CN105268970B - 混合增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于形成部件的增材制造方法。所述方法包括在衬底上形成第一增材层的步骤。深滚轧所述第一增材层。接着在所述第一增材层上形成第二增材层。

Description

混合增材制造方法

技术领域

本发明涉及增材制造，且更具体地说，涉及增材制造产品和方法。常规机械加工依靠移除材料，且通常在零件复杂性方面受限。增材制造避免了这些问题中的许多问题，从而产生用于生产具有高度复杂的几何形状的近净形产品的能力。

背景技术

遗憾的是，许多常规增材制造技术产生具有仅与铸造材料而不是较合意的锻造材料相当的机械特性(例如硬度或延展性)的产品。另外，通过常规增材制造生产的产品中的许多产品在整个产品上可能具有拉伸残余应力，或可能具有不合意的表面粗糙度，使得额外的增材层难以粘合到先前形成的增材层。并且，由常规增材制造技术形成的零件可包括具有定向显微结构的层，所述层可能使产品变弱。

为了解决这些不合意特性中的一些特性，使通过常规增材制造方法形成的产品经受大量的后处理和热处理，这在实现锻造性能方面取得了不同程度的成功。本领域中需要生产具有改进的机械特性的产品的增材制造方法。

发明内容

本发明公开一种用于形成部件的增材制造方法。所述方法包括在衬底上形成第一增材层的步骤。深滚轧所述第一增材层。接着在第一增材层上形成第二增材层。

附图说明

图1是示出用以形成部件的制造方法的实施方案的流程图。

图2A是示出第一增材层正形成于衬底上的示意图。

图2B是示出第一增材层正被滚轧的示意图。

图2C是示出第二增材层正形成于第一增材层之上的示意图。

图2D是示出第二增材层正被滚轧的示意图。

图3是用来深滚轧第一增材层的深滚轧工具的平面图。

图4是示出凸度滚子的实施方案的平面图。

图5是示出滚轧步骤的实施方案的示意图。

图6是示出具有所沉积的增材层及其显微结构的工件的显微照片。

具体实施方式

本文公开一种用于形成部件的增材制造方法(本文也称为“混合增材制造方法”)。所述方法包括在衬底上形成第一增材层的步骤。所述步骤之后是滚轧第一增材层以诱导第一增材层中的塑性。所述步骤之后是在第一增材层之上形成第二增材层。此步骤之后是滚轧第二增材层以诱导第二增材层中的塑性。此工艺在增材制造中具有许多益处，包括减少增材层中的残余拉伸应力的量；将压缩残余应力加到所述增材层；使每一增材层硬化；产生具有相对光滑表面的增材层；以及减少增材层中各向异性显微结构的存在。

图1示出混合增材制造的一个实施方案。步骤10包括在衬底上形成第一增材层。所述增材可为用于增材制造的许多合适材料中的一种。在形成步骤10之后是滚轧步骤12。滚轧步骤12包括滚轧第一增材层，且可用深滚轧工具来实现，深滚轧工具可为增材制造机器的部件。滚轧步骤12之后是形成步骤10’。形成步骤10’包括在第一增材层之上形成第二增材层。形成步骤10’之后是滚轧步骤12’。滚轧步骤12’包括滚轧第二增材层，且可用深滚轧工具来实现。可重复这些步骤，以形成和滚轧额外的增材层。

图2A到图2D示意性地示出混合增材制造方法的一个实施方案。图2A示出形成步骤10。图2A进一步示出沉积工具14、金属粉末16和工件18。沉积工具14包括粉末喷嘴20、粉末馈送管22和热源24。沉积工具14被配置成为增材制造机器的一部分，且可具有多个自由度(dof)(例如，3个dof、5个dof、6个dof)。工件18包括衬底26和第一层28。通过粉末馈送管22将金属粉末16馈送到粉末喷嘴20。金属粉末16可包括镍合金、钛合金、钛、铬合金、镍-铬合金(例如，因科镍合金(Inconel )718)、铝合金、不锈钢和钢。因科镍合金718是镍-铬合金的一个实例。金属粉末16离开粉末喷嘴20，并沉积在衬底26上。衬底26可为供金属粉末16粘附的金属或塑料构建平面。热源24使衬底26上的金属粉末16熔化，其在衬底26上形成熔池。熔池固化并最终成为第一层28。像本文所描述的任何其它层一样，第一层28是由金属粉末16形成的增材层。在后面的形成步骤中，第一层28充当衬底。通过沉积特定量的金属粉末16，如由计算机程序指导，沉积工具14能够构建具有指定厚度的第一层28。上文所述的形成第一层28的方法是粉末沉积或激光工程化净成形。本领域的技术人员将容易理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可使用其它增材制造技术来形成第一层28。

可用来形成第一层28的其它增材制造技术包括立体平版印刷技术、粉床技术和送丝技术。送丝技术可包括焊接和冷金属融合。为了使用立体平版印刷技术形成第一层28，将平台浸入感光聚合物树脂中。将紫外光定位在树脂上方并激活。在暴露于紫外光后，将暴露的树脂固化，从而产生具有所要厚度的固体层。可滚轧所述固体层。接着降低平台，并使新的树脂层固化，从而产生具有所要厚度的新层。

粉床方法是适合形成第一层28的另一增材制造技术。粉床方法使用搁置在平台之上的金属粉末床来形成第一层28。热源(例如激光或电子束)将金属粉末烧结或融合在平台上。融合的层成为第一层28。在形成第一层28之后，平台连同第一层28一起降低，且未融合的粉末填充到第一层28上的空隙中。接着烧结或融合所述粉末，以形成第二层。粉床方法对金属以及塑料、聚合物、复合物和陶瓷效果较好。送丝技术也适合形成第一层28。送丝技术与基于粉末的技术的不同之处在于将丝而不是金属粉末送入热源中，并使其熔化和固化以形成增材层。

图2B示出滚轧步骤12、工件18和深滚轧工具30。工件18包括衬底26和第一层28。深滚轧工具30包括工具固持件32和凸度滚子34。在滚轧步骤12中，第一层28由深滚轧工具30滚轧。如同沉积工具14一样，深滚轧工具30被配置成为增材制造机器的一部分，且可具有与沉积工具14相当的多个自由度。

在操作中，按压凸度滚子34，使其抵靠第一层28的表面，这在第一层28上产生压力或点接触负载。所述点接触负载可在第一层28中局部化，因为凸度滚子34可跨越第一层28的整个宽度，或第一层28的宽度的仅一部分。在其它实施方案中，凸度滚子34可将点接触负载仅应用于第一层28的选定区域。凸度滚子34施加到第一层28上的力的量可依据第一层28的所需机械特性而变化。力的量也将依据增材制造机器生产某一负载的能力而变化。举例来说，力的量可在从约2500 N到约7000 N的负载范围内。接着在第一层28的表面上平移凸度滚子34，同时将点接触负载施加到第一层28。基于凸度滚子34的几何形状，如下文进一步所述，第一层28上的压力或点接触负载针对给定负载将显著变化。

第一层28可被滚轧一次或多次。滚轧第一层28多次可有助于确保第一层28的均匀滚轧。以不同于第一层28的第二部分的压力来滚轧第一层28的第一部分也是可能的。因此，如下文进一步所述，可用比第一层28的另一部分高的硬度、不同的表面粗糙度或大体上更细化的显微结构来形成第一层28的部分。因此，通过滚轧第一层28，或工件18中的任一其它层多次或选择性地滚轧第一层28，或工件18中的任一其它层，控制第一层28的机械特性中的较大精度是可能的。可并行使用多个凸度滚子34，以同时滚轧第一层28的第一部分和第二部分。这可加速滚轧步骤12。

随着深滚轧工具30在第一层28的表面上平移，凸度滚子34将一些塑性给予第一层28，所述塑性随凸度滚子34所产生的点接触负载或压力而变。由于所述点接触负载，凸度滚子34局部穿透第一层28的表面。然而，点接触负载或压力并不更改第一层28的表面的横截面型面，或导致工件18中的压曲或块体变形。这是因为所使用的负载量通常小于滚轧成形工艺中所使用的那些负载，从而在正滚轧的整个零件中产生总体变形(例如，50,000 N到75,000 N)。穿透到第一层28中的水平可小于100微米。将了解，可针对不同类型的材料来控制和调整穿过第一层28的表面的水平。举例来说，如果第一层28由脆性材料组成或较薄(例如，2 mm)，那么可使用最小穿透。另一方面，如果第一层28由坚固材料组成或较厚，那么可使用较深的穿透。

图2C示出与图2A相同的部件，但另外包括第二层36。如相对于图2C所示，在已滚轧第一层28之后，可在形成步骤10’中将第二层36形成于第一层28之上。工艺可与形成步骤10相同，除了第一层28充当金属粉末16的衬底。第二层36可具有与第一层28相同的厚度，或可具有不同厚度。第二层36的沉积期间，第一层28中诱导的塑性与第一层28的后续重新加热的组合可有助于细化第一层28的显微结构。

图2D示出与图2B相同的部件，且示出滚轧步骤12’。在滚轧步骤12’中，第二层36由深滚轧工具30滚轧，深滚轧工具30将一些塑性给予第二层36。滚轧第二层36(或任何后续沉积的层)不会使第一层28(或任何先前沉积的层)显著变形。滚轧步骤12’的过程可与滚轧步骤12相同。可循序地重复额外的形成和滚轧步骤，以形成工件18。工件18由第一层28、第二层36和任何额外形成的层形成。另外，工件18包括衬底26。当不将进一步的层加到工件18时，产生成品部件。

图3示出深滚轧工具30的实施方案。深滚轧工具30包括工具固持件32和凸度滚子34。如上文所论述，深滚轧工具30被配置成为增材制造机器的一部分，且可具有多个自由度(dof)(例如，3个dof、5个dof、6个dof)，这允许深滚轧工具30用来滚轧具有复杂几何形状的产品。深滚轧工具30还可适于位于增材制造单元内的任何加工主轴。还可定制深滚轧工具30，以适合任何增材制造机器的承载能力。

图4示出凸度滚子34的实施方案。凸度滚子34具有大体上凸形型面，且包括尖端38。尖端38从凸度滚子34的中心突出。凸度滚子34的尖端38的几何形状可变化。举例来说，尖端38可包括具有从约1 mm到约5 mm的宽度的平坦部分。在一些实施方案中，尖端38可包括具有大于5 mm的宽度的平坦部分。在其它例子中，尖端38可包括具有不同半径(例如，从约0.25 mm到约3 mm)的圆形区域。因为尖端38的几何形状是可变的，因此其可适合高通过量滚轧，或适合滚轧精细或复杂结构。就是说，尖端38可相对较大，因此其可在第一层28的较多表面积上滚轧(即，高通过量)。如果需要较精细的滚轧，意味着将较大的点接触负载施加到第一层28的特定部分上，那么尖端38可较窄，或具有尖锐边缘或削钝。尖端38的可变几何形状还允许具有复杂几何形状的深滚轧增材制造产品，例如曲轴肩部上的凹表面。当深滚轧第一层28时，尖端38是凸度滚子34接触第一层28的唯一部分。

图5是示出滚轧步骤12的实施方案的示意图。图5示出凸度滚子34的尖端38、第一层28、第一边缘40和第二边缘42。第一边缘40和第二边缘42界定第一层28的宽度44。尖端38具有小于第一层28的宽度44的宽度46。如图5中所示，因为尖端38具有小于第一层28的宽度44的宽度46，所以可在宽度44上深滚轧第一层28的不同部分。在操作中，在第一边缘40附近，将尖端38应用于第一层28的一部分。如上文更全面地论述，所述部分被滚轧。接着将尖端38从第一层28的表面升高，并以某一裕量向上指向第二边缘42，且应用于第一层28的接着滚轧的另一部分。如图5中所示，如果尖端38的指向裕量是宽度46的二分之一，那么实现在第一层28上滚动的百分之五十重叠。本领域的技术人员将认识到，可使用此工艺来实现例如百分之25的其它重叠。重复此工艺，直到尖端38到达第二边缘42为止。以此方式滚轧第一层28可有助于在宽度44上产生大体上均匀的滚轧。此工艺也可应用于第二层36，以及任何后续沉积的增材层。

滚轧第一层28(或形成工件18的任何其它层)提供许多益处。常规增材制造技术通常导致具有拉伸残余应力的工件。残余应力是在应力的初始原因已去除之后留在固体材料中的应力。拉伸应力是导致膨胀的应力状态。通过增材制造形成的大多数层含有拉伸应力。在一些例子中，拉伸应力可为合乎需要的，但在许多例子中，此类应力是不合需要的。当尤其是通过熔化金属来形成增材层时， 拉伸应力囊可随着层中的不均匀分布而形成。这是因为被金属吸收的热量可导致沿所述层的局部化膨胀。当所述层冷却时，所述层的一些区域冷却，并比其它层收缩得多，这在所述层中留下不同的残余应力。因为增材制造中的趋向是产生拉伸应力，所以如果未经滚轧，那么第一层28中的残余应力为拉伸应力。

然而，如果第一层28被滚轧，以给予第一层28中的塑性，那么拉伸残余应力很大程度上被均匀的压缩残余应力代替。压缩应力本质上与拉伸应力相反，因为与导致膨胀的应力状态相反，此应力状态导致压缩和较稠密的显微结构。可在第一层28的整个深度上或仅到选定深度施加压缩残余应力。举例来说，如果第一层28具有深度1.5 mm，那么可施加压缩残余应力穿过第一层28的1 mm或穿过整个1.5 mm。除控制将残余应力施加到的深度之外，凸度滚子34可局部应用于第一层28的选定部分，以在所述选定部分中诱导指定量的压缩应力。压缩应力可为有益的，因为其可给予对金属疲劳以及某些形式的应力腐蚀的抵抗性。压缩残余应力还可有助于使第一层28硬化。随着第一层28硬化，其丧失延展性。如果某些拉伸残余应力囊是合乎需要的，那么可简单地通过不滚轧它们来将那些囊留在第一层28中。简而言之，第一层28的残余应力经受基于第一层28被滚轧的位置以及施加到其的点接触负载的量的较大控制。

使用深滚轧工具30来使第一层28硬化的特定益处在于可选择性地硬化第一层28的不同部分。因为用深滚轧工具30来硬化第一层28或任何其它层的特性是可预测的，所以构造最终产品的较大精度是可能的。举例来说，如果因科镍合金718构成第一层28，那么以(例如，通过深滚轧工具30)施加的约2000 N到约4000 N的力对所述层的维氏硬度测量可在从约270 kg/mm²到约425 kg/mm²的范围内。当工件18由多个层组成时，最外层具有最高硬度值，每一较深层具有减小的硬度梯度。这是因为每一层所暴露于的重新加热，当将另一层在其上方加到所述层时，所述层的硬度减小。因此最外层在滚轧之后未经受任何重新加热，因此其具有最高的硬度值。滚轧第一层28的又一益处在于滚轧可帮助去除第一层28所拥有的任何各向异性显微结构。各向异性是与方向有关的特性。如果没有滚轧，那么第一层28的机械特性包括某一程度的方向性。

图6是示出由衬底26和三个增材层组成的工件18的显微照片。不滚轧所沉积的层48和50。滚轧所沉积的层52。图6进一步示出具有定向显微结构的颗粒54，以及大体上无定向显微结构的颗粒54’。

沉积而不滚轧所沉积的层48和50。如从图6所见，颗粒54在构建方向(从衬底26向上)上大体上是细长的。颗粒54大体上在一个方向上的细长化导致所沉积的层48和50中的各向异性。因此，所沉积的层48和50的一个方向例如可比另一方向强20%。图6还示出被滚轧的所沉积层52。给予所沉积层52的塑性有助于大体上减少所沉积层52的各向异性显微结构，如可从颗粒54’的任何方向上缺乏细长化所看到。因此，所沉积层52的显微结构较大程度上各向同性，意味着所沉积层52的强度在每个方向上都粗略相同。

滚轧每一层的另一益处在于被滚轧层的表面粗糙度比被沉积且未被滚轧的层光滑。举例来说，如果第一层28由因科镍合金718形成，且被沉积但未被滚轧，那么表面粗糙度可在从约300 µin到约900 µin的范围内。然而，如果第一层28被滚轧以给予所述层塑性，那么表面粗糙度可改进到从约20 µin到约140 µin的范围。这为第一层28提供了光滑且均匀的表面(焦平面)，供第二层36形成于其上。这有助于减少第一层28与第二层36之间的缺陷的可能性。滚轧还有助于去除在第二层36的形成期间可能导致缺陷的松散烧结的微粒。第一层28的改进的表面粗糙度的又一益处在于其可有助于降低对工件18的后加工的要求。

可能实施方案的论述

以下是本发明的可能实施方案的非排它性描述。

除其它可能之外，用于形成部件的增材制造方法包括：在衬底上形成第一增材层；深滚轧所述第一增材层；以及在所述第一增材层上形成第二增材层。

另外和/或替代地，用于形成前一段落的部件的所述增材制造方法可任选地包括以下特征、配置和/或额外部件中的任何一个或多个：

可深滚轧第二增材层。

所述深滚轧步骤可包括局部化深滚轧。

深滚轧第一增材层和第二增材层中的至少一层可将残余应力施加到约1 mm到约1.5 mm的深度。

深滚轧第二增材层不会使第一增材层显著变形。

第一增材层和第二增材层中的至少一层可被深滚轧，以诱导所述增材层中的塑性。

形成增材层的步骤可选自由以下组成的群组：粉末沉积、激光工程化净成形、粉床方法、电子束方法、送丝技术及其组合。

所述形成步骤和所述滚轧步骤可循序执行。

增材可选自由以下组成的群组：镍合金、钛合金、钛、铬合金、不锈钢、钢、铝合金、镍-铬合金及其组合。

因科镍合金718的层可具有在从270 kg/mm²到约425 kg/mm²的范围内的硬度。

第一层和第二层中的至少一层可被深滚轧，使得可显著减少任何各向异性显微结构。

第一增材层和第二增材层中的至少一层可被滚轧，使得其可具有在从约20 µin到约140 µin的范围内的表面粗糙度。

深滚轧第一增材层和第二增材层中的至少一层可细化所述层的显微结构。

第一增材层和第二增材层中的至少一层的第一部分可用与所述层的第二部分不同的压力来深滚轧，这可导致所述层的第一部分具有与所述层的第二部分不同的硬度。

第一增材层和第二增材层中的至少一层可被深滚轧，使得其可大体上无拉伸残余应力。

包括具有大体上凸形型面的凸度滚子的深滚轧工具可附接到工具固持器，且可用来深滚轧第一增材层和第二增材层中的至少一层。

凸度滚子可包括具有从约1 mm到约5 mm的宽度的平坦部分。

凸度滚子可包括具有从约1 mm到约5 mm的宽度的尖端。

可以在从约2500 N到约7000 N的范围内的负载下深滚轧第一增材层和第二增材层中的至少一层。

在衬底上形成增材层的步骤可包括：使金属粉末熔化；在衬底上形成已熔化的金属粉末的熔池；以及允许所述熔池固化，且其中滚轧步骤包括滚轧已固化的熔池。

根据所述的方法形成产品。

根据所述方法形成的产品可至少在第一层和第二层上被滚轧，使得任何各向异性显微结构显著减少。

根据所述方法形成的产品可具有第一被滚轧增材层和第二被滚轧增材层中的至少一个，使得其大体上无拉伸残余应力。

第一增材层和第二增材层中的至少一层可被深滚轧，以产生所述层上的重叠。

尽管已参阅示例性实施方案描述本发明，本领域技术人员应了解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以做出各种改变，并且等效物可替代本发明的各要素。另外，在不脱离本发明基本范围的情况下，可以做出许多修改以使具体的情况或材料适应于本发明的教导。因此，希望本发明不限于所公开的一个或多个特定实施方案，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (20)

1.一种用于形成部件的增材制造方法，所述方法包括：

在衬底上形成第一增材层；

深滚轧所述第一增材层；以及

在所述第一增材层上形成第二增材层，

其中，包括具有大体上凸形型面的凸度滚子的深滚轧工具附接到工具固持件，用来深滚轧所述第一增材层和第二增材层中的至少一层，并且

其中，所述凸度滚子包括尖端，所述尖端包括平坦部分。

2.如权利要求1所述的增材制造方法，其进一步包括以下步骤：

深滚轧所述第二增材层。

3.如权利要求1所述的增材制造方法，其中所述深滚轧步骤包括局部化深滚轧。

4.如权利要求1所述的增材制造方法，其中深滚轧所述第一增材层和第二增材层中的至少一层将残余应力施加到所述增材层中的1 mm到1.5 mm的深度。

5.如权利要求1所述的增材制造方法，其中深滚轧所述第二增材层不会使所述第一增材层显著变形。

6.如权利要求1所述的增材制造方法，其中深滚轧所述第一增材层和第二增材层中的至少一层，以诱导所述增材层中的塑性。

7.如权利要求1所述的增材制造方法，其中形成所述增材层的步骤选自由以下组成的群组：粉末沉积、激光工程化净成形、粉床方法、电子束方法、送丝技术及其组合。

8.如权利要求1所述的增材制造方法，其中所述形成步骤和所述深滚轧步骤是循序执行的。

9.如权利要求1所述的增材制造方法，其中所述增材选自由以下组成的群组：镍合金、钛合金、钛、铬合金、钢、铝合金及其组合。

10.如权利要求1所述的增材制造方法，其中所述增材选自由以下组成的群组：镍-铬合金、不锈钢及其组合。

11.如权利要求10所述的增材制造方法，其中所述增材为因科镍合金718，且因科镍合金718的层中的至少一个具有在从270 kg/mm²到425 kg/mm²的范围内的硬度。

12.如权利要求1所述的增材制造方法，其中深滚轧所述第一增材层和第二层中的至少一层，使得任何各向异性显微结构显著减少。

13.如权利要求1所述的增材制造方法，其中深滚轧所述第一增材层和第二增材层中的至少一层，使得其具有在从20 µin到140 µin的范围内的表面粗糙度。

14.如权利要求1所述的增材制造方法，其中深滚轧所述第一增材层和第二增材层中的至少一层细化了所述层的显微结构。

15.如权利要求1所述的增材制造方法，其中所述增材的所述第一层和第二层中的至少一层的第一部分以与所述至少一层的第二部分不同的压力来深滚轧，从而导致所述第一部分具有不同于所述第二部分的硬度。

16.如权利要求1所述的增材制造方法，其中深滚轧所述第一增材层和第二增材层中的至少一层，使得其大体上无拉伸残余应力。

17.如权利要求1所述的增材制造方法，其中所述尖端具有从1 mm到5 mm的宽度。

18.如权利要求1所述的增材制造方法，其中在从2500 N到7000 N的范围内的负载下深滚轧所述第一增材层和第二增材层中的至少一层。

19.如权利要求1所述的增材制造方法，其中在衬底上形成所述第一增材层和第二增材层中的至少一层的步骤包括：

使金属粉末熔化；以及

在所述衬底上形成所述已熔化的金属粉末的熔池，且允许所述熔池固化，其中所述滚轧步骤包括滚轧所述已固化的熔池。

20.如权利要求1所述的增材制造方法，其中深滚轧所述第一增材层和第二增材层中的至少一层，以产生所述层上的深滚轧部分的重叠。

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