[发明专利]用于增材制造的原料,以及其使用方法有效
申请号: | 201880050038.6 | 申请日: | 2018-06-03 |
公开(公告)号: | CN110997192B | 公开(公告)日: | 2022-06-03 |
发明(设计)人: | 约翰·马丁;布伦南·亚哈塔 | 申请(专利权)人: | HRL实验室有限责任公司 |
主分类号: | B22F3/105 | 分类号: | B22F3/105;B22F10/28;B22F10/25;B22F10/20;C22C21/10;B33Y10/00;B33Y70/00 |
代理公司: | 北京安信方达知识产权代理有限公司 11262 | 代理人: | 蔡利芳;郑霞 |
地址: | 美国加利*** | 国省代码: | 暂无信息 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 用于 制造 原料 及其 使用方法 | ||
一些变型提供了一种制备增材制造的金属组件的方法,所述方法包括:提供包含高蒸气压金属的原料;将第一量的所述原料暴露于能量源以进行熔化;以及凝固熔体层,从而产生增材制造的金属组件的固体层。相比于所述高蒸气压金属在增材制造的金属组件中的浓度,所述含金属原料富含更高浓度的所述高蒸气压金属。所述高蒸气压金属可以选自例如Mg、Zn、Li、Al、Cd、Hg、K、Na、Rb、Cs、Mn、Be、Ca、Sr、或Ba。提供了增材制造的金属组件。还披露了用于增材制造的含金属原料,其中基于衍生自所述含金属原料的增材制造的金属组件中的高蒸气压金属的希望浓度来选择所述原料中的至少一种高蒸气压金属的浓度。披露了各种原料组合物。
优先权数据
本国际专利申请要求于2017年8月3日提交的美国临时专利申请号62/540,615和2018年6月2日提交的美国专利申请号15/996,438的优先权,这些专利中的每一个特此通过援引并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及使用优化的含金属前体(例如,粉末)进行增材制造的方法。
背景技术
基于金属的增材制造或三维(3D)打印在许多行业(包括航空航天工业和汽车工业)中具有应用。逐层构建金属组件增加了设计自由度和制造灵活性,从而实现了复杂的几何形状,同时消除了传统的规模经济约束。在基于金属的增材制造中,施加直接能量源(如激光或电子束)以熔化合金粉末局部导致了在0.1m/s与5m/s之间的凝固速率,这是相比于常规铸造工艺的数量级增加。
增材制造允许一步法制造任意设计的复杂部件。增材制造消除了组装多个组件或设立新设备的需要,同时最大限度地减少了制造时间以及材料和能量的浪费。虽然增材制造正在迅速增长以生产金属、聚合物和陶瓷组件,但金属部件的生产是其增长最快的部门。
为了成功地打印金属部件,必须选择合适的合金。连续层需要通过熔融而充分结合。对印刷适性,包括合金抵抗扭曲和熔融缺陷的能力的了解对于基于粉末床的增材制造方法是重要的。
目前只有少数合金(最相关的是AlSi10Mg、TiAl6V4、CoCr和Inconel 718)可以可靠地增材制造。现今使用的超过5,500种合金中的绝大多数都不能进行增材制造,这是因为打印工艺过程中的熔化和凝固动力学导致难以忍受的具有大的柱状晶粒和裂纹的微观结构。3D可打印金属合金仅限于已知易于焊接的金属合金。目前可打印合金的局限性,特别是关于比强度、疲劳寿命和断裂韧性,阻碍了基于金属的增材制造。参见Martin等人“3Dprinting of high-strength aluminium alloys[高强度铝合金的3D打印]”Nature[自然]第549卷,第365-369页。
关于铝合金具体地说,例如,唯一可打印的铝合金是基于二元Al-Si体系并且往往集中于大约200MPa的屈服强度周围,具有4%的低延展性。唯一的例外是Scalmalloy,它依赖于稀有的高成本金属钪的合金化添加物。相比之下,用于汽车、航空航天和消费型应用的大多数铝合金是2000、5000、6000或7000系列的变形合金,所述变形合金可以展现出超过400MPa的强度和超过10%的延展性,但是目前不能进行增材制造。这些体系具有经仔细选择以在后续的老化过程中产生复合的强化相的低成本合金化元素(Cu、Mg、Zn和Si)。这些相同的元素促进了大的凝固范围,导致凝固过程中的热撕裂(开裂)—这是自第一种可时效硬化的合金杜拉铝开发超过100年以来难以克服的问题。
具体地,在这些合金凝固过程中,初生平衡相首先以不同的组成从本体液体凝固。该机理导致凝固界面附近的液体中的溶质富集,局部改变平衡液相线温度并产生不稳定的过冷条件。因此,存在对固-液界面的破坏,导致胞晶或枝晶晶粒生长,其中在凝固区之间截留了枝晶间液体的长通道。随着温度降低和液体体积分数减小,这些通道的体积凝固收缩和热紧缩产生空腔和热撕裂裂纹,所述热撕裂裂纹可以跨越柱状晶粒的整个长度并且可以传播通过另外的晶粒间区。需注意,铝合金Al 7075和Al 6061由于缺乏产生细等轴晶粒的加工路径而非常容易形成此类裂纹。
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