專利名稱：混合部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形成混合部件的方法，該混合部件包括至少兩個(gè)金屬部分，所述至少兩個(gè)金屬部分優(yōu)選地具有基本上不同的材料性質(zhì)。本發(fā)明還涉及一種如此形成的混合部件。
背景技術(shù)：
當(dāng)前以多種方式實(shí)現(xiàn)金屬部件之間的接合，每種方式均具有其自身的局限性。使用緊固件是普通的但是導(dǎo)致由于需要螺栓連接凸緣而增加部件的重量。被鉆出以能夠進(jìn)行螺栓連接的孔也會(huì)造成應(yīng)力集中，這些孔會(huì)充當(dāng)裂紋發(fā)生部位。同樣地，被緊固的接頭也不太適合許多航天應(yīng)用。接合不同的金屬材料的常見(jiàn)方法是通過(guò)焊接或銅焊。然而，這些工藝具有其自身的局限性。僅能對(duì)某些材料和材料組合執(zhí)行焊接，并且焊接工藝會(huì)弓I入局部熱影響區(qū)，局部熱影響區(qū)可能是脆弱的并且可能不利地影響疲勞性能。金屬部分之間的粘合結(jié)合是可能的。然而，它們?cè)趧冸x和張力上的弱點(diǎn)使得它們?cè)谄溆糜趥鹘y(tǒng)航天結(jié)構(gòu)內(nèi)的適用性受限。粘合劑也趨向于對(duì)濕度和高溫敏感，使得它們不適合于許多應(yīng)用。W02008/110835A1描述了一種方法，通過(guò)該方法借助附加的制造工藝在金屬部件的結(jié)合表面上以一系列層“生成”表面突起。一對(duì)具有互補(bǔ)的表面突起的金屬部件可以被放在一起并且利用一薄層粘合劑接合。這些互補(bǔ)的突起提高了接合部的表面積。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面提供了一種形成包括至少兩個(gè)金屬部分的混合部件的方法，該方法包括通過(guò)在第一金屬部分的界面連接面上形成至少一個(gè)肉眼可見(jiàn)的界面連接特征部來(lái)制備該第一金屬部分；將所述第一部分定位在模具中；將金屬粉末引入所述模具中并且圍繞所述界面連接特征部；以及通過(guò)熱等靜壓(HIP)工藝使所述金屬粉末固結(jié)以形成第二金屬部分，該第二金屬部分包封所述界面連接特征部以提供所述部件的所述第一部分和所述第二部分之間的機(jī)械連接。本發(fā)明的另一方面提供一種包括至少兩個(gè)金屬部分的混合部件，其中，所述第一金屬部分具有形成在該部分的界面連接面上的至少一個(gè)肉眼可見(jiàn)的界面連接特征部，并且所述第二金屬部分已通過(guò)借助熱等靜壓工藝使金屬粉末圍繞所述界面連接特征部固結(jié)而形成，以提供所述部件的所述第一部分和所述第二部分之間的機(jī)械連接。本發(fā)明有利之處在于，混合部件可以由至少兩個(gè)金屬部分形成。這樣，所述第一金屬部分和所述第二金屬部分可以由為不同目的而最優(yōu)化的材料形成。例如，可以使所述第一部分的材料最優(yōu)化以用于接合到復(fù)合材料，而所述第二金屬部分可以由相對(duì)不太昂貴的材料形成。所述HIP工藝通常在超過(guò)大約IOOMI5a的高壓下進(jìn)行。由于所用的高壓，因此即使當(dāng)所述界面連接特征部具有復(fù)雜形狀時(shí)，圍繞所述界面連接特征部使所述金屬粉末固結(jié)也能產(chǎn)生幾乎沒(méi)有孔隙或缺陷的十分致密的混合部件。在與諸如鑄造或金屬注射成型之類的其它成形工藝相比時(shí)，這特別有益，所述其它成形工藝會(huì)圍繞所述界面連接特征部產(chǎn)生一些局部缺陷并且由于這些工藝而會(huì)在部件中存在一些內(nèi)在孔隙。事實(shí)上，其中第二部分已經(jīng)通過(guò)鑄造形成的混合部件常常在制造之后經(jīng)受HIP工藝從而閉合由鑄造工藝引起的氣孔。因此。本發(fā)明的形成混合部件的方法有利的是，所述部件能以較少的步驟形成。所述界面連接特征部是肉眼可見(jiàn)的。也就是說(shuō)，它們通常具有至少I(mǎi)mm的尺寸。它們不僅僅是純粹的表面粗糙度而是形成所述第一部分和所述第二部分之間的積極的機(jī)械連接。優(yōu)選地，所述界面連接特征部具有至少5mm的尺寸。在所述界面連接面上可以以一系列層生成所述界面連接特征部，通過(guò)將能量和/ 或材料導(dǎo)向所述界面連接面使每一層生長(zhǎng)?？梢圆捎玫倪m當(dāng)?shù)母郊拥闹圃旒夹g(shù)是粉末床工藝(powder bed process)或粉末供給工藝。另選地，所述界面連接特征部可以通過(guò)機(jī)械加工形成。所述界面連接特征部可以是從所述界面連接面伸出的突起的陣列。另選地，所述界面連接特征部可以是具有多個(gè)分枝的樹(shù)狀突起。然而更進(jìn)一步，所述界面連接特征部可以是所述界面連接面中的一系列凹部或凹槽或者它們的陣列。具有所述界面連接特征部的所述第一部分可以被固定在所述模具中，并且所述金屬粉末可以作為易流動(dòng)材料被引入以充填所述模具并且包圍所述界面連接特征部。所述混合部件可以是托架部件，該托架部件包括托架主體(所述第二部分)和界面連接帶(所述第一部分)。當(dāng)圍繞所述第一部分的所述界面連接特征部形成所述第二部分時(shí)，為了使所述第一部分的所述界面連接特征部保持它們的完整性，所述第一部分的材料的熔點(diǎn)優(yōu)選地比所述第二部分的材料高。所述第一部分的材料的楊氏模數(shù)、耐蝕性或者韌性中的至少一個(gè)可以比所述第二部分的材料高。優(yōu)選地，所述第一部分具有第二界面連接面，并且形成從所述第二界面連接面伸出的用于嵌入另一個(gè)部件的突起的陣列。在形成所述第二部分之前或之后，可以在所述第二界面連接面上形成所述突起。所述其它部件可以是復(fù)合部件，并且優(yōu)選地是層壓復(fù)合部件。所述第一界面連接面和所述第二界面連接面可以位于所述第一部分的相對(duì)兩面上，使得所述第一部分用作所述混合部件的界面連接帶。


現(xiàn)在將參照附圖描述描述本發(fā)明的實(shí)施方式，其中圖1示出了第一實(shí)施方式的混合托架部件的剖視圖，該混合托架部件包括托架主體和界面連接帶；圖2示出了第一實(shí)施方式的界面連接帶的剖視圖；圖3示出了在熱等靜壓模具中形成第一實(shí)施方式的混合托架部件的剖視圖；圖4示出了第二實(shí)施方式的混合托架部件的剖視圖，該混合托架部件包括托架主體和界面連接帶；圖5示出了第二實(shí)施方式的界面連接帶的剖視圖；圖6示出了接合到復(fù)合部件的第二實(shí)施方式的混合托架部件的剖視圖；圖7示出了第三實(shí)施方式的混合托架部件的剖視圖，該混合托架部件包括托架主體和界面連接帶；以及圖8示出了第四實(shí)施方式的混合托架部件的剖視圖，該混合托架部件包括托架主體和界面連接帶。
具體實(shí)施例方式圖1所示的混合托架部件1包括第一金屬部分和第二金屬部分。該第二金屬部分形成托架部件1的主體2，并且該第一金屬部分形成界面連接帶3。現(xiàn)在將詳細(xì)地描述形成圖1所示的混合托架部件1的方法。首先，如圖2所示，在矩形板6的界面連接面5上形成肉眼可見(jiàn)的界面連接特征部4的三維陣列以形成界面連接帶3。界面連接特征部4是突起的陣列，每個(gè)突起均具有尖端7和懸突部8。如圖3所示，具有界面連接特征部4的界面連接帶3被結(jié)合到兩部分式熱等靜壓模具9內(nèi)，其中界面連接特征部4面對(duì)模具。模具9具有接納界面連接帶3的邊緣11的凹部10。在界面連接帶3就位的情況下，模具9限定一內(nèi)部容積，該內(nèi)部容積大致與托架部件 1的主體2的形狀對(duì)應(yīng)。將金屬粉末經(jīng)由口 12、13引入模具9以填充所述內(nèi)部容積。金屬粉末包圍界面連接帶3的界面連接特征部4。然后使模具9中的組件在將使金屬粉末固結(jié)成實(shí)心的、十分致密的部分(主體幻的溫度和壓力下經(jīng)受熱等靜壓(HIP)。這在兩個(gè)金屬部分2、3之間產(chǎn)生機(jī)械連接以形成混合托架部件1。然后從HIP模具9除去混合托架1。界面連接帶3由諸如Ti6A14V的鈦制成。主體2由鋁制成。混合托架1是功能梯度部件，其具有橫跨該部件的功能梯度材料?；旌贤屑?有利地在于，其暴露面14中的一個(gè)具有改良的耐蝕性和韌性，同時(shí)托架1總體保持了輕便和相對(duì)較廉價(jià)，這是因?yàn)樗饕射X制成。重要的是，界面連接帶3的材料的熔點(diǎn)比主體2的材料的熔點(diǎn)高，使得界面連接帶，特別是其界面連接特征部4保持它們的結(jié)構(gòu)完整性，這是因?yàn)橹黧w2以HIP工藝形成。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的是，兩個(gè)金屬部件的材料可以改變以提供適于不同應(yīng)用的功能梯度混合部分。此外，混合部件可以包括多于兩個(gè)的金屬部分，每個(gè)附加金屬部分均在單獨(dú)的HIP模具中形成。第一金屬部分的材料的楊氏模數(shù)、耐蝕性或韌性中的至少一個(gè)可以比第二金屬部分的材料高。作為通過(guò)HIP工藝形成附加金屬部分的替代方案，可以另選地采用金屬注射成型、鑄造或其它適當(dāng)?shù)墓に?。通過(guò)附加的制造工藝在界面連接面5上以一系列層順序地生成界面連接特征部 4，這些附加制造工藝是諸如W02008/110835A1 (參見(jiàn)8_11欄)中所述的粉末床工藝或者粉末供給工藝，。在粉末床工藝中，使金屬粉末床橫跨支撐構(gòu)件輾壓，并且激光頭掃描過(guò)粉末床，以將激光導(dǎo)向粉末床的所選擇的部分。在使熔化的粉末凝固的間歇之后，使另一層粉末輾壓過(guò)先前的層以準(zhǔn)備燒結(jié)。從而當(dāng)該過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，構(gòu)造成由松散的粉末部分支撐的燒結(jié)部分。在已完成該部分之后，從支撐構(gòu)件去除該部分，并且去除松散的粉末。粉末床工藝能用來(lái)形成包括板6和界面連接特征部4的完整的金屬界面連接帶3。粉末供給系統(tǒng)能用來(lái)在先前制造的板6上連續(xù)地堆積起界面連接特征部4。粉末供給系統(tǒng)能使界面連接特征部串聯(lián)地或并聯(lián)地生長(zhǎng)，然而粉末床系統(tǒng)僅能使界面連接特征部并聯(lián)地生長(zhǎng)。在粉末供給系統(tǒng)中，未燒結(jié)的粉末流過(guò)通道而進(jìn)入激光束的焦點(diǎn)內(nèi)。當(dāng)粉末被沉積時(shí)，使它熔化以形成熔珠，該熔珠變得與現(xiàn)有材料固結(jié)在一起。粉末僅被引向界面連接面5的所選擇的部分，并且當(dāng)輸送粉末時(shí)其被熔融。W02008/110835A1中所述的粉末床或粉末供給系統(tǒng)的激光源能由諸如用于指引電子束的電子束源的另一個(gè)能量束源代替。另選地，能通過(guò)使用諸如電子束的能量束來(lái)產(chǎn)生界面連接特征部4，以便利用 W02004/028731A1中所述的工藝從板6的界面連接面5 “輕拂(flick-up) ”表面材料以雕刻出特征部4。界面連接特征部4也可以通過(guò)機(jī)械加工形成。圖4示出了混合托架部件21的第二實(shí)施方式?；旌贤屑?1包括第一金屬部分和第二金屬部分。第二金屬部分形成托架部件21的主體22，并且第一金屬部分形成界面連接
23 ο除了以下不同之處外，混合托架21類似于混合托架1，該不同之處是，除了矩形板 26的第一界面連接面25上的肉眼可見(jiàn)的界面連接特征部M的陣列之外，界面連接帶23還包括位于與第一界面連接面25相對(duì)的第二界面連接面36上的突起35的陣列。形成圖4所示的混合托架部件21的方法類似于關(guān)于第一實(shí)施方式的以上描述的方法，具有在第二界面連接面36上形成突起35的陣列的附加步驟。界面連接特征部M是突起的陣列，每個(gè)突起均具有尖端27和懸突部觀。突起35與突起M相反地取向并且每個(gè)突起35也具有尖端37和懸突部38。通過(guò)W02008/110835A1中所述的附加的制造工藝中的一個(gè)工藝在界面連接面 25、36上以一系列層順序地生成界面連接特征部M和突起35。另選地，它們可以通過(guò) W02004/028731A1中所述的工藝或者通過(guò)機(jī)械加工而形成。基于用來(lái)形成兩組突起對(duì)、35 的方法，在已在其中一個(gè)界面連接面上形成第一組突起之后，可能必需翻轉(zhuǎn)板沈，從而可以在另一個(gè)界面連接面上形成另一組突起。以類似于關(guān)于第一實(shí)施方式的以上描述的方式形成主體22，以便通過(guò)圍繞界面連接面M以HIP工藝使金屬粉末固結(jié)來(lái)形成混合托架部件21。作為上述方法的替代方案，可以通過(guò)采取混合托架部件1并且借助上述突起形成方法中的任何一個(gè)方法在暴露面14上形成突起35的陣列來(lái)形成第二實(shí)施方式的混合托架部件21。通過(guò)將托架部件21的突起35的陣列嵌入復(fù)合部件中，然后共同固化所述部件可以形成混合穿透加強(qiáng)(HYPER)接頭。W02008/110835A1 (參見(jiàn).7和8欄)中詳細(xì)地描述了 HYPER接頭的形成。托架部件21被結(jié)合到模具中，其中突起25面向外，并且將復(fù)合疊層鋪設(shè)在模具上。該復(fù)合疊層包括用未固化的環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸漬的一系列單軸碳纖維層。每層傳統(tǒng)上被稱為“預(yù)浸料坯”。最初的預(yù)浸料坯由突起35穿透。在已形成疊層之后，其通過(guò)所謂的“真空袋壓”工藝被固化和固結(jié)。也就是說(shuō)，疊層由真空膜(并且任選地各個(gè)其它層，諸如通氣層或外層)覆蓋；真空膜被抽空以施加固結(jié)壓力并且抽取水分和揮發(fā)物；并且疊層(任選地在高壓釜中)被加熱以固化環(huán)氧樹(shù)脂基體。當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂基體在固化之前熔化時(shí)，它流動(dòng)而與突起35密切接觸。突起與基體機(jī)械地接合，同時(shí)還增大了結(jié)合部的表面積。圖6示出了所形成的HYPER接頭，其中托架部件21在被從模具去除后被接合到復(fù)合部件40。然后可將接合的部件與各種其它部件組裝在一起。作為上述形成HYPER接頭的方法的替代方案，當(dāng)干燥纖維層時(shí)可以將所述多個(gè)層鋪設(shè)在模具上，隨后將樹(shù)脂注入模具并且固化以形成復(fù)合部件40。可以使突起的輪廓最優(yōu)化為用于嵌入復(fù)合部件中。每個(gè)突起均可以具有錐形尖、 截頭圓錐形基座以及倒截頭圓錐形懸突部。懸突部可具有底切邊緣，該底切邊緣是傾斜的并且面向第二界面連接面。錐形尖和倒截頭圓錐形懸突部一起形成每個(gè)突起的“頭部”。在上述實(shí)施方式中，界面連接特征部是突起的陣列，每個(gè)突起均具有尖端和懸突部。然而，應(yīng)當(dāng)理解界面連接特征部可以采取多種不同的形式。圖7示出了混合托架部件101的第三實(shí)施方式，該混合托架部件101包括主體102 和界面連接帶103。界面連接帶具有單個(gè)界面連接特征部104，該界面連接特征部104形成在界面連接帶的界面連接面105上并且具有樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。圖8示出了混合托架部件201的第四實(shí)施方式，該混合托架部件201包括主體202和界面連接待203。界面連接帶具有在其界面連接面205中形成為一系列凹槽的界面連接特征部204的陣列。圖7和圖8所示的實(shí)施方式的界面連接特征部104/204例如可以通過(guò)前述的附加的制造工藝、表面雕刻工藝或機(jī)械加工工藝中的一個(gè)工藝形成。托架部件101/201的主體 102/202可以通過(guò)利用前述的HIP工藝使金屬粉末圍繞界面連接特征部104/204固結(jié)而形成。如前所述可以使用用于界面連接帶和主體的類似材料?；旌贤屑懿考?01/201可以通過(guò)利用參照上面的第二實(shí)施方式描述的方法形成HYPER接頭而接合到復(fù)合部件。雖然以上已經(jīng)參照一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，在沒(méi)有脫離如所附的權(quán)利要求所限定的發(fā)明的范圍的情況下，可以進(jìn)行各種改變或修改。
權(quán)利要求
1.一種形成包括至少兩個(gè)金屬部分的混合部件的方法，該方法包括通過(guò)在第一金屬部分的界面連接面上形成至少一個(gè)肉眼可見(jiàn)的界面連接特征部來(lái)制備該第一金屬部分；將所述第一部分定位在模具中；將金屬粉末引入所述模具中并且圍繞所述界面連接特征部； 以及通過(guò)熱等靜壓(HIP)工藝使所述金屬粉末固結(jié)以形成第二金屬部分，該第二金屬部分包封所述界面連接特征部以提供所述部件的所述第一部分和所述第二部分之間的機(jī)械連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述界面連接面上以一系列層生成所述界面連接特征部，通過(guò)將能量和/或材料導(dǎo)向所述界面連接面而使每一層生長(zhǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過(guò)機(jī)械加工形成所述界面連接特征部。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第二部分通過(guò)所述HIP固結(jié)而制造得十分致密。
5.一種將根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法形成的混合部件接合到另一個(gè)部件的方法，該方法包括形成從所述混合部件的所述第一部分的第二界面連接面伸出的突起的陣列；并且將所述突起嵌入所述另一個(gè)部件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，在形成所述第二部分之前或之后，在所述第一部分的所述第二界面連接面上形成所述突起。
7.一種包括至少兩個(gè)金屬部分的混合部件，其中，所述第一金屬部分具有至少一個(gè)形成在該部分的界面連接面上的肉眼可見(jiàn)的界面連接特征部，并且所述第二金屬部分已通過(guò)借助熱等靜壓工藝使金屬粉末圍繞所述界面連接特征部固結(jié)而形成，以提供所述部件的所述第一部分和所述第二部分之間的機(jī)械連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的部件，其中，所述界面連接特征部是從所述界面連接面伸出的突起的陣列。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的部件，其中，所述界面連接特征部是具有多個(gè)分枝的樹(shù)狀突起。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中的任一項(xiàng)所述的部件，其中，所述第一部分的材料的熔點(diǎn)比所述第二部分的材料的熔點(diǎn)高。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中的任一項(xiàng)所述的部件，其中，所述第一部分的材料的楊氏模數(shù)、耐蝕性或韌性比所述第二部分的材料高。
12.一種根據(jù)權(quán)利要求7至11中的任一項(xiàng)所述的混合部件和另一個(gè)部件之間的接頭， 其中，所述混合部件的所述第一部分還包括從其第二界面連接面伸出的突起的陣列，所述突起的陣列被嵌入所述另一個(gè)部件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的接頭，其中，所述另一個(gè)部件是復(fù)合部件。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的接頭，其中，所述另一個(gè)部件是層壓部件。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中的任一項(xiàng)所述的接頭，其中，所述界面連接面位于所述第一部分的相對(duì)兩面上。
全文摘要
一種形成包括至少兩個(gè)金屬部分的混合部件的方法，該方法包括通過(guò)在第一金屬部分的界面連接面上形成至少一個(gè)肉眼可見(jiàn)的界面連接特征部來(lái)制備該第一金屬部分；將所述第一部分定位在模具中；將金屬粉末引入所述模具中并且圍繞所述界面連接特征部；以及通過(guò)熱等靜壓(HIP)工藝使所述金屬粉末固結(jié)以形成第二金屬部分，該第二金屬部分封裝所述界面連接特征部以提供所述部件的所述第一部分和所述第二部分之間的機(jī)械連接。而且，本發(fā)明還涉及如此形成的混合部件。所述金屬部分可以具有實(shí)質(zhì)上不同的材料性質(zhì)。
文檔編號(hào)B22F3/15GK102369073SQ201080015408
公開(kāi)日2012年3月7日 申請(qǐng)日期2010年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者丹尼爾·瓊斯, 喬納森·邁爾 申請(qǐng)人:空中客車(chē)操作有限公司