快速燒結(jié)制造復(fù)雜形狀的零件的方法及實(shí)施該方法的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種通過快速燒結(jié)制造金屬、陶瓷或復(fù)合材料零件（PF）的方法，該方法包括在模具（M）內(nèi)向含有粉狀組成材料的裝置同時(shí)施加單軸向壓力和電流，所述單軸向壓力借助至少兩個(gè)在所述模具內(nèi)部朝向彼此滑動(dòng)的活塞（P1、P2）而被施加，每個(gè)所述活塞具有接觸所述材料的支承面（F1、F2），使用所述支承面，以便限定待被制造的部件的形狀，其特征在于：所述部件具有復(fù)雜形狀，包括至少一個(gè)諸如桿、板、斜面或殼的第一細(xì)長部分（V）和諸如基部、底座或立體部分的第二部分（B），所述第二部分（B）在所述第一部分的細(xì)長方向上不是細(xì)長的；并且，在基本上平行于所述零件的所述第一部分的最小尺寸的方向（z）上，或如果所述零件為桿，在基本上平行于所述桿的兩個(gè)最小尺寸中的一個(gè)最小尺寸的方向（z）上，施加所述單軸向壓力。本發(fā)明也涉及用于實(shí)施這種方法的裝置，和由通過快速燒結(jié)而被燒結(jié)的TiAl金屬間合金或金屬/硅化物復(fù)合材料而制成的渦輪葉片。
【專利說明】快速燒結(jié)制造復(fù)雜形狀的零件的方法及實(shí)施該方法的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用快速燒結(jié)來制造具有復(fù)雜形狀的部件(如，接近成品尺寸的渦輪葉片預(yù)成型體)的方法。本發(fā)明也涉及用于實(shí)施這種方法的裝置，以及由燒結(jié)的TiAl金屬-金屬合金或硅化物合金制成的渦輪葉片，利用這種方法可獲得該渦輪葉片。
【背景技術(shù)】
[0002]快速燒結(jié)(也通過代表“放電等離子燒結(jié)”的首字母縮略詞“SPS”被得知)是一種燒結(jié)技術(shù)，其中，通過在模具內(nèi)部使粉狀材料經(jīng)受單軸向壓力，同時(shí)施加電流以快速加熱，來壓實(shí)粉狀材料?？焖偌訜嵯拗屏藬U(kuò)散過程，因此，可以獲得保留其原始微觀結(jié)構(gòu)的材料。在金屬-金屬合金的情況下，有益效果主要在于，限制了顆粒尺寸的粗度的增大，因此，促使了微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)化。[0003]由 R.0rru 等人寫的文章“Consolidation/synthesis of materials by electriccurrent activated/assisted sintering，， (Material Science and Engineering R63(2009) 127-287)提供了這種技術(shù)的一般性概述。應(yīng)注意到，在這個(gè)出版物中，“SPS”僅指的是電流以DC (直流電)脈沖(即，不存在極性逆轉(zhuǎn)的脈沖)的形式被施加的燒結(jié)方法。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，表述“快速燒結(jié)”將在更廣泛的含義上被理解，也包括電流具有AC (交流電)形式或非脈沖的DC形式的這樣的變型。
[0004]對(duì)于快速燒結(jié)的大多數(shù)研究集中在圓柱形的、或至多是棱柱形的部件的制造上。即使從工業(yè)角度上看，這種技術(shù)主要被用于制造此后被機(jī)器加工成更加復(fù)雜的部件的圓盤、圓柱或棱柱。這種方法花費(fèi)大，且不允許有效地使用某些具有優(yōu)越的機(jī)械性能、但難于機(jī)械加工的材料。
[0005]作為替代實(shí)施方式或?yàn)榱搜a(bǔ)充這點(diǎn)，已知利用快速燒結(jié)來組裝可預(yù)先利用快速燒結(jié)而獲得的更簡單的元件(在這方面，參考文獻(xiàn)FR2906242)。采用幾個(gè)燒結(jié)步驟的需求導(dǎo)致成本的增加。在任何情況下，由于這種方法僅可用于制造少量的具有簡單形狀(板狀、圓柱體形、棱柱形等)的部件的組件，故該方法不適合于所有的應(yīng)用。
[0006]通過快速燒結(jié)“直接”制造具有更加復(fù)雜的形狀的部件，總是已被認(rèn)為是非常難的，且是相對(duì)有限量的學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)成果的主題。
[0007]由E.0levsky 等人寫的文章 “Fundamentals of Spark-PlasmaSintering:Applications to Net-Shaping of High Strength Temperature ResistantComponents” (Material Science Forums 第 654 卷-第 656 卷(2010)第 412 頁-第 415頁)，論述了具有矮的高度和圓形截面的圓柱體形狀或棱柱形狀的部件的制造，其中，基部單獨(dú)由存在的肋狀物構(gòu)造。作者強(qiáng)調(diào)，利用快速燒結(jié)來制造具有復(fù)雜形狀的部件是罕見的且困難的。即使在相對(duì)簡單的情況下，他們一直認(rèn)為，所生產(chǎn)的部件的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為實(shí)質(zhì)上是不均勻的。
[0008]由Guy Mol6nat 等人寫的文章 “Application of Spark Plasma Sintering toTitanium Aluminide Alloys” (Advanced Engineering Materials2007，9，第 8 期)，探討了 TiAl的快速燒結(jié)。盡管提到了應(yīng)用于制造渦輪葉片，但一般而言，作為待實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，實(shí)際上僅制造了圓柱形測試樣本。
[0009]文獻(xiàn)EP0535593論述了通過快速燒結(jié)制造具有準(zhǔn)圓柱形對(duì)稱性、呈現(xiàn)螺旋形狀的部件。該制造方法在燒結(jié)前需要壓實(shí)步驟。
[0010]文獻(xiàn)FR2512146描述了通過快速燒結(jié)生產(chǎn)可用作剎車片的薄板。
[0011]文獻(xiàn)JP2004-168632描述了通過在兩個(gè)階段快速燒結(jié)制造具有錐形形狀的注射器。
[0012]文獻(xiàn)JP1228730描述了通過快速燒結(jié)制造具有一個(gè)或多個(gè)錐形凹槽、呈現(xiàn)圓柱形滾軸形式的拉絲模具。
[0013]文獻(xiàn)JP3267552描述了制造活塞裙，包括利用快速燒結(jié)生產(chǎn)整體圓柱形形狀的預(yù)成型體的步驟，接著是所述預(yù)成型體的深拉步驟。
[0014]文獻(xiàn)W02009/004444描述了通過快速燒結(jié)生產(chǎn)大體上具有半球形狀的由生物相容性的多孔材料構(gòu)成的中空部件。
[0015]所有上述例子仍屬于相對(duì)簡單的部件的類別，基本上具有圓柱形對(duì)稱性(EP0535593、JP2004-168632、JP1228730、JP1228730、JP3267552)，或者可替選地呈現(xiàn)薄板或殼的形式(FR25121146、W02009/004444)。即使在這些相對(duì)簡單的形狀的例子中，有時(shí)仍需要多步驟方法(EP0535593:先前的壓實(shí)JP2004-168632:兩個(gè)階段的快速燒結(jié)；JP3267552:預(yù)成型體的拉伸)。此外，上述文獻(xiàn)針對(duì)的應(yīng)用通常并不是從機(jī)械學(xué)角度進(jìn)行非常明確地規(guī)定，這點(diǎn)意味著，可以允許被制造的部件的微觀結(jié)構(gòu)的一定程度的不均勻性(對(duì)于文獻(xiàn)W02009/004444而言，甚至尋求高的孔隙率)。
[0016]由Kiyotaka Kato 等人寫的文章 “Trial manufacturing of TiAl parts byinjection molding”( 1999 年 3 月 17 日，Chemical Abstract Service，哥倫布,俄亥俄州，(美國))，論述了采用注射成型方法制造呈現(xiàn)渦輪葉片形式的TiAl部件。由此所獲的部件具有相對(duì)不均勻的密度和不可忽視的孔隙率。
[0017]本發(fā)明尋求解決現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，允許通過快速燒結(jié)直接生產(chǎn)具有非常緊密且均勻的微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜形狀的部件，因此該部件可暴露于高的機(jī)械應(yīng)力下。這些部件例如可以是接近成品尺寸的渦輪葉片預(yù)成型體，該預(yù)成型體包括立體基部和斜殼形式的片形部。就發(fā)明人知道的而言，快速燒結(jié)從未被應(yīng)用于制造像這樣復(fù)雜的元件。至多，文獻(xiàn)W02010/092298和FR2941965公開了使用快速燒結(jié)技術(shù)，以將一薄層陶瓷涂層涂到由超耐熱合金制成的渦輪葉片上，該渦輪葉片通過單晶纖維拉絲然后通過表面加工被制成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]因此，本發(fā)明的一個(gè)主題是一種通過快速燒結(jié)來制造由金屬、陶瓷或復(fù)合材料構(gòu)成的部件的方法，所述方法包括:在模具(M)內(nèi)，向粉狀組成材料同時(shí)施加單軸向壓力和電流，所述單軸向壓力借助至少兩個(gè)在所述模具內(nèi)部朝向彼此滑動(dòng)的活塞(PU P2)直接地或者通過力傳遞部件而施加，所述活塞和/或所述力傳遞部件具有支承面，所述支承面與所述組成材料接觸且彼此相互合作限定待被制造的部件的形狀，特征在于:
[0019]-所述部件具有復(fù)雜形狀，至少包括桿型、板型、斜面型或殼型的細(xì)長的第一部分和基部型、底座型或立體部件型的第二部分，該第二部分在所述第一部分為細(xì)長的方向上不是細(xì)長的；和
[0020]-在基本上平行于部件的所述第一部分的最小尺寸的方向上，或在桿的情況下，在基本上平行于桿的兩個(gè)最小尺寸中的一個(gè)最小尺寸的方向上，施加所述單軸向壓力。
[0021]“桿”的意思是具有恒定或可變的橫截面的部件，該部件在一個(gè)方向上是長型的且可以內(nèi)接于具有長度L和底部直徑(或底面邊長)D的圓柱體或棱柱內(nèi)，其中，L/D的比率為大于或等于2，優(yōu)選大于或等于4。
[0022]“板”的意思是由兩個(gè)平坦表面限制的物體，所述兩個(gè)平坦表面彼此相距厚度e的距離，與其他尺寸屯、d2相比，厚度e是小的，其中，di/e和d2/e的比值為大于或等于3，優(yōu)選大于或等于5。
[0023]“斜面”的意思是由兩個(gè)接近平行的(形成小于或等于15°的角度)平坦表面限制的物體，所述兩個(gè)平坦表面彼此相距平均厚度em的距離，與其他尺寸Cl1、d2相比，厚度em是小的，其中，Cl1Zeffl和d2/em的比值為大于或等于3，優(yōu)選大于或等于5。
[0024]“殼”的意思是由兩個(gè)接近平行的(小于或等于15°的角度)非平坦的表面限制的物體，所述兩個(gè)表面彼此相距平均厚度em的距離，與其他尺寸Cl1、d2相比，厚度em是小的，其中，Cl1Zeffl和d2/em的比值為大于或等于3，優(yōu)選大于或等于5。
[0025]“立體部件”的意思是其最長尺寸和最短尺寸之間的比值不超過因數(shù)2的部件。
[0026]“基部”的意思是立體型或者可替選地板型或殼型的部件，其最長尺寸基本上垂直于所述第一部分逐漸變細(xì)的所述方向。優(yōu)選地，基部的所述最長尺寸不應(yīng)該超過所述第一部分的最長尺寸的一半。
`[0027]根據(jù)本發(fā)明的方法的一些特定的實(shí)施方式:
[0028]-至少在部件的所述第一部分的情況下，可以在浮動(dòng)模具的條件下進(jìn)行快速燒結(jié)。為了使材料處于“浮動(dòng)模具”的條件下，必要的是，在與側(cè)向支承面接觸的所述材料的每個(gè)點(diǎn)上，在致密化期間，材料應(yīng)該能夠平行于所述側(cè)向支承面移動(dòng)，而且，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)矢量必須具有平行于壓力的施加方向的非零分量?！皞?cè)向支承面”的意思是活塞、插入件或模具的與材料接觸且基本上平行于壓力的施加方向、或更一般地與所述方向形成小于45°的角度的任何表面。
[0029]-優(yōu)選地，該方法可以僅采用一個(gè)快速燒結(jié)步驟。
[0030]-至少兩個(gè)所述活塞和待被制造的部件(和力傳遞部件，在其存在的情況下)可以由D形的整體橫截面的插入件所包圍，所述插入件具有支持所述組件的形狀的第一表面和呈柱面弧形狀的支持模具的內(nèi)表面的形狀的第二表面。
[0031]-該方法可以包括:在前的校正溫度的步驟，使得在包括模具、活塞、粉狀組成材料和任何插入件的組件內(nèi)的溫度場可以與在模具或活塞上的點(diǎn)處由傳感器測量的每個(gè)溫度值相關(guān)聯(lián)；和電流強(qiáng)度的反饋控制，以便控制在由所述傳感器測量的溫度和基準(zhǔn)溫度之間的差異。有利地，所述基準(zhǔn)溫度可以由數(shù)值模擬來確定。
[0032]-所述粉狀組成材料可以基于金屬合金(如，基于鈦的合金)，或者可替選地基于金屬-金屬合金(如，基于TiAl)?！盎赥iAl的合金”的意思是含有至少40%、優(yōu)選至少45%的Ti和至少40%、優(yōu)選至少45%的Al的合金。百分比指的是原子組成。作為替代實(shí)施方式，所述粉狀組成材料可以包含金屬(如，Nb或Mo)和該金屬(或不同金屬)的硅化物，同時(shí)，在適用情況下，還包含添加元素或合金元素(如T1、Cr、Hf、Al等)。[0033]-待被制造的部件的所述第一部分可以為斜殼。“斜殼”的意思是一殼(見在上文的定義)，所述殼的接近平行的表面是不規(guī)律化的，即，不能由直線的移位而形成。
[0034]-所述待被制造的部件尤其可以為接近成品尺寸的渦輪葉片預(yù)成型體?！敖咏善烦叽绲摹钡囊馑际且环N預(yù)成型體，所述預(yù)成型體的表面點(diǎn)沒有一個(gè)點(diǎn)與成品部件的形狀相差大于1mm。
[0035]本發(fā)明的另一個(gè)目的是一種用于實(shí)施這種方法的裝置，該裝置包括由導(dǎo)電材料制成的模具和至少兩個(gè)同樣導(dǎo)電的活塞，所述活塞能夠在所述模具的內(nèi)部在被稱為軸線的方向上朝向彼此滑動(dòng)，并且每個(gè)活塞具有用來與待被壓實(shí)的粉狀材料接觸的支承面，所述支承面協(xié)同限定待被制造的部件的形狀，特征在于:
[0036]-所述支承面限定具有復(fù)雜形狀的部件，所述部件至少包括桿型、板型、斜面型或殼型的細(xì)長的第一部分和基部型、底座型或立體部件型的第二部分，該第二部分在所述第一部分是細(xì)長的方向上不是細(xì)長的；和
[0037]-所述軸向基本上平行于部件的所述第一部分的最小尺寸的方向，或在桿的情況下，基本上平行于桿的兩個(gè)最小尺寸中的一個(gè)最小尺寸的方向。
[0038]作為替代實(shí)施方式，該裝置可以包括由導(dǎo)電材料制成的模具、至少兩個(gè)同樣導(dǎo)電的活塞，所述活塞能夠在所述模具的內(nèi)部、在被稱為軸線的方向上朝向彼此滑動(dòng)；其特征在于，該裝置還包括同樣導(dǎo)電的、且置于所述活塞和待被壓實(shí)的粉狀材料之間的力傳遞部件，至少所述力傳遞部件(和在適當(dāng)情況下，所述活塞可以)具有用來與所述粉狀材料接觸且協(xié)同限定待被制造的部件的形狀的支承面，并且，其中:
[0039]-所述支承面限定具有復(fù)雜形狀的部件，所述部件包括桿型、板型、斜面型或殼型的細(xì)長的第一部分和基部型、底座型或立體部件型的第二部分，該第二部分在所述第一部分是細(xì)長的方向上不是細(xì)長的；和
[0040]-所述軸向基本上平行于部件的所述第一部分的最小尺寸的方向，或在桿的情況下，平行于桿的兩個(gè)最小尺寸中的一個(gè)最小尺寸的方向。
[0041]所述裝置還可以包括用來包圍至少兩個(gè)所述活塞和待被制造的部件(連同任何力傳遞部件，在其存在的情況下)的插入件，每個(gè)所述插入件具有支持所述組件的形狀的第一表面、和呈柱面弧形狀的支持模具的內(nèi)表面的形狀的第二表面。
[0042]特別地，所述支承面可以協(xié)同限定接近成品尺寸的渦輪葉片預(yù)成型體。
[0043]本發(fā)明的另一個(gè)主題是，一種基于TiAl的金屬-金屬合金的、采用快速燒結(jié)而燒結(jié)的渦輪葉片，該渦輪葉片優(yōu)選具有孔隙空間百分比小于或等于0.1%、優(yōu)選小于或等于
0.01%的孔隙率，且優(yōu)選不具有(例如，通過掃描電子顯微鏡)可檢測到的孔隙率。這是因?yàn)?，因基于TiAl的金屬-金屬合金的密度大約為通常用于這種用途的超耐熱合金的密度(大約8g/cm3)的一半(大約4g/cm3)，而該基于TiAl的金屬_金屬合金是對(duì)于制造渦輪葉片特別引人注目的材料。然而，這些材料為難于進(jìn)行機(jī)械加工且機(jī)械加工花費(fèi)大的材料:因此，對(duì)于由通過現(xiàn)有技術(shù)的快速燒結(jié)方法所生產(chǎn)的傳統(tǒng)的圓柱形或棱柱形的預(yù)成型體來制成由基于TiAl的金屬-金屬合金制成的渦輪葉片的形狀，在經(jīng)濟(jì)上還不是可行的。以有競爭力的價(jià)格，通過粉末冶金技術(shù)制造基于TiAl的金屬-金屬合金的渦輪葉片僅通過本發(fā)明的方法才可以。此外，快速燒結(jié)方法通過改善微觀結(jié)構(gòu)，提供了改良的機(jī)械性能。
[0044]本發(fā)明的另一個(gè)主題是，一種基于金屬-硅化物(例如，基于Nb/Nb5Si3或Mo/MoSi2，可能含有合金元素，如T1、Cr、Hf、Al等)的、采用快速燒結(jié)而被燒結(jié)的渦輪葉片，該渦輪葉片優(yōu)選具有孔隙空間百分比小于或等于0.1%、優(yōu)選小于或等于0.01%的孔隙率，且優(yōu)選不具有(例如，通過掃描電子顯微鏡)可檢測到的孔隙率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]參照舉例給出的附圖，通過閱讀給出的說明書，本發(fā)明的其他特征、細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，所述附圖分別描述:
[0046]圖1為由TiAl制成的且利用本發(fā)明的方法生產(chǎn)的接近成品尺寸的渦輪葉片預(yù)成型體；
[0047]圖2A為和圖1的預(yù)成型體相同的預(yù)成型體的橫截面視圖；
[0048]圖2B至2E為通過掃描電子顯微鏡獲得的、示出了圖2A的預(yù)成型體的各個(gè)部分的優(yōu)良的致密性(左側(cè)圖)和微觀結(jié)構(gòu)(右側(cè)圖)的四幅圖；
[0049]圖3為由燒結(jié)模具、兩個(gè)用于施加單軸向壓力的活塞、D形外圍插入件、和根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的燒結(jié)部件(渦輪葉片預(yù)成型體)構(gòu)成的組件的分解圖；
[0050]圖4為在工作情況下的圖3的組件的視圖；
[0051]圖5A為利用未根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的方法的渦輪葉片預(yù)成型體的制造；
[0052]圖5B和5C為通過掃描 電子顯微鏡獲得的、示出了利用圖5A的方法獲得的TiAl預(yù)成型體的各個(gè)部分微觀結(jié)構(gòu)的兩幅圖；
[0053]圖6為由燒結(jié)模具、兩個(gè)施加單軸向壓力的活塞、D形外圍插入件、力傳遞部件、和根據(jù)本發(fā)明的可替選實(shí)施方式的燒結(jié)部件(渦輪葉片預(yù)成型體)構(gòu)成的組件的分解圖；和
[0054]圖7為通過掃描電子顯微鏡獲得的、示出了通過根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的Nb/Nb5Si3預(yù)成型體的微觀結(jié)構(gòu)的圖片。
【具體實(shí)施方式】
[0055]圖1示出了通過根據(jù)本發(fā)明的快速燒結(jié)方法由TiAl制成的渦輪葉片預(yù)成型體PF。具有36mm的高度的該預(yù)成型體與成品葉片基本上相同，僅需要一個(gè)去除大約0.5mm材料厚度的精加工步驟。因此，該預(yù)成型體可有資格作為是“接近成品尺寸的”。待被去除的材料厚度可被降低到大約0.1mm的值，該值對(duì)應(yīng)于其中材料被石墨污染的層。正如準(zhǔn)備使用的葉片，預(yù)成型體PF包括具有不能由少數(shù)量的簡單的幾何形狀限定的復(fù)雜形狀的立體基部B、和以斜殼形式的沿著軸線“x”具有明顯長細(xì)比的片形部V。可立即注意到，與在上文提到的現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中描述的通過快速燒結(jié)制造的所有物體的形狀相比，該部件的形狀是更加復(fù)雜的。
[0056]根據(jù)本發(fā)明，預(yù)成型體PF可以利用圖3 (分解圖)和圖4 (在操作情況下的視圖)中描述的裝置通過快速燒結(jié)而被制成。該裝置包括由導(dǎo)電材料(通常地，石墨)制成的圓柱形模具M(jìn)和兩個(gè)同樣為導(dǎo)電材料(通常，與用于模具的材料相同)的活塞P1、P2，該活塞在模具M(jìn)的中心槽內(nèi)部沿著被稱為軸向(“z”)的方向滑動(dòng)。這些活塞用來沿著軸線z向用來形成預(yù)成型體PF的粉狀材料施加單軸向壓力。通過協(xié)同限定所述預(yù)成型體的支承面F1、F2，來施加該壓力。
[0057]為了使部件更加容易地從模具中移除，部件的形狀包含例如5°的隙角、和/或圓角。通過在各個(gè)材料/石墨接觸面和石墨/石墨接觸面上噴涂基于石墨的物質(zhì)，可以提供潤滑作用。
[0058]作為替代方案，可使用多于兩個(gè)的活塞，以便在制造過程期間，限制破裂的風(fēng)險(xiǎn)和/或允許不同的壓力被施加到部件的不同點(diǎn)上。
[0059]將注意到，在圖3和圖4的組件中，壓力垂直于片形部V伸長的方向而施加，或者，相當(dāng)于，平行于所述片形部的厚度(最小尺寸)方向而施加壓力。如將從下文中明顯看出，這種取向是本發(fā)明的方法的重要特征。這種設(shè)置確保了燒結(jié)在浮動(dòng)模具的條件下執(zhí)行，這些條件在上文已被限定；其可獲得一種材料，盡管部件的形狀是不規(guī)則的，但整個(gè)部件中該材料是緊密的。
[0060]由于待制造的預(yù)成型體PF的上述取向，活塞P1、活塞P2的截面在X方向上延伸。然而，模具M(jìn)的中心槽必須具有大體上是圓形的或在任何情況下不具有尖銳邊的橫截面，以便避免會(huì)引起模具損壞的應(yīng)力集中。利用插入件ID1、插入件ID2，活塞與模具的槽匹配，該插入件ID1、插入件ID2大體具有D形的或半月形的橫截面，具有支持所述組件的形狀的第一表面和支持模具的內(nèi)表面(即，模具的中心槽)的形狀的呈柱面弧形狀的第二表面。插入件ID1、插入件ID2優(yōu)選由與模具和活塞相同的材料(通常，石墨)制成，以便確保組件的各個(gè)元件經(jīng)受最一致的可能的熱膨脹。當(dāng)然，插入件的數(shù)量可以不是2。
[0061]對(duì)于任何快速燒結(jié)方法，作為普遍情況，待生產(chǎn)的部件的組成材料(或其前體)以粉末形態(tài)被引入到模具中，然后，通過活塞沿軸向z施加壓力，同時(shí)電流通過組件，以通過焦耳效應(yīng)實(shí)現(xiàn)快速加熱。如果組成材料為導(dǎo)電材料，則電流直接通過組成材料，在原地生成熱；如果組成材料是不導(dǎo)電的，則在模具(該模具本身是導(dǎo)電的)內(nèi)產(chǎn)生熱量，然后通過傳導(dǎo)被轉(zhuǎn)移至材料。
[0062]粉狀材料所被加熱到的溫度在該方法中是重要的參數(shù)，這是因?yàn)樵摐囟葘?duì)由此獲得的部件的微觀結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)烈的影響；因此，該溫度需要在作為整體的部件上是盡可能均勻的。在復(fù)雜部件的情況下，可以證明這一點(diǎn)是關(guān)鍵的，這是因?yàn)樵摬考牟灰?guī)則形狀具有引入不均勻的電流分布和因而引入不均勻的溫度的傾向。在這種情況下，在部件的各個(gè)點(diǎn)之間可出現(xiàn)溫度差異，這可能導(dǎo)致部件的機(jī)械性能的顯著損害。特別地，存在過熱的風(fēng)險(xiǎn)，該過熱可能甚至引起材料的局部熔融。
[0063]一個(gè)難題是，在燒結(jié)操作期間，不能測量部件的各個(gè)部分的溫度；通常地，利用一個(gè)或多個(gè)熱傳感器(如，高溫計(jì)或熱電偶)，僅可以在模具或活塞的一些點(diǎn)上實(shí)時(shí)地測量溫度。因此，執(zhí)行校準(zhǔn):設(shè)計(jì)由模具、活塞、插入件、和粉狀材料構(gòu)成的組件，然后利用CAD (計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))工具對(duì)該組件建模。然后，采用有限元法模擬焦耳效應(yīng)(該裝置為焦耳效應(yīng)的核心)，同時(shí)求解遍及該裝置的熱能和電能的耦合方程；關(guān)于這一點(diǎn)，參考由G.Molenat、L.DurancUJ.Galy 和A.Couret所著的“Temperature Control in Spark PlasmaSintering: an FEM Approach，，文章(Journal of Metallurgy, 2010 卷，文章 ID145431 )。用這種方式，可將在裝置和材料內(nèi)的溫度分布和由高溫計(jì)或熱電偶測量的每個(gè)溫度值關(guān)聯(lián)起來。這種模擬允許在任何點(diǎn)估計(jì)材料的溫度，且特別地，由于電流強(qiáng)度被反饋控制以適合基準(zhǔn)溫度，故這點(diǎn)避免了任何過熱。
[0064]利用“Sumitomo2080”型號(hào)的SPS (放電等離子燒結(jié))機(jī)，施加IOOMPa的壓力，利用一組DC (直流)脈沖使組成材料(TiAl)至大約1200°C的溫度(由高溫計(jì)測量的溫度，該溫度對(duì)應(yīng)于在部件的中心內(nèi)的大約1260°C的溫度)(基準(zhǔn)溫度斜率為100°C /分鐘，升到1125°C，然后基準(zhǔn)溫度斜率為25°C /分鐘，升到1200°C，然后保持該溫度兩分鐘-通過觀測模具的外表面的高溫計(jì)測量溫度)，來制造圖1的預(yù)成型體。如圖2A-2E所示，這些操作條件已能夠獲得非常緊密的和均勻的、在掃描電子顯微鏡上不具有可見的多孔性的材料?？稍趫D中看到，在整個(gè)部件中，被壓實(shí)的TiAl的微觀結(jié)構(gòu)具有兩相型。
[0065]通過比較實(shí)施例，圖5A示出了快速燒結(jié)配置，其中，平行于片形部的延伸的軸線施加壓力。由于在用來形成片形部的尖端的部分中，材料不能平行于限定所述片形部的主面的側(cè)向支承面移動(dòng)、或不能平行于壓力的施加方向移動(dòng)，故這種配置不能滿足浮動(dòng)模具的條件。通過掃描電子顯微鏡獲得的視圖顯示，雖然基部的緊密度是令人滿意的(圖5C)，但片形部的尖端是高度多孔的(圖5B)。利用這種配置制造的渦輪葉片將具有不足以允許其被使用的良好機(jī)械性能。將注意到，圖5A至5C涉及葉片，該葉片的片形部具有明顯不及參照?qǐng)D1至圖4所考慮的部件的片形部顯著。如果試圖利用圖5A的配置生產(chǎn)圖1的部件，則將獲得更不令人滿意的片形部的緊密狀態(tài)，具有更多的微觀結(jié)構(gòu)的不均一性。這點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了在燒結(jié)模具內(nèi)的部件的取向的重要性。
[0066]已關(guān)于TiAl渦輪葉片的制造來詳細(xì)地描述本發(fā)明的方法。從設(shè)計(jì)的角度(由于這種部件的極大的幾何復(fù)雜性，和由于在機(jī)械強(qiáng)度方面的非常緊密的要求)和從應(yīng)用的角度看，這都是特別有利的方案，但為非限制性的。因此，本發(fā)明的方法適用于通過快速燒結(jié)制造任何種類的具有復(fù)雜形狀的部件，所述部件包括桿類型、板類型、斜面類型或殼類型的至少的細(xì)長的第一部分和基部類型、底座類型或立體部件類型的至少第二部分，該第二部分在所述第一部分細(xì)長的方向上不是細(xì)長的。
[0067]這樣的部件的組成材料可以是通過快速燒結(jié)可被壓實(shí)的全金屬、金屬-金屬合金、陶瓷或復(fù)合材料。
[0068]本發(fā)明的方法的另一個(gè)特別有利的應(yīng)用是生產(chǎn)金屬-硅化物復(fù)合材料的復(fù)雜部件，尤其是渦輪葉片。這些材料組合:具有抗蠕變性和抗氧化性的硅化物；具有延展性和韌性的金屬基質(zhì)(由Nb或Mo制成)( 可以脫離金屬基質(zhì)使用硅化物，但以那種方法獲得的部件將是脆性的)；以及可能地，添加元素，如T1、Cr、Hf、Al。在渦輪葉片的形成中使用這樣的材料將使得允許航空引擎的操作溫度增加大約150°C。然而，盡管對(duì)這樣的材料的研究開始于二十世紀(jì)八十年代，但材料的成形加工還仍未被掌握。
[0069]通過組成材料，類似于圖1的葉片預(yù)成型體的葉片預(yù)成型體利用購買于AlfaAesar的純Nb和Nb5Si3這兩種粉末的50%_50% (以體積計(jì))的混合物制造。
[0070]通過在1700°C核心溫度(基準(zhǔn)溫度斜率為100°C /分鐘，升到1525°C，然后基準(zhǔn)溫度斜率為25°C /分鐘，升到1600°C，然后保持該溫度2分鐘，通過高溫計(jì)測量這些溫度)下施加125MPa壓力2分鐘，進(jìn)行快速燒結(jié)。這些條件實(shí)質(zhì)上比用于燒結(jié)TiAl的條件更加苛亥IJ。采用在圖6中闡明的儀器來實(shí)施該方法。從這幅圖中可注意到，基質(zhì)更加完全地覆蓋活塞，以便改善電流的流動(dòng)，從而在組件內(nèi)獲得更優(yōu)良的熱分布。另外，力傳遞部件PTl至力傳遞部件PT5被置于活塞和組成材料之間。這些部件帶有協(xié)同限定部件的形狀的支承面；更特別地，在圖6的實(shí)施例中，由力傳遞部件帶有的支承面限定了葉片的片形部和葉片底座的下部，底座的上部由活塞具有的支承面所限定。如圖7所示，所獲的微觀結(jié)構(gòu)是兩相，額外含有因所涉及的高溫而出現(xiàn)的氧化物(較暗區(qū)域)。由于沒有優(yōu)化材料的組成，故存在微米級(jí)孔。
【權(quán)利要求】
1.一種用于通過快速燒結(jié)來制造由金屬、陶瓷或復(fù)合材料構(gòu)成的部件(PF)的方法，所述方法包括在模具(M)內(nèi)，向粉狀組成材料同時(shí)施加單軸向壓力和電流，所述單軸向壓力借助至少兩個(gè)在所述模具內(nèi)部朝向彼此滑動(dòng)的活塞(PU P2)直接地或者經(jīng)由力傳遞部件施加，所述活塞和/或所述力傳遞部件具有支承面，所述支承面與所述組成材料接觸且相互合作限定待被制造的所述部件的形狀，其特征在于: -所述部件具有復(fù)雜形狀，至少包括細(xì)長的第一部分(V)和第二部分(B)，所述第一部分諸如為桿類型、板類型、斜面類型或殼類型，所述第二部分(B)諸如為基部類型、底座類型或立體部件類型，所述第二部分在所述第一部分為細(xì)長的方向上不是細(xì)長的；和 -在基本上平行于所述部件的所述第一部分的最小尺寸的方向(Z)上，或在桿的情況下，在基本上平行于所述桿的兩個(gè)最小尺寸中的一個(gè)最小尺寸的方向上，施加所述單軸向壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，至少在所述部件的所述第一部分的情況下，在浮動(dòng)模具的條件下進(jìn)行所述快速燒結(jié)。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，該方法僅采用一個(gè)快速燒結(jié)的步驟。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述至少兩個(gè)活塞和待被制造的所述部件由具有D形的整體截面的插入件(ID1、ID2)所包圍，所述插入件(ID1、ID2)具有支持所述組件的形狀的第一表面、和呈柱面弧形狀的支持所述模具的內(nèi)表面的形狀的第二表面。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，包括: -在前的校正溫度的步驟，使得在包括所述模具、所述活塞、所述粉狀組成材料和任何插入件的組件內(nèi)的溫度場能夠 與在所述模具或所述活塞上的點(diǎn)處由溫度傳感器測量的每個(gè)溫度值相關(guān)聯(lián)；和 -電流強(qiáng)度的反饋控制，以便控制在由所述傳感器測量的溫度和基準(zhǔn)溫度之間的差異。
6.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，所述基準(zhǔn)溫度由數(shù)值模擬來確定。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述粉狀組成材料基于金屬-金屬合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述金屬-金屬合金是基于鈦的合金，諸如基于TiAl的合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述粉狀組成材料包含:金屬，諸如Nb或Mo ;和該金屬或不同金屬的硅化物。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，待被制造的所述部件的所述第一部分為斜殼。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，待被制造的所述部件為接近成品尺寸的渦輪葉片預(yù)成型體。
12.一種用于實(shí)施根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法的裝置，包括由導(dǎo)電材料制成的模具(M)和至少兩個(gè)同樣導(dǎo)電的活塞(PU P2)，所述活塞(PU P2)能夠在所述模具的內(nèi)部、在被稱為軸線(z)的方向上朝向彼此滑動(dòng)，并且每個(gè)所述活塞具有用來與待被壓實(shí)的粉狀材料接觸的支承面(F1、F2)，所述支承面協(xié)同限定待被制造的部件的形狀，其特征在于:-所述支承面限定具有復(fù)雜形狀的部件(PF)，所述部件(PF)包括所述桿類型、所述板類型、所述斜面類型或所述殼類型的細(xì)長的第一部分(V)和所述基部類型、所述底座類型或所述立體部件類型的第二部分(B)，該第二部分在所述第一部分為細(xì)長的方向上不是細(xì)長的；和 -所述軸線的方向基本上平行于所述部件的所述第一部分的最小尺寸的方向，或在桿的情況下，基本上平行于所述桿的兩個(gè)最小尺寸中的一個(gè)最小尺寸的方向。
13.一種用于實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1至11中的任一項(xiàng)所述的方法的裝置，包括由導(dǎo)電材料制成的模具(M)、至少兩個(gè)同樣導(dǎo)電的活塞(PU P2)，所述活塞(PU P2)能夠在所述模具的內(nèi)部、在被稱為軸線(z)的方向上朝向彼此滑動(dòng)；其特征在于，所述裝置還包括也導(dǎo)電的、且置于所述活塞和待被壓實(shí)的粉狀材料之間的力傳遞部件(PT1-PT5)，至少所述力傳遞部件具有用來與所述粉狀材料接觸且協(xié)同限定待被制造的部件的形狀的支承面，并且: -所述支承面限定具有復(fù)雜形狀的部件(PF)，所述部件(PF)包括所述桿類型、所述板類型、所述斜面類型或所述殼類型的細(xì)長的第一部分(V)和所述基部類型、所述底座類型或所述立體部件類型的第二部分(B)，該第二部分在所述第一部分為細(xì)長的方向上不是細(xì)長的；和 -所述軸線的方向基本上平行于所述部件的所述第一部分的最小尺寸的方向，或在桿的情況下，基本上平行于所述桿的兩個(gè)最小尺寸中的一個(gè)最小尺寸的方向。
14.根據(jù)權(quán)利要求12和13中的任一項(xiàng)所述的裝置，還包括用來包圍所述至少兩個(gè)活塞和待被制造的所述部件的插入件(ID1、ID2)，每個(gè)所述插入件具有支持所述組件的形狀的第一表面、和呈柱面弧形狀 的支持所述模具的內(nèi)表面的形狀的第二表面。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中的任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述支承面協(xié)同限定接近成品尺寸的渦輪葉片預(yù)成型體。
16.一種采用快速燒結(jié)而被燒結(jié)的以基于TiAl的金屬-金屬合金渦輪葉片。
17.—種基于金屬-娃化物、尤其是基于Nb/Nb5Si3 *Mo/MoSi2的米用快速燒結(jié)而被燒結(jié)的渦輪葉片。
18.根據(jù)權(quán)利要求16和17中的任一項(xiàng)所述的渦輪葉片，具有孔隙空間百分比小于或等于0.1%、優(yōu)選小于或等于0.01%的孔隙率。
【文檔編號(hào)】B22F5/04GK103502490SQ201280021196
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月31日
【發(fā)明者】阿蘭·庫雷特, 讓-菲利普·蒙肖, 利茲·杜蘭德, 烏里亞·賈巴爾, 托馬斯·沃新恩 申請(qǐng)人:國家科學(xué)研究中心