СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ПОСРЕДСТВОМ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА
METHODS OF ARTICLES PRODUCTION BY MEANS OF ADDITIVE PRODUCTION

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[001] Данная патентная заявка является обычной и заявляет приоритет предварительной заявки на патент США №62/278766, 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 аддитивное производство (АП) заготовок с целью уменьшения, предотвращения и/или исключения дефектов, возникающих в ходе операций последующей обработки (например, ковки, дробеструйной обработки, механической обработки или других операций последующей обработки). В частности, настоящее изобретение направлено на аддитивное производство фасонной металлической заготовки с использованием стратегии нанесения шариков и/или планирования траектории с целью создания аддитивно произведенной фасонной металлической заготовки с уменьшенными зонами возникновения дефектов последующей обработки по сравнению с АП-заготовкой, изготовленной без указанных стратегий нанесения, посредством чего создается готовая деталь с уменьшенными исключенными дефектами обработки и/или без них (например, складками, морщинами, неслитинами - когда указанная операция представляет собой ковку).
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[003] Металлическим изделиям можно придать форму при помощи операций последующей обработки (ковки, механической обработки или другими способами). 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. При механической обработке металлических изделий компоненту придают форму или подвергают его резке с приданием требуемой конечной формы и размера при помощи процесса управляемого удаления материала.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[004] В широком смысле настоящая патентная заявка относится к усовершенствованным способам получения металлических изделий (например, механически обработанных металлических изделий, обработанных металлических изделий, кованых металлических изделий; горячедеформированных и/или холоднодеформированных металлических изделий других типов).
[005] В одном аспекте предлагается способ, включающий: (a) аддитивное производство фасонной металлической заготовки из исходного сырья для аддитивного производства; (b) использование стратегии нанесения шариков с целью модификации траектории шариков параллельно с этапом (a), при этом в результате комбинации этапов (a) и (b) получают фасонную металлическую заготовку, выполненную со сглаженной внешней поверхностью, имеющей неступенчатые стенки, по сравнению с фасонной металлической заготовкой, изготовленной без указанной стратегии нанесения шариков; и (с) выполнение по меньшей мере одной операции последующей обработки в отношении фасонной металлической заготовки с образованием готового формованного изделия, при этом, за счет этапа (b) готовое формованное изделие обладает уменьшенными дефектами последующей обработки по сравнению с обработкой без этапа (b).
[006] В некоторых вариантах осуществления стратегия нанесения шариков включает планирование траектории шариков.
[007] В некоторых вариантах осуществления планирование траектории выбирают из группы, состоящей из нелинейной траектории наращивания вокруг внутренней части конструкции детали; нелинейной траектории наращивания вокруг периметра конструкции детали; нанесения шариков с перекрытием в направлении наращивания при сравнении первого нанесенного АП-слоя с последующим нанесенным АП-слоем, при этом каждый нанесенный слой выполнен из множества шариков так, что между первым нанесенным АП-слоем и последующим нанесенным АП-слоем шарик следующего слоя не полностью перекрывается с шариком первого слоя, и их комбинаций.
[008] В некоторых вариантах осуществления стратегия нанесения шариков включает планирование траектории, при котором первый шарик в первом слое АП-конструкции по меньшей мере частично, но не полностью, перекрывается с шариком следующего слоя АП-конструкции, при этом следующий шарик находится в контакте с первым шариком.
[009] В некоторых вариантах осуществления операцию последующей обработки выбирают из группы, состоящей из ковки, термической обработки и механической обработки, механической обработки, дробеструйной обработки, отжига и их комбинаций.
[0010] В некоторых вариантах осуществления аддитивное производство выполняется машиной для аддитивного производства с нанесением материала при помощи направленного энергетического воздействия.
[0011] В некоторых вариантах осуществления машина для аддитивного производства с нанесением материала при помощи направленного энергетического воздействия выбрана из группы, состоящей из машины Sciaky, машины для плазменной резки, машины для АП с подачей проволоки и их комбинаций.
[0012] В некоторых вариантах осуществления операцией последующей обработки является ковка, и готовое формованное изделие не содержит дефектов ковки, выбранных из группы, состоящей из складок, полостей и их комбинаций.
[0013] В некоторых вариантах осуществления способ включает механическую обработку готовой кованой детали с получением детали с финишной обработкой.
[0014] В некоторых вариантах осуществления металлическая заготовка содержит по меньшей мере одно из титана, титанового сплава, алюминида титана, алюминия, никеля, стали, нержавеющей стали и их комбинаций.
[0015] В некоторых вариантах осуществления стратегию нанесения шариков осуществляют в вертикальном направлении так, что вертикальные поверхности не содержат несплошности, обуславливающие дефекты в ходе операции последующей обработки.
[0016] В некоторых вариантах осуществления стратегию нанесения шариков осуществляют в горизонтальном направлении так, что горизонтальные поверхности не содержат несплошности, обуславливающие дефекты в ходе операции последующей обработки.
[0017] В одном аспекте предлагается способ, включающий: (a) аддитивное производство фасонной металлической заготовки из исходного сырья для аддитивного производства с использованием машины для аддитивного производства с нанесением материала при помощи направленного энергетического воздействия; (b) использование стратегии нанесения с планированием траектории, обеспечивающей неступенчатый периметр фасонной металлической заготовки, и (с) ковку фасонной металлической заготовки с образованием готового кованого изделия, при этом, за счет этапа (b) готовое кованое изделие по существу не содержит дефекты ковки, включающие, по меньшей мере одно из морщин, полостей, складок, неслитин и их комбинации.
[0018] В некоторых вариантах осуществления планирование траектории дополнительно включает использование модифицированного нанесения шариков в последовательные слои фасонной металлической заготовки так, что слои нанесения шариков не совпадают по форме, с целью обеспечения в фасонной металлической заготовке схемы наращивания, отличающейся от слоя к слою.
[0019] В некоторых вариантах осуществления планирование траектории дополнительно включает использование модифицированного нанесения шариков в последовательные слои фасонной металлической заготовки так, что слои нанесения шариков перекрываются менее чем на 100%.
[0020] В некоторых вариантах осуществления перекрытие шариков между двумя шариками последовательных слоев АП-конструкции составляет менее 80%.
[0021] В некоторых вариантах осуществления перекрытие шариков между двумя шариками последовательных слоев АП-конструкции составляет менее 50%.
[0022] В некоторых вариантах осуществления перекрытие шариков между двумя шариками последовательных слоев АП-конструкции составляет менее 30%.
[0023] В некоторых вариантах осуществления перекрытие шариков составляет менее 100%; менее 90%; менее 80%; менее 70%; менее 60%; менее 50%; менее 40%; менее 30%; менее 20%; менее 10%; или менее 5%. В некоторых вариантах осуществления перекрытие шариков составляет более 90%; более 80%; более 70%; более 60%; более 50%; более 40%; более 30%; более 20%; более 10%; более 5%; или более 0 (по меньшей мере некоторое перекрытие).
[0024] В некоторых вариантах осуществления фасонная металлическая заготовка выполнена со сглаженной поверхностью, характеризующейся отсутствием порогов и ступеней в направлении высоты конструкции, проходящем по нормали к плоскости конструкции.
[0025] В некоторых вариантах осуществления стратегию планирования траектории осуществляют в вертикальном направлении так, что вертикальные поверхности не содержат несплошности, обуславливающие дефекты на этапе ковки.
[0026] В некоторых вариантах осуществления стратегию планирования траектории осуществляют в горизонтальном направлении так, что горизонтальные поверхности не содержат несплошности, обуславливающие дефекты на этапе ковки.
[0027] В некоторых вариантах осуществления этап ковки включает этап ковки одним штампом.
[0028] В некоторых вариантах осуществления металлическая заготовка содержит по меньшей мере одно из титана, титанового сплава, алюминида титана, алюминия, никеля, стали и нержавеющей стали.
[0029] В некоторых вариантах осуществления этап ковки включает нагрев фасонной металлической заготовки до определенной температуры заготовки; и введение фасонной металлической заготовки в контакт с ковочным штампом.
[0030] В некоторых вариантах осуществления после использования этапа (b) обработку фасонной металлической заготовки с получением готового обработанного изделия выполняют 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.
[0031] В некоторых вариантах осуществления после этапа (c) ковки выполняют отжиг готового кованого изделия.
3
3
[0032] 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 некоторых вариантах осуществления для получения заготовки (т. е. конструкции заготовки из двухкомпонентного сплава) комбинируют титан, алюминий, никель, сталь, нержавеющую сталь и алюминид 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 TiAl, 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 TiAl.
[0033] 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.
[0034] 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.
[0035] 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.
[0036] В другом аспекте способ включает использование аддитивного производства для получения фасонной металлической заготовки, и, параллельно или после этапа использования, механическую обработку заготовки с приданием требуемой геометрической формы. Термообработка заготовки может происходить перед механической обработкой с целью уменьшения остаточного напряжения в детали, увеличения пригодности к механической обработке и/или улучшения механических свойств материала. 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 механической обработки для исходной заготовки из двухкомпонентного сплава или многокомпонентного сплава. Аддитивное производство заготовки может обеспечить большую гибкость при распространении на различные сплавы в заготовке из многокомпонентного сплава, чем в традиционных способах (образования многослойных материалов и т. д.)
[0037] 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.
[0038] 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.
[0039] 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.
[0040] 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.
[0041] 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
[0042] На фиг. 1 показано схематическое изображение одного варианта осуществления способа получения готового кованого изделия.
[0043] На фиг. 2 показано схематическое изображение одного варианта осуществления способа получения готового кованого изделия, причем способ включает необязательный этап отжига.
[0044] На фиг. 3-4 показаны графики, иллюстрирующие данные из примера 1.
[0045] 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.
[0046] 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.
[0047] На фиг. 7 представлено изображение, на котором показаны поперечная ориентация и продольные ориентации цилиндрической заготовки.
[0048] На фиг. 8 показана микрофотография одного варианта осуществления исходной фасонной металлической заготовки из сплава Ti-6Al-4V, полученная в поперечном направлении.
[0049] На фиг. 9 показана микрофотография одного варианта осуществления предварительно нагретой фасонной металлической заготовки из сплава Ti-6Al-4V, полученная в поперечном направлении.
[0050] На фиг. 10 показана микрофотография одного варианта осуществления готового кованого изделия из сплава Ti-6Al-4V, полученная в поперечном направлении.
[0051] На фиг. 11 показана микрофотография одного варианта осуществления отожженного готового кованого изделия из сплава Ti-6Al-4V, полученная в поперечном направлении.
[0052] На фиг. 12 показан вариант осуществления способа согласно настоящему изобретению.
[0053] На фиг. 13 показано наглядное сравнение заготовки, выполненной как есть, с вариантом осуществления заготовки, пригодной для обработки/ковки, выполненной с гладким профилем при помощи планирования траектории согласно одному или нескольким способам настоящего изобретения.
[0054] На фиг. 14 показаны два сравнительных примера конструкции (АП-заготовки), аддитивно произведенной с использованием традиционного подхода (слева), и конструкции (АП-заготовки), аддитивно произведенной с использованием планирования траектории (справа) согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Как на левом, так и правом схематических видах, показанных на фиг. 14, угол конусности показан как наложенный на АП-заготовку. В частности на фигуре слева показана типичная конфигурация АП-конструкции со ступенчатыми элементами по вертикали (направление наращивания), перпендикулярной плоскости нанесения, тогда как на фигуре справа показано, что использование планирования траектории исключает этапы в вертикальной ориентации (и позволяет добиться коэффициента перекрытия между последовательными слоями конструкции менее 1:1). Есть основания полагать, что большое количество несплошностей на фигуре слева по сравнению с внешней поверхностью с углом конусности/профилем конструкции обуславливает дефекты ковки (например, полости и/или складки) в кованом изделии. Для сравнения, в варианте осуществления с планированием траектории (правая фигура) показано, что планирование траектории осуществляют при помощи аддитивного производства с целью выполнения АП-заготовки с внешними нанесенными слоями и внутренними нанесенными слоями, специально рассчитанными на обеспечение гладкой поверхности с углами конусности и на заполнение полостей ковочного штампа в ходе процессов формования детали. В одном или нескольких вариантах осуществления с планированием траектории АП-заготовка близко соответствует профилю наращивания/углу конусности для проекта АП-конструкции.
[0055] На фиг. 15 показан вариант осуществления способа настоящего изобретения, посредством которого планирование траектории используется для исключения несплошностей в АП-заготовке, выполненной с возможностью подвергания дальнейшим операциям последующей обработки (например, ковки, механической обработки, дробеструйной обработки и т. д.). На изображении слева схематически показана типичная схема нанесения без планирования траектории, где отдельные параллельные прямоугольные блоки представляют отдельные нанесенные при помощи АП шарики. Для сравнения, на изображении в центре показана фотография детали, аддитивно произведенной с использованием варианта осуществления с планированием траектории согласно настоящему изобретению (например, там, где в схеме наращивания зрительно наблюдаются отдельные шарики, не являющиеся рядами параллельными нанесенных шариков; вместо этого они выполнены в направлении x-y-z и с частичными перекрытиями шариков, обеспечивающими возможность АП-наращивания АП-заготовки, близко соответствующей готовой детали после выполнения операции (операций) последующей обработки). Изображение справа представляет собой наложение традиционного процесса наращивания с использованием планирования траектории для конструкции детали, где некоторое количество несплошностей в традиционной конструкции и уменьшенное количество несплошностей при планировании траектории показано при помощи множества ступенчатых кромок на схематическом виде (традиционная траектория наращивания), проходящем за АП-заготовкой (наращенной при помощи планирования траектории).
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0056] 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.
[0057] 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.
[0058] 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.
[0059] 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.
[0060] 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).
[0061] 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.
true
[0062] 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» (ε) задана формулой:
true
0
ε=ln(L/L)
0
где L - 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.
[0063] 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.
[0064] 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.
3
3
3
[0065] 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 TiAl 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 TiAl. В одном варианте осуществления титановый сплав содержит 5-30 вес. % алюминия, и титановый сплав содержит по меньшей мере некоторое количество TiAl. В одном варианте осуществления титановый сплав содержит алюминий и ванадий.
[0066] 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 одном варианте осуществления заготовки из сплава Ti-6Al-4V нагревают до определенной температуры заготовки по меньшей мере 925°C (1697°F). В одном варианте осуществления заготовки из сплава Ti-6Al-4V нагревают до определенной температуры заготовки по меньшей мере 950°C (1742°F). В 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).
[0067] 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.
[0068] 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.
[0069] 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).
[0070] 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.
[0071] 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.
[0072] 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).
[0073] 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).
[0074] 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.
[0075] В некоторых вариантах осуществления указанная дополнительная обработка включает механическую обработку перед этапом или после этапа ковки.
[0076] В некоторых вариантах осуществления дополнительная обработка включает обработку на электроэрозионном вырезном станке (EDM с проволокой) перед этапом или после этапа ковки.
[0077] В некоторых вариантах осуществления дополнительная обработка включает чистовую обработку поверхности перед этапом или после этапа ковки.
[0078] В некоторых вариантах осуществления дополнительная обработка включает водоструйную резку, резку пилой или газопламенную резку перед этапом ковки или после него.
[0079] 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).
[0080] 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.
[0081] 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.
[0082] В рамках данного документа «прессование материала выдавливанием» относится к процессу аддитивного производства, в котором материал избирательно подается через сопло или наконечник.
[0083] 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).
[0084] 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.
[0085] 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).
[0086] 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).
[0087] 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.
[0088] 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.
[0089] 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).
[0090] 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.
A
[0091] В одном варианте осуществления заготовку, пригодную для обработки (например, заготовку, пригодную для ковки), количественно оценивают путем измерения шероховатости поверхности (R) на по меньшей мере части поверхности фасонной металлической заготовки.
[0092] 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).
[0093] 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.
[0094] В некоторых вариантах осуществления указанный способ включает осуществление этапа аддитивного производства так, что он включает стратегии нанесения для модификации нанесения шариков с целью обеспечения выполнения модифицированной фасонной металлической заготовки с гладкой поверхностью и/или непрерывными стенками (неступенчатыми стенками). На фиг. 13 показаны две фотографии, на которых противопоставлены поверхность и профиль нанесенного слоя, для которого использована методика планирования траектории, и нанесенных слоев, в котором использовано традиционное аддитивное производство.
[0095] В некоторых вариантах осуществления внешняя поверхность или профиль аддитивно произведенных компонентов является шероховатым или имеет периодическую или случайную морфологию поверхности, обусловленную методикой нанесения шарик за шариком, используемой во многих технологиях аддитивного производства. В некоторых вариантах осуществления, поскольку смежные шарики наносят или сплавляют друг с другом для получения слоя аддитивно произведенной детали, их часто требуется располагать в шахматном порядке, или они должны иметь разную длину для получения требуемой геометрической формы слоя. В некоторых вариантах осуществления это приводит к ступеням, или порогам, на внешнем профиле слоя, которые зависят от ширины шарика и перекрытия между смежными шариками.
[0096] Указанные ступени, или пороги, в нанесенном слое необходимо рассматривать на всей внешней поверхности геометрической формы ковочной заготовки. Вышеописанные ступени, или пороги, в первую очередь принадлежат к плоскости наращивания заготовки. Для последующей ковки в направлении высоты конструкции (например, по нормали к плоскости конструкции) также требуется гладкая поверхность, не содержащая пороги и ступени. Так как нанесенные слои наращивают высоту перпендикулярно плоскости нанесения, ступени, или пороги, в материале будут приводить к таким вышеописанным дефектам ковки, как морщины, складки, неслитины и т. д. Планирование траектории может быть также применено в вертикальном направлении для обеспечения вертикальных поверхностей, не содержащих несплошности, обуславливающие дефекты. В некоторых вариантах осуществления это выполняют посредством надлежащего планирования траектории для регулировки расположения в шахматном порядке и перекрытия шариков, нанесенных на последовательные слои так, что обеспечиваются вертикальные переходы, надлежащим образом согласующиеся с требуемым контуром заготовки без значительных несплошностей, посредством чего исключаются (или уменьшаются) ступени и/или пороги, создаваемые в традиционных методиках. Примером необходимого признака в ковочной заготовке, обеспечиваемого данным подходом, является создание угла конусности. Конусность представляет собой необходимое сужение на стороне ковочной заготовки, обеспечивающее возможность извлечения из штампов. Угол конусности является мерой угла, выраженной в градусах и приданной сторонам ковочного ручья и заготовки. В вертикальной ориентации планирование траектории осуществляют для обеспечения возможности изготовления круглых элементов и/или радиусов на верхней поверхности заготовок, что способствует надлежащему движению металла и предотвращению дефектов ковки. Примеры одного или нескольких из вышеуказанных вариантов осуществления более подробно показаны на фиг. 14, 15. Как таковой, один или несколько вариантов осуществления с планированием траектории в вертикальном направлении осуществляют в ходе аддитивного производства, чтобы добиться надлежащей геометрической формы в АП-заготовке, посредством чего уменьшаются дефекты в ходе процесса ковки. В некоторых вариантах осуществления использование планирования траектории уменьшает потребность в материале (исходном сырье для АП), необходимом для изготовления АП-заготовки, посредством чего уменьшаются потребности в материале и себестоимость АП-заготовки.
[0097] В одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения слои, нанесенные при помощи аддитивного производства, планируются так, что уменьшается, предотвращается и/или исключается ступенчатость внешней стенки нанесенного слоя. В одном варианте осуществления этого достигают посредством добавления на каждый слой по меньшей мере одного шарика (например, единственного шарика или нескольких профильных шариков), следующего профилю внешней стенки с требуемой геометрической формой и, таким образом, необязательно соосного, параллельного или подобного по форме траекториям нанесения в направлении внутренней части слоя. В некоторых вариантах осуществления шарики, используемые для создания внутренних частей слоя, пересекаются или иначе соединяются с внешним профильным шариком с некоторым перекрытием для обеспечения отсутствия в слое пустот, полостей, или незаполненных зон. В некоторых вариантах осуществления внешние профильные шарики выполнены как параллельные или подобные по форме внутренним шарикам.
[0098] В некоторых вариантах осуществления расположение в шахматном порядке и/или перекрытие внутренних шариков регулируют для обеспечения равномерной толщины нанесенного слоя. Там, где геометрические формы обуславливают планы траекторий, согласно которым обеспечивается недостаточное или чрезмерное наращивание некоторых участков геометрической формы, планы траекторий для последующих слоев могут выполнять коррекцию, расположение в шахматном порядке и/или смещение (по отдельности или в комбинации) с целью возврата слоя к более равномерной высоте. Местоположение следующего слоя, подлежащего нанесению в направлении высоты конструкции, также определяется при помощи расположения в шахматном порядке и разнесения нижележащих слоев. Если смещение уменьшается относительно номинального значения, высота слоя увеличивается относительно его номинальной высоты, и наоборот. Это затем учитывается в последующих слоях АП-конструкции.
[0099] В некоторых вариантах осуществления некоторые внешние поверхности с требуемой геометрической формой являются более критичными или требуют большего сглаживания, чем другие. В этих случаях более критичные поверхности могут создаваться с использованием непрерывной траектории наращивания, тогда как для менее критичных поверхностей могут быть использованы прерывистые траектории наращивания.
[00100] В некоторых вариантах осуществления в ходе этапа аддитивного производства фасонную металлическую заготовку аддитивно производят с непрерывной внешней траекторией наращивания так, что вследствие этапа аддитивного производства фасонная металлическая заготовка является достаточно гладкой для ее подвергания операции ковки.
[00101] В некоторых вариантах осуществления в ходе этапа аддитивного производства фасонную металлическую заготовку аддитивно производят с прерывистой внешней траекторией наращивания, состоящей из нескольких непрерывных траекторий наращивания, расположенных так, что они доводят до максимума длину каждого непрерывного сегмента, того чтобы вследствие этапа аддитивного производства фасонная металлическая заготовка была достаточно гладкой для ее подвергания операции ковки (например, без дефектов ковки).
[00102] В некоторых вариантах осуществления в ходе этапа аддитивного производства фасонную металлическую заготовку аддитивно производят с непрерывной внешней траекторией наращивания так, что вследствие этапа аддитивного производства фасонная металлическая заготовка является достаточно гладкой для ее подвергания операции ковки без ненужных дефектов.
[00103] В некоторых вариантах осуществления в технологиях аддитивного производства используют планы траекторий для определения местоположения отдельных «шариков» нанесенного слоя, которые будут комбинироваться, приводя к требуемой геометрической форме нанесенного слоя. В некоторых вариантах осуществления указанные планы траекторий создают ряды траекторий, в значительной степени аналогичных по форме смежным траекториям так, что можно управлять перекрытием между шариками и общей геометрической формой аддитивно произведенного слоя, скрытого в нанесенном слое. Таким образом, может потребоваться обеспечение близкого соответствия внешнему профилю путем остановки смежных шариков в разных точках, для того чтобы они создавали приблизительный профиль детали. В некоторых вариантах осуществления это приводит к образованию ступеней, или порогов, на внешних поверхностях слоя, нанесенного при помощи аддитивного производства. Существование этих ступеней, или порогов, в зависимости от их размера/абсолютной величины, приводит к тому, что наблюдается в виде шероховатости поверхности, или, в случае ступеней и порогов, к внешним поверхностям нанесенного слоя, которые не являются гладкими.
[00104] В некоторых вариантах осуществления выступающие гребни и/или шероховатость поверхности изменяют. В некоторых вариантах осуществления этап сглаживания сообщает изменение морфологии поверхности внешних стенок слоя, нанесенного при помощи аддитивного производства.
[00105] В некоторых вариантах осуществления планирование траектории осуществляют для повышения производительности. В некоторых вариантах осуществления планирование траектории осуществляют для повышения качества компонентов заготовки, пригодной для обработки. В некоторых вариантах осуществления планирование траектории осуществляют для улучшения механических свойств заготовки, пригодной для обработки. В некоторых вариантах осуществления уменьшение неровностей на поверхности нанесенного слоя также может увеличивать равномерность деформации, достигаемой в кованом компоненте, так как ковочный штамп, вероятно, будет иметь гладкую поверхность, и «пики» неровностей будут вступать в контакт со штампом перед любыми нижними точками на нанесенном слое. В некоторых вариантах осуществления создание более гладких внешних стенок также может уменьшать (улучшать) концентрации напряжений в готовой детали (например, если вся поверхность не будет подвергнута механической обработке перед введением детали в эксплуатацию). В некоторых вариантах осуществления создание более гладкой внешней стенки также может обеспечить возможность получения аддитивно произведенных нанесенных слоев с формой, которая ближе к окончательной форме, что уменьшает объем механической обработки и количество отходов.
[00106] В некоторых вариантах осуществления исключение ступеней и порогов на внешней части согласно плану аддитивной конструкции является достаточным для обеспечения надлежащего заполнения штампа в процессе ковки. В зависимости от размера ступени, или порога, движение металла в таких ступенях и порогах (т. е. без планирования траектории) с образованием гладкой обработанной поверхности ковки может быть невозможно. В случаях, когда движение металла и заполнение штампа являются возможными, в этих зонах имеется риск образования складок и плен, которые считаются недопустимыми дефектами при ковке. За счет использования планирования траектории с целью достижения непрерывной внешней поверхности, пригодность заготовки к ковке будет улучшена. За счет сглаживания внешней поверхности можно проектировать заготовки, которые будут подвергаться ковке с целью согласования с требуемой геометрической формой детали при повышенном качестве. В некоторых вариантах осуществления наличие гладкой внешней конструкции также обеспечивает возможность большей близости готовой кованой детали к требуемой геометрической форме, что улучшает использование материала (коэффициент использования материала).
[00107] В некоторых случая план непрерывного внешнего наращивания будет необходим для достижения приемлемой кованой детали.
[00108] В некоторых случаях для достижения приемлемой кованой детали будет необходима гладкая внешняя поверхность. Этого можно добиться при помощи планирования траектории, что описано предыдущих абзацах.
[00109] В некоторых вариантах осуществления планирование траектории, подробно описанное в данном документе, специально рассчитано на и/или применяется для получения заготовок, пригодных для операции ковки, с целью исключения дефектов и сокращения затрат материалов. В других вариантах осуществления планирование траектории, подробно описанное в данном документе, используют в сочетании с последующими операциями формования, отличающимися от ковки (например, с дробеструйной обработкой и/или механической обработкой). В некоторых вариантах осуществления, поскольку планирование траектории сокращает затраты материалов (например, объем/количество исходного сырья, используемого для получения АП-заготовки), АП-заготовки приводят к заготовкам или аддитивно произведенным конструкциям, не являющимся коваными. Как подробно описано в данном документе со ссылкой на сравнительные примеры каждой из фиг. 14 и 15, величина избыточного материала, содержащегося в приблизительной ступенчатой геометрической форме, может являться значительной. В некоторых вариантах осуществления планирование траектории используется для уменьшения величины затрат исходного сырья, используемого для аддитивно производимой заготовки. Один или несколько вариантов осуществления планирования траектории, подробно описанные в настоящем раскрытии, можно использовать для получения аддитивно произведенных деталей.
Пример возможного использования: Исправленная траектория/Планирование траектории:
[00110] АП-конструкции, полученные посредством методов нанесения материала при помощи направленного энергетического воздействия (EBAM, WAAM, плазменная дуга, лазер и т. д.) и методами прессования выдавливанием, включают нанесение шарика из материала по длине. Для получения заготовки или конструкции с шириной больше ширины одного шарика, вдоль существующего шарика материала (например, на листовом материале/подложке конструкции) вплоть до достижения требуемой ширины один рядом с другим наносят последовательные шарики. Для деталей с оконечными кромками (например, в местоположении либо начала, либо конца шарика), которые являются ортогональными (например, перпендикулярными) направлению прохождения или нанесения шарика, смежные шарики способны выстраиваться в линию. Оконечная кромка является по существу прямой, так как каждый шарик заканчивается в одном и том же местоположении, что создает по существу прямую кромку.
[00111] Однако если оконечная кромка детали не является ортогональной (перпендикулярной) направлению прохождения шариков, то такую скошенную (угловую/проходящую под углом) кромку необходимо аппроксимировать, располагая оконечные части смежных шариков в шахматном порядке. Данная аппроксимация плана скошенной кромки приводит к ступенчатой конструкции или конструкции с нарушением сплошности. Для конечной формы ковки, имеющей непрерывную скошенную кромку, каждая из указанных несплошностей представляет возможность образования дефектов ковки, так как точка окончания одного шарика пересекается с промежуточной частью длины смежного шарика. В данном местоположении материал в ходе ковки будет течь непрерывно и создавать при ковке морщины, неслитины и/или плены, что представляет собой неприемлемые условия. В дополнение, ступенчатая аппроксимация скошенной поверхности также может обуславливать ковочные пустоты или недолив, поскольку материал может недостаточно заполнять штамп в указанных местоположениях по причине отсутствия материала в «незанятой» части указанной ступени.
[00112] Описанное планирование траектории для ковочных заготовок исключает «ступенчатую» аппроксимацию непрерывной поверхности, скошенной относительно траектории нанесения. Вместо аппроксимации поверхности или траектории металл наносят в скошенной ориентации, что обеспечивает поверхность, достаточно согласующуюся с ковочным штампом для предотвращения дефектов ковки, которые могут быть вызваны ступенчатой аппроксимацией скошенной поверхности.
[00113] На фиг. 13 показано наглядное сравнение заготовки, выполненной как есть, с вариантом осуществления заготовки, пригодной для обработки/ковки, выполненной с гладким профилем при помощи планирования траектории согласно одному или нескольким способам настоящего изобретения.
[00114] На фиг. 14 показана вертикальная конструкция, полученная при помощи варианта осуществления аддитивного производства с планированием траектории (справа), при этом вертикальная конструкция, изготовленная с планированием траектории, исключает ступени в вертикальном направлении, что обеспечивает непрерывную внешнюю поверхность по вертикальному наружному обводу (по сравнению с АП-заготовкой, изготовленной без планирования траектории (слева)).
[00115] На фиг. 15 показана конструкция в форме звезды, полученная при помощи описанных в данном документе возможностей планирования траектории, при этом ступенчатая конструкция (изображенная в схеме наращивания на левом схематическом виде АП-заготовки) исключается и заменяется непрерывной внешней поверхностью (например, сообщающимся периметром непрерывного шарика/конструкции из исходного сырья для АП), пригодной для ковки (изображена в центре). На изображении справа показано уменьшение ступенчатой конфигурации (уменьшенные несплошности) при наложении левого и центрального изображений, посредством чего подчеркивается уменьшение дефектов последующей обработки в готовой детали.
Пример возможного использования: Ковка
[00116] 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).
[00117] При надлежащем планировании траектории (например, при переменной траектории нанесения АП-шарика, обеспечивающей непрерывные профили по периметру компонента) металлическая заготовка выполнена с поверхностью (например, с 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.
[00118] Данная заготовка, полученная при помощи АП, будет представлять собой исходную заготовку или черновой ручей штампа для операции ковки. Эта заготовка может являться готовой для помещения в ковочный штамп без дальнейшей доработки. Сразу же после изготовления заготовку, пригодную для ковки, помещают в печь с целью ее нагрева до соответствующей температуры ковки. В то же время, 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).
[00119] 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.
[00120] Заготовку нагревают, куют в штампах, а затем извлекают из штампов, для того чтобы деталь могла быть подвергнута дальнейшим/последующим операциям (при необходимости) для конкретной детали. Эти последующие операции могут включать 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. Последующие операции могут также включать операции доработки. 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 прессе (одном прессе) с несколькими ударами. Многоэтапную ковку можно определить как многократное повторение этапа ковки.
[00121] 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.
[00122] 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.
[00123] 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.
[00124] 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.).
[00125] 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.
[00126] 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.
[00127] 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
[00128] 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.
[00129] 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%.
[00130] 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.
[00131] 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.
[00132] 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.