專利名稱：使用可活動嵌入模塊的擴散結(jié)合和超塑成形設備的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及擴散結(jié)合和超塑成形設備；具體涉及使用可活動嵌入模塊來結(jié)合固態(tài)物體的擴散結(jié)合和超塑成形設備。
背景技術(shù)：
一般來說，結(jié)合方法分為機械結(jié)合方法和冶金結(jié)合方法。在機械結(jié)合方法中，通過在結(jié)合面上局部地發(fā)生塑料變形使物體結(jié)合。在冶金結(jié)合方法中，通過局部地熔化結(jié)合面的預定區(qū)域或者擴散金屬原子的熱運動使物體結(jié)合。
擴散結(jié)合方法是典型的冶金結(jié)合方法之一。在擴散結(jié)合方法中，通過在一定溫度下向結(jié)合物體施加均勻壓力使物體結(jié)合，所述溫度足夠高以進行結(jié)合操作但不會過高而使結(jié)合物體熔化。擴散結(jié)合方法已經(jīng)廣泛地應用于運輸工業(yè)領域比如汽車和鐵路以及航空工業(yè)領域。因為這種方法結(jié)合固態(tài)物體，所以對于制造復雜形狀的零件極好。最近，研發(fā)新材料的許多研究取得了積極的進步。擴散結(jié)合方法還可用于生產(chǎn)各種復合材料，如納米復合材料。
為了使用擴散結(jié)合方法制造高質(zhì)量的零件，必須在合適的溫度下將均勻壓力傳遞到層積金屬片的表面。
根據(jù)待制造的產(chǎn)品形狀不同，層積金屬片的高度不同。這種高度差使層積金屬片的表面不均勻。通常，一體制造的單一嵌入模塊用來在不均勻表面上均勻地施加壓力。使用這種單一嵌入模塊的結(jié)合方法具有以下問題。
當在層壓不同高度的同種金屬片后執(zhí)行結(jié)合和成形操作時，根據(jù)層積金屬片的高度不同，層積金屬片在高度上的變形量不同。更具體地說，因為同種金屬的變形率是相同的，所以層積金屬片在結(jié)合前后的高度差(ΔL)與層積金屬片的高度(L)成正比。層積片的變形總量與層積相對較少片的變形總量相比更大。
當在層壓不同種金屬片后執(zhí)行結(jié)合和成形操作時，根據(jù)金屬的種類不同，層積金屬片的變形率不同。也就是說，雖然多種不同類型的金屬片層壓成相同高度，但是在層積金屬片上執(zhí)行結(jié)合和成形操作后，具有較高變形率的層積金屬片的高度可能低于具有較低變形率的層積金屬片的高度。
由于層積金屬片高度的變形量和變形率差異，所以在執(zhí)行結(jié)合和成形操作時使用單一嵌入模塊難于將均勻的壓力傳遞到層積金屬片。其結(jié)果是，因為傳遞較小壓力的金屬片區(qū)域沒有適當?shù)嘏c其他金屬片結(jié)合，所以可能出現(xiàn)結(jié)合失敗的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，因此本發(fā)明的一個方面是提供一種使用可活動嵌入模塊的擴散結(jié)合和超塑成形設備，這種設備具有增強結(jié)構(gòu)以提高層積金屬片之間的結(jié)合力。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供一種擴散結(jié)合和超塑成形設備，其包括下框架，具有保護氣體注入通道；中框架，置于所述下框架上并具有用于放置多個結(jié)合材料的空間；上框架，置于所述中框架上并具有用于注入成形氣體的成形氣體注入通道，所述成形氣體用于加壓并形成所述結(jié)合材料；以及多個可活動嵌入模塊，置于所述結(jié)合材料上，用于通過接收由注入的成形氣體產(chǎn)生的壓力加壓所述結(jié)合材料。
多個可活動嵌入模塊中的每一個模塊可以根據(jù)形成各結(jié)合材料的金屬片的變形率單獨地上下活動。
每個可活動嵌入模塊可以包括垂直形成的通孔。
所述擴散結(jié)合和超塑成形設備還可以包括置于所述可活動嵌入模塊上的密封片。
所述密封片可以是可拉伸的。
所述擴散結(jié)合和超塑成形設備還可以包括置于所述上框架一側(cè)的壓力機，以提高所述擴散結(jié)合和超塑成形設備中的氣體密封效率。
可以用陶瓷粉末涂布所述可活動嵌入模塊，以減小所述可活動嵌入模塊的接觸面之間的摩擦力。
所述陶瓷粉末可以選自氧化釔(Yttria)、氮化硼(BN)和氮化鋁(AlN)中的一種。
通過所述保護氣體注入通道和所述成形氣體注入通道注入的氣體可以是惰性氣體。
注入到所述成形氣體注入通道中的惰性氣體壓力大約為20～40巴。
所述惰性氣體為氬氣。


通過參考附圖詳細描述本發(fā)明的示例性實施例，本發(fā)明的上述和其他特征和優(yōu)點將變得更明顯，附圖中圖1是本發(fā)明示例性實施例的使用可活動嵌入模塊的擴散結(jié)合和超塑成形設備的剖視圖；圖2是圖1所示的可活動嵌入模塊的剖視圖；以及圖3是描述使用可活動嵌入模塊的擴散結(jié)合和超塑成形設備的操作的圖。
圖4是通過利用本發(fā)明的使用可活動嵌入模塊的擴散結(jié)合和超塑成形設備結(jié)合多個金屬片層所制造的產(chǎn)品照片。
具體實施例方式
下面，將結(jié)合附圖更詳細地描述使用可活動嵌入模塊的擴散結(jié)合和超塑成形設備。
圖1是本發(fā)明示例性實施例的使用可活動嵌入模塊的擴散結(jié)合和超塑成形設備的剖視圖。
參見圖1，本發(fā)明的擴散結(jié)合和超塑成形設備包括用于向擴散結(jié)合和超塑成形設備中注入塑料成形氣體的上框架110，提供用于放置結(jié)合物體的空間的中框架120，布置在結(jié)合物體上的可活動嵌入模塊130，向擴散結(jié)合和超塑成形設備中注入保護氣體的下框架150，布置在可活動嵌入模塊130上的密封片140，以及壓力機(圖中未示)。在本發(fā)明另一個實施例中，上框架和下框架可以形成為一體。
如圖1所示，上框架110包括塑料成形氣體入口111。成形氣體通過成形氣體入口111注入，注入的成形氣體加壓并形成結(jié)合物體121。優(yōu)選的是，在大約20-40巴的預定壓力范圍下注入惰性氣體作為成形氣體。如果注入惰性氣體產(chǎn)生的壓力高于預定壓力范圍，結(jié)合物體121可能過度變形，或者可能損壞嵌入模塊，從而引起氣體泄漏問題。如果壓力范圍低于預定壓力范圍，結(jié)合物體121可能不會完全地相互結(jié)合。優(yōu)選的是，根據(jù)結(jié)合物體121的高溫特性決定成形氣體的壓力與溫度。
可用使用氬氣作為惰性氣體。
中框架120位于上框架110之下。中框架120提供了用于放置結(jié)合物體例如多個金屬片層121的空間。通過層壓多個金屬片121形成每個金屬片層121。通過注入從上框架110注入的成形氣體所產(chǎn)生的氣體壓力對金屬片層121加壓，從而生產(chǎn)預定產(chǎn)品。根據(jù)目標產(chǎn)品的形狀不同，在一個金屬片層121中的金屬片數(shù)量和金屬片層121的高度可以不同。這種金屬片層121之間的高度差使得金屬片層121的表面不均勻。當經(jīng)過加壓使金屬片層121變形時，不均勻的表面使得難于在金屬片層121上施加均勻壓力，從而導致結(jié)合失敗。
圖2是圖1所示的可活動嵌入模塊的剖視圖，圖3是描述使用可活動嵌入模塊的擴散結(jié)合和超塑成形設備的操作的圖。
如圖2和圖3所示，各可活動嵌入模塊130單獨地布置在金屬片層121的不均勻表面上。根據(jù)相應金屬片層121的高度準備可活動嵌入模塊130的長度。例如，短的可活動嵌入模塊130a或130c布置在高的金屬片層121上，而長的可活動嵌入模塊130b布置在低的金屬片層121上。因為可活動嵌入模塊130根據(jù)相應金屬片層121的高度變形率單獨地在其上移動，所以可以向金屬片層121的不均勻表面上施加均勻的氣體壓力。
更具體地說，當金屬片層121被施壓時，金屬片層121的高度變形率和高度變形量根據(jù)下面因素變化。
當在由不同種類金屬片形成的每個金屬片層上執(zhí)行結(jié)合和成形操作時，根據(jù)形成金屬片層121的金屬片的種類不同，每個金屬片層121的變形率不同。也就是說，雖然結(jié)合了具有相同高度的金屬片層，但是高變形率的金屬片層121的高度可能低于低變形率的金屬片層121的高度。
當在由不同高度的同種金屬片形成的金屬片層上執(zhí)行結(jié)合和成形操作時，較高金屬片層121與較低金屬片層121的變形量不同。具體地說，因為同種金屬的變形率是相同的，所以金屬片層121在執(zhí)行結(jié)合和成形操作前后的高度差(ΔL)與金屬片層的高度(L)成正比。因此，較高金屬片層121的高度差的變形量大于較低金屬片層121的高度差的變形量。
為了在多個金屬片層121的表面上施加均勻壓力，而不管其高度的變形率和變形量如何，在本實施例中使用了各自單獨上下活動的可活動嵌入模塊130。
每個可活動嵌入模塊130包括相互嵌入垂直形成的通孔131a、131b和131c。然而，本發(fā)明并不限于這種可活動嵌入模塊的形狀?？苫顒忧度肽K130可以具有允許每個可活動嵌入模塊130根據(jù)各金屬片層的高度差單獨地上下活動的各種形狀，而且具有能夠加壓并形成每個金屬片層的可分離式結(jié)構(gòu)?？梢杂锰沾赏坎伎苫顒忧度肽K130，以減小接觸面之間的摩擦力。優(yōu)選的是，用選自氧化釔(Yttria)、氮化硼(BN)和氮化鋁(AlN)中的一種涂布所述可活動嵌入模塊。
為了密封并隔離上框架110與可活動嵌入模塊130，可以在可活動嵌入模塊130上進一步布置可拉伸密封片140。密封片140緊密地貼附在可活動嵌入模塊130上，并且沿著可活動嵌入模塊130的變形拉伸。
為了提高使用可活動嵌入模塊的擴散結(jié)合和超塑成形設備100的氣體密封效率，可以在上框架110的一側(cè)布置壓力機(圖中未示)。
下框架150位于中框架120的底面上。下框架150支撐中框架120，并且具有保護氣體入口151，以防止在加壓并形成金屬片層時金屬被氧化。保護氣體可以是惰性氣體。優(yōu)選的是，使用氬氣作為保護氣體，但是本發(fā)明不限于此。
下面，將描述利用這種使用可活動嵌入模塊的擴散結(jié)合和超塑成形設備結(jié)合鈦合金的過程。
在將Ti-6Al-4V片(一種鈦合金)切割成所需形狀并且化學清潔其表面之后，在中框架中進行層壓。在這里，上框架110、中框架120、可活動嵌入模塊130和下框架150由能夠在高溫下使用的材料形成，例如Inconel 625、Inconel 718、S17400、SUS310和N06002。然后，將可活動嵌入模塊布置在層積金屬片層上，并使用密封片密封。密封后，使用真空泵將空氣從上框架和下框架完全排出。用陶瓷粉末涂布每個可活動嵌入模塊，以便甚至在高溫下各模塊也可平滑地移動。例如，在可活動嵌入模塊上噴射含有氧化釔(Yttria)、氮化硼(BN)或氮化鋁(AlN)粉末的溶液并干燥后，再使用可活動嵌入模塊。排出空氣后，在大約層積Ti-6Al-4V片的熔點一半的溫度下，進行加熱。例如，在將擴散結(jié)合和超塑成形設備的溫度升至大約750℃后，將氬氣注入密封片上的內(nèi)部空間中，用大約40巴的壓力加壓層積金屬片層。此時，可活動嵌入模塊的高度根據(jù)金屬的變形率不同而不同，并且在層積Ti-6Al-4V片上施加均勻壓力。當溫度到達大約850℃后，在大約40巴或者更小的壓力下保持30分鐘。然后，使擴散結(jié)合和超塑成形設備減壓，并且緩慢降低其溫度，從而冷卻擴散結(jié)合和超塑成形設備。圖4顯示了通過利用本實施例的使用可活動嵌入模塊的擴散結(jié)合和超塑成形設備結(jié)合多個金屬片層所制造的產(chǎn)品。
為了防止層積Ti-6Al-4V片被氧化，在擴散結(jié)合和超塑成形設備中注入保護氣體以維持還原條件。
如上所述，本發(fā)明的擴散結(jié)合和超塑成形設備使用可活動嵌入模塊向每個結(jié)合物體比如金屬片層施加均勻壓力。因此，盡管結(jié)合物體的高度不同，但是可以將均勻壓力施加到多個結(jié)合物體上。此外，根據(jù)本發(fā)明可以解決由不同種類金屬間的變形率差異所引起的結(jié)合失敗問題。
盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的示例性實施例具體地顯示并描述了本發(fā)明，但是本領域所屬技術(shù)人員將會理解，在不脫離所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明做出各種形式和細節(jié)上的變化。
權(quán)利要求
1.一種擴散結(jié)合和超塑成形設備，其包括下框架，具有保護氣體注入通道；中框架，置于所述下框架上并具有用于放置多個結(jié)合材料的空間；上框架，置于所述中框架上并具有用于注入成形氣體的成形氣體注入通道，所述成形氣體用于加壓并形成所述結(jié)合材料；以及多個可活動嵌入模塊，置于所述結(jié)合材料上，用于通過接收由注入的成形氣體產(chǎn)生的壓力加壓所述結(jié)合材料。
2.如權(quán)利要求1所述的擴散結(jié)合和超塑成形設備，其特征在于，多個可活動嵌入模塊中的每一個模塊根據(jù)形成各結(jié)合材料的金屬片的變形率單獨地上下活動。
3.如權(quán)利要求1所述的擴散結(jié)合和超塑成形設備，其特征在于，每個可活動嵌入模塊包括垂直形成的通孔。
4.如權(quán)利要求1所述的擴散結(jié)合和超塑成形設備，還包括置于所述可活動嵌入模塊上的密封片。
5.如權(quán)利要求4所述的擴散結(jié)合和超塑成形設備，其特征在于，所述密封片是可拉伸的。
6.如權(quán)利要求1所述的擴散結(jié)合和超塑成形設備，還包括置于所述上框架一側(cè)的壓力機，以提高所述擴散結(jié)合和超塑成形設備中的氣體密封效率。
7.如權(quán)利要求1所述的擴散結(jié)合和超塑成形設備，其特征在于，用陶瓷粉末涂布所述可活動嵌入模塊，以減小所述可活動嵌入模塊的接觸面之間的摩擦力。
8.如權(quán)利要求1所述的擴散結(jié)合和超塑成形設備，其特征在于，所述陶瓷粉末選自氧化釔(Yttria)、氮化硼(BN)和氮化鋁(AlN)中的一種。
9.如權(quán)利要求1所述的擴散結(jié)合和超塑成形設備，其特征在于，通過所述保護氣體注入通道和所述成形氣體注入通道注入的氣體是惰性氣體。
10.如權(quán)利要求9所述的擴散結(jié)合和超塑成形設備，其特征在于，注入到所述成形氣體注入通道中的惰性氣體壓力大約為20～40巴。
11.如權(quán)利要求9所述的擴散結(jié)合和超塑成形設備，其特征在于，所述惰性氣體為氬氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種擴散結(jié)合和超塑成形設備。該擴散結(jié)合和超塑成形設備包括下框架，具有保護氣體注入通道；中框架，置于該下框架上并具有用于放置多個結(jié)合材料的空間；上框架，置于該中框架上并具有用于注入成形氣體的成形氣體注入通道，該成形氣體用于加壓并形成該結(jié)合材料；以及多個可活動嵌入模塊，置于該結(jié)合材料上，用于通過接收由注入的成形氣體產(chǎn)生的壓力加壓該結(jié)合材料。
文檔編號B23K20/02GK1981973SQ200610165878
公開日2007年6月20日 申請日期2006年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月14日
發(fā)明者李鎬誠, 尹種焄, 李永武 申請人:韓國航空宇宙研究院