器。鋼和鈦之間的熱膨脹系數(shù)的差異意味著一旦容器封閉部件并且成型器已被冷卻，鋼制成型器容易從鈦制部件脫離。第二材料可以包括氮化硼和鉻。第二材料可以被熱噴涂、等離子噴涂、水性噴涂到成型器上或通過氣相沉積而沉積到成型器上。第一材料可以是鎳合金例如Sigitite⑧。鉻和碳可以擴(kuò)散進(jìn)入低合金的第一材料中以在部件表面附近提供比部件芯部高的體積百分比的Cr23C6。在那里將會(huì)生成Cr23C6從而產(chǎn)生提高成品部件的耐磨性和表面硬度的銷釘結(jié)構(gòu)(pin structure)。第二材料可以包括鎳，且第一材料可以包括鋁。在熱等靜壓壓制過程中，鎳與鋁發(fā)生反應(yīng)生成鎳鋁合金。這特別適用于例如活塞的應(yīng)用，在這樣的應(yīng)用中，鎳改善了鋁制部件的表面性能。第二粉末擴(kuò)散通過部件頂面1000 μ m到2000 μ m (即l_2mm)。第二粉末可以有多個(gè)組分部分，其可以均勻地或者以分層的方式施加。第二粉末的每個(gè)組分部分都可以根據(jù)其自身材料性質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入第一粉末中。第二粉末的各組分部分可以彼此發(fā)生反應(yīng)，也可以與第一粉末發(fā)生反應(yīng)以生成在熱等靜壓壓制過程之前不會(huì)獨(dú)立存在的物質(zhì)。制造部件的方法的熱等靜壓壓制步驟可以包括以下步驟將溫度升高到預(yù)定值，在該預(yù)定值保溫以釋放該粉末的應(yīng)力。溫度可以保持1. 5小時(shí)，盡管其可以保持I小時(shí)這樣短，或直至4小時(shí)。該時(shí)間可以根據(jù)被制造的部件所需的晶粒成長的程度來選擇。例如，在鐵或鋁基材料中，如果該容器長時(shí)間保持在某一溫度，晶粒就會(huì)過度成長。溫度的預(yù)定值設(shè)定為與容器相適應(yīng)，該容器例如由焊接的鋼制成，因此在720°C是塑性的，能夠使容器的整個(gè)應(yīng)力得以釋放。本發(fā)明將結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述，該附圖僅以實(shí)例的方式提供。


圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的催化裂化裝置管；圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的包括多個(gè)分段部件的井下動(dòng)力鉆具或螺桿泵；圖3a顯示了根據(jù)本發(fā)明的航空器起落架支架；圖3b顯示了根據(jù)本發(fā)明的用于擠壓的模具；圖4顯示了使用根據(jù)本發(fā)明的方法制造如圖1-3所示的部件所需的組成部分的部件分解圖；圖5顯示在熱等靜壓壓制過程中溫度和壓力的曲線圖；圖6A和6B是在熱等靜壓壓制過程之前和之后的通過材料的橫截面的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的催化裂化裝置管10。該管10的長度L為2m，其直徑D在125mm到160mm之間。在使用時(shí)，一套5個(gè)管10被連接在一起以提供IOm的總工藝長度。管10是圓筒形的，其具有外表面12和內(nèi)部幾何形狀14。該外表面12是基本光滑的以便于管10在催化裂化裝置中與其它管相鄰放置。內(nèi)部幾何形狀14包括一個(gè)中心孔16和一個(gè)螺旋漸開線18。該螺旋漸開線有助于使反應(yīng)物與催化劑混合的湍流，從而產(chǎn)生比在層流或近層流條件下能獲得的裂化更加有效的裂化。圖2顯示了一個(gè)分段的井下動(dòng)力鉆具或螺桿泵20，其具有一個(gè)外殼22和多個(gè)分段部件24。每個(gè)分段部件24具有一個(gè)主體25、凹狀的圓頂端26和凸?fàn)畹膱A頂端27。與圓頂端26、27相鄰的是一對(duì)凸緣28、29。分段部件24的長度為lm，半徑為120mm。在附圖中沒有顯示的替換實(shí)施例中，長度是1. 5m，直徑為200mm。提供圓頂端26、27能使這些分段部件彼此相對(duì)移動(dòng)。在圖示實(shí)施例中，曲率半徑明顯比分段部件24的直徑大。盡管這限制了相鄰分段部件之間的移動(dòng)范圍，其也控制了施加在外殼22上的壓力。由鋼制成的外殼22具有內(nèi)部半徑，其與分段部件24的凸緣28、29的外部半徑幾乎一致。圓頂形端部26、27形成的部件的圓的直徑由完成的井下動(dòng)力鉆具或螺桿泵的最大彎曲半徑?jīng)Q定，其典型的是100英尺為lm。可以減小該直徑來提供更急的彎曲，但是半徑越小，外殼上的應(yīng)力越大。主體25的直徑比凸緣28、29的直徑小1mm，使得凸緣與外殼22接觸，而主體25保持不接觸以避免如果主體25被制成沿著其長度方向與主體25接觸的尺寸其將經(jīng)受的相當(dāng)大的拉伸和壓縮應(yīng)力。凸緣28、29設(shè)置為距離圓頂端26、27至少Imm距離，使得當(dāng)分段部件24在外殼22內(nèi)彼此相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)圓頂端的邊緣不會(huì)碰撞外殼22。
螺旋漸開線(未示出)貫穿分段部件24的中心。漸開線具有5個(gè)凹槽，盡管其可以具有多達(dá)9或11個(gè)更多的凹槽。可選擇地，其可以具有更少的凹槽。穿過每個(gè)凹槽的路徑的直徑在15到25mm范圍內(nèi)，大體上，該直徑至少部分地由凹槽的數(shù)量和部件24的直徑確定。圖3a顯示了航空器起落架支架30，其具有一個(gè)環(huán)形的腳部32和一個(gè)伸長的腿部
34。支架30是由鈦制造的。在腳部32的中心具有一個(gè)開口 36，在使用中一個(gè)軸承通過該開口。腳部32的內(nèi)表面38受到來自第二材料的擴(kuò)散，其能夠改變支架30的表面結(jié)構(gòu)，弓丨入復(fù)雜的金屬間相網(wǎng)狀組織，其導(dǎo)致該表面比未被如此處理的支架顯著地更加耐磨損。圖3b顯示了在擠壓工藝中使用的模具31的實(shí)例。該模具31包括外部塊狀體33，其被成型表面35所切穿。該表面35的形狀與待從模具中擠壓出的產(chǎn)品要求的形狀一致。表面35主要由第二材料制造，其對(duì)于與擠壓相關(guān)的應(yīng)力更加有彈性。外部塊狀體33的整體由較輕的合金制造。外部塊狀體35包括通孔37。圖4顯示了使用根據(jù)本發(fā)明的方法制造部件如催化裂化裝置管10或用于分段的井下動(dòng)力鉆具20的分段部件24或航空器起落架支架30的步驟。在第一步中，制造出容器42和成型器44。容器42構(gòu)造為具有一個(gè)內(nèi)表面46，其可與待成型的部件要求的外表面對(duì)應(yīng)，或者至少具有待成型的部件的最大尺寸。成型器44的形狀對(duì)應(yīng)于該部件的內(nèi)部幾何形狀。例如，在上述參照?qǐng)D1說明的催化裂化裝置管的情況下，或者在上述參照?qǐng)D2說明的用于分段的井下動(dòng)力鉆具20的分段部件24的情況下，成型器44將被成型為螺旋漸開線。當(dāng)部件是鋼的時(shí)，該成型器44典型是碳制的，因?yàn)樘荚跓岬褥o壓壓制條件下比較穩(wěn)定和可預(yù)測(cè)。在接下來的涂覆步驟中，對(duì)容器的內(nèi)表面46或成型器44涂覆一層或多層涂層。成型器44用氮化硼涂覆，其通常用于熱等靜壓壓制工藝中，用來防止來自成型器44的碳在熱等靜壓壓制過程中遷移進(jìn)入正在成型的部件中。此外，成型器44涂覆有一層或更多層用來擴(kuò)散進(jìn)入被成型部件表面層中的材料。這些層或涂層48可以作為糊、凝膠來提供，隔離在提供于有機(jī)粘結(jié)劑中的帶子上。然后在熱等靜壓壓制步驟之前，有機(jī)粘結(jié)劑被去除。涂層48可以提供在整個(gè)成型器44上或者只提供在成型器44的一部分上。這使得不同的表面具有不同的表面性質(zhì)。這確保了昂貴的化合物僅在需要它們的地方引入，而不是提供在部件的整個(gè)表面上?？梢栽诔尚推?4上提供多個(gè)材料層。例如可提供兩層、三層、四層、五層、六層、八層、十二層或甚至三十二層。在提供多個(gè)層的場合，這些層的順序根據(jù)優(yōu)選的擴(kuò)散程度來選擇，因?yàn)橛行訒?huì)在熱等靜壓壓制過程中阻止其它層的成分?jǐn)U散進(jìn)入部件中。作為替代，不提供分離的第二材料層，在一個(gè)未在附圖中示出的替代實(shí)施例中，可在單一均質(zhì)的涂層中提供多種成分，不同成分的擴(kuò)散性質(zhì)方面的差異能使不同成分以不同量擴(kuò)散通過第一材料。根據(jù)均質(zhì)涂層中的成分選擇，一種或多種成分會(huì)擴(kuò)散通過第一材料而不與第一材料發(fā)生反應(yīng)。其它的會(huì)在原位形成新的物質(zhì)，那些新物質(zhì)形成與引入涂層的成分的擴(kuò)散性質(zhì)相關(guān)的濃度梯度。如果待成型部件的外表面需要通過將其它材料擴(kuò)散進(jìn)入熱等靜壓壓制過程中來改變其形態(tài)，并且如果容器被構(gòu)造為與待成型部件的外部構(gòu)型非常一致，那么這些材料被提供在容器42的內(nèi)表面46上。由于容器42不是碳質(zhì)的，故不需要氮化硼層來防止碳遷移進(jìn)入待成型部件。此外，用于容器42的內(nèi)表面46上的涂層48可以與提供在成型器44上的涂層不同。一旦容器42和成型44具有了涂層，將成型器44放置在容器42內(nèi)，并且用成型部件的主材料粉末49填充容器42。然后將容器42封閉進(jìn)行熱等靜壓壓制，以使涂層48擴(kuò)散進(jìn)入成型部件的表面層中。根據(jù)涂層48中的物質(zhì)不同，表面層可以延伸至2mm。涂層48中的物質(zhì)可以在部件內(nèi)移動(dòng)并且可以保持化學(xué)性質(zhì)相同。即使在涂層48中的物質(zhì)與粉末49在表面區(qū)域中反應(yīng)生成不同的合金，該合金的濃度隨著距成型器44的距離而改變的情形中，這種技術(shù)也是最有效的。一旦容器的壓力降低并且恢復(fù)到環(huán)境溫度，從容器42移除部件并且從該部件移除成型器44。如果成型器44是碳質(zhì)的，那么可以進(jìn)行機(jī)加工除去。如果成型器是鋼的并且部件的主要成分是鈦，那么成型器44通常隨著容器恢復(fù)到環(huán)境溫度和壓力的時(shí)間而松弛。如果成型器44是銅的，那么其可以從最終部件電解蝕刻掉。如果容器42沒有被構(gòu)造為與最終部件的形狀非常一致，那么在成型器被移除后，可對(duì)該部件進(jìn)一步處理。例如，如果部件是鈦的將被等溫鍛造，如果是鋼的則被車削。在熱等靜壓壓制工藝中的加熱和冷卻制度被設(shè)計(jì)為使得應(yīng)力從成型的部件的釋放最大化以及使得涂層48擴(kuò)散進(jìn)入部件表面層。圖5給出了溫度(實(shí)線)和壓力(虛線)的示意圖。開始時(shí)，溫度和壓力以大約10°C /分鐘的升溫速度上升，直到溫度到達(dá)保溫溫度。在保溫點(diǎn)將溫度保持I個(gè)小時(shí)使得應(yīng)力得以釋放。對(duì)于焊接的鋼容器來說，該保溫溫度在720°C范圍內(nèi)。 一旦應(yīng)力釋放步驟完成，溫度和壓力增加到80 %固相線的范圍內(nèi)。對(duì)于鎳來說，這發(fā)生在ΙΟΟΟ ，對(duì)于鋼來說，這發(fā)生在1090°c，且在該溫度和壓力下進(jìn)行熱等靜壓壓制。熱等靜壓壓制過程的持續(xù)時(shí)間由被成型部件的截面厚度和被成型部件所用粉末的晶粒尺寸決定。 當(dāng)熱等靜壓壓制過程完成后，溫度以3-10°C /分鐘的降溫速度下降，直到溫度降低到第二預(yù)定值。溫度在該第二預(yù)定值保持I小時(shí)。該溫度由部件的主要材料決定。例如，對(duì)于鎳合金來說，該溫度典型地在750-720°C之間，雖然其可以高達(dá)800°C，或者對(duì)于高鉻鋼來說，該溫度可以低至540°C。通過將溫度保持在該第二預(yù)定值，提供的表面層將擴(kuò)散通過部件。在該保持步驟期間在部件內(nèi)發(fā)生相變。在擴(kuò)散保持完成之后，溫度可以降低。降溫是緩慢進(jìn)行的，以不超過3°C /分鐘的速度進(jìn)行，以便能夠使部件向成型器釋放應(yīng)力。這樣，成品部件中的應(yīng)力被最小化。在冷卻過程中，溫度被保持在第一預(yù)定值以使得應(yīng)力從成品部件向容器和成型器中釋放。隨后一起降低溫度和壓力直到它們到達(dá)環(huán)境狀態(tài)。圖6A和6B分別示意地示出了在熱等靜壓壓制過程之前和之后的涂層48的分布。
權(quán)利要求
1.一種用于制造部件的方法，該方法包括以下步驟制備對(duì)應(yīng)于待成型部件的內(nèi)部尺寸的成型器；在成型器的至少一個(gè)表面上提供第二材料的層；將成型器放置在容器中并用第一材料填充該容器；對(duì)該容器進(jìn)行熱等靜壓壓制，從而使第二材料擴(kuò)散進(jìn)入第一材料中。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中在熱等靜壓過程完成之后從部件移除成型器。
3.權(quán)利要求1或2所述的方法，其中第一和/或第二材料是金屬粉末。
4.權(quán)利要求1或2所述的方法，其中第二材料是陶瓷。
5.權(quán)利要求1或2所述的方法，其中第二材料包括氮化硼和鉻。
6.上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中第二材料可以被熱噴涂、離子噴涂、水噴涂到成型器上或通過氣相沉積而沉積到成型器上。
7.上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中第一材料是鎳合金例如Sagitit. .。
8.權(quán)利要求1或2所述的方法，其中第二材料包括鎳，且第一材料包括鋁。
9.上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中第二粉末擴(kuò)散通過部件頂面1OOOym至`2000 μ m (即1-2mm)。
10.上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中第二粉末具有均勻施加的多種成分部分。
11.權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的方法，其中第二粉末具有以分層方式施加的多種成分部分。
12.上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中制造部件的方法中的熱等靜壓壓制步驟包括以下步驟將溫度升高到預(yù)定值，之后在該預(yù)定值保溫以便釋放粉末的應(yīng)力。
13.由第一材料制造、且具備至少一個(gè)具有改變了的表面結(jié)構(gòu)的表面的部件，該改變了的表面結(jié)構(gòu)是第二材料擴(kuò)散進(jìn)入第一材料的結(jié)果，其中該部件由金屬或金屬合金制造。
14.權(quán)利要求13所述的部件，其中該部件是由第一材料制造、且具備至少一個(gè)具有改變了的表面結(jié)構(gòu)的表面的催化裂化裝置管，該改變了的表面結(jié)構(gòu)是第二材料擴(kuò)散進(jìn)入第一材料的結(jié)果。
15.權(quán)利要求14所述的催化裂化裝置管，其中該管由熱等靜壓壓制工藝制成。
16.權(quán)利要求14或15所述的催化裂化裝置管，其還包括螺旋漸開線。
17.權(quán)利要求14至16任一項(xiàng)所述的催化裂化裝置管，其中第二材料包括硼。
18.權(quán)利要求14至16任一項(xiàng)所述的催化裂化裝置管，其中第二材料包括鋁，且第一材料是鐵材料。
19.權(quán)利要求13所述的部件，其中該部件是用于井下動(dòng)力鉆具的分段部件，該分段部件由第一材料制造、且具備至少一個(gè)具有改變了的表面結(jié)構(gòu)的表面，該改變了的表面結(jié)構(gòu)是第二材料擴(kuò)散進(jìn)入第一材料的結(jié)果。
20.權(quán)利要求19所述的分段部件，其中該分段部件由熱等靜壓壓制工藝制成。
21.權(quán)利要求19或20所述的分段部件，其中該分段部件具有凸?fàn)畹膱A頂端和凹狀的圓頂端。
22.權(quán)利要求21所述的分段部件，其還包括本體和與凸?fàn)畹膱A頂端相鄰的凸緣。
23.權(quán)利要求22所述的分段部件，其中該凸緣的半徑比本體的半徑大1mm。
24.權(quán)利要求22或23所述的分段部件，其還包括與凹狀的圓頂端相鄰的凸緣。
25.權(quán)利要求19至24任一項(xiàng)所述的分段部件，其還包括螺旋漸開線。
26.包括外殼的井下動(dòng)力鉆具,該外殼包含多個(gè)如權(quán)利要求19至25任一項(xiàng)所述的分段部件。
27.包括外殼的螺桿泵，該外殼包含多個(gè)如權(quán)利要求19至25任一項(xiàng)所述的分段部件。
28.權(quán)利要求26所述的井下動(dòng)力鉆具或權(quán)利要求27所述的螺桿泵，其中所述外殼是鋼的，且所述分段部件是鎳基合金。
29.制造權(quán)利要求26至28任一項(xiàng)所述的井下動(dòng)力鉆具或螺桿泵的方法，該方法包括以下步驟在一定的溫度下將多個(gè)分段部件放入鋼制外殼中，用端蓋封閉該外殼，并使該井下動(dòng)力鉆具或螺桿泵冷卻。
30.權(quán)利要求13所述的部件，其中該部件是航空器的起落架支架，該支架由第一材料制造、且具備至少一個(gè)具有改變了的表面結(jié)構(gòu)的表面，該改變了的表面結(jié)構(gòu)是第二材料擴(kuò)散進(jìn)入第一材料的結(jié)果。
31.權(quán)利要求30所述的起落架支架，其中第一材料是鈦合金，且第二材料是二硼化鈦。
32.權(quán)利要求31所述的起落架支架，其中鈦合金是TiAl6V4。
33.權(quán)利要求30至32任一項(xiàng)所述的起落架支架，其中該支架由熱等靜壓壓制工藝制造。
34.權(quán)利要求13所述的部件，其中該部件是在擠壓機(jī)中使用的模具，該模具由第一材料制造、且具備至少一個(gè)具有改變了的表面結(jié)構(gòu)的表面，該改變了的表面結(jié)構(gòu)是第二材料擴(kuò)散進(jìn)入第一材料的結(jié)果。
全文摘要
提供一種用于制造部件的方法，該方法包括以下步驟制備對(duì)應(yīng)于待成型部件的內(nèi)部尺寸的成型器；在成型器的至少一個(gè)表面上提供第二材料的層；將成型器放置在容器中并用第一材料填充該容器；對(duì)該容器進(jìn)行熱等靜壓壓制，使得第二材料擴(kuò)散進(jìn)入第一材料中。
文檔編號(hào)B22F3/24GK103068505SQ201080059018
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者G·F·阿舍爾 申請(qǐng)人:高級(jí)交互材料科學(xué)有限公司