[发明专利]三维零件的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造方法，特别涉及一种利用粉末材料制造三维立体零件的方法。

背景技术

为了制造复杂及高性能的产品，粉末冶金加工技术已经被广泛应用，其相较于锻造等传统工艺来说，具有明显的优势。对应地，很多相关技术被开发出来用于将松散的粉末或颗粒材料加工成致密的零件，例如压制（Pressing）和烧结（Sintering）技术、包套（Canning）和致密化（Densification）技术、及快速成型制造（Additive Manufacturing）技术等。在上述每一种技术中，整个过程的复杂度及生产成本都需要考虑在内。原材料的成本以及在致密化后的加工与塑型的半成品零件数量也会明显的影响最佳加工工艺过程的选择。加工的方式可能也会影响加工后零件的物理的、微观结构的以及机械的性能，并且零件性能级别的要求也会被用来考虑选择何种加工工艺。为了生产复杂及高性能的零件，一些典型的加工工艺已经被设计出来。

对于复杂形状的零件来说，快速成型制造的加工过程被广泛应用，其具有直接净成型或近净成型的加工能力。例如，电子束熔炼（Electron beam melting,EBM）技术、选择性激光熔炼技术（Selective Laser Melting,SLM）、直接金属激光熔炼（Direct metal laser melting,DMLM）技术、红外线熔炼（Infrared melting）技术等常被用来加工三维零件，尤其是加工金属零件。这些技术通常被归类为快速制造方法，因为它们具有通过高能粒子束来直接制造零件的优势，而无需单独再设计独特的加工工具。包括EBM及DMLM在内的许多的快速成型制造技术加工三维零件是通常通过激光束或电子束逐层熔炼加工粉末，其中EBM是在高真空腔内完成加工的，而DMLM是在存储有惰性气体的腔内完成加工的。作为例子，EBM设备或DMLM设备先从读取一个事先存储的三维模型的数据，然后据此逐层的熔炼加工粉末。这些加工粉末被逐层熔炼加工是通过计算机控制电子束或激光束来实现的。以这种方式即可构建任意需要形状的零件。EBM的加工过程在真空环境下进行，DMLM的加工过程可能在真空或惰性气体环境下进行，如氩气，如此可以加工制造容易与氧气发生反应的材料的零件，如钛零件。上述技术典型的适合于加工制造有限数量的零件，且零件的体积通常为小体积或中等体积，这是由其典型的沉积速率所决定。但是，当三维零件的加工数量非常庞大时，整个加工过程将会花费大量的时间。这就需要应用更多的EBM设备或DMLM设备来达到上述需求，如此大大提高了投入成本。

对于简单形状及大尺寸的零件来说，包套和致密化技术是被常采用的技术。在这些粉末冶金过程中，加工材料典型地被放置于一个套筒（Can）内，用于将加工材料与外界环境进行隔离，并为后续加工过程提供一个转换介质，例如热等静压（Hot isostatic pressing,HIP）及气动静压锻造（Pneumatic isostatic forging）。套筒典型地由板材加工而成，然后再焊接成感兴趣的零件形状。相较于期望的最终零件产品的尺寸和形状来说，套筒的尺寸和形状通常是过大的，用于补偿在致密化过程中产生的收缩。套筒内可以被松散的粉末填充，或者用来封装压制的或者半多孔的预成型件（半成品零件）。套筒提供了一种方式，粉末材料可以被机械地压缩至一个渗透的或半渗透的半成品零件，该半成品零件适合于搬运、转移、及加固或致密化处理成一个成品的目标零件。但是，套筒的使用需要很多额外的步骤并且会导致较高的产品报废率（某种程度上由于套筒材料与其内部粉末材料两者之间的相互作用引起），如此降低了效率并提高了成本。套筒的成本及复杂度足以影响由粉末加工的零件的整体费用和效率。

不论应用快速成型制造技术还是应用包套和致密化技术进行加工，加工粉末都会频繁的受到致密化处理，例如通过升高温度、升高压力或两者，以获得充分致密的结构，进而符合最终目标零件的硬度要求。一些处理的例子包括烧结、热压制、及HIP。此外，美国专利号为5,816,090的专利揭露了一种应用PIF加固粉末零件的处理方法。不同于HIP在较长的时间内同步应用高温高压的处理过程，上述美国专利应用高温和更高的压力，在短时间内进行PIF处理。该美国专利描述了仅部分地密封工件的外表面，或者在预烧结步骤之前给工件上涂敷潜在的反应材料。因此，该美国专利揭露的解决方式是应用上述描述的过程并依赖于额外的步骤，而并非典型的HIP处理过程。