由涂覆有金属材料的颗粒材料生产物件的方法及其制品技术

本发明专利技术提供了由涂覆有金属材料的颗粒材料生产物件的方法及其制品。在一些方面中，所述方法包括选择性加热组合物的初始层，所述组合物包含涂覆有金属材料的颗粒材料的元件。所述方法还包括选择性加热设置与所述初始层接触的所述组合物的附加层，将每个相应的层选择性加热至阈值温度促使了颗粒材料的元件和与之相关的金属材料涂层之间的放热反应以形成所述相应的层的熔融部分，其中所述相应的层的熔融部分中的湍动破坏了熔融颗粒材料的氧化并且一旦将其冷却至低于阈值温度，则促进所述相应的层的熔融部分中的金属间化合物的形成，并且其中所述相应的层的部分合并以形成所述物件。

Method and products for producing objects by coating granular materials with metallic materials

The invention provides a method and product for producing objects by coating granular materials with metallic materials. In some respects, the method comprises an initial layer of selective heating composition comprising elements coated with metal material. The method also includes a selective heating of an additional layer of the composition in contact with the initial layer, and selectively heating each corresponding layer to a threshold temperature to induce an exothermic reaction between the element of the particle material and the metal material coating associated with it to form a melting part of the corresponding layer, in which the phase is described. The turbulence in the molten part of the corresponding layer destroys the oxidation of the molten particle material and once it is cooled to a lower temperature than the threshold temperature, the formation of the intermetallic compound in the molten part of the corresponding layer is formed, and the corresponding layer is partially merged to form the object.

【技术实现步骤摘要】
由涂覆有金属材料的颗粒材料生产物件的方法及其制品
本专利技术涉及由涂覆有金属材料的颗粒材料生产物件的方法及其制品。
技术介绍
在航空航天工业中，通过增材制造制备铝和/或铝合金物件(例如，组件、部件等)是未开发的市场。这是由于与通过增材制造制备铝和/或铝合金组件有关的冶金问题所造成的。例如，在选择性激光熔融(SLM)工艺中，通过包括激光的高反射率、高导热率以及原材料中铝非常强的氧化趋势在内的因素抑制颗粒铝原材料的适当熔合。因此，SLM-生产的铝和/或铝合金物件通常不能与现有基准，如传统机械加工的铝和/或铝合金竞争。为了促进颗粒原材料的适当熔合，已尝试了多种不同的方法。这些方法包括生产机械的改变、颗粒原材料合金与接近于低熔点铝硅合金低共熔体的组合物的使用等。尽管这些方法中的一些能够减轻抑制颗粒原材料适当熔合的一个或多个因素(例如，高激光反射率和高导热率)，但是这些方法通常不能有效解决氧化物的形成，而氧化物通常被称为铝原材料适当熔合的主要抑制剂。即使在小心控制的气氛中，铝的氧化生产了“氧化物层”，其往往会抑制颗粒原材料的融合。在固化显微结构中，氧化物层的影响表现为氧化物颗粒具有不利的大尺寸和体积分数并且那些氧化物颗粒在物件的构筑层之间形成。从SLM制备的物件的金属断面成象表明这些物件显示出劣于传统机械加工的铝和/或铝合金的质量和性能。
技术实现思路
公开了从涂覆有金属材料的颗粒材料生产物件的方法。在一些方面中，方法包括选择性加热包含涂覆有金属材料的颗粒材料的元件的组合物的初始层至阈值温度。将设置为与初始层接触的组合物的附加层选择性加热至阈值温度，将每个相应的层选择性加热至阈值温度促使了颗粒材料的元件和与之相关的金属材料涂层之间的放热反应以形成相应的层的熔融部分，其中相应的层的熔融部分中的湍动破坏熔融颗粒材料的氧化，并且当将其冷却至低于阈值温度时，促进了相应的层的熔融部分中的金属间化合物形成，并且其中部分相应的层合并以形成物件。在其它方面，制品包含含有涂覆有金属材料的颗粒材料的元件的一个或多个层的组合物，颗粒材料的元件的一个或多个层中的每一个选择性加热至阈值温度以促使颗粒材料的元件和与之相关的金属材料涂层之间的相应的层内的放热反应并形成一个或多个相应的层的熔融部分，其中一个或多个相应的层的熔融部分中的湍动破坏了熔融颗粒材料的氧化，并且当将其冷却至低于阈值温度时，促进一个或多个相应的层的熔融部分中的金属间化合物形成。在其它方面，生产物件的方法包括将包含涂覆有金属材料的颗粒材料的元件的组合物层选择性加热至阈值温度，以促使颗粒材料的元件和与之相关的金属材料涂层之间的放热反应并形成层的熔融部分，其中层的熔融部分中的湍动破坏了熔融颗粒材料的氧化并且在将其冷却至低于阈值温度时，促进层的熔融部分中的金属间化合物形成。可以在多个实施例/方面中独立地实现本文所讨论的方面、功能和优势，或者可以在其它实施例/方面中组合，参考以下说明和附图可以看出它们进一步的详细信息。附图说明因此，已经总体描述了本公开，现将参考附图，这些附图不必需按比例描绘并且其中：图1是示出了根据本文所提供的本公开的示例性方面的包含涂覆有金属材料的颗粒材料的元件的组合物的层的示意图。图2是示出了根据本文所提供的本公开的示例性方面的能够通过增材制造方法从包含涂覆有金属材料的颗粒材料的元件的组合物生产的多种物件的示意图。图3是根据本文所提供的本公开的示例性方面的由涂覆有金属材料的颗粒材料生产物件的方法的流程图；和图4是根据本文所提供的本公开的其它示例性方面的由涂覆有金属材料的颗粒材料生产物件的方法的流程图。具体实施方式现将通过参考附图在下文中更全面地描述本公开，其中显示了本公开的一些，但不是所有方面。的确，本公开可以以多种不同形式体现并且不应将其视为受限于本文所说明的方面；相反，提供这些方面从而使本公开更深入和完整，并且将向本领域技术人员充分展示本公开的范围，并且将满足适用的法律要求。在整个说明书中，类似的数字表示类似的元件。除非上下文中明确规定，否则如本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形成的“一”、“一个”和“这个”包括复数对象。如先前所公开的，使用增材制造方法，如例如选择性激光熔融(SLM)、选择性激光烧结(SLS)等从铝或铝合金生产制品或物件(例如，组件、部件等)往往是有问题的。这是由于在增材制造方法期间发生了铝的氧化，其中在一些情况下，这种氧化导致形成了与所建立的铝材的标准性质相比具有较差机械和材料性质的物件。对于由于物件所经受的极端条件而需要遵守精确公差的航天应用，较差的机械和材料性质对所使用的这些SLM-生产的物件可以是成问题的。增材制造方法中使用的典型的生产机械包括计算平台或运行计算机辅助设计(CAD)软件的其它类型的处理器装置，在这些平台或装置上物件的数字设计用于选择性加热铝或铝合金原材料各个分布的层。工件平台或其它类型的基底也包含在典型的生产机械中。将铝或铝合金原材料的每个层分布在工件平台上，然后通过能源选择性熔融。例如，根据物件的数字设计，将发射大功率激光束的高功率激光器(例如，镱纤维激光器)用于熔融每个层的所选部分。在激光束将铝或铝合金原材料加热至阈值温度或熔融温度的情况下，铝或铝合金原材料熔融并形成层的熔融部分。熔区的后续冷却导致铝或铝合金原材料固化。逐层重复该方法直至该部分完成。然而，仅改变增材制造方法中使用的生产机械不足以解决形成物件过程中铝的氧化。使用多个或更高功率的激光束，使用电子束等的改变，如加热工件平台仍不能有效破坏铝原材料中铝的氧化。因此，在一个方面，期望改变原材料本身以使得破坏在形成部件的过程中铝的氧化。通过改变原材料化学性质来改善增材制造的铝合金部件的性能和质量的现有方法实现了有限的成功，并且该成功通常是以常规浇铸方法生产的或从颗粒原材料与类似于常规可锻合金的组合物增材制造的样品的无光泽标准来测量的。这种有限的成功是通过使用未涂覆的颗粒原材料以及类似于常规铸造合金的组合物所获得的。目前，用于铝增材制造的最常见的原材料为AlSi10Mg(Al/9-11Si/.25-.45Mgwt％)以及与压铸合金AMS4290(9.5Si/0.50Mgwt％)几乎相同并且与铝硅合金低共熔体(Al-12Siwt％)相差不远的组合物。然而，接近于Al-Si低共熔体的组合物固有地产生了具有高体积分数(通过杠杆定理，大于10％)的脆性硅颗粒的显微结构。因此，用接近Al-Si低共熔体的组合物SLM-生产的部件往往将具有劣于机械加工合金的现有标准的强度和延展性，尽管与熔区快速固化有关的显微结构特征的尺寸更精细。使用接近于577℃的Al-Si低共熔体制备的部件往往还将具有有限的高温强度，并且这对于多种航天应用是特别重要的。因此，本文公开了生产物件和涉及制品的改善方法，其促进了原材料熔合并破坏铝的氧化以生产满足并超过现有标准的性能特征的物件。在下文中称为“组合物”的原材料包含颗粒材料的元件，其在一些方面包含金属材料涂覆的铝或铝合金，金属材料在一些方面包含镍、钛或它们的合金。有利地，在选择性加热时，该组合物在SLM中的应用导致在涂层和颗粒材料之间产生放热反应。与未涂覆的原材料的激光熔融所产生的熔融部分和湍动相比，放热反应使每个层的熔融部分扩大并提高了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种由涂覆有金属材料的颗粒材料生产物件(200)的方法，包括：将组合物(104)的初始层(102)选择性加热至阈值温度，所述组合物(104)包含涂覆有金属材料的颗粒材料的元件；以及将设置为与所述初始层(102)接触的所述组合物的附加层选择性加热至所述阈值温度，将每个相应的层选择性加热至所述阈值温度促进了所述颗粒材料的元件和与所述颗粒材料的元件相关的所述金属材料的涂层之间的放热反应以形成所述相应的层的熔融部分(110)，其中所述相应的层的所述熔融部分(110)中的湍动破坏了熔融的所述颗粒材料的氧化，并且当将所述相应的层冷却至低于所述阈值温度时，促进了所述相应的层的所述熔融部分(110)中的金属间化合物的形成，并且其中所述相应的层的部分合并以形成所述物件(200)。

【技术特征摘要】
2017.01.20 US 15/411,3861.一种由涂覆有金属材料的颗粒材料生产物件(200)的方法，包括：将组合物(104)的初始层(102)选择性加热至阈值温度，所述组合物(104)包含涂覆有金属材料的颗粒材料的元件；以及将设置为与所述初始层(102)接触的所述组合物的附加层选择性加热至所述阈值温度，将每个相应的层选择性加热至所述阈值温度促进了所述颗粒材料的元件和与所述颗粒材料的元件相关的所述金属材料的涂层之间的放热反应以形成所述相应的层的熔融部分(110)，其中所述相应的层的所述熔融部分(110)中的湍动破坏了熔融的所述颗粒材料的氧化，并且当将所述相应的层冷却至低于所述阈值温度时，促进了所述相应的层的所述熔融部分(110)中的金属间化合物的形成，并且其中所述相应的层的部分合并以形成所述物件(200)。2.根据权利要求1所述的方法，包括：将所述组合物的所述初始层(102)分布在基底上，从而在选择性加热所述初始层(102)之前，使得所述初始层(102)具有在20微米和150微米之间的厚度；以及分布与所述初始层(102)接触的所述组合物的所述附加层，从而在选择性加热所述附加层之前，使得所述附加层具有在20微米至150微米之间的厚度。3.根据权利要求2所述的方法，其中分布与所述初始层(102)接触的所述组合物的所述附加层包括将与所述初始层(102)接触的所述组合物的所述附加层分布，所述附加层的组合物具有与所述初始层(102)的组合物相同或不同的元件。4.根据权利要求1所述的方法，包括在选择性加热所述初始层(102)或者选择性加热所述附加层之前，用所述金属材料涂覆所述颗粒材料的元件。5.根据权利要求4所述的方法，其中涂覆所述颗粒材料的元件包括使用无电式电镀工艺、电解电镀工艺、溅射工艺、化学气相沉积工艺或其它汽相沉积工艺涂覆所述颗粒材料的元件。6.根据权利要求4所述的方法，其中涂覆所述颗粒材料的元件包括用所述金属材料涂覆所述颗粒材料的元件，从而使所述涂层具有0.1微米和1微米之间的厚度。7.根据权利要求1所述的方法，其中选择性加热所述初始层(102)或者选择性加热所述附加层包括选择性加热所述初始层(102)或者选择性...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·A·瓦森克丘克，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国,US