CN109641274A - 用于增材制造的金属粉末原料、及其生产系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于生产用于增材制造的金属粉末原料的系统和方法。在一个实施例中，方法包括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，其中所述第一原料和所述第二原料中的至少一种在其中包括金属颗粒，将所述第一原料和第二原料组合，从而生产金属粉末掺混料，并且将金属粉末掺混料提供到增材制造系统的构建空间。

Description

用于增材制造的金属粉末原料、及其生产系统和方法
背景技术
增材制造被定义为“从3D模型数据连接材料以制备物体的过程，通常是逐层的，与减材制造方法相反”。名称为“Standard Terminology for Additively ManufacturingTechnologies”的ASTM F2792-12a。粉末可用于一些增材制造技术，例如粘结剂喷射、粉末床熔融或定向能量沉积中，以生产增材制造的零件。金属粉末有时用于生产基于金属的增材制造的零件。
附图说明
图1a是使用粘合剂头部的粉末床增材制造系统的一个实施例的示意图。
图1b是使用激光器的粉末床增材制造系统的另一个实施例的示意图。
图1c是使用多个粉末进料供应器和激光器的粉末床增材制造系统的另一个实施例的示意图。
图2是使用多个粉末进料供应器以生产定制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。
图3a-3f是增材制造产品的示意性横截面视图，所述增材制造产品具有第一区域(400)和不同于第一区域的第二区域(500)，其中所述第一区域经由第一金属粉末产生，并且第二区域经由不同于第一金属粉末的第二金属粉末产生。
图4是具有大致均匀的微观结构的增材制造产品(1000)的示意性横截面视图。
图5a-5d是增材制造产品的示意性横截面视图，所述增材制造产品由单一金属粉末生产，并且具有金属或金属合金的第一区域(1700)和不同相的第二区域(1800)，其中图5b-5d相对于图5a中所示的原始增材制造产品是变形的。
具体实施方式
广泛地说，本公开内容涉及用于增材制造中的定制的金属粉末原料、及其生产系统和方法。在一个方面，金属粉末原料可包括至少第一体积的第一颗粒类型(“第一颗粒”)和第二体积的第二颗粒类型(“第二颗粒”)。定制的金属粉末原料可包括另外类型和体积的颗粒(第三体积、第四体积等)。第一颗粒和第二颗粒中的至少一种包含其中具有至少一种金属的金属颗粒。在一个实施例中，第一颗粒和第二颗粒两者均包含金属颗粒，并且颗粒的金属相对于每个体积的颗粒可为相同或不同的。如下文节段B中进一步详细描述的，定制的金属粉末原料可在适当的增材制造器械中原位生产。
A.金属粉末原料
如本文使用的，“金属粉末”意指包含多种金属颗粒，任选地具有一些非金属颗粒的材料，如下文所述。金属粉末的金属颗粒可具有预先选择的物理性质和/或预先选择的组成，从而促进定制的增材制造产品的生产。金属粉末可用于金属粉末床中，以经由增材制造生产定制产品。类似地，金属粉末的任何非金属颗粒可具有预先选择的物理性质和/或预先选择的组成，从而促进通过增材制造的定制的增材制造产品的生产。非金属粉末可用于金属粉末床中，以经由增材制造生产定制产品。
如本文使用的，“金属颗粒”意指包含至少一种金属的颗粒。金属颗粒可为单金属颗粒、多金属颗粒和金属-非金属(M-NM)颗粒，如下文所述。作为一个例子，金属颗粒可经由气体雾化而产生。
如本文使用的，“颗粒”意指具有适用于粉末床的粉末中的尺寸(例如，5微米至100微米的尺寸)的微小物质碎片。颗粒可例如经由气体雾化而产生。
为了本专利申请的目的，“金属”是下述元素之一：铝(Al)、硅(Si)、锂(Li)、碱土金属的任何有用元素、过渡金属的任何有用元素、后过渡金属的任何有用元素、以及稀土元素的任何有用元素。
如本文使用的，碱土金属的有用元素是铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)和锶(Sr)。
如本文使用的，过渡金属的有用元素是下表1中所示的任何金属。
表1-过渡金属
如本文使用的，后过渡金属的有用元素是下表2中所示的任何金属。
表2-后过渡金属
如本文使用的，稀土元素的有用元素是钪、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。
如本文使用的，非金属颗粒是基本上不含金属的颗粒。如本文使用的，“基本上不含金属”意指颗粒不包括除了作为杂质之外的任何金属。非金属颗粒尤其包括例如氮化硼(BN)和碳化硼(BC)颗粒、碳基聚合物颗粒(例如，短链烃或长链烃(分支或未分支的))、碳纳米管颗粒和石墨烯颗粒。非金属材料也可为非微粒形式，以帮助增材制造产品的生产或定型。
在一个实施例中，至少一些金属颗粒基本上由单一金属组成(“单金属颗粒”)。单金属颗粒可基本上由可用于生产产品的任一种金属，例如上文定义的任一种金属组成。在一个实施例中，单金属颗粒基本上由铝组成。在一个实施例中，单金属颗粒基本上由铜组成。在一个实施例中，单金属颗粒基本上由锰组成。在一个实施例中，单金属颗粒基本上由硅组成。在一个实施例中，单金属颗粒基本上由镁组成。在一个实施例中，单金属颗粒基本上由锌组成。在一个实施例中，单金属颗粒基本上由铁组成。在一个实施例中，单金属颗粒基本上由钛组成。在一个实施例中，单金属颗粒基本上由锆组成。在一个实施例中，单金属颗粒基本上由铬组成。在一个实施例中，单金属颗粒基本上由镍组成。在一个实施例中，单金属颗粒基本上由锡组成。在一个实施例中，单金属颗粒基本上由银组成。在一个实施例中，单金属颗粒基本上由钒组成。在一个实施例中，单金属颗粒基本上由稀土元素组成。
在另一个实施例中，至少一些金属颗粒包括多种金属(“多金属颗粒”)。例如，多金属颗粒可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，多金属颗粒基本上由铝合金组成。在一个实施例中，多金属颗粒基本上由钛合金组成。在一个实施例中，多金属颗粒基本上由镍合金组成。在一个实施例中，多金属颗粒基本上由钴合金组成。在一个实施例中，多金属颗粒基本上由铬合金组成。在一个实施例中，多金属颗粒基本上由钢组成。
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与至少一种非金属。非金属元素的例子包括氧、碳、氮和硼。M-NM颗粒的例子包括金属氧化物颗粒(例如Al2O3)、金属碳化物颗粒(例如TiC)、金属氮化物颗粒(例如Si3N4)、金属硼化物(例如TiB2)及其组合。
定制金属粉末原料的金属颗粒和/或非金属颗粒可具有定制的物理性质。例如，可预先选择颗粒尺寸、粉末的粒度分布和/或颗粒的形状。在一个实施例中，定制至少一些颗粒的一种或多种物理性质，以便控制密度(例如，堆积密度和/或振实密度)、金属粉末的流动性、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)中的至少一种。例如，通过调节颗粒的粒度分布，可限制粉末床中的空隙，从而降低粉末床的空隙体积百分比。依次地，可生产具有实际密度接近于理论密度的增材制造产品。在这方面，金属粉末可包含具有不同尺寸分布的粉末掺混料。例如，金属粉末可包含具有第一粒度分布的第一颗粒和具有第二粒度分布的第二颗粒的掺混料，其中所述第一粒度分布和第二粒度分布是不同的。金属粉末还可包含具有第三粒度分布的第三颗粒、具有第四粒度分布的第四颗粒等等。因此，可经由具有不同粒度分布的不同金属粉末的掺混来尤其定制尺寸分布特征，例如中值粒度、平均粒度和粒度的标准差。
在一个实施例中，最终的增材制造产品实现了在产品理论密度的98％内的密度。在另一个实施例中，最终的增材制造产品实现了在产品理论密度的98.5％内的密度。在另外一个实施例中，最终的增材制造产品实现了在产品理论密度的99.0％内的密度。在另一个实施例中，最终的增材制造产品实现了在产品理论密度的99.5％内的密度。在另外一个实施例中，最终的增材制造产品实现了在产品理论密度的99.7％或更高内的密度。
定制的金属粉末原料可包含单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒和/或非金属颗粒的任何组合，以产生增材制造产品，并且任选地，具有任何预先选择的物理性质。
例如，金属粉末可包含第一类金属颗粒与第二类颗粒(金属或非金属)的掺混料，其中所述第一类金属颗粒与所述第二类金属颗粒不同(组成上不同、物理上不同或两者)。金属粉末还可包含第三类颗粒(金属或非金属)、第四类颗粒(金属或非金属)等等。金属粉末在增材制造产品的增材制造整个期间可为相同的金属粉末，或者金属粉末可在增材制造过程期间改变。
B.增材制造
如上所述，定制的金属粉末原料用于至少一种增材制造操作中。如本文使用的，“增材制造”意指“从3D模型数据连接材料以制备物体的过程，通常是逐层的，与减材制造方法相反”，如名称为“Standard Terminology for Additively ManufacturingTechnologies”的ASTM F2792-12a中限定的。本文所述的增材制造产品可经由该ASTM标准中描述的任何适当的增材制造技术进行制造，所述增材制造技术尤其利用颗粒，例如粘结剂喷射、定向能量沉积、材料喷射或粉末床熔化。
在一个实施例中，金属粉末床用于制造增材制造产品(例如，定制的增材制造产品)。如本文使用的，“金属粉末床”意指包含金属粉末的床。在增材制造期间，不同组成的颗粒可熔融(例如，快速熔融)，然后固化(例如，在不存在均匀混合的情况下)。因此，可生产具有均匀或非均匀微观结构的增材制造产品。
使用金属粉末床布置用于生产定制的增材制造产品的一种方法在图1a中示出。在所示的方法中，系统(100)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)包括粉末储存器(121)、平台(123)、以及与平台(123)联接的可调节装置(124)。调节装置(124)是可调节的(经由控制系统，未示出)，以在粉末储存器(121)内上下移动平台(123)。构建空间(110)包括构建储存器(151)、构建平台(153)、以及与构建平台(153)联接的可调节装置(154)。可调节装置(154)是可调节的(经由控制系统，未示出)，以在构建储存器(151)内适当地上下移动构建平台(153)，以促进来自粉末供应器(120)的金属粉末原料(122)的接收和/或定制的3-D金属零件(150)的生产。
粉末撒布器(160)连接到控制系统(未示出)，并且可操作以从粉末储存器(121)移动到构建储存器(151)，从而将预先选择量的粉末原料(122)供应到构建储存器(151)。在所示实施例中，粉末撒布器(160)是辊，并且被配置为沿着系统的分配表面(140)辊压，以聚集预先选择体积(128)的粉末原料(122)，并且将该预先选择体积(128)的粉末原料(122)移动到构建储存器(151)(例如，通过推移/辊压粉末原料)。例如，平台(123)可移动到适当的直立位置，其中预先选择体积(128)的粉末原料(122)位于分配表面(140)上方。相应地，可降低构建空间(110)的构建平台(153)，以容纳预先选择体积(128)的粉末原料(122)。当粉末撒布器(160)从粉末储存器(121)的入口侧(图1a中的左手侧)移动到出口侧(图1a的右手侧)时，粉末撒布器(160))将聚集大部分或全部预先选择体积(128)的粉末原料(122)。当粉末撒布器(160)沿着分配表面(140)继续时，聚集体积的粉末(128)将移动到构建储存器(151)，并且在其中例如以金属粉末层的形式分配。粉末撒布器(160)可将聚集体积(128)的金属粉末原料(122)移动到构建储存器(151)内，或者可将聚集体积(128)移动到与分配表面共面的表面上(140)，以生产一层金属粉末原料。在一些实施例中，粉末撒布器(160)可将聚集的粉末(128)在构建储存器(151)内塞满/致密化。虽然粉末撒布器(160)显示为圆柱形辊，但撒布器可为任何适当的形状，例如矩形(例如，当使用刮板时)或其它形状。在这方面，取决于其配置，粉末撒布器(160)可将适当聚集体积(128)的金属粉末原料(122)辊压、推移、刮擦或以其它方式移动到构建储存器(151)。此外，在其它实施例(未示出)中，料斗或类似装置可用于将粉末原料提供到分配表面(140)和/或直接提供到构建储存器(151)。
在粉末撒布器(160)已将聚集体积的粉末(128)分配到构建储存器(151)之后，粉末撒布器(160)然后可远离构建储存器(151)移动到例如中立位置、或粉末储存器(121)的入口侧上游的位置(图1a中的左侧)。接下来，系统(100)使用粘合剂供应器(130)及其相应的粘合剂头部(132)，以向构建储存器(151)中包含的聚集体积的粉末(128)选择性地提供(例如，喷涂)粘合剂。具体地，粘合剂供应器(130)电连接到具有3-D零件的3-D计算机模型的计算机系统(192)和控制器(190)。在聚集体积(128)的粉末已提供到构建储存器(151)之后，粘合剂供应器(130)的控制器(190)使粘合剂头部(132)在适当的XY方向上移动，根据计算机(192)的3-D计算机模型，将粘合剂喷涂到粉末体积上。
在粘合剂喷涂步骤结束时，可降低构建平台(153)，可升高粉末供应器平台(123)，并且重复该过程，其中多个聚集体积(128)经由粉末撒布器(160)序贯提供到构建储存器(151)，直到完成多层定制的3-D零件(150)。需要时，可在一次或多次喷涂操作之间使用加热器(未示出)，以固化(例如，部分固化)喷涂有粘合剂的任何粉末。然后可从构建空间(110)去除最终的定制3-D零件(150)，其中去除过量的粉末(152)(未被粘合剂实质性喷涂)，仅留下最终的“未加工的”定制3-D零件(150)。然后可在炉子或其它合适的加热器械中加热最终的未加工的定制3-D零件(150)，从而烧结零件和/或从零件中去除挥发性组分(例如，来自粘合剂供应器)。在一个实施例中，最终的定制3-D零件(150)包含金属粉末原料的均匀分布或接近均匀的分布(例如，如图4中所示)。任选地，构建基材(155)可用于构建最终的定制3-D零件(150)，并且该构建基材(155)可掺入最终的定制3-D零件(150)内，或者构建基材可从最终的定制3-D零件(150)中排除。构建基材(155)本身可为金属或含金属产品(与3-D零件不同或相同)，或者可为其它材料(例如，塑料或陶瓷)。
如上所述，粉末撒布器(160)可经由分配表面(140)将聚集体积(128)的金属粉末原料(122)移动到构建储存器(151)。在另一个实施例中，构建空间(110)和粉末供应器(120)中的至少一个是可操作的，以在横向方向上(例如，在X方向上)移动，使得构建空间(110)和粉末供应器(120)的一个或多个外表面相接触。依次地，粉末撒布器(160)可直接地且在构建储存器(151)和粉末储存器(121)之间不存在任何介入表面的情况下，将预先选择体积(128)的金属粉末原料(122)移动到构建储存器(151)。
如指出的，粉末供应器(120)包括可调节装置(124)，其是可调节的(经由控制系统，未示出)，以在粉末储存器(151)内上下移动平台(123)。在一个实施例中，可调节装置(124)是螺杆或其它合适的机械器械的形式。在另一个实施例中，可调节装置(124)是液压装置。同样地，构建空间的可调节装置(154)可为机械器械(例如，螺杆)或液压装置。
如上文指出的，粉末储存器(121)包括金属粉末原料(122)。该粉末原料(122)可包括单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒、非金属颗粒及其组合，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。因此，可生产定制的含3-D金属的零件。在一个实施例中，至少50体积％的粉末原料(122)包含单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒及其组合。在另一个实施例中，至少75体积％的粉末原料(122)包含单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒及其组合。在另一个实施例中，至少90体积％的粉末原料(122)包含单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒及其组合。
在一个实施例中，粉末原料(122)包括足够量的单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒、非金属颗粒及其组合，以制备铝基3-D零件。在一个实施例中，粉末原料(122)包括足够量的单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒、非金属颗粒及其组合，以制备钛基3-D零件。在一个实施例中，粉末原料(122)包括足够量的单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒、非金属颗粒及其组合，以制备钴基3-D零件。在一个实施例中，粉末原料(122)包括足够量的单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒、非金属颗粒及其组合，以制备镍基3-D零件。在一个实施例中，粉末原料(122)包括足够量的单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒、非金属颗粒及其组合，以制备铁基3-D零件。铝基零件包括铝作为主要组分。钛基零件包括钛作为主要组分。钴基部分包括钛作为主要组分。镍基零件包括钛作为主要组分。铁基零件包括铁作为主要组分。在一个实施例中，3-D零件是铝合金。在另一个实施例中，3-D零件是钛合金。在另一个实施例中，3-D零件是钴合金。在另一个实施例中，3-D零件是镍合金。在一个实施例中，3-D零件是钢。
在一种方法中，粉末原料(122)包括足够量的单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒、非金属颗粒及其组合，以制备金属基质复合材料3-D零件。金属基质复合材料在其中具有含有M-NM和/或非金属特征的金属基质。在一个实施例中，粉末原料(122)包括足够量的单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒、非金属颗粒及其组合，以制备氧化物弥散强化3-D金属合金零件。在一个实施例中，3-D金属零件是含有不大于10重量％氧化物的铝合金。在一个实施例中，3-D金属零件是含有不大于10重量％氧化物的钛合金。在一个实施例中，3-D金属零件是含有不大于10重量％氧化物的镍合金。在这方面，金属粉末原料可包括M-O颗粒，其中M是金属且O是氧。合适的M-O颗粒尤其包括Y2O3、Al2O3、TiO2，和La2O3。
图1b利用与图1a大致相同的配置，但使用激光器系统(188)(或电子束)代替粘合剂系统来产生3-D产品(150')。图1a的所有实施例和描述因此适用于图1b的实施例，除了粘合剂供应器(130)之外。相反，激光器(188)电连接到具有3-D零件的3-D计算机模型的计算机系统(192)和合适的控制器(190')。在聚集体积(128)的粉末已提供到构建储存器(151)之后，激光器(188)的控制器(190')使激光器(188)在适当的XY方向上移动，根据计算机(192)的3-D计算机模型，加热粉末体积的选择部分。在这样做时，激光器(188)可将一部分粉末加热到高于待形成产品的液相线温度的温度，从而形成熔池。随后可移动和/或关闭激光器(例如，经由控制器190')，从而以至少1000℃/秒的冷却速率冷却熔池，从而形成最终的定制3-D零件(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。在激光照射过程结束时，可降低构建平台(153)，并且重复该过程，直到完成多层定制的3-D零件(150')。如上所述，然后可从构建空间(110)去除最终的定制3-D零件，其中去除过量的粉末(152')(未被实质性激光照射)。当电子束用作激光器(188)时，冷却速率可为至少10℃/秒(固有地或经由受控冷却)，从而形成最终的定制3-D零件(150’)的一部分。
在一个实施例中，构建空间(110)包括加热器械(未示出)，其可有意地加热构建空间(110)的构建储存器(151)的一个或多个部分，或者其中包含的粉末或激光照射的物体。在一个实施例中，加热器械加热构建储存器(151)的底部部分。在另一个实施例中，加热器械加热构建储存器(151)的一个或多个侧面部分。在另一个实施例中，加热器械加热构建储存器(151)的底部和侧面的至少一部分。例如，加热器械可用于在冷却激光照射的3-D零件(150’)期间控制冷却速率和/或松弛残余应力。因此，对于一些金属产品可实现更高的产率。在一个实施例中，受控加热和冷却用于在激光照射的3-D零件(150’)的一个或多个部分内产生受控的局部热梯度。受控的局部热梯度可促进例如最终激光照射的3-D零件(150’)内的定制纹理。图1b的系统可使用本文所述的任何金属粉末原料。此外，构建基材(155’)可用于构建最终的定制3-D零件(150’)，并且该构建基材(155’)可掺入最终的定制3-D零件(150’)内，或者构建基材可从最终的定制3-D零件(150’)中排除。构建基材(155’)本身可为金属或含金属产品(与3-D零件不同或相同)，或者可为其它材料(例如，塑料或陶瓷)。
在另一种方法中，并且现在参考图1c，多个粉末供应器(120a、120b)可用于将多种粉末原料(122a、122b)进料到构建储存器(151)，以促进定制的金属3-D产品的生产。在图1c的实施例中，第一粉末撒布器(160a)可将第一粉末供应器(120a)的第一粉末原料(122a)进料到构建储存器(151)，并且第二粉末撒布器(160b)可将第二粉末供应器(120b)的第二粉末原料(122b)进料到构建储存器(151)。第一粉末原料和第二粉末原料(122a、122b)可以任何合适的量和任何合适的次序提供，以促进定制的金属3-D产品的生产。作为一个具体例子，可使用第一粉末原料(122a)，并且如上文相对于图1a-1b所述，生产3-D产品的第一层。随后可使用第二粉末原料(122b)，并且如上文相对于图1a-1b所述，生产3-D产品的第二层。因此，可生产定制的金属3-D产品。在一个实施例中，第二层上覆第一层(例如，如图3a中所示，显示了上覆第一部分(400)的第二部分(500))。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。
作为另一个例子，第一粉末撒布器(160a)可仅部分地将第一原料(122a)提供到构建储存器(151)，特别地且有意地留下间隙。随后，第二粉末撒布器(160b)可将第二原料(122b)提供到构建储存器(151)，至少部分地填充间隙。激光器(188)可在相对于这些第一辊压操作和第二辊压操作的任何合适的时间利用。依次地，可生产多区域3-D产品，其中第一部分(400)横向地邻近第二部分(500)(例如，如图3b中所示)。实际上，系统(100”)可适当地操作构建空间(110)、粉末供应器(120a、120b)和粉末撒布器(160a、160b)，以产生图3a-3f中所示的任何实施例。
第一粉末原料和第二粉末原料(122a、122b)可具有相同的组成(例如，为了速度/效率目的)，但一般具有不同的组成。第一粉末原料和第二粉末原料(122a、122b)中的至少一种包括单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒、非金属颗粒及其组合，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。因此，可生产定制的含3-D金属的零件。在一个实施例中，至少50体积％的第一粉末原料和/或第二粉末原料(122a、122b)包含单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒及其组合。在另一个实施例中，至少75体积％的第一粉末原料和/或第二粉末原料(122a、122b)包含单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒及其组合。在另一个实施例中，至少90体积％的第一粉末原料和/或第二粉末原料(122a、122b)包含单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒及其组合。
第一原料和第二原料(122a、122b)的任何组合都可用于生产定制的金属3-D产品。在一种方法中，第一原料(122a)包含第一组成掺混料，并且第二原料(122b)包含不同于第一组成的第二组成掺混料。然而，第一粉末原料和第二粉末原料(122a、122b)各自仍然包括单金属颗粒、多金属颗粒和/或M-NM颗粒中的至少一种。在一种方法中，第一组成和第二组成至少部分重叠，其中所述第一原料和第二原料(122a、122b)包括至少一种共同金属元素，所述金属元素可包括在单金属颗粒、多金属颗粒和/或M-NM颗粒中。在另一种方法中，第一组成和第二组成是非重叠的，其中所述第一原料和第二原料(122a、122b)不包括在单金属、多金属或M-NM颗粒中的任何相同金属元素。
与上文图1a-1b的方法一样，虽然粉末撒布器(160a、160b)显示为圆柱形，但粉末撒布器(160a、160b)可为任何合适的形状，例如矩形或其它形状。在这方面，取决于其配置，粉末撒布器(160a、160b)可将原料(122a、122b)辊压、推移、刮擦或以其它方式移动到构建储存器(151)。另外，任选地，构建基材(155”)可用于构建最终的定制3-D零件(150”)，并且该构建基材(155”)可掺入最终的定制3-D零件(150”)内，或构建基材可从最终的定制3-D零件(150”)中排除。构建基材(155”)本身可为金属或含金属产品(与3-D零件不同或相同)，或者可为其它材料(例如，塑料或陶瓷)。虽然图1c的系统示出为使用激光器(188)，但图1c的系统可替代地可使用如上文相对于图1a所述的粘合剂系统。
图2是用于制备多粉末原料(222)的系统(200)的示意图。在所示的实施例中，系统(200)显示为向粉末床构建空间(110)提供多粉末原料，例如上文相对于图1a-1c描述的那些，然而，系统(200)可用于生产用于任何合适的增材制造方法的多组分粉末。
图2的系统(200)包括多个粉末供应器(220-1、220-2至220-n)和相应的多个粉末储存器(221-1、221-2至221-n)、粉末原料(222-1、222-2至222-n)、平台(223-1、223-2至223-n)和调节装置(224-1、224-2至224-n)，如上文相对于图1a-1c所述。同样地，构建空间(210)包括构建储存器(251)、构建平台(253)、以及与构建平台(253)联接的可调节装置(254)，如上文相对于图1a-1c所述。
粉末撒布器(260)可为可操作的，以在第一位置(202a)和第二位置(202b)之间(往返)移动，所述第一位置在第一粉末供应器(220-1)的上游，并且第二位置(202b)在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)朝向第二位置(202b)移动时，它将从第一粉末供应器(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，从而产生聚集体积(228)。可对于每个辊压循环定制且控制第一原料到最终原料(220-1至220-n)的体积和组成，以促进定制的3-D产品或其部分的生产。
例如，第一粉末供应器(220-1)可包括第一金属粉末(例如，单金属粉末)作为其原料(222-1)，并且第二粉末供应器(220-2)可包括第二金属粉末(例如，多金属粉末)作为其原料(222-2)。随着粉末撒布器(260)从第一粉末供应器(220-1)的上游，沿着分配表面(240)，移动到第二粉末供应器(220-2)的下游，粉末撒布器(260)可聚集第一体积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)朝向构建储存器(251)移动时，第一粉末和第二粉末可混合(例如，通过翻转，通过向上表面(240)施加振动，例如经由任选的振动器械(275)或通过其它混合/搅拌手段)。随着粉末撒布器(260)朝向第二位置(202b)移动，可利用或避开随后的粉末原料(222-3(未示出)至222-n)(例如，通过关闭粉末供应器的顶部)。最后，最终的粉末原料(222＝2221+2+…n)可提供用于增材制造，例如用于粉末床构建空间(210)中。然后可使用激光器(188)，如上文相对于图1b所述，以生产最终的定制3-D零件(250)的一部分。
系统(200)的灵活性促进图3a-3f、4和5a-5d中所示的任何产品的原位生产。具有任何合适组成和任何合适的粒度分布的任何合适的粉末都可用作系统(200)的原料(222-1至222-n)。例如，为了生产均匀的3-D产品，例如图4中所示的那种，一般可利用对于每个辊压循环相同的体积和组成。为了生产多区域产品，例如图3a-3f中所示的那种，粉末撒布器(260)可适当地从相同或不同的粉末供应器聚集不同体积的原料。作为一个例子，为了生产图3a的分层产品，第一辊压循环可从第一粉末供应器(220-1)聚集第一体积的原料(222-1)，并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，并且为了产生第二不同层，可调节第一粉末供应器(220-1)的高度(经由其平台)，以提供不同体积的第一原料(222-1)(第二粉末供应器(220-2)的高度可保持相同或者也可改变)。依次地，由于在后续循环中利用不同体积的第一原料，将产生不同的粉末掺混料，从而产生不同的材料层。
作为替代方案，可控制系统(200)，使得粉末撒布器(260)仅从适当的粉末供应器(220-2至220-n)聚集材料，以产生所需的材料层。例如，可控制粉末撒布器(260)，以避开适当的粉末供应器(例如，非线性移动以避开)。作为另一个例子，粉末供应器(220-1至220-n)可包括可选择性操作的盖子或封闭物，使得系统(200)可通过选择性地关闭此类盖子或封闭物，对于任何适当的循环去除与粉末撒布器(260)连通的任何适当的粉末供应器(220-1至220-n)。
可经由合适的控制系统控制粉末撒布器(260)，以从第一位置(202a)移动到第二位置(202b)、或其间的任何位置。例如，在一个循环之后，粉末撒布器(260)可返回到在第一粉末供应器(220-1)下游和第二粉末供应器(220-2)上游的位置，以促进适当体积的第二原料(222-2)的聚集，完全避开第一原料(222-1)。此外，粉末撒布器(260)可适当地以线性或非线性方式移动，以聚集适当量的原料(222-1至222-n)用于增材制造操作。另外，多个辊可用于移动和/或掺混原料(222-1至222-n)。最后，虽然图2中示出了多于两个粉末供应器(222-1至222-n)，但两个粉末供应器(222-1至222-2)也是有用的。
C.可通过图1a-1c和2的器械和系统生产的增材制造的3-D金属产品的非限制性例 子。
如上文指出的，图1a-1c和图2中描述的增材制造器械和系统可用于制造任何合适的含金属的3-D产品。在一个实施例中，在增材制造过程自始至终使用相同的通用粉末来生产最终的定制3-D金属产品。例如，并且现在参考图4，最终的定制产品(1000)可包括通过在增材制造过程期间使用大致相同的金属粉末而生产的单个区域。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个中，非金属颗粒可任选地用于金属粉末中。在这些实施例的任一个中，多种不同类型的单金属颗粒、多金属颗粒、M-NM颗粒和/或非金属颗粒可用于生产金属粉末。例如，由单金属颗粒组成的金属粉末可包括多种不同类型的单金属颗粒。作为另一个例子，由多金属颗粒组成的金属粉末可包括多种不同类型的多金属颗粒。作为另一个例子，由单金属颗粒和多金属颗粒组成的金属粉末可包括多种不同类型的单金属颗粒和/或多金属颗粒。类似原理适用于M-NM和非金属颗粒。
作为一个具体例子，并且现在参考图5a-5d，单一金属粉末可包括以下的掺混料：(1)(a)M-NM颗粒和(b)非金属颗粒(例如，BN颗粒)中的至少一种，以及(2)(a)单金属颗粒或(b)多金属颗粒中的至少一种。单一粉末掺混料可用于生产具有大体积的第一区域(1700)和较小体积的第二区域(1800)的主体(1500)。例如，第一区域(1700)可包括金属或金属合金区域(例如，由于单金属颗粒和/或多金属颗粒)，例如上述金属合金中的任一种，并且第二区域(1800)可包括M-NM区域(例如，由于M-NM颗粒和/或非金属颗粒)。在生产之后或生产期间，包括第一区域(1700)和第二区域(1800)的增材制造产品可变形(例如，通过辊压、挤压、锻制、拉伸、压缩中的一种或多种)，如图5b-5d中所示。例如，由于第一区域(1700)和M-NM第二区域(1800)之间的界面，最终变形的产品可实现更高的强度，这可约束平面滑移。
最终的定制产品可替代地包括至少两个分开产生的不同区域。在一个实施例中，不同的金属粉末类型可用于生产3-D产品。例如，第一金属粉末供应器可包含第一金属粉末，并且第二金属粉末供应器可包含不同于第一金属粉末的第二金属粉末(例如，如图1c和2中所示)。第一金属粉末供应器可用于生产3-D产品的第一层或一部分，并且第二金属粉末供应器可用于生产3-D产品的第二层或一部分。例如，并且现在参考图3a-3f，可存在第一区域(400)和第二区域(500)。为了生产第一区域(400)，构建储存器的第一部分(例如，一层)可包含来自第一粉末供应器的第一金属粉末。为了生产第二区域(500)，构建储存器金属粉末的第二部分(例如，一层)可包含来自第二金属粉末供应器的第二金属粉末，所述第二金属粉末不同于第一层(组成上和/或物理上不同)。可生产第三不同区域、第四不同区域等等。因此，可预先选择在增材制造过程期间金属粉末的总体组成和/或物理性质，导致得到具有定制组成和/或微观结构的定制金属或金属合金产品。
在一个方面，第一粉末供应器的第一金属粉末由单金属颗粒组成。第一金属粉末可用于第一金属粉末床层中，以产生定制3-D金属主体的第一区域(400)。随后，第二粉末供应器的第二金属粉末可用作第二金属粉末床层，以产生定制3-D金属主体的第二区域(500)(例如，根据图1c或图2)，或者在提供到构建储存器之前(例如，根据图2)，可与第一金属粉末掺混。在一个实施例中，第二金属粉末由另一类单金属颗粒组成。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。在另外一个实施例中，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。在另外一个实施例中，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。在另外一个实施例中，第二金属粉末由M-NM颗粒组成。在这些实施例的任一个中，非金属颗粒可任选地用于第二金属粉末中，以产生第二区域。
在另一个方面，第一粉末供应器的第一金属粉末由多金属颗粒组成。第一金属粉末可用于第一金属粉末床层中，以产生定制3-D金属主体的第一区域(400)。随后，第二粉末供应器的第二金属粉末可用作第二金属粉末床层，以产生定制3-D金属主体的第二区域(500)(例如，根据图1c或图2)，或者在提供到构建储存器之前(例如，根据图2)，可与第一金属粉末掺混。在一个实施例中，第二金属粉末由另一类多金属颗粒组成。在另一个实施例中，第二金属粉末由单金属颗粒组成。在另外一个实施例中，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。在另外一个实施例中，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。在另外一个实施例中，第二金属粉末由M-NM颗粒组成。在这些实施例的任一个中，非金属颗粒可任选地用于第二金属粉末中，以产生第二区域。
在另一个方面，第一粉末供应器的第一金属粉末由M-NM颗粒组成。第一金属粉末可用于第一金属粉末床层中，以产生定制3-D金属主体的第一区域(400)。随后，第二粉末供应器的第二金属粉末可用作第二金属粉末床层，以产生定制3-D金属主体的第二区域(500)(例如，根据图1c或图2)，或者在提供到构建储存器之前(例如，根据图2)，可与第一金属粉末掺混。在一个实施例中，第二金属粉末由另一类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。在另外一个实施例中，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。在另外一个实施例中，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个中，非金属颗粒可任选地用于第二金属粉末中，以产生第二区域。
在另一个方面，第一粉末供应器的第一金属粉末由单金属颗粒和多金属颗粒的混合物组成。第一金属粉末可用于第一金属粉末床层中，以产生定制3-D金属主体的第一区域(400)。随后，第二粉末供应器的第二金属粉末可用作第二金属粉末床层，以产生定制3-D金属主体的第二区域(500)(例如，根据图1c或图2)，或者在提供到构建储存器之前(例如，根据图2)，可与第一金属粉末掺混。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。在另外一个实施例中，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。在另外一个实施例中，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。在另外一个实施例中，第二金属粉末由M-NM颗粒组成。在这些实施例的任一个中，非金属颗粒可任选地用于第二金属粉末中，以产生第二区域。
在另一个方面，第一粉末供应器的第一金属粉末由单金属颗粒和M-NM颗粒的混合物组成。第一金属粉末可用于第一金属粉末床层中，以产生定制3-D金属主体的第一区域(400)。随后，第二粉末供应器的第二金属粉末可用作第二金属粉末床层，以产生定制3-D金属主体的第二区域(500)(例如，根据图1c或图2)，或者在提供到构建储存器之前(例如，根据图2)，可与第一金属粉末掺混。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。在另外一个实施例中，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。在另外一个实施例中，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。在另外一个实施例中，第二金属粉末由M-NM颗粒组成。在这些实施例的任一个中，非金属颗粒可任选地用于第二金属粉末中，以产生第二区域。
在另一个方面，第一粉末供应器的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。第一金属粉末可用于第一金属粉末床层中，以产生定制3-D金属主体的第一区域(400)。随后，第二粉末供应器的第二金属粉末可用作第二金属粉末床层，以产生定制3-D金属主体的第二区域(500)(例如，根据图1c或图2)，或者在提供到构建储存器之前(例如，根据图2)，可与第一金属粉末掺混。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。在另外一个实施例中，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。在另外一个实施例中，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。在另外一个实施例中，第二金属粉末由M-NM颗粒组成。在这些实施例的任一个中，非金属颗粒可任选地用于第二金属粉末中，以产生第二区域。
在另一个方面，第一粉末供应器的第一金属粉末由多金属颗粒和M-NM颗粒的混合物组成。第一金属粉末可用于第一金属粉末床层中，以产生定制3-D金属主体的第一区域(400)。随后，第二粉末供应器的第二金属粉末可用作第二金属粉末床层，以产生定制3-D金属主体的第二区域(500)(例如，根据图1c或图2)，或者在提供到构建储存器之前(例如，根据图2)，可与第一金属粉末掺混。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。在另外一个实施例中，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。在另外一个实施例中，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。在另外一个实施例中，第二金属粉末由M-NM颗粒组成。在这些实施例的任一个中，非金属颗粒可任选地用于第二金属粉末中，以产生第二区域。
因此，图1a-1c和2的系统和器械可用于生产各种增材制造的3-D金属产品，例如图3a-3f、4和5a-5d中所示的任何单区域产品或多区域产品，以及使用任何合适的金属，包括铝基、钛基、钴基、镍基和铁基3-D金属产品，其中增材制造的3-D金属产品的至少第一区域包含这些金属基产品之一。
虽然已详细描述了本文所描述的新技术的各种实施例，但显而易见，本领域技术人员将想到那些实施例的修改和改编。不过，应明确地理解，此类修改和改编在本公开技术的精神和范围内。

Claims (23)

1.一种方法，其包括：
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；
其中所述第一原料和所述第二原料中的至少一种在其中包括金属颗粒；
合并所述第一原料和第二原料，从而生产金属粉末掺混料；
将所述金属粉末掺混料提供到所述增材制造系统的构建空间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一聚集包括经由辊机械推移所述第一原料，并且其中所述第二聚集包括经由所述辊机械推移所述第二原料。
3.根据权利要求2所述的方法，其包括：
经由所述辊将所述第一原料推向所述第二原料。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述提供步骤包括：
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。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一聚集步骤包括：
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。
6.根据权利要求5所述的方法，其包括：
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。
7.根据权利要求6所述的方法，其包括：
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。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第二聚集步骤和所述第四聚集步骤聚集等体积的所述第二原料。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其包括：
使用所述金属粉末掺混料，在所述增材制造系统的构建空间中生产定制的3-D金属产品。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述3-D金属产品是铝基3-D产品、钛基3-D产品、钴基3-D产品、镍基3-D产品和铁基3-D产品之一。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述3-D金属产品是铝合金3-D产品、钛合金3-D产品、钴合金3-D产品、镍合金3-D产品和钢3-D产品之一。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述3-D金属产品是金属基质复合材料3-D产品。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述3-D金属产品是其中具有M-O颗粒的氧化物弥散强化3-D金属合金产品，其中M是金属且O是氧。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述氧化物弥散强化3-D金属合金产品包含足够量的氧化物，以促进氧化物弥散强化，并且其中所述氧化物弥散强化3-D金属合金产品包含不大于10重量％的氧化物。
15.根据权利要求14的方法，其中所述M-O颗粒选自Y2O3、Al2O3、TiO2、La2O3及其组合。
16.一种增材制造系统，其包括：
第一粉末供应器，所述第一粉末供应器具有用于分配第一粉末原料的第一粉末储存器；
在所述第一粉末供应器下游的第二粉末供应器，其中所述第二粉末供应器具有用于分配第二粉末原料的第二储存器；
粉末撒布器，所述粉末撒布器配置为：
(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)至少从所述第一粉末供应器移动到所述第二粉末供应器；
(d)从所述第一粉末供应器和第二粉末供应器中的至少一个移动到用于构建增材制造产品的构建空间，其中所述构建空间在所述第二粉末供应器的下游，并且其中所述构建空间包括用于接收粉末原料的构建储存器。
17.根据权利要求16所述的增材制造系统，其包括：
分配表面，所述分配表面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相关联；
其中所述聚集装置配置为沿着所述分配表面与所述第一粉末原料和所述第二粉末原料中的至少一种一起移动。
18.根据权利要求17所述的增材制造系统，其中所述第一粉末供应器包括：
设置在所述第一储存器内的第一平台，其中所述第一平台配置为在所述第一储存器内纵向上下移动；
其中所述第一储存器配置为容纳所述第一粉末原料；
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。
19.根据权利要求18所述的增材制造系统，其中所述分配表面设置在所述第一平台上方。
20.根据权利要求19所述的增材制造系统，其中所述粉末撒布器配置为沿着所述分配表面从所述第一储存器移动到所述第二储存器。
21.根据权利要求20所述的增材制造系统，其中所述粉末撒布器配置为沿着所述分配表面从所述第二储存器移动到所述构建储存器。
22.根据权利要求20所述的增材制造系统，其包括设置在所述第二储存器和所述构建储存器之间的振动器械。
23.根据权利要求17所述的增材制造系统，其中所述分配表面是平面的，并且限定用于所述粉末撒布器的上加工表面。
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