專利名稱：生產(chǎn)功能梯度元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生產(chǎn)功能梯度元件的方法，該功能梯度元件尤其是由諸如金屬的兩種或更多種材料形成的元件，特別是由基于鋁-硅(Al-Si)系的兩種或更多種鋁合金或者諸如Cu-Sn或Fe-C的其它二元或多元合金形成的元件。
背景技術(shù)：
在工程設(shè)計(jì)方面對(duì)于以經(jīng)濟(jì)方式生產(chǎn)的重量輕而耐磨的部件存在很大的需求。典型地，耐磨材料通常是易碎的，因此，如果用在動(dòng)態(tài)加載的移動(dòng)部件(例如發(fā)動(dòng)機(jī))中，則存在斷裂的危險(xiǎn)。克服該問(wèn)題的一種方法是將硬磨損外涂層施加于韌性和塑性芯部上，例如金屬芯部上的陶瓷涂層。提供這種耐磨表面涂層的常規(guī)手段基于等離子體，如物理汽相沉積(PVD)、化學(xué)汽相沉積(CVD)等，因此需要昂貴的設(shè)備，同時(shí)僅僅沉積非常薄的涂層，通常為微米級(jí)的涂層，其在使用時(shí)將迅速磨損。另外，在涂敷的基底中，由于涂層與基底之間的熱膨脹系數(shù)的不匹配，當(dāng)元件承受加熱或冷卻時(shí)，可產(chǎn)生很大的應(yīng)力。這可導(dǎo)致涂層剝落以及基底-涂層界面的分層。
另一種輕而耐磨的材料為金屬基復(fù)合材料(MMC)。這是一種在金屬基體中結(jié)合有增強(qiáng)陶瓷顆粒、例如碳化硅(SiC)顆粒的材料。但是，確保這些顆粒與通常為鋁的金屬基體之間的適當(dāng)粘合(潤(rùn)濕)是存在問(wèn)題的。另外，當(dāng)這些材料為了澆鑄而被熔化時(shí)，陶瓷顆粒傾向于聚集或沉積于元件的底部。
多孔性為由此處理的材料的一種特性，并且很難避免。原材料也相對(duì)昂貴。
噴射鑄造為另一種方法，利用該方法，可以在過(guò)共晶Al-Si合金中形成精細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)。這種工藝包括通過(guò)惰性氣體使熔融金屬流霧化并且將其沉積到移動(dòng)基底上，從而使得這種工藝相對(duì)昂貴，并且不能將元件生產(chǎn)為接近實(shí)際形狀-只能生產(chǎn)出初步形狀，這需要隨后的加工處理，以形成有用的元件。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種生產(chǎn)功能梯度元件的新方法，所述元件包括至少一個(gè)由具有一定物理特性的第一材料構(gòu)成的外層以及由具有不同物理特性的第二材料構(gòu)成的內(nèi)芯，其中第一和第二材料之間的顯微結(jié)構(gòu)(顯微組織)逐漸變化。
因此，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)功能梯度元件的方法，該方法包括將處于熔融狀態(tài)的第一材料引入到模具中；容許第一材料層在模具的壁上至少部分地凝固(或固化)；倒出(decanting)第一材料的殘余熔融部分；以及將處于熔融狀態(tài)的第二材料引入到模具中。
優(yōu)選地，所述方法包括至少在還原性氣氛中進(jìn)行該倒出步驟。
優(yōu)選地，所述方法包括在倒出第一材料之后以足夠短的時(shí)間間隔將第二材料引入到模具中，以基本防止第一材料層的氧化。
優(yōu)選地，所述方法包括在引入第一材料之前改變模具的壁上的一個(gè)或多個(gè)位置處的溫度，以在所述一個(gè)或多個(gè)位置處獲得所需厚度的第一材料層。
優(yōu)選地，所述方法包括在壓力下將第一材料引入到模具中。
優(yōu)選地，所述方法包括在第一材料引入之前預(yù)加熱模具的步驟。
優(yōu)選地，所述方法包括在壓力下將第二材料保持在模具內(nèi)，直到第二材料已經(jīng)基本凝固。
優(yōu)選地，所述方法包括容許第二材料層在第一材料層上至少部分地凝固；倒出第二材料的殘余熔融部分；以及將處于熔融狀態(tài)的第三材料引入到模具中。
這里使用的術(shù)語(yǔ)“功能梯度元件”用于指這樣一種元件，其具有由第一材料構(gòu)成的外層和由第二材料構(gòu)成的內(nèi)芯，并且在兩種材料之間的界面處顯微結(jié)構(gòu)逐漸變化。
這里使用的術(shù)語(yǔ)“熔融狀態(tài)”用于指材料、例如金屬的這樣一種狀態(tài)，其通常通過(guò)將材料加熱到一定溫度或一定溫度范圍內(nèi)而獲得，并且其容許材料在重力的影響下或額外輔助作用下例如流入或流出模具或類似物，以順應(yīng)模具的形狀。
這里使用的術(shù)語(yǔ)“元件”用于指準(zhǔn)備用于預(yù)定應(yīng)用中的完成或基本完成的最終產(chǎn)品，此外還指這樣的產(chǎn)品，其在被認(rèn)為是成品或準(zhǔn)備用于特定應(yīng)用之前需要一個(gè)或多個(gè)隨后的加工或處理步驟。


現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明，其中圖1示出了用于實(shí)施本發(fā)明的方法的第一實(shí)施例的裝置的透視圖；圖2示出了用于實(shí)施本發(fā)明的方法的第二實(shí)施例的裝置的側(cè)剖視圖；圖3示出了用于實(shí)施本發(fā)明的方法的第三實(shí)施例的裝置的側(cè)剖視圖；圖4示出了圖3中的裝置的坩堝形成部分的側(cè)剖視圖；圖5示出了適用于圖4中所示的坩堝的蓋子的透視圖；圖6示出了圖3中所示裝置的側(cè)剖視圖，其具有位于其中的金屬A和金屬B；圖7示出了可與圖3中所示裝置一起使用的閥塊的透視圖；圖8示出了用于實(shí)施本發(fā)明的方法的第四實(shí)施例的裝置的剖開(kāi)透視圖；以及圖9示出了圖8中的裝置的側(cè)剖視圖，其中模具處于降低位置。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照附圖中的圖1，其示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的裝置，其總體上被標(biāo)示為10，以用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)功能梯度元件的方法。在以下的整個(gè)說(shuō)明書(shū)中，主要參照基于鋁-硅(Al-Si)系的合金、特別是過(guò)共晶和亞共晶Al-Si合金的使用來(lái)描述本發(fā)明的方法。然而，本發(fā)明的方法決不局限這些合金或其它金屬合金的使用，并且可以與能夠轉(zhuǎn)變成適于鑄造的熔融狀態(tài)的任何材料、例如熱塑性塑料或類似物一起使用。過(guò)共晶和亞共晶Al-Si合金的選擇僅僅反映了其在大量工業(yè)如汽車、航空和機(jī)器人工業(yè)中的輕質(zhì)和耐磨元件的制造中的主導(dǎo)地位。
過(guò)共晶合金具有共晶基體中的硅針的顯微結(jié)構(gòu)，并且堅(jiān)硬，但如果是整塊的，則易碎。亞共晶合金具有由兩相共晶基體所包圍的純鋁相的顯微結(jié)構(gòu)。這些合金通常是韌性和塑性的，并可用作結(jié)構(gòu)材料。如下文詳細(xì)描述，本發(fā)明的方法能夠生產(chǎn)具有過(guò)共晶組分和顯微結(jié)構(gòu)的表面但具有亞共晶組分的中央芯部且在兩種材料之間顯微結(jié)構(gòu)逐漸變化的元件。這樣便給出了耐磨表面但韌性的芯部，其為機(jī)械工程中所用的一些元件的理想特性。
因此，如圖1所示，第一實(shí)施例的裝置10包括固定在可旋轉(zhuǎn)框架F上的大致常規(guī)模具12，從而使得模具12可以如圖所示被豎立地保持，或者被翻轉(zhuǎn)，以從中倒出材料。因此，可以理解，框架F可以具有任何適合的形狀和/或構(gòu)造，其可操作，以翻轉(zhuǎn)模具12。
模具12限定出與將被生產(chǎn)的元件(未示出)的形狀相反的空腔，為說(shuō)明目的，其為簡(jiǎn)單的矩陣塊。過(guò)共晶組分Al-Si合金(以下稱作材料A)被熔化，并被澆注到空腔14內(nèi)。來(lái)自材料A的熱量通過(guò)模具12被提取，并且因此鄰近模具12的材料冷卻并首先凝固。固體外層的厚度隨時(shí)間增長(zhǎng)，直到認(rèn)為其具有適當(dāng)?shù)暮穸?，其中模?2借助框架F翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而倒出殘余的液態(tài)材料A。這樣便沿著模具12的壁留下一層凝固的材料A。該層材料A的厚度根據(jù)所生產(chǎn)的功能梯度元件(未示出)的應(yīng)用以及所述元件進(jìn)行操作的條件而改變。當(dāng)然，其它因素也可影響該層材料A的厚度，例如生產(chǎn)元件的成本。從模具12中倒出的材料A優(yōu)選在適宜的容器(未示出)內(nèi)保持熔融狀態(tài)，以便用于在模具12內(nèi)生產(chǎn)隨后的元件。
隨后，模具12返回到豎立位置，并且亞共晶Al-Si合金(以下稱作材料B)被澆入，以填充空腔14的其余空間。如果在材料A倒出之后的充分短的時(shí)間間隔內(nèi)將材料B澆注到空腔14內(nèi)，則該層材料A沒(méi)有時(shí)間氧化，并因此在材料A的外層和材料B的芯部之間沒(méi)有最終可見(jiàn)的界面。如果在還原性氣氛中實(shí)施該方法，即使在長(zhǎng)時(shí)間暴露的情況下，也不會(huì)發(fā)生這種氧化。
材料A和材料B之間明顯界面的缺乏也由通過(guò)添加熔融材料B使材料A的暴露表面再熔化而引起。液體區(qū)的對(duì)流和混合消除了材料A和材料B之間的陡變的組分梯度。這樣，從材料A到材料B、例如從外部過(guò)共晶層到內(nèi)部亞共晶芯部存在著漸變的組分和顯微結(jié)構(gòu)。結(jié)果是，產(chǎn)生一功能梯度材料(FGM)或元件，其中存在具有一定機(jī)械特性、例如硬而耐磨的外層以及具有不同機(jī)械特性、如較軟但更柔韌和塑性更好的芯部。這種功能梯度元件還對(duì)加熱或冷卻元件時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力不敏感，盡管形成功能梯度元件的兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)可能不同，如下文詳細(xì)描述，從一種材料到另一材料的顯微結(jié)構(gòu)的漸變將上述應(yīng)力的作用降至最小。
特別提及過(guò)共晶和亞共晶Al-Si合金，過(guò)共晶外層容許相對(duì)快地凝固，從而產(chǎn)生精細(xì)的耐磨表面顯微結(jié)構(gòu)。因?yàn)閮?nèi)部液態(tài)過(guò)共晶合金被倒出，不會(huì)在將形成元件的中心處產(chǎn)生大的應(yīng)力，并避免了大且有問(wèn)題的硅針的形成，而且由于中央或芯部合金將為亞共晶合金，上述缺陷也不會(huì)存在于最終元件中。如果整個(gè)元件由過(guò)共晶合金澆鑄，以便獲得硬的耐磨表面，元件的表面將首先并相對(duì)快速地凝固，而內(nèi)部將較緩慢地凝固，從而導(dǎo)致本身易碎的大硅針的形成。由于通過(guò)凝固和收縮所引起的應(yīng)力，鑄件甚至在完全凝固之前便會(huì)開(kāi)裂。即使鑄件沒(méi)有開(kāi)裂，大的內(nèi)部針形硅晶體將提供裂紋擴(kuò)展的路徑，從而使得材料易碎。這些均是可被本發(fā)明的方法所避免的一些問(wèn)題。
此外，由于其具有高硅含量的過(guò)共晶表面，利用本發(fā)明的方法生產(chǎn)的元件具有優(yōu)異的表面熱性能，即提高的高溫強(qiáng)度和較高的絕緣性能。這些性能在磨損情況下為有利的性能，摩擦產(chǎn)生熱，并且產(chǎn)生的高溫不會(huì)軟化材料A是很重要的。此外，從材料A到材料B的組分梯度使材料更耐熱疲勞和其中波動(dòng)或交變應(yīng)力由溫度變化引起的條件。
現(xiàn)在參照附圖中的圖2，其示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的裝置，該裝置被總體標(biāo)示為110，其為實(shí)施本發(fā)明的方法的一示例性裝置。裝置110也包括模具112，其限定出用于在其中鑄造功能梯度元件(未示出)的空腔114。按照常規(guī)翻砂鑄造生產(chǎn)實(shí)踐，模具112由常規(guī)形狀的第一砂箱20形成，砂箱20的內(nèi)部填充有密實(shí)砂子22，以便限定空腔114。當(dāng)然，可以理解，第一砂箱20和相關(guān)的砂子22可由任何其它適合材料、例如具有比將在空腔114內(nèi)澆鑄的材料高的熔點(diǎn)的金屬或陶瓷材料形成的模具(未示出)所替代。
第一砂箱20被安裝在類似的第二砂箱24之上，并填充有密實(shí)的砂子22，以限定出從空腔114底部向下延伸的一對(duì)通道26。該對(duì)通道26延伸到容器28內(nèi)，所述容器28由填充有密實(shí)砂子22的第三砂箱30限定。
每個(gè)砂箱20、24、30設(shè)有一對(duì)相對(duì)設(shè)置的把手32，以便于抬起/放置砂箱。另外，每個(gè)砂箱20、24、30在其角部設(shè)有凸耳34，每個(gè)凸耳34限定出貫通的孔36。因此，當(dāng)砂箱20、24、30彼此疊置時(shí)，相鄰?fù)苟?4的孔36對(duì)齊，并且由此定位銷(未示出)可穿過(guò)，以便彼此相對(duì)地固定砂箱20、24、30。
在使用時(shí)，優(yōu)選由碳或具有適當(dāng)高熔點(diǎn)的任何其它材料形成的一對(duì)桿38向下通過(guò)空腔114插入并進(jìn)入通道26內(nèi)，以便封閉該通道，從而使得熔融材料不能進(jìn)入空腔114并不會(huì)通過(guò)通道26向下排放到容器28內(nèi)。
此外，在描述利用裝置110實(shí)施本發(fā)明的方法的過(guò)程中，將參照優(yōu)選為過(guò)共晶Al-Si合金的材料A和優(yōu)選為亞共晶Al-Si合金的材料B進(jìn)行描述。最初，材料A和材料B例如在適宜的爐子、諸如感應(yīng)爐等內(nèi)被熔化。材料A隨后被澆注到空腔內(nèi)，以便填充空腔。應(yīng)當(dāng)注意，空腔114呈具有例如由不銹鋼或類似物形成的中央型芯40的環(huán)形形狀。因此，裝置110適于生產(chǎn)環(huán)形元件，例如具有由材料A構(gòu)成的內(nèi)表面的套筒(未示出)或類似物。在材料A被容許在空腔114的周邊附近凝固時(shí)，一對(duì)桿38保持在所示位置。當(dāng)材料A的凝固層達(dá)到所需厚度時(shí)，該對(duì)桿38被向上抽出通道26，進(jìn)而容許殘余的熔融材料A向下排入容器28內(nèi)。當(dāng)該對(duì)桿38固定在通道26內(nèi)時(shí)，其被定位成與空腔114的壁遠(yuǎn)離足夠的距離，以便容許形成材料A的凝固層。
一旦已經(jīng)移出桿38，并且熔融材料A已經(jīng)排入容器28內(nèi)，接著圍繞半凝固材料A層將熔融材料B引入空腔114內(nèi)。材料B不會(huì)通過(guò)通道26排出，因?yàn)橛凶銐蝮w積的材料A填充容器28和通道26。桿38可被加熱或由絕緣材料制成，以避免任何金屬在桿38自身上的凝固。
熔融材料B的引入導(dǎo)致材料A和材料B之間的界面的再熔化或重熔，由此在材料A和材料B之間的顯微結(jié)構(gòu)和特性中產(chǎn)生梯度，而非階躍式變化。此外，優(yōu)選的是，該方法在還原性氣氛中進(jìn)行，或至少倒出材料A和澆鑄材料B的步驟在還原性氣氛中進(jìn)行。
因此，裝置110能夠?qū)嵤┍景l(fā)明的方法，以生產(chǎn)功能梯度元件。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3至6，其示出了總體標(biāo)示為210的第三實(shí)施例的裝置，以用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法。同樣，在描述該第三實(shí)施例時(shí)，將參照具有一定機(jī)械特性的材料A和具有不同機(jī)械特性的材料B進(jìn)行描述，其中材料A優(yōu)選為過(guò)共晶Al-Si合金，且材料B優(yōu)選為亞共晶Al-Si合金。
裝置210包括限定出與待澆鑄元件(未示出)的形狀相反的空腔214的模具212。按照常規(guī)砂型鑄造生產(chǎn)實(shí)踐，空腔214主要限定在第一砂箱220內(nèi)，該第一砂箱220填充有密實(shí)砂子222，以便限定出空腔214的形狀。第一砂箱220安裝在第二砂箱224的頂部上，所述第二砂箱224也填充有密實(shí)砂子222并限定空腔214的下部。當(dāng)然，可以理解，整個(gè)空腔214將包含在第一砂箱22內(nèi)。還可以理解，砂箱220、224可被由任何適宜材料形成的任何其它適宜模具(未示出)所替換。一對(duì)通道226從空腔214延伸，以將A和材料B引入和移排出空腔214，這將在下文予以詳細(xì)說(shuō)明。砂箱220、224還優(yōu)選設(shè)有分別用于抬起和放置砂箱的一對(duì)手柄232。
裝置210還包括與第二砂箱224可脫離地接合的坩堝50，所述坩堝50為標(biāo)準(zhǔn)的耐火型坩堝并被分成分別用于接收材料A和材料B的第一腔室52和第二腔室54。圖4中單獨(dú)示出了坩堝50。
裝置210還包括用于坩堝50的蓋56，如圖5中單獨(dú)所示。蓋56的形狀和尺寸被這樣設(shè)計(jì)，以在坩堝和蓋56之間形成壓力緊密密封。為此，蓋56設(shè)有用于接收坩堝50的上端的邊緣58，圍繞該邊緣可以設(shè)有密封劑。
可選地，墊圈(未示出)可以用于蓋56和坩堝50的頂部之間。壓力被施加，以擠壓坩堝50和蓋56之間的墊圈(未示出)，從而形成壓力緊密密封。
可選地，蓋56可由陶瓷纖維材料形成并被壓在坩堝50的頂部上，由此形成壓力緊密密封。
第一進(jìn)料管60和第二進(jìn)料管62通過(guò)蓋56延伸，該第一進(jìn)料管60在使用時(shí)位于第一腔室52內(nèi)，該第二進(jìn)料管62在使用時(shí)位于第二腔室54內(nèi)。第一和第二進(jìn)料管60、62優(yōu)選由石墨或陶瓷材料或其它能夠承受熔融材料A和材料B的熱量的任何其它材料形成。第一和第二進(jìn)料管60、62的尺寸被設(shè)計(jì)，以延伸到臨近坩堝50的底部的位置。
而且，第一泵吸管64和第二泵吸管66通過(guò)蓋56延伸，該第一泵吸管64在使用時(shí)位于第一腔室52內(nèi)，該第二泵吸管66在使用時(shí)位于第二腔室54內(nèi)。第一和第二泵吸管64、66的尺寸被設(shè)計(jì)，以終止于坩堝50的上部中。第一和第二泵吸管64、66還被定位，以鄰近蓋56的周圍離開(kāi)蓋56，從而在第二砂箱224置于蓋56的頂部時(shí)可以接近。
如圖3所示，當(dāng)?shù)诙跋?24安裝在蓋56上時(shí)，每個(gè)通道226與相應(yīng)的一個(gè)第一進(jìn)料管60和第二進(jìn)料管62流體連通。因此，提供一個(gè)從第一容器52進(jìn)入空腔214并且從第二腔室54進(jìn)入空腔214的路徑。第一閥68設(shè)置在第一進(jìn)料管60上方的通道226內(nèi)，其可操作，以容許或阻止材料A在第一腔室52和空腔214之間流動(dòng)，而第二閥70位于第二進(jìn)料管62上方的通道226內(nèi)，第二閥70可操作，以容許或阻止材料B在第二腔室54和空腔214之間流動(dòng)。第一和第二閥68、70可以呈任何適合形式，只好其能夠承受裝置210在使用過(guò)程中所經(jīng)受的溫度。
因此，特別參照?qǐng)D6，在使用時(shí)，一定量的材料A位于第一腔室52內(nèi)，并且一定量的材料B位于第二腔室54內(nèi)。蓋56隨后密封在坩堝50上，并且砂箱220、224如圖所示安裝于其上。一對(duì)閥68、70開(kāi)始處于關(guān)閉位置。如果尚未這樣做，優(yōu)選通過(guò)將坩堝50置于爐子內(nèi)、最優(yōu)選置于感應(yīng)爐內(nèi)使材料A和材料B熔化?；蛘?，材料A和B可在另一爐子(未示出)內(nèi)熔化并通過(guò)相應(yīng)的進(jìn)料管60、62澆注到坩堝50內(nèi)。
隨后第一閥68被打開(kāi)，并且在壓力下通過(guò)第一泵吸管64將氣體送入第一腔室52。因此，氣體壓力迫使熔融材料A向上通過(guò)第一進(jìn)料管60進(jìn)入空腔214，以填充空腔214。保持壓力以特定的時(shí)間段，以便容許材料A沿著空腔214的表面凝固。根據(jù)在第一腔室52內(nèi)保持壓力的時(shí)間可以控制凝固層的厚度。一旦材料A的凝固層已經(jīng)達(dá)到所需厚度，釋放被壓力，并且因此殘余的液態(tài)材料A向下通過(guò)第一進(jìn)料管60排回到第一腔室52內(nèi)。
隨后第一閥68被關(guān)閉，并且第二閥70被打開(kāi)。如果必要，可以使用一裝置(未示出)，以用于通過(guò)阻擋第二進(jìn)料管62的任何凝固金屬刺出一孔。隨后通過(guò)第二泵吸管66對(duì)第二腔室54施加壓力，從而迫使材料B向上通過(guò)第二進(jìn)料管62并進(jìn)入空腔214。熔融材料B再熔化空腔214內(nèi)材料A的表面層，從而在兩個(gè)材料A、B之間產(chǎn)生漸變或梯度界面。在第二腔室54內(nèi)保持壓力，直到材料B在空腔214內(nèi)凝固，從而有助于避免任何收縮問(wèn)題。隨后釋放壓力，以容許第二進(jìn)料管62內(nèi)的熔融材料B流回第二腔室54內(nèi)。隨后第一砂箱220可從第二砂箱224上移除，以暴露出完成的功能梯度元件。
應(yīng)當(dāng)理解，坩堝50、或者更具體地說(shuō)第一腔室52和第二腔室54可以被替換為兩個(gè)分離的坩堝(未示出)，其可以容納于優(yōu)選包含感應(yīng)爐(未示出)的氣密腔室(未示出)中。該腔室然后可以被加壓，以便將材料A和材料B抽吸或泵送到模具中，通過(guò)使用適宜的閥門(未示出)，可以防止材料A和材料B被同時(shí)抽吸到模具中。可替換地，如果對(duì)于材料A和材料B需要不同的保持溫度，則可以使用兩個(gè)分離的腔室(未示出)，以容裝兩個(gè)坩堝(未示出)。
參考圖7，第一和第二閥68，70可以被替換為包括本體82的閥塊80，該本體82中具有第一通孔84和第二通孔86，每個(gè)通孔84，86具有操作與之操作相連的閥(未示出)，閥(未示出)可通過(guò)相應(yīng)的第一手柄88和第二手柄90操作。此外，閥塊80優(yōu)選設(shè)有一個(gè)或多個(gè)向本體82的內(nèi)部延伸的加熱腔室92，加熱元件(未示出)可以插入到該加熱腔室中，以便防止材料A或材料B在閥塊80中凝固。閥塊80將優(yōu)選替換整個(gè)第二砂箱224和閥68，70，第一砂箱220將直接安裝在閥塊80上。利用這種布置，整個(gè)腔室214將需要位于第一砂箱220或任何其它適宜的模具(未示出)中。閥塊80的使用避免了在第二砂箱224的密實(shí)砂子222中仔細(xì)和精確地布置閥68，70的需要，所述布置工作是一項(xiàng)很耗時(shí)且困難的任務(wù)。
參考圖8和9，給出了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的裝置，該裝置被總體標(biāo)示為410，以用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)功能梯度元件的方法。如下面所述，該裝置410適于進(jìn)行功能梯度元件(未示出)的真空鑄造。該裝置410包括優(yōu)選由密實(shí)砂子形成的模具412，該模具412在其中限定出腔室414，以用于在其中鑄造功能梯度元件(未示出)。模具412被夾緊或保持在真空杯95中，位于流體密封件該真空杯95和模具412之間。盡管在所示實(shí)施例中真空杯95的橫截面基本上呈圓形，但應(yīng)當(dāng)理解，可以采用任何其它適宜形狀。
吸入管96從真空杯95延伸，其在使用中與真空泵(未示出)或類似物相連，以便能夠經(jīng)由真空杯95對(duì)模具412施加負(fù)壓或真空。當(dāng)模具412由多孔砂子形成時(shí)，將在腔室414中產(chǎn)生真空。模具在其下側(cè)設(shè)有澆口或通道426，從而提供通向腔室414的外部通路。模具也可設(shè)有激冷件97，其圍繞模具414設(shè)置在不同位置處，以便控制模具414中的材料的凝固，并由此控制所述激冷件97附近的材料的厚度。
因此，在使用中，保持在真空杯95中的模具412定位于包含熔融材料A的爐子450、優(yōu)選為感應(yīng)爐之上。模具414然后下降到材料A中，如圖9所示，并通過(guò)沿箭頭V的方向?qū)⒖諝庀蛏贤ㄟ^(guò)吸入管96抽出將真空施加給真空杯95以及腔室414。材料A因此被抽吸到腔室414中，并且開(kāi)始在其壁上凝固。在材料A已經(jīng)達(dá)到所需厚度后，真空從真空杯95中釋放，腔室414中的材料A的熔融部分在重力下流回到爐子450中。
模具412和真空杯95被快速轉(zhuǎn)移到優(yōu)選為與第一爐子450具有相同類型的第二爐子(未示出)，盡管其包含熔融材料B(未示出)。然后，上述過(guò)程被重復(fù)，模具412被降低到材料B中，并且真空被施加到腔室4 14中，以便將熔融材料B引入到腔室414中，從而在表層材料A中形成芯部。保持真空，直到材料B完全凝固。
當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，材料B可以在其部分凝固后被釋放返回到第二爐子(未示出)中，并且可以將第三材料(未示出)引入到腔室414中等等。
這種類型的真空鑄造大體已知為抗重力低壓空氣熔化(CLA)。普通的變型為抗重力低壓真空熔化(CLV)工藝。這兩個(gè)工藝之間的差別在于利用CLA，金屬通常在向大氣敞開(kāi)的情況下熔化，而利用CLV，金屬在真空中熔化。因此，CLV通常用于不能在空氣中熔化的活性金屬。
應(yīng)當(dāng)注意，上述實(shí)施例為實(shí)施本發(fā)明的方法的相對(duì)簡(jiǎn)單的裝置，可以對(duì)其進(jìn)行多種變型或改進(jìn)。例如，通常已知為進(jìn)料器(未示出)的適宜熱材料容器可以被提供，以控制材料A和材料B的凝固速率，特別是避免材料A和/或材料B在進(jìn)入腔室214中之前的流道中的凝固，因?yàn)檫@可能在利用第二模具(未示出)的生產(chǎn)過(guò)程中導(dǎo)致收縮問(wèn)題和困難。此外，適宜的激冷件(未示出)可以設(shè)置在模具212的附近，以便控制凝固速率和使目標(biāo)材料A朝向?qū)⒈恢圃斓脑奶囟▍^(qū)域、例如特定表面或部分表面上進(jìn)行凝固?？商鎿Q地，金屬模具(未示出)或任何其它適宜材料的模具可以被使用，其具有加熱或冷卻的部分，以控制凝固。
很明顯，任何其它適宜的鑄造工藝可以被適應(yīng)性改變而與根據(jù)本發(fā)明的方法一起使用。例如，希蒂奇奈爾(Hitchiner)工藝為熔模鑄造工藝，其中通過(guò)對(duì)模具附近的氣密腔室施加局部真空而將熔融金屬抽吸到模具(未示出)中。管子(未示出)從模具向下延伸到熔融金屬的槽或坩堝中，由此便于熔融金屬吸入到模具中。以該方式將熔融金屬向上抽吸到模具中容許高度控制的填充速率和鑄造產(chǎn)品(未示出)中非常低的雜質(zhì)水平。因此，通過(guò)提供熔融金屬的兩個(gè)槽，其中一個(gè)槽含有材料A，另一個(gè)槽含有材料B，本發(fā)明的方法可以適用于希蒂奇奈爾工藝。模具(未示出)可以以類似于標(biāo)準(zhǔn)希蒂奇奈爾工藝的方式制備，但是可以具有插入在所需位置處的激冷件(未示出)，以便對(duì)于材料A產(chǎn)生升高的凝固點(diǎn)。利用位于熔融材料A的表面之下的澆口管子，模具被放置于材料A的槽之上。然后，通過(guò)對(duì)模具施加真空，材料A被抽吸到模具中，在特定時(shí)間后，當(dāng)足夠量的材料A已經(jīng)凝固在模具(未示出)的壁上或已經(jīng)僅在激冷件(未示出)上凝固時(shí)，真空被釋放，并且材料A的殘余熔融部分被倒回到槽或坩堝(未示出)中。再次利用在材料B的表面下方延伸的模具的管子，模具或坩堝(未示出)被移動(dòng)，以使模具位于含有熔融材料B的第二槽或坩堝(未示出)之上。再次使用真空，以向上抽吸材料B，從而填充模具的其余部分。材料B與材料A的糊狀暴露表面層相結(jié)合并形成梯度顯微結(jié)構(gòu)。當(dāng)材料B在模具中完全凝固時(shí)，真空被釋放。如果需要，真空可以在各單獨(dú)元件凝固之后但在流道(未示出)凝固之前釋放，以便輔助制造過(guò)程。
可以適用于本發(fā)明的方法的另一鑄造工藝為考斯沃斯(Cosworth)工藝，其是低壓鑄造工藝的變型。利用考斯沃斯工藝的關(guān)鍵區(qū)別是使用金屬泵，以將熔融金屬轉(zhuǎn)移到模具(未示出)中，而不是對(duì)密封坩堝(未示出)施加氣壓差。
還值得注意的是，雖然根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)功能梯度元件的方法主要打算應(yīng)用于生產(chǎn)完成或基本完成的產(chǎn)品(未示出)中，但是本發(fā)明的方法也可以為鍛造金屬產(chǎn)品或類似物的生產(chǎn)而生產(chǎn)出鋼坯、板坯或方坯(未示出)。例如，可以根據(jù)本發(fā)明的方法利用上述工藝中的任意一個(gè)生產(chǎn)出坯錠(未示出)，然后可以利用多種擠壓工藝或類似工藝中的一個(gè)或多個(gè)生產(chǎn)出功能梯度鍛造金屬產(chǎn)品(未示出)，這些工藝?yán)鐬闊彳?、冷拔等。這種坯錠(未示出)也可以用于鍛造工藝、例如落錘鍛造等中。
根據(jù)本發(fā)明的方法也可以用于生產(chǎn)塊狀金屬玻璃(BMG)元件或具有塊狀金屬玻璃外層的元件。BMG是通過(guò)超冷卻液態(tài)金屬制造的新材料，以形成除了其它許多有利特性以外還具有非常高的強(qiáng)度、耐磨性和耐蝕性的玻璃狀固體。該新型材料于1960年在加利福尼亞技術(shù)學(xué)院被發(fā)現(xiàn)，并且特別是近十年來(lái)許多研究和商務(wù)活動(dòng)的主題。然而，BMG中的熱傳導(dǎo)低，因此所需的冷卻速率僅對(duì)于相對(duì)小的鑄造厚度而言可以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的方法可以用于通過(guò)連續(xù)鑄造和倒出產(chǎn)生BMG，由于只有一薄層在給定時(shí)間內(nèi)凝固，因此容許BMG元件以層的形式形成，從而可以實(shí)現(xiàn)所需的冷卻速率。該方法也可以適用于將BMG與晶體材料結(jié)合，其中中間或過(guò)渡層為局部玻璃態(tài)區(qū)域。該過(guò)程將涉及BMG層的初始鑄造，其利用了在模具(未示出)的壁或壁的一部分處的足夠高的冷卻速率，然后倒出殘余液體材料，隨后在BMG層內(nèi)鑄造晶體芯部。于是BMG外層和晶體芯部之間的過(guò)渡層可以為局部玻璃態(tài)區(qū)域。
因此，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)功能梯度元件的相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，該功能梯度元件特別是由兩種或更多種鋁合金形成的輕質(zhì)金屬元件，其具有外層和至少一個(gè)內(nèi)層或芯部，該外層具有特定的特性，例如耐磨性，該內(nèi)層或芯部具有不同的特性，例如抗震性等。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)功能梯度元件的方法，該方法包括將處于熔融狀態(tài)的第一材料引入到模具中；容許第一材料層在模具的壁上至少部分地凝固；倒出第一材料的殘余熔融部分；以及將處于熔融狀態(tài)的第二材料引入到模具中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，至少所述倒出步驟在還原性氣氛中進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在引入第二材料的步驟中，在倒出第一材料之后以足夠短的時(shí)間間隔將第二材料引入到模具中，以基本防止第一材料層的氧化。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，包括在引入第一材料之前改變模具的壁上的一個(gè)或多個(gè)位置處的溫度的附加步驟，以在所述一個(gè)或多個(gè)位置處獲得所需厚度的第一材料層。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在引入第一材料的步驟中，在壓力下將第一材料引入到模具中。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在引入第二材料的步驟中，在壓力下將第二材料引入到模具中。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，包括在引入第一材料之前預(yù)加熱至少一部分模具的附加步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，包括在壓力下將第二材料保持在模具內(nèi)直到第二材料已經(jīng)基本凝固的附加步驟。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，包括以下附加步驟容許第二材料層在第一材料層上至少部分地凝固；倒出第二材料的殘余熔融部分；以及將處于熔融狀態(tài)的第三材料引入到模具中。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法生產(chǎn)的功能梯度元件。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于生產(chǎn)功能梯度元件的方法，該功能梯度元件例如為具有由第一材料構(gòu)成的外層和由第二材料構(gòu)成的內(nèi)芯并且兩種材料的界面處的顯微結(jié)構(gòu)逐漸變化的元件，該方法特別用于生產(chǎn)由基于鋁－硅(Al－Si)系的兩種或更多種鋁合金形成的元件，該方法包括將第一熔融金屬引入模具中、容許第一金屬層在模具的壁上部分凝固、倒出第一金屬的殘余熔融部分、以及將第二熔融金屬引入模具中且容許其凝固。
文檔編號(hào)B22D19/02GK101018630SQ200580025110
公開(kāi)日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2005年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月26日
發(fā)明者戴維·布朗, 斯蒂芬·凱利, 佩亞達(dá)爾·蒂爾南, 安德魯·J.·貝茨, 米歇爾·斯坎倫 申請(qǐng)人:愛(ài)爾蘭都柏林國(guó)立大學(xué)-都柏林大學(xué)