[发明专利]用于喷射成型金属部件的方法和喷射成型的金属部件

说明书

技术领域

本发明涉及通过喷射成型技术制造带有冷却通道的金属部件以及如此制造出的部件。

背景技术

喷射成型是一种独特的凝固工艺，其中熔融金属被惰性气体雾化成10-200微米的液滴，并以亚音速飞到沉积基底上。在飞行过程中，用可控的方式以每秒100至100000度的冷却速率快速冷却液滴，从而金属的凝固并不依赖于类似模具的沉积表面的温度和/或热性能。抵达模具的颗粒处于这样一种情形，即熔接(welding)到已沉积金属的过程是彻底的，并且粒子间的边界不再扩展。因此所形成的高质量材料具有细密的、等轴并且均质的微观结构。在制造高合金金属部件例如模具嵌入件和工具头(tooling head)方面这些特征是尤其显著的。

这种部件通常需要冷却以用于适当的操作和用于防止过热缩短部件的寿命以及有可能导致的损害。传统的冷却通道可以通过加工形成。但是，在通常难以喷射成型的材料中钻出通道是很困难的并且相当费时。已经实践了在喷射成型的过程中，通过在整个工艺的中间阶段在沉积材料上设置金属管来形成冷却通道。在接下来沉积所述结构的最终厚度之后，所述金属管在部件内形成开口通道。

但是，这种方法中出现很多问题。首先，管会产生遮蔽效应，阻碍了喷射的金属沉积到管下面。这就导致在喷雾不能落下的区域中在管下面形成了空隙，从而削弱了冷却效率，并且通常会导致部件受重压、变形甚至破裂。此外，喷射材料的上表面通常与沉积基底的轮廓一致。相反，设置到这种类型表面上的金属管则是刚性的。因此，这一表面中的垂直变化越多，管周围的空腔就越多，因而降低了冷却效率。

发明目的

本发明的目的是提供一种新的用于喷射成型具有冷却通道的金属部件的方法，以及一种新颖的喷射成型的具有冷却通道的金属部件，通过该方法和部件可以减轻如上所述的问题。

发明内容

按照本发明的方法的特征由权利要求1体现。相应地，按照本发明的喷射成型的金属部件的特征由权利要求3体现。

本发明的用于喷射成型带有用于冷却的细长开口通道的金属部件的方法包括首先在沉积基底上喷射形成所期望的金属层，所述沉积基底例如是一陶瓷模具。在喷射成型中，能够采用任何已知的喷射成型工艺，如Osprey^TM工艺，由INEEL(美国爱达荷州国家工程和环境实验室)研发的RSP Tooling^TM工艺或由Ford Motor公司和牛津大学研发的Ford Rapid Tooling工艺。第一层的厚度例如取决于所制造部件的总厚度、所使用的金属和需要的冷却效率。通过喷射的持续时间控制层的厚度，从而优选形成与沉积基底的表面轮廓一致的基本均匀的厚度。在达到所期望的第一层的厚度后，该方法接下来包括将一细长的喷射阻挡物体放置到已经沉积的层上，以用于形成开口通道。最后，继续喷射成型工艺直到实现所要求的部件总厚度。喷射阻挡表示金属喷射不能穿透喷射阻挡物体。换言之，喷射阻挡物体在金属不能到达的地方形成遮蔽，从而在遮蔽区域中形成细长的开口通道。

按照本发明，该喷射阻挡物体是带，所述带的横截面轮廓在沿着其横截面的轴线方向上完全敞开。这种形式的带被设置在已经沉积的层上，其轴线方向基本平行于金属喷雾的入射方向。在所述轴线方向上完全敞开表示横截面轮廓在这一方向上没有凹口。换言之，即当沿着所述轴线的方向从带的任一侧看过去时，带的相应表面能够被完全看到。从入射的金属喷雾的方面看，这表明当按照权利要求所限定的指示时，与通道本身的体积相比，带不会产生其它的遮蔽。金属喷雾的入射方向表示沿着通常为锥形喷雾的中心轴线方向。

通过该方法还实现了几个重要的进步。相比于现有技术中的解决方案，通道下边界由首先沉积的层本身的表面限定而成。因此，在通道中流动的冷却剂直接接触到部件主体，改善了冷却剂和部件之间的热连接。此外，通道边界能够与所述表面的高度变化自动一致。而且，如上所述，完全敞开的轮廓可防止在通道周围形成任何有害的间隙或气孔。所有的这些特征能够共同有效冷却整个部件。

在本发明的一个优选实施方案中，带的横截面轮廓为敞开的弧形，例如半圆形，并且所述带被放置到已经沉积的层上，其弧形的凸起侧朝向入射的金属喷雾，从而在带的凹入侧中形成通道。这些具有弯曲横截面的带能够例如通过分开圆形管道而被容易地制造出来。弧形还应当具有相当坚硬的形状以便能够使带相当薄。不过，在权利要求限定的一个方向中完全敞开的任何轮廓都是可行的。因此，带的轮廓例如能够是三角形或矩形的三条边。甚至还能够使用平面状的带。