ES2676344T3 - Formation of a composite component - Google Patents
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Abstract
Un método para la formación de un componente compuesto a partir de una pluralidad de materiales de alimentación en polvo diferentes, que comprende las operaciones de: obtención de un molde cerámico negativo (102, 401, 601, 801, 901) de un componente que define una primera abertura (603, 804, 906) asociada con una primera región (602, 802, 902) del molde y una segunda abertura (604, 805, 906) asociada con una segunda región (605, 803, 904) del molde; despliegue de un primer material (104, 608, 806, 909) de alimentación en polvo en dicha primera región del molde negativo a través de la primera abertura y un segundo material (105, 609, 807, 910) de alimentación en polvo a dicha segunda región del molde negativo a través de la segunda abertura; prevención de la difusión de dicho primer material de alimentación con dicho segundo material de alimentación por medio de un tabique (808, 903) que separa dicha primera región y dicha segunda región; aumento de la temperatura dentro de dicho molde negativo a una primera temperatura (1106) que hace que dicho primer material de alimentación se funda durante una etapa (106) de calentamiento; y fusión de dicho tabique para permitir la difusión de dicho primer material de alimentación con dicho segundo material alimentado.A method for forming a component composed of a plurality of different powder feed materials, comprising the operations of: obtaining a negative ceramic mold (102, 401, 601, 801, 901) of a component that defines a first opening (603, 804, 906) associated with a first region (602, 802, 902) of the mold and a second opening (604, 805, 906) associated with a second region (605, 803, 904) of the mold; deployment of a first powder feed material (104, 608, 806, 909) in said first region of the negative mold through the first opening and a second powder feed material (105, 609, 807, 910) to said second region of the negative mold through the second opening; prevention of the diffusion of said first feed material with said second feed material by means of a partition (808, 903) that separates said first region and said second region; temperature increase within said negative mold at a first temperature (1106) which causes said first feed material to melt during a heating stage (106); and fusion of said partition to allow diffusion of said first feed material with said second fed material.
Description
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DESCRIPCIONDESCRIPTION
Formación de un componente compuesto ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 1 Campo de la InvenciónFormation of a composite component BACKGROUND OF THE INVENTION 1 Field of the Invention
La presente invención se refiere a un método de formación de un componente compuesto, en el que una pluralidad de materiales de alimentación están inicialmente en estado de polvo y se forma un componente sólido mediante aplicación de calor.The present invention relates to a method of forming a composite component, in which a plurality of feedstocks are initially in a powder state and a solid component is formed by heat application.
La presente invención se refiere también a un aparato para la formación de un componente compuesto, del tipo en el que una pluralidad de materiales de alimentación están inicialmente en estado de polvo y se forma un componente sólido mediante aplicación de calor.The present invention also relates to an apparatus for the formation of a composite component, of the type in which a plurality of feedstocks are initially in a powder state and a solid component is formed by application of heat.
2. Descripción de la técnica relacionada2. Description of the related technique
Los componentes compuestos son partes componentes hechas a partir de dos o más materiales diferentes que son consolidados para producir una única estructura con características diferentes de los materiales constituyentes individuales. La estructura compuesta puede ser preferida por varias razones por ejemplo en la creación de un componente de múltiples capas que tiene una superficie exterior dura pero un interior ligero de peso, de baja densidad.Composite components are component parts made from two or more different materials that are consolidated to produce a single structure with different characteristics of the individual constituent materials. The composite structure may be preferred for several reasons, for example in the creation of a multilayer component that has a hard outer surface but a light weight, low density interior.
El documento JPH 06 7916 (Kiyadeitsuku Technol Service K) muestra un método de moldeo ejemplar para crear este tipo de componente compuesto en el que una mezcla de dos materiales en polvo es añadida a una cavidad del molde y utiliza una bobina de inducción de modo que funda la mezcla en polvo y de manera que controle la fusión y solidificación y así la microestructura del componente final.JPH 06 7916 (Kiyadeitsuku Technol Service K) shows an exemplary molding method for creating this type of composite component in which a mixture of two powder materials is added to a mold cavity and uses an induction coil so that melt the powder mixture and so that it controls the melting and solidification and thus the microstructure of the final component.
Se conocen una variedad de métodos para producir un componente de múltiples capas que comprende uno o más materiales diferentes, tal como una capa exterior dura o revestimiento con láser.A variety of methods are known for producing a multilayer component comprising one or more different materials, such as a hard outer layer or laser coating.
Sin embargo estos métodos conocidos incurren en varios problemas. En primer lugar, se experimenta una desventaja en el número de procesos separados requeridos para crear el componente acabado. En segundo lugar, tales técnicas de aplicación de una capa de material al exterior de un objeto sólido dan como resultado una unión no discreta de los dos materiales, que conduce a una debilidad estructural de la interfaz.However, these known methods incur several problems. First, a disadvantage is experienced in the number of separate processes required to create the finished component. Second, such techniques of applying a layer of material to the outside of a solid object result in a non-discrete union of the two materials, which leads to a structural weakness of the interface.
El documento US 2013/294901 A1 (Mironets y col.) muestra un método de formación de un componente que incluye posicionar un polvo metálico en una cavidad antes de ser fundido en un horno de inducción. Este documento también sugiere utilizar estructuras de refuerzo del componente que son mantenidas en posición por el componente una vez que el componente ha sido formado. Otro método está mostrado en el documento Ep 1 724 438 A2 (General Electric) en el que se utiliza una funda deslizante en el método de moldeo que separa los dos diferentes materiales en polvo. La funda es a continuación retirada para permitir que los materiales en polvo se mezclen antes de la solidificación.US 2013/294901 A1 (Mironets et al.) Shows a method of forming a component that includes positioning a metal powder in a cavity before being melted in an induction furnace. This document also suggests using component reinforcement structures that are held in position by the component once the component has been formed. Another method is shown in document Ep 1 724 438 A2 (General Electric) in which a sliding cover is used in the molding method that separates the two different powder materials. The sheath is then removed to allow the powdered materials to mix before solidification.
El documento EP 0 072 175 A1 (Mowill) es un ejemplo de un proceso isostático en caliente en el que una cesta es colocada dentro de un recinto para proporcionar dos regiones separadas para diferentes polvos o aleaciones. La cesta permite la difusión de las dos aleaciones cuando las aleaciones comienzan a fundirse. La cesta puede ser retirada una vez que el componente es formado o fundido y evaporado.EP 0 072 175 A1 (Mowill) is an example of a hot isostatic process in which a basket is placed inside an enclosure to provide two separate regions for different powders or alloys. The basket allows the diffusion of the two alloys when the alloys begin to melt. The basket can be removed once the component is formed or melted and evaporated.
BREVE SUMARIO DE LA INVENCIÓNBRIEF SUMMARY OF THE INVENTION
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se ha proporcionado un método para la formación de un componente compuesto a partir de una pluralidad de materiales de alimentación en polvo diferentes que comprende las operaciones de: obtención de un molde cerámico negativo de un componente que define una primera abertura asociada con una primera región del molde y una segunda abertura asociada con una segunda región del molde; despliegue de un primer material de alimentación en polvo a dicha primera región del molde negativo a través de la primera abertura y un segundo material de alimentación en polvo a dicha segunda región del molde negativo a través de la segunda abertura; prevención de la difusión de dicho primer material de alimentación con dicho segundo material de alimentación por medio de un tabique que separa dicha primera región y dicha segunda región; aumento de la temperatura dentro de dicho molde negativo a una primera temperatura que hace que dicho primer material de alimentación se funda durante una etapa de calentamiento; y fusión de dicho tabique para permitir la difusión de dicho primer material de alimentación con dicho segundo material de alimentación.In accordance with a first aspect of the present invention, a method for the formation of a composite component from a plurality of different powder feedstocks comprising the operations of obtaining a negative ceramic mold of a component has been provided. defining a first opening associated with a first mold region and a second opening associated with a second mold region; deployment of a first powder feed material to said first region of the negative mold through the first opening and a second powder feed material to said second region of the negative mold through the second opening; prevention of the diffusion of said first feed material with said second feed material by means of a partition separating said first region and said second region; temperature increase within said negative mold at a first temperature which causes said first feed material to melt during a heating stage; and fusion of said partition to allow diffusion of said first feed material with said second feed material.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención se ha proporcionado un aparato para formar un componente compuesto a partir de una pluralidad de materiales de alimentación en polvo diferentes que comprende: un molde cerámico negativo que define una primera abertura asociada con una primera región del molde y una segunda abertura asociada con una segunda región del molde; en el que dicha primera abertura está configurada para la inserción de un primer material de alimentación en polvo a dicha primera región del molde y dicha segunda abertura está configurada para la inserción de un segundo material de alimentación en polvo a una segunda región del molde; y dicho molde cerámico negativo es adecuado para calentar a una primera temperatura durante una etapa de calentamiento,In accordance with a second aspect of the present invention there is provided an apparatus for forming a composite component from a plurality of different powder feed materials comprising: a negative ceramic mold defining a first opening associated with a first region of the mold and a second opening associated with a second region of the mold; wherein said first opening is configured for insertion of a first powder feed material to said first region of the mold and said second opening is configured for insertion of a second powder feed material to a second region of the mold; and said negative ceramic mold is suitable for heating at a first temperature during a heating stage,
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caracterizado por que: dicho molde cerámico negativo comprende además un tabique que separa dicha primera y dicha segunda regiones, estando dicho tabique configurado para impedir la difusión de dicho primer material de alimentación con dicho segundo material de alimentación cuando está en forma sólida y configurado además para fundirse y permitir la difusión de dicho primer material de alimentación con dicho segundo material de alimentación.characterized in that: said negative ceramic mold further comprises a partition separating said first and said second regions, said partition being configured to prevent the diffusion of said first feed material with said second feed material when it is in solid form and further configured to melt and allow the diffusion of said first feed material with said second feed material.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La figura 1 muestra un método de formación de un componente compuesto a partir de materiales de alimentación en polvo;Figure 1 shows a method of forming a composite component from powder feed materials;
La Figura 2 muestra un procedimiento para la creación de un molde negativo;Figure 2 shows a procedure for creating a negative mold;
La Figura 3 muestra el despliegue de materiales de alimentación juntos en el molde de la Figura 2;Figure 3 shows the deployment of feed materials together in the mold of Figure 2;
La Figura 4 muestra una sección alimentadora de un molde negativo;Figure 4 shows a feeder section of a negative mold;
La Figura 5 muestra el molde negativo de la Figura 4 después de solidificación;Figure 5 shows the negative mold of Figure 4 after solidification;
La Figura 6 muestra un molde con dos regiones y dos materiales de alimentación insertados por separado;Figure 6 shows a mold with two regions and two feed materials inserted separately;
La Figura 7 muestra el molde de la Figura 6 después de calentar para unir los materiales de alimentación;Figure 7 shows the mold of Figure 6 after heating to join the feed materials;
La Figura 8 muestra una vista en sección transversal de un primer molde con un tabique;Figure 8 shows a cross-sectional view of a first mold with a partition;
La Figura 9 muestra en sección transversal un segundo molde con un tabique;Figure 9 shows in cross section a second mold with a partition;
La Figura 10 muestra un aparato de procesamiento;Figure 10 shows a processing apparatus;
La Figura 11 muestra un gráfico de temperatura-tiempo para el proceso de la Figura 8;Figure 11 shows a temperature-time graph for the process of Figure 8;
La Figura 12 muestra un gráfico de temperatura-tiempo para el proceso de la Figura 9.Figure 12 shows a temperature-time graph for the process of Figure 9.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE REALIZACIONES EJEMPLARESDETAILED DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS
Figura 1Figure 1
En la figura 1 se ha ilustrado un método de formación de un componente compuesto a partir de materiales de alimentación en polvo que cae fuera de la invención reivindicada, en el que un componente sólido es formado a partir de una pluralidad de materiales de alimentación en polvo diferentes mediante la aplicación de calor.A method of forming a composite component from powder feedstocks that falls outside the claimed invention is illustrated in Figure 1, wherein a solid component is formed from a plurality of powdered feedstocks. different by applying heat.
En la operación 101, se obtiene un molde negativo 102 que define el perfil de un componente que ha de ser producido. En la operación 103, los materiales de alimentación en polvo, el primer material 104 de alimentación y el segundo material 105 de alimentación son desplegados en el molde negativo. En la operación 106, se aplica calor al molde aumentando la temperatura y haciendo que los materiales de alimentación en polvo se fundan durante una etapa de calentamiento. En la operación 107 se mantiene la temperatura cuanto sea necesario para permitir la difusión del primer material 104 de alimentación con el segundo material 105 alimentado. En la operación 108 se disminuye la temperatura, haciendo que los materiales de alimentación fundidos solidifiquen durante una etapa de enfriamiento.In operation 101, a negative mold 102 is obtained which defines the profile of a component to be produced. In operation 103, the powder feed materials, the first feed material 104 and the second feed material 105 are deployed in the negative mold. In operation 106, heat is applied to the mold by increasing the temperature and causing the powder feed materials to melt during a heating stage. In operation 107 the temperature is maintained as necessary to allow diffusion of the first feed material 104 with the second fed material 105. In operation 108 the temperature is lowered, causing molten feedstocks to solidify during a cooling stage.
Figura 2Figure 2
Como se ha descrito con referencia a la operación 101 del método de la Figura 1, se obtiene un molde negativo a partir de un modelo positivo de un componente.As described with reference to operation 101 of the method of Figure 1, a negative mold is obtained from a positive model of a component.
Un método para obtener un molde negativo está ilustrado en la Figura 2. Un modelo positivo 201 es creado a partir de un medio apropiado tal como un material para fabricar prototipos rápidamente, poliestireno o cera, que define la geometría del componente deseado.A method for obtaining a negative mold is illustrated in Figure 2. A positive model 201 is created from an appropriate means such as a material for rapid prototyping, polystyrene or wax, which defines the geometry of the desired component.
El molde negativo 102 es formado a continuación alrededor del modelo positivo para definir un perfil negativo del componente. En una primera realización, el molde negativo comprende una capa de material que tiene un punto de fusión mayor que el del primer material 104 de alimentación y que el del segundo material 105 alimentado, tal como un material cerámico de muy alta temperatura. La envolvente cerámica es creada aplicando una pluralidad de capas de lechada cerámica al exterior del modelo positivo, hasta que se consigue el grosor de pared requerido.The negative mold 102 is then formed around the positive model to define a negative profile of the component. In a first embodiment, the negative mold comprises a layer of material that has a melting point greater than that of the first feed material 104 and that of the second fed material 105, such as a very high temperature ceramic material. The ceramic envelope is created by applying a plurality of layers of ceramic grout to the outside of the positive model, until the required wall thickness is achieved.
El material 201 del modelo positivo que se sacrifica es a continuación evacuado del molde negativo 102 a través de la abertura 202 utilizando una técnica de extracción apropiada, tal como la aplicación de calor y/o un disolvente. Esto deja una cavidad 203 que define la superficie exterior del componente.The material 201 of the positive model that is sacrificed is then evacuated from the negative mold 102 through the opening 202 using an appropriate extraction technique, such as the application of heat and / or a solvent. This leaves a cavity 203 that defines the outer surface of the component.
Figura 3Figure 3
La operación 103 del método de la Figura 1 para el despliegue de materiales de alimentación está ilustrada en la Figura 3. El modelo 201 positivo que se sacrifica ha sido extraído como se ha mostrado previamente con referencia a la Figura 2, dejando un molde negativo 102 listo para recibir material alimentado, tal como un primer material 104 de alimentación y un segundo material 105 de alimentación contenidos dentro del dispositivo 301 de alimentación. En una realización el llenado del molde negativo 102 es facilitado por vibración del molde para promover que los materiales de alimentación en polvo se asienten. El molde negativo 102 es colocado sobre una mesa vibratoria 302, soportada en sí misma por el miembro 303 de base estable. De este modo, cuando los materiales de alimentación en polvo son introducidos en el molde tienden a compactarse por efecto de la gravedad.Operation 103 of the method of Figure 1 for the deployment of feedstocks is illustrated in Figure 3. The positive model 201 that is sacrificed has been extracted as previously shown with reference to Figure 2, leaving a negative mold 102 ready to receive fed material, such as a first feed material 104 and a second feed material 105 contained within the feed device 301. In one embodiment the filling of the negative mold 102 is facilitated by vibration of the mold to promote that the powder feed materials settle. The negative mold 102 is placed on a vibrating table 302, supported in itself by the stable base member 303. Thus, when powder feed materials are introduced into the mold they tend to compact due to gravity.
En la realización ilustrada en la Figura 3 el primer material 104 de alimentación y el segundo material 105 de alimentación han sido combinados en forma de polvo en el dispositivo 301 de alimentación, antes de la introducción al molde. Este tipo de preparación de polvo es ventajoso ya que permite composiciones de material muy precisas yIn the embodiment illustrated in Figure 3, the first feed material 104 and the second feed material 105 have been combined in powder form in the feed device 301, prior to introduction into the mold. This type of powder preparation is advantageous since it allows very precise material compositions and
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dispersiones uniformes de partículas antes de la aglomeración. El primer material 104 de alimentación comprende un polvo fino metálico con un primer punto de fusión y el segundo material 105 de alimentación comprende una sustancia cerámica con un punto de fusión mucho más elevado que el del primer material 104 alimentado.uniform dispersions of particles before agglomeration. The first feed material 104 comprises a fine metallic powder with a first melting point and the second feed material 105 comprises a ceramic substance with a melting point much higher than that of the first fed material 104.
Así, en la realización ilustrada el primer material 104 de alimentación y el segundo material 105 de alimentación son desplegados en el molde juntos a través de la abertura 202 de modo que llenen la cavidad 203 dentro del molde negativo 102, y a continuación calentados como en la operación 106 durante una etapa de calentamiento. La temperatura es incrementada calentando el molde negativo 102 a una primera temperatura, aproximadamente igual al punto de fusión del primer material 104 alimentado, haciendo por ello que el primer material 104 de alimentación se funda. Sin embargo el segundo material 105 alimentado, que tiene un punto de fusión mucho más elevado que el de la primera temperatura no se funde y permanece en su forma de partículas sólidas.Thus, in the illustrated embodiment the first feed material 104 and the second feed material 105 are deployed in the mold together through the opening 202 so that they fill the cavity 203 within the negative mold 102, and then heated as in the operation 106 during a heating stage. The temperature is increased by heating the negative mold 102 at a first temperature, approximately equal to the melting point of the first fed material 104, thereby causing the first feed material 104 to melt. However, the second fed material 105, which has a melting point much higher than that of the first temperature, does not melt and remains in its solid particle form.
En realizaciones alternativas la etapa de calentamiento descrita anteriormente es realizada en un entorno de presión controlada a una presión distinta de la presión atmosférica de 1 bar. En una primera realización la presión es reducida por debajo de la presión atmosférica retirando aire del entorno de presión controlada. En una segunda realización la presión aplicada es incrementada a un nivel por encima de la presión atmosférica. Igualmente la etapa de calentamiento puede ser realizada bajo condiciones de presión que evolucionan en el tiempo.In alternative embodiments the heating stage described above is performed in a controlled pressure environment at a pressure other than the atmospheric pressure of 1 bar. In a first embodiment the pressure is reduced below atmospheric pressure by removing air from the controlled pressure environment. In a second embodiment the applied pressure is increased to a level above the atmospheric pressure. Also the heating stage can be performed under pressure conditions that evolve over time.
Figura 4Figure 4
Un molde negativo 401, sustancialmente similar al molde negativo 102, de la Figura 3 se ha mostrado en sección transversal parcial en la Figura 4 después de la operación 103 de despliegue y de la operación 106 de calentamiento. Como se ha descrito previamente con referencia a la Figura 3, un molde negativo 401 ha sido calentado a una primera temperatura fundiendo por ello el primer material 104 de alimentación mientras el segundo material 105 de alimentación no se funde pero permanece distribuido uniformemente a lo largo de todo el moldeo. En esta realización el molde 401 incluye una sección 402 de componente y una sección 403 alimentadora. La sección 403 alimentadora define un paso 404 generalmente cilíndrico, que se extiende desde un primer extremo abierto 405 y que entra en la sección 402 del componente en un segundo extremo 406 a través de la abertura 407.A negative mold 401, substantially similar to the negative mold 102, of Figure 3 has been shown in partial cross-section in Figure 4 after the deployment operation 103 and the heating operation 106. As previously described with reference to Figure 3, a negative mold 401 has been heated to a first temperature thereby melting the first feed material 104 while the second feed material 105 does not melt but remains uniformly distributed along All the molding. In this embodiment the mold 401 includes a component section 402 and a feeder section 403. The feeder section 403 defines a generally cylindrical passage 404, which extends from a first open end 405 and enters the section 402 of the component at a second end 406 through the opening 407.
La sección 403 alimentadora alimenta material licuado adicional al molde negativo 401 durante la etapa 108 de enfriamiento cuando el material fundido contenido dentro del molde negativo 401 se contrae en volumen. Cuando los materiales se enfrían desde su fase líquida fundida, su volumen se reduce cuando la temperatura disminuye hasta el punto en que resultan sólidos. Por ello los alimentadores son utilizados para proporcionar material licuado para compensar las cavidades de contracción que de otro modo se formarían en uno o más centros térmicos en el interior del molde. Por ello el volumen del material licuado en la sección 403 alimentadora es determinado por el requisito de que se proporcione suficiente material líquido para compensar la reducción de volumen del material cuando se enfría. Durante la solidificación el material se contrae típicamente en aproximadamente un 7% en volumen y consecuentemente un volumen igual de material licuado entra en la sección de componente desde la sección alimentadora.The feeder section 403 feeds additional liquefied material to the negative mold 401 during the cooling step 108 when the molten material contained within the negative mold 401 shrinks in volume. When materials are cooled from their molten liquid phase, their volume is reduced when the temperature decreases to the point where they are solid. Therefore, the feeders are used to provide liquefied material to compensate for shrinkage cavities that would otherwise be formed in one or more thermal centers inside the mold. Therefore, the volume of the liquified material in the feeder section 403 is determined by the requirement that sufficient liquid material be provided to compensate for the reduction in volume of the material when it cools. During solidification the material typically contracts by approximately 7% by volume and consequently an equal volume of liquefied material enters the component section from the feeder section.
La eficiencia de la sección 403 alimentadora está influenciada por la presión estática en el alimentador, resultante de la cantidad de material licuado que contiene y de su altura vertical. La cabeza de presión estática ayuda a forzar al material licuado al molde cuando se enfría. Los moldes de acuerdo con esta realización preferida tienen uno o más alimentadores que son suficientemente altos de tal modo que durante la producción del componente compuesto, la altura del material situado dentro del alimentador permanece por encima de la parte más alta de la sección componente del molde. Esto permite que se ejerza suficiente presión sobre el material fundido dentro del molde de modo que se asegure que cualesquiera características finas definidas por el molde son reproducidas.The efficiency of the feeder section 403 is influenced by the static pressure in the feeder, resulting from the amount of liquid material it contains and its vertical height. The static pressure head helps force the liquid into the mold when it cools. The molds according to this preferred embodiment have one or more feeders that are sufficiently high such that during the production of the composite component, the height of the material located inside the feeder remains above the highest part of the component section of the mold . This allows sufficient pressure to be exerted on the molten material within the mold so as to ensure that any fine characteristics defined by the mold are reproduced.
Figura 5Figure 5
Como se ha descrito previamente con referencia a la Figura 4, en una realización solamente se funde el primer material 104 de alimentación mientras el segundo material 105 de alimentación permanece en su forma sólida. La Figura 5 muestra el molde negativo 401 después de la etapa 108 de enfriamiento por lo que la temperatura dentro del molde ha disminuido hasta por debajo de la primera temperatura haciendo que dicho primer material de alimentación solidifique y el volumen de material licuado dentro de la sección alimentadora se ha reducido al nivel 501. Por ello después de la etapa 108 de enfriamiento, el primer material 104 de alimentación fundido solidifica consolidando dicho segundo material en partículas 105 de alimentación dentro del molde voluminoso proporcionando un bloqueo estructural. De este modo pueden producirse componentes compuestos que exhiben resistencias a la tracción e impacto mejoradas, comparados con aquellos componentes con una composición uniforme.As previously described with reference to Figure 4, in one embodiment only the first feed material 104 is melted while the second feed material 105 remains in its solid form. Figure 5 shows the negative mold 401 after the cooling step 108 whereby the temperature inside the mold has decreased to below the first temperature causing said first feed material to solidify and the volume of liquefied material within the section feeder has been reduced to level 501. Therefore, after cooling step 108, the first molten feed material 104 solidifies by consolidating said second feed particle 105 into the bulky mold providing a structural blockage. In this way, composite components can be produced that exhibit improved tensile and impact resistance, compared to those components with a uniform composition.
De modo diferente al aparato de molde negativo de la técnica anterior, en la realización ilustrada el molde negativo 401 no es herméticamente sellado durante la etapa 106 de calentamiento y la etapa 108 de enfriamiento. Los moldes de la técnica anterior compensan una reducción de volumen de materiales de alimentación durante cambios de temperatura deformándose plásticamente. En una realización el molde negativo 401 es sustancialmente rígido y está configurado para ser incomprensible de modo que no se deforme durante la etapa de calentamiento 106 y la etapa de enfriamiento 108. Para tener en cuenta las fluctuaciones de volumen del material dentro del molde negativo durante los cambios de temperatura, el molde negativo 401 está configurado para ser permeable a la atmósfera durante su uso. Por ello el molde negativo 401 intercambia volumen con la atmósfera a través de la abertura 407 y de la sección 403 alimentadora. Sin embargo, en una realización alternativa el molde negativo 401 es sellado herméticamente después de la etapa 103 deUnlike the negative mold apparatus of the prior art, in the illustrated embodiment the negative mold 401 is not hermetically sealed during the heating stage 106 and the cooling stage 108. The prior art molds compensate for a reduction in the volume of feedstocks during temperature changes by plastic deformation. In one embodiment the negative mold 401 is substantially rigid and is configured to be incomprehensible so that it does not deform during the heating stage 106 and the cooling stage 108. To take into account the fluctuations in volume of the material within the negative mold during Temperature changes, the negative mold 401 is configured to be permeable to the atmosphere during use. Therefore, the negative mold 401 exchanges volume with the atmosphere through the opening 407 and the feeder section 403. However, in an alternative embodiment the negative mold 401 is hermetically sealed after step 103 of
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despliegue y antes de la etapa 106 de calentamiento, tapando la sección 403 alimentadora para impedir la interacción con la atmósfera.deployment and before the heating stage 106, covering the feeder section 403 to prevent interaction with the atmosphere.
En realizaciones alternativas, la etapa de enfriamiento puede ser conducida bajo condiciones de presión distintas de la presión atmosférica, o la presión aplicada puede ser variada en función del tiempo. Alterar la presión bajo la cual se solidifica el material puede influir en la estructura cristalina de la pieza colada. Solidificar durante la etapa de enfriamiento bajo condiciones de presión incrementada es probable que dé como resultado una pieza colada más densa y más uniforme estructuralmente, mejorando las propiedades al impacto del componente.In alternative embodiments, the cooling stage may be conducted under pressure conditions other than atmospheric pressure, or the applied pressure may be varied as a function of time. Altering the pressure under which the material solidifies can influence the crystalline structure of the cast. Solidifying during the cooling stage under conditions of increased pressure is likely to result in a denser and more structurally uniform casting, improving the impact properties of the component.
Figura 6Figure 6
Los moldes negativos 102 y 401 descritos con referencia a las Figuras 1 a 5 tienen solamente una primera abertura y una sección alimentadora correspondiente para permitir el despliegue de materiales de alimentación al molde. Estas realizaciones caen fuera de la presente invención. Sin embargo en una realización alternativa de acuerdo con la presente invención, se ha proporcionado un molde que tiene más de una abertura para el despliegue de materiales de alimentación por separado en regiones diferentes del molde.The negative molds 102 and 401 described with reference to Figures 1 to 5 have only a first opening and a corresponding feeder section to allow the deployment of feed materials to the mold. These embodiments fall outside the present invention. However, in an alternative embodiment according to the present invention, a mold having more than one opening for the deployment of feed materials separately in different regions of the mold has been provided.
Un ejemplo de tal molde está mostrado en sección transversal en la Figura 6. El molde 601 tiene una primera región 602 y una primera abertura 603 asociada con dicha primera región 602, y una segunda abertura 604 asociada con una segunda región 605. De modo similar al molde 102, el molde 601 incluye también secciones 606 y 607 alimentadoras que se extienden desde aberturas respectivas.An example of such a mold is shown in cross section in Figure 6. The mold 601 has a first region 602 and a first opening 603 associated with said first region 602, and a second opening 604 associated with a second region 605. Similarly to mold 102, mold 601 also includes feeder sections 606 and 607 extending from respective openings.
El primer material 608 de alimentación es desplegado en la primera región 602, a través de la primera abertura 603 y de la sección 606 alimentadora. El segundo material 609 de alimentación es desplegado por separado de dicho primer material 608 de alimentación a la segunda región 605, a través de la segunda abertura 604 y de la sección 607 alimentadora. Esto da como resultado una pieza colada con materiales diferentes ubicados en regiones diferentes del componente. Los materiales de alimentación son desplegados en sus regiones respectivas aproximadamente a la misma tasa por lo que se encuentran en una interfaz 610 que está aproximadamente equidistante entre la primera abertura 603 y la segunda abertura 604.The first feed material 608 is deployed in the first region 602, through the first opening 603 and the feeder section 606. The second feed material 609 is deployed separately from said first feed material 608 to the second region 605, through the second opening 604 and the feeder section 607. This results in a cast with different materials located in different regions of the component. The feedstocks are deployed in their respective regions at approximately the same rate so they are in an interface 610 that is approximately equidistant between the first opening 603 and the second opening 604.
Figura 7Figure 7
El molde negativo 601 previamente descrito con referencia a la Figura 6 está mostrado en la Figura 7 durante la aplicación de calor. En esta realización el primer material 608 de alimentación y el segundo material 609 de alimentación son ambos polvos metálicos fundidos, por ello se funden cuando la temperatura del molde 601 es incrementada hasta sus puntos de fusión respectivos.The negative mold 601 previously described with reference to Figure 6 is shown in Figure 7 during heat application. In this embodiment, the first feed material 608 and the second feed material 609 are both molten metal powders, so they melt when the temperature of the mold 601 is increased to their respective melting points.
El primer material 608 de alimentación es un polvo metálico con una temperatura de fusión de 700 °C y el segundo material 609 de alimentación es un polvo metálico diferente con una temperatura de fusión de 1000 °C.The first feed material 608 is a metal powder with a melting temperature of 700 ° C and the second feed material 609 is a different metal powder with a melting temperature of 1000 ° C.
Se aplica calor al molde negativo 601 como se ha indicado por las flechas, de modo que eleve su temperatura a una primera temperatura, aproximadamente igual al punto de fusión del primer material alimentado. Por ello el primer material 608 de alimentación es fundido dentro de la primera región 602. La temperatura es incrementada adicionalmente a una segunda temperatura aproximadamente igual al punto de fusión del segundo material 609 alimentado, fundiendo por ello por el segundo material 609 alimentado.Heat is applied to the negative mold 601 as indicated by the arrows, so that it raises its temperature to a first temperature, approximately equal to the melting point of the first material fed. Therefore, the first feed material 608 is molten into the first region 602. The temperature is further increased to a second temperature approximately equal to the melting point of the second fed material 609, thereby melting by the second fed material 609.
En una realización dicho primer material 608 de alimentación es unido a dicho segundo material 609 de alimentación mediante aleación selectiva a través de difusión de las partículas en estado sólido.In one embodiment said first feed material 608 is attached to said second feed material 609 by selective alloy through diffusion of the particles in solid state.
En este punto tanto el primer material 608 de alimentación como el segundo material 609 de alimentación están en sus estados líquidos fundidos y así ocurre la difusión resultante del movimiento Browniano de las partículas. En la interfaz 610 alguna de las partículas del primer material 608 de alimentación desplegado en la primera región 602 se derivan hacia la derecha a la segunda región 605. Partículas similares del segundo material 609 de alimentación se derivan hacia la izquierda desde la segunda región 605 a la primera región 602, aleando por ello dicho primer material 608 de alimentación a dicho segundo material 609 de alimentación a través de una región aleada 701 alrededor de la interfaz 610.At this point both the first feed material 608 and the second feed material 609 are in their molten liquid states and thus the diffusion resulting from Brownian movement of the particles occurs. At interface 610 some of the particles of the first feed material 608 deployed in the first region 602 are derived to the right to the second region 605. Similar particles of the second feed material 609 are derived to the left from the second region 605 a the first region 602, thereby allocating said first feed material 608 to said second feed material 609 through an alloyed region 701 around the interface 610.
La magnitud en la que dicho primer material 608 de alimentación se alea con dicho segundo material 609 de alimentación es controlada por el diámetro d de la región aleada 701. El diámetro d de la región aleada 701 viene dictado por la distancia a la que se permite que las partículas se difundan a la región adyacente. Esto depende de la energía de las partículas, en sí misma una función de la temperatura, y el periodo de tiempo durante el cual los materiales de alimentación están en su estado fundido.The extent to which said first feed material 608 is alloyed with said second feed material 609 is controlled by the diameter d of the alloy region 701. The diameter d of the alloy region 701 is dictated by the distance at which it is allowed that the particles diffuse to the adjacent region. This depends on the energy of the particles, itself a function of temperature, and the period of time during which the feedstocks are in their molten state.
En la realización ilustrada la segunda temperatura es mantenida durante la operación 107, durante un período de tiempo de 10 segundos, de modo que se permita la difusión de partículas sobre una región aleada de diámetro d. Cuando se consigue el grado de aleación deseado la temperatura del molde negativo 601 es disminuida hasta por debajo de los puntos de fusión de los materiales de alimentación impidiendo por ello la difusión excesiva de los materiales fundidos.In the illustrated embodiment the second temperature is maintained during operation 107, for a period of 10 seconds, so that the diffusion of particles over an alloy region of diameter d is allowed. When the desired degree of alloy is achieved, the temperature of the negative mold 601 is lowered to below the melting points of the feedstocks thereby preventing excessive diffusion of the molten materials.
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Por ello una vez solidificado un componente es producido por una metalurgia no uniforme a lo largo de su longitud, con una interfaz discreta entre las diferentes regiones de material. De este modo el componente goza de los beneficios funcionales tanto del primer material 608 de alimentación como del segundo material 609 alimentado, al tiempo que mantiene las propiedades estructurales de una única pieza colada.Therefore, once a component is solidified, it is produced by a non-uniform metallurgy along its length, with a discrete interface between the different material regions. In this way the component enjoys the functional benefits of both the first feed material 608 and the second fed material 609, while maintaining the structural properties of a single casting.
Figura 8Figure 8
Un ejemplo de un componente producido por un proceso que pone en práctica la presente invención está ilustrado en sección transversal en la Figura 8. La Figura 8 muestra un molde negativo 801, similar en construcción al molde negativo 601 de las Figuras 6 y 7, en que el moldeo define un componente que comprende una primera región 802 y una segunda región 803, a las que se accede por aberturas 804 y 805 respectivamente. La primera región 802 es llenada con el primer material 806 de alimentación que es un polvo de titanio y la segunda región 803 es llenada con el segundo material 807 de alimentación que es un polvo de carburo de titanio.An example of a component produced by a process that implements the present invention is illustrated in cross-section in Figure 8. Figure 8 shows a negative mold 801, similar in construction to the negative mold 601 of Figures 6 and 7, in that the molding defines a component comprising a first region 802 and a second region 803, which are accessed through openings 804 and 805 respectively. The first region 802 is filled with the first feed material 806 which is a titanium powder and the second region 803 is filled with the second feed material 807 which is a titanium carbide powder.
Adicionalmente el molde negativo 801 comprende un tabique 808 dividiendo por ello la primera región 802 y la segunda región 803. El tabique 808 es una funda de titanio que es de aproximadamente 2 mm de grosor y separa completamente la primera región 802 de la segunda región 803.Additionally, the negative mold 801 comprises a partition 808 thereby dividing the first region 802 and the second region 803. The partition 808 is a titanium sheath that is approximately 2 mm thick and completely separates the first region 802 from the second region 803 .
Cuando se producen componentes más complejos utilizando técnicas de prensado de polvo se experimenta un problema en términos de mantener el posicionamiento de los materiales de alimentación, para impedir la sedimentación por gravedad o la dispersión incidental en la fase de polvo antes de la fusión. Incluyendo el tabique 808 el primer material 806 de alimentación en la primera región 802 es impedido de migrar a dicha segunda región 803 y de difundirse con el segundo material 807 de alimentación hasta que el tabique 808 es fundido.When more complex components are produced using powder pressing techniques, a problem is experienced in terms of maintaining the positioning of the feedstocks, to prevent gravity settling or incidental dispersion in the powder phase before melting. Including partition 808, the first feeding material 806 in the first region 802 is prevented from migrating to said second region 803 and diffusing with the second feeding material 807 until the partition 808 is molten.
En esta realización el objeto que ha de ser producido es un componente de cremallera que corresponde a una disposición de cremallera y piñón, utilizada para transformar el movimiento giratorio de un piñón dentado en un movimiento lineal de la cremallera estriada. La superficie estriada del componente de cremallera es sometida repetidamente a un par ejercido por el piñón; por ello debe ser extremadamente dura de modo que sea resistente a la degradación del material. Sin embargo, adicionalmente el componente debe ser relativamente ligero de peso.In this embodiment, the object to be produced is a rack component that corresponds to a rack and pinion arrangement, used to transform the rotating movement of a toothed pinion into a linear movement of the ribbed rack. The striated surface of the rack component is repeatedly subjected to a torque exerted by the pinion; therefore it must be extremely hard so that it is resistant to material degradation. However, additionally the component must be relatively light in weight.
Así, es deseable que tenga una primera región del componente compuesto de una sustancia que sea suficientemente ligera de peso tal como titanio, pero en el que las estrías de accionamiento tengan una dureza superficial incrementada por ejemplo utilizando un polvo de carburo de titanio.Thus, it is desirable that it has a first region of the component composed of a substance that is sufficiently light in weight such as titanium, but in which the drive grooves have an increased surface hardness for example using a titanium carbide powder.
En la realización ilustrada el primer material 806 de alimentación y el segundo material 807 de alimentación y el tabique 808 tienen cada uno un punto de fusión correspondiente a una primera temperatura. Por ello tras la aplicación de calor a una primera temperatura, como en la operación 106 y descrito con referencia a la Figura 7, el primer material 806 alimentado, el segundo material 807 de alimentación y el tabique 808 son fundidos, permitiendo por ello la interacción de los materiales de alimentación fundidos en las regiones opuestas.In the illustrated embodiment the first feed material 806 and the second feed material 807 and the partition 808 each have a melting point corresponding to a first temperature. Therefore, after the application of heat at a first temperature, as in operation 106 and described with reference to Figure 7, the first material 806 fed, the second feed material 807 and the partition 808 are melted, thereby allowing interaction of molten feed materials in opposite regions.
Como en la operación 107 la temperatura es mantenida durante un período de tiempo para permitir que se forme una capa de difusión de diámetro suficiente de modo que cree una interfaz discreta entre el primer material 806 de alimentación y el segundo material 807 alimentado.As in operation 107, the temperature is maintained for a period of time to allow a diffusion layer of sufficient diameter to be formed so as to create a discrete interface between the first feed material 806 and the second fed material 807.
Cuando la capa de difusión que forma la región aleada es del diámetro deseado la temperatura es disminuida hasta por debajo de dicha primera temperatura, haciendo que la pieza colada solidifique durante una etapa de enfriamiento.When the diffusion layer that forms the alloyed region is of the desired diameter, the temperature is decreased to below that first temperature, causing the casting to solidify during a cooling stage.
Aunque el enfriamiento a una tasa natural puede ser adecuado para algunos materiales, otros pueden requerir un enfriamiento acelerado. En una realización la temperatura del molde es disminuida rápidamente forzando a que un gas inerte tal como argón o helio fluyan sobre el molde negativo 801.Although cooling at a natural rate may be suitable for some materials, others may require accelerated cooling. In one embodiment the mold temperature is rapidly lowered by forcing an inert gas such as argon or helium to flow over the negative mold 801.
Figura 9Figure 9
Un quinto ejemplo de un molde que pone en práctica la presente invención está mostrado en la Figura 9. Está ilustrado el molde 901 para producir un componente de álabe de turbina de gas que comprende una primera región 902 más interior, contenidas dentro del tabique 903 y una segunda región 904 más exterior.A fifth example of a mold that implements the present invention is shown in Figure 9. The mold 901 is illustrated to produce a gas turbine blade component comprising a first innermost region 902, contained within the partition 903 and a second outer region 904.
De manera similar a la Figura 8, una primera región 902 es alimentada a través de una primera sección 905 alimentadora a través de la primera abertura 906, y una segunda región 904 es alimentada a través de una segunda sección 907 alimentadora y de una segunda abertura 908.Similarly to Figure 8, a first region 902 is fed through a first feeder section 905 through the first opening 906, and a second region 904 is fed through a second feeder section 907 and a second opening 908
En una realización de la invención el tabique 903 es invertido dentro del modelo de cera positivo del componente, como se ha mostrado con referencia a la Figura 2 durante la construcción del molde 901. Por ello cuando el material que se sacrifica que forma el modelo positivo es retirado el tabique 903 permanece dentro del molde negativo 901 soportado por la sección 905 alimentador.In one embodiment of the invention, partition 903 is inverted within the positive wax model of the component, as shown with reference to Figure 2 during the construction of mold 901. Therefore, when the sacrificing material that forms the positive model The partition 903 is removed remains inside the negative mold 901 supported by the feeder section 905.
En la realización ilustrada el primer material 909 de alimentación en la primera región 902 y el segundo material 910 de alimentación en la segunda región 904 son polvos metálicos. El primer material 909 de alimentación es un polvo metálicoIn the illustrated embodiment, the first feed material 909 in the first region 902 and the second feed material 910 in the second region 904 are metal powders. The first feed material 909 is a metallic powder
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de baja densidad tal como aluminio con características de conductividad térmica superiores, mientras que el segundo material 910 de alimentación es un metal de elevada densidad tal como acero con una dureza superficial incrementada. El primer material 909 de alimentación y el segundo material 910 de alimentación tienen ambos un punto de fusión correspondiente a una primera temperatura.low density such as aluminum with superior thermal conductivity characteristics, while the second feed material 910 is a high density metal such as steel with increased surface hardness. The first feed material 909 and the second feed material 910 both have a melting point corresponding to a first temperature.
El tabique 903 comprende un tercer material tal como níquel que es beneficioso para el proceso de aleación, y que tiene un punto de fusión correspondiente a una segunda temperatura, más elevada que la primera temperatura.The partition 903 comprises a third material such as nickel that is beneficial for the alloy process, and which has a melting point corresponding to a second temperature, higher than the first temperature.
Por ello cuando la temperatura del molde 901 es incrementada a la primera temperatura, tanto al primer material 909 de alimentación como el segundo material 910 de alimentación se funden, sin embargo están separados por el tabique 903 que permanece en forma sólida. Un aumento adicional de la temperatura del molde negativo 901 a la segunda temperatura hace que el tabique 903 se funda, permitiendo con ello la difusión del primer material 909 de alimentación con un segundo material 910 alimentado, creando una región aleada que comprende tanto partículas de aluminio del primer material alimentado, partículas de acero del segundo material de alimentación y partículas de níquel del material del tabique.Therefore, when the temperature of the mold 901 is increased at the first temperature, both the first feed material 909 and the second feed material 910 melt, however they are separated by the partition 903 that remains in solid form. A further increase in the temperature of the negative mold 901 at the second temperature causes the partition 903 to melt, thereby allowing the diffusion of the first feed material 909 with a second fed material 910, creating an alloy region comprising both aluminum particles of the first fed material, steel particles of the second feed material and nickel particles of the partition material.
Alterando la composición del material utilizado para crear el tabique 903 es posible influir en el punto de fusión y por ello en la temperatura de aleación de los distintos materiales de alimentación.By altering the composition of the material used to create the partition 903 it is possible to influence the melting point and therefore the alloy temperature of the different feed materials.
En una realización el tabique 903 está formado de un material cerámico que tiene un punto de fusión bastante mayor que los puntos de fusión de los materiales de alimentación. Por ello el proceso de aleación es conducido a una temperatura muy incrementada, dando como resultado una estructura cristalina más uniforme de la región aleada.In one embodiment, partition wall 903 is formed of a ceramic material that has a melting point much greater than the melting points of the feedstocks. Therefore, the alloy process is conducted at a very increased temperature, resulting in a more uniform crystalline structure of the alloyed region.
Aunque la intención ha sido descrita por realizaciones presentes utilizando solamente dos materiales de alimentación en polvo, se apreciará que en realizaciones alternativas pueden utilizarse cualquier número de polvos de alimentación diferentes.Although the intention has been described by present embodiments using only two powder feed materials, it will be appreciated that in alternative embodiments any number of different feed powders can be used.
Pueden crearse igualmente componentes con cualquier número de regiones localizadas diferentes de materiales diferentes, a las que se accede por cualquier número de aberturas para inserción de materiales de alimentación. De hecho en otra realización alternativa aún de la presente invención se forma un componente de vástago de múltiples núcleos, que comprende diez regiones separadas por nueve tabiques en los que se despliegan diez materiales diferentes de alimentación.Components can also be created with any number of different localized regions of different materials, which are accessed by any number of openings for insertion of feed materials. In fact, in yet another alternative embodiment of the present invention, a multi-core rod component is formed, comprising ten regions separated by nine partitions on which ten different feed materials are deployed.
Figura 10Figure 10
El aparato para realizar el método de procesamiento que pone en práctica la presente invención en el que moldes tales como el molde negativo 901, que contiene materiales de alimentación en polvo son procesados para formar un componente compuesto, está ilustrado en la Figura 10.The apparatus for carrying out the processing method that the present invention implements in which molds such as the negative mold 901, containing powdered feed materials are processed to form a composite component, is illustrated in Figure 10.
El aparato 1001 comprende un horno 1002 de vacío que crea una cámara 1003 hermética al vacío y que tiene una puerta 1004 para permitir la carga y descarga de la cámara 1003.The apparatus 1001 comprises a vacuum oven 1002 that creates a vacuum-tight chamber 1003 and has a door 1004 to allow the loading and unloading of the chamber 1003.
En una realización el horno de 1002 de vacío incluye medios para variar la temperatura y la presión dentro de él. El horno 1002 de vacío tiene una fuente de calor para producir calor radiante tal como un elemento 1005 de calentamiento por resistencia que está conectado a la fuente de alimentación 1006.In one embodiment, the vacuum oven 1002 includes means for varying the temperature and pressure within it. The vacuum oven 1002 has a heat source for producing radiant heat such as a resistance heating element 1005 that is connected to the power source 1006.
El aparato 1001 incluye también una bomba 1007 de vacío conectada a la cámara 1003 para evacuar aire desde la cámara 1003 de tal modo que la presión en la cámara pueda ser reducida por debajo de la presión atmosférica. Adicionalmente un compresor 1008 está también previsto de modo que permita que la presión dentro de la cámara 1003 sea incrementada por encima de la presión atmosférica.The apparatus 1001 also includes a vacuum pump 1007 connected to the chamber 1003 to evacuate air from the chamber 1003 so that the pressure in the chamber can be reduced below atmospheric pressure. Additionally, a compressor 1008 is also provided so as to allow the pressure inside chamber 1003 to be increased above atmospheric pressure.
Está previsto un controlador electrónico 1009 que comprende un sensor 1010 de temperatura y un sensor 1011 de presión y el cableado asociado. El sensor 1010 de temperatura está situado dentro de la cámara 1003 y está configurado para proporcionar señales indicativas de la temperatura real dentro de la cámara 1003. De manera similar el sensor 1011 de presión está configurado para proporcionar una indicación de la presión del aire dentro de la cámara 1003.An electronic controller 1009 is provided comprising a temperature sensor 1010 and a pressure sensor 1011 and associated wiring. The temperature sensor 1010 is located within the chamber 1003 and is configured to provide signals indicative of the actual temperature within the chamber 1003. Similarly, the pressure sensor 1011 is configured to provide an indication of the air pressure within the camera 1003.
El controlador electrónico 1009 está configurado para recibir señales desde el sensor 1010 de temperatura y el sensor 1011 de presión, y modular la fuente de alimentación 1006 para el elemento 1005 de calentamiento por resistencia, la bomba 1007 de vacío y el compresor 1008 consecuentemente En una realización, el controlador 1009 es un sistema informático programado o micro-controlador.The electronic controller 1009 is configured to receive signals from the temperature sensor 1010 and the pressure sensor 1011, and modulate the power supply 1006 for the resistance heating element 1005, the vacuum pump 1007 and the compressor 1008 accordingly In a embodiment, controller 1009 is a programmed computer system or micro-controller.
En una realización de la invención es deseable que la etapa de enfriamiento sea acelerada para hacer que los materiales de alimentación fundidos disminuyan de temperatura y solidifiquen más rápidamente. Por ello el compresor 1008 es utilizado para forzar a un gas inerte, tal como nitrógeno a la cámara 1003 de vacío mientras que el vacío 1007 evacúa el gas gastado, creando con ello una corriente de convección de enfriamiento sobre el molde negativo 901.In one embodiment of the invention it is desirable that the cooling stage be accelerated to cause molten feedstocks to decrease in temperature and solidify more rapidly. Therefore, the compressor 1008 is used to force an inert gas, such as nitrogen into the vacuum chamber 1003 while the vacuum 1007 evacuates the spent gas, thereby creating a cooling convection current on the negative mold 901.
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Figura 11Figure 11
Un ejemplo de operaciones de proceso 106-108 que ponen en práctica un aspecto de la presente invención como se ha ilustrado en la Figura 8 está representado por el gráfico de la Figura 11. El gráfico 1101 muestra una curva de temperatura (T) en función del tiempo (t).An example of process operations 106-108 that implement an aspect of the present invention as illustrated in Figure 8 is represented by the graph of Figure 11. Graph 1101 shows a temperature curve (T) as a function of time (t).
Inicialmente en el instante 1102 la cámara del horno 1002 de vacío está a una temperatura ambiente 1103. Se suministra a continuación energía eléctrica a las bobinas de calentamiento por resistencia, en el instante 1104 hasta el instante 1105 para elevar la temperatura dentro de la cámara a una primera temperatura 1106, por encima del punto de fusión del primer material 806 alimentado, del segundo material 807 de alimentación y del tabique 808, estableciendo por ello líquido fundido dentro del molde 801.Initially at instant 1102 the vacuum oven chamber 1002 is at an ambient temperature 1103. Electric power is then supplied to the resistance heating coils, at instant 1104 to instant 1105 to raise the temperature inside the chamber to a first temperature 1106, above the melting point of the first fed material 806, the second feed material 807 and the partition wall 808, thereby establishing molten liquid within the mold 801.
La temperatura incrementada 1106 es mantenida de manera estable entre los instantes 1105 y 1107, manteniendo por ello los materiales de alimentación en su estado fundido y permitiendo un grado de difusión en la interfaz.The increased temperature 1106 is stably maintained between instants 1105 and 1107, thereby maintaining the feedstocks in their molten state and allowing a degree of diffusion in the interface.
Cuando el periodo de tiempo que ha transcurrido es suficientemente largo para permitir una cantidad adecuada de difusión entre el primer material 806 de alimentación y el segundo material 807 alimentado, creando una región aleada de diámetro deseado, se interrumpe la alimentación a las bobinas de resistencia y se detiene el calentamiento.When the period of time that has elapsed is long enough to allow an adequate amount of diffusion between the first feed material 806 and the second fed material 807, creating an alloyed region of desired diameter, the feeding to the resistance coils is interrupted and heating stops.
En el instante 1107 se corta la alimentación y la cámara es dejarla enfriar naturalmente, hasta que en el distante 1108 la temperatura ha vuelto a la temperatura ambiente 1103, la pieza colada ha solidificado y ahora puede ser retirada de la cámara.In the instant 1107 the power is cut off and the chamber is allowed to cool naturally, until in the distant 1108 the temperature has returned to room temperature 1103, the casting has solidified and can now be removed from the chamber.
Figura 12Figure 12
Un segundo ejemplo de las operaciones 106-108 del proceso que ponen en práctica el aspecto de la invención como se ha ilustrado en la Figura 9, está mostrado mediante el gráfico 1201 en la Figura 12.A second example of the operations 106-108 of the process that put into practice the aspect of the invention as illustrated in Figure 9, is shown by graph 1201 in Figure 12.
De nuevo en el instante 1102 la cámara del horno de vacío está a una temperatura ambiente 1103. En el instante 1104 comienza la etapa de calentamiento y la temperatura de la cámara aumenta hasta la primera temperatura 1106 en el instante 1105. En esta etapa el primer material 909 de alimentación y el segundo material 910 alimentado, ambos con temperaturas de fusión por debajo de la primera temperatura 1106, han sido fundidos y están en su estado fundido.Again at instant 1102 the chamber of the vacuum oven is at an ambient temperature 1103. At instant 1104 the heating stage begins and the temperature of the chamber increases to the first temperature 1106 at instant 1105. In this stage the first feed material 909 and the second fed material 910, both with melting temperatures below the first temperature 1106, have been melted and are in their molten state.
Sin embargo como se ha descrito con referencia a la Figura 9, el tabique 903 tiene un punto de fusión más elevado que cualquier primer material 909 de alimentación o segundo material 910 alimentado, por ello permanece en su fase sólida. Por tanto en esta realización continúa el calentamiento durante otro período de tiempo, hasta el instante 1202 cuando la temperatura ha aumentado a una segunda temperatura 1203 y el tabique se ha fundido. En esta etapa tanto el primer material 909 alimentado, el segundo material 910 de alimentación y el tabique 903 están en estados fundidos y comienzan a difundirse en la interfaz. En esta realización es deseable que la región aleada creada por la difusión de partículas sea relativamente mayor de diámetro que la región aleada creada en el proceso mostrado en la Figura 11. Por ello la temperatura incrementada es mantenida durante un período de tiempo mayor, desde el instante 1202 hasta el instante 1203, permitiendo por ello mayor grado de difusión de partículas. En el instante 1203 la región aleada es de diámetro adecuado y por ello se interrumpe la alimentación a la bobina de calentamiento y comienza el enfriamiento.However, as described with reference to Figure 9, the partition 903 has a higher melting point than any first feed material 909 or second feed material 910, therefore it remains in its solid phase. Therefore, in this embodiment, heating continues for another period of time, until instant 1202 when the temperature has increased to a second temperature 1203 and the partition has melted. At this stage both the first material 909 fed, the second feed material 910 and the partition 903 are in molten states and begin to diffuse in the interface. In this embodiment it is desirable that the alloy region created by the diffusion of particles be relatively larger in diameter than the alloy region created in the process shown in Figure 11. Thus, the increased temperature is maintained for a longer period of time, from the instant 1202 to instant 1203, thereby allowing greater degree of particle diffusion. At instant 1203 the alloyed region is of adequate diameter and therefore the supply to the heating coil is interrupted and cooling begins.
En esta realización es deseable que se acelere la etapa de enfriamiento. Por ello en el instante 1203 el compresor 1008 y el vacío 1007 están configurados para forzar una corriente de convección sobre el molde negativo 901, como se ha descrito con referencia a la Figura 10 durante la operación 108 de enfriamiento. Esto da como resultado una disminución rápida de la temperatura del molde negativo 901 y consecuentemente una solidificación de los materiales de alimentación fundidos tiene lugar rápidamente. En el instante 1204 la temperatura en la cámara ha vuelto a la temperatura ambiente 1003 y el molde puede ser retirado de la cámara y procesado adicionalmente si fuera necesario.In this embodiment it is desirable that the cooling stage be accelerated. Therefore, at instant 1203 the compressor 1008 and the vacuum 1007 are configured to force a convection current on the negative mold 901, as described with reference to Figure 10 during the cooling operation 108. This results in a rapid decrease in the temperature of the negative mold 901 and consequently a solidification of the molten feedstocks takes place rapidly. At instant 1204 the temperature in the chamber has returned to room temperature 1003 and the mold can be removed from the chamber and further processed if necessary.
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