使用增材制造的多材料功能部件制造技术

一种形成部件的方法，包括使用分层装置沉积粘结剂和第一材料的第一颗粒的连续层以建立第一未加工区段，使用所述分层装置沉积粘结剂和不同于第一材料的第二材料的第二颗粒的连续层以建立第二未加工区段，组装所述第一未加工区段和所述第二未加工区段以形成未加工部件，并且用金属渗透剂渗透所述未加工部件以形成所述部件。

【技术实现步骤摘要】
使用增材制造的多材料功能部件交叉参照有关申请本申请要求2016年11月17日提交的美国专利申请62/423,611的权益和优先权，其并入在此。
技术介绍
各种部件被用于钻探地层，为了提高钻探效率，这些部件通常是针对将要遇到的特定类型的地层而设计和定制的。例如，油田工具可能经历恶劣的操作条件，并且工具部件因此可以实现多个功能，例如，抗腐蚀、磨损、重负荷和冲击。为此，工具可以具有由用于主承载功能的基体材料和用于耐磨损或耐腐蚀的辅助涂层制成的主体。一些油田工具可能经由渗透过程形成。钻头，例如，可以被设计并且模具填充有由金属粘结剂渗透的基质或硬质颗粒粉末。马达部件、阀座和套筒可以被机加工以形成套筒主体，并且机加工的套筒可具有涂覆或处理(例如渗碳)的一个或多个外表面以提供给外表面提供与主体不同性质。
技术实现思路
在一个方面中，形成部件的方法包括使用分层装置来沉积粘结剂和第一材料的第一颗粒的连续层以建立第一未加工区段，使用分层装置沉积粘结剂和不同于第一材料的第二材料的第二颗粒以建立第二未加工区段，组装第一未加工区段和第二未加工区段以形成未加工部件，以及用金属渗透剂渗透所述未加工部件。另一方面，方法包括使用计算机辅助设计程序设计至少两个区段的部件，通过用分层装置逐层沉积粘结剂和基质材料来分别建立每个区段，组装所述两个区段，以及用金属渗透剂渗透所述未加工部件。另一方面，用于井下作业装备的部件包括具有分散在至少两种类型的基质材料颗粒的基质中的金属渗透剂的微结构，其中每种类型的基质材料颗粒位于所述部件的分离的区域中。互锁接口位于两个分离的区域之间。附图说明图1和图3-5是本公开的示例方法；图2是示例的分层装置的示意图；图6是示例性的未加工部件的横截面视图；图7示出了根据本公开的示例部件；图8示出了根据本公开形成的部件的微结构；图9示出了根据本公开的部件；图10和图11是本公开的示例性部件的顶视图和底视图；图12示出了根据本公开的实施例的部件；图13是根据本公开的涡轮驱动组件的分解透视图；图14和15是根据本公开的搅拌器的横截面和透视图；图16-19分别是根据本公开的磨损带、稳定器、分流器和泵的横截面视图；图20是通过示例的可重复使用的滤筒的横向切割的示意性侧视图；图21-23分别示出了根据本公开的喷嘴、阀和热交换器。具体实施方式本公开的实施例总体上涉及制造用于井下操作的部件的方法，其包括3D打印部件的分离区段并连接这些区段。部件的分离形成的区段可以通过将区段彼此相邻地定位以及将所述区段渗透成整件。由共同渗透的区段形成的部件可以具有包括分散在整个至少两种类型的基质颗粒的基质中的金属渗透剂的微结构，其中每种类型的基质颗粒可以分成不同的区域。通过以逐层方式建立部件的区段，交替基质材料和粘结剂的层，组装所述区段，烧掉粘结剂以及渗透所组装的区段，可以提供单一的金属渗透剂穿过具有不同基质材料的多个区域的部件的微结构。根据本公开内容，可以使用粘结剂喷射来形成区段。粘结剂喷射是通过将粉末状材料和粘结剂分层而建立物体的一种增材制造(“AM”)，其中粘结剂(例如有机或聚合物粘结剂)连结粉末状材料(基质材料颗粒)层以保持所述部件的形状。使用分层装置建立基质材料和粘结剂的交替层的其它AM技术可用于建立根据本公开的实施例。合适的基质材料可以以粉末形式提供，并且可以包括金属、陶瓷或金属陶瓷的颗粒。例如，基质材料颗粒可以包括但不限于钢(例如碳工具钢或高速钢)，铸造钴合金，烧结碳化物(例如碳化钨，碳化钽，碳化钛)，碳氮化物，氧化铝，碳化硅和立方氮化硼。合适的粘结剂材料可以包括酚类粘结剂，水基粘结剂和其它有机粘结剂。合适的金属渗透材料可以包括青铜合金，铜合金，镍基合金，钴合金及其组合。图1示出根据本公开的实施例的制造部件的方法的示例。方法100包括通过使用分层装置来沉积第一粘结剂和第一材料的颗粒(例如，沉积粉末形式的第一材料)的连续层来从粘结剂和第一材料102建立第一未加工区段。方法100包括通过使用分层装置来沉积粘结剂和第二材料的颗粒的连续层(例如，沉积粉末形式的第二材料)。第二材料不同于第一材料。第一粘结剂和第二粘结剂可以是不同的或相同的。第一和第二未加工区段可以被组装以形成未加工部件106。通过烧掉粘结剂，例如，通过在真空烘箱中将未加工部分加热至分解粘结剂的温度，可以从未加工部分/部件中除去粘结剂。在一些实施例中，粘结剂可以通过化学分解粘结剂从未加工部分除去。从未加工部件或区段除去的粘结剂可以在整个未加工部件中留下孔隙网络。然后可以用金属渗透剂108渗透未加工部件，其中金属渗透剂渗透通过由粘结剂除去建立的孔隙网络。金属渗透剂可包括铜，钴，钼，青铜或其合金，或可使基质材料颗粒熔合的任何合适的低熔融温度合金。本公开的未加工区段可以通过使用分层装置沉积粘结剂和基质材料的层而形成。粘结剂和基质材料的层可以交替图案沉积，使得粘结剂层可以沉积在基质材料的夹层之间并且与该夹层粘结在一起。可以将这些层沉积在选定的区域中并且以选定的厚度沉积以建立最终区段的三维形状。图2示出了适于形成未加工区段的分层装置的示例。所示的分层装置是粘结剂喷射器200，其具有用于供给粉末状的基质材料205的供给腔室202和用于从供给腔室接收所述材料205的建立腔室212。进料活塞206可定位在供给腔室202的底部下方，以推动粉末状的基质材料205向上供给和/或到建立腔室212。整平辊208可将一定量的粉末状基质材料205在建立腔室212中辊压成层。当多层的粉末状基质材料205被辊压到建立腔室212中时，基质材料的粉末床层的高度增加。因此，位于建立腔室212的底部下方的建立活塞216随着粉末床层被集聚而可以降低所述粉末床层，以使建立腔室中的粉末床层的顶部保持与供给腔室212中的粉末状基质材料205的顶部齐平。在将一层粉末状基质材料205辊压到建立腔室212中之后，沉积装置220将来自粘结剂供给器230的粘结剂以一图案沉积在粉末状基质材料的沉积层上。该图案可以具有与正在建立的区段240的三维设计的横截面层相同的形状/设计。沉积的粘结剂可以将沉积的粉末状基质材料层粘结到区段240层中。随后的基质材料和粘结剂层可以以相似的方式沉积以建立区段240的三维形状。因此，辊208可以在建立腔室212中沉积一层为粉末形式的基质材料，并且粘结剂可以通过沉积装置220选择性地沉积在基质材料层之上，其中可重复基质材料层沉积和粘结剂沉积步骤直到建立三维部件。粘结剂可以相对于沉积的基质材料以不同的量进行沉积。该不同的量可以作为粘结剂与基质材料的体积比进行测量。体积比可以贯穿未加工区段的高度和/或厚度(或垂直于所述高度的横截面面积)，例如通过在建立未加工区段期间沉积不同厚度的粘结剂和/或基质材料，而变化。在一些实施例中，通过沉积两个或更多个交替层的具有第一厚度的基质材料和具有第一厚度的粘结剂材料，以及沉积具有不同厚度的至少一层的基质材料和/或粘结剂，来形成未加工区段。在一些实施例中，沉积在单层中的粘结剂的量可以贯穿单层而变化，例如，其中在单层的一部分中可以沉积相对较大量的粘结剂，并且可以在该单层的另一部分中沉积相对较小量的粘结剂。粘结剂与基质材料的体积比可以在未加工部件的未加工区段之间变化。例如，第一未加工区段可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：使用分层装置沉积第一粘结剂和包含第一材料的第一颗粒的连续层以建立第一未加工区段；使用所述分层装置沉积第二粘结剂和包含不同于所述第一材料的第二材料的第二颗粒的连续层以建立第二未加工区段；组装所述第一未加工区段和第二未加工区段以形成未加工部件；以及用金属渗透剂渗透所述未加工部件以形成部件。

【技术特征摘要】
2016.11.17 US 62/423,6111.一种方法，包括：使用分层装置沉积第一粘结剂和包含第一材料的第一颗粒的连续层以建立第一未加工区段；使用所述分层装置沉积第二粘结剂和包含不同于所述第一材料的第二材料的第二颗粒的连续层以建立第二未加工区段；组装所述第一未加工区段和第二未加工区段以形成未加工部件；以及用金属渗透剂渗透所述未加工部件以形成部件。2.如权利要求1所述的方法，还包括：将所述未加工部件放入真空炉中；以及加热所述未加工部件以烧掉所述第一粘结剂和第二粘结剂。3.如权利要求1所述的方法，其中沉积所述第一粘结剂和第一颗粒包括：提供一层粉末形式的第一颗粒；以及选择性地将第一粘结剂分配在粉末层上。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一未加工区段内的所述第一粘结剂与所述第一材料的体积比在不同层之间变化。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一未加工区段内的所述第一粘结剂与所述第一材料的第一体积比与所述第二未加工区段内的所述第二粘结剂与所述第二材料的第二体积比是不同的。6.如权利要求1所述的方法，还包括：设计所述部件的微结构，该微结构具有金属渗透剂与所述第一材料和与所述第二材料的变化的体积比；以及将更大量的第一粘结剂和第二粘结剂沉积在区域中以具有金属渗透剂与第一材料和与第二材料的更大的体积比。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一区段和所述第二区段具有互锁特征。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属渗透剂选自青铜合金、铜合金、镍合金和钴合金中的至少一种。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料具有比所述第二材料更大的耐侵蚀性和更低的韧性，或者其中所述第一粘结剂和所述第二粘结剂具有相同的材料成分。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一粘结剂和第二粘结剂具有相同的材料成分。11.一种方法，包括：使用计算机辅助设计程序设计部件，该部件包括至少两个区段；使用分层装置逐层沉积粘结剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：SS卡鲁普尔，
申请(专利权)人：斯伦贝谢技术有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL