[发明专利]通过在金属增材制造中应用原位气体射流撞击的凝固细化和一般相变控制

说明书

提供了一种射流装置以及使用该射流装置通过增材制造来制造物体的系统和方法，特别是钛和钛合金物体，其中，在增材制造过程期间，射流装置引导冷却气体穿过液体熔池，或撞击液体熔池，或撞击与液体熔池的液固边界相邻的凝固材料，或撞击凝固态材料，或其任何组合。冷却气体的施加可产生具有细化晶粒结构的增材制造的金属产品，其中高比例的晶粒是近似等轴的，并且可产生在强度、抗疲劳性和耐久性方面表现出改进的增材制造的产品。

相关申请

要求2018年6月26日提交的标题为“通过在金属增材制造中应用原位气体射流撞击的凝固细化和一般相变控制(SOLIDIFICATION REFINEMENT AND GENERAL PHASETRANSFORMATION CONTROL THROUGH APPLICATION OF IN SITU GAS JET IMPINGEMENT INMETAL ADDITIVE MANUFACTURING)”的美国专利申请序列号16/019,460和2017年6月30日提交的标题为“通过熔池气体射流撞击在增材制造中的凝固结构的细化(REFINEMENT OFSOLIDIFICATION STRUCTURES IN ADDITIVE MANUFACTURING BY MELT POOL GAS JETIMPINGEMENT)”的美国临时申请第62/527,656号的优先权的权益。

在允许的情况下，以上引用的申请中的每一个的主题通过引用以其全部内容结合在此。

发明背景

技术领域

本发明涉及用于通过实体自由成形制造来制造物体(尤其是钛和钛合金物体)的装置和方法。

背景技术

由钛或钛合金、或其他金属合金制成的结构化金属部件通常通过铸造、锻造或机加工由坯料制成。这些技术具有许多缺点，例如昂贵的钛金属的高材料使用和在金属物体的制造中的长的交付时间。由于缺乏对凝固和冷却速率的控制，通常可用于生产潜在的近净形状的物体的铸造典型地具有降低的材料质量。加工成本和不能制备具有复杂形状的物体是常规方法的额外缺点。

完全致密的物理物体可以通过被称为快速原型制造、快速制造、分层制造或增材制造的制造技术来制造。由于近净形状产品的分层堆积，增材制造提供了很大的制造自由度和潜在的成本节约。期望在使用相同的现有金属合金的同时，匹配常规热机械加工方法(例如锻造)的材料特性。

在热机械加工中，材料特性在大多数情况下是由机械成形步骤的塑性变形引起的重结晶而实现的细化晶粒结构的结果。这种机制在典型的增材制造工艺中是不可获得的，其中在没有任何机械成形的情况下将熔融的材料分层添加、凝固和冷却。这通常导致粗的凝固晶粒结构。在许多合金中，所得结构也将以高纵横比伸长。这是由于在添加过热熔融金属时由相对更冷的工件提供的定向排热。凝固从先前沉积的层开始，并在沉积材料冷却时向上传播到沉积材料中。在许多情况下，凝固结构将延伸跨过几个层，尺寸高达几厘米。这些特性通常对机械性能不是最佳的，导致降低的和/或各向异性的强度、伸长率和疲劳性能。在凝固后进一步冷却时，发生同素异形相变(从一种晶体结构转变成另一种晶体结构)、沉淀和其他固态热化学反应。这些的性质取决于所讨论的合金体系。主要关注的是在发生这些转变的关键温度范围内的冷却速率。分层增材制造工艺产生复杂的循环加热、冷却和再加热条件，其中对每个沉积层中的所有相关相变的控制对于实现一致的产品是至关重要的。因此，尽管改变工件几何形状、散热器特性和累积热量，但实现热控制是增材制造中面临的挑战。除了冷却速率对沉积态和凝固的区域的影响之外，沉积后施加的冷却还帮助工件的整体冷却，允许开始沉积新的串或层而不需任何显著的等待时间。这对于在串或层之间具有较少循环时间的紧凑几何形状尤其有利。在目标相变区域中的原位气体射流撞击可增加冷却速率，并导致凝固细化和一般相变调节和/或控制。