CN109986078A - 用于增材制造材料的通过熔融池搅动的微结构改进方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于增材制造材料的通过熔融池搅动的微结构改进方法。本文描述了改善用于增材制造的金属材料的微结构的实例。实例可以包括通过将金属材料加热到熔融状态使得金属材料包括固液界面来生成一体物体的第一层。该实例可以进一步包括对第一层的金属材料施加电磁场或振动。在一些情况下，电磁场或振动扰动金属材料的第一层，导致成核位点在处于熔融状态的金属材料的固液界面处形成。实例还包括生成结合到一体物体的第一层的第二层。生成第二层增加了在处于熔融状态的金属材料的固液界面处的成核位点的数量。每个成核位点可以以空间随机取向生长晶体。

Description

用于增材制造材料的通过熔融池搅动的微结构改进方法
技术领域
本公开一般地涉及增材制造工艺，更具体地涉及用于改进用于增材制造的金属材料的微结构的技术。
背景技术
与依赖消减技术(例如切割、钻孔)以从主体形状中移除材料来达到最终形状的传统制造不同，增材制造通过根据三维(3D)数字模型精确地添加和固结材料层来构建形状。根据所使用的底层材料，各种固结技术可用于增材制造期望的结构，诸如粉末床熔合、直接能量沉积(焊接、电子束和激光加工)、光聚合、材料喷射、粘合剂喷射和挤出。
增材制造通常被用于由聚合材料构造功能性原型或部件。通常使用塑料、橡胶和其他聚合物材料，因为用于形成这些材料的层并将其混合在一起的固结技术是经济且容易获得的。相反，与固结金属材料的层(例如金属、合金、复合物)相关联的冶金学挑战通常减少甚至阻止它们用于增材制造的使用。因此，增材制造通常仅使用金属材料以生产用于医疗、航空或其他独特目的的高度专业化的部件。
对于金属材料固结技术困难的一个原因是材料的底层微结构。特别地，金属和合金由大量不规则形状的晶粒组成。虽然肉眼不可见，但晶粒的尺寸和布置影响材料的性质，包括其强度、延展性、应变率、疲劳耐久性和抗蠕变变形以及其他性质。
当金属材料层在增材制造期间完全固化时，最终材料的微结构具有更多的各向异性性质，这些性质会影响该层的耐用性、强度和其他性质。因为增材制造包括通过逐层工艺生成结构，所以各向异性性质经常由于逐层变化的、不一致的枝晶生长而加剧。
目前用于降低沉积层中各向异性性质的一种技术包括在添加后续层之前在每一层上应用滚轮(rolling wheel)。尽管滚轮技术可以促进沉积层内的晶粒重构，但使用滚轮所需的尺寸和空间限制了其对于以较厚的特征和简单的几何形状沉积材料的增材制造工艺的总体使用。因此，需要能够在增材制造期间改进金属材料沉积层的微结构的技术，而该增材制造能够适应具有各种类型设计的结构。
发明内容
在一个实例中，描述了一种方法。该方法包括使用金属材料生成一体物体的第一层。一体物体包括一个或多个互连的部件，并且第一层通过将金属材料加热到熔融状态而生成，使得金属材料包括固液界面。该方法还包括对第一层的金属材料施加电磁场。特别地，电磁场扰动金属材料的第一层，导致一个或多个成核位点形成在熔融状态的金属材料的固液界面处。该方法还包括生成被结合到一体物体的第一层的第二层。生成第二层增加了在处于熔融状态的金属材料的固液界面处的成核位点的数量。在一些情况下，每个成核位点以空间随机的取向生长晶体。
在另一实例中，描述了一种装置。该装置包括具有一个或多个互连部件的一体物体。一体物体包括使用金属材料生成的第一层。第一层通过将金属材料加热到熔融状态使得金属材料包括固液界面而生成。施加电磁场以扰动第一层金属材料，导致一个或多个成核位点在处于熔融状态下在金属材料的固液界面处形成。一体物体还包括被结合到一体物体的第一层的第二层。生成第二层增加了在处于熔融状态的金属材料的固液界面处的成核位点的数量。在一些情况下，每个成核位点以空间随机的取向生长晶体。
在另一实例中，描述了一种方法。该方法包括使用金属材料生成一体物体的第一层。一体物体包括一个或多个互连的部件，并且第一层通过将金属材料加热到熔融状态使得金属材料包括固液界面而生成。该方法还包括对第一层的金属材料施加电磁场。电磁场扰动第一层金属材料，导致一个或多个成核位点形成在熔融状态下在金属材料的固液界面处。该方法还包括对第一层的金属材料施加振动。振动导致在处于熔融状态下金属材料中生长的一个或多个枝晶断裂和分离，从而导致在金属材料的固液界面处的成核位点的数量增加。该方法还包括生成被结合到一体物体的第一层的第二层。特别地，生成第二层增加了在处于熔融状态的金属材料的固液界面处的成核位点的数量。在一些情况下，每个成核位点以空间随机的取向生长晶体。
已经讨论的特征、功能和优点可以在各种实例中独立地实现，或者可以在其他实例中组合，参考下面的描述和附图可以看到这些实例的进一步细节。
附图说明
在所附权利要求中阐述了被认为是实例性实施例的特征的新的特征。然而，当结合附图阅读时，通过参考本公开的说明性实例的以下详细描述，将会最好地理解说明性实例以及优选的使用模式、进一步的目的及其描述，其中：
图1示出了根据示例性实施方式的用于改进用于增材制造的材料的微结构的实例方法的流程图。
图2示出了根据示例性实施方式的用于与图1中所示方法一起使用的实例方法的流程图。
图3示出了根据示例性实施方式的与图1中所示方法一起使用的另一实例方法的流程图。
图4示出了根据示例性实施方式的与图1中所示方法一起使用的又一实例方法的流程图。
图5是根据示例性实施方式的在增材制造期间使用微结构改进技术生成的装置的图示。
图6是根据示例性实施方式的金属材料的枝晶生长的图示。
图7是根据示例性实施方式的图6中所示的金属材料的改进的枝晶生长的图示。
图8是根据示例性实施方式的图6和图7中所示金属材料的后续枝晶生长的图示。
图9是构成沉积层微结构的部分的伸长晶粒的图示。
图10是构成图9中所示的沉积层微结构的部分的改进晶粒的图示。
图11示出了根据示例性实施方式的用于改进用于增材制造的金属化金属的微结构的实例方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图在下文中更全面地描述公开的实例，其中示出了一些但不是所有公开的实例。实际上，可以描述几个不同的实例，并且几个不同的实例不应该被解释为限于本文阐述的实例。相反，描述这些实例是为了导致本公开内容全面和完整，并将向本领域技术人员充分传达本公开内容的范围。
这些实例涉及用于在增材制造期间改进金属材料层的微结构的技术。特别地，当金属材料处于熔融状态(即熔融池(melt pool))时，实例技术扰动或以其他方式改进金属材料层。通过在增材制造期间使用本文中呈现的一种或多种技术来改进金属材料层的微结构，该层的性质可以被增强，导致强度、延展性、疲劳、耐久性、应变率和抗蠕变变形以及其他性质的提高。
材料的微结构中晶粒的尺寸和布置通常取决于影响金属材料的枝晶(dendritic)生长的形成条件。当金属材料通过添加工艺制造时，其根据需要被熔化并沉积以形成一层结构。热量导致金属材料转变成局部熔融状态，这导致最终产品被成形为特定的形状。一旦足够的热量离开熔融材料，导致材料降至熔点温度以下，在被称为固化的过程中材料从液态、熔融状态转变回到固态。
在固化期间，金属材料内部发生成核和生长转变。成核包括来自熔融材料的原子簇接合在一起并形成微小的籽晶(seed crystal)。微小的籽晶源自材料中本文被称为成核位点的位置处，并以枝晶的形式继续生长，枝晶是由晶体组成的树状结构。因为晶体生长进入了由液相和固相组成的被称为糊状区(mushy zone)的热梯度，所以发生了枝晶的形成。在一些情况下，非均质成核发生在固化期间，而在杂质表面或颗粒(诸如相对于基底或前一层、不溶性分离杂质或其他降低原子形成稳定核晶体所需的临界自由能的结构材料)上形成成核位点。通过添加更多的原子，枝晶的晶体尺寸增加，直到生长受到在熔融材料中生长的其他枝晶的限制，或者直到该枝晶在高于局部熔点温度的温度下遇到液体。
增材制造期间的固化通常包括不均匀的枝晶生长，这导致金属材料层具有不平衡的晶粒结构。特别地，能量上有利的结晶学方向、底层的衬底或前一层、杂质、热源(例如激光)的定向使用以及其他因素可以导致一些枝晶在固化期间比其他枝晶展现出更快的生长。主导生长的枝晶通常导致具有柱状取向的伸长晶粒。这些伸长的柱状晶粒是(诸如在当金属材料在存在陡峭的温度梯度时固化相当缓慢的情况下)可能出现的长、薄、粗糙晶粒。主要的枝晶也阻止了在其他方向生长的相邻枝晶经历同样的生长量。
如前文的描述，金属材料的沉积层通过固化从熔融状态转变回到固态。固化期间的不平衡的成核和生长可能导致金属材料层具有各向异性性质。特别地，外延生长和其他因素可能导致金属材料的晶粒微结构具有伸长的柱状晶粒，这负面地影响层的强度和其他性质。进一步，由于增材制造包括层逐层生成以构造期望的结构，因此影响的效果加剧并且负面地影响结构的性能和有效性。
为了改善金属材料层的耐久性、强度和其他性质，本文中呈现的实例技术在增材制造期间改进了这些层的微结构。特别地，一些实例包括当材料处于熔融状态时，在沉积的金属材料层的部分上施加一个或多个电磁场。电磁场的施加搅动和扰动熔融材料，导致新的成核位点在熔融材料内的不同位置(例如，在固液界面处)处形成。因此，当熔融材料经受固化时，这些成核位点会生长出新的晶体。新晶体在金属材料中以空间随机取向布置，导致该层的改进微结构成为随机取向的较小的等轴晶粒。这种改进的微结构提供了强度、延展性、疲劳耐久性、应变率和抗蠕变变形以及其他性质的改善。
附加的例实例包括在增材制造期间对金属材料的沉积层施加振动以改进这些层的微结构。当金属材料处于熔融状态时，振动会扰动或以其他方式改进金属材料层。例如，在金属材料层被初始地加热并成形之后，可以施加振动来搅动处于熔融池状态的材料的部分。该振动可以导致熔融材料相对于该层位于其上的底层基底的成核固体的相对剪切运动。因此，在熔融材料中生长的枝晶经受碎片整理。碎片整理期间，枝晶的部分断裂并分离。这些与原始枝晶分离的部分可以在熔融材料中形成新的成核位点。例如，分离的枝晶部分中的一些可以在熔融材料的固液界面处附着和成核。成核位点后续以空间随机取向生长晶体，导致振动层具有更平衡的晶粒结构，该更平衡的晶粒结构提供了强度、延展性、疲劳耐久性、应变率和抗蠕变变形和其他性质的改善。
在一些实例中，振动和电磁场技术的组合被用于重构金属材料沉积层的微结构。这两种技术可以同时地或以给定的顺序被应用于层。例如，实例可以包括熔融材料层在沉积过程期间接收振动、然后电磁场以及更多振动。该技术也可以被用于各种持续时间和强度。进一步，一些实例包括在增材制造期间在不同层的振动和电磁场技术之间切换。
以上技术以及类似的工艺可以减少或潜在地消除在增材制造期间对其它应力释放工艺的需要。反过来，总成本和流程时间通常被消除工艺步骤减少。此外，与滚轮技术不同，电磁场和振动技术不会对用于增材制造的结构的几何设计所置限制。例如，在增材制造期间该技术可以在尺寸小(例如，测量厘米)的期望的结构上快速地使用，并且可以在期望的结构的所有层(或层的子集)上使用。进一步，在一些实例中，电磁场和振动技术两者都可以使用比滚轮技术需要更少部件的设定。源自新形成的成核位点的无应变晶粒通常具有与它们所替代的伸长晶粒不一样的相似的尺寸和形态。替换晶粒也倾向于具有空间随机取向，导致该层具有更多的各向同性性质而不是各向异性。各向同性性质表示无论测量方向如何，层的性质是一致的。
为了改善增材制造结构的性质，在一些实例中，上述技术可以在增材制造期间被应用于所有层(或层的子集)。结果产生了不易受拉伸应力影响的强化结构。拉伸应力表示结构对试图拉开或拉伸结构的力的抗性，并表示构成结构的材料的总体强度。由此，通过振动和/或电磁场技术改进微结构可以产生由不易受拉伸应力和其他材料缺陷影响的金属材料制成的层和总体增材制造结构。
现在参照附图，图1示出了用于改进用于增材制造的材料的微结构的实例方法的流程图。图1中所示的方法100呈现了方法的实例，该方法可以被用于改进增材制造期间使用的一种或多种材料的微结构。
方法100可以包括一个或多个操作、功能或动作，如框102、104和106中的一个或多个所示。尽管以顺次的顺序示出了这些块，但是这些块也可以并行地执行，和/或以不同于本文描述的顺序的顺序执行。并且，各种块可以被组合成更少的块、被划分成附加的块，和/或基于期望的实施方式被移除。
在框102，方法100包括使用金属材料生成一体物体的第一层。一体物体是具有作为单体件形成在一起的一个或多个部件的结构。例如，一体物体可以是用作更大结构的部件的增材制造结构。在其他实例中，一体物体可以是独立对象。一体物体的其他实例是可能的。进一步，与传统制造不同，附加制造对象不需要紧固件(例如螺钉、钉子)以将多个元件连接或相连在一起。因此，增材制造的层和固结过程使得能够生产具有各种形状和设计的广泛的一体物体。
如上所指示的那样，增材制造包括根据3D数据模型一起加热和沉积一种或多种金属材料的层以形成期望的一体物体。可以使用的实例金属材料包括但不限于钛、金、银、钢、铝和合金。在一些情况下，也可以使用材料的化合物。例如，化合物可以包括结合在一起的金属和非金属。为增材制造对象选择的材料通常取决于材料的成本以及对象的尺寸和期望的使用。
在层的沉积期间，金属材料被加热并成形。例如，一些材料(诸如钛合金)具有在1600-1660℃之间的熔化范围。材料(例如，熔融合金)在其冷却和固化之前，被入射能量(通常是激光或电子束)局部地加热到远远高于该温度，并瞬间地加热到3000-4000℃。例如，在送粉增材制造期间，使用聚焦热源(例如激光)逐层地固结粉末层。这使得部件能够直接从计算机辅助设计(computer aided design，CAD)数据中生成。在其它实例中，使用其它类型的增材制造技术。例如，实例可以包括使用送丝增材制造工艺。
在一些情况下，第一层通过将金属材料加热到熔融状态而生成，使得金属材料包括固液界面。为了形成结构的部分，为第一层(和附加层)选择的一种或多种材料可配置为结合到后续层，而混合在一起这些层构造了无缝端部结构。
在金属材料被加热到熔融状态后，材料的温度降低。当金属材料再温度方面降低至低于其熔化温度时，就会发生固化。随着自从材料最初被加热的时间流逝，熔融材料失去热量。在固化期间，来自熔融材料的原子接合在一起(例如，金属键)，并开始形成尺寸(例如，小于1毫米)微小的籽晶。微小的籽晶开始生长后，晶体可以被描述为从成核位点生长的核。由此，固化包括在熔融材料中以枝晶的形式生长的多个晶体。各种因素(诸如底层基底或前一层、杂质、所施加热源的方向性等)会导致晶体的枝晶的不平衡生长，而一些枝晶主导生长，导致该层具有更多的各向异性性质。各向异性性质导致金属材料根据测量的方向而不同，而金属材料的一些部分比其他部分具有更大的强度。
在框104，方法100包括对第一层的金属材料施加电磁场。在沉积金属材料的第一层之后，由于产生伸长晶粒的枝晶的外延生长，该层可以具有各向异性特性性质。为了降低各向异性性质，一个或多个电磁场被施加到处于熔融状态的金属材料的部分上。电磁场扰动金属材料，导致新的成核位点在熔融材料中形成。例如，许多成核位点可以源自熔融材料的固液界面处。
电磁场的施加可以包括使用各种类型的电源。例如，实例源可以使用来自墙壁插座或电池的电力在增材制造期间在第一层以及其他沉积层上施加电磁场。此外，施加的方法和持续时间在实例中可以变化。电磁场被施加在熔融材料层上保持阈值持续时间，该阈值持续时间取决于构成该层的材料的类型和数量。例如，一些实例可以包括施加电磁场保持几秒钟(例如，5-10秒)或更长(例如，30秒)。在进一步实例中，电磁场被施加保持更长的持续时间(例如，2分钟、5分钟)。阈值持续时间可以取决于各种因素，诸如金属材料层的厚度和其他尺寸以及金属材料的类型。
在框106，方法100包括生成被结合到一体物体的第一层的第二层。为了产生一体物体，沉积附加层，直到一体物体的结构完全形成。附加层可以由与现有层相同的材料或不同的材料形成。此外，根据所期望的结构的形成，第二层和其它后续层可以具有相同的尺寸(例如厚度)或不同的尺寸。
产生被结合到一体物体的第一层的第二层可以增加第一层的熔融材料中的成核位点的数量。第二层的热量和存在会影响第一层的成核和生长。例如，在几乎固化的第一层的顶部上存在第二层会导致相对于层之间的结合点发生非均质成核。
如前文的描述，这些成核位点可以以空间随机的取向生长晶体。当由于层内生长的其他枝晶所置的限制，晶体的枝晶不再生长时，这些晶体的布置形成了金属材料的改进晶粒微结构。特别地，这种改进的微结构由较小的等轴晶粒组成，这些晶粒具有与柱状伸长晶粒不一样的随机取向。因此，该层具有增加的各向同性性质，改善了其总体强度、延展性和其他性质。
图2示出了根据示例性实施方式的用于与方法100一起使用的实例方法的流程图。在块108，功能包括对第一层的金属材料施加振动。振动熔融材料的沉积层导致熔融材料相对于该层位于其上的底层基底上的成核固体相对剪切运动。因此，在熔融材料中生长的枝晶会经受碎片整理，其中枝晶的部分断裂并分离。这些分离的部分可以在熔融材料中重新定位，并形成成核位点，这些成核位点随后在固化期间以空间随机的取向生长新晶体。这些晶体的生长导致材料的固化层的改进微结构具有改善层性质的较小晶粒的平衡布置。
振动量(例如振幅、持续时间)可以在实例中变化。例如，振动技术可以包括在给定层的沉积期间以周期性或连续的方式施加的声波和超声波施加方法两者。在一些实例中，声波振动范围可以在100到400赫兹之间变化，超声波振动范围可以在20到45兆赫之间变化。声波和超声波振动范围可取决于提供振动的源。由此，声波振动和/或超声波振动可以将能量引向金属材料的沉积层。例如，在增材制造期间，在沉积之后，能量可以扰动熔融金属材料。其他高频机械冲击过程也可以在实例中使用。
在一些实例中，对第一层的金属材料施加振动与对第一层的金属材料施加电磁场并行地进行。作为实例，在增材制造期间，熔融材料的每个沉积层可以接收振动，同时也接收电磁场以改善性质。在其它实例中，在将电磁场施加到第一层的金属材料之前，将振动施加到基底。进一步，在一些情况下，在熔融材料层被一个或多个电磁场改进之后，将振动施加到该层。
图3示出了根据示例性实施方式的用于与方法100一起使用的实例方法的流程图。在块110，功能包括将冷却气体施加到第一层的金属材料。在增材制造期间，冷却气体或其他降温技术可以被用于冷却材料沉积层。例如，冷却技术可以被用于导致熔融材料层过冷，以导致该层经受固化。冷却气体或另一降温技术可以被用于减少金属材料的枝晶生长可用的时间量。例如，冷却气体的施加可以在将金属材料沉积为层之后发生，以限制枝晶的子集由于外延生长而主导生长。在其它实例中，在将一个或多个振动和/或电磁场技术被施加到给定的金属材料层之前或之后，施加冷却气体或另一降温技术。
图4示出了根据示例性实施方式的用于与方法100一起使用的实例方法的流程图。在框112，功能包括对第二层的金属材料施加电磁场。类似于第一层的生成，电磁场也可以被施加到第二层以促进第二层金属材料的微结构的重构。在增材制造期间，电磁场的施加可以跨不同的层而不同。例如，对于每个层施加电磁场的持续时间、量、数量和其他因素可以不同。
在框114，功能包括生成一体物体的第三层。如上所指示的那样，增材制造通过固结多层材料来生成一体物体。因此，为了形成和完成一体物体，在之前层的顶部沉积附加层，直到一体物体完成。附加层的数量、大小和形式取决于一体物体的尺寸和设计。特别地，根据一体物体的设计，一些层可以具有不同形状的或多或少的材料。
为了确保附加层保持类似的改进微结构，电磁场和/或振动技术类似地被施加到这些层。所使用的技术可以保持相同或在层之间不同。例如，一个实例可以包括在对一些层施加电磁场和对其他层施加振动之间交替。
图5是在增材制造期间使用微结构改进技术生成的装置116的图示。装置116包括一个一体物体118，该一体物体118由在增材制造期间生成并混合在一起的一个或多个互连部件组成。如所示的那样，一体物体118由第一层120、第二层122、第三层124、第四层126和第五层128组成。其他附加制造的一体物体可以具有更多或更少的以其他配置成形的层。
装置116表示被配置成容纳和展示花的增材制造的花瓶。图1-图4中示出的方法100或另一增材制造技术可以构造装置116。为了说明的目的，每个沉积层(即层120、122、124、126、128)被示出为具有明显的边界，以描绘不同层120、122、124、126、128的布局。层120、122、124、126、128可以由各种金属材料组成，诸如铝、钛、合金等。此外，为了说明的目的，层120、122、124、126、128的高度和宽度在图5中被放大，但是在实施方式内可以更小。
当增材制造装置116时，在沉积下一层之前，可以使用上述的一种或多种技术来强化一体物体118的每一层。例如，装置116的生成最初包括在基底上沉积并形成第一层120。相对于基底的外延生长会导致影响第一层120的性质的不平衡枝晶生长。基底可以用作在增材制造期间用于容纳层的平台。
在沉积第一层120之后，可以对第一层120的熔融材料施加一个或多个电磁场。类似地，振动技术也可以被用于帮助重构构成第一层120的金属材料的微结构。如上所讨论，这些技术可以通过构造以空间随机取向生长晶体的新成核位点来导致重构。
在增材制造期间制备第一层120之后，第二层122被沉积在第一层120上以形成一体物体118的部分。在一些情况下，在第一层120接收电磁场和/或振动之后立即沉积第二层122。在其它情况下，允许第一层120在沉积第二层122之前冷却并释放一些能量。例如，第二层122可以直接被沉积到第一层120上。
在沉积附加层(例如，第三层124、第四层126和第五层128)时，重复上述包括电磁场和/或振动技术的过程以强化层。这种跨多层的重复改善了装置116的总体强度，并且可以确保添加水和花不会削弱一体物体118。
图6是金属材料的枝晶生长的图示。框130示出生长的枝晶132、134、136以示出金属材料的枝晶生长。如上所讨论，枝晶是具有分支、树状结构的晶体块。框130示出了具有相似尺寸的枝晶132和枝晶136，而枝晶134具有相较略大的尺寸。在一些情况下，枝晶134的较大尺寸可以指示枝晶134主导着影响枝晶132、136生长的生长。因此，枝晶134可以生长成伸长晶粒。在其他实例中，框130可以表示包括多个枝晶132、134、136的情况，枝晶132、134、136以可能导致金属材料层由于伸长晶粒而具有更多各向异性性质的方式主导生长。
图7是图6中所示金属材料的改进枝晶生长的图示。特别地，框138示出了在施加一种或多种微结构重构技术(诸如，上述电磁场或振动技术)之后，部分地断裂和缺失的部分中的枝晶132、134、136。因此，枝晶的部分形成了新的成核位点140、142和144。这些成核位点140、142、144可以生长晶体，这些晶体导致了平衡金属材料的总体微结构的附加晶粒。
图8是图6和图7中所示金属材料的后续枝晶生长的图示。框146表示框138之后的后续时间，此时成核位点140、142和144生长并产生具有与原始枝晶132、134和136相似尺寸的枝晶。如所示的那样，枝晶132、134、136和成核位点140、142、144可以导致金属材料微结构的重构。每一枝晶可以产生一个或多个空间随机取向的晶体，这些晶体生长直到到达到由其他枝晶强加的生长阈值限制。最终的改进微结构包括具有空间随机取向的等轴晶粒。
图9是构成沉积层微结构的部分的伸长晶粒的图示。图9中所示沉积层的部分148包括以柱状取向布置的伸长晶粒150、伸长晶粒152和伸长晶粒154。在增材制造期间沉积一层之后，外延生长导致一些枝晶主导生长，导致伸长晶粒150、152、154。如图9中所示，这些伸长晶粒150、152、154通常以特殊的取向一起形成，这导致沉积层具有更多各向异性性质，可能负面地影响强度、耐用性和其它性质。产生这些伸长晶粒150、152、154的一些枝晶的生长也阻止了层中处于不同取向的其它枝晶经历类似的生长。由于这些原因，电磁场和/或振动技术可以在增材制造期间被使用，以变形并允许重构晶粒微结构来降低各向异性性质。
图10是构成图9中所示的沉积层微结构的部分的改进晶粒的图示。特别地，部分156表示图9中描述的、在沉积层经历了包括电磁场和振动的一种或多种技术后的沉积层。如所示的那样，部分156包括具有空间随机取向的较小晶粒(例如，颗粒158、160)。这些圆形、较小的晶粒代替了图9所示的伸长晶粒150、152、154，这增加了层的强度。因此，强化层允许增材制造的具有更多各向同性性质的结构，该结构可以改善结构的使用和耐久性。
图11示出了用于改进用于增材制造的金属的微结构的实例方法的流程图。图11中所示的方法162呈现了可以被用于改进增材制造期间使用的金属或其它材料的微结构的方法的另一实例。
方法162可以包括一个或多个操作、功能或动作，如框164、166、168和170中的一个或多个所示。尽管以顺次的顺序示出了这些块，但是这些块也可以并行地执行，和/或以不同于本文描述的顺序的顺序执行。并且，各种块可以被组合成更少的块、被划分成附加的块，和/或基于期望的实施方式被移除。
在框164，方法162包括使用金属材料生成一体物体的第一层。特别地，使用金属(例如钛、铝)或金属合金沉积第一层，该金属或金属合金生长使得一组枝晶主导总体生长，这产生伸长晶粒。例如，伸长晶粒可以以柱状取向排列。少数主导生长的枝晶可以阻止处于相反取向的其他枝晶生长同样多。因此，金属的沉积层可以具有各向异性性质。
在框166，方法162包括对第一层的金属材料施加电磁场。施加一个或多个电磁场扰动第一层金属材料，导致一个或多个成核位点在熔融材料中形成。例如，成核位点可以形成在熔融材料的固液界面处。
在框168，方法162包括对第一层金属材料施加振动。类似于电磁场，振动可以在增材制造期间扰动熔融材料。特别是，振动可以导致处于熔融状态下的金属材料中生长的一个或多个枝晶断裂并分离。与原始枝晶分离的部分可以在熔融材料中形成成核位点。在一些情况下，振动在金属材料的固液界面处增加了成核位点的数量。
在一些实例中，对第一层的金属材料施加振动与对第一层的金属材料施加电磁场并行地进行。在其它实例中，在电磁场施加到层之前和/或之后，将振动施加到金属材料。
在框170，方法162包括生成被结合到一体物体的第一层的、一体物体的第二层。特别地，生成第二层增加了在处于熔融状态的金属材料的固液界面处的成核位点的数量。由此，每个成核位点可以以空间随机取向生长晶体。多个成核位点生长形成新晶粒的晶体。金属材料的最终的改进微结构由具有等轴晶粒结构的新晶粒组成，这些等轴晶粒结构可以导致第一层具有更多的各向同性性质。新晶粒可以具有相似的尺寸和随机取向，这改进了材料层的性质。
进一步，本公开包括根据以下条款的实例：
条款1.一种方法包括：使用金属材料生成一体物体的第一层，其中一体物体包括一个或多个互连部件，并且其中通过将金属材料加热到熔融状态使得金属材料包括固液界面而生成第一层；对第一层的金属材料施加电磁场，其中电磁场扰动第一层，导致一个或多个成核位点在处于熔融状态的该金属材料的固液界面处形成；以及生成被结合到一体物体的第一层的第二层，其中生成第二层增加了在处于熔融状态的金属材料的固液界面处的成核位点的数量，并且其中每个成核位点以空间随机取向生长晶体。
条款2.如条款1的所述方法，还包括：对第一层的金属材料施加振动，其中振动导致处于熔融状态的金属材料的相对剪切运动。
条款3.如条款2所述的方法，其中对第一层的金属材料施加振动进一步导致在处于熔融状态的金属材料中生长的一个或多个枝晶断裂并分离，从而导致在金属材料的固液界面处成核位点的数量增加。
条款4.如条款2所述的方法，其中对第一层的金属材料施加振动与对第一层的金属材料施加电磁场并行地进行。
条款5.如条款2所述的方法，其中对第一层的金属材料施加振动在对第一层的金属材料施加电磁场之前进行。
条款6.如条款2所述的方法，其中对第一层的金属材料施加振动在对第一层的金属材料施加电磁场之后进行。
条款7.如条款1所述的方法，其中金属材料是金属，并且其中使用金属材料生成一体物体的第一层包括：使用送丝增材制造(wire feed additive manufacturing)生成第一层。
条款8.如条款1所述的方法，其中金属材料是合金，并且其中使用金属材料生成一体物体的第一层包括：使用送粉增材制造(powder feed additive manufacturing)生成第一层。
条款9.如条款1所述的方法，其中使用金属材料生成一体物体的第一层包括：在基底上沉积第一层，使得多个伸长晶粒源自处于熔融状态的金属材料中的一组枝晶的外延生长，其中多个伸长晶粒具有柱状取向，从而导致一体物体的第一层具有各向异性性质。
条款10.如条款9所述的方法，其中对第一层的金属材料施加电磁场包括：施加电磁场以搅动处于熔融状态的金属材料，其中搅动处于熔融状态的金属材料减少了伸长晶粒的量，并且其中减少伸长晶粒的量增加了在处于熔融状态的金属材料的固液界面处的成核位点的数量。
条款11.如条款9所述的方法，其中生成被结合到一体物体的第一层的第二层导致在处于熔融状态的金属材料的固液界面处的成核位点以空间随机取向生长晶体，其中晶体形成比伸长晶粒更小的晶粒，并且其中晶粒具有导致金属材料的第一层具有更多各向同性性质的等轴晶粒结构。
条款12.如条款1所述的方法，其中对第一层的金属材料施加电磁场将处于熔融状态的金属材料的温度降低至低于金属材料的熔点温度。
条款13.如条款12所述的方法，其中将处于熔融状态的金属材料的温度降低至低于金属材料的熔点温度导致金属材料进行固化。
条款14.如条款1所述的方法，还包括：对第一层的金属材料施加冷却气体，其中冷却气体减少了可用于金属材料的枝晶生长可用的时间量。
条款15.如条款1所述的方法，还包括：对所述第二层的金属材料施加电磁场，其中第二层的金属材料处于熔融状态；以及生成一体物体的第三层，其中第三层被结合到第二层。
条款16.一种装置，包括：具有一个或多个互连部件的一体物体，其中一体物体包括：使用金属材料生成的第一层，其中通过将金属材料加热到熔融状态使得金属材料包括固液界面而生成第一层，并且其中施加电磁场以扰动第一层，导致一个或多个成核位点在处于熔融状态的金属材料的固液界面处形成；以及生成被结合到一体物体的第一层的第二层，其中生成第二层增加了在处于熔融状态的金属材料的固液界面处的成核位点的数量，并且其中每个成核位点以空间随机取向生长晶体。
条款17.如条款16所述的装置，其中将振动施加到第一层以搅动处于熔融状态的金属材料，并且其中振动导致在处于熔融状态的金属材料中生长的一个或多个枝晶断裂并分离，导致在金属材料的固液界面处的成核位点的数量增加。
条款18.如条款17所述的装置，其中对第一层施加振动与施加电磁场以扰动第一层并行地进行。
条款19.如条款17所述的装置，其中在对第一层之施加电磁场之后，对第一层施加振动。
条款20.一种方法包括：使用金属材料生成一体物体的第一层，其中一体物体包括一个或多个互连部件，并且其中通过将金属材料加热到熔融状态使得金属材料包括固液界面而生成第一层；对第一层的金属材料施加电磁场，其中该电磁场扰动第一层，导致一个或多个成核位点在处于熔融状态的该金属材料的固液界面处形成；对第一层的金属材料施加振动，其中振动导致在处于熔融状态的金属材料中生长的一个或多个枝晶断裂并分离，导致在金属材料的固液界面处的成核位点的数量增加；以及生成被结合到一体物体的第一层的第二层，其中生成第二层增加了在处于熔融状态的金属材料的固液界面处的成核位点的数量，并且其中每个成核位点以空间随机取向生长晶体。
本文使用的术语“基本上”或“大约”，其是指所述的特性、参数或值不需要精确地实现，但是包括例如测量误差、测量精度限制和本领域普通技术人员已知的其他因素的偏差或变化可以以不排除和/或遮蔽特性旨在提供的效果的量出现。
出于说明和描述的目的，已经呈现了不同的有利布置的描述，并且不旨在穷举或者限制于所公开形式的实例。许多改进和变化对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。进一步，与其他有利实例相比，不同的有利实例可以描述不同的优点。选择和描述所选择的一个或多个实例，以便最好地解释实例的原理、实际应用，并导致本领域的其他普通技术人员能够理解具有适合于预期的特定使用的各种改进的各种实例的公开内容。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
使用金属材料生成一体物体(118)的第一层(120)，其中所述一体物体(118)包括一个或多个互连部件，并且其中通过将所述金属材料加热到熔融状态使得所述金属材料包括固液界面而生成第一层(120)；
向所述第一层(120)的所述金属材料施加电磁场，其中所述电磁场扰动所述第一层(120)，导致一个或多个成核位点在处于熔融状态的所述金属材料的固液界面处形成；以及
生成结合到所述一体物体(118)的所述第一层(120)的第二层(122)，其中生成所述第二层(122)增加了在处于熔融状态的所述金属材料的固液界面处的成核位点的数量，并且其中每个成核位点以空间随机取向生长晶体。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
对所述第一层(120)的所述金属材料施加振动，其中所述振动导致处于熔融状态的所述金属材料的相对剪切运动。
3.根据权利要求2所述的方法，其中将振动施加到所述第一层(120)的所述金属材料进一步导致在处于熔融状态的所述金属材料中生长的一个或多个枝晶(132、134、136)断裂并分离，从而导致在所述金属材料的固液界面处成核位点(140、142、144)的数量增加。
4.根据权利要求2所述的方法，其中对所述第一层(120)的所述金属材料施加振动与对第一层(120)的所述金属材料施加电磁场并行地进行。
5.根据权利要求2所述的方法，其中对所述第一层(120)的所述金属材料施加振动在对所述第一层(120)的所述金属材料施加电磁场之前进行。
6.根据权利要求2所述的方法，其中对所述第一层(120)的所述金属材料施加振动在对所述第一层(120)的所述金属材料施加电磁场之后进行。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属材料是金属，并且其中使用所述金属材料生成所述一体物体(118)的所述第一层(120)包括：
使用送丝增材制造生成所述第一层(120)。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属材料是合金，并且其中使用所述金属材料生成所述一体物体(118)的所述第一层(120)包括：
使用送粉增材制造生成所述第一层(120)。
9.根据权利要求1所述的方法，其中使用所述金属材料生成所述一体物体(118)的所述第一层(120)包括：
在基底上沉积所述第一层(120)，使得多个伸长晶粒(150、152、154)源自处于熔融状态的所述金属材料中的一组枝晶(132、134、136)的外延生长，其中所述多个伸长晶粒(150、152、154)具有柱状取向，从而导致所述一体物体(118)的所述第一层(120)具有各向异性性质。
10.根据权利要求9所述的方法，其中对所述第一层(120)的所述金属材料施加电磁场包括：
施加电磁场以搅动处于熔融状态的所述金属材料，其中搅动处于熔融状态的所述金属材料减少了伸长晶粒(150、152、154)的量，并且其中减少伸长晶粒(150、152、154)的量增加了在处于熔融状态的所述金属材料的固液界面处的成核位点的数量。
11.根据权利要求10所述的方法，其中生成结合到所述一体物体(118)的所述第一层(120)的所述第二层(122)导致在处于熔融状态的所述金属材料的固液界面处的成核位点以空间随机取向生长晶体，其中所述晶体形成比所述伸长晶粒(150、152、154)更小的晶粒(158)，并且其中所述晶粒(158)具有导致所述金属材料的所述第一层(120)具有更多各向同性性质的等轴晶粒结构。
12.根据权利要求1所述的方法，其中对所述第一层(120)的所述金属材料施加电磁场将处于熔融状态的所述金属材料的温度降低至低于所述金属材料的熔点温度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中将处于熔融状态的所述金属材料的温度降低至低于所述金属材料的熔点温度导致所述金属材料进行固化。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括：
向所述第一层(120)的所述金属材料施加冷却喷雾，其中所述冷却喷雾减少了可用于所述金属材料的枝晶(132、134、136)生长的时间量。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括：
向所述第二层(122)的金属材料施加电磁场，其中所述第二层(122)的所述金属材料处于熔融状态；以及
生成所述一体物体(118)的第三层(124)，其中所述第三层(124)结合到所述第二层(122)。
16.一种装置(116)，包括
一体物体(118)，具有一个或多个互连部件，其中所述一体物体(118)包括：
第一层(120)，使用金属材料生成，其中通过将所述金属材料加热到熔融状态使得所述金属材料包括固液界面而生成所述第一层(120)，并且其中施加电磁场以扰动所述第一层(120)，导致一个或多个成核位点在处于熔融状态的所述金属材料的固液界面处形成；以及
第二层(122)，结合到所述一体物体(118)的所述第一层(120)，其中生成所述第二层(122)增加了在处于熔融状态的所述金属材料的固液界面处的成核位点的数量，并且其中每个成核位点以空间随机取向生长晶体。
17.根据权利要求16所述的装置，其中将振动施加到所述第一层(120)以搅动处于熔融状态的所述金属材料，并且其中所述振动导致处于熔融状态的所述金属材料中生长的一个或多个枝晶断裂并分离，从而导致在所述金属材料的固液界面处的成核位点的数量增加。
18.根据权利要求16所述的装置，其中对所述第一层(120)施加振动与施加电磁场以扰动所述第一层(120)并行地进行。
19.根据权利要求16所述的装置，其中在对所述第一层(120)施加电磁场之后，对所述第一层(120)施加振动。
20.一种方法，包括：
使用金属材料生成一体物体(118)的第一层(120)，其中所述一体物体(118)包括一个或多个互连部件，并且其中通过将所述金属材料加热到熔融状态使得所述金属材料包括固液界面而生成所述第一层(120)；
对所述第一层(120)的所述金属材料施加电磁场，其中所述电磁场扰动所述第一层(120)，导致一个或多个成核位点在处于熔融状态的所述金属材料的固液界面处形成；
对所述第一层(120)的所述金属材料施加振动，其中所述振动导致在处于熔融状态的所述金属材料中生长的一个或多个枝晶断裂并分离，从而导致在所述金属材料的固液界面处的成核位点的数量增加；以及
生成结合到一体物体(118)的所述第一层(120)的第二层(122)，其中生成所述第二层(122)增加了在处于熔融状态的所述金属材料的固液界面处的成核位点的数量，并且其中每个成核位点以空间随机取向生长晶体。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112024877A (zh) * 2020-09-08 2020-12-04 常州英诺激光科技有限公司 一种提高3d打印微流道零件表面质量的方法
CN113857492A (zh) * 2021-10-09 2021-12-31 华中科技大学鄂州工业技术研究院 一种自扰动激光增材制造方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130011660A1 (en) * 2011-07-06 2013-01-10 Evonik Degussa Gmbh Powder comprising polymer-coated core particles comprising metals, metal oxides, metal nitrides or semimetal nitrides
CN103909267A (zh) * 2014-03-26 2014-07-09 浙江大学 基于超声振动的半固态金属粉末成形装置及成形方法
US20150064047A1 (en) * 2013-08-28 2015-03-05 Elwha Llc Systems and methods for additive manufacturing of three dimensional structures
CN106180717A (zh) * 2016-09-15 2016-12-07 梁福鹏 一种用于三维打印的液态原料发生装置及其控制方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4743733A (en) 1984-10-01 1988-05-10 General Electric Company Method and apparatus for repairing metal in an article
RU2359797C2 (ru) 2007-06-27 2009-06-27 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") Способ лазерной наплавки медно-никелевых сплавов на детали из алюминиевой бронзы
WO2010140473A1 (ja) 2009-06-02 2010-12-09 三菱電機株式会社 半導体光変調装置
CN102240861B (zh) * 2011-04-26 2013-07-03 重庆大学 梯度功能结构制造方法及设备
EP3038771B1 (en) 2013-08-29 2017-10-04 European Space Agency Manufacturing of a metal component or a metal matrix composite component involving contactless induction of high-frequency vibrations
TWI511823B (zh) 2013-12-20 2015-12-11 財團法人工業技術研究院 調控積層製造之裝置及其方法
RU2618287C2 (ru) 2015-08-04 2017-05-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) Способ лазерной обработки изделия (варианты) и устройство для его осуществления (варианты)
WO2017097252A1 (en) 2015-12-11 2017-06-15 The Hong Kong University Of Science And Technology Method for additively manufacturing a component augmented by ultrasonic excitation and active temperature control
RU2617077C2 (ru) 2016-01-21 2017-04-19 Общество с ограниченной ответственностью "КВАРЦ Групп" Способ лазерно-порошковой наплавки защитного покрытия на входные кромки рабочих лопаток паровых турбин
CN105798299B (zh) 2016-03-29 2018-05-01 上海大学 非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法及装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130011660A1 (en) * 2011-07-06 2013-01-10 Evonik Degussa Gmbh Powder comprising polymer-coated core particles comprising metals, metal oxides, metal nitrides or semimetal nitrides
US20150064047A1 (en) * 2013-08-28 2015-03-05 Elwha Llc Systems and methods for additive manufacturing of three dimensional structures
CN103909267A (zh) * 2014-03-26 2014-07-09 浙江大学 基于超声振动的半固态金属粉末成形装置及成形方法
CN106180717A (zh) * 2016-09-15 2016-12-07 梁福鹏 一种用于三维打印的液态原料发生装置及其控制方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112024877A (zh) * 2020-09-08 2020-12-04 常州英诺激光科技有限公司 一种提高3d打印微流道零件表面质量的方法
CN112024877B (zh) * 2020-09-08 2022-05-03 常州英诺激光科技有限公司 一种提高3d打印微流道零件表面质量的方法
CN113857492A (zh) * 2021-10-09 2021-12-31 华中科技大学鄂州工业技术研究院 一种自扰动激光增材制造方法

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