ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[001] Данная патентная заявка является обычной и заявляет приоритет предварительной заявки на патент США №62/278 753, поданной 14 января 2016 г., которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[002] В целом, настоящее изобретение направлено на способы аддитивного производства металлических компонентов. Более конкретно, настоящее изобретение направлено на различные варианты осуществления аддитивного производства и сглаживания АП-заготовки для подготовки АП-заготовки к последующей обработке (обработке, ковке и т. п.).
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[003] Металлическим изделиям может быть придана определенная форма посредством операций ковки. При ковке металлических изделий для каждой детали можно последовательно использовать несколько штампов (плоских штампов и/или штампов другой формы), при этом плоский штамп или полость штампа в первом из штампов рассчитана на деформирование ковочной заготовки с приданием первой формы, определяемой конфигурацией данного конкретного штампа, следующему штампу придана форма для выполнения следующего последовательного этапа ковочного деформирования заготовки, и т. д., до тех пор, пока конечный штамп не придаст кованой детали полностью деформированную, окончательную форму. См. патент США №4055975.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[004] В широком смысле настоящая патентная заявка относится к усовершенствованным способам получения обработанных металлических изделий (например, кованых металлических изделий; горячедеформированных и/или холоднодеформированных металлических изделий других типов).
[005] В некоторых вариантах осуществления способ включает использование аддитивного производства для получения фасонной металлической заготовки. После этапа использования (например, получения фасонной металлической заготовки с использованием/при помощи аддитивного производства) фасонная металлическая заготовка может быть подвергнута ковке с получением готового кованого изделия. В одном варианте осуществления этап ковки включает этап ковки одним штампом. В некоторых вариантах осуществления один этап ковки представлен одним циклом нагрева и ковки. В некоторых вариантах осуществления цикл ковки включает несколько операций деформирования без цикла нагрева между операциями деформирования. В некоторых вариантах осуществления цикл нагрева представляет нагрев материала до заданной температуры перед этапом ковочного деформирования. (В качестве неограничивающего примера, в пределах одного цикла нагрева молотковый пресс многократно выполняет множество операций деформирования). В одном варианте осуществления металлическая заготовка содержит по меньшей мере одно из титана, алюминия, никеля, стали, нержавеющей стали и алюминида титана. В одном варианте осуществления фасонная металлическая заготовка может быть выполнена из титанового сплава. Например, фасонная металлическая заготовка может быть выполнена из сплава Ti-6Al-4V. В другом варианте осуществления фасонная металлическая заготовка может быть выполнена из алюминиевого сплава. В еще одном варианте осуществления фасонная металлическая заготовка может быть выполнена из никелевого сплава. В еще одном варианте осуществления фасонная металлическая заготовка может быть выполнена из одного из стали и нержавеющей стали. В другом варианте осуществления фасонная металлическая заготовка может быть выполнена из композиционного материала с металлической матрицей. В еще одном варианте осуществления фасонная металлическая заготовка может быть выполнена из алюминида титана. Например, в одном варианте осуществления титановый сплав может содержать 48 вес. % Ti и по меньшей мере одну фазу алюминида титана, при этом по меньшей мере одна фаза алюминида титана выбрана из группы, состоящей из Ti3Al, TiAl и их комбинаций. В другом варианте осуществления титановый сплав содержит 49 вес. % Ti. В еще одном варианте осуществления титановый сплав содержит 50 вес. % Ti. В другом варианте осуществления титановый сплав содержит 5-49 вес. % алюминия. В еще одном варианте осуществления титановый сплав содержит 30-49 вес. % алюминия, и титановый сплав содержит по меньшей мере некоторое количество TiAl. В еще одном варианте осуществления титановый сплав содержит 5-30 вес. % алюминия, и титановый сплав содержит по меньшей мере некоторое количество Ti3Al.
[006] Этап ковки может включать нагрев фасонной металлической заготовки до определенной температуры заготовки, приведение фасонной металлической заготовки к ковочному штампу, который был отдельно нагрет до требуемой температуры, и введение фасонной металлической заготовки в контакт с ковочным штампом. В одном варианте осуществления штамп может иметь температуру, номинально равную температуре фасонной металлической заготовки (например, при изотермической ковке). В другом варианте осуществления в начале этапа введения в контакт ковочный штамп может иметь температуру по меньшей мере на 10°F ниже определенной температуры заготовки. В другом варианте осуществления в начале этапа введения в контакт ковочный штамп имеет температуру по меньшей мере на 25°F ниже определенной температуры заготовки. В еще одном варианте осуществления в начале этапа введения в контакт ковочный штамп имеет температуру по меньшей мере на 50°F ниже определенной температуры заготовки. В другом варианте осуществления в начале этапа введения в контакт ковочный штамп имеет температуру по меньшей мере на 100°F ниже определенной температуры заготовки. В еще одном варианте осуществления в начале этапа введения в контакт ковочный штамп имеет температуру по меньшей мере на 200°F ниже определенной температуры заготовки.
[007] В одном аспекте готовое кованое изделие представляет собой компонент двигателя. В одном варианте осуществления готовое кованое изделие представляет собой лопатку турбореактивного двигателя. В одном варианте осуществления готовое кованое изделие представляет собой компонент транспортного средства (например, сухопутного, водного, воздушного и их комбинаций). В одном варианте осуществления готовое кованое изделие представляет собой конструктивный компонент транспортного средства. В другом варианте осуществления готовое кованое изделие представляет собой конструктивный аэрокосмический компонент (например, лонжерон крыла, ребро жесткости, крепежную арматуру, окантовку окна, шасси и т. д.). В другом варианте осуществления готовое кованое изделие представляет собой конструктивный компонент для применения в стационарной турбине. В другом варианте осуществления готовое кованое изделие представляет собой компонент сухопутного и/или водного транспортного средства. В другом варианте осуществления, как описано ниже, готовое кованое изделие представляет собой кольцо удержания лопаток двигателя.
[008] В другом аспекте способ включает использование аддитивного производства для получения фасонной металлической заготовки, и, параллельно или после этапа использования, обработку фасонной металлической заготовки с получением готового обработанного изделия при помощи по меньшей мере одного из следующего: (i) прокатка, (ii) прокатка кольца, (iii) ковка кольца, (iv) прокатка фасонного профиля, (v) прессование выдавливанием, и (vi) их комбинации. В одном варианте осуществления обработка представляет собой прокатку. В другом варианте осуществления обработка представляет собой прокатку кольца. В еще одном варианте осуществления обработка представляет собой ковку кольца. В другом варианте осуществления обработка представляет собой прокатку фасонного профиля. В еще одном варианте осуществления обработка представляет собой прессование выдавливанием. Без ограничения конкретным механизмом или теорией, есть основания полагать, что одной из причин получения металлической заготовки посредством аддитивного производства для данных процессов является обеспечение возможности (например, выполнения) операций прокатки, ковки или прессования выдавливанием для исходной заготовки из двухкомпонентного сплава или многокомпонентного сплава. В некоторых вариантах осуществления исходная заготовка из двухкомпонентного сплава или многокомпонентного сплава является недостижимой при использовании для металлической заготовки и исходной заготовки традиционных способов.
[009] В некоторых вариантах осуществления, где фасонная металлическая заготовка содержит сплав Ti-6Al-4V, этап ковки включает нагрев фасонной металлической заготовки до определенной температуры заготовки; и введение ковочного штампа в контакт с фасонной металлической заготовкой. В этом случае этап введения в контакт включает деформирование фасонной металлической заготовки при помощи ковочного штампа. В одном варианте осуществления этап введения в контакт включает деформирование фасонной металлической заготовки при помощи ковочного штампа с целью осуществления в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной от 0,05 до 1,10. В другом варианте осуществления этап введения в контакт включает деформирование фасонной металлической заготовки при помощи ковочного штампа с целью осуществления в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной по меньшей мере 0,10. В еще одном варианте осуществления этап введения в контакт включает деформирование фасонной металлической заготовки при помощи ковочного штампа с целью осуществления в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной по меньшей мере 0,20. В другом варианте осуществления этап введения в контакт включает деформирование фасонной металлической заготовки при помощи ковочного штампа с целью осуществления в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной по меньшей мере 0,25. В еще одном варианте осуществления этап введения в контакт включает деформирование фасонной металлической заготовки при помощи ковочного штампа с целью осуществления в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной по меньшей мере 0,30. В другом варианте осуществления этап введения в контакт включает деформирование фасонной металлической заготовки при помощи ковочного штампа с целью осуществления в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной по меньшей мере 0,35. В другом варианте осуществления этап введения в контакт включает деформирование фасонной металлической заготовки при помощи ковочного штампа с целью осуществления в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной не более 1,00. В еще одном варианте осуществления этап введения в контакт включает деформирование фасонной металлической заготовки при помощи ковочного штампа с целью осуществления в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной не более 0,90. В другом варианте осуществления этап введения в контакт включает деформирование фасонной металлической заготовки при помощи ковочного штампа с целью осуществления в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной не более 0,80. В еще одном варианте осуществления этап введения в контакт включает деформирование фасонной металлической заготовки при помощи ковочного штампа с целью осуществления в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной не более 0,70. В другом варианте осуществления этап введения в контакт включает деформирование фасонной металлической заготовки при помощи ковочного штампа с целью осуществления в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной не более 0,60. В еще одном варианте осуществления этап введения в контакт включает деформирование фасонной металлической заготовки при помощи ковочного штампа с целью осуществления в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной не более 0,50. В другом варианте осуществления этап введения в контакт включает деформирование фасонной металлической заготовки при помощи ковочного штампа с целью осуществления в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной не более 0,45. Как упомянуто выше, этап ковки может включать нагрев фасонной металлической заготовки до определенной температуры заготовки.
[0010] В одном аспекте этап ковки включает нагрев фасонной металлической заготовки до определенной температуры заготовки. В одном подходе фасонную металлическую заготовку нагревают до определенной температуры заготовки 850-978°C. В одном варианте осуществления фасонную металлическую заготовку нагревают до определенной температуры заготовки по меньшей мере 900°C. В другом варианте осуществления фасонную металлическую заготовку нагревают до определенной температуры заготовки по меньшей мере 950°C. В еще одном варианте осуществления фасонную металлическую заготовку нагревают до определенной температуры заготовки по меньшей мере 960°C. В другом варианте осуществления фасонную металлическую заготовку нагревают до определенной температуры заготовки не более 975°C. В еще одном варианте осуществления фасонную металлическую заготовку нагревают до определенной температуры заготовки не более 973°C.
[0011] В одном аспекте этап использования аддитивного производства для получения фасонной металлической заготовки включает добавление посредством аддитивного производства материала к подложке для наращивания, посредством чего получают фасонную металлическую заготовку. В некоторых вариантах осуществления в аддитивном производстве используют подложку, на которой наращивают и/или на которую наносят слои с получением требуемой геометрии формы/изделия аддитивного производства. В одном варианте осуществления слой или конструкцию, полученную посредством аддитивного производства, снимают с подложки, и она содержит фасонную металлическую заготовку. В другом варианте осуществления подложка или части подложки остаются в качестве части фасонной металлической заготовки. В одном варианте осуществления указанный материал представляет собой первый материал, имеющий первую прочность, и при этом подложка для наращивания состоит из второго материала, имеющего вторую прочность. В некоторых вариантах осуществления первый материал имеет первую усталостную характеристику, и второй материал имеет вторую усталостную характеристику. В качестве неограничивающего примера, слой первого материала, имеющего низкую прочность и высокую ударную вязкость, может быть добавлен при помощи аддитивного производства к подложке для наращивания, состоящей из второго материала, имеющего высокую прочность и низкую ударную вязкость, посредством чего получают фасонную металлическую заготовку, пригодную, например, для баллистических применений. В некоторых вариантах осуществления подложки отбирают/индивидуально изготавливают/выбирают по причинам, включающим (без ограничения), среди прочих: геометрическую форму, микроструктуру, свойства и характеристики материала, химические свойства, себестоимость, на основании (например, для обеспечения) технических условий на проектирование готового изделия. Например, использование прокатного листового материала или другой обработанной подложки обеспечивает возможность использования уменьшенной и/или минимальной обработки в тех зонах фасонной металлической заготовки, где находится подложка, поскольку подложка уже проявляет кованые или обработанные свойства. В некоторых вариантах осуществления материал и подложка выбраны так, что они являются одинаковыми.
[0012] В одном варианте осуществления подложка для наращивания содержит первое кольцо из первого материала, и этап использования включает добавление при помощи аддитивного производства второго материала к первому кольцу, посредством чего образуется второе кольцо, при этом второе кольцо образует единое целое с первым кольцом. В этом случае получают кольца, состоящие из многокомпонентных материалов.
[0013] В другом аспекте способ включает отжиг готового кованого изделия после этапа ковки. В одном варианте осуществления, когда фасонная металлическая заготовка содержит сплав Ti-6Al-4V, этап отжига включает нагрев готового кованого изделия до температуры от приблизительно 640°C до приблизительно 816°C. В другом варианте осуществления, когда фасонная металлическая заготовка содержит сплав Ti-6Al-4V, этап отжига включает нагрев готового кованого изделия до температуры от приблизительно 670°C до приблизительно 750°C. В еще одном варианте осуществления, когда фасонная металлическая заготовка содержит сплав Ti-6Al-4V, этап отжига включает нагрев готового кованого изделия до температуры от приблизительно 700°C до приблизительно 740°C. В другом варианте осуществления, когда фасонная металлическая заготовка содержит сплав Ti-6Al-4V, этап отжига включает нагрев готового кованого изделия до температуры приблизительно 732°C.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0014] На фиг. 1 показано схематическое изображение одного варианта осуществления способа получения готового кованого изделия в соответствии с настоящим изобретением.
[0015] На фиг. 2 показано схематическое изображение одного варианта осуществления способа получения готового кованого изделия, причем способ включает необязательный этап отжига в соответствии с настоящим изобретением.
[0016] На фиг. 3-4 показаны графики, иллюстрирующие данные из примера 1 в соответствии с настоящим изобретением.
[0017] На фиг. 5 показано схематическое изображение одного варианта осуществления способа получения готового кованого изделия, причем готовое кованое изделие содержит образующую с ним единое целое подложку для наращивания в соответствии с настоящим изобретением.
[0018] На фиг. 6 показано схематическое изображение другого варианта осуществления способа получения готового кованого изделия, причем готовое кованое изделие содержит образующую с ним единое целое подложку для наращивания в соответствии с настоящим изобретением.
[0019] На фиг. 7 представлено изображение, на котором показаны поперечная ориентация и продольные ориентации цилиндрической заготовки в соответствии с настоящим изобретением.
[0020] На фиг. 8 показана микрофотография одного варианта осуществления исходной фасонной металлической заготовки из сплава Ti-6Al-4V, полученная в поперечном направлении, в соответствии с настоящим изобретением.
[0021] На фиг. 9 показана микрофотография одного варианта осуществления предварительно нагретой фасонной металлической заготовки из сплава Ti-6Al-4V, полученная в поперечном направлении, в соответствии с настоящим изобретением.
[0022] На фиг. 10 показана микрофотография одного варианта осуществления готового кованого изделия из сплава Ti-6Al-4V, полученная в поперечном направлении, в соответствии с настоящим изобретением.
[0023] На фиг. 11 показана микрофотография одного варианта осуществления отожженного готового кованого изделия из сплава Ti-6Al-4V, полученная в поперечном направлении, в соответствии с настоящим изобретением.
[0024] На фиг. 12 показана блок-схема в соответствии с настоящим изобретением, изображающая вариант осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением.
[0025] На фиг. 13 показана блок-схема в соответствии с настоящим изобретением, изображающая другой вариант осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением.
[0026] На фиг. 14 показана блок-схема в соответствии с настоящим изобретением, изображающая другой вариант осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением.
[0027] На фиг. 15 показаны вариации на топографии поверхности, причем на фиг. 15A изображен местный вид сбоку фасонной металлической заготовки, выполненной как есть (без сглаживания); на фиг. 15B изображена сглаженная поверхность, обеспечивающая сниженную шероховатость поверхности и/или сниженное отношение глубины впадин к высоте впадин; на фиг. 15C изображена сглаженная поверхность, обеспечивающая большее снижение шероховатости поверхности и отношения глубины к высоте, по сравнению с фиг. 15A или 15B (со сглаживанием), и на фиг. 15D изображена еще более сглаженная поверхность, обеспечивающая улучшенную шероховатость поверхности и/или отношение глубины к высоте, по сравнению с любым из других вариантов (выполненным как есть или со сглаживанием), показанных на фиг. 15, в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0028] На фиг. 16 показаны вариации на топографии поверхности, причем на фиг. 16A изображен местный вид сбоку фасонной металлической заготовки, выполненной как есть (без сглаживания); на фиг. 16B изображена сглаженная поверхность, обеспечивающая сниженную шероховатость поверхности и/или сниженное отношение глубины впадин к высоте впадин; на фиг. 16C изображена сглаженная поверхность, обеспечивающая большее снижение шероховатости поверхности и отношения глубины к высоте, по сравнению с фиг. 16A или 16B (со сглаживанием), и на фиг. 16D изображена еще более сглаженная поверхность, обеспечивающая улучшенную шероховатость поверхности и/или отношение глубины к высоте, по сравнению с любым из других вариантов (выполненным как есть или со сглаживанием), показанных на фиг. 16, в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0029] На фиг. 17-19 показаны фотографии и график, изображающий шероховатость поверхности для соответствующего примера в разделе примеров, в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0030] На фиг. 20 показано наглядное сравнение заготовки, выполненной как есть, с вариантом осуществления сглаженной заготовки, которая сглажена в соответствии с одним или несколькими способами согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0031] Ниже будет сделано более подробное обращение к сопроводительным графическим материалам, которые по меньшей мере содействуют иллюстрации различных вариантов осуществления, имеющих отношение к новой технологии, предусмотренной настоящим изобретением.
[0032] Один вариант осуществления нового способа получения кованых металлических изделий показан на фиг. 1. В показанном варианте осуществления способ включает этап получения (100) фасонной металлической заготовки при помощи аддитивного производства с последующей ковкой (200) фасонной металлической заготовки с образованием готового кованого изделия (например, изделия в окончательной форме или изделия в форме, близкой к окончательной). После этапа (200) ковки готовое кованое изделие может не требовать дополнительной механической обработки или других этапов обработки, что, таким образом, способствуют снижению суммарной производственной себестоимости. Кроме того, готовое кованое изделие может проявлять улучшенные свойства (например, в отношении компонента, изготовленного только при помощи аддитивного производства). Некоторые неограничивающие примеры некоторых свойств, которые могут быть улучшены в готовом кованом изделии (по сравнению с некованым АП-компонентом) включают: усталостные характеристики, возможность выполнения неразрушающего контроля с использованием ультразвуковой и радиографической дефектоскопии, статическая прочность, пластичность и их комбинации.
[0033] В некоторых вариантах осуществления на этапе (100) аддитивного производства получают фасонную металлическую заготовку. В рамках данного документа «аддитивное производство» означает процесс соединения материалов с целью создания объектов из данных трехмерной модели, обычно послойно, в отличие от методик субтрактивного производства, что определено в документе ASTM F2792-12a «Стандартные термины для аддитивных производственных технологий». Фасонная металлическая заготовка может быть изготовлена при помощи любой подходящей методики аддитивного производства, описанной в данном стандарте ASTM, такой как, среди прочих, разбрызгивание связующего, нанесение материала при помощи направленного энергетического воздействия, прессование материала выдавливанием, разбрызгивание материала, расплавление материала в заранее сформированном слое, методики цифровой печати или соединение листовых материалов. В некоторых вариантах осуществления могут быть изготовлены точно спроектированные и/или индивидуально изготовленные изделия.
[0034] В некоторых вариантах осуществления фасонная металлическая заготовка, получаемая на этапе (100) аддитивного производства, изготовлена из любого металла, подходящего как для аддитивного производства, так и для ковки, в том числе, например, среди прочих, металлы или сплавы титана, алюминия, никеля (например, INCONEL), сталь и нержавеющая сталь. Сплав титана представляет собой сплав, содержащий титан в качестве преобладающего легирующего элемента. Сплав алюминия представляет собой сплав, содержащий алюминий в качестве преобладающего легирующего элемента. Сплав никеля представляет собой сплав, содержащий никель в качестве преобладающего легирующего элемента. Стальной сплав представляет собой сплав, содержащий железо в качестве преобладающего легирующего элемента и по меньшей мере некоторое количество углерода. Сплав нержавеющей стали представляет собой сплав, содержащий железо в качестве преобладающего легирующего элемента, по меньшей мере некоторое количество углерода и по меньшей мере некоторое количество хрома. В одном варианте осуществления фасонная металлическая заготовка представляет собой промежуточное изделие в форме предшественника лопатки для турбореактивного двигателя.
[0035] Снова обратимся к фиг. 1, где фасонную металлическую заготовку после формования подвергают ковке (200). В одном варианте осуществления на этапе (200) ковки используют один этап ковки для ковки штампом фасонной металлической заготовки с образованием готового кованого изделия. В одном варианте осуществления на этапе (200) ковки для ковки штампом фасонной металлической заготовки с образованием готового кованого изделия используют один черновой ручей штампа (или фасонную металлическую заготовку). В некоторых вариантах осуществления при ковке (200) фасонной металлической заготовки готовому кованому изделию придают улучшенные свойства, такие как, среди прочих, улучшенная пористость (например, меньшая пористость), улучшенная шероховатость поверхности (например, меньшая шероховатость поверхности, т. е. более гладкая поверхность) и/или улучшенные механические свойства (например, поверхностная твердость).
[0036] Как показано на фиг. 2, в одном варианте осуществления в ходе этапа (200) ковки штампы и/или оборудование процесса ковки имеет менее высокую температуру, чем фасонная металлическая заготовка. В этом случае этап ковки включает нагрев фасонной металлической заготовки до определенной температуры заготовки (целевой определенной температуры заготовки перед ковкой) (210) и введение фасонной металлической заготовки в контакт с ковочным штампом (220). В одном варианте осуществления в начале этапа (220) введения в контакт ковочный штамп имеет температуру по меньшей мере на 10°F ниже определенной температуры заготовки. В другом варианте осуществления в начале этапа (220) введения в контакт ковочный штамп имеет температуру по меньшей мере на 25°F ниже определенной температуры заготовки. В еще одном варианте осуществления в начале этапа (220) введения в контакт ковочный штамп имеет температуру по меньшей мере на 50°F ниже определенной температуры заготовки. В другом варианте осуществления в начале этапа (220) введения в контакт ковочный штамп имеет температуру по меньшей мере на 100°F ниже определенной температуры заготовки. В еще одном варианте осуществления в начале этапа (220) введения в контакт ковочный штамп имеет температуру по меньшей мере на 200°F ниже определенной температуры заготовки. В другом варианте осуществления в начале этапа (220) введения в контакт ковочный штамп имеет температуру по меньшей мере на 300°F ниже определенной температуры заготовки. В еще одном варианте осуществления в начале этапа (220) введения в контакт ковочный штамп имеет температуру по меньшей мере на 400°F ниже определенной температуры заготовки. В другом варианте осуществления в начале этапа (220) введения в контакт ковочный штамп имеет температуру по меньшей мере на 500°F ниже определенной температуры заготовки. В некоторых вариантах осуществления в начале этапа введения в контакт в ковочном штампе выполняют изотермическую ковку. В одном аспекте после этапа (200) ковки готовое кованое изделие подвергают отжигу (300). В некоторых вариантах осуществления этап отжига осуществляют с возможностью достижения требуемых свойств в готовом кованом изделии. В некоторых вариантах осуществления этап (300) отжига способствует снятию в фасонной металлической заготовке остаточных напряжений, вызванных этапом (200) ковки. В одном подходе фасонная металлическая заготовка содержит сплав Ti-6Al-4V, и этап (300) отжига включает нагрев готового кованого изделия до температуры от приблизительно 640°C (1184°F) до приблизительно 816°C (1500°F) в течение времени от приблизительно 0,5 ч до приблизительно 5 ч. В одном варианте осуществления этап (300) отжига включает нагрев готового кованого изделия до температуры по меньшей мере приблизительно 640°C (1184°F). В другом варианте осуществления этап (300) отжига включает нагрев готового кованого изделия до температуры по меньшей мере приблизительно 670°C (1238°F). В еще одном варианте осуществления этап (300) отжига включает нагрев готового кованого изделия до температуры по меньшей мере приблизительно 700°C (1292°F). В другом варианте осуществления этап (300) отжига включает нагрев готового кованого изделия до температуры не более чем приблизительно 760°C (1400°F). В еще одном варианте осуществления этап (300) отжига включает нагрев готового кованого изделия до температуры не более чем приблизительно 750°C (1382°F). В другом варианте осуществления этап (300) отжига включает нагрев готового кованого изделия до температуры не более чем приблизительно 740°C (1364°F). В еще одном варианте осуществления время составляет по меньшей мере приблизительно 1 ч. В другом варианте осуществления время составляет по меньшей мере приблизительно 2 ч. В еще одном варианте осуществления время составляет не более чем приблизительно 4 ч. В другом варианте осуществления время составляет не более чем приблизительно 3 ч. В еще одном варианте осуществления этап (300) отжига включает нагрев готового кованого изделия до температуры приблизительно 732°C (1350°F) в течение времени приблизительно 2 ч.
[0037] В некоторых вариантах осуществления этап (220) введения в контакт включает приложение к фасонной металлической заготовке усилия, достаточного для того, чтобы посредством ковочного штампа реализовать в фасонной металлической заготовке предварительно выбранную величину истинной деформации. В некоторых вариантах осуществления предварительно выбранная величина деформации изменяется в пределах готового кованого изделия для приспособления, например, к использованию обработанного листового материала подложки и т. д. В одном варианте осуществления этап приложения достаточного усилия включает деформирование фасонной металлической заготовки при помощи ковочного штампа. В рамках данного документа «истинная деформация» (Ɛtrue) задана формулой:
Ɛtrue=ln(L/L0)
где L0 - начальная длина материала, и L - конечная длина материала. В одном варианте осуществления этап (220) введения в контакт включает приложение к фасонной металлической заготовке посредством ковочного штампа усилия, достаточного для реализации в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной от приблизительно от 0,05 до приблизительно 1,10. В другом варианте осуществления этап (220) введения в контакт включает приложение к фасонной металлической заготовке посредством ковочного штампа усилия, достаточного для реализации в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной по меньшей мере 0,10. В другом варианте осуществления этап (220) введения в контакт включает приложение к фасонной металлической заготовке посредством ковочного штампа усилия, достаточного для реализации в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной по меньшей мере 0,20. В другом варианте осуществления этап (220) введения в контакт включает приложение к фасонной металлической заготовке посредством ковочного штампа усилия, достаточного для реализации в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной по меньшей мере 0,25. В другом варианте осуществления этап (220) введения в контакт включает приложение к фасонной металлической заготовке посредством ковочного штампа усилия, достаточного для реализации в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной по меньшей мере 0,30. В еще одном варианте осуществления этап (220) введения в контакт включает приложение к фасонной металлической заготовке посредством ковочного штампа усилия, достаточного для реализации в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной по меньшей мере 0,35. В другом варианте осуществления этап (220) введения в контакт включает приложение к фасонной металлической заготовке посредством ковочного штампа усилия, достаточного для реализации в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной не более 1,00. В еще одном варианте осуществления этап (220) введения в контакт включает приложение к фасонной металлической заготовке посредством ковочного штампа усилия, достаточного для реализации в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной не более 0,90. В другом варианте осуществления этап (220) введения в контакт включает приложение к фасонной металлической заготовке посредством ковочного штампа усилия, достаточного для реализации в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной не более 0,80. В еще одном варианте осуществления этап (220) введения в контакт включает приложение к фасонной металлической заготовке посредством ковочного штампа усилия, достаточного для реализации в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной не более 0,70. В другом варианте осуществления этап (220) введения в контакт включает приложение к фасонной металлической заготовке посредством ковочного штампа усилия, достаточного для реализации в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной не более 0,60. В еще одном варианте осуществления этап (220) введения в контакт включает приложение к фасонной металлической заготовке посредством ковочного штампа усилия, достаточного для реализации в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной не более 0,50. В другом варианте осуществления этап (220) введения в контакт включает приложение к фасонной металлической заготовке посредством ковочного штампа усилия, достаточного для реализации в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной не более 0,45. В еще одном варианте осуществления этап (220) введения в контакт включает приложение к фасонной металлической заготовке посредством ковочного штампа усилия, достаточного для реализации в фасонной металлической заготовке истинной деформации величиной приблизительно 0,40.
[0038] В одном варианте осуществления фасонная металлическая заготовка выполнена из материала с низкой пластичностью, такого как композиционный материал с металлической матрицей или интерметаллический материал. В одном варианте осуществления фасонная металлическая заготовка выполнена из алюминида титана.
[0039] Без ограничения конкретным механизмом или теорией, есть основания полагать, что использование новых процессов, раскрытых в данном документе, способствует более экономному изготовлению готовых кованых изделий из указанных материалов с низкой пластичностью. В качестве неограничивающего примера, в различных вариантах осуществления вышеупомянутых способов ковку материала (материалов) с низкой пластичностью выполняют с использованием штампов и/или оборудования, которое имеет менее высокую температуру, чем материал с низкой пластичностью. Таким образом, в одном варианте осуществления при ковке отсутствует изотермическая ковка (т. е. процесс ковки не включает изотермическую ковку), и, таким образом, может включать любую разницу между определенной температурой заготовки и температурой штампа, как указано выше.
[0040] В одном аспекте фасонная металлическая заготовка выполнена из титанового (Ti) сплава и, таким образом, содержит титан в качестве преобладающего легирующего элемента. В одном варианте осуществления титановый сплав содержит 48 вес. % Ti. В другом варианте осуществления титановый сплав содержит 49 вес. % Ti. В еще одном варианте осуществления титановый сплав содержит 50 вес. % Ti. В одном варианте осуществления титановый сплав содержит одну или несколько фаз алюминидов титана. В одном варианте осуществления фаза (фазы) алюминида титана представляет (представляют) собой Ti3Al и TiAl. В некоторых вариантах осуществления, если присутствуют алюминиды титана, титановый сплав может содержать 5-49 вес. % алюминия. В одном варианте осуществления фаза (фазы) алюминида титана содержит TiAl. В одном варианте осуществления титановый сплав содержит 30-49 вес. % алюминия, и титановый сплав содержит по меньшей мере некоторое количество TiAl. В одном варианте осуществления фаза (фазы) алюминида титана содержит Ti3Al. В одном варианте осуществления титановый сплав содержит 5-30 вес. % алюминия, и титановый сплав содержит по меньшей мере некоторое количество Ti3Al. В одном варианте осуществления титановый сплав содержит алюминий и ванадий.
[0041] В одном варианте осуществления фасонная металлическая заготовка содержит сплав Ti-6Al-4V (титановый сплав, содержащий приблизительно 6 вес. % алюминия и приблизительно 4 вес. % ванадия). В этом случае заготовки из сплава Ti-6Al-4V нагревают до определенной температуры заготовки от приблизительно 850°C (1562°F) до приблизительно 978°C (1792°F). В одном варианте осуществления заготовки из сплава Ti-6Al-4V нагревают до определенной температуры заготовки по меньшей мере 900°C (1652°F). В другом варианте осуществления заготовки из сплава Ti-6Al-4V нагревают до определенной температуры заготовки по меньшей мере 925°C (1697°F). В другом варианте осуществления заготовки из сплава Ti-6Al-4V нагревают до определенной температуры заготовки по меньшей мере 950°C (1742°F). В еще одном варианте осуществления заготовки из сплава Ti-6Al-4V нагревают до определенной температуры заготовки по меньшей мере 960°C (1760°F). В одном варианте осуществления заготовки из сплава Ti-6Al-4V нагревают до определенной температуры заготовки не более 975°C (1787°F). В еще одном варианте осуществления заготовки из сплава Ti-6Al-4V нагревают до определенной температуры заготовки не более 973°C (1783°F).
[0042] В некоторых вариантах осуществления готовое кованое изделие используется в аэрокосмической, авиационной и/или медицинской промышленности. В некоторых вариантах осуществления готовое кованое изделие представляет собой, например, турбину или лопатку. В одном варианте осуществления готовое кованое изделие представляет собой лопатку турбореактивного двигателя.
[0043] В некоторых вариантах осуществления после этапа (100) аддитивного производства фасонную металлическую заготовку подвергают ковке (200) с целью создания готового кованого изделия. В других вариантах осуществления после этапа (100) аддитивного производства фасонную металлическую заготовку обрабатывают при помощи других форм обработки (например, горячей обработки) с целью создания готового обработанного изделия 710.
[0044] В некоторых вариантах осуществления обработка фасонной металлической заготовки с целью создания готового обработанного изделия включает по меньшей мере одно из следующего: прокатка 710, прокатка 720 кольца, ковка 730 кольца, прокатка 740 фасонного профиля и/или прессование 750 выдавливанием. В некоторых вариантах готовому обработанному изделию приданы улучшенные свойства, такие как, среди прочих, улучшенная пористость (например, меньшая пористость), улучшенная шероховатость поверхности (например, меньшая шероховатость поверхности, т. е. более гладкая поверхность) и/или улучшенные механические свойства (например, поверхностная твердость). В некоторых вариантах осуществления готовому обработанному изделию придана предварительно определенная форма. В некоторых вариантах осуществления фасонную металлическую заготовку подвергают прокатке кольца, ковке кольца и/или прессованию выдавливанием (например, выдавливанием через штамп) для создания готового обработанного изделия с полостью. В некоторых вариантах осуществления фасонную металлическую заготовку подвергают прокатке с получением готового обработанного изделия, которому придана улучшенная пористость. В некоторых вариантах осуществления фасонную металлическую заготовку подвергают прокатке фасонного профиля с получением готового обработанного изделия, которому придана предварительно определенная форма (например, криволинейная форма, имеющая заданный радиус).
[0045] В рамках данного документа «прокатка кольца» означает процесс прокатки кольца меньшего диаметра (например, первого кольца первого диаметра) с образованием кольца большего диаметра (например, второго кольца, имеющего второй диаметр, при этом второй диаметр больше первого диаметра), необязательно, с измененным поперечным сечением (например, площадь поперечного сечения второго кольца отличается от площади поперечного сечения первого кольца) с использованием двух вращающихся валков, при этом один из них размещен во внутреннем диаметре кольца, и второй, непосредственно противостоящий первому, на наружном диаметре кольца.
[0046] В рамках данного документа «ковка кольца» означает процесс ковки кольца меньшего диаметра (например, первого кольца первого диаметра) с образованием кольца большего диаметра (например, второго кольца, имеющего второй диаметр, при этом второй диаметр больше первого диаметра), необязательно, с измененным поперечным сечением (например, площадь поперечного сечения второго кольца отличается от площади поперечного сечения первого кольца) путем продавливания указанного кольца между двумя инструментами, или штампами, при этом один из них размещен на внутреннем диаметре, и один, непосредственно противостоящий первому, на наружном диаметре кольца.
[0047] В рамках данного документа «прокатка фасонного профиля» означает процесс придания формы, или формования, путем обработки детали (т. е. фасонной металлической заготовки) между двумя или большим количеством валков, которые могут являться или могут не являться профилированными, с целью придания кривизны, или формы, обрабатываемой детали (т. е. фасонной металлической заготовке).
[0048] В некоторых вариантах осуществления этап получения фасонной металлической заготовки при помощи аддитивного производства (100) предусматривает включение подложки для наращивания в фасонную металлическую заготовку. На фиг. 5 показан один вариант осуществления включения подложки (400) для наращивания в фасонную металлическую заготовку (500). В показанном варианте осуществления материал (450) добавляют к подложке (400) для наращивания при помощи аддитивного производства (100) с получением фасонной металлической заготовки (500).
[0049] В рамках данного документа «подложка для наращивания» и т. п. означает твердый материал (подложку), включаемый в фасонную металлическую заготовку. В некоторых вариантах осуществления фасонную металлическую заготовку (500), содержащую подложку (400) для наращивания, подвергают ковке (200) с получением готового кованого изделия (600). Таким образом, в некоторых вариантах осуществления готовое кованое изделие (600) содержит подложку (400) для наращивания, образованную с ним как единое целое. В некоторых вариантах осуществления подложке необязательно должна быть придана такая форма, чтобы она имела сходство и/или копировала геометрическую форму требуемого нанесенного слоя или фасонной металлической заготовки. В некоторых вариантах осуществления подложка представляет собой прямоугольный листовой материал, в отношении которого выполняется аддитивное производство, и который после аддитивного производства подвергают механической обработке или иному приданию формы с образованием требуемой геометрической формы. В некоторых вариантах осуществления подложка представляет собой материал для ковки, прессования выдавливанием и/или любой другой материал, в отношении которого может быть выполнено аддитивное производство. В некоторых вариантах осуществления выполняется дополнительная обработка фасонной металлической заготовки.
[0050] В некоторых вариантах осуществления указанная дополнительная обработка включает механическую обработку перед этапом или после этапа ковки.
[0051] В некоторых вариантах осуществления дополнительная обработка включает обработку на электроэрозионном вырезном станке (EDM с проволокой) перед этапом или после этапа ковки.
[0052] В некоторых вариантах осуществления дополнительная обработка включает чистовую обработку поверхности перед этапом или после этапа ковки.
[0053] В некоторых вариантах осуществления дополнительная обработка включает водоструйную резку перед этапов ковки или после него.
[0054] Без ограничения конкретным механизмом или теорией, есть основания полагать, что некоторые способы аддитивного производства приводят к характерной топографии в фасонной металлической заготовке (например, к неровностям и/или гребням на поверхности).
[0055] В качестве неограничивающих примеров, двумя классами аддитивного производства, имеющими начало, конец и характеристики топографии шариков в готовой аддитивно образованной детали, являются прессование материала выдавливанием и нанесение материала при помощи направленного энергетического воздействия. В рамках данного документа «шарик» означает непрерывный нанесенный (например, в процессе аддитивного производства) слой плавленого металла.
[0056] В рамках данного документа «нанесение материала при помощи направленного энергетического воздействия» означает процесс аддитивного производства, в котором для слияния материалов путем плавления после их нанесения используется сфокусированная тепловая энергия. Неограничивающие примеры нанесения материала при помощи направленного энергетического воздействия включают способы Sciaky, плазменной дуги и другие способы с подачей проволоки.
[0057] В рамках данного документа «прессование материала выдавливанием» относится к процессу аддитивного производства, в котором материал избирательно подается через сопло или наконечник.
[0058] В рамках данного документа «заготовка, пригодная для обработки» означает заготовку, изготовленную при помощи аддитивного производства и обладающую подходящими характеристиками (например, приемлемой чистовой обработкой поверхности и/или геометрическими свойствами), достаточными для подвергания ее обработке (например, горячей обработке).
[0059] В рамках данного документа «заготовка, пригодная для ковки» означает заготовку, изготовленную при помощи аддитивного производства и обладающую подходящими характеристиками (например, приемлемой чистовой обработкой поверхности и/или геометрическими свойствами), достаточными для подвергания ее ковке.
[0060] В некоторых вариантах осуществления технические условия для заготовки, пригодной для обработки, и/или заготовки, пригодной для ковки, с приемлемой чистовой обработкой поверхности и/или геометрическими свойствами зависят (среди прочих переменных) от геометрической формы готовой детали. В некоторых вариантах осуществления заготовка выполнена так, что она не содержит элементов, которые могут ограничивать течение металла. В некоторых вариантах осуществления углы на заготовках (например, скругленные углы) выполнены с соответствующими радиусами, достаточными для последующей обработки с образованием обработанного изделия (например, готового кованого изделия).
[0061] В некоторых вариантах осуществления заготовка, пригодная для обработки, выполнена при помощи одного или нескольких вариантов настоящего изобретения как по существу не содержащая дефекты и/или другие признаки (например, трещины, зазоры, прорези, выемки, пропиленные зазубренности, шероховатые участки, гребни, и/или неравномерные поверхности и другие признаки на по меньшей мере части поверхности), прерывающие гладкую поверхность обработки и/или ковки. В некоторых вариантах осуществления заготовка, пригодная для обработки, выполнена при помощи одного или нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения как по существу не содержащая дефекты и/или другие признаки так, что после обработки (или ковки) полученное в результате готовое обработанное изделие (или готовое кованое изделие) по существу не содержит дефекты (например, складки, морщины, полости, незалив, недолив и/или другие дефекты).
[0062] Некоторые неограничивающие примеры дефектов в обработанном готовом изделии и/или кованом готовом изделии включают складки, морщины и/или спаи (например, неслитины). В рамках данного документа «складка» означает дефект ковки, вызванный загибом металла на его поверхность в ходе его течения в полости штампа. В рамках данного документа «морщина» означает неровность поверхности, выглядящую как рванина или отверстие, вызванное складыванием внахлест горячего металла, заусенцами или острыми углами и последующей их прокаткой или ковкой (но не сваркой) на поверхности. В рамках данного документа «спаи» представляют собой дефекты, получаемые при ковке из-за неправильной конструкции инструмента или неверного течения металла, что приводит к образованию трещины в кованой поверхности. В рамках данного документа «морщина, вызванная холодной разливкой» означает порок, возникающий в результате неудачного заполнения заготовкой полости штампа при первой ковке. В рамках данного документа «плена» означает образование, вызванное тем, что последовательные штампы толкают металл в зазор, оставляя плену на поверхности обрабатываемой детали. В рамках данного документа «неслитина» представляет собой дефект (такой как морщина), образующийся всякий раз, когда металл складывается внахлест при ковке. В качестве неограничивающего примера, неслитины могут возникать там, где пересекаются вертикальные и горизонтальные поверхности.
[0063] Без ограничения конкретным механизмом или теорией, эти дефекты можно соотнести с нарушениями сплошности поверхности, острыми углами и/или внутренними признаками, ограничивающими течение металла или иначе приводящими к ненадлежащему распределению металла в ходе операции обработки (например, ковки). Таким образом, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения, перед ковкой, если в фасонной металлической заготовке наблюдаются дефекты, они должны быть устранены с целью обеспечения подходящей заготовки, пригодной для обработки, выполненной с возможностью дальнейшей обработки (например, ковки). Это можно осуществить путем механического сглаживания поверхности или устранения дефекта. Типичной операцией, которую используют для подготовки заготовок и черновых ручьев штампа к операции ковки, является механическая зачистка.
[0064] В одном варианте осуществления заготовку, пригодную для обработки (например, заготовку, пригодную для ковки), количественно оценивают при помощи методик профилометрии (например, включающих контактные и бесконтактные аналитические методы).
[0065] В одном варианте осуществления заготовку, пригодную для обработки (например, заготовку, пригодную для ковки), количественно оценивают путем измерения отношения глубины к ширине впадин на части поверхности фасонной металлической заготовки.
[0066] В одном варианте осуществления заготовку, пригодную для обработки (например, заготовку, пригодную для ковки), количественно оценивают путем измерения шероховатости поверхности (RA) на по меньшей мере части поверхности фасонной металлической заготовки.
[0067] В некоторых вариантах осуществления шероховатость поверхности измеряют при помощи аналитических методик, представляющих собой контактные методы. В некоторых вариантах осуществления шероховатость поверхности измеряют при помощи аналитических методик, представляющих собой бесконтактные методы (например, называя некоторые, сканирование в синем свете, сканирование в белом свете).
[0068] В некоторых вариантах осуществления вследствие этапа аддитивного производства поверхность аддитивно произведенных компонентов может являться шероховатой (например, содержать множество выступающих гребней, указывающих траекторию нанесения шариков) или иметь периодическую или случайную текстуру поверхности, шероховатость или морфологию, обусловленную методикой нанесения слой за слоем и шарик за шариком, которая используется во многих технологиях аддитивного производства.
[0069] В одном варианте осуществления предлагается способ, включающий: (a) использование аддитивного производства для получения фасонной металлической заготовки, причем фасонная металлическая заготовка выполнена со множеством неровностей в поверхности, указывающих на конструкцию, полученную посредством аддитивного производства; (b) сглаживание множества неровностей на поверхности фасонной металлической заготовки посредством источника энергии, достаточного для получения заготовки, пригодной для обработки (или заготовки, пригодной для ковки), подготовленной к дополнительной операции обработки; и (c) обработку фасонной металлической заготовки с получением готового кованого изделия.
[0070] В некоторых вариантах осуществления подготовка фасонной металлической заготовки включает операции сглаживания для удаления неровностей в поверхности детали, обусловленных слоистой структурой полученного нанесенного слоя, с использованием процессов аддитивного производства. В некоторых процессах аддитивного производства каждый слой может состоять из набора отдельных нанесенных слоев, которые могут вносить неровности в поверхность детали в связи с геометрической формой отдельных нанесенных слоев.
[0071] В некоторых вариантах осуществления способ включает этап сглаживания, достаточный для получения поверхностей, подходящих для обработки и/или ковки (например, для устранения дефектов, таких как складки и пустоты).
[0072] Некоторые неограничивающие примеры методик сглаживания поверхности включают, среди прочего, сглаживание электронным лучом, плавку импульсной лампой, плавку лазером, дуговую плавку, шлифование, пескоструйную обработку, механическую обработку, механическую зачистку, лазерную абляцию.
[0073] В некоторых вариантах осуществления фасонные металлические заготовки содержат гладкие края (например, такие, что фасонная металлическая заготовка подготовлена для ковки). В некоторых вариантах осуществления фасонные металлические заготовки выполнены с небольшими несплошностями или без них.
[0074] В некоторых вариантах осуществления при выполнении этапа сглаживания, в результате достаточного сглаживания АП-заготовки получают гладкие поверхности и надлежащим образом заполненные углы и края, вследствие чего исключаются операции механической зачистки и удаления избыточного металла.
[0075] В некоторых вариантах осуществления при выполнении этапа сглаживания по аддитивной траектории, в результате достаточного сглаживания АП-заготовки получают гладкие поверхности и надлежащим образом заполненные углы и края, вследствие чего исключаются операции механической зачистки и удаления избыточного металла.
[0076] В некоторых вариантах осуществления использование аддитивного производства для наращивания фасонной металлической заготовки включает использование процесса аддитивного производства без использования порошка для наращивания фасонной металлической заготовки. В некоторых вариантах осуществления этап сглаживания включает использование первого набора параметров луча для аддитивного производства фасонной металлической заготовки (например, первый размер луча, первый ток луча, первая скорость перемещения, первая скорость подачи проволоки, первая схема луча и первая траектория сканирования), за которым следует корректирование и/или изменение на второй набор параметров луча, подходящий для сглаживания. В некоторых вариантах осуществления скоростью подачи проволоки пренебрегают при сглаживании лучом.
[0077] В некоторых вариантах осуществления луч используют для удаления (выжигания) нежелательного материала, скопившегося на подложке. В некоторых вариантах осуществления луч используют для предварительного нагрева подложки (перед этапом использования).
[0078] В некоторых вариантах осуществления использование этапа аддитивного производства включает аддитивное производство фасонной металлической заготовки по плану непрерывного внешнего наращивания, достаточному для осуществления фасонной металлической заготовки, пригодной к дальнейшей обработке (например, ковке) для получения готового кованого изделия. В некоторых вариантах осуществления нанесение шарика (нанесенного по плану непрерывного внешнего наращивания) осуществляют для обеспечения фасонной металлической заготовки гладкой поверхностью. В некоторых вариантах осуществления нанесение шарика осуществляют для обеспечения гладких краев в фасонной металлической заготовке.
[0079] В некоторых вариантах осуществления после этапа аддитивного производства источник энергии представляет собой тот же источник энергии, что и машина для аддитивного производства. В некоторых вариантах осуществления источник энергии представляет собой компонент, подключаемый к машине для аддитивного производства (и не используемый для выполнения этапа аддитивного производства). В некоторых вариантах осуществления источник энергии представляет собой единицу оборудования, отдельную от источника энергии, используемого с машиной для аддитивного производства для создания конструкции/нанесенного слоя из исходного материала для аддитивного производства.
[0080] В некоторых вариантах осуществления источник энергии предусматривает, среди прочего, лазерный луч, электронный луч, дуговую горелку, плазменную горелку, импульсную лампу, горелку, газовый резак, который используют для сглаживания поверхности нанесенного слоя, полученного аддитивным производством.
[0081] В некоторых вариантах осуществления этап сглаживания включает уменьшение шероховатости поверхности измеренной части поверхности фасонной металлической заготовки.
[0082] В некоторых вариантах осуществления этап сглаживания включает уменьшение отношения глубины к ширине впадин вдоль измеренной части поверхности фасонной металлической заготовки.
[0083] В некоторых вариантах осуществления этап сглаживания включает уменьшение шероховатости вдоль измеренной части фасонной металлической заготовки, определенной при помощи сканирования в синем свете.
[0084] В некоторых вариантах осуществления этап сглаживания включает повышение температуры части поверхности детали для обеспечения плавки неравномерной части поверхности.
[0085] В некоторых вариантах осуществления сглаживание включает плавку, размягчение и/или иную консолидацию по меньшей мере части геометрической формы, нанесенной по АП-траектории, для сглаживания поверхности фасонной металлической заготовки.
[0086] В некоторых вариантах осуществления сглаживание включает нагрев по меньшей мере части внешней поверхности АП-нанесенного слоя при помощи источника энергии (например, чтобы расплавить, размягчить и/или консолидировать неплоские поверхности/выступающие гребни на фасонной металлической заготовке).
[0087] В некоторых вариантах осуществления сглаживание включает нагрев (например, плавку, размягчение и/или консолидацию) по меньшей мере части (доли) одного пласта шариков.
[0088] В некоторых вариантах осуществления сглаживание включает нагрев (например, плавку, размягчение и/или консолидацию) по меньшей мере двух или более пластов шариков в фасонной металлической заготовке.
[0089] Без ограничения конкретным механизмом или теорией, есть основания полагать, что поверхностное натяжение расплавленного и/или размягченного материала и/или потенциальное влияние его гравитационного поля являются причиной появления неровностей, неравномерностей и/или углублений в поверхности нанесенного слоя шариков, свойственных/характерных для аддитивного производства, величину которых необходимо уменьшить. Целью этой методики является плавка или размягчение только поверхности нанесенного слоя таким образом, чтобы не внести существенных изменений в общую форму/геометрическую форму нанесенного слоя, но удалить или уменьшить локальные неровности в поверхности.
[0090] В некоторых вариантах осуществления этап сглаживания включает (в случае нанесения АП-материала с использованием сырья на основе слоя без порошка и/или проволоки): расфокусировку источника энергии (например, электронный луч АП-машины с подачей проволоки) c первого размера луча (например, указывающего на аддитивное производство) на второй размер луча (например, указывающий на сглаживание); растровую развертку луча по некоторой схеме; и перемещение по поверхности и/или профилю заготовки/детали для осуществления сглаживания поверхности.
[0091] В некоторых вариантах осуществления размер луча с растровой разверткой поддерживается на поверхности детали за счет удержания источника энергии на заданном расстоянии от поверхности детали и/или корректировки величины расфокусировки и/или размера схемы в зависимости от геометрической формы детали.
[0092] В других вариантах осуществления источники энергии включают лазеры, дуги и другие источники энергии, используемые (вместо электронного луча) для сглаживания поверхности и/или профиля заготовки.
[0093] В контексте настоящего документа «растровая развертка» (например, луча) означает перемещение и/или обеспечение колебаний луча по некоторой схеме, вследствие чего эффективный «размер» луча кажется большим в схеме сканирования (например, электронного луча в машине EBAM), в которой сканируют некоторую площадь (например, от одной стороны к другой по строкам, от верхней части к нижней). В качестве неограничивающего примера луч с растровой разверткой может выглядеть как имеющий диаметр полдюйма, в то время как луч без растровой развертки может выглядеть как имеющий диаметр приблизительно несколько сотых дюйма.
[0094] В некоторых вариантах осуществления траектория, по которой следует луч с растровой разверткой вокруг детали, называется траекторией сканирования. Для процессов аддитивного производства, в которых используется подача проволоки, в результате траектории сканирования появляются характерные выступающие гребни, неровности и/или элементы поверхности, ощущаемые/визуально наблюдаемые в фасонной металлической заготовке (например, только наращенной детали без сглаживания).
[0095] В некоторых вариантах осуществления этапа сглаживания достаточно для обеспечения гладкости поверхности, подготовленной для подвергания дополнительной обработке/доработке (например, ковке, прокатке кольца, прессованию выдавливанием и т. д.).
[0096] В некоторых вариантах осуществления этапа сглаживания достаточно для обеспечения гладкости поверхности, подготовленной для подвергания дополнительной обработке/доработке (например, ковке, прокатке кольца, прессованию выдавливанием и т. д.) без ненужной механической обработки готового обработанного (например, кованого) изделия.
[0097] В некоторых вариантах осуществления этапа сглаживания достаточно для обеспечения гладкости поверхности, подготовленной для подвергания дополнительной обработке/доработке (например, ковке, прокатке кольца, прессованию выдавливанием и т. д.) без ненужной механической обработки фасонной металлической заготовки перед дополнительной обработкой/доработкой.
[0098] В некоторых вариантах осуществления этапа сглаживания достаточно для обеспечения гладкости поверхности, подготовленной для подвергания дополнительной обработке/доработке (например, ковке, прокатке кольца, прессованию выдавливанием и т. д.) без чрезмерного процента брака, обусловленного дефектами, свойственными нанесенным слоям, полученным за счет аддитивного производства.
[0099] В некоторых вариантах осуществления этапа сглаживания достаточно для уменьшения шероховатости поверхности фасонной металлической заготовки.
[00100] В некоторых вариантах осуществления этапа сглаживания достаточно для уменьшения изменяющейся морфологии поверхности аддитивно произведенной заготовки в виде характерных гребней, отделенных друг от друга впадинами (например, указывающими схему нанесения шариков/траекторию подачи) технологии аддитивного производства с применением проволоки.
[00101] В некоторых вариантах осуществления этап сглаживания осуществляют для предотвращения, уменьшения и/или исключения дефектов (например, элементов шершавости на нанесенных слоях) на готовом обработанном (например, кованом) изделии. В некоторых вариантах осуществления заготовка, пригодная для обработки, имеет поверхность и/или профиль, которого достаточно для предотвращения, уменьшения и/или исключения складок, полостей и/или других нежелательных элементов в готовом кованом изделии/готовом обработанном изделии.
[00102] В некоторых вариантах осуществления этап сглаживания связан с повышенной производительностью.
[00103] В некоторых вариантах осуществления этап сглаживания связан с улучшенными механическими свойствами в готовых обработанных изделиях. В некоторых вариантах осуществления этап сглаживания связан с уменьшением неровностей в поверхности нанесенного слоя, например, который может иметь улучшенную/повышенную однородность деформации, достигаемой в обработанном (кованом) компоненте.
[00104] В некоторых вариантах осуществления после этапа сглаживания способ включает ультразвуковой контроль сглаженной заготовки, полученной за счет аддитивного производства, перед ковкой (например, в случае брака, снятие детали с линии производства/изготовления).
[00105] В некоторых вариантах осуществления после этапа сглаживания поверхность готова к ультразвуковому контролю, что позволяет определить дефекты, подлежащие повторной обработке. В этом варианте осуществления за этапом сглаживания следует этап ультразвукового контроля/дефектоскопии для обнаружения дефектов в фасонной металлической заготовке. Если, в этом варианте осуществления один или несколько дефектов обнаружены посредством ультразвукового контроля, способ дополнительно включает повторную обработку и/или второй этап сглаживания (например, выполняемый для проникновения до достаточного уровня для устранения или смягчения обнаруженного дефекта).
[00106] В некоторых вариантах осуществления этапа сглаживания достаточно для обеспечения поверхности, пригодной к ультразвуковому контролю без предварительной механической обработки.
[00107] В некоторых вариантах осуществления после этапа сглаживания заготовка имеет улучшенную конфигурацию для рентгеноскопического контроля, что позволяет определить дефекты, подлежащие повторной обработке. В этом варианте осуществления за этапом сглаживания следует этап рентгеноскопического контроля/дефектоскопии, выполняемый для обнаружения дефектов в фасонной металлической заготовке. Если, в этом варианте осуществления один или несколько дефектов обнаружены посредством рентгеноскопического контроля, способ дополнительно включает повторную обработку и/или второй этап сглаживания (например, выполняемый для проникновения до достаточного уровня для устранения или смягчения обнаруженного дефекта).
[00108] В некоторых вариантах осуществления этапа сглаживания достаточно для уменьшения концентрации напряжений в готовой детали (например, в случаях, в которых вся поверхность готового обработанного изделия не подвергнута механической обработке).
[00109] Без ограничения конкретным механизмом или теорией, есть основания полагать, что в результате этапа сглаживания происходит расплавление верхней части детали, вследствие чего общая высота выступающих гребней на поверхности (указывающие на аддитивно произведенную деталь) уменьшается с обеспечением сглаженной поверхности.
Пример - Выполнение заготовки 1, пригодной для обработки
[00110] Пять цилиндров были аддитивно произведены из сплава Ti-6Al-4V с использованием аддитивного производства электронным лучом (Sciaky). Параметры наращивания варьировали и поверхность одного из цилиндров была сглажена с использованием сглаживания с применением электронного луча. Параметры наращивания приведены в таблице 1, причем размеры конечной детали приведены в таблице 2 (ниже). Результаты эксперимента представлены на фиг. 17-19, на которых показаны фотографии цилиндров и график, изображающий шероховатость поверхности.
Таблица 1: Параметры наращивания для каждого цилиндра
(дюймы)
Таблица 2: Размеры цилиндров
[00111] В цилиндрах 3 и 5 использовали одинаковые параметры наращивания при диаметре проволоки 0,045 дюйма. Цилиндр 5 использовали для демонстрации ступенчатого изменения толщины. Хотя цилиндры 2 и 4 имели одинаковые параметры наращивания, следует отметить, что после наращивания, цилиндр 4 сгладили электронным лучом в соответствии со следующим процессом.
[00112] На фиг. 17 показано несколько фотографий 5 цилиндров на виде сбоку в перспективе. На только произведенных фасонных металлических заготовках (без сглаживания), т. е. цилиндрах 1-3 и 5, видны гребни на поверхности. Более того, можно увидеть различия в поверхности/профиле цилиндров, имеющих исходную проволоку разного диаметра (например, глубину гребней, расстояние между гребнями, указывающие исходное сырье, скорость нанесения и/или другие параметры АП.
[00113] На фиг. 18B показана измеренная шероховатость поверхности для каждого из цилиндров (причем на фиг. 18A показано относительное расположение мест проведения каждого из измерений на цилиндрах). Для каждого из 5 цилиндров шероховатость поверхности определяли в трех разных областях/частях компонента (т. е. верхней части, средней части и нижней часть на внутреннем диаметре и внешнем диаметре цилиндра, причем нижняя часть была расположена рядом с подложкой для наращивания). Как показано на графике на фиг. 18B, цилиндр 4 имел самую низкую шероховатость поверхности для каждого измеренного параметра, хотя цилиндр 4 был изготовлен из исходной проволоки большего диаметра, чем цилиндры 3 и 5. Кроме того, при сравнении трех положений на цилиндрах, в которых выполняли измерения (верхняя часть, средняя часть, нижняя часть), в целом самые низкие значения шероховатости (RA) находились на кромке (например, верхней части) цилиндров, по сравнению со средней частью и нижней частью цилиндров. Кроме того, было отмечено, что цилиндры 3 и 5 имели в целом более низкую шероховатость поверхности, чем цилиндры 1 и 2, поскольку цилиндры 3 и 5 имели исходную проволоку меньшего диаметра.
[00114] На фиг. 19 показан местный вид сбоку, на котором противопоставляются характерные гребни путем сравнения фасонной металлической заготовки в виде цилиндра 2 (выполненном, как есть) с цилиндром 4, со сглаженной поверхностью заготовки, пригодной для ковки, (например, заготовки, пригодной для обработки) в соответствии с настоящим изобретением. Хотя оба цилиндра имели одинаковые параметры наращивания, в результате этапа сглаживания была уменьшена шероховатость поверхности цилиндра 4 для обеспечения заготовки, пригодной для обработки, (например, заготовки, пригодной для ковки).
Пример - Выполнение заготовки 2, пригодной для обработки
[00115] Деталь была аддитивно произведена с использованием системы для аддитивного производства электронным лучом (EBAM) (Sciaky). Исходное сырье представляло собой проволоку из сплава Ti-6Al-4V. Проволоку наносили согласно способу аддитивного производства слой за слоем на листовой материал подложки с созданием фасонной металлической заготовки. Размеры листового материала подложки составляли приблизительно 12 дюймов x 12 дюймов x 3/4 дюйма.
[00116] После наращивания фасонной металлической заготовки, режим электронного луча машины для аддитивного производства изменяли с режима нанесения на режим сглаживания. (В ванну расплава не добавляли дополнительное исходное сырье/проволоку и, таким образом, на деталь не наносили дополнительный материал.) Во время сглаживания электронный луч расфокусировали, подвергали растровой развертке и быстро перемещали по поверхности детали при сниженном токе луча (например, по сравнению с тем, который использовали в стандартном нанесенном слое) для осуществления сглаживания поверхности.
[00117] Во время сглаживания маломощный, расфокусированный электронный луч подвергали растровой развертке над/перемещали по поверхности нанесенного материала по концентрическим окружностям различных размеров. В некоторых вариантах осуществления полученный в результате луч с растровой разверткой охватывал несколько (по меньшей мере две) траекторий нанесения (например, определенных по размеру шариков). В некоторых вариантах осуществления полученный в результате луч с растровой разверткой имел такой же размер, что и луч для «наращивания»/нанесения. В некоторых вариантах осуществления полученный в результате луч с растровой разверткой меньше, чем луч для наращивания/нанесения. Луч, в свою очередь, вызывал локальный нагрев поверхности (например, плавку и/или размягчение), что обеспечивало протекание материала гребней (указывающего на различные траектории нанесения шариков) к впадинам, а также уменьшало общую волнистость поверхности/элементы профиля по меньшей мере части (например, обработанной части) заготовки.
[00118] Более конкретно, по сравнению с параметрами луча для этапа наращивания в сравнении с этапом сглаживания, то, что касается этапа сглаживания, ток луча (мА) был уменьшен приблизительно вполовину относительно значения в режиме наращивания; скорость перемещения (дюйм/минута) была увеличена чуть более, чем в три раза относительно значения в режиме наращивания; и «размер» схемы (безразмерный параметр) был увеличен чуть более, чем в 1,5 раза относительно значения в режиме наращивания.
[00119] Следует отметить, что как на этапе АП-наращивания, так и на этапе сглаживания использовали одинаковую схему луча. Траектория сканирования (т. е. траектория, по которой перемещается источник энергии) для стандартного нанесенного слоя (конструкции) была представлена в виде ряда параллельных линий, при этом сглаживающий проход приблизительно следовал профилю детали, начиная от центра и, в целом, расходясь по окружностям наружу (например, где последняя окружность фактически проходит по внешним контурам нанесенного слоя). Переменная «Размер схемы» представляет собой просто масштабный коэффициент, который позволяет увеличить или уменьшить размер схемы, проецируемой на деталь. Размер схемы изменяется в зависимости от первоначальной шероховатости/волнистости детали и т. п. Параметры источника энергии (электронного луча) в целом являются взаимозависимыми, вследствие чего, если одна переменная изменена, то другие переменные также меняются соответствующим образом.
[00120] На фиг. 20 показано сравнения двух разных компонентов, на котором противопоставляются заготовка, выполненная как есть (перед сглаживанием), и заготовка, пригодная для обработки, (после сглаживания). Более конкретно, на фотографии справа представлена АП-заготовка, выполненная как есть, которая не была подвергнута EBAM-сглаживанию, при этом для сравнения на фотографии слева показана АП-заготовка, которая была подвергнута EBAM-сглаживанию (например для сглаживания гребней, характерных для траекторий нанесения вдоль профиля заготовки).
Пример: Ковка заготовки, пригодной для ковки
[00121] Металлическая заготовка (титановая или другая) получена с использованием выбранного способа аддитивного производства (например, аддитивного производства электронным лучом (EBAM), аддитивного производства методом дуговой сварки (WAAM) или другого аддитивного процесса нанесения или прессования металла выдавливанием).
[00122] При надлежащем сглаживании (например, посредством источника энергии), фасонная металлическая заготовка выполнена с поверхностью (например, уменьшенными гребнями и/или уменьшенной шероховатостью поверхности по сравнению с поверхностью, не сглаженной при помощи АП, с такими же параметрами) и/или профилем (например, с надлежащим образом заполненными углами и кромками), достаточным для выполнения операции ковки. Для фасонной металлической заготовки, выполненной в виде заготовки, пригодной для ковки, дополнительные этапы (в том числе, без ограничения) операций механической зачистки и/или удаления избыточного металла сокращаются, предотвращаются и/или исключаются.
[00123] Данная заготовка, полученная при помощи АП, будет представлять собой исходную заготовку или черновой ручей штампа для операции ковки. Эта заготовка подготовлена для помещения в ковочный штамп (и ковки) без дальнейшей повторной обработки. Сразу же после изготовления заготовку, пригодную для ковки, помещают в печь с целью ее нагрева до соответствующей температуры ковки. Ковочные штампы также будут нагреты до температуры, соответствующей ковке. Температура как металлической заготовки (металлической заготовки, пригодной для ковки), так и ковочного штампа зависит от типа металла и геометрической формы (например, определенной перед операцией ковки).
[00124] Если штампы имеют соответствующую температуру, и заготовки имеют соответствующую температуру, заготовки извлекают из печи и помещают внутрь ковочного штампа. Ковочные штампы затем прижимают друг другу, вынуждая металл в заготовке перераспределяться и заполнять полость штампа. Ковочное действие может происходить за одну операцию прессования. Это также можно выполнить посредством нескольких операций прессования (или ударов) вплоть до заполнения ручья штампа.
[00125] Процесс включает нагрев подготовленной заготовки, ковку в штампах, причем затем деталь извлекают из штампа и (в некоторых вариантах осуществления) откладывают для последующих операций, необходимых для конкретной детали. Эти последующие операции могут включать (в качестве неограничивающих примеров) помещение обратно в печь для последующей операции ковки, обеспечение возможности охлаждения детали для подготовки к другим процессам ковки или такие термические операции, как термообработка, отжиг и/или старение. В некоторых вариантах осуществления последующие операции включают операции повторной обработки. Этапом ковки считается цикл помещения заготовки в печь, нагрева до требуемой температуры, помещения в штамп для ковки, ковки для придания требуемой на данном этапе геометрической формы, а затем извлечения из штампа. Один этап ковки можно определить как нагрев и ковку материала в одном прессе несколькими ударами. Многоэтапную ковку можно определить как многократное повторение этапа ковки.
[00126] В некоторых вариантах осуществления готовое кованое изделие выполнено с величиной (например, предварительно выбранной величиной) истинной деформации, обусловленной этапом 220 введения в контакт. В некоторых вариантах осуществления деформация, реализованная в готовом кованом изделии, может являться неравномерной по всему готовому кованому изделию, например, по причине формы ковочных штампов и/или формы фасонной металлической заготовки. Таким образом, в готовом кованом изделии могут быть реализованы зоны с низкой и/или высокой деформацией. Соответственно, подложка для наращивания может быть расположена в предварительно определенной зоне фасонной металлической заготовки так, чтобы после ковки подложка для наращивания была расположена в предварительно определенной зоне низкой деформации готового кованого изделия. В некоторых вариантах осуществления (например, когда подложки обработаны) подложки выполнены с возможностью достижения требуемых свойств без дополнительной деформации. В некоторых вариантах осуществления зона низкой деформации предварительно определена на основании прогнозного моделирования и/или эмпирической проверки. В некоторых вариантах осуществления распределение деформации в готовом кованом изделии прогнозируют на основании моделирования. В некоторых вариантах осуществления посредством проектирования и анализа фасонной металлической заготовки предварительно определяют требуемую величину деформации в готовом кованом изделии. В некоторых вариантах осуществления предварительно определенную величину деформации используют/выполняют так, чтобы готовый кованый компонент достигал требуемых свойств. Таким образом, при ковке подложка выполнена/расположена в зоне снаружи готового компонента так, что в этой области обработка не требуется.
[00127] На фиг. 6 показан другой вариант осуществления включения подложки (410) для наращивания в фасонную металлическую заготовку (510). В показанном варианте осуществления материал добавляют к подложке (410) для наращивания при помощи аддитивного производства (100) с получением фасонной металлической заготовки (510). В данном варианте осуществления изобретения фасонную металлическую заготовку (510) подвергают ковке (200) с получением готового кованого изделия (610). В данном варианте осуществления готовое кованое изделие (610) содержит подложку (410) для наращивания, образованную с ним как единое целое. В другом варианте осуществления перед этапом ковки фасонную металлическую заготовку удаляют с подложки для наращивания.
[00128] В некоторых вариантах осуществления подложка для наращивания выполнена с предварительно определенной формой и/или предварительно определенными механическими свойствами (например, называя некоторые, прочностью, ударной вязкостью). В одном варианте осуществления подложка для наращивания представляет собой предварительно обработанный листовой материал основы. В одном варианте осуществления форма подложки для наращивания предварительно определена на основании формы зоны низкой деформации. В одном варианте осуществления механические свойства подложки для наращивания являются предварительно определенными на основании средней истинной деформации, реализованной в фасонной металлической заготовке, и/или истинной деформации, реализованной в зоне низкой деформации. В одном варианте осуществления в фасонную металлическую заготовку включают две или более подложек для наращивания. В одном варианте осуществления подложка для наращивания содержит предварительно обработанный листовой материал основы. В одном варианте осуществления подложка для наращивания была получена с использованием процесса аддитивного производства. В одном варианте осуществления несколько фасонных металлических заготовок наращивают на одной подложке для наращивания, и отделяют их после этапа аддитивного производства перед этапом ковки.
[00129] В некоторых вариантах осуществления подложка для наращивания выполнена/изготовлена из любого металла, подходящего как для аддитивного производства, так и для ковки, в том числе, например, среди прочих, металлы или сплавы титана, алюминия, никеля (например, INCONEL), сталь, алюминид титана и нержавеющая сталь. В одном варианте осуществления подложка для наращивания изготовлена из того же материала (материалов), что и остальная фасонная металлическая заготовка. В одном варианте осуществления материал, добавляемый к фасонной металлической заготовке, представляет собой первый материал, тогда как подложка для наращивания изготовлена из второго материала (при этом второй материал отличается от первого материала). В одном варианте осуществления первый материал выполнен с первой прочностью, и второй материал выполнен со второй прочностью. В одном варианте осуществления первый материал имеет первую усталостную характеристику, и второй материал имеет вторую усталостную характеристику. В некоторых вариантах осуществления первый материал имеет форму, отличающуюся от формы второго материала (например, порошок на листовом материале, проволока на листовом материале и т. д.).
[00130] В одном примере подложка для наращивания представляет собой первое кольцо из первого материала. Второй материал при помощи аддитивного производства добавляют к указанному кольцу, посредством чего образуется второе кольцо из второго материала, образующее единое целое с первым кольцом. Таким образом, получают фасонную металлическую заготовку в форме кольца, содержащую два разных материала. В данном примере фасонную металлическую заготовку в форме кольца затем подвергают ковке с получением готового кованого изделия в форме кольца, содержащего два разных материала.
[00131] В одном варианте осуществления вышеописанным способом образовано одно или несколько колец удержания лопаток двигателя (например, одно или несколько колец удержания лопаток аэрокосмического двигателя). Например, подложка для наращивания содержит первое кольцо из материала, которому придана высокая ударная вязкость. Затем к первому кольцу посредством аддитивного производства добавляют второе кольцо из второго материала, которому придана высокая прочность, посредством чего образуется фасонная металлическая заготовка. В данном варианте осуществления фасонную металлическую заготовку затем подвергают ковке с получением кольца удержания лопаток двигателя, содержащего внутреннее кольцо с высокой ударной вязкостью и наружное кольцо с высокой прочностью.
[00132] В некоторых вариантах осуществления аддитивное производство используют для получения градиентных материалов. В данном варианте осуществления полученная в результате фасонная металлическая заготовка имеет градиентную конструкцию, достигаемую при помощи процесса аддитивного производства за счет изменения состава аддитивного исходного сырья и/или параметров процесса в ходе нанесения фасонной металлической заготовки.
Пример 1 - Сплав Ti-6Al-4V
[00133] При помощи аддитивного производства получили несколько заготовок из сплава Ti-6Al-4V. В частности, посредством системы аддитивного производства при помощи прямого лазерного спекания металлов (DMLS) EOSINT M 280, доступной от EOS GmbH (Robert-Stirling-Ring 1, 82152 Крайллинг/Мюнхен, Германия) получили цилиндрические заготовки из сплава Ti-6Al-4V. Заготовки из сплава Ti-6Al-4V получили в соответствии с условиями работы, рекомендованными изготовителем для титана. Заготовки затем нагревали до определенной температуры заготовки от приблизительно 958°C (1756°F) до приблизительно 972°C (1782°F). Затем некоторые из этих цилиндрических заготовок подвергали ковке с различными величинами истинной деформации и с использованием температуры штампов приблизительно 390-400°C (734-752°F) с получением цилиндрических готовых кованых изделий. Истинную деформацию применяли к цилиндрическим заготовкам в направлении, параллельном оси цилиндров. Остальные заготовки оставляли без ковки. Некоторые из готовых кованых изделий затем отжигали при температуре приблизительно 732°C (1350°F) в течение приблизительно двух часов с получением отожженных готовых кованых изделий. Механические свойства некованых заготовок, готовых кованых изделий и отожженных готовых кованых изделий затем подвергали испытаниям, включающим определение предела текучести металла (TYS), предела прочности на разрыв (UTS) и удлинения, все - в направлении L, результаты которых показаны на фиг. 3, 4. Для каждого уровня деформации испытывали несколько образцов, и результаты усредняли. Механические свойства, включающие TYS, UTS и удлинение, определяли в соответствии с ASTM E8.
[00134] Как показано, кованые изделия из сплава Ti-6Al-4V достигли улучшенных свойств относительно некованых заготовок из сплава Ti-6Al-4V. В частности, со ссылкой на фиг. 3, кованые изделия из сплава Ti-6Al-4V достигли повышенного предела прочности на разрыв (UTS) относительно некованых заготовок из сплава Ti-6Al-4V. Например, некованые изделия из сплава Ti-6Al-4V достигли UTS приблизительно 140 тысяч фунтов/кв. дюйм. Для сравнения, кованые изделия из сплава Ti-6Al-4V достигли повышенного предела прочности на разрыв, достигая UTS приблизительно 149 тысяч фунтов/кв. дюйм после ковки до истинной деформации величиной приблизительно 0,4. Кроме того, как показано на фиг. 3, кованые изделия из сплава Ti-6Al-4V достигли повышенного предела текучести металла (TYS) относительно некованых заготовок из сплава Ti-6Al-4V. Например, некованые изделия из сплава Ti-6Al-4V достигли TYS приблизительно 118 тысяч фунтов/кв. дюйм. Для сравнения, кованые изделия из сплава Ti-6Al-4V достигли повышенного предела текучести металла, достигая TYS приблизительно 123 тысяч фунтов/кв. дюйм после ковки до истинной деформации величиной приблизительно 0,4. Как показано на фиг. 4, кованые изделия из сплава Ti-6Al-4V достигли надлежащего удлинения, при этом все они после ковки достигли удлинения приблизительно 12%.
[00135] Кроме того, отожженные готовые кованые изделия достигли улучшенных свойств относительно готовых кованых изделий, которые не были подвергнуты отжигу. В частности, со ссылкой на фиг. 3, отожженные готовые кованые изделия достигли повышенного предела текучести металла (TYS) относительно неотожженных готовых кованых изделий. Например, отожженные готовые кованые изделия, которые были подвергнуты ковке до истинной деформации величиной приблизительно 0,2, достигли TYS на приблизительно 10% выше, чем у готовых кованых изделий, которые не были подвергнуты отжигу. Кроме того, как показано на фиг. 3, отожженные готовые кованые изделия достигли предела прочности на разрыв (UTS), аналогичного неотожженным готовым кованым изделиям. Таким образом, отжиг готовых кованых изделий повышает TYS без ущерба для UTS. Как показано на фиг. 4, отожженные готовые кованые изделия достигли повышенного удлинения по сравнению с неотожженными готовыми коваными изделиями.
[00136] На фиг. 8-11 приведены микрофотографии, на которых показаны микроструктуры цилиндрических заготовок и цилиндрических готовых кованых изделий из примера 1. Все микрофотографии были получены в поперечной ориентации в средней точке цилиндра. На фиг. 7 показан один пример цилиндрического готового кованого изделия. В показанном варианте осуществления готовое кованое изделие было подвергнуто ковке в направлении Z. Плоскость Х-Y, показанная на фиг. 7, представляет собой поперечную ориентацию, а плоскость X-Z - продольную ориентацию. Снова обратимся к фиг. 8, на которой показана микрофотография заготовки из сплава Ti-6Al-4V, полученной при помощи аддитивного производства. Как видно на фиг. 8, микроструктура состоит из преобразованного материала бета-фазы с очевидными зернами предыдущей бета-фазы. На фиг. 9 показана микрофотография аддитивно произведенной заготовки из сплава Ti-6Al-4V, которая была предварительно нагрета до температуры приблизительно 1750°F. Как видно на фиг. 9, микроструктура после нагревания представляет собой преобразованный материал бета-фазы с образованием и ростом материала игольчатой альфа-фазы. Материал первичной альфа-фазы не наблюдался. На фиг. 10 показана микрофотография аддитивно произведенной заготовки из сплава Ti-6Al-4V, которая была предварительно нагрета до температуры приблизительно 1750°F, а затем подвергнута ковке до истинной деформации величиной приблизительно 0,7 (пример готового кованого изделия). Как видно на фиг. 10 этапы предварительного нагрева и ковки приводят к более чистой зернистой структуре, что подчеркнуто образованием зародышей зерен первичной альфа-фазы, рассеянных в матрице. Эти рассеянные зерна первичной альфа-фазы наблюдаются как небольшие белые круглые точки. На фиг. 11 показана микрофотография аддитивно произведенной заготовки из сплава Ti-6Al-4V, которая была предварительно нагрета до температуры приблизительно 1750°F, затем подвергнута ковке до истинной деформации величиной приблизительно 0,7 и затем отожжена при температуре приблизительно 1350°F (пример отожженного готового кованого изделия). Как видно на фиг. 11, в дополнение к небольшим круглым зернам материала первичной альфа-фазы, рассеянным в матрице, также образовались первичные зерна материала альфа-фазы.
[00137] Несмотря на то, что различные варианты осуществления настоящего изобретения были подробно описаны, ясно, что модификация и адаптации этих вариантов осуществления будут очевидны специалистам в данной области техники. Однако следует четко понимать, что эти модификации и адаптации находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ПОСРЕДСТВОМ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА | 2017 |
|
RU2705841C1 |
| СПОСОБЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОВАНЫХ ПРОДУКТОВ И ДРУГИХ ОБРАБОТАННЫХ ПРОДУКТОВ | 2014 |
|
RU2701774C2 |
| ДЕТАЛИ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ ПОСРЕДСТВОМ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА, И СВЯЗАННЫЕ С НИМИ СПОСОБЫ | 2018 |
|
RU2722471C1 |
| МАТЕРИАЛЫ С ОЦК-СТРУКТУРОЙ НА ОСНОВЕ ТИТАНА, АЛЮМИНИЯ, ВАНАДИЯ И ЖЕЛЕЗА И ИЗДЕЛИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ ИЗ НИХ | 2017 |
|
RU2729569C2 |
| КОВКА В ОТКРЫТОМ ШТАМПЕ С РАЗДЕЛЬНЫМИ ПРОХОДАМИ ТРУДНЫХ ДЛЯ КОВКИ И ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ К ТРАЕКТОРИИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ | 2014 |
|
RU2638139C2 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ ИЗ ТИТАНОВОГО АЛЬФА-БЕТА-СПЛАВА ПУТЕМ КОВКИ | 2003 |
|
RU2329116C2 |
| Способ аддитивного производства изделий из титановых сплавов с функционально-градиентной структурой | 2018 |
|
RU2700439C1 |
| МАТЕРИАЛЫ С ГПУ-СТРУКТУРОЙ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, ТИТАНА И ЦИРКОНИЯ И ИЗДЕЛИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ ИЗ НИХ | 2017 |
|
RU2713668C1 |
| ОБРАБОТКА СПЛАВОВ ТИТАН-АЛЮМИНИЙ-ВАНАДИЙ И ИЗДЕЛИЯ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ С ЕЕ ПОМОЩЬЮ | 2004 |
|
RU2339731C2 |
| МЕТОД УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА | 2014 |
|
RU2575975C2 |
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения металлических изделий. Получают фасонную металлическую заготовку с неровностями на поверхности путем использования аддитивного производства. Затем производят сглаживание неровностей заготовки источником энергии, достаточным для получения заготовки, пригодной для обработки. Сглаживание включает сглаживание электронным лучом, плавку импульсной лампой, плавку лазером, дуговую плавку, лазерную абляцию и их комбинации, а также нагрев по меньшей мере части одного пласта непрерывно нанесенного слоя плавленого металла. Далее осуществляют обработку фасонной металлической заготовки с получением готового обработанного изделия. В результате обеспечивается улучшение механических характеристик полученных изделий. 20 з.п. ф-лы, 20 ил., 2 табл., 1 пр.
1. Способ получения металлического изделия, включающий:
a. использование аддитивного производства для получения фасонной металлической заготовки, причем фасонная металлическая заготовка выполнена с неровностями на поверхности, указывающими на конструкцию, полученную посредством аддитивного производства;
b. сглаживание неровностей на поверхности фасонной металлической заготовки посредством источника энергии, достаточного для получения заготовки, пригодной для обработки, подготовленной к дополнительной операции обработки, при этом сглаживание включает сглаживание электронным лучом, плавку импульсной лампой, плавку лазером, дуговую плавку, лазерную абляцию и их комбинации, при этом сглаживание включает нагрев по меньшей мере части одного пласта непрерывно нанесенного слоя плавленого металла, нанесенного в процессе аддитивного производства; и
c. обработку фасонной металлической заготовки с получением готового обработанного изделия.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что готовое обработанное изделие не содержит дефекты, включая складки и пустоты, за счет этапа сглаживания.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фасонную металлическую заготовку выполняют с гладкими внешними краями.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что использование аддитивного производства для наращивания фасонной металлической заготовки включает использование процесса аддитивного производства без использования порошка для наращивания фасонной металлической заготовки.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно включает использование первого набора параметров луча для аддитивного производства фасонной металлической заготовки во время этапа аддитивного производства, за которым следует изменение на второй набор параметров луча, подходящий для сглаживания, причем набор параметров луча включает переменные луча.
6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что переменные луча включают размер луча, ток луча, скорость перемещения, скорость подачи проволоки, схему луча, траекторию сканирования и их комбинации.
7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что первый набор параметров луча отличается от второго набора параметров луча за счет различия по меньшей мере в одной переменной луча.
8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что скорость подачи проволоки равна 0 во время сглаживания.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что он включает предварительный нагрев подложки источником энергии перед этапом использования.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап использования аддитивного производства включает аддитивное производство фасонной металлической заготовки по плану непрерывного наращивания.
11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап использования аддитивного производства включает аддитивное производство фасонной металлической заготовки по плану непрерывного внешнего наращивания.
12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что источник энергии для этапа использования представляет собой тот же источник энергии для этапа сглаживания.
13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сглаживание включает уменьшение шероховатости поверхности измеренной части поверхности фасонной металлической заготовки.
14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап сглаживания включает уменьшение отношения глубины к ширине впадин вдоль измеренной части поверхности фасонной металлической заготовки.
15. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап сглаживания включает уменьшение шероховатости вдоль измеренной части фасонной металлической заготовки, определенной при помощи сканирования в синем свете.
16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап сглаживания включает повышение температуры части поверхности детали для обеспечения плавки неравномерной части поверхности.
17. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сглаживание включает по меньшей мере одно из плавки, размягчения и консолидации по меньшей мере части геометрической формы, нанесенной по траектории аддитивного производства, для сглаживания поверхности фасонной металлической заготовки.
18. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сглаживание включает нагрев по меньшей мере части внешней поверхности нанесенного слоя посредством аддитивного производства при помощи источника энергии.
19. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сглаживание включает нагрев по меньшей мере двух или более пластов непрерывно нанесенного слоя плавленого металла, нанесенного в процессе аддитивного производства, в фасонной металлической заготовке.
20. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап сглаживания включает:
a. расфокусировку источника энергии от первого размера луча источника энергии, применяемого на этапе использования, на второй размер луча для сглаживания;
b. растровую развертку луча по схеме; и
c. перемещение по поверхности заготовки для осуществления сглаживания поверхности.
21. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап обработки выбирают из группы, состоящей из:
a. ковки,
b. прокатки,
c. прокатки кольца,
d. прессования выдавливанием, и
e. их комбинаций.
| Способ защиты переносных электрических установок от опасностей, связанных с заземлением одной из фаз | 1924 |
|
SU2014A1 |
| КВАЗИИЗОТЕРМИЧЕСКАЯ КОВКА СУПЕРСПЛАВА НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ | 2003 |
|
RU2328357C2 |
| СПОСОБ СПЕКАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ЛАЗЕРНЫМ ПОСЛОЙНЫМ СИНТЕЗОМ | 2010 |
|
RU2450891C1 |
| Устройство для закрепления лыж на раме мотоциклов и велосипедов взамен переднего колеса | 1924 |
|
SU2015A1 |
| Способ защиты переносных электрических установок от опасностей, связанных с заземлением одной из фаз | 1924 |
|
SU2014A1 |
