CN106041072B - 使用悬浮在液体载体中的填充材料的激光增材制造 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及使用悬浮在液体载体中的填充材料的激光增材制造。公开了一种方法，包括：使具有金属颗粒（16）的供应（14）的液体载体介质（12）跨衬底（10）的表面（20）流动；引导能量束（30）朝向该表面通过流动的液体载体介质；以及用能量束将液体载体介质中的金属颗粒中的至少一些加热以形成被结合到衬底表面并被液体载体介质覆盖的金属沉积（32）。
Description
技术领域
本发明涉及引导能量束通过液体载体介质以将悬浮的金属颗粒加热并在衬底上形成沉积的增材（additive）制造过程。
背景技术
使用商业系统通过金属颗粒的选择性激光烧结（SLS）或选择性激光熔化（SLM）进行的激光增材制造通常涉及到几个步骤，包括：
在要构建的金属表面上涂敷薄层的金属粉末的涂层；
对该部分的薄片的预编程图案进行激光处理以使粉末烧结或熔化，从而将该薄片粘附到底层衬底；
使该部分降低到金属粉末的床层中；
在先前已处理的表面上涂敷另一薄层的金属粉末；以及
重复激光处理、降低以及涂敷步骤直至增材性地构建部件为止。
此过程通常是在充满干燥氩气的室中执行以保护激光烧结/熔化过程免受氧化并保护粉末免受水合作用。降低步骤是使用垂直驱动执行的。涂敷步骤是使用水平涂覆工具（wiper）机构执行的。在这两个机械步骤期间，激光处理停止。
这种技术的主要限制是处理速度缓慢。激光器可以相对快速地处理给定层，但是当部件被降低时以及当部件被涂敷时，激光器必须去激活。涂敷在所有已知SLS/SLM设备中都利用相对缓慢的机械涂覆工具。因此，在本领域中仍存在改进的空间。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供了一种方法，所述方法包括：
使包括金属颗粒供应的液体载体介质跨衬底的表面流动；
引导能量束朝向该表面通过流动的液体载体介质；以及
用能量束将液体载体介质中的金属颗粒中的至少一些加热以形成被结合到衬底表面并被液体载体介质覆盖的金属沉积。
在一个实施例中，液体载体介质和金属颗粒供应形成胶态悬浮体。
在一个实施例中，所述方法进一步包括：所述加热步骤还包括形成多孔且包括烧结金属颗粒的金属沉积。
在一个实施例中，所述方法进一步包括：所述加热步骤还包括形成包括金属颗粒的熔池，并将该熔池冷却成金属沉积。
在一个实施例中，所述方法进一步包括：在同时地形成金属沉积时将衬底升起或降低。
在一个实施例中，所述金属颗粒悬浮在液体载体介质中，该方法还包括搅拌液体载体介质，因此金属颗粒保持悬浮。
在一个实施例中，所述方法进一步包括：将高温光学导管的末端浸没在液体载体介质中并引导能量束从高温光学导管的浸没末端出来并朝向所述表面以将金属颗粒中的至少一些加热。
在一个实施例中，所述液体载体介质包括助熔剂。
在一个实施例中，所述金属颗粒被涂敷与金属颗粒的材料相比不那么可溶于液体载体介质中的涂层材料。
在一个实施例中，所述金属颗粒被涂敷比金属颗粒的材料更容易从能量束吸收能量的涂层材料。
在一个实施例中，所述液体载体介质的特征在于在金属颗粒的熔化温度之上的沸点温度。
在一个实施例中，所述方法进一步包括：将衬底和液体载体介质中的至少一个加热到足以将液体载体介质保持在液态。
在一个实施例中，所述液体载体介质选自包括以下各项的组：氟化物、NaK、CdTe、Ge、BK7肖特玻璃、LiF、MgF2、KBr、TlBr-TlI、ZnSe、ZnS、NaCL、KCL及其他盐类。
在一个实施例中，所述金属颗粒包括镍基合金或超级合金。
在一个实施例中，本发明还提供了一种方法，包括：
（a）将衬底浸没在跨衬底循环的液体载体介质内，该液体载体介质包括金属颗粒供应；（b）用至少一个能量束通过循环液体载体介质将金属颗粒中的至少一些加热以形成熔池，该熔池包括设置在衬底的表面上并被浸没于循环液体载体介质中的熔融金属颗粒；以及（c）将循环液体载体介质内的熔池冷却以形成被结合到衬底并浸没于循环液体载体介质中的金属沉积。
在一个实施例中，所述方法进一步包括：在执行步骤（b）的同时将衬底升起或降低。
在一个实施例中，所述方法进一步包括以下各项中的至少一个：
至少周期性地补充金属颗粒供应；
搅拌液体载体介质，因此金属颗粒保持悬浮在液体载体介质中；
将液体载体介质和衬底中的至少一个加热以将液体载体介质保持在液态；以及
将过热液体载体介质冷却。
在一个实施例中，本发明还提供了一种方法，包括：
跨衬底的表面覆盖在液体载体介质中包括悬浮金属颗粒供应的混合物；
用能量束将金属颗粒中的至少一些加热以在被液体载体介质覆盖的衬底的表面上形成金属沉积。
在一个实施例中，所述方法进一步包括：控制所述加热以形成多孔且包括烧结金属颗粒的金属沉积。
在一个实施例中，所述方法进一步包括：控制所述加热以形成包括加热金属颗粒的熔池，并将该熔池冷却而形成金属沉积。
附图说明
在以下描述中鉴于附图来解释本发明，所述附图示出了：
图1是增材制造过程的示例性实施例的示意图。
图2是增材制造过程的替换示例性实施例的示意图。
图3是增材制造过程的替换示例性实施例的示意图。
图4-5是增材制造过程的替换示例性实施例的示意图。
具体实施方式
本发明人在本文中公开了一种连续的增材制造过程，该制造过程减少和/或消除已知选择性激光烧结和选择性激光熔化过程的激光处理的中断。在本文公开的创新过程中，不再间断地施加金属粉末，而是替代地经由液体载体介质在衬底的工作表面上的连续流而连续地输送到激光处理部位。该流载送悬浮在其中的金属颗粒的供应。液体载体介质和金属颗粒可形成悬浮体或胶体（也称为胶态悬浮体）。激光束被引导通过液体载体介质并朝向衬底。激光束遭遇金属颗粒并将其加热。被加热的金属颗粒在衬底的表面上凝聚，在那里形成金属沉积。控制能量的量，使得该金属沉积可以是多孔的，并且包括烧结金属颗粒。替换地，激光束可将金属颗粒熔化而形成凝固成金属沉积的焊池。所述流确保金属颗粒的持续供应，并且这允许不中断的激光处理。可根据需要相对容易地将支撑衬底的平台降低和/或升起，因为其被浸没在液体载体介质中，与粉末床层相反。此升起和/或降低可在激光处理期间发生。例如，激光处理在降低期间可继续以形成下一金属沉积的开头。不同于现有技术，部件的各部分可在处理平面之上延伸，因为并未涉及到将引起与此类延伸的干扰的机械涂覆工具机构。
图1示意性地图示出增材制造过程的示例性实施例。衬底10被浸没在载送金属颗粒16的供应14的液体载体介质12中。液体载体介质12可保持金属颗粒16，使得两者形成悬浮体或胶态悬浮体18。悬浮体被视为在其中具有足够大用于沉淀的悬浮颗粒的液体载体介质12的混合物。胶态悬浮体被视为在其中具有不沉淀的悬浮颗粒的液体载体介质12的混合物。可使用悬浮体或胶态悬浮体。如果使用悬浮体，则必须保持该悬浮体以确保颗粒保持悬浮，诸如通过搅拌/混合。液体载体介质12在流动方向22上跨衬底10的表面20流动（例如成片流动（sheets））。第一能量束30（例如激光束）被引导朝向衬底表面20通过液体载体介质12。第一激光束30遭遇供应14中的金属颗粒16。金属颗粒16从第一激光束30吸收能量，凝聚，并在衬底表面20上形成第一金属沉积32。
由第一激光束30输送的能量的量受控，因此金属颗粒16被加热而不是熔化。结果产生的第一金属沉积32具有多孔的烧结结构。替换地，金属颗粒16可熔化而形成凝固成第一金属沉积32的第一熔池34。在所示的示例性实施例中，第一熔池34从左向右在第一熔池方向36上穿过衬底表面20。第一熔池方向36自然地与第一激光方向38一致。第一激光束30可聚焦在衬底表面20上面或直接地在其之上，使得在该区域之上的金属颗粒16未被同样地加热，而接近于衬底表面30的那些被充分地加热。
虽然所示的流动方向22和第一熔池方向36彼此相反，但这并不是必要条件。第一流动方向可由于处理装置（未示出）的构造而相对于衬底10保持相对恒定。替换地，第一流动方向可改变。第一熔池34可相对于流动方向22在变化的方向上移动而形成第一金属沉积32。熔池定义熔池前沿42和熔池后沿44，其进而是金属沉积前沿46（也称为凝固前沿（freeze front））。可用处理程序本身来促进流动方向22。亦即，由于金属颗粒16被烧结或熔化而形成沉积32，不久之后可通过微粒的搅拌或到耗尽区的布朗运动而对悬浮体或胶态悬浮体18中的金属颗粒浓度方面的局部化和瞬间耗尽进行矫正（再供应）。
在第一金属沉积32的加热和形成期间，熔池表面50和金属沉积表面52保持在液体载体介质表面54下面。在一些示例性实施例中，液体载体介质12并未直接地邻近于其中激光束30将金属颗粒16加热并形成第一金属沉积32的地方而在第一工作区56中局部地挥发。在这种情况下，第一熔池34和第一金属沉积32仍完全浸没在液体载体介质12中。替换地，液体载体介质12可局部地挥发。这可导致第一工作区56中的液体载体介质12中的相对强烈但短暂的扰动和第一熔池34到液体载体介质表面54之上的气氛60的短暂暴露。随着第一工作区56遍历，液体载体介质12将再次地在第一熔池34和第一金属沉积32上方沉淀。液体载体介质12的表面张力和第一熔池34的表面张力将合作以随着熔池表面50冷却且凝固成第一金属沉积32而使其光滑。
随着金属颗粒16形成第一金属沉积32，供应14被耗尽，在液体载体介质12中留下耗尽区62。在示例性实施例中，可经由金属颗粒16的源64来补充供应14。可存在超过一个的源64，并且其可位于被认为适当的任何位置处，诸如在所有工作区上游（相对于流动方向22）、在工作区之间、在工作区下游和/或其任何组合。一旦第一激光束30已完成其针对第一金属沉积32的处理，衬底10可被降低，并且另一金属沉积的处理开始。在示例性实施例中，降低是连续而不是递增的。也就是说，胜于简单地将激光方向编程为处理所述部分的二维薄片（如采用传统SLS和SLM），激光器被编程为也在垂直方向上构建。其简单示例将是构建垂直轴的管（tube）。胜于一个在另一个上面堆叠的圆形薄片的递增处理，激光器将以螺旋方式连续地处理管壁。在这种示例性实施例中，金属沉积可从开始不间断地继续直至期望的部件完成为止。替换地，激光处理可停止至衬底10被降低为止。此过程可重复需要的那么多次以形成部件。衬底10可根据期望在激光处理之前、期间和/或之后降低和/或升起。激光处理和升起和/或降低可以是连续的和/或同时的。
在所示的示例性实施例中，存在第二能量束70，诸如将金属颗粒16加热的激光束，其在第二工作区72中并在相对于第二金属沉积76而言现在是衬底的第一金属沉积32之上形成第二熔池74和第二金属沉积76。第二激光束70在可与第一激光束方向38一致也可不一致的第二激光束方向78上移动。第二金属沉积76的形成在液体载体介质12中形成另一耗尽区62，该耗尽区在液体载体介质12被再循环并再次地在衬底10上通过的情况下可被补充。激光束可同时地和/或连续地进行处理，并且一个可产生烧结金属沉积，而另一个可产生然后形成相应金属沉积的熔池。可存在任何数目的激光束，并且其可以任何组合的方式烧结或熔化沉积。
可选择液体载体介质12，使得随着液体载体介质在衬底10之上流动，液体载体介质处于液态（即，液体载体介质12可以是在金属颗粒16和衬底10的熔化温度以下的液体）。还可将其选择成透射第一激光束30并具有在金属颗粒16的熔化温度以上的沸点温度。该沸点温度可充分地在金属颗粒16的熔化温度之上，从而使得液体载体介质12能够在金属颗粒16的加热和金属沉积的形成期间保持为液体（即不挥发）。替换地，液体载体介质12可透射第一激光束30，但是可在金属颗粒的加热和/或金属沉积的形成期间完全地和/或部分地局部挥发。在此类实施例中，液体载体介质12将在处于工作区外面时简单地冷凝。替换地和/或另外，可将气氛60加压以将液体载体介质12的沸点温度增加至期望的水平。
替换地，液体载体介质12可以较少透射、直至且包括完全不透第一激光束30。在此类示例性实施例中，能量束将使工作区内的液体载体介质12挥发。以这种方式，液体载体介质12本质上向工作区输送金属颗粒16，这时，液体载体介质12经由激光束与金属颗粒16分离（蒸发掉），并且在工作区内，金属颗粒16被处理而形成金属沉积。在工作区外面，液体载体介质12继续流经衬底10并向工作区输送金属颗粒16。
可选择液体载体介质12，使得其以预定方式控制被浸没的熔池的冷却速率，从而优化结果产生的金属沉积的结构。例如，液体载体介质12可以是热绝缘的，使得沉积的冷却在很大程度上由热到底层衬底的传导实现。此类单轴冷却可以促进定向凝固和关联的颗粒结构。还可将其选择成是或包括其他组分以执行熔融功能，诸如清洁杂质的熔池等。例如，在电弧炉实践中，在电荷的融入之后，引入石灰（CaO）以提供将降低熔融物的硫水平的熔渣。因此，CaO是此类清洁组分的一个示例。在此类示例性实施例中，形成的任何熔渣可随着液体载体介质12漂走。
用于液体载体介质12的适当材料的非限制性示例包括光学材料、熔融盐类、钠钾（从-12.6℃至785℃的NaK液体）以及水。光学材料的非限制性示例包括：
CdTe (m.p. = 1092℃；透射度 @ 室温达到 1.06 µ = 58%)；
Ge (m.p. = 937℃；透射度 @ 室温达到1.06 µ = 15%)；
BK7 肖特玻璃（Schott Glass） (m.p. = 559℃；透射度 @ 室温达到1.06 µ =92%)；
LiF (m.p. = 870℃；透射度 @ 室温达到1.06 µ = 93%)；
MgF2 (m.p. = 1255℃；透射度 @ 室温达到 1.06 µ = 97%)；
KBr (m.p. = 728℃；透射度 @ 室温达到 1.06 µ = 93%)；
TlBr-Tll – 溴碘化铊（Thallium Bronoiodide） (m.p. = 414.5℃；透射度 @ 室温达到1.06 µ = 72%)；
ZnSe (m.p. = n.a.；透射度 @ 室温达到1.06 µ = 62%)；
ZnS (m.p. = n.a.；透射度 @ 室温达到1.06 µ = 66%)；
NaCl (m.p. = 801℃；透射度从 0.4 µ至10 µ >90%)；以及
KCl (m.p. = 776℃；透射度从0.4 µ至10 µ >90%)。
金属颗粒16在尺寸方面可在从约20微米至几毫米的范围内。在非限制性示例性实施例中，金属颗粒16可以是镍基合金或镍基超级合金，并且可以与衬底10的组成相同或不同。金属颗粒16可涂敷与金属颗粒16的材料相比不那么可溶于液体载体介质12的涂层材料。金属颗粒16可涂敷比金属颗粒16的材料更容易地从第一激光束30吸收能量的涂敷材料。金属颗粒16可涂敷在熔池中充当助熔剂的涂层材料。高度吸收性的涂层材料的示例是石墨。充当助熔剂的涂层可以是诸如氧化铝、硅石、或氧化钙之类的氧化物或诸如氟化钙、钠或锂之类的氟化物。
图2示意性地图示出处理装置90，其具有被配置成包含液体载体介质12并跨衬底表面20输送液体载体介质12的流的室92。衬底10位于可以经由轴96根据期望上升和/或下降的平台94上。可在液体载体介质预先混合器100中产生液体载体介质12，输送到液体载体介质储器102，并经由再循环泵104而向和从室92进行循环。再循环泵104可经由输送管108和回流管110与室92进行流体连通。可使用加热器112来将液体载体介质12加热。可使用冷却器114来将液体载体介质12冷却，如果其变得过热的话。可使用过滤器116来过滤液体载体介质12，并且可使用混合器120来将液体载体介质12混合并保持金属颗粒16处于悬浮中。可使用传感器118来监视金属颗粒16的浓度并向液体载体介质预先混合器100和液体载体介质储器102提供反馈以进行改变以保持浓度或者在期望的情况下增加或减小浓度。
在所示的示例性实施例中，使用能量束装置130来产生第一激光束30和第二激光束70。可在能量束装置130内单独地产生两个激光束，或者可在能量束装置130与衬底10之间放置可选掩模132以阻挡任何不期望的激光能量134。能量束装置130可以是例如二极管激光器、来自盘形或纤维激光源的扫描设备或者适合于SLS或SLM过程的任何其他适当类型的能量束形成装置。
图3示意性地图示出本文公开的增材制造过程的替换示例性实施例，其中，液体载体介质12的特征在于液体载体介质表面54处的不透明层140。不透明层140可在液体载体介质120与覆盖液体载体介质12的气氛60相互作用时形成。在不透明层140下面，液体载体介质12可保持相对透射第一激光束30。在此类示例性实施例中，可使用光学工具142。光学工具142的浸没末端144可位于不透明层140下面并被用来在不透明层140下面向衬底表面20输送第一激光束30。光学工具142可以是通过其中传导激光的中空难熔金属（例如钨、钼、钽等）。替换地，光学工具142可具有光学透射芯。仍替换地，可以不需要此类光学工具。亦即，激光能量可以局部地使不透明层挥发，从而提供用于激光能量到达底层悬浮体或胶态悬浮体18的无障碍路径，并在衬底10上有效地进行处理。
如果认为图3的布置是不期望的，作为使用光学工具142的替代，可将气氛60选择成包括与液体载体介质12不相容的化学组成，并且因此不产生不透明层140。诸如氩气或氦气之类的真空或惰性气氛在避免此类不透明层140中是特别有利的。替换地，可以使用比空气重的诸如氩气之类的气体作为气氛60与液体载体介质表面54之间的惰性气体层以保护液体载体介质表面54。
图4和5示意性地描绘了其中激光处理能够从部件的开始到完成持续不停地使熔池146移动的情况。所示的衬底10在形状方面是圆筒形的，并且具有倾斜的衬底表面20。这允许将金属沉积148连续地形成为螺旋，使得随着第一激光束30穿过，衬底10连续地降低。可使用其他沉积形状，并且可改变第一激光束30的穿过速率以改变金属沉积148的厚度。例如，作为形成恒定的螺旋形状的替代，激光束可以沿着路径开始金属沉积148并穿过衬底表面20直至其产生其自己到金属沉积148的开头的路线为止。第一激光束30可以简单地继续在金属沉积148的开头处的梯级（step）之上穿过并继续。结果产生的金属沉积148将是连续的，每当其在金属沉积148的开头之上穿过时上升一个梯级。还可以通过在沉积开始时使厚度匀变来一起避免梯级。可使用上述教导的任何组合来以对激光处理的少至零次中断来完成部件。
应显而易见的是悬浮体或胶态悬浮体18在所有处理期间提供衬底10的非常彻底的覆盖。亦即，即使在其中金属沉积可能已凝固但仍然热且如果被暴露于气氛的话潜在地具有反应性的处理的尾迹中，悬浮体也完全覆盖仍然热的金属沉积。同样地，如果被预先加热，悬浮体或胶态悬浮体18提供衬底10的预热，并减慢从在处理的点/面处实现的烧结或熔化温度冷却下来的速率。
根据前述内容，可以看到本发明人已发明了一种用于增材制造的创新方法，其通过用独有的材料输送方法来替换要求昂贵设备和缓慢的生产速率的步骤而消除了这样的步骤。本文公开的方法允许衬底材料的连续聚积，这减少循环时间和关联成本。此外，液体载体介质的使用可代表着安全方面的改进，因为其存在与在现有技术中使用的不可见屏蔽气体相比更容易检测。因此，这代表着本领域中的改进。
虽然在本文中已示出并描述了本发明的各种实施例，但将显而易见的是此类实施例仅仅是作为示例提供的。在不脱离本文中的发明的情况下可进行许多改变、变更和替换。因此，意图在于仅仅由所附权利要求的精神和范围来限制本发明。
Claims (20)
1.一种用于增材制造的方法，包括：
使包括金属颗粒供应的液体载体介质跨衬底的表面流动；
引导能量束朝向该表面通过流动的液体载体介质；以及
用能量束将液体载体介质中的金属颗粒中的至少一些加热以形成被结合到衬底表面并被液体载体介质覆盖的金属沉积。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，液体载体介质和金属颗粒供应形成胶态悬浮体。
3.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述加热步骤还包括形成多孔且包括烧结金属颗粒的金属沉积。
4.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述加热步骤还包括形成包括金属颗粒的熔池，并将该熔池冷却成金属沉积。
5.根据权利要求1所述的方法，
还包括在同时地形成金属沉积时将衬底升起或降低。
6.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述金属颗粒悬浮在液体载体介质中，该方法还包括搅拌液体载体介质，因此金属颗粒保持悬浮。
7.根据权利要求1所述的方法，
还包括将高温光学导管的末端浸没在液体载体介质中并引导能量束从高温光学导管的浸没末端出来并朝向所述表面以将金属颗粒中的至少一些加热。
8.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述液体载体介质包括助熔剂。
9.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述金属颗粒被涂敷与金属颗粒的材料相比不那么可溶于液体载体介质中的涂层材料。
10.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述金属颗粒被涂敷比金属颗粒的材料更容易从能量束吸收能量的涂层材料。
11.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述液体载体介质的特征在于具有在金属颗粒的熔化温度之上的沸点温度。
12.根据权利要求1所述的方法，
还包括将衬底和液体载体介质中的至少一个加热到足以将液体载体介质保持在液态。
13.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述液体载体介质选自包括以下各项的组中的一个：NaK、CdTe、Ge、BK7肖特玻璃、LiF、MgF2、KBr、TlBr-TlI、ZnSe、ZnS、NaCl、KCl。
14.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述金属颗粒包括镍基合金或镍基超级合金。
15.一种用于增材制造的方法，包括：
（a）将衬底浸没在跨衬底循环的液体载体介质内，该液体载体介质包括金属颗粒供应；
（b）用至少一个能量束通过循环液体载体介质将金属颗粒中的至少一些加热以形成熔池，该熔池包括设置在衬底的表面上并被浸没于循环液体载体介质中的熔融金属颗粒；以及
（c）将循环液体载体介质内的熔池冷却以形成被结合到衬底并浸没于循环液体载体介质中的金属沉积。
16.根据权利要求15所述的方法，
还包括在执行步骤（b）的同时将衬底升起或降低。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括以下各项中的至少一个：
至少周期性地补充金属颗粒供应；
搅拌液体载体介质，因此金属颗粒保持悬浮在液体载体介质中；
将液体载体介质和衬底中的至少一个加热以将液体载体介质保持在液态；以及
将过热液体载体介质冷却。
18.一种用于增材制造的方法，包括：
跨衬底的表面覆盖在液体载体介质中包括悬浮金属颗粒供应的混合物；
用能量束将金属颗粒中的至少一些加热以在被液体载体介质覆盖的衬底的表面上形成金属沉积。
19.根据权利要求18所述的方法，
还包括控制所述加热以形成多孔且包括烧结金属颗粒的金属沉积。
20.根据权利要求18所述的方法，
还包括控制所述加热以形成包括加热金属颗粒的熔池，并将该熔池冷却而形成金属沉积。
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