用于熔融材料成形的装置.pdf

一种把原材料加工成熔融或半熔融态的装置(10)。这种装置(10)包括一个有确定内表面的筒体(12)，一个接收原材料的入口(18)，和一个排出半熔融材料的出口(20)。筒体(12)的侧壁由三层组成：一个外壳(62)，一个中间层(64)和一个内衬(66)。中间层(64)置于外壳(62)和内衬(66)之间，由比制造外壳(62)和内衬(66)的材料较软的一种材料构成。中间层(64)的存在使沿筒体(12)厚度方向的热梯度降到最低。

1.  一种把金属材料加工成熔融或半熔融态的容器，上述容器包括：
一个主体，其中含有一个内腔，一个与上述内腔连接并把原材料引入上述内腔的入口，一个与上述内腔相连并把材料从上述内腔排出的出口；上述主体还包括由外壳、内衬和中间层构成的一个侧壁；外壳由第一种材料构成，内衬由第二种材料构成并形成上述内腔的一个内表面，上述第二种材料不同于第一种材料；中间层位于上述外壳和内衬之间，并由第三种材料构成，上述第三种材料不同于上述第一种材料和上述第二种材料。

2.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于与上述第一种材料和上述第二种材料相比，上述第三种材料较软。

3.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述中间层把上述外壳连接到上述内衬。

4.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述中间层厚度小于0.2in。

5.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述中间层厚度小于0.10in。

6.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述中间层厚度小于0.06in。

7.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述中间层耐铝、镁、或锌的腐蚀。

8.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述中间层由铁合金制成。

9.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述中间层由低碳铁合金制成。

10.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述第一种材料有下列成分：Ni为基体，＞10％Cr，＞7.5％Co，＞2.5％Mo，0-6％W，＜4％Nb，＞2％Al，＞2.4％Ti，＞6％(Al+Ti)，使得上述第一种材料耐δ相脆化。

11.  按照权利要求10所述的装置，其特征在于上述第一种材料是720合金。

12.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述第二种材料是铌合金。

13.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述第二种材料从T-20、T-22或T-23几个铌合金中选择。

14.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述内衬厚度小于0.5in。

15.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述内衬厚度小于0.25in。

16.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述内衬厚度小于0.15in。

17.  按照上述权利要求1所述的装置，其特征在于上述外壳厚度小于1.75in。

18.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述外壳厚度小于1.25in。

19.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述外壳在室温到650°F范围的热膨胀系数小于14×10^-6/°F。

20.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述第一种材料是一种热等静压材料。

21.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述第二种材料是一种热等静压材料。

22.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述第三种材料是一种热等静压材料。

23.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述第一种、第二种和第三种材料都是热等静压材料。

24.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述第一种、第二种和第三种材料都是按一步工艺成形的热等静压材料。

25.  按照权利要求24所述的装置，其特征在于上述一步工艺是上述第一、第二和第三种材料同时进行的。

26.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于还包括：
一个与上述容器相连的进料器，进料器把上述原材料通过上述入口引入，
把上述原材料移动通过上述容器的移动装置，
把上述材料以熔融或半熔融态从容器上述出口排出的排出装置。

27.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于上述中间层比上述第一种和第二种材料更韧。

28.  按照权利要求1所述的装置，其特征在于还包括：位于上述内腔的剪切装置，上述剪切装置充分剪切上述材料，阻止上述材料中的枝晶成长。

29.  按照权利要求28所述的装置，其特征在于上述剪切装置是一个螺杆。

30.  按照权利要求28所述的装置，其特征在于上述移动装置是一根螺杆。

31.  按照权利要求28所述的装置，其特征在于上述排出装置包括可纵向移动件。

32.  按照权利要求31所述的装置，其特征在于上述排出装置包括一个往复式螺杆。

用于熔融材料成形的装置
技术领域
本发明涉及一种用于生产熔融材料的容器，特别是使熔融或液态金属生产以及把它们成形成制品的工艺环境最优化的一种容器。
背景技术
在室温具有枝晶组织的金属化合物传统上在熔炼后进行高压压铸程序。这种传统的压铸程序存在下列缺点因而受到限制：疏松，熔炼损失，夹杂，过多的废料，高能耗，生产周期长，模具寿命短，模具形状受约束。而且，传统的工艺易形成各种显微组织缺陷，如疏松，要求对制件进行后续的二次加工，相对于其力学性能来说，易导致保守的工程设计。
已知金属成分成形时使得在半固态时其显微组织由连续液相环绕的圆形或球形的，退化的枝晶颗粒组成。这种组织不同于经典的由连续液相环绕的枝晶的平衡显微组织。这种新的组织呈现非牛顿粘度，粘度和剪切率呈相反的关系。在这种状态，材料本身被称为触变材料。
一种把枝晶化合物转变为触变材料的工艺包括：把金属成分或合金(以下称为合金)加热到超过其液相线温度的一个温度，在冷却到两相平衡区时，使液态合金受到剪切或搅动。冷却时充分搅动的结果是：合金初始凝固相成核，并成长为原始圆形颗粒(不同于互连的枝晶颗粒)。这些原始固体颗粒由不连续的退化球形粒子组成，并由液态金属或合金未凝固部分的基体环绕。
形成触变材料的另一种方法是把合金加热到一个温度，在这个温度，合金的一部分，但不是全部，处于液态。然后可以搅动合金。这种搅动把任何枝晶颗粒转变为退化的球形颗粒。在这种方法中，当开始搅动时，半固态金属中液相最好多于固相。
也已看到把触变合金转换为铸态的一种注射成形技术。按照这种技术，原材料被输送到一个容器，在容器中进一步加热，并至少局部熔化。然后，在转动螺杆、转动板或其他工具作用下机械搅动这种合金。材料被加工后，在容器内向前移动。局部熔化以及同步搅动的综合作用产生含有不连续的退化枝晶球形颗粒地合金料浆，或者说产生了半固态材料，并显现触变性能。触变料浆传输到与注口邻近的另一个区域，这个区域可以是一个第二容器。(通过控制注口温度而)控制注口中材料的固态金属芯塞的凝固，可以防止料浆从注口泄漏和流涎出。另外，可以使用一种机械或阀门方案。密封的注口可以防止料浆氧化，或防止其在注口内壁形成氧化物，而这些氧化物将被带入最终的成形制件。密封的注口还密封了注射端的模腔，必要时，便于使用真空，抽空模腔，提高成形制件的复杂性和质量。
一旦在这个区域积累了用于生产制件的适当量的料浆，用活塞、螺杆或其他机构使这些材料注射到模腔形成所需要的固态制件。上述铸造或注射机，或其相关改型，在这里称为半固态金属注射(SSMI)成形机。
目前，SSMI成形机运行的一个重要部分是在这种机器的一个筒体中加热材料。材料以较低温度在筒体的一端进入，然后向前通过一系列加热区，在这里材料温度迅速地，以及至少在开始是逐渐地提高。各个区段的加热元件通常是电阻或感应加热器，它们可以或不是逐渐比前面的加热元件更热，因此，通过筒体的厚度及沿筒体的长度方向都存在一个热梯度。
这类机器的筒体成形为长(达110in)而厚(外径11in，壁厚3-4in)的整体圆筒结构。随着这些机器尺寸和生产能力的增大，筒体的长度和厚度也相应增大。这已导致整个筒体的热梯度的提高，以及意外而难以预料的后果。用于制造这些筒体的主要材料变形合金718的限制成分为：镍(加钴)50.00-55.00％；铬17.00-21.00％；铁为余额；铌(加钽)4.75-5.50％，钼2.80-3.30％；钛0.65-1.15％；铝0.20-0.80；钴1.10最多；碳0.08最多；锰0.35最多；硅0.35最多；磷0.015最多；硫0.015最多；硼0.006最多；铜0.30最多，但这种材料往往供不应求，且成本高。此外，718合金持久性能差，延伸率低，且呈现相不稳定性。
优质细晶718合金昂贵，只用作需要延伸镗孔和外部机加工成形为复杂容器的铸造/变形坯料。按照这种方法所产生的718合金废料高达50％。此外，在600-700℃，718合金不稳定，其细的γ”硬化相易转变为脆性δ相。因此，可降低其冲击能(摆锤式V型缺口试样)和持久强度。
718合金复杂净形状的热等静压成形可以提高产率和应用于衬筒。然而，铸造/变形718合金晶粒长大到ASTM(美国材料和试验学会)NO.00级的大晶粒。冲击能(摆锤式V型缺口试样)和持久强度可能再次降低。粉末718合金在热等静压时保持较细的晶粒尺寸，但持久性能(寿命和韧性)仍然严重受损。而且，触变合金的触变成形，半固态注射成形正在发展为更高温度的合金，这给718合金带来更多的不稳定性。
已经分析了几种情况的失效的整体筒体，确定筒体失效是因为热应力，特别是筒体冷端或输入端的热冲击。按其使用情况，筒体的冷端或输入端是原材料进入筒体的部分或端部。在这个部分其温度梯度最强烈，特别是在冷端的中温区，即位于材料进入的下游区。大晶粒718合金在这些高应力状态特别易于开裂。
使用SSMI成形机时，可以是颗粒或碎屑形式的固态原材料在室温，大约75°F，输入到筒体。由于长而厚，这些成形机的筒体当然不能有效加热从这里输入的原材料。随着“冷”的原材料的注入，筒体的一个区的内表面被明显冷却。然而，由于加热器位于其附近，这个区的外表面基本上不受原材料影响，没有冷却。因此，在筒体的这个区沿其厚度产生显著的热梯度。同时，沿筒体长度也产生一个热梯度。在筒体热梯度最高的区域，在加热器不常停止运行时，筒体被更强烈地加热。
在筒体内，原材料被纵向剪切和移动通过其各个加热区，导致原材料温度升高，在到达筒体的另一端或热端时，达到所要求的温度。在这个热端，所加工的材料的温度在1050-1100°F范围，依所加工的特定合金而异。对于镁合金加工，筒体内部受到的最高温度约为1180°F。为实现这个温度，筒体外表面可能加热到1530°F。
随着原材料被加热，筒体内表面温度相应升高。沿筒体整个长度，其内表面温度升高到一定程度，包括被注入原材料冷却的部分，这里的升高程度低一些。
一旦累积足够量的材料，且材料显示触变性能，这些材料注射到其形状与所需制造制件形状相同的模腔。然后，追加的原材料继续输入到筒体的冷端，再次降低其内表面温度。
如上述讨论所说明的那样，在SSMI成形机工作时，筒体内表面，特别是注入原材料区域的内表面受到一个温度循环。筒体内外表面间的这种热梯度已知高达350℃。
由于718合金中的镍含量受到熔融镁-现今最常用的触变材料-的腐蚀，因此，生产触变合金的容器都镶有一种抗镁材料腐蚀的衬筒。几种这类材料是Stellite 12(名义成分：30Cr，8.3W，1.4C)，PM 0.80合金(名义成分：0.8C，27.81Cr，4.11W，余Co，含0.66N)和铌基合金(如Nb-30Ti-20W)。其他熔融材料，如铝，也是高腐蚀和浸蚀材料，传统上用于成形触变材料或加工这些合金的机器零件。
很显然，在使用衬筒的部位，其容器与衬筒的膨胀系数必须相互匹配，以使机器正确工作。与镶衬筒有关的一个问题是衬筒与容器或壳体的剩余部分分层。严重受力筒体的分析已经表明，在衬筒和壳体之间开启了一个间隙。这个间隙同样降低衬筒和壳体之间的热转换效率，仍然要求较高的温度应用于壳体，沿容器产生较大的热梯度。
因为容器热梯度的明显循环，容器受到热疲劳和冲击。这可能在容器和衬筒内进一步导致开裂。一旦容器衬筒开裂，被加工合金可能渗入衬筒，浸蚀筒体。以前已经发现过，衬筒开裂及合金浸蚀容器促使筒体早期失效。
根据上面列举的以及其他的缺点，已经采用一种多件组合式筒体结构，即：筒体的一部分设计用于制造触变材料，而其另一部分设计用于高压成形要求。这些部分称为筒体的冷部分，和热或输出部分，它们结构不同，连为一体。
在一种多件组合式结构中，冷部分用相当薄的(因此具有较低的周向强度)材料截面构成。这种材料的成本可以低于热部分的材料，呈现改进的热传导性，相对于热部分的材料，其热膨胀系数较低。这种材料对被加工的触变材料显示良好的耐磨损性和耐腐蚀性。筒体冷部分几种最佳材料是422不锈钢，T-2888合金，以及909合金，它们可以衬以铌基合金(如Ni-30Ti-20W)内衬。热部分由一种较厚的(因此具有高的周向强度)，抗热疲劳、抗蠕变及抗热冲击的材料构成。热部分的一种结构是使用热等静压的细晶718合金，并镶衬较低成本的，对被加工材料浸蚀有较好抗力的一种铌基合金，如Nb-30Ti-20W。
一个注口部分(连接在与冷部分对置的热端部分)可以按这样一种方式构成；使注口的其余材料凝固成一个密封芯塞。此外，注口可以设置一个机械密封机构。
虽然上面叙述的一种容器的大的热梯度问题具有针对半固态金属注射成形的机器和容器的某些特殊性，但在各种金属成形工艺和装置中也看到熔炼或压力容器具有大的热梯度问题。虽然已知的筒体和其他容器结构可为其预定目标充分工作，但仍有必要改进其容器结构，以使热应力降到最低，在更高使用温度提供长的寿命。
发明内容
因此，本发明的一个主要目的是对制造熔融或半熔融金属，包括但不限于镁和铝的容器结构进行必要的改进。
本发明的一个目的是设置一种在较高工作状态具有低的热梯度的结构。
本发明的另一个目的是设置一种即便在较高使用温度也具有长的使用寿命的结构。
本发明的另一个目的是设置一种具有低的静态和循环热应力的结构。
本发明的另一个目的是设置一种低成本高生产率的结构。
本发明的另一个目的是设置一种一步热等静压成形的净形构件，这种构件具有良好的持久寿命、良好的韧性、良好的抗液态金属及空气腐蚀的能力。
本发明的另一个目的是用一种更稳定，抗氧化，韧性细晶合金720，或其他类似成分的合金替代718合金成形筒体的壳体。
为实现上述的和其他的目的，本发明提供了一种用于把金属材料加工成熔融或半熔融状态的容器。这种容器本身包括一个主体，主体有一个容纳材料的内腔。为接收材料，主体还设有一个入口。为从内腔和主体排出材料，在主体内设有一个出口。这个主体由一个三层侧壁构成，即一个外壳、一个内衬和一个中间层。外壳由第一种材料构成。内衬由不同于第一种材料的第二种材料构成。内衬成为上述内腔的内表面。中间层置于内外层之间。中间层由不同于第一种和第二种材料的第三种材料构成。中间层的这种材料比构成内外层的材料较软，因此，把通过容器的厚度及沿容器的长度的热梯度降到最低。中间层与内外层相连，阻挡任何液态金属对外壳的腐蚀浸蚀。通过降低热梯度，容器的应力也得到降低，容器寿命相应提高。
718合金硬化机制的改进可以稳定其硬化机制，消除δ相的沉淀。这可使镍基高温合金在600-750℃有较高的强度，长的寿命，并保持韧性。这些合金，如720合金，使用较低含量的Nb(铌)及较高含量的Ti+Al(钛加铝)，得到稳定的γ’相。而且，这些最佳合金可在高温(例如1150℃)热等静压成形，而没有出现铸造/变形718合金中那样的晶粒长大，也没有出现像粉末冶金718合金那样的由于晶界沉淀引起的性能降低。因此，高温合金筒体，连接层，和内衬层的三层结构可以一步热等静压成形，制成只要求小量机加工、只有小量材料损失因而成本低的净形状。
热的直浇道、热的内浇道和注射衬套的插入可以构成相同的三层结构。
下面结合附图对最佳实施例和权利要求的说明，将更加明白本发明相对于与本发明相关的技术的其他利益和优点。
图1是本发明的具有一个容器的一种装置的总图，用于把原材料转换为熔融和/或半熔融态；
图2是本发明这个最佳实施例的具有三层结构的一个容器的放大图。
按照本发明构建的，用于把金属材料加工成触变态并成形为模压件、压铸件或锻造制件的一种机器或装置总体上示于图1，标号为10。与典型的压铸和锻压机不同，本发明使用固态金属或金属合金(下文称为合金)原材料。这就省去了压铸和锻压工艺中使用的熔炼炉，消除了相关限制。装置10把固态原料转变为一种半固态触变料浆，并经注射成形、压铸或锻压将其成形为制件。
虽然就图1中有关装置10进行说明，但可以理解，下面详述的容器结构将适用于其他熔炼机器的熔炼容器。不应把本发明视为限于一种特定的机器结构，或作为成形金属或合金的特定工艺，或只用于熔炼特定金属或合金。
仅整体上示于图1的装置10包括一个与模型16相连的容器和筒体12。如下文更完整的讨论那样，这个筒体12包括一个入口部分14，一个装料部分15和一个出口注口30。入口18用于接收来自加料漏斗22的固态颗粒状，堆积的，或碎屑状的原料合金(用虚线表示)，并且原料在加料漏斗22中预热。
可以预料，装置10成形的制件比非触变模压件或传统的压铸件呈现较低的缺陷率和较低的疏松。也可知道，降低疏松可以提高制件强度和韧性。显然，铸造缺陷和疏松的任何降低都是所希望的。
适于在装置10中加工的一组合金包括：镁合金，以及镍、锌、钛和铜合金。然而，不应把本发明解释为限制在这些合金，因为凡是可能被加工成半固态或液态的任何金属或金属合金都可在本发明装置中应用。
在加料漏斗22底部，原材料依靠重力通过输出口32排出进入容积式给料器38。一个螺旋式输送机(未示出)位于进料器38中，并由一个适当的驱动机构40，如电动机，驱动而转动。给料器38中的输送机的转动把原材料按预定速率推向前进，通过转移导管或进料喉道以及入口18进入筒体12。把原材料供应到入口的其他机构也可以选用。
一旦进入筒体12，加热元件24把原材料加热到一个预定温度，因此材料进入两相区。在两相区，筒体12中的原材料温度在合金固相线温度和液相线温度之间，部分熔融，并处于具有固相和液相的一种平衡状态。
可以设有不同类型的加热和冷却元件24，进行温度控制以实现其预定目标。加热/冷却元件24有代表性地示于图1。最好使用感应加热线圈或带式电阻加热器。
带式加热器24形式的温度控制装置安装在注口附近，帮助控制其温度，并使容易形成合金的临界尺寸的芯塞。这种芯塞防止合金的流涎或空气(氧)的回流，或其他污染进入装置10的防护性内部气氛(典型的是氩气)。当需要真空辅助成形时，这种芯塞便于模型16的抽空。作为形成芯塞的一种替换方案，可以使用机械密封机构，如滑动闸门、其他阀门。
这种装置也包括一个固定模板和一个活动模板，它们分别与一个固定半模16和一个活动半模相连。半模各包括内表面，内表面结合构成其形状为所成形制件的模腔100。把模腔100连接到注口30上的是一个内浇道、浇口和直浇道，总的标号为102。模型16的操作在其他方面是常规的，在此不详细说明。
一个往复式螺杆26位于筒体12中，由一个适当的驱动机构44，如电动机，致动其像位于给料器38中的螺旋式输送机那样转动，因此，螺杆26上的叶片28使合金受一个剪切力，并使合金通过叶片28向着出口20前移。剪切作用决定合金转变为一种触变料浆，它由一种液相环绕的圆形退化枝晶组织的球形颗粒组成。作为螺杆26的一种替换方案，可用其他机构或装置搅动原材料，和/或移动原材料通过筒体12。各种类型转动板和重力可以分别执行这些功能。
装置10工作时，加热器24被开动，完全加热筒体12，使沿其长度达到所需要的温度分布。一般地说，对于成形薄截面制件，需要高的温度分布，对于形成薄的和厚的截面混合的制件，需要中等的温度分布，对于形成厚截面制件，需要低的温度分布。一旦完全加热，系统控制器34起动给料器38中的驱动机构40，使给料器38中的螺旋输送机转动。这个螺旋输送机把原材料从加料漏斗22输送到进料喉道，并通过入口18进入筒体12。如有必要，按下面的说明在加料漏斗22，或给料器38，或进料喉道中对原材料进行预热。
在筒体12中，原材料被驱动机构44带动的转动螺杆26接合，而驱动机构44由控制器34起动。在筒体12的内腔46中，原材料被传输并受到螺杆26的叶片28的剪切。随着原材料通过筒体12，加热器24供应的热量及剪切作用使其温度提高到固相线和液相线之间所需要的温度。在这个温度范围，固态原材料转变为半固态，由一部分成分的液相和分布在其中的剩余成分的固相组成。螺杆26和叶片28转动继续以充分的速率剪切半固态合金，防止固态颗粒生长成枝晶，因此产生触变料浆。
料浆送进通过筒体12，直至在筒体12的前部21(累积区)聚集适量的料浆。控制器34阻断螺杆的转动，并向启动器36发出信号，推进螺杆26，迫使合金通过与出口20相连的注口30而进入模具16。螺杆26开始加速到约1-5in/s(英寸/秒)的速度。一个止回阀门(未示出)用于在螺杆26推进时防止材料向入口18回流。因此把热的材料压紧在筒体12的前部21。
注口30本身由合金钢(如T2888)、PM 0.8C合金、和铌基合金(如Nb-30Ti-20W)等材料制造。在一个最佳结构中，注口30由上述一个合金整体成形。在另一个最佳实施例中，注口30由720合金热等静压成形，配有铌基合金或PM 0.8C合金耐蚀内表面。
如图2所示，筒体12的入口部分14与装料部分15匹配连接，因此，入口部分14与装料部分15各自的内表面48，50共同确定了连续内腔46。为确保两个部分14，15成为一体，装料部分15设有一个径向凸缘52，凸缘52上设有安装孔54。在筒体的装料部分15的匹配部分58有相应的螺纹孔。螺纹紧固件60通过安装孔54插入凸缘52，与螺纹孔56螺纹啮合，因此把两部分14，15连为一体。很显然，可用一个整体件筒体替代图1中的两件组合式筒体12，按照本发明构建它的整体长度，下面将详细说明。
本发明的筒体结构通过把厚度方向和长度方向的热梯度减到最低而克服了现有技术的缺点。特别参考图2，本发明筒体12由三层构成，分别称为外壳62，中间层64，和内衬66。由图2可见，中间层64位于外壳62和内衬66之间。如后文将说明的那样，中间层64把通过筒体12厚度的径向热梯度减到最低。
特别地，中间层64相对于外壳62和内衬66比较软。中间层最好，但也可以不是，把筒体12的外壳62连接到内衬66上，而且最好由热等静压把中间层64连到外壳和内衬上。此外，中间层的存在使外壳不受内衬污染，因此提高了筒体结构的整体稳定性。
在本发明的最佳实施例中，中间层由低碳铁合金构成。也可使用不与外壳62或内衬64形成脆性层的其他材料。中间层最好耐铝、镁、或锌的腐蚀。为增强筒体结构的韧性，中间层最佳厚度范围为0.05-0.15in(英寸)，其中更优选地为0.6-0.12in
表1说明中间层64对筒体12所受应力的影响。
                    表I
        外壳(720合金)，内衬(T-20)
                A.装配状态