固化/模塑由粉末制成的近净成形组件的方法
【技术领域】
[0001] 本公开总体涉及用于形成定制的微观结构和增强的性能的材料的高强度磁场处 理。
【背景技术】
[0002] 在粉末冶金中，在施加静液力载荷的情况下，粉末材料通常在高温下通过长暴露 时间而固化以制造无孔隙且具有增强性能的产品。例如，压实冷粉末以产生半固态预制件 且然后通过施加热和压力固化/模塑预制件（pre-form)是已知的。由压实的粉末制成的预 制件能够被直接放置在具有与完成零件的期望形状轮廓相符的成形表面的工具或模具上。 在热压成形中，预制件被放置在匹配的金属工具之间，该匹配的金属工具包括限定完成零 件的内模线、外模线或内、外模线两者的成形表面。工具和预制件被放置在压力机（press) 内且然后工具和预制件在压力下被加热以制造固化的净成形零件。
[0003] 使用感应加热固化工具来固化和形成预制件是已知的。感应加热是导电物体（通 常为金属）通过电磁感应被加热的过程。在该加热期间，在金属内产生涡电流且金属的 电阻导致焦耳加热。感应加热器通常包含高频交流电流穿过其中的感应线圈。将感受器 (susceptor)放置在预制件中或邻接预制件放置以实现固化或成形所需的加热是已知的。 感受器被感应加热且主要通过热传导将其热传输至夹在相对的感受器面板之间的预制件。 在压力下的加热期间，预制件的空隙和/或孔隙数量能够被减小，即，密度能够被增加。
[0004] 材料的合铸、加工和热处理在过去通常被限于实现如由温度-成分相图所限定的 均衡微观结构或由快速冷却过程而产生的亚稳态微观结构。最近对铁合金的研宄在实验上 表明：通过施加高强度磁场到确保预制件的微观结构能够被调整和准确地控制的程度，相 稳定性能够被改变。结合强磁场和热加工能够导致形成具有优良性质的合金和微观结构。
[0005] 特别地，需要将实现由粉末到近净成形组件的快速制造的工艺。这包括由铁（即， 铁基）合金制成的具有新的改进的化学性质的组件以及用于钛基合金的零件加工的承受 性提高的方法。
【发明内容】
[0006] 本公开涉及用于由粉末到近净成形组件的快速制造（即，几分钟或更少）的方法 和装置，其中粉末由具有新的改进的化学性质从而导致增强性能（例如，高强度）的金属合 金制成。所公开的方法应当适用于广泛的金属合金，包括铁基合金和钛基合金。这些元素 (Fe和Ti)及其合金提供升高的温度下的可用晶体相变与经由高强度磁场操纵相图的机会 的组合。其它元素（诸如，钍、铪、锰和钒基合金）可以同样进行。
[0007] 下面详细公开的主题的一个方面是一种用于固化由粉末制成的预制件的方法，其 包含：(a)将预制件放置在智能感受器之间；(b)通过施加具有穿过智能感受器的表面的磁 通量的变化的低强度磁场，将智能感受器加热到平衡温度（leveling temperature) ; (c) 至少在智能感受器的温度达到平衡温度之后的一段时间期间，施加固化压力至预制件；以 及（d)当施加固化压力时，施加具有穿过预制件的表面的磁通量的脉冲高强度磁场。高强 度磁场的强度大于低强度磁场的峰值强度。高强度磁场的强度和脉冲率被选择，使得预制 件的晶体相将在基本恒定的温度下快速振荡。脉冲高强度磁场被施加得足够长，以使得在 相振荡期间实现预制件的超塑性。
[0008] 有利地，高强度磁场的强度大于或等于0. 5特斯拉（tesla)。有利地，低强度磁场 的强度小于0.1特斯拉。有利地，高强度磁场的脉冲率是每秒多个脉冲。有利地，固化压力 在5到20MPa的范围内。有利地，低强度磁场在0. 5到IOkHz的范围内的频率下交替变化。 有利地，粉末包含铁基或钛基合金。有利地，预制件具有超过使用热振荡固化的预制件的厚 度限制的厚度。
[0009] 另一方面是一种用于由粉末制造组件的方法。其包含：(a)冷压实粉末以产生预 制件；(b)将预制件放置在感应工具配件的智能感受器之间；（C)以无氧气体充满感应工 具配件内部的空间；（d)通过施加具有穿过智能感受器的表面的磁通量的变化的低强度磁 场，将智能感受器加热到平衡温度；（e)至少在智能感受器的温度达到平衡温度之后的一 段时间期间，施加固化压力至预制件；以及（f)当施加固化压力时，施加具有穿过预制件的 表面的磁通量的脉冲高强度磁场。在步骤（f)后，该方法可以进一步包含：（g)对预制件进 行淬火；(h)对淬火的预制件进行回火；以及（i)将预制件从感应工具配件中移除。高强度 磁场的强度大于低强度磁场的峰值强度。高强度磁场的强度和脉冲率被选择，使得预制件 的晶体相将在基本恒定的温度下快速振荡。脉冲高强度磁场被施加得足够长，以便在相振 荡期间实现预制件的超塑性。
[0010] 有利地，高强度磁场的强度大于或等于0. 5特斯拉。有利地，低强度磁场的强度小 于〇. 1特斯拉。有利地，高强度磁场的脉冲率是每秒多个脉冲。有利地，固化压力在5到 20MPa的范围内。有利地，低强度磁场在0. 5到IOkHz的范围的频率下交变。有利地，粉末 包含铁基或钛基合金。有利地，在固化压力被施加的步骤后并当预制件保持在第一和第二 感受器之间时执行以下步骤，该步骤包括对预制件进行淬火、对淬火的预制件进行回火以 及将预制件从感应工具配件中移除。
[0011] 根据进一步的方面，提供一种用于固化由金属合金粉末材料制成的预制件的方 法。该方法包含：(a)将预制件放置在智能感受器之间；(b)通过施加具有穿过智能感受器 的表面的磁通量的变化的低强度磁场，将智能感受器加热到平衡温度；（C)至少在智能感 受器的温度达到平衡温度之后的一段时间期间，施加固化压力至预制件；以及（d)当施加 固化压力时，施加具有穿过预制件的表面的磁通量的脉冲高强度磁场。高强度磁场的强度 大于〇. 5特斯拉，而低强度磁场的峰值强度小于0. 1特斯拉。高强度磁场的强度和脉冲率 被选择，使得预制件的晶体相将在基本恒定的温度下快速振荡。脉冲高强度磁场被施加得 足够长，以便在相振荡期间实现预制件的超塑性。
[0012] 有利地，高强度磁场的强度大于或等于0. 5特斯拉。有利地，低强度磁场的强度小 于0. 1特斯拉。有利地，高强度磁场的脉冲率是每秒多个脉冲。有利地，固化压力在5到 20MPa的范围内。
[0013] 又一方面是一种用于固化由粉末制成的预制件的设备，其包含：第一和第二工具 配件，其分别地包含至少一个感应线圈的相应部分和具有彼此相对的表面的第一和第二智 能感受器，第一工具配件可相对于第二工具配件移动，用于将压缩力压力施加在布置在相 对的表面之间的预制件上；供电电源，其电连接至至少一个感应线圈；用于施加力至第一 和第二工具配件中的一个或两个，使得相对的表面将施以压缩力至放置在其间的预制件上 的装置；以及，控制器，其被编程以将供电电源和用于施加力的装置控制如下：(a)控制供 电电源以施加具有穿过智能感受器的表面的磁通量的变化的低强度磁场直到智能感受器 被加热到平衡温度；(b)控制用于施加力的装置以至少在智能感受器的温度达到平衡温度 时的时间后的一段时间期间施加等于固化压力的压缩力至预制件；以及（c)当施加固化压 力时，控制供电电源以施加具有穿过预制件的表面的磁通量的脉冲高强度磁场。高强度磁 场的强度大于低强度磁场的峰值强度。高强度磁场的强度和脉冲率被选择，使得预制件的 晶体相将在基本恒定的温度下快速振荡。脉冲高强度磁场被施加得足够长，以便在相振荡 期间实现预制件的超塑性。
[0014] 下面公开和要求保护其它方面。
【附图说明】
[0015] 出于说明前述方面和其它方面的目的，下面将参考附图描述各种实施例。
[0016] 图1是示出根据一个实施例的用于固化由铁合金粉末制造的金属合金的感应过 程的流程图。