[发明专利]使用冷喷涂形成锻造结构的方法

说明书

一种生产具有锻造结构的产品的方法和设备。该方法包括以下步骤：将热量和压缩载荷同时施加到冷喷涂沉积预成型件的施加区域，以将包含固结颗粒结构转变成锻造结构，该压缩载荷横向施加到施加区域。向施加区域施加压缩载荷和热量使施加区域中的预成型件的材料的温度升高到材料的重结晶温度和熔点之间。

相关引用

本申请要求于2017年6月20日提交的澳大利亚临时专利申请号2017902355的优先权，其内容应被理解为通过引用结合到本说明书中。

技术领域

本发明总体上涉及由粉末的冷喷涂沉积生产锻造结构的方法以及相关设备。本发明特别适用于生产钛和钛合金锻造结构，并且在下文中关于该示例性应用公开本发明将是方便的。然而，应当理解，本发明不限于该应用，而是可以适用于多种金属、金属/金属合金、金属基质复合材料等的冷喷涂沉积。

背景技术

以下对本发明背景的讨论旨在促进对本发明的理解。然而，应当理解，该讨论并不是承认或认可所涉及的任何材料在本申请的优先权日之前已经出版、已知或属于部分公知常识。

锻造材料是指从常用铸造材料，或甚至是增材制造加工材料“加工”而成的材料，以改善诸如延展性的性能。锻造材料通常没有内部和外部缺陷，例如收缩和孔隙率，这些缺陷是铸件中常见的问题，并且在高温下，在铸造成形中固有地比锻造品级更强。微结构在材料性能中起着重要作用，而表面形貌在其实用性和寿命方面也起着重要作用，因为锻造金属或合金的光滑表面有助于避免焦点加速腐蚀，例如被熔融盐或碳沉积。

制造锻造材料的常见工业实践包括热等静压或加压（HIP），这是一种完善的工艺，可以提高多种材料（如钛、钢、铝和高温合金）的机械性能和可加工性。HIP工艺包括将成型制品密封在压力室内，并在该压力室内施加等静压和升高的温度一段选定的时间，例如在100 MPa下的950°C持续4小时。通常通过加热压力室内的惰性气体对室加压。因此，热等静压（HIPing）提供了多方向的压力，其施加在处理过的制品的整个外表面上。使用此方法，可以减少或消除铸件中的空隙，并且可以将封装的粉末固结以形成完全致密的材料。此外，可以去除由于在铸造或增材制造过程中截留的气体而产生的，看起来像小的加压气泡的截留气体。因此，使用HIPing工艺，可以将微结构转变为锻造结构。

现在，包括钛及其合金在内的许多金属也采用增材制造方法来制造，例如冷喷涂技术。在冷喷涂过程中，固态的小颗粒在超音速气体射流中被加速至高速（通常高于500 m/s）并沉积在基板材料上。利用颗粒的动能通过与基板碰撞时的塑性变形来实现粘结。不存在氧化能实现冷喷涂技术用于从粉末近净成形制造有形钛产品。

固体喷雾沉积组分可以通过以期望的喷雾图案逐步沉积各层而形成，参见例如申请人的国际专利公开WO2015157816。然而，使用常规冷喷涂方法形成的低孔隙率固体形状的生产可能具有形成和结构问题，这是由于达到高速度所需的加速气体的加热要求以及必需的颗粒热软化（其有利于低孔隙率沉积物的产生）。例如，具有低孔隙率的冷喷涂钛合金的生产通常需要在700至1100°C的范围内预热冷喷涂气体。每当冷喷涂气体射流穿过冷喷涂沉积物以在其上喷涂冷喷涂颗粒时，这不可避免地导致大量热量传递到冷喷涂沉积物。加热产生热应力，即使仍在进行冷喷涂，热应力也可能导致大的沉积物开裂或沉积物与基板分离。如果表面温度足够高，甚至可能发生氧化。