[发明专利]通过增材制造制备金属部件

说明书

在各实施例中，本发明涉及通过包括以下步骤的工序制造三维部件的方法：提供包含经电弧熔化的耐火金属材料的线材；相对于平台平移所述线材的前端；当平移所述线材的前端时，用能量源熔化所述线材的前端以形成熔珠，由此珠粒冷却以形成三维部件层的至少一部分；和重复步骤(b)和(c)一次或多次以产生三维部件。

相关申请

本申请要求于2016年3月3日提交的美国临时专利申请62/302,847的权益和优先权，其全部公开内容被援引纳入本文。

技术领域

在各实施例中，本发明涉及通过增材制造技术形成金属部件。

背景技术

增材制造或三维(3D)打印是一种广泛使用的技术，用于快速制造和快速成型。通常，增材制造需要通过计算机控制逐层沉积材料以形成三维物体。迄今为止，大多数增材制造技术都使用聚合物或塑料材料作为原材料，因为这种材料易于处理并在低温下熔化。由于增材制造涉及一次仅熔化少量材料，因此该方法有可能成为制造由金属制成的大型复杂结构的有用技术。不幸的是，金属材料的增材制造并非没有挑战。当通过增材制造用金属前驱体材料制造三维部件时，前驱体材料的熔化可能导致火花、起泡和飞溅(即前驱体材料本身的小块喷射)。另外，即使利用常规前驱体材料成功地制造出三维部件，该部件也可能显现出过多的孔隙、裂缝、材料飞溅以及不足的密度和可加工性。

鉴于前述内容，需要用于金属部件的增材制造的改进的前驱体材料。

发明内容

根据本发明的各实施例，制备用作增材制造工序的原材料的线材，使得其中的气态和/或挥发性杂质的量减少或最小化。如本文所用，术语“挥发性元素”是指沸点低于标称的多数线材的熔点的元素。例如，氧(O)、钠(Na)、镁(Mg)、磷(P)、硫(S)、钾(K)、钙(Ca)和锑(Sb)等元素的浓度可以保持低于20ppm的浓度、低于10ppm的浓度，低于5ppm的浓度、低于3ppm的浓度，低于2ppm的浓度、或甚至低于1ppm的浓度(除非另有说明，否则本文所有浓度均以重量计)，并且在本发明的各实施例中，这些元素中的一种或多种、或甚至全部可以是挥发性元素。前驱体线材本身可包括、基本由或由一种或多种耐火金属例如铌(Nb)、钽(Ta)、铼(Re)、钨(W)和/或钼(Mo)组成。该线材可用于增材制造工序中以形成三维部件例如耐火坩埚。

在本发明的各实施例中，前驱体线材至少部分地通过在真空或基本惰性环境中电弧熔化来制造。电弧熔化工序有利地使线材内的挥发性杂质的浓度最小化或降低，从而能够利用该线材进行成功的增材制造过程。所得到的线材用于增材制造工序中以形成至少部分地由前驱体材料构成的三维部件。在示例性实施例中，朝向可移动的平台进给线材，并且线材的前端通过例如电子束或激光熔化。平台(和/或线材)移动使得熔化线材描绘出最终部件的基本上二维切片的图案；以这种方式，最终部件通过线材的熔化和快速凝固以逐层方式制造。在这种增材制造工序中，在形成三维部件期间成功熔化线材，同时具有最小的(如果有的话)火花、起泡和/或喷溅。此外，成品部件具有高密度(例如大于理论密度的96％、大于97％、大于98％、或甚至大于99％)，没有可伴随使用常规的粉末冶金原料特别是耐火金属出现的孔隙或裂缝。

根据本发明实施例的线材还可以用于各种不同的送丝焊接应用(例如MIG焊接、焊接修复)，其中电弧在线材和工件之间击打，从而导致线材的一部分与工件熔合。