CN109070224A - 多组分合金产品，以及其制造和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于增材制造、焊接和熔覆的新金属粉末、线材和其它实体形式，以及由此类金属粉末、线材和形式通过增材制造、焊接和熔覆制成的多组分合金产品。所述金属粉末、线材或形式的组成和/或物理特性可以定制。继而可以利用增材制造、焊接和熔覆来制造定制的多组分合金产品。

Description

多组分合金产品，以及其制造和使用方法
技术领域
背景技术
合金系统通常根据主要元素(即，主体元素，如铁、铝、镍及钛，例如，其中一种元素是主要元素，而其它元素是微量元素)分类。举例来说，钢主要由铁制成，而铝合金主要由铝制成。青铜主要由铜和约12％锡组成。黄铜是含有锌的铜基合金。
发明内容
广泛地讲，本公开涉及金属粉末、线材和具有多种横截面形状的其它形式(例如拉长形式)，如挤出管和棒，其用于增材制造、焊接、熔覆和其它金属沉积技术；以及由此类材料制成(例如通过增材制造和/或焊接)的多组分合金产品。金属粉末或线材的组成和/或物理特性可以定制。增材制造又可以用于生产定制的多元合金产品材料。
如本文所用，“多组分合金产品”等是指具有金属基质的产品，其中至少有四种不同元素构成基质，并且其中多组分产品包含5-35at.％的所述至少四种元素。在一个实施例中，至少有五种不同元素构成基质，并且多组分产品包含5-35at.％的所述至少五种元素。在一个实施例中，至少有六种不同元素构成基质，并且多组分产品包含5-35at.％的所述至少六种元素。在一个实施例中，至少有七种不同元素构成基质，并且多组分产品包含5-35at.％的所述至少七种元素。在一个实施例中，至少有八种不同元素构成基质，并且多组分产品包含5-35at.％的所述至少八种元素。如下文所述，相对于多组分合金产品的基质，还可使用添加剂。
附图说明
图1是具有大体上均质微结构的增材制造产品(100)的示意性横截面图。
图2a至2d是由单金属粉末制成的增材制造产品的示意性横截面图，所述产品具有多金属相的第一基质区域(200)和第二区域(300)，其中图2b至2d相对于图2a中所示的原始增材制造产品已变形。
图3a至3f是增材制造产品的示意性横截面图，所述产品具有第一区域(400)和不同于第一区域的第二区域(500)，其中第一区域是由第一金属粉末制成且第二区域是由不同于第一金属粉末的第二金属粉末制成。
图4是说明一些潜在处理操作的流程图，所述处理操作可以针对增材制造的多组分合金产品完成。尽管溶解(20)、处理(30)和沉淀(40)步骤按照串联示出，但所述步骤可以按照任何适用的次序完成。
图5a是利用电子束增材制造法生产多组分合金主体的一个实施例的示意图。
图5b说明适用于图5a的电子束实施例的线材的一个实施例，所述线材具有外部管部分和外部管部分内所含的大量颗粒。
图5c至5f说明适用于图5a的电子束实施例和/或其它焊接装备的线材实施例，所述线材具有细长的外部管部分和至少一个第二细长内部管部分。图5c和5e是线材的示意性侧视图，且图5d和5f分别是图5c和5e的线材的示意性俯视图。
图5g说明适用于图5a的电子束实施例的线材的一个实施例，所述线材具有至少第一和第二纤维，其中第一和第二纤维具有不同的组成。
图5h至5m说明线材的实施例，其适用于通过图5a的电子束实施例和/或其它焊接装备生产多组分合金产品。
图6a是使用胶头的粉末床增材制造系统的一个实施例的示意图。
图6b是使用激光的粉末床增材制造系统的另一个实施例的示意图。
图6c是使用多个粉末进料供应器和激光的粉末床增材制造系统的另一个实施例的示意图。
图7是使用多个粉末进料供应器生产定制的金属粉末掺混料的粉末床增材制造系统的另一个实施例的示意图。
具体实施方式
如上文所提及，本公开涉及金属粉末、线材和具有多种横截面形状的其它形式(例如拉长形式)，如挤出管和棒，其用于增材制造、焊接、熔覆和其它金属沉积技术；以及由此类材料制成(例如通过增材制造和/或焊接)的多组分合金产品。金属粉末或线材的组成和/或物理特性可以定制。增材制造又可以用于生产定制的多元合金产品材料。
多组分合金(“MCA”)新产品通常利用如下方法制成：促进粉末或线材选择性加热到高于待形成的特定多组分合金产品的液相线温度的温度，由此形成熔池，随后使熔池快速凝固。快速凝固有助于维持固溶体中的各种合金化元素。在一个实施例中，多组分合金新产品是通过增材制造技术制成。增材制造技术有助于将粉末或线材选择性加热到高于特定多组分合金的液相线温度，由此形成熔池，随后使熔池快速凝固。
如本文所用，“增材制造”是指一种利用3D模型数据使材料接合而制得物品的方法(通常是一层又一层)，与之相反是减材制造方法，如标题为“增材制造技术标准术语(Standard Terminology for Additively Manufacturing Technologies)”的ASTMF2792-12a中所定义。本文所述的多组分合金产品可以通过这个ASTM标准中所述的任何适当增材制造技术制造，如粘结剂喷涂、定向能沉积、材料挤出、材料喷涂、粉末床熔融或片材层压等等。在一个实施例中，增材制造方法包括沉积一种或多种粉末的连续层，然后选择性地熔融和/或烧结所述粉末以逐层建立多组分合金产品。在一个实施例中，增材制造方法使用选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔融(SLM)和电子束熔融(EBM)等中的一种或多种。在一个实施例中，增材制造方法使用获自EOS有限公司(Robert-Stirling-Ring 1，82152Krailling/德国慕尼黑)的EOSINT M 280直接金属激光烧结(DMLS)增材制造系统，或类似的系统。
在一个实施例中，方法包含(a)将粉末分散于床中；(b)将所述粉末的一部分选择性地加热(例如通过激光)到高于待形成的特定多组分合金产品的液相线温度的温度；(c)形成熔池和(d)使熔池按照至少1000℃/秒的冷却速率冷却。在一个实施例中，冷却速率是至少10,000℃/秒。在另一个实施例中，冷却速率是至少100,000℃/秒。在另一个实施例中，冷却速率是至少1,000,000℃/秒。步骤(a)-(d)可以根据需要重复进行，直至多组分合金产品完成为止。
如本文所用，“金属粉末”是指一种包含多个金属颗粒、任选地含有一些非金属颗粒的材料。金属粉末中的金属颗粒可以是类型完全相同的金属颗粒，或可以是金属颗粒任选地与非金属颗粒的掺混料，如下文所述。金属粉末中的金属颗粒可以具有预先选定的物理特性和/或预先选定的组成，从而促进定制的多组分合金产品的生产。金属粉末可以用于金属粉末床中以通过增材制造来生产定制的多组分合金产品。类似地，金属粉末中的任何非金属颗粒可以具有预先选定的物理特性和/或预先选定的组成，从而促进定制的多组分合金产品的生产。非金属粉末可以用于金属粉末床中以通过增材制造来生产定制的多组分合金产品。
如本文所用，“金属颗粒”是指包含至少一种金属的颗粒。金属颗粒可以是单金属颗粒、多金属颗粒，和金属-非金属(M-NM)颗粒，如下文所述。金属颗粒可以通过例如气体雾化来制成。
如本文所用，“颗粒”是指一种微小片段物，其尺寸适用于粉末床的粉末(例如5微米到100微米的尺寸)。颗粒可以通过例如气体雾化来制成。
出于本专利申请的目的，“金属”是以下元素之一：铝(Al)、硅(Si)、锂(Li)、碱土金属中的任何适用元素、过渡金属中的任何适用元素、后过渡金属中的任何适用元素，和稀土元素中的任何适用元素。
如本文所用，碱土金属中的适用元素是铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)和锶(Sr)。
如本文所用，过渡金属中的适用元素是下表1中所示的任何金属。
表1-过渡金属
族 4 5 6 7 8 9 10 11 12
第4周期 Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
第5周期 Zr Nb Mo Ru Rh Pd Ag
第6周期 Hf Ta W Re Pt Au
如本文所用，后过渡金属中的适用元素是下表2中所示的任何金属。
表2-后过渡金属
族 13 14 15
第4周期 Ga Ge
第5周期 In Sn
第6周期 Pb Bi
如本文所用，稀土元素中的适用元素是钪、钇，和十五种镧系元素中的任一种。镧系元素是原子序数57到71、从镧到镥的十五种金属化学元素。
如本文所用，非金属颗粒是基本上不含金属的颗粒。如本文所用，“基本上不含金属”是指颗粒不包括任何金属，除非其作为杂质存在。非金属颗粒包括例如氮化硼(BN)和碳化硼(BC)颗粒、碳基聚合物颗粒(例如短链或长链烃(支链或非支链))、碳纳米管颗粒，以及石墨烯颗粒等。非金属材料也可以呈非微粒形式，以有助于多组分合金产品的生产或完成。
在一个实施例中，金属粉末中的至少一些金属颗粒主要由单金属(“单金属颗粒”)组成。单金属颗粒基本上可以由适用于生产多组分合金的任一种金属组成，如上文所定义的任一种金属。
在另一个实施例中，金属粉末中的至少一些金属颗粒包括多种金属(“多金属颗粒”)。举例来说，多金属颗粒可以包含上述金属定义中所列的任何金属中的两种或更多种。
在一个实施例中，金属粉末中的至少一些金属颗粒是金属-非金属(M-NM)颗粒。金属-非金属(M-NM)颗粒包括至少一种金属和至少一种非金属。非金属元素的实例包括氧、碳、氮和硼。M-NM颗粒的实例包括金属氧化物颗粒(例如Al2O3)、金属碳化物颗粒(例如TiC、SiC)、金属氮化物颗粒(例如Si3N4)、金属硼化物(例如TiB2)，及其组合。
金属粉末中的金属颗粒和/或非金属颗粒可以具有定制的物理特性。举例来说，粉末的粒度、粒度分布和/或颗粒形状可以预先选定。在一个实施例中，至少一些颗粒的一种或多种物理特性被定制，以便控制以下中的至少一种：金属粉末的密度(例如容积密度和/或敲紧密度)、流动性，和/或金属粉末床的空隙体积百分比(例如金属粉末床的孔隙率百分比)。举例来说，通过调节颗粒的粒度分布，可以限制粉末床中的空隙，从而降低粉末床的空隙体积百分比。继而可以制成实际密度接近于理论密度的多组分合金产品。就此而言，金属粉末可以包含具有不同尺寸分布的粉末的掺混料。举例来说，金属粉末可以包含具有第一粒度分布的第一金属粉末和具有第二粒度分布的第二金属粉末的掺混料，其中所述第一和第二粒度分布是不同的。金属粉末可以进一步包含具有第三粒度分布的第三金属粉末、具有第四粒度分布的第四金属粉末等等。因此，尺寸分布特征，如中值粒度、平均粒度和粒度标准差等，可以通过将具有不同粒度分布的不同金属粉末掺混来定制。在一个实施例中，最终的多组分合金产品实现了产品理论密度的98％范围内的密度。在一个实施例中，最终的多组分合金产品实现了产品理论密度的98.5％范围内的密度。在又另一个实施例中，最终的多组分合金产品实现了产品理论密度的99.0％范围内的密度。在另一个实施例中，最终的多组分合金产品实现了产品理论密度的99.5％范围内的密度。在又另一个实施例中，最终的多组分合金产品实现了产品理论密度的99.7％或更高范围内的密度。
金属粉末可以包含单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒和/或非金属颗粒的任何组合，以生产定制的多组分合金产品，其任选地具有预先选定的任何物理特性。举例来说，金属粉末可以包含第一类型的金属颗粒与第二类型的颗粒(金属或非金属)的掺混料，其中第一类型的金属颗粒类型不同于第二类型(在组成上不同、在物理上不同或两者)。金属粉末可以进一步包含第三类型的颗粒(金属或非金属)、第四类型的颗粒(金属或非金属)等。如下文进一步详细描述，在多组分合金产品的整个增材制造期间，金属粉末可以是相同的金属粉末，或在增材制造过程期间，金属粉末可以改变。
如上文所提及，增材制造可以用于逐层建立多组分合金产品。在一个实施例中，使用金属粉末床建立多组分合金产品(例如定制的多组分合金产品)。如本文所用，“金属粉末床”是指包含金属粉末的床。在增材制造期间，可以使不同组成的颗粒熔融(例如快速熔融)且然后凝固(例如在均匀混合缺乏的情况下)。从而，可以制成具有均匀或非均匀微结构的多组分合金产品。
一种利用金属粉末床布置来生产定制的增材制造产品的方法示于图6a中。在所示方法中，系统(101)包括粉末床构建空间(110)、粉末供应器(120)和粉末撒布器(160)。粉末供应器(120)包括粉末储集器(121)、平台(123)，和与平台(123)耦接的调节装置(124)。调节装置(124)具有调节能力(通过未示出的控制系统)，以使平台(123)在粉末储集器(121)内上下移动。构建空间(110)包括构建储集器(151)、构建平台(153)，和与构建平台(153)耦接的可调节装置(154)。可调节装置(154)具有调节能力(通过未示出的控制系统)，以在适当时使构建平台(153)在构建储集器(151)内上下移动，从而有助于从粉末供应器(120)接收金属粉末原料(122)和/或生产定制的3D多组分合金部件(150)。
粉末撒布器(160)连接到控制系统(未示出)并且经操作可从粉末储集器(121)移动到构建储集器(151)，从而向构建储集器(151)供应预先选定量的粉末原料(122)。粉末原料(122)可以是多组分合金原料，并且可以包括至少四种不同元素(例如金属)，其中至少四种不同元素中的每一种构成粉末原料的5-35at.％。在所示实施例中，粉末撒布器(160)是一种辊且且被配置成沿着所述系统的分配表面(140)滚动，从而聚集预先选定体积(128)的粉末原料(122)且使此预先选定体积(128)的粉末原料(122)移动到构建储集器(151)(例如通过推移/辊压粉末原料)。举例来说，平台(123)可以向适当的直立位置移动，其中预先选定体积(128)的粉末原料(122)位于分配表面(140)上方。相应地，可以降低构建空间(110)中的构建平台(153)，以容纳预先选定体积(128)的粉末原料(122)。当粉末撒布器(160)从粉末储集器(121)的入口侧(图6a中的左侧)移动到出口侧(图6a的右侧)时，粉末撒布器(160)将聚集预先选定体积(128)的粉末原料(122)的大部分或全部。当粉末撒布器(160)继续沿着分配表面(140)时，所聚集体积的粉末(128)被移动到构建储集器(151)且分配于其中，如呈金属粉末层形式。粉末撒布器(160)可以使所聚集体积(128)的金属粉末原料(122)移动到构建储集器(151)内，或可以使所聚集的体积(128)移动到与分配表面(140)共平面的表面上，以产生金属粉末原料的层。在一些实施例中，粉末撒布器(160)可以将所聚集的粉末(128)在构建储集器(151)内压紧/致密。虽然粉末撒布器(160)展示为圆柱形辊，但是撒布器可具有任何适当形状，如矩形(例如当使用橡皮辊时)，或其它。就此而言，粉末撒布器(160)根据其配置，可以辊压、推移、刮擦或以其它方式移动适当聚集体积(128)的金属粉末原料(122)到构建储集器(151)中。另外，在其它实施例(未示出)中，可以利用料斗或类似装置将粉末原料提供到分配表面(140)和/或直接提供到构建储集器(151)。
粉末撒布器(160)已将聚集体积的粉末(128)分配到构建储集器(151)之后，然后可以移动粉末撒布器(160)远离构建储集器(151)，如移动到中间位置，或粉末储集器(121)的入口侧上游的位置(图6a中的左侧)。接下来，系统(101)使用胶粘剂供应器(130)和其对应胶头(132)选择性地向构建储集器(151)所含的聚集体积的粉末(128)提供(例如喷涂)胶粘剂。具体地说，胶粘剂供应器(130)电连接到具有3D多组分合金部件的3D计算机模型的计算机系统(192)，和控制器(190)。聚集体积(128)的粉末已提供至构建储集器(151)之后，胶粘剂供应器(130)的控制器(190)使胶头(132)在适当的X-Y方向上移动，从而根据计算机(192)的3D计算机模型将胶粘剂喷涂到粉末体积上。
胶粘剂喷涂步骤结束后，可以降低构建平台(153)，可以升高粉末供应平台(123)，且重复所述过程，其中多个所聚集的体积(128)通过粉末撒布器(160)连续提供至构建储集器(151)，直至定制的多层3D多组分合金部件(150)完成为止。需要时，一次或多次喷涂操作之间可以使用加热器(未示出)，以使喷涂有胶粘剂的任何粉末固化(例如部分地固化)。然后可以从构建空间(110)中移出定制的最终3D多组分合金部件，其中过量粉末(152)(尚未被胶粘剂实质性喷涂)被去除，只剩下定制的最终“生坯”3D多组分合金部件(150)。定制的最终生坯3D多组分合金部件(150)然后可以在熔炉或其它适合的加热装备中加热，从而烧结所述部件和/或从所述部件去除挥发性组分(例如来自胶粘剂供应器的挥发性组分)。在一个实施例中，定制的最终3D多组分合金部件(150)包含均匀或近似均匀分布的金属粉末原料(例如如图1中所示)。任选地，可以利用构建衬底(155)构建定制的最终3D多组分合金部件(150)，并且可以将这个构建衬底(155)并入定制的最终3D多组分合金部件(150)，或从定制的最终3D多组分合金部件(150)排除构建衬底。构建衬底(155)本身可以是金属或金属产品(与3D多组分合金部件不同或相同)，或可以是另一种材料(例如塑料或陶瓷)。
如上文所述，粉末撒布器(160)可以使聚集体积(128)的金属粉末原料(122)通过分配表面(140)移动到构建储集器(151)。在另一个实施例中，构建空间(110)和粉末供应器(120)中的至少一个经操作可在侧向方向(例如X方向)上移动，以便使构建空间(110)和粉末供应器(120)的一个或多个外表面接触。在构建储集器(151)与粉末储集器(121)之间缺乏任何中间表面的情况下，粉末撒布器(160)继而可以使预先选定体积(128)的金属粉末原料(122)直接移动到构建储集器(151)。
如所提及，粉末供应器(120)包括可调节装置(124)，所述可调节装置具有调节能力(通过未示出的控制系统)，以使平台(123)在粉末储集器(151)内上下移动。在一个实施例中，可调节装置(124)呈螺杆形式或其它适合的机械装备。在另一个实施例中，可调节装置(124)是液压装置。同样，构建空间中的可调节装置(154)可以是机械装备(例如螺杆)或液压装置。
如上文所提及，粉末储集器(121)包括金属粉末原料(122)，其中存在至少一些金属。此粉末原料(122)可以包括单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒、非金属颗粒，和其组合，其中存在单金属颗粒、多金属颗粒和/或M-NM颗粒中的至少一种。从而可以制成定制的3D多组分合金产品。在一个方法中，粉末原料(122)包括足量的单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒、非金属颗粒，和其组合，以制成弥散强化多组分合金。在一个实施例中，弥散强化多组分合金是氧化物弥散强化多组分合金(例如含有氧化物的量足以对多组分合金产品实现弥散强化，但通常不大于10wt.％氧化物)。就此而言，金属粉末原料(122)可以包括M-O颗粒，其中M是金属且O是氧。适合的M-O颗粒包括Y2O3、Al2O3、TiO2，和La2O3等。
图6b利用与图6a大体相同的配置，但使用激光系统(188)(或电子束)代替胶粘剂系统来生产3D多组分合金产品(150')。因此，除了胶粘剂系统(130)之外，图6a的所有实施例和描述都适用于图6b的实施例。取而代之，激光(188)电连接到具有3D多组分合金部件的3D计算机模型的计算机系统(192)，和适合的控制器(190')。聚集体积(128)的粉末已提供至构建储集器(151)之后，激光(188)的控制器(190')使激光(188)在适当的X-Y方向上移动，从而根据计算机(192)的3D计算机模型加热粉末体积的选择性部分。如此，激光(188)可以将一部分粉末加热到高于待形成的产品的液相线温度的温度，从而形成熔池。随后可以移动和/或关闭激光(例如通过控制器190')，从而使熔池按照至少1,000℃/秒的冷却速率冷却，从而形成定制的最终3D多组分合金部件(150')的一部分。在一个实施例中，冷却速率是至少10,000℃/秒。在另一个实施例中，冷却速率是至少100,000℃/秒。在另一个实施例中，冷却速率是至少1,000,000℃/秒。激光照射过程结束后，可以降低构建平台(153)，且重复所述过程直至定制的多层3D多组分合金部件(150')完成为止。如上文所述，然后可以从构建空间(110)中移出定制的最终3D多组分合金部件，其中过量粉末(152')(尚未被激光实质性照射)被去除。当电子束用作激光(188)时，冷却速率可以是至少10℃/秒(内在地或通过控制冷却)，或至少100℃/秒或更高，从而形成定制的最终3D多组分合金部件(150')的一部分。
在一个实施例中，构建空间(110)包括加热装备(未示出)，其可以有意地加热构建空间(110)中的构建储集器(151)的一个或多个部分，或其中所含的粉末或激光照射物品。在一个实施例中，加热装备加热构建储集器(151)的底部。在另一个实施例中，加热设备加热构建储集器(151)的一个或多个侧边部分。在另一个实施例中，加热装备加热构建储集器(151)的底部和侧边的至少一部分。加热装备可以适用于例如在激光照射的3D多组分合金部件(150')冷却期间控制冷却速率和/或松弛残余应力。因此，一些多组分合金产品可以实现较高的良率。在一个实施例中，利用可控的加热和/或冷却在激光照射的3D多组分合金部件(150')的一个或多个部分内产生可控的局部热梯度。可控的局部热梯度可以促进激光照射的3D多组分合金部件(150')内产生例如定制的纹理或定制的微观结构。图6b的系统可以使用本文所述的任何金属粉末原料。另外，可以利用构建衬底(155')构建定制的最终3D多组分合金部件(150')，并且可以将这个构建衬底(155')并入定制的最终3D多组分合金部件(150')，或从定制的最终3D多组分合金部件(150')排除构建衬底。构建衬底(155')本身可以是金属或金属产品(与3D多组分合金部件不同或相同)，或可以是另一种材料(例如塑料或陶瓷)。
在另一种方法中，现参看图6c，可以利用多个粉末供应器(120a、120b)将多种粉末原料(122a、122b)供给构建储集器(151)，以促进定制的3D多组分合金产品的生产。在图6c的实施例中，第一粉末撒布器(160a)可以将第一粉末供应器(120a)中的第一粉末原料(122a)供给构建储集器(151)，且第二粉末撒布器(160b)可以将第二粉末供应器(120b)中的第二粉末原料(122b)供给构建储集器(151)。第一和第二粉末原料(122a、122b)可以按照任何适合的量和任何适合的次序提供，以促进定制的3D多组分合金产品的生产。作为一个具体实例，3D多组分合金产品的第一层可以利用第一粉末原料(122a)制成，如上文关于图6a至6b所述。3D多组分合金产品的第二层可以随后利用第二粉末原料(122b)制成，如上文关于图6a至6b所述。从而可以制成定制的3D多组分合金产品。在一个实施例中，第二层上覆于第一层(例如如图3a所示，其展示出第二部分(500)上覆于第一部分(400))。在另一个实施例中，第一层和第二层通过其它材料(例如第三材料的第三层)分隔。
作为另一实例，第一粉末撒布器(160a)只可以向构建储集器(151)部分地提供第一原料(122a)，从而特别地且有意地留下间隙。随后，第二粉末撒布器(160b)可以向构建储集器(151)提供第二原料(122b)，从而至少部分地填充间隙。相对于这些第一和第二辊压操作，激光(188)可以在任何适合的时间使用。继而可以制成多区域3D多组分合金产品，其中第一部分(400)在侧向上邻近于第二部分(500)(例如如图3b所示)。的确，系统101"可以在适当时操作构建空间(110)、粉末供应器(120a、120b)和粉末撒布器(160a、160b)以制成图3a至3f中所示的任何实施例。
第一和第二粉末原料(122a、122b)可以具有相同组成(例如为了速度/效率目的)，但通常具有不同组成。在一种方法中，第一原料(122a)包含第一组成掺混料且第二原料(122b)包含不同于第一组成的第二组成掺混料。第一和第二粉末原料(122a、122b)中的至少一种包括含量足以制造多粉末掺混料的金属，所述多粉末掺混料具有至少四种不同元素，所述至少四种不同元素中的每一种构成MCA粉末掺混料的％。从而可以制成定制的3D多组分合金产品。第一和第二原料(122a、122b)的任何组合可以用于生产定制的3D多组分合金产品，如图1、2a至2d和3a至3f中所说明的任何多组分合金产品。在一种方法中，第一和第二粉末原料(122a、122b)中的每一种是多组分合金原料，其中至少四种不同元素构成第一粉末原料(122a)的5-35at.％，且其中至少四种不同元素构成第二粉末原料(122b)的5-35at.％，其中第二原料(122b)包括至少一种不同于第一原料(122a)的组分。在一个实施例中，第二原料(122b)包括至少两种不同于第一原料(122a)的组分。在另一个实施例中，第二原料(122b)包括至少三种不同于第一原料(122a)的组分。在另一个实施例中，第一和第二原料(122a、122b)不重叠，其中第二原料(122b)不存在构成第一原料(122a)的任何组分。在又另一个实施例中，第一和第二原料(122a、122b)部分重叠，其中第二原料(122b)包括第一原料(122a)的至少一种组分。在一个实施例中，第二原料(122b)包括第一原料(122a)的至少两种组分。在一个实施例中，第二原料(122b)包括第一原料(122a)的至少三种组分。第一和第二原料(122a、122b)的任何组合可以用于生产多区域MCA产品。
关于图6a至6b的上述方法，虽然粉末撒布器(160a、160b)展示为圆柱形，但是粉末撒布器(160a、160b)可具有任何适当形状，如矩形，或其它。就此而言，粉末撒布器(160a、160b)根据其配置，可以辊压、推移、刮擦或以其它方式移动原料(122a、122b)到构建储集器(151)。另外，任选地，可以利用构建衬底(155")构建定制的最终3D多组分合金部件(150")，并且可以将这个构建衬底(155")并入定制的最终3D多组分合金部件(150")，或可以从定制的最终3D多组分合金部件(150")排除构建衬底。构建衬底(155")本身可以是金属或金属产品(与3D多组分合金部件不同或相同)，或可以是另一种材料(例如塑料或陶瓷)。尽管图6c示为利用激光(188)，但图6c的系统可以替代地使用如上文关于图6a所述的胶粘剂系统。
图7是用于制备多粉末原料的系统(201)的示意图。在所示实施例中，系统(201)展示为向粉末床构建空间提供多粉末原料，如上文关于图6a到6c所述，然而，系统(201)可以用于生产供任何适合的增材制造方法用的多组分粉末。
图7的系统(201)包括多个粉末供应器(220-1、220-2，到220-n)和对应的多个粉末储集器(221-1、221-2，到221-n)、粉末原料(222-1、222-2，到222-n)、平台(223-1、223-2，到223-n)，和调节装置(224-1、224-2，到224-n)，如上文关于图6a到6c所述。同样，构建空间(210)包括构建储集器(251)、构建平台(253)，和与构建平台(253)耦接的可调节装置(254)，如上文关于图6a到6c所述。
粉末撒布器260可以经操作以在第一位置(202a)与第二位置(202b)之间(来回)移动，第一位置位于第一粉末供应器(220-1)的上游，且第二位置(202b)位于最后一个粉末供应器(220-n)或构建空间(210)的下游。当粉末撒布器(260)从第一位置(202a)向第二位置(202b)移动时，其从第一粉末供应器(220-1)聚集适当体积的第一原料(222-1)、从第二粉末供应器(222-2)聚集适当体积的第二原料(220-2)等等，从而产生聚集的体积(228)。第一原料到最后的原料(220-1到220-n)的体积和组成可以针对每个辊压循环进行定制且控制，以促进定制的3D多组分合金产品或其一部分的生产。
举例来说，第一粉末供应器(220-1)可以包括第一金属粉末(例如单金属粉末)作为其原料(222-1)，且第二粉末供应器(220-2)可以包括第二金属粉末(例如多金属粉末)作为其原料(222-2)。当粉末撒布器(260)从第一粉末供应器(220-1)的上游沿着分配表面(240)向第二粉末供应器(220-2)的下游移动时，粉末撒布器(260)可以聚集第一和第二体积的金属粉末(222-1、222-2)，从而在第二粉末供应器(220-2)的下游产生定制的粉末掺混料(228)。当粉末撒布器(260)向构建储集器(251)移动时，第一和第二粉末可以混合(例如通过翻滚、通过向上表面(240)施加振动(例如通过任选的振动装备275)，或通过其它混合/搅拌装备)。当粉末撒布器(260)向第二位置(202b)移动时，可以使用或避开(例如通过封闭粉末供应器的顶部)后续的粉末原料(222-3(未示出)到222-n)。最终，可以提供最后的粉末原料(222＝2221+2+..N)用于增材制造，如用于粉末床构建空间(210)。然后，可以如上文关于图6b所述，使用激光(188)生产定制的最终3D多组分合金部件(250)的一部分。
系统(201)的柔性有助于原位生产图1、2a至2d和3a至3f等中所示的任何产品。具有任何适合组成和任何适合粒度分布的任何适合粉末可以用作系统(201)的原料(222-1到222-n)。举例来说，为了生产均匀的3D多组分合金产品，如图1中所示，每个辊压循环通常可以使用相同的体积和组成。为了制成多区域产品，如图3a至3f中所示，粉末撒布器(260)可以在适当时从相同或不同的粉末供应器聚集不同体积的原料。作为一个实例，为了制成图3a的层状产品，第一辊压循环可以从第一粉末供应器(220-1)聚集第一体积的原料(222-1)，且从第二粉末供应器(220-2)聚集第二体积的原料(222-2)。对于后续循环来说，且为了制成第二个不同层，可以调节第一粉末供应器(220-1)的高度(通过其平台)以提供不同体积的第一原料(222-1)(第二粉末供应器(220-2)的高度可以保持相同或也可以变化)。继而产生不同粉末掺混料(因为后续循环中所用的第一原料的体积不同)，从而产生不同材料层。
作为一个替代方案，可以控制系统(201)，使得粉末撒布器(260)只从适当的粉末供应器(220-2到220-n)聚集材料以制成所期望的材料层。举例来说，可以控制粉末撒布器(260)以避开适当的粉末供应器(例如非线性移动来避开)。作为另一实例，粉末供应器(220-1到220-n)可以包括可选择性操作的盖子或封闭件，以便系统(201)在任何适当的循环中通过选择性地关闭此类盖子或封闭件而能够使任何适当的粉末供应器(220-1到220-n)脱离与粉末撒布器(260)的连通。
粉末撒布器(260)可以通过适合的控制系统控制以从第一位置(202a)向第二位置(202b)或其间的任何位置移动。举例来说，一个循环之后，粉末撒布器(260)可以返回到第一粉末供应器(220-1)下游的位置，和第二粉末供应器(220-2)的上游，以有助于聚集适当体积的第二原料(222-2)，从而完全避免第一原料(222-1)。另外，粉末撒布器(260)可以在适当时按照线性或非线性方式移动，以聚集适当量的原料(222-1到222-n)用于增材制造操作。另外，可以使用多个辊移动和/或掺混原料(222-1到222-n)。最后，虽然图7中示出超过两个粉末供应器(222-1到222-n)，但是只有两个粉末供应器(222-1到222-2)的系统也可以使用。
图6a到6c和图7中所述的增材制造装备和系统可以用于制造任何适合的3D多组分合金产品。在一个实施例中，整个增材制造过程中均使用相同的通用粉末生产多组分合金产品。举例来说，现参看图1，定制的最终多组分合金产品(100)可以包含通过在增材制造过程期间使用大体相同的金属粉末所制成的单一区域/基质。在一个实施例中，金属粉末由单金属颗粒组成。在一个实施例中，金属粉末由单金属颗粒和多金属颗粒的混合物组成。在一个实施例中，金属粉末由单金属颗粒和M-NM颗粒组成。在一个实施例中，金属粉末由单金属颗粒、多金属颗粒和M-NM颗粒组成。在一个实施例中，金属粉末由多金属颗粒组成。在一个实施例中，金属粉末由多金属颗粒和M-NM颗粒组成。在一个实施例中，金属粉末由M-NM颗粒组成。在这些实施例的任一例中，金属粉末中可以任选地使用非金属颗粒。在这些实施例的任一例中，多种不同类型的单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒和/或非金属颗粒可以用于生产金属粉末。举例来说，由单金属颗粒组成的金属粉末可以包括多种不同类型的单金属颗粒。作为另一实例，由多金属颗粒组成的金属粉末可以包括多种不同类型的多金属颗粒。作为另一实例，由单金属和多金属颗粒组成的金属粉末可以包括多种不同类型的单金属和/或多金属颗粒。类似原理适用于M-NM和非金属颗粒。
作为一个具体实例，现参看图2a至2d，单金属粉末可以包括(1)(a)M-NM颗粒和(b)非金属颗粒(例如BN颗粒)中的至少一种与(2)(a)单金属颗粒或(b)多金属颗粒中的至少一种的掺混料。单粉末掺混料可以用于生产多组分合金主体，所述主体具有大体积的第一区域(200)和较小体积的第二区域(300)。举例来说，第一区域(200)可以包含多组分合金的合金区域(例如由于单金属颗粒和/或多金属颗粒)，且第二区域(300)可以包含M-NM区域(例如由于M-NM颗粒和/或非金属颗粒)。制造之后或在制造期间，包含第一区域(200)和第二区域(300)的增材制造产品可能会变形(例如因辊压、挤出、锻造、拉伸、压缩中的一种或多种)，如图2b至2d中所示。变形的最终产品可以实现例如更高强度，原因是第一区域(200)与M-NM第二区域(300)之间的界面可以限制平面滑移。
定制的最终多组分合金产品可以替代地包含至少两个分别产生的不同区域。在一个实施例中，可以使用不同类型的金属粉末床生产多组分合金产品。举例来说，第一金属粉末床可以包含第一金属粉末且第二金属粉末床可以包含不同于第一金属粉末的第二金属粉末。第一金属粉末床可以用于生产多组分合金产品中的第一层或部分，且第二金属粉末床可以用于生产多组分合金产品中的第二层或部分。举例来说，现参看图3a至3f，可以存在第一区域(400)和第二区域(500)。为了产生第一区域(400)，金属粉末床中的第一部分(例如层)可以包含第一金属粉末。为了产生第二区域(500)，金属粉末的第二部分(例如层)可以包含不同(在组成上和/或在物理上不同)于第一层的第二金属粉末。可以使用额外的金属粉末和层产生第三不同区域、第四不同区域等等。因此，金属粉末在增材制造过程期间的总体组成和/或物理特性可以预先选定，从而产生具有定制的组成和/或微观结构的定制多组分合金产品。
在一个态样中，第一金属粉末由单金属颗粒组成。第一金属粉末可以用于第一金属粉末床层中以产生定制多组分合金主体的第一区域(400)。随后，第二金属粉末可以用于第二金属粉末床层以产生定制多组分合金主体的第二区域(500)(例如根据图6c或图7)，或可以与第一金属粉末掺混后提供至构建储集器(例如根据图7)。在一个实施例中，第二金属粉末由另一类型的单金属颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒和多金属颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒和M-NM颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒、多金属颗粒和M-NM颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由多金属颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由多金属颗粒和M-NM颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由M-NM颗粒组成。在这些实施例的任一例中，非金属颗粒可以任选地用于第二金属粉末中以产生第二区域。
在另一态样中，第一金属粉末由多金属颗粒组成。第一金属粉末可以用于第一金属粉末床层中以产生定制多组分合金主体的第一区域(400)。随后，第二金属粉末可以用于第二金属粉末床层以产生定制多组分合金主体的第二区域(500)(例如根据图6c或图7)，或可以与第一金属粉末掺混后提供至构建储集器(例如根据图7)。在一个实施例中，第二金属粉末由另一类型的单金属颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒和多金属颗粒的混合物组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒和M-NM颗粒的混合物组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒、多金属颗粒和M-NM颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由多金属颗粒和M-NM颗粒的混合物组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由M-NM颗粒组成。在这些实施例的任一例中，非金属颗粒可以任选地用于第二金属粉末中以产生第二区域。
在另一态样中，第一金属粉末由M-NM颗粒组成。第一金属粉末可以用于第一金属粉末床层中以产生定制多组分合金主体的第一区域(400)。随后，第二金属粉末可以用于第二金属粉末床层以产生定制多组分合金主体的第二区域(500)(例如根据图6c或图7)，或可以与第一金属粉末掺混后提供至构建储集器(例如根据图7)。在一个实施例中，第二金属粉末由另一类型的M-NM颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒和多金属颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒和M-NM颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒、多金属颗粒和M-NM颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由多金属颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由多金属颗粒和M-NM颗粒组成。在这些实施例的任一例中，非金属颗粒可以任选地用于第二金属粉末中以产生第二区域。
在另一态样中，第一金属粉末由单金属颗粒和多金属颗粒的混合物组成。第一金属粉末可以用于第一金属粉末床层中以产生定制多组分合金主体的第一区域(400)。随后，第二金属粉末可以用于第二金属粉末床层以产生定制多组分合金主体的第二区域(500)(例如根据图6c或图7)，或可以与第一金属粉末掺混后提供至构建储集器(例如根据图7)。在一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒和多金属颗粒的另一混合物组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒和M-NM颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒、多金属颗粒和M-NM颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由多金属颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由多金属颗粒和M-NM颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由M-NM颗粒组成。在这些实施例的任一例中，非金属颗粒可以任选地用于第二金属粉末中以产生第二区域。
在另一态样中，第一金属粉末由单金属颗粒和M-NM颗粒的混合物组成。第一金属粉末可以用于第一金属粉末床层中以产生定制多组分合金主体的第一区域(400)。随后，第二金属粉末可以用于第二金属粉末床层以产生定制多组分合金主体的第二区域(500)(例如根据图6c或图7)，或可以与第一金属粉末掺混后提供至构建储集器(例如根据图7)。在一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒和M-NM颗粒的另一混合物组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒和多金属颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒、多金属颗粒和M-NM颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由多金属颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由多金属颗粒和M-NM颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由M-NM颗粒组成。在这些实施例的任一例中，非金属颗粒可以任选地用于第二金属粉末中以产生第二区域。
在另一态样中，第一金属粉末由单金属颗粒、多金属颗粒和M-NM颗粒的混合物组成。第一金属粉末可以用于第一金属粉末床层中以产生定制多组分合金主体的第一区域(400)。随后，第二金属粉末可以用于第二金属粉末床层以产生定制多组分合金主体的第二区域(500)(例如根据图6c或图7)，或可以与第一金属粉末掺混后提供至构建储集器(例如根据图7)。在一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒、多金属颗粒和M-NM颗粒的另一混合物组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒和多金属颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒和M-NM颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由多金属颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由多金属颗粒和M-NM颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由M-NM颗粒组成。在这些实施例的任一例中，非金属颗粒可以任选地用于第二金属粉末中以产生第二区域。
在另一态样中，第一金属粉末由多金属颗粒和M-NM颗粒的混合物组成。第一金属粉末可以用于第一金属粉末床层中以产生定制多组分合金主体的第一区域(400)。随后，第二金属粉末可以用于第二金属粉末床层以产生定制多组分合金主体的第二区域(500)(例如根据图6c或图7)，或可以与第一金属粉末掺混后提供至构建储集器(例如根据图7)。在一个实施例中，第二金属粉末由多金属颗粒和M-NM颗粒的另一混合物组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒和多金属颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒和M-NM颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由多金属颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒、多金属颗粒和M-NM颗粒组成。在又另一个实施例中，第二金属粉末由M-NM颗粒组成。在这些实施例的任一例中，非金属颗粒可以任选地用于第二金属粉末中以产生第二区域。
因此，图6a到6c和图7的系统和装备可以适用于生产多种增材制造型3D多组分合金产品，其中至少有四种不同元素构成产品的金属基质，且其中多组分产品包含5-35at.％的所述至少四种元素。
就所使用的增材制造方法来说，本文所述增材制造方法中使用的粉末可以通过使适当材料的材料(例如铸锭)雾化成适当尺度的粉末来制成。
在制造之后或制造期间，增材制造的产品可能会变形(例如因辊压、挤出、锻造、拉伸、压缩中的一种或多种)。变形的最终产品可以实现例如特性改善，原因是多组分合金产品的定制区域。
现参看图4，可以对增材制造的产品进行任何适当的溶解(20)、处理(30)和/或沉淀硬化步骤(40)。如果采用，那么可以对增材制造主体的中间形式及/或可以对增材制造主体的最终形式进行溶解(20)和/或处理(30)步骤。如果采用，那么通常对增材制造主体的最终形式进行沉淀硬化步骤(40)。
继续参看图4，所述方法可以包括一个或多个溶解步骤(20)，其中将中间产物形式和/或最终产物形式加热到高于所述产品的溶线温度，但低于所述材料的固相线温度，从而溶解至少一些未溶解的颗粒。溶解步骤(20)可以包括将材料浸渍足以溶解可用颗粒的时间。在一个实施例中，溶解步骤(20)可以认为是均质化步骤。浸渍之后，可以将所述材料冷却到环境温度用于后续处理。或者，浸渍之后，所述材料可以立即通过处理步骤(30)热处理。
处理步骤(30)通常涉及对中间产物形式进行热处理和/或冷处理。热处理和/或冷处理可以包括例如辊压、挤出或锻造所述材料。处理(30)可以在任何溶解步骤(20)之前和/或之后进行。举例来说，在溶解步骤(20)结束之后，可以允许所述材料冷却到环境温度，且然后再加热到适当温度用于热处理。或者，所述材料可以在大约环境温度下冷处理。在一些实施例中，所述材料可以热处理，冷却到环境温度，且然后冷处理。在又其它实施例中，热处理可以在溶解步骤(20)的浸渍之后开始，因此无需为了热处理而对产品再加热。
处理步骤(30)可以引起第二相颗粒沉淀。就此而言，适当时可以使用任何数目个后处理溶解步骤(20)，以溶解可能因处理步骤(30)而已形成的至少一些未溶解的第二相颗粒。
任何适当的溶解(20)和处理(30)步骤之后，可以使最终产物形式沉淀硬化(40)。沉淀硬化(40)可以包括将最终产物形式加热足以溶解因处理而沉淀的至少一些颗粒的时间而高于溶线温度，且然后快速冷却最终产物形式。沉淀硬化(40)可以进一步包括使所述产品在目标温度下暴露足以形成沉淀物(例如强化沉淀物)的时间，且然后将所述产品冷却到环境温度，从而实现其中具有所期望沉淀物的最终老化产品。正如所了解，所述产品的至少一些处理(30)可以在沉淀(40)步骤之后完成。在一个实施例中，最终老化产品含有≥0.5vol.％的所期望沉淀物(例如强化沉淀物)和≤0.5vol.％的第二相粗颗粒。
在一种方法中，利用电子束(EB)或等离子弧技术产生增材制造多组分合金主体的至少一部分。与通过激光增材制造技术容易制成的部件相比，电子束技术可以促进更大部件的制造。举例来说，现参看图5a，在一个实施例中，一种方法包含将小直径线材(25)(例如直径≤2.54mm)馈送到电子束枪(50)的线材馈料机部分(55)。线材(25)可具有上文所述的组成，限制条件为其具有可绘制的组成(例如当根据美国专利第5,286,577号的工艺条件制造时)，或线材能通过例如粉末保形挤出制造(例如根据美国专利第5,284,428号)。视具体情况而定，电子束(75)将线材或管加热到高于待形成的主体的液相点，随后使熔池快速凝固(例如≥100℃/秒)以形成沉积材料(100)。这些步骤可以根据需要重复进行，直至最终的多组分合金主体制成为止。
在一个实施例中，现参看图5b，线材(25)是粉末芯线材(PCW)，其中线材的管部分中含有大量颗粒，如上文所述的任何颗粒(单金属颗粒、多金属颗粒、金属-非金属颗粒、非金属颗粒，和其组合)，而管本身可以包含适于产生多组分合金产品的适当最终组成的任何组成。在一个实施例中，所述管是合金且如图5b所示容纳于管内的颗粒选自由以下组成的群组：单金属颗粒、多金属颗粒、金属-非金属颗粒、非金属颗粒，和其组合。
在另一个实施例中，现参看图5c至5d，线材(25a)是具有第一细长外部管部分(600)和至少第二细长内部管部分(610)的多管线材。第一部分(600)包含第一材料，且第二部分(610)包含通常不同于第一材料的第二材料。线材(25a)可以包括中空芯(620)，如图所示，或可以包括固体芯或可以包括存在于芯内的大量颗粒，如上文关于图5a至5b所述。在任何情况下，第一材料、第二材料和任何芯材料的共同组成均使得在沉积之后，多组分合金产品包含金属基质，且金属基质是第一材料、第二材料和任何芯材料的共同组成的结果。因此，所得多组分合金产品包括金属基质，至少有四种不同元素构成所述基质，且其中多组分产品包含5-35at.％的所述至少四种元素。如上文所述，第一材料、第二材料和任何芯材料的共同组成可以定制，以实现金属基质由至少五种或至少六种或至少七种或至少八种或更多种不同元素构成，其中多组分产品包含5-35at.％的所述至少五种或至少六种或至少七种或至少八种或更多种不同元素。第一细长外部管部分(600)和至少第二细长内部管部分(610)的厚度可以定制，以提供金属基质的适当最终组成。另外，如图5e至5f所示，线材(25b)可以包括任何数目个多细长管(例如管600-610和630-650)、适当组成和厚度中的每一种，以向金属基质提供适当最终组成。如上文关于图5c至5d所述，芯(620)可以是中空芯(620)，如图所示，或可以包括固体芯或可以包括存在于芯内的大量颗粒，如上文关于图5a至5b所述。
在另一个实施例中，现参看图5g，线材(25c)是多纤维线材，其具有第一纤维(700)和与第一线材(700)缠结的至少第二纤维(710)。第一纤维(700)包含第一材料，且第二部分(710)包含通常不同于第一材料的第二材料。第一材料和第二材料的共同组成使得在沉积之后，多组分合金产品包含金属基质，且金属基质是第一材料和第二材料的共同组成的结果。因此，所得多组分合金产品包括金属基质，至少有四种不同元素构成所述基质，且其中多组分产品包含5-35at.％的所述至少四种元素。如上文所述，第一材料和第二材料的共同组成可以定制，以实现金属基质由至少五种或至少六种或至少七种或至少八种或更多种不同元素构成，其中多组分产品包含5-35at.％的所述至少五种或至少六种或至少七种或至少八种或更多种不同元素。
适用于生产多组分合金产品的线材的另一实例示于图5h中。在所示实施例中，线材900包含混合结构，其中第一部分(芯)902由第一材料制成且第二部分904和第三部分906分别由第二和第三材料制成。如上文所提及，线材900可以用于焊接、熔覆或增材制造。第四材料的嵌入物(第四部分)908任选地定位于芯902内。线材900的这种组成只是一个实例且可以利用更多或更少的部分。在其它实施例中，将能够铸造、拉制、挤出或以其它方式形成的管和具有多种形状的其它部分并入线材中。在线材由多个主体制成的情形中，将多个部分结合在一起以形成可识别的单元化结构，例如线材900。在图5h中，芯902具有大体圆柱形配置且被处于同轴关系的第二部分904和第三部分906包覆。这不是必需的，如第四部分908所示，所述第四部分具有三角形横截面且偏离线材900的轴。对于线材900的任何给定长度(未示出，但垂直于横截面延伸)来说，第一部分902、第二部分904、第三部分906、第四部分908的几何形状(例如横截面区域)决定了制造这些部分的每种材料的重量百分比组成。在另一个实施例中，线材900的给定部分，例如908，可以复制所期望的许多次数。举例来说，如果期望第四材料的重量百分比是由线材形成的所得多组分材料的两倍，那么线材900中可以包括第二嵌入物，如第四部分908。线材900可以使用任何数目个部分902、904、906、908，其具有任何给定的尺度和数目，以便可以选择性地确定所得多组分合金产品的百分比组成。
在整体式线材的情形中，整体可以来源于不同组成的多种不同材料。在第一方法中，铸造按照每种元素的所期望重量组成所形成的合金且形成线材，如线材900。在另一个实施例中，线材900可以由第一材料的固体芯构成，在所述固体芯上沉积了一个或多个外层，如第二部分904和第三部分906。外部部分904、906可以涂布于所述芯上，例如通过将芯902浸渍于第二材料熔体中且允许第二材料围绕芯902凝固，从而形成第二部分904，随后进行类似工艺，通过浸渍于第三材料熔体中而使第二部分904被第三部分906包覆。或者，可以通过化学或物理方法，如电镀或喷涂沉积，使第二部分和第三部分连接到所述芯。在一个实施例中，第二部分904和/或第三部分906可以分别由可延展的片材或带材形成，然后围绕芯902弯曲，如指示连体端部的虚线904D和906D所示，这代表一种用于线材900形成的机械方法。部分902、904、906、908的材料可以呈各种实体形式。在一个实例中，芯902可以由粉末状金属或金属颗粒形成，如刨屑，其被第二部分904和第三部分906紧密压缩。在另一个实例中，所述芯可以是金属颗粒和焊剂化合物的凝固块体。在另一个实例中，所述芯可以是固体金属纤丝或挤出物。虽然图5h中展示了四个部分902、904、906、908，但是可以使用任何数目个部分，范围为一个到许多个。
线材的材料组成可以根据用于焊接、熔覆和/或增材制造的用途来选定。就焊接和熔覆来说，可以选定组成，以通过提供与两者均相容的多组分合金来使相异材料连接。线材900可以由多个部分形成，例如具有不同组成的材料的部分902、904。这些部分，例如902、904，可以命名为“前合金”，其在能使用所期望焊接设备达成的处理参数下合并时，将原位形成所期望的多组分合金用于焊接、熔覆或增材制造。举例来说，第一前合金材料可以是线材900的芯部分902且第二前合金材料可以是外部部分904。部分902、904、906、908的数目可以改变，以达成多组分合金的指定百分比组成。在一个实施例中，不同实体部分(例如902和906)可以具有相同的材料组成且不同于另一部分(例如906、908)的材料组成，以便在线材900尺度所施加的几何约束范围内实现多组成合金的目标百分比组成。
图5i展示本公开的另一个实施例，其中线材1000具有多个股线或部分1010、1020、1030，其可以由具有相同或不同组成的材料形成。图5i还展示了一种方法，通过这种方法，可以使股线或部分1010、1020、1030机械缠结以形成单元化结构，即，线材1000。更确切地说，股线1030围绕股线1010、1020螺旋，且股线1030与股线1020成角度相交。由此引起股线1030与股线1020之间的点接触并且也可以在图5j中发现，其中股线1110、1120和1130类似于图10中的股线1010、1020、1030，但是可以存在更多数目个股线和不同的横截面，以便促进线材更致密/表面区域使用更高效。在图5j中，股线1130与股线1120发生点接触。股线1120通常平行于中心股线1110。当中心股线(如1110)或中间股线1120因组成而抗弯曲且外部股线1130更具延展性时，可以利用此特定类型的缠绕布置(交叉铺设)，使得其可以弯曲成卷绕着且包围其它股线1110、1120的螺旋形配置，从而使其固持成单元化线材结构1100。可以利用单位长度的缠绕数目确定螺旋状缠绕材料(部分)1030对多组分合金贡献的百分比组成。然后可以方便地处置单元化线材1100，例如作为焊条或电极。交叉铺设布置能够更好地耐受临时处置(多次弯曲)。如上文所述，线材1000和1100的相对百分比组成是利用各种组成的股线/部分(例如1110、1120、1130)的数目和其尺度确定。因此可以通过选择这些参数来控制在线材1000、1100熔融时产生的所得多组成合金的百分比组成。可以通过改变所述部分1110、1120、1130的组成来控制线材1100的整个横截面的百分比组成和组成分布。举例来说，构成部分1130的股线(其在图5j中的数目为八)可以完全由一种类型的材料制成或可以具有选定数目个不同类型材料的股线。类似地，部分1120的股线可具有不同组成。本公开允许存在任何指定数目个部分且允许所述部分(例如1110、1120、1130)存在任何尺度。在一个实例中，具有三十五根股线的线材可以具有十四种不同组成的股线，所有股线均无、一些或所有股线均有相同或不同横截面积。
图5k和5l展示另一方法，其中线材1200具有股线/部分1210、1220、1230，其大体平行且更紧密地套叠，从而产生更紧凑的线材1200。相同原理可以发现于图5l中，其中线材1300因平行股线/部分1310、1320、1330紧密套叠而具有紧凑的配置。这种类型的配置(平行铺设)本身适用于绞捻结构，其中股线1310、1320、1330中的至少一些具有允许其保持固定变形而不解绕的延展性。平行铺设布置可以具有高断裂强度和有利的疲劳弯曲特征，但容易发生解捻。
图5m展示本公开的另一个实施例，其中线材1400具有多个内部股线/部分1410，所述内部股线/部分具有大体上圆形横截面形状且被具有大体上圆形横截面形状、但直径大于内部部分1410的第二多个股线/部分1420包围。围绕一束内部部分1410的周边，第三多个中间元件/部分1430将第二多个部分1420隔开且具有可以通过例如挤出所形成的复合形状。第四多个连锁元件/部分1440包围股线1420和元件1430。所述部分1440具有内部凹槽1440IR和外部凹槽1440OR以及匹配的内唇和外唇1440OL，所述内唇1440IL和外唇1440OL与所述部分1440连锁且限制所述部分相对于彼此解绕。股线/部分1410、1420和元件/部分1430、1440可以利用传统方法制造，如挤出、拉制、辊压或铸造。如同在先实例，所述部分1410、1420、1430、1440的尺度和其相应数目(计数)决定了其对所得多组成合金贡献的组成百分比(当其在熔覆、焊接或增材制造过程期间熔融在一起时)。在一个实施例中，每个单位长度的缠绕数目决定了所述材料在最终多组分合金中的百分比组成。所述部分(例如1410、1420、1430)可以按照组成来选定材料且按照与操作参数(如占空比、能级、保护气体等)兼容的指定布置放置，以原位形成所期望的多组分合金用于焊接、熔覆或增材制造。在担心原料布置的股线之间存在不需要的相互作用的应用中，可以使原本相互作用的股线/部分彼此分隔，例如通过中间股线/部分或其它分隔件。
在未图示的另一个实施例中，电子束(EB)或等离子弧增材制造装备可以采用多种不同线材和对应的多种不同辐射源，线材和辐射源中的每一种在适当时馈入且启用，以提供具有金属基质的适当多组分合金产品，所述金属基质具有至少四种不同元素构成所述基质，且其中多组分产品包含5-35at.％的所述至少四种元素。
在另一方法中，方法可以包含(a)选择性地向构建衬底喷涂一种或多种金属粉末(如上文所定义)；(b)通过辐射源将所述金属粉末和任选地构建衬底加热到高于待形成的特定多组分合金产品的液相线温度，从而形成熔池；(c)冷却所述熔池，从而形成多组分合金产品的固体部分，其中所述冷却包含按照至少100℃/秒的冷却速率冷却。在一个实施例中，冷却速率是至少1000℃/秒。在另一个实施例中，冷却速率是至少10,000℃/秒。冷却步骤(c)可以通过移动辐射源远离熔池和/或通过移动具有熔池的构建衬底远离辐射源来完成。步骤(a)-(c)可以根据需要重复进行，直至多组分合金产品完成为止。喷涂步骤(a)可以通过一个或多个喷嘴完成，且金属粉末的组成可以在适当时改变，以提供具有金属基质的定制最终多组分合金产品，金属基质具有至少四种构成所述基质的不同元素，且其中多组分产品包含5-35at.％的所述至少四种元素。在任一个时间下加热的金属粉末的组成可以通过不同喷嘴使用不同粉末和/或通过实时改变提供给任一个喷嘴的粉末组成来实时改变。工件可以是任何适合的衬底。在一个实施例中，构建衬底本身是多组分合金产品。
如上文所提及，可以利用焊接制造多组分合金产品。在一个实施例中，多组分合金产品是通过对呈不同组成的多种金属组分形式的前体材料施加熔融操作来制成。前体材料可以相对于彼此并置提供，以允许同时熔融和混合。在一个实例中，熔融发生于电弧焊接过程中，在另一个实例中，熔融可以通过在增材制造期间利用激光或电子束执行。熔融操作使得多种金属组分在熔融状态下混合且形成新合金作为多元素产品。前体材料可以多种实体上分开的形式提供，如不同组成的金属或金属合金的多个细长股线或纤维，或第一组成的细长股线或管和第二组成的邻接粉末，例如含于具有一个或多个包覆层的管或股线内。前体材料可以形成为结构，例如具有多根股线或纤维或管的绞捻或编织线缆或线材，所述股线或纤维或管具有外壳和容纳于其管腔内的粉末。然后可以处置所述结构，以便对于其一部分(例如尖端)进行熔融操作，例如通过将其用作焊接电极或用作增材制造的原料。如此使用时，所述结构和其组分前体材料可以熔融，例如利用连续或离散过程形成焊珠或为了增材制造而沉积的材料线条或点。
在一个实施例中，多组分产品是其间所插入且连接到材料或待焊接材料的焊接主体或填充剂，例如相同或不同材料的两个主体或具有孔隙的单一材料主体，所述孔隙至少部分地填有填充剂。在另一个实施例中，相对于其所焊接的材料，填充剂展现组成变化的过渡区，因此所得组合可以认为是多组分产品。
尽管本文所述的新技术的各种实施例已详细描述，但显而易见，所属领域的技术人员会想到对那些实施例的修改和改编。然而，应清楚地了解，这些修改和改编属于本公开技术的精神和范围内。

Claims (46)

1.一种制造多组分合金产品的方法，所述方法包含：
(a)将金属粉末分散于床中及/或向衬底喷涂金属粉末或将金属粉末喷涂于衬底上，其中所述金属粉末包含周期表中的至少四种不同元素；
(b)选择性地将所述金属粉末的一部分加热到高于所述多组分合金产品的液相线温度的温度；
(c)形成熔池；
(d)使所述熔池按照至少1000℃/秒的冷却速率冷却；以及
(e)重复步骤(a)-(d)直至所述多组分合金产品完成为止，其中所述多组分合金产品包含金属基质，其中所述至少四种不同元素构成所述基质，且其中所述多组分产品包含5-35at.％的所述至少四种元素。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少四种不同元素选自由以下组成的群组：Al、Si、Li、Be、Mg、Ca、Sr、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au、Ga、Ge、In、Sn、Pb、Bi和稀土元素。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中所述至少四种不同元素是至少五种不同元素，其中所述至少五种不同元素构成所述基质，且其中所述多组分产品包含5-35at.％的所述至少五种元素。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中所述至少四种不同元素是至少六种不同元素，其中所述至少六种不同元素构成所述基质，且其中所述多组分产品包含5-35at.％的所述至少六种元素。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中所述至少四种不同元素是至少七种不同元素，其中所述至少七种不同元素构成所述基质，且其中所述多组分产品包含5-35at.％的所述至少七种元素。
6.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中所述至少四种不同元素是至少八种不同元素，其中所述至少八种不同元素构成所述基质，且其中所述多组分产品包含5-35at.％的所述至少八种元素。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属粉末包含至少一些单金属颗粒。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属粉末包含至少一些多金属颗粒。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属粉末包含至少一些金属-非金属颗粒。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述金属-非金属颗粒包含氧、碳、氮和硼中的至少一种。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述金属-非金属颗粒选自由以下组成的群组：金属氧化物颗粒、金属碳化物颗粒、金属氮化物颗粒，和其组合。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述金属-非金属颗粒是Al2O3、TiC、Si3N4和TiB2中的一种。
13.一种制造多组分合金产品的方法，所述方法包含：
(a)利用第一金属粉末进行多组分合金主体的第一区域的第一制造；
(i)其中所述第一制造步骤包含利用增材制造来制得所述多组分合金产品的所述第一区域；
(ii)其中所述第一区域包含金属基质，其中所述至少四种不同元素构成所述基质，且其中所述多组分产品包含5-35at.％的所述至少四种元素；
(b)利用第二金属粉末进行多组分合金主体的第二区域的第二制造，其中所述第一金属粉末不同于所述第二金属粉末；
(i)其中所述第二制造步骤包含利用增材制造来制得所述多组分合金产品的所述第二区域；
(ii)其中所述第二区域与所述第一区域邻接。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一金属粉末包含金属颗粒，且其中所述金属颗粒选自由以下组成的群组：第一单金属颗粒、第一多金属颗粒、第一金属-非金属颗粒，和其组合。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二金属粉末包含第二单金属颗粒。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第二金属粉末进一步包含多金属颗粒。
17.根据权利要求15至16中任一项所述的方法，其中所述第二金属粉末进一步包含金属-非金属颗粒。
18.一种供电子束或等离子弧增材制造使用的线材，所述线材包含：
包含第一材料的外部管部分；和
容纳于所述外部管部分内的大量颗粒，所述大量颗粒是第二材料；
其中当所述线材用于增材制造时，包含所述第一材料和所述第二材料的所述线材的组成足以制成多组分合金产品，其中所述多组分合金产品包含至少四种元素，且其中所述多组分合金产品包含5-35at.％的所述至少四种元素中的每一种。
19.一种供电子束或等离子弧增材制造使用的线材，所述线材包含：
(a)第一细长外部管；
(i)其中所述第一细长外部管包含第一材料；
(b)安置于所述第一细长外部管内的第二细长内部管；
(i)其中所述第二细长内部管包含至少一种第二材料；
(ii)其中所述第二材料不同于所述第一材料；
其中当所述线材用于增材制造时，包含所述第一材料和所述第二材料的所述线材的组成足以制成多组分合金产品，其中所述多组分合金产品包含至少四种元素，且其中所述多组分合金产品包含5-35at.％的所述至少四种元素中的每一种。
20.一种供电子束或等离子弧增材制造使用的线材，所述线材包含：
(a)第一纤维；
(i)其中所述第一纤维包含第一材料；
(b)与所述第一纤维缠结的第二纤维；
(i)其中所述第二纤维包含第二材料；
(ii)其中所述第二材料不同于所述第一材料；
其中当所述线材用于增材制造时，包含所述第一材料和所述第二材料的所述线材的组成足以制成多组分合金产品，其中所述多组分合金产品包含至少四种元素，且其中所述多组分合金产品包含5-35at.％的所述至少四种元素中的每一种。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的线材，其中所述多组分合金产品包含至少五种元素，且其中所述多组分合金产品包含5-35at.％的所述至少五种元素中的每一种。
22.根据权利要求18至20中任一项所述的线材，其中所述多组分合金产品包含至少六种元素，且其中所述多组分合金产品包含5-35at.％的所述至少六种元素中的每一种。
23.根据权利要求18至20中任一项所述的线材，其中所述多组分合金产品包含至少七种元素，且其中所述多组分合金产品包含5-35at.％的所述至少七种元素中的每一种。
24.根据权利要求18至20中任一项所述的线材，其中所述多组分合金产品包含至少八种元素，且其中所述多组分合金产品包含5-35at.％的所述至少八种元素中的每一种。
25.一种制造多组分合金产品的方法，所述方法包含：
(a)利用辐射源将根据权利要求18至24中任一项所述的线材加热到高于待形成的所述主体的液相点，从而产生熔池，其中所述熔池包含至少四种不同元素；
(b)使所述熔池按照至少1000℃/秒的冷却速率冷却；以及
(c)重复步骤(a)-(b)直至所述多组分合金产品完成为止，其中所述多组分合金产品包含金属基质，其中所述至少四种不同元素构成所述基质，且其中所述多组分产品包含5-35at.％的所述至少四种元素。
26.一种制造多组分合金的方法，所述方法包含：
(a)选择性地向构建衬底喷涂一种或多种金属粉末；
(b)通过辐射源将所述金属粉末和任选地所述构建衬底加热到超过待形成的所述特定多组分合金产品的液相线温度，从而形成熔池；
(c)冷却所述熔池，从而形成所述多组分合金产品的固体部分，其中所述冷却包含按照至少100℃/秒的冷却速率冷却；以及
(d)重复步骤(a)-(c)直至所述多组分合金产品完成为止，其中所述多组分合金产品包含金属基质，其中所述至少四种不同元素构成所述基质，且其中所述多组分产品包含5-35at.％的所述至少四种元素。
27.一种方法，其包含：
从增材制造系统的第一粉末供应器进行第一原料的第一聚集；
从所述增材制造系统的第二粉末供应器进行第二原料的第二聚集；
合并所述第一和第二原料，从而产生金属粉末掺混料，其中所述金属粉末掺混料的组成足以制成多组分合金产品，其中所述多组分合金产品包含至少四种元素，且其中所述多组分合金产品包含5-35at.％的所述至少四种元素中的每一种。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述第一聚集包含通过辊机械地推移所述第一原料，且其中所述第二聚集包含通过所述辊机械地推移所述第二原料。
29.根据权利要求28所述的方法，其包含：
通过所述辊将所述第一原料推向所述第二原料。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述提供步骤包含：
将所述掺混原料从所述第二粉末供应器的下游推移到构建空间。
31.根据权利要求27所述的方法，其中所述第一聚集步骤包含：
调节所述第一粉末供应器的平台高度，从而给所述第一聚集步骤提供第一体积的所述第一原料。
32.根据权利要求31所述的方法，其包含：
在所述第一聚集步骤之后，移动所述平台的高度，从而提供第三原料，其中所述第三原料是第二体积的所述第一原料。
33.根据权利要求32所述的方法，其包含：
从所述第一粉末供应器进行所述第三原料的第三聚集；
从所述第二粉末供应器进行第二原料的第四聚集；以及
合并所述第三原料和所述第二原料。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述第二聚集步骤与所述第四聚集步骤聚集的所述第二原料的体积相等。
35.根据权利要求27至34中任一项所述的方法，其包含：
使用所述金属粉末掺混料在所述增材制造系统的所述构建空间中制成定制的3D多组分合金产品，其中所述其中所述多组分合金产品包含至少四种元素，且其中所述多组分合金产品包含5-35at.％的所述至少四种元素中的每一种。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述3D多组分合金产品是其中含有M-O颗粒的氧化物弥散强化3D多组分合金产品，其中M是金属且O是氧。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述氧化物弥散强化3D多组分合金产品包含足量的氧化物以促进氧化物弥散强化，且其中所述氧化物弥散强化3D金属合金产品包含不大于10wt.％氧化物。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述M-O颗粒选自由以下组成的群组：Y2O3、Al2O3、TiO2、La2O3，和其组合。
39.一种增材制造系统，其包含：
第一粉末供应器，其具有第一粉末储集器以便分配第一粉末原料；
第二粉末供应器，其位于所述第一粉末供应器的下游，其中所述第二粉末供应器具有第二储集器以便分配第二粉末原料；
粉末撒布器，其被配置成：
(a)从所述第一粉末供应器聚集所述第一粉末原料；
(b)从所述第二粉末供应器聚集所述第二粉末原料；
(c)从所述第一粉末供应器至少移动到所述第二粉末供应器；
(d)从所述第一和第二粉末供应器中的至少一个移动到构建空间以便构建增材制造产品，其中所述构建空间位于所述第二粉末供应器的下游，且其中所述构建空间包含构建储集器以便接收粉末原料。
40.根据权利要求39所述的增材制造系统，其包含：
与所述第一粉末供应器、所述第二粉末供应器和所述构建空间关联的分配表面；
其中所述聚集装置被配置成沿着所述分配表面随着所述第一和第二粉末原料中的至少一个移动。
41.根据权利要求40所述的增材制造系统，其中所述第一粉末供应器包含：
安置于所述第一储集器内的第一平台，其中所述第一平台被配置成在所述第一储集器内上下纵向移动；
其中所述第一储集器被配置成含有所述第一粉末原料；
其中所述第一平台可由控制器控制，以相对于所述分配表面提供可控体积的所述第一粉末原料。
42.根据权利要求41所述的增材制造系统，其中所述分配表面安置于所述第一平台的上方。
43.根据权利要求42所述的增材制造系统，其中所述粉末撒布器被配置成沿着所述分配表面从所述第一储集器移动到所述第二储集器。
44.根据权利要求43所述的增材制造系统，其中所述粉末撒布器被配置成沿着所述分配表面从所述第二储集器移动到所述构建储集器。
45.根据权利要求43所述的增材制造系统，其包含安置于所述第二储集器与所述构建储集器之间的振动装备。
46.根据权利要求40所述的增材制造系统，其中所述分配表面是平面且界定所述粉末撒布器的上工作表面。
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