CN110000377A - 用于增材制造材料的通过机械加工的微观结构改善方法 - Google Patents

用于增材制造材料的通过机械加工的微观结构改善方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110000377A
CN110000377A CN201811445399.9A CN201811445399A CN110000377A CN 110000377 A CN110000377 A CN 110000377A CN 201811445399 A CN201811445399 A CN 201811445399A CN 110000377 A CN110000377 A CN 110000377A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
crystal grain
integrated object
arrangement
external force
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811445399.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110000377B (zh
Inventor
阿拉什·加巴奇
克里斯托弗·A·迈尔
詹姆斯·D·科顿
马修·J·克里尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Boeing Co
Original Assignee
Boeing Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Boeing Co filed Critical Boeing Co
Publication of CN110000377A publication Critical patent/CN110000377A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110000377B publication Critical patent/CN110000377B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/0046—Welding
    • B23K15/0086—Welding welding for purposes other than joining, e.g. built-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/20—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by extruding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/38—Process control to achieve specific product aspects, e.g. surface smoothness, density, porosity or hollow structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/50—Treatment of workpieces or articles during build-up, e.g. treatments applied to fused layers during build-up
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/0093—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring combined with mechanical machining or metal-working covered by other subclasses than B23K
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/144—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing particles, e.g. powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/10—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/25—Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Abstract

本申请提供了用于增材制造材料的通过机械加工的微观结构改善方法。示例性实施方式涉及改善用于增材制造的金属材料的微观结构的技术。实例可以包括利用具有以第一布置构造的晶粒的材料产生一体物体的第一层。在自产生第一层起阈值持续时间发生之后，该实例可以包括向第一层施加外力以导致晶粒的第一布置的变形。实例可以进一步包括产生结合至一体物体的第一层的第二层以形成一体物体的一部分。产生一体物体的第二层使得第一层的材料重新结晶新的晶粒以替代邻近变形的晶粒。由重结晶得到的晶粒以新的布置构造，其改善了层以及后续层整体的物理和机械性能。

Description

用于增材制造材料的通过机械加工的微观结构改善方法
技术领域
本公开总体上涉及增材制造工艺，并且更具体地，涉及改善用于增材制造的金属材料的微观结构的技术。
背景技术
不同于依赖从大块形状去除材料以达到最终形状的减材技术(例如，切割、钻削)的传统制造，增材制造通过根据三维(3D)数字模型精确地添加并固化材料层来构建形状。根据所使用的底层材料，可以使用各种固化技术来融合层以形成期望的结构，例如粉体床熔化、直接能量沉积(焊接、电子束和激光处理)、光聚合、材料喷射、粘结剂喷射以及挤出。
增材制造通常用于从聚合材料形成功能原型或部件。通常使用塑料、橡胶以及其他聚合材料，因为用于将这些材料的层共混到一起的固化技术是经济且可易于获得的。相反，冶金学上的挑战以及和金属材料(例如，金属、合金、复合物)的固化层相关联的性能降低通常减少或甚至妨碍了它们用于增材制造的使用。因此，增材制造对于金属材料表现出有限的可行性，并且局限于用于医疗、航空或其他独特目的的高度专业化部件。
固化技术难以用于金属材料的一个主要原因是由于材料的底层微观结构。特别是，金属和合金由大量不规则形状晶体组成，在本文中还被称为晶粒。尽管肉眼无法识别，这些晶粒的尺寸和布置决定了材料的性能，包括其强度、延展性、疲劳耐久性、应变率和对抗蠕变变形性，以及其他性能。同样，晶粒的尺寸和布置通常取决于该金属材料的热和变形历史。
当通过增材制造制造金属物体时，材料通常被加热并沉积成层以形成期望的结构。例如，将加热的金属材料的新层沉积到基底或之前的层上使得材料的一些晶粒由于外延生长而经历伸长生长。伸长的晶粒通常相对于基底或之前的层沿一个良好限定的取向(例如，柱状取向)一起生长，这可以减少沿横向方向定位的其他晶粒的生长速率。因此，沉积层的微观结构主要受具有相似晶体取向的一些伸长晶粒的控制，以具有各向异性性质(即，物理和机械性能根据测量的方向而不同)。由于利用按照类似方式添加多个层的各向异性性质复合物，相对于的常规锻造或铸造选择，增材制造结构可以在拉伸强度、延展性以及其他性能方面而不同，这可能不利地影响其可行性。这些缺陷可能妨碍金属材料被用于增材制造许多类型的结构，包括具有最小设计裕度(design margin)的结构。
目前用来降低沉积层中各向异性性质的一项技术包括在添加后续层之前应用滚轮以在每个层上赋予表面变形。尽管滚轮技术可以促进沉积层内的晶粒重结晶，但是使用滚轮所需要的尺寸和空间将总体应用限于沉积具有较厚特征和简单几何形状的材料的增材制造工艺。因此，需要一种在增材制造期间可以改善金属材料的沉积层的微观结构的技术，其可以适应具有一般尺度和多种类型设计的结构。
发明内容
在一个实例中，描述了一种方法。该方法包括产生具有一个或多个互连部件的一体物体(集成体，integral object)的第一层。第一层利用包含以第一布置构造的第一多个晶粒的材料产生，并且该材料可配置为结合至产生在第一层上的后续层以形成一体物体的一部分。该方法进一步包括，在自产生一体物体的第一层起阈值持续时间发生之后，对第一层的至少一部分施加外力。外力的施加在材料的第一多个晶粒的第一布置中导致一个或多个变形。该方法还包括产生结合到一体物体的第一层的第二层。特别是，产生第二层导致第一层的材料将第二多个晶粒重结晶以替代第一多个晶粒中邻近一个或多个变形的一个或多个组的晶粒。第二多个晶粒以不同于第一布置的第二布置构造。
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。一体物体包括第一层，该第一层利用包含以第一布置构造的第一多个晶粒的材料产生。材料可配置为结合至产生在第一层上的后续层以形成一体物体的一部分。在自产生第一层起阈值持续时间发生之后，对第一层的至少一部分施加外力，以在材料的第一多个晶粒的第一布置中导致一个或多个变形。一体物体进一步包括结合到一体物体的第一层的第二层。第二层的产生导致第一层的材料将第二多个晶粒重结晶以替代第一多个晶粒中邻近一个或多个变形的一个或多个组的晶粒。第二多个晶粒以不同于第一布置的第二布置构造。
在另一实例中，描述了一种方法。该方法包括产生一体物体的第一层该一体物体具有一个或多个互连部件。第一层利用包含伸长的晶粒的金属产生，该伸长的晶粒具有柱状取向，这导致金属的第一层具有各向异性性质。金属可配置为结合至产生在第一层上的后续层以形成一体物体的一部分。在自产生一体物体的第一层起阈值持续时间发生之后，对第一层的至少一部分施加外力。外力的施加在金属的伸长晶粒的柱状取向中导致一个或多个变形。该方法进一步包括产生结合到一体物体的第一层的第二层。产生第二层导致第一层的金属将等轴晶粒重结晶以替代第一层中邻近一个或多个变形的金属的伸长晶粒中的一个或多个。等轴晶粒导致金属的第一层具有各向同性性质。
已经进行讨论的特征、功能和优点可以在各种实例中独立地实现或者可以在另外其他实例中进行组合，参考以下描述和附图可见它们的其他细节。
附图说明
被认为是示例性实例特有的新的特征在所附权利要求书中进行阐述。然而，当接合附图研读时，通过参考对本公开的示例性实例的以下详细描述，可以最佳地理解示例性实例以及其优先的使用模式、其他目标和描述，其中：
图1示出了根据示例性实施方式的用于改善用于增材制造的材料的微观结构的示例性方法的流程图。
图2示出了根据示例性实施方式的用于和图1中所示方法一起使用的示例性方法的流程图。
图3是根据示例性实施方式在增材制造期间利用微观结构改善技术产生的装置的图示。
图4是根据示例性实施方式的构成了沉积层的微观结构的一部分的具有对齐晶体方向的伸长晶粒的图示。
图5是根据示例性实施方式的构成图4中所示沉积层的微观结构的一部分的具有随机晶体取向的改善晶粒的图示。
图6示出了根据示例性实施方式的用于改善用于增材制造的金属的微观结构的示例性方法的流程图。
具体实施方式
现将在下文中参考附图更全面地描述所公开的实例，其中示出了所公开实例中的一些而非全部。事实上，若干不同的实例可能得到描述而不应被解释为对本文所阐述的实例进行限制。而是，描述这些实例是为了使本公开可以彻底和完整并且可以向本领域技术人员充分传达本公开的范围。
实例涉及改善用于增材制造的金属材料的微观结构的技术。特别是，一些实例涉及在增材制造期间应用冷加工以重构金属材料的沉积层的微观结构。冷加工可以通过施加外力导致沉积层中的变形。后续的重结晶可以重构经冷加工的层的微观结构。如此，重构每个沉积层(或者层的子集)的微观结构可以改善强度以及经增材制造结构的其他性能。
如以上所指出的，增材制造涉及根据3D设计模型沉积和固化材料以形成期望的结构。例如，用于产生期望结构的技术可以涉及送丝或送粉增材制造工艺。在沉积金属材料的层之后，材料的底层晶粒通常不均匀地生长。特别是，材料在基底或之前的层上的外延和择优生长可能导致一些晶粒变成伸长的。这些伸长的晶粒通常按照特定取向(例如，柱状)一起生长，从而阻止了按照其他取向布置的晶粒同样多地生长。材料的微观结构中晶粒的这种不均匀生长导致层具有各向异性性质，这可能未按预期地影响层的强度和有效性。当保持不变时，由各向异性层组成的增材制造结构对于期望用途来说可能受到性能降低的影响。
为了增强层以及增材制造结构整体的性能，冷加工被用来改变组成每个层的材料的微观结构。冷加工是金属材料在其重结晶温度下的塑性变形。特别是，冷加工通过施加外力改变了金属材料的沉积层的微观结构。外力导致塑性变形，也被称为冷加工，并且以影响材料性能的的成绩层的晶粒的布置内的纳米尺度的线性缺陷的形式表现，其被称为“错位”。如此，冷加工增大了错位密度并且改变了晶粒尺寸分布，以便允许通过后续沉积的层重结晶。存在若干应用冷加工的技术，包括包含在表1中的示例性技术。
如以上所指出的，冷加工的累积需要金属材料低于其静态重结晶温度。因此，当在增材制造过程中应用冷加工时，为了允许新沉积的金属材料层在应用冷加工之前温度降到足够低，冷却可能是必要的。允许沉积层在向该层施加外力之前温度降低可以有助于避免对层造成潜在的扰动或多余的变形。
尽管降低沉积层的温度需要时间或者规定的冷却技术，但是相比于热加工冷加工具有许多优点。特别是，热加工可能无法给予后续重结晶足够的变形。此外，冷加工可以不导致晶粒生长、不需要热源、相比于热加工允许精确的尺寸控制、产生更好的表面光洁度，以及改进最终产品形式的强度性能，与此同时还最大程度降低了金属材料的方向性能。
在一些实例中，冷加工在材料降到低于其重结晶温度之后通过喷丸金属沉积材料层来施加。喷丸处理涉及在层上投射一组物理物体(例如，金属球)，从而在金属材料的晶粒水平上导致变形。类似于喷丸处理，超声喷丸是可以向沉积层施加外力的另一种类型的喷丸。不像喷丸处理，超声喷丸涉及投射音速脉冲波以在沉积层中形成变形。
通过机械地导致局部热应力梯度在沉积层中的重新分布，这些冷加工技术以及其他技术还可以减少或潜在地消除在增材制造期间对其他应力消除工艺的需要。继而，可以通过消除处理步骤来降低总体成本和流程时间。此外，不像滚轮技术，喷丸以及在表1中列出的一些其他类型的冷加工技术并不对用于增材制造的结构的几何设计设置形状或尺寸的限制。
在将后续层沉积在经冷加工的层上时，来自新的层的热量可能促使经冷加工的层重结晶。重结晶是新晶粒的成核和生长。通过重结晶，经冷加工的层以无应变晶粒替代了应变晶粒。这些新的无应变晶粒在纳米尺度尺寸上成核，并且不同于它们替代的较大、伸长的晶粒，通常生长到保持相似的尺寸(例如，平均粒径)和形态。例如，新的晶粒可以相对于伸长的晶粒具有更小和更球面的尺寸。此外，重结晶的晶粒倾向于按照更随机的取向生长，从而使层具有更各向同性的性能。各向同性性质表明层的性能是一致的而不管测量的方向如何。
为了改善增材制造结构的性能，以上技术涉及冷加工并且在增材直到期间对所有层(或者层的子集)应用重结晶。结果是产生了经改善的微观结构，其强度更大、延展性更好以及更耐用，同时具有更平衡的机械性能而不管测量的方向如何。如此，冷加工和重结晶使由金属材料制造的增材制造结构较不易于受到破裂和失效，并且提供了更可靠、重量轻以及合算的产品。
现在参考附图，图1示出了改善用于增材制造的材料的微观结构的示例性方法的流程图。图1中所示的方法100给出了可以用于改善在增材制造期间使用的一种或多种材料的微观结构的方法的示例。
方法100可以包括一个或多个操作、功能、或动作，如一或多个框102、104和106所示。尽管框按照顺序次序示出，这些框也可以并行地和/或按照和本文所述次序不同的次序执行。而且，各个框可以合并成更少的框、划分成附加的框，和/或基于期望实施方式去除。
在框102处，方法100包括产生具有一个或多个互连部件的一体物体的第一层。一体物体是具有作为单件而一起形成的一个或多个部件的结构。例如，一体物体可以是部件、零件、物品或其他类型的物体。增材制造的层以及固化工艺使得能够生产各种各样的具有各种形状和设计的一体物体。不同于传统制造，经增材制造的物体不需要用来使多个元件连接在一起的紧固件(例如，螺钉，钉子)。
如以上所指出的，增材制造包括将一种或多种金属材料的层沉积到一起根据3D数据模型形成期望的一体物体。可以使用的示例性金属材料包括但不限于以下基本金属的纯净物和合金：铁、镍、钴、铜、铝、钛、锆、钪、锌、镁、金以及银。在一些情况下，还可以使用材料的复合物。例如，复合物可以包括物理或化学结合的多种金属。选择用于增材制造物体的材料通常取决于材料的成本以及物体的尺寸和期望用途。
在层的沉积过程期间，金属材料经加热和成形。例如，激光可以熔化金属材料，从而能够使部件形成期望形状。为了形成结构的部分，选择用于第一层(以及附加层)的材料或者多种材料可配置为结合至后续层(即，共混到一起以形成单个部分)。层被熔合/固化到一起从而形成不再需要紧固件来连接元件的无缝端结构。
如以上所讨论的，当将金属材料层沉积在基底或之前的层上时，一些晶粒可能支配生长并变成伸长的。这些伸长的晶粒由外延生长得到并限制了按照其他取向定位的晶粒的生长。由于伸长的晶粒倾向于按照特定的晶粒取向(例如，柱状取向)和晶体方向生长，不平衡的晶粒结构导致层具有各向异性性质。
在框104处，方法100包括对第一层的至少一部分施加外力。在沉积金属材料的第一层之后，由于伸长的晶粒的外延生长，该层可能具有各向异性性质。为了降低该各向异性性质，对第一层应用冷加工。
如以上所讨论的，冷加工包括在沉积层的部分上施加外力，从而导致晶粒的布置中的一个或多个变形。在一些实例中，按照促使一定百分比的层引发变形的一定速率和一定强度施加冷加工。例如，可以施加冷加工使得百分之二十(20％)的沉积层经历变形。其他实例可以包括按照不同的速率或强度施加冷加工，从而导致其他两的沉积层经历变形(例如，50％的层可以由于冷加工而引发变形)。
在其他实例中，层的变形的百分比可以取决于层的材料的类型和晶体结构。然而，冷加工的累积需要沉积层的温度低于材料的重结晶温度，否则，可能发生动态重结晶并且可能失去微观结构改善中的一些且难以进行控制。
在一些实例中，在自层的产生起阈值持续时间发生之后，对沉积层施加冷加工。该阈值持续时间可以取决于沉积层的材料降低到低于其重结晶温度所需要的时间量。例如，钛降低到低于其重结晶温度所需要的阈值持续时间可能不同于铝降低到低于其重结晶温度所需要的阈值持续时间。特别地，例如，钛合金被加热达到钛的a-β温度范围的上限。在一些情况下，重结晶温度高度依赖各种因素，例如所使用的合金或金属的类型和化学性、所施加的冷加工的量(即，更多的冷加工可以降低所需的温度)以及层能够保持在重结晶温度下的时间。
在其他实例中，对材料的第一层的上表面应用施加外力以在第一层的晶粒的布置中的多个位置处导致变形。例如，可以在阈值持续时间之后施加外力，该阈值时间基于第一层的材料用来使晶粒重结晶所需的时间量，从而使得经改善的晶粒替代最初组成第一层的晶粒的至少阈值部分。
因此，一旦层足够冷却，则施加冷加工。温度传感器可以指示何时该层得到了足够冷却。在其他实例中，该过程可以包括允许该层冷却一段阈值持续时间，该阈值持续时间取决于材料的类型。特别地，阈值持续时间可以取决于之前的测试和测量，该测试和测量用于确定允许层温度降低到足够接受冷加工所需要的持续时间。在一些情况下，可以使用冷却气体或另一种技术来将沉积材料降低到低于其重结晶温度。
如表1中所示，各种冷加工技术可以向沉积层施加外力。例如，喷丸处理是一种通过在沉积层上投射一组物理物体(例如，金属珠)导致变形的处理。投射(projection)可以指向经沉积层的整个上表面、多个表面或者层的选定部分。类似地，超声喷丸是另一种类型的喷丸，其包括在沉积层的部分上投射音速脉冲而不是物理物体以导致变形。
另一种冷加工技术包括利用旋转式挡板(rotary flapper)以对沉积层施加外力。旋转式挡板配置有多个翼片(flap)，该多个翼片包含足够刚性的金属或其他硬质金属，以在旋转式挡板相对于并在距离层的阈值距离范围内移动时接合并导致晶粒结构的变形。挡板需要具有足够的强度以导致沉积层的变形而不会对挡板造成损坏。阈值距离取决于翼片的尺寸、变形的期望数量以及其他潜在因素。还可以使用其他冷加工技术。
在框106处，方法100包括产生结合到一体物体的第一层的第二层。该一体物体可以对应于具有作为单件形成的一个或多个互连部件的结构。为了生产该一体物体，沉积附加的层直到完全形成该一体物体。附加的层可以由和之前的层相同的材料或不同的材料形成。
当将第二层沉积在第一层上时，来自第二层的热量可以导致第一层经历重结晶。在不同实施例中，由第二层提供给第一层的热量的量可以不同。例如，所提供的热量的量可以取决于能量输入速率和第二层的沉积速度，以便足够的热量和时间使第一层能够重结晶。
如以上所讨论的，通过一组新的晶粒(最初成核并生长直到变形的晶粒已经完全被消耗)重结晶替代了变形的晶粒。作为重结晶的结果，经冷加工的层的晶粒结构不同在冷加工和重结晶之前的层的初始布置。特别是，重结晶可以产生以随机晶体取向定位的较小、圆形晶粒(等轴晶粒结构，其中晶粒结构具有近似相等的尺寸)，它们替代了伸长的晶粒。这种由较小、随机取向晶粒组成的晶粒布置导致层具有各向同性性质，从而改进了其总的性能集。在一些实例中，产生结合至一体物体的第一层的第二层可以包括沉积第二层使得在重结晶之后第一层的第二布置中的晶粒具有比重结晶之前第一层的伸长的晶粒的晶粒尺寸更小的相应晶粒尺寸。
图2示出了根据示例性实施方式的用于方法100一起使用的示例性方法的流程图。在框108处，功能包括对第二层的至少一部分施加外力。所施加的外力的量可以仿照施加给第一层的外力的量。在其他情况下，力的大小可以不同。例如，第二层可以由需要更多外力的不同材料组成。
如以上所指出的，增材制造通过固化多个材料层来产生一体物体。如此，为了形成并完成一体物体，附加层被沉积在之前的层的顶部直到完成该一体物体。每个附加层的数量、尺寸以及形式取决于一体物体的尺寸和设计。特别是，一些层可以根据一体物体的设计具有呈不同形状的更多或更少的材料。
为了确保附加层保持期望的性能(例如，强度、延展性)，类似地对这些层应用冷加工。所使用的冷加工技术可以保持相同或者在层之间不同。如表1中所示，对于应用冷加工由多个选项。在一些实例中，对每一层应用相同的冷加工技术(例如，喷丸)。在其他实例中，在层的产生上使用不同的冷加工技术。例如，可以使用喷丸处理来冷加工第一层并且可以使用旋转式挡板来冷加工第二层。
在一些实例中，多种冷加工技术被用来向每个层应用冷加工。作为示例，在一个实例中，喷丸处理和超声喷丸两者被同时用于在物体的增材制造期间对每个沉积层施加外力。被用来使层在增材制造期间塑性形变的冷加工技术的类型、持续时间和数量可以取决于层的尺寸和形状、所使用的材料的类型以及其他潜在因素。在另一实例中，在沉积层的不同部分上使用多种冷加工技术。
如以上所指出的，冷加工需要金属材料低于其重结晶温度。由此，在产生第二层之后，可以不应用冷加工直到出现第二阈值持续时间以使第二层能够充分冷却到低于材料的重结晶温度。在一些情况下，阈值持续时间可以取决于若干因素，例如与沉积后续层相关联的热量输入、第二层的材料的热传导性以及外部冷却的存在。第二阈值持续时间取决于第二层的材料以及在第二层沉积之后材料的初始温度。在一些实例中，冷却喷射或者其他技术被用来降低新沉积的第二层的温度。
在框110处，功能包括产生结合至一体物体的第二层的一体物体的第三层。第三层与第一和第二层一起固化以进一步形成一体物体。沉积第三层提供了热量，该热量刺激经冷加工的第二层中的材料重结晶以利用按照随机晶体取向布置的一组新的较小、圆形晶粒替代已应变和变形的晶粒。由沉积的第三层所提供的热量的量可以将经冷加工的层升高到适合于进行重结晶的温度。如此，由第三层所提供的热量的量可以根据组成第二层的材料而不同。
如以上所讨论的，重结晶重构了经冷加工的层的布置和晶粒尺寸，从而得到各向同性性质并改善了强度。层的沉积是重复的以便形成最终的期望结构。如此，每个层的性能可以根据各种因素而不同，例如每个层所受到的冷加工的量、每个层的形状和厚度、所使用的材料的类型、沉积和重结晶的持续时间，以及其他因素。
图3是在增材制造期间利用微观结构改善技术产生的装置112的图示。装置112包括由在增材制造期间产生并共混在一起的一个或多个互连部件组成的一体物体114。如图所示，一体物体114由第一层116、第二层118、第三层120、第四层122以及第五层124组成。其他增材制造的物体可以具有按照其他构造成形的更多或更少的层。
装置112代表配置为保持并显示花型的增材制造容器。图1和图2中所示的方法100或者另一种增材制造技术可以形成装置112。为了图示说明的目的，每个沉积层(即，层116、118、120、124)被显示为具有明显的连接以描绘层116、118、120、124的布局。层116、118、120、124可以由各种金属材料组成，例如铝、钛、合金等。此外，为了说明的目的，层116、118、120、124的高度和宽度在图3中进行了夸大，但是在实施过程中可以更小。
当增材制造装置112时，一体物体114的每个层在沉积下一层之前被沉积、冷却和冷加工。例如，装置112的产生首先包括在基底上沉积并形成第一层116。相对于基底的外延生长可能导致影响第一层116性能的不平衡晶粒生长。因此，在沉积第一层116之后，第一层116被允许在应用冷加工之前冷却。第一层116可以随时间冷却或者利用允许材料降低到低于其重结晶温度的另一种技术(例如，风扇)来冷却。在冷却时，一种或多种冷加工技术被应用以在第一层116的晶粒结构中导致变形。冷加工在整个第一层116上或者特定部分(例如，上表面)上应用。
在第一层116经冷加工之后，第二层118被沉积在第一层116上以形成一体物体114的一部分。在一些情况下，第二层118在第一层116接受冷加工之后立即沉积。在其他情况下，第一层116被允许冷却并释放在第二层118沉积之前施加冷加工所留下的一些能量。如此，第二层118的沉积促进了第一层116中的重结晶，这利用一组新的晶粒替代变形的晶粒。该组新的晶粒具有按照随机晶体取向布置的较小、圆角的晶粒，从而改善了第一层116的强度和平衡。
以上过程被重复以增强作为附加层(例如，第三层120、第四层122，以及第五层124)沉积的层。这种在多个层上的重复改善了装置112的总体强度并且可以确保添加的层不会弱化一体物体114。
图4是构成了沉积层的微观结构的一部分的具有对齐晶体方向的伸长晶粒的图示。图4中所示的沉积层的部分126包括按照柱状取向布置的伸长的晶粒128、伸长的晶粒130、伸长的晶粒132。在增材制造期间将层沉积之后，外延生长导致一些晶粒支配生长并变成伸长的。如图4中所示，这些伸长的晶粒128、130、132通常按照特定取向一起生长，这导致沉积的层具有未按预期影响层的强度的各项异性性能。这些伸长的晶粒128、130、132的生长还阻止了层中以不同取向的其他晶粒晶粒类似的生长。由于这些原因，冷加工被用来使晶粒变形并允许对晶粒重构以降低各向异性性质。
图5是构成图4中所示沉积层的微观结构的一部分的具有更多随机晶体取向的改善晶粒的图示。特别是，部分134代表图4中所描述的在层经历冷加工和重结晶之后的沉积层。
如以上所讨论的，应用冷加工以在沉积层的晶粒结构中导致变形并且随后将新的层沉积在经冷加工的层上。来自新层的热量导致经冷加工的层中的材料重结晶成新的晶粒以替代通过冷加工发生形变的晶粒。如图5中部分134中所示，重结晶产生了具有以箭头表示的随机晶体取向的较小晶粒(例如，晶粒136、晶粒138)。这些圆角、较小的晶粒替代了图4中所示的伸长的晶粒128、130、132，从而增大了层的强度。因此，经强化的层实现了更强的增材制造结构。
图6示出了改善用于增材制造的金属的微观结构的示例性方法的流程图。图6中所示的方法140给出了可以用于改善在增材制造期间使用的金属或另一种材料的微观结构的方法的另一示例。
方法140可以包括一个或多个操作、功能、或动作，如一或多个框142、144和146所示。尽管框按照顺序次序示出，这些框也可以并行地和/或按照和本文所述次序不同的次序执行。而且，各个框可以合并成更少的框、划分成附加的框，和/或基于期望实施方式去除。
在框142处，方法140包括产生具有一个或多个互连部件的一体物体的第一层。特别是，第一层利用金属(例如，钛、铝)沉积，该金属生长成使得一组伸长的晶粒支配整个生长。例如，伸长的晶粒可以按照柱状取向生长，这阻止了其他晶粒按照相对取向同样多地生长。结果是，金属的沉积层可能具有各向异性性质。
在框144处，方法140包括对第一层的至少一部分施加外力。在等待阈值持续时间以允许第一层冷却下来之后，应用一种或多种冷加工技术以导致金属的伸长的晶粒按照柱状取向的变形。如以上所讨论的，阈值持续时间可以减少或者甚至被冷却喷射或其他技术所替代。
在框146处，方法140包括产生结合到一体物体的第一层的第二层。特别是，产生一体物体的第二层导致第一层的金属重结晶成等轴晶粒以替代第一层中邻近一个或多个变形的金属的伸长晶粒中的一个或多个。这些等轴晶粒具有较小、圆角尺寸并且按照随机晶体取向布置。新的晶粒结构导致金属的沉积层具有各向同性性质，这改善了层的强度和耐久性。
此外，本公开包括根据以下条款的实例：
条款1.一种方法，其包括：产生具有一个或多个互连部件的一体物体的第一层，其中所述第一层利用包含以第一布置构造的第一多个晶粒的材料产生，并且其中所述材料可配置为结合至产生在所述第一层上的后续层以形成所述一体物体的一部分；在自产生所述一体物体的所述第一层起阈值持续时间发生之后，对所述第一层的至少一部分施加外力，以在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致一个或多个变形；产生结合至所述一体物体的所述第一层的第二层，其中产生所述第二层导致所述第一层的所述材料将第二多个晶粒重结晶以替代所述第一多个晶粒中邻近所述一个或多个变形的一个或多个组的晶粒，并且其中所述第二多个晶粒以不同于所述第一布置的第二布置构造。
条款2.根据条款1所述的方法，其中所述材料为金属，并且其中产生所述一体物体的所述第一层包括利用送丝增材制造(wire feed additive manufacturing)。
条款3.根据条款1所述的方法，其中所述材料为合金，并且其中产生所述一体物体的所述第一层包括利用送粉增材制造(powder feed additive manufacturing)。
条款4.根据条款1至3中任一项所述的方法，其中利用以所述第一布置构造的所述第一多个晶粒产生所述一体物体的所述第一层包括沉积所述第一层使得多个伸长的晶粒源自外延生长。
条款5.根据条款4所述的方法，其中利用以所述第一布置构造的所述第一多个晶粒产生所述一体物体的所述第一层包括沉积所述第一层，使得所述第一多个晶粒中的所述伸长的晶粒具有导致所述材料的所述第一层具有各向异性性质的柱状取向。
条款6.根据条款4或5所述的方法，其中产生结合至所述一体物体的所述第一层的所述第二层包括沉积所述第二层，使得以所述第二布置构造的所述第二多个晶粒的相应晶粒尺寸小于所述第一多个晶粒中的所述多个伸长的晶粒晶粒尺寸。
条款7.根据条款1至6中任一项所述的方法，其中在自产生所述一体物体的所述第一层起阈值持续时间发生之后对所述第一层的至少一部分施加所述外力包括：在给定阈值持续时间之后对所述第一层的至少一部分施加所述外力，所述给定阈值持续时间取决于所述第一层的所述材料降低到低于所述第一层的所述材料的重结晶温度所需要的时间量。
条款8.根据条款1至7所述的方法，其中产生结合至所述一体物体的所述第一层的所述第二层包括：沉积所述第二层使得以所述第二布置构造的所述第二多个晶粒具有导致所述材料的所述第一层具有各向同性性质的等轴晶粒结构和随机晶体取向。
条款9.根据条款1至8中任一项所述的方法，其中在所述第一层的至少一部分上施加所述外力包括：利用喷丸处理工艺施加所述外力，其中所述喷丸处理工艺包括将一组物理物体投射到所述材料的所述第一层以在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致所述一个或多个变形。
条款10.根据条款1至9中任一项所述的方法，其中在所述第一层的至少一部分上施加所述外力包括：利用旋转式挡板施加所述外力，其中所述旋转式挡板包括一个或多个翼片，所述一个或多个翼片配置为当所述旋转式挡板在距离所述第一层的阈值距离内定位和移动时在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致所述一个或多个变形。
条款11.根据条款1至10中任一项所述的方法，其中在所述第一层的至少一部分上施加所述外力包括：利用超声喷丸施加所述外力，其中所述超声喷丸包括将声速脉冲投射到所述材料的所述第一层的一个或多个部分以在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致所述一个或多个变形。
条款12.根据条款1至11中任一项所述的方法，其中施加所述外力包括向所述材料的所述第一层提供热量，所述热量刺激所述一个或多个变形处的重结晶。
条款13.根据条款1至12中任一项所述的方法，其中产生结合至所述一体物体的所述第一层的所述第二层包括利用对应于所述一体物体的所述第一层的所述材料的材料产生所述第二层。
条款14.根据条款1至13中任一项所述的方法，其中产生结合至所述一体物体的所述第一层的所述第二层包括利用不同于所述一体物体的所述第一层的所述材料的第二材料产生所述第二层。
条款15.根据条款1至14中任一项所述的方法，其中向所述第一层的至少一部分施加所述外力包括：向所述材料的所述第一层的上表面施加所述外力以在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中的多个位置处导致多个变形；并且其中所述阈值持续时间基于所述第一层的所述材料用来使所述第二多个晶粒重结晶从而使得所述第二多个晶粒替代所述第一多个晶粒的至少阈值部分所需要的时间量。
条款16.根据条款1至15中任一项所述的方法，进一步包括：在自产生结合至所述一体物体的所述第一层的所述第二层起第二阈值持续时间发生之后，对所述第二层的至少一部分施加外力；以及产生结合至所述第二层的第三层，其中产生所述第三层导致所述第二层的材料重结晶第三多个晶粒，以替代给定的多个晶粒中邻近由于在所述第二层的所述材料的所述给定的多个晶粒的布置中施加外力导致的一个或多个变形的一个或多个组的晶粒，并且其中所述第三多个晶粒以类似于所述第二多个晶粒的所述第二布置的第三布置构造。
条款17.一种装置，其包括：具有一个或多个互连部件的一体物体，其中所述一体物体包括：第一层，所述第一层利用包含以第一布置构造的第一多个晶粒的材料产生，其中所述材料可配置为结合至产生在所述第一层上的后续层以形成所述一体物体的一部分，其中在自产生所述第一层起阈值持续时间发生之后，将外力的应用施加到所述第一层的至少一部分，以在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致一个或多个变形；以及第二层，所述第二层结合至所述一体物体的所述第一层，其中所述第二层的产生导致所述第一层的所述材料将第二多个晶粒重结晶以替代所述第一多个晶粒中邻近所述一个或多个变形的一个或多个组的晶粒，并且其中所述第二多个晶粒以不同于所述第一布置的第二布置构造。
条款18.根据条款17所述的装置，其中向所述第一层的至少一部分施加所述外力以在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致一个或多个变形包括：利用旋转式挡板，其中所述旋转式挡板包括一个或多个翼片，当所述旋转式挡板在距离所述第一层的阈值距离内定位和移动时，所述一个或多个翼片在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致所述一个或多个变形。
条款19.根据条款17或18所述的装置，其中向所述第一层的至少一部分施加所述外力以在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致一个或多个变形包括：利用超声喷丸，其中所述超声喷丸包括将声速脉冲投射到所述材料的所述第一层的一个或多个部分以在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致所述一个或多个变形。
条款20.一种方法，其包括：产生具有一个或多个互连部件的一体物体的第一层，其中所述第一层利用包含伸长的晶粒的金属产生，所述伸长的晶粒具有导致所述金属的所述第一层具有各向异性性质的柱状取向，并且其中所述金属可配置为结合至产生在所述第一层上的后续层以形成所述一体物体的一部分；在自产生所述一体物体的所述第一层起阈值持续时间发生之后，对所述第一层的至少一部分施加外力，其中所述外力的施加在所述金属的所述伸长的晶粒的所述柱状取向中导致一个或多个变形；以及产生结合至所述一体物体的所述第一层的第二层，其中产生所述第二层促使所述第一层的所述金属重结晶等轴晶粒以替代所述第一层中邻近所述一个或多个变形的所述金属的一个或多个所述伸长的晶粒，并且其中所述等轴晶粒导致所述金属的所述第一层具有各向同性性质。
本文中所使用的术语“基本上”、“大约”意思是引述的特征、参数或值无需精确地获得，而是，包括例如测量误差、测量准确度限制以及本领域普通技术人员已知的其他因素的偏差或差压可以以并不妨碍和/或消除特征旨在提供的效果的量发生。
对不同的有利布置的描述已经为了说明和描述的目的提出，并且并不旨在作为穷尽性的或者限于所公开形式的实例。许多修改和改变对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。此外，相比于其他有利实例，不同的有利实例可以描述不同的优点。选定实例或多个实例被选择和描述为以便最佳解释实例的原理、实际应用，以及以便使本领域其他普通技术人员能够针对具有适合于所构思的特定用途的修改的各种实例来理解本公开。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
产生具有一个或多个互连部件的一体物体(114)的第一层(116)，其中所述第一层(116)利用包含以第一布置构造的第一多个晶粒的材料产生，并且其中所述材料可配置为结合至在所述第一层(116)上产生的后续层以形成所述一体物体(114)的一部分；
在自产生所述一体物体(114)的所述第一层(116)起阈值持续时间发生之后，对所述第一层(116)的至少一部分施加外力，其中所述外力的施加在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致一个或多个变形；
产生结合至所述一体物体(114)的所述第一层(116)的第二层(118)，其中产生所述第二层(118)导致所述第一层(116)的所述材料使第二多个晶粒(136、138)重结晶以替代所述第一多个晶粒中的与所述一个或多个变形邻近的一个或多个组的晶粒，并且其中所述第二多个晶粒(136、138)以不同于所述第一布置的第二布置构造。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述材料为金属，并且其中产生所述一体物体(114)的所述第一层(116)包括利用送丝增材制造。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述材料为合金，并且其中产生所述一体物体(114)的所述第一层(116)包括利用送粉增材制造。
4.根据权利要求1所述的方法，其中利用以所述第一布置构造的所述第一多个晶粒产生所述一体物体(114)的所述第一层(116)包括沉积所述第一层(116)使得多个伸长的晶粒(128、130、132)源自外延生长。
5.根据权利要求4所述的方法，其中利用以所述第一布置构造的所述第一多个晶粒产生所述一体物体(114)的所述第一层(116)包括沉积所述第一层(116)，使得所述第一多个晶粒中的所述伸长的晶粒(128、130、132)具有导致所述材料的所述第一层(116)具有各向异性性质的柱状取向。
6.根据权利要求4所述的方法，其中产生结合至所述一体物体(114)的所述第一层(116)的所述第二层(118)包括沉积所述第二层(118)，使得以所述第二布置构造的所述第二多个晶粒(136、138)的相应晶粒尺寸小于所述第一多个晶粒中的所述多个伸长的晶粒(128、130、132)的晶粒尺寸。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在自产生所述一体物体(114)的所述第一层(116)起所述阈值持续时间发生之后，对所述第一层(116)的至少一部分施加外力包括：
在给定的阈值持续时间之后对所述第一层(116)的至少一部分施加外力，所述给定阈值持续时间取决于所述第一层(116)的所述材料降低到低于所述第一层(116)的所述材料的重结晶温度所需要的时间量。
8.根据权利要求1所述的方法，其中产生结合至所述一体物体(114)的第一层(116)的所述第二层(118)包括：
沉积所述第二层(118)，使得以所述第二布置构造的所述第二多个晶粒(136、138)具有导致所述材料的所述第一层(116)具有各向同性性质的等轴晶粒结构和随机晶体取向。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一层(116)的至少一部分上施加外力包括：
利用喷丸处理工艺施加外力，其中所述喷丸处理工艺包括将一组物理物体投射到所述材料的所述第一层(116)以在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致一个或多个变形。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一层(116)的至少一部分上施加外力包括：
利用旋转式挡板施加外力，其中所述旋转式挡板包括一个或多个翼片，所述一个或多个翼片配置为当所述旋转式挡板在距离所述第一层(116)的阈值距离内定位和移动时在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致所述一个或多个变形。
11.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一层(116)的至少一部分上施加外力包括：
利用超声喷丸施加外力，其中所述超声喷丸包括将音速脉冲投射到所述材料的所述第一层(116)的一个或多个部分以在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致所述一个或多个变形。
12.根据权利要求1所述的方法，其中施加外力包括向所述材料的所述第一层(116)提供热量，所述热量刺激所述一个或多个变形处的重结晶。
13.根据权利要求1所述的方法，其中产生结合至所述一体物体(114)的所述第一层(116)的所述第二层(118)包括利用与所述一体物体(114)的所述第一层(116)的所述材料相对应的材料产生所述第二层(118)。
14.根据权利要求1所述的方法，其中产生结合至所述一体物体(114)的所述第一层(116)的所述第二层(118)包括利用不同于所述一体物体(114)的所述第一层(116)的所述材料的第二材料产生所述第二层(118)。
15.根据权利要求1所述的方法，其中向所述第一层(116)的至少一部分施加外力包括：
向所述材料的所述第一层(116)的上表面施加外力以在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中的多个位置处导致多个变形；并且
其中所述阈值持续时间基于所述第一层(116)的所述材料使所述第二多个晶粒(136、138)重结晶从而使得所述第二多个晶粒(136、138)替代所述第一多个晶粒的至少阈值部分所需要的时间量。
16.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在自产生结合至所述一体物体(114)的所述第一层(116)的所述第二层(118)起第二阈值持续时间发生之后，向所述第二层(118)的至少一部分施加外力；以及
产生结合至所述第二层(118)的第三层(120)，其中产生所述第三层(120)导致所述第二层(118)的材料使第三多个晶粒重结晶，以替代给定的多个晶粒中的、与由在所述第二层(118)的所述材料的给定的多个晶粒的布置中施加外力而导致的一个或多个变形邻近的一个或多个组的晶粒，并且其中所述第三多个晶粒以类似于所述第二多个晶粒(136、138)的所述第二布置的第三布置构造。
17.一种装置(112)，包括：
一体物体(114)，具有一个或多个互连部件，其中所述一体物体(114)包括：
第一层(116)，利用包含以第一布置构造的第一多个晶粒的材料产生，其中所述材料可配置为结合至产生在所述第一层(116)上的后续层以形成所述一体物体的(114)一部分，其中在自产生所述第一层(116)起阈值持续时间发生之后，将外力施加到所述第一层(116)的至少一部分，以在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致一个或多个变形；以及
第二层(118)，结合至所述一体物体(114)的所述第一层(114)，其中所述第二层(118)的产生导致所述第一层(116)的所述材料使第二多个晶粒(136、138)重结晶以替代所述第一多个晶粒中的与所述一个或多个变形邻近的一个或多个组的晶粒，并且其中所述第二多个晶粒(136、138)以不同于所述第一布置的第二布置构造。
18.根据权利要求17所述的装置，其中向所述第一层(116)的至少一部分施加外力以在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致一个或多个变形包括利用旋转式挡板，其中所述旋转式挡板包括一个或多个翼片，当所述旋转式挡板在距离所述第一层(116)的阈值距离内定位和移动时，所述一个或多个翼片在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致所述一个或多个变形。
19.根据权利要求17所述的装置，其中向所述第一层(116)的至少一部分施加外力以在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致一个或多个变形包括利用超声喷丸，其中所述超声喷丸包括将脉冲投射到所述材料的所述第一层(116)的一个或多个部分以在所述材料的所述第一多个晶粒的所述第一布置中导致所述一个或多个变形。
20.一种方法(140)，包括：
产生一体物体(114)的第一层(116)，所述一体物体(114)具有一个或多个互连部件，其中所述第一层(116)利用包含伸长的晶粒(128、130、132)的金属产生，所述伸长的晶粒(128、130、132)具有导致所述金属的所述第一层(116)具有各向异性性质的柱状取向，并且其中所述金属可配置为结合至产生在所述第一层(116)上的后续层以形成所述一体物体(114)的一部分；
在自产生所述一体物体(114)的所述第一层(116)起阈值持续时间发生之后，对所述第一层(116)的至少一部分施加外力，其中所述外力的施加在所述金属的所述伸长的晶粒(128、130、132)的所述柱状取向中导致一个或多个变形；以及
产生结合至所述一体物体(114)的所述第一层(116)的第二层(118)，其中产生所述第二层(118)导致所述第一层(116)的所述金属使等轴晶粒重结晶以替代所述第一层(116)的所述金属中与所述一个或多个变形邻近的一个或多个所述伸长的晶粒(128、130、132)，其中所述等轴晶粒导致所述金属的所述第一层(116)具有各向同性性质。
CN201811445399.9A 2017-11-30 2018-11-29 用于增材制造材料的通过机械加工的微观结构改善方法 Active CN110000377B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/827,024 US10682725B2 (en) 2017-11-30 2017-11-30 Microstructure refinement methods by mechanical work for additive manufactured materials
US15/827,024 2017-11-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110000377A true CN110000377A (zh) 2019-07-12
CN110000377B CN110000377B (zh) 2023-01-24

Family

ID=63787862

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811445399.9A Active CN110000377B (zh) 2017-11-30 2018-11-29 用于增材制造材料的通过机械加工的微观结构改善方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10682725B2 (zh)
EP (1) EP3492200A1 (zh)
JP (1) JP7386606B2 (zh)
CN (1) CN110000377B (zh)
RU (1) RU2018135640A (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200331099A1 (en) * 2019-04-18 2020-10-22 United Technologies Corporation Metal additive manufacturing method and article
CN115026308B (zh) * 2022-06-10 2024-02-02 南京工业大学 冷喷涂调控激光熔覆沉积组织的方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1455014A (zh) * 2002-04-30 2003-11-12 博哈里尔特种钢两合公司 耐热工具
US20070122560A1 (en) * 2005-11-30 2007-05-31 Honeywell International, Inc. Solid-free-form fabrication process including in-process component deformation
WO2009102848A1 (en) * 2008-02-15 2009-08-20 Dayton Progress Corporation Methods of thermo-mechanically processing tool steel and tools made from thermo-mechanically processed tool steels
WO2012152259A1 (de) * 2011-05-12 2012-11-15 Mtu Aero Engines Gmbh Verfahren zum herstellen, reparieren oder austauschen eines bauteils mit verfestigen mittels druckbeaufschlagung
GB2491472A (en) * 2011-06-02 2012-12-05 Univ Cranfield Added Layer Manufacture
US20130177767A1 (en) * 2012-01-06 2013-07-11 Maik Grebe Apparatus for layer-by-layer production of three-dimensional objects
US20150266285A1 (en) * 2014-03-24 2015-09-24 Siemens Aktiengesellschaft Method and an apparatus for controlling grain size of a component
GB2533102A (en) * 2014-12-09 2016-06-15 Bae Systems Plc Additive manufacturing

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070158200A1 (en) * 2002-10-29 2007-07-12 Microfabrica Inc. Electrochemical fabrication processes incorporating non-platable metals and/or metals that are difficult to plate on
US20130316183A1 (en) * 2011-01-13 2013-11-28 Anand A. Kulkarni, JR. Localized repair of superalloy component
DE202011003443U1 (de) * 2011-03-02 2011-12-23 Bego Medical Gmbh Vorrichtung zur generativen Herstellung dreidimensionaler Bauteile
CN105142825A (zh) * 2012-09-27 2015-12-09 阿洛梅特公司 形成具有功能梯度材料的新颖组合物的金属或陶瓷制品的方法和包含所述组合物的制品
US10111753B2 (en) * 2014-05-23 2018-10-30 Titan Spine, Inc. Additive and subtractive manufacturing process for producing implants with homogeneous body substantially free of pores and inclusions
US10016852B2 (en) * 2014-11-13 2018-07-10 The Boeing Company Apparatuses and methods for additive manufacturing
FR3047914B1 (fr) 2016-02-19 2021-05-21 Safran Procede et dispositif de fabrication d'une piece par depots successifs de couches
CN107225244A (zh) 2017-06-21 2017-10-03 苏州大学 一种调控/降低激光增材制造零件内应力的方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1455014A (zh) * 2002-04-30 2003-11-12 博哈里尔特种钢两合公司 耐热工具
US20070122560A1 (en) * 2005-11-30 2007-05-31 Honeywell International, Inc. Solid-free-form fabrication process including in-process component deformation
WO2009102848A1 (en) * 2008-02-15 2009-08-20 Dayton Progress Corporation Methods of thermo-mechanically processing tool steel and tools made from thermo-mechanically processed tool steels
WO2012152259A1 (de) * 2011-05-12 2012-11-15 Mtu Aero Engines Gmbh Verfahren zum herstellen, reparieren oder austauschen eines bauteils mit verfestigen mittels druckbeaufschlagung
GB2491472A (en) * 2011-06-02 2012-12-05 Univ Cranfield Added Layer Manufacture
US20130177767A1 (en) * 2012-01-06 2013-07-11 Maik Grebe Apparatus for layer-by-layer production of three-dimensional objects
US20150266285A1 (en) * 2014-03-24 2015-09-24 Siemens Aktiengesellschaft Method and an apparatus for controlling grain size of a component
GB2533102A (en) * 2014-12-09 2016-06-15 Bae Systems Plc Additive manufacturing

Also Published As

Publication number Publication date
RU2018135640A3 (zh) 2022-02-09
US20190160589A1 (en) 2019-05-30
CN110000377B (zh) 2023-01-24
JP7386606B2 (ja) 2023-11-27
JP2019189938A (ja) 2019-10-31
EP3492200A1 (en) 2019-06-05
RU2018135640A (ru) 2020-04-10
US10682725B2 (en) 2020-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Murr A metallographic review of 3D printing/additive manufacturing of metal and alloy products and components
JP5933512B2 (ja) レーザ付加製造法により金属部品を製造する方法
US20200024699A1 (en) Nickel base super alloys and methods of making the same
EP2772329A1 (en) Method for manufacturing a hybrid component
CN104511589A (zh) 用于通过添加性激光制造来制造金属部件的方法
CN110000377A (zh) 用于增材制造材料的通过机械加工的微观结构改善方法
US11421310B2 (en) High strength aluminum alloy
Brenne et al. Damage tolerant design by microstructural gradation–Influence of processing parameters and build orientation on crack growth within additively processed 316L
Beyerlein et al. Interface-driven mechanisms in cubic/noncubic nanolaminates at different scales
Khodabakhshi et al. 3D finite element analysis and experimental validation of constrained groove pressing–cross route as an SPD process for sheet form metals
Brodin et al. Mechanical behaviour and microstructure correlation in a selective laser melted superalloy
Mine et al. Crystallographic fatigue crack growth in titanium single crystals
Safaei et al. Controlling texture of NiTi alloy processed by laser powder bed fusion: Smart build orientation and scanning strategy
JP6740554B2 (ja) α＋β型チタン合金の熱処理方法
Isaenkova et al. Anisotropy of the mechanical properties of austenitic steel products obtained by selective laser melting
CN109986078A (zh) 用于增材制造材料的通过熔融池搅动的微结构改进方法
Ahmadi A micromechanical-based computational framework for modeling the mechanical properties of the metallic parts fabricated by selective laser melting
JP6105626B2 (ja) 強加工プロセスにより形成される構成部品の焼割れを予測する方法
TWI532850B (zh) 鎳鈦合金製品及其製造方法
Fu Investigating the mechanical performance of the triply periodic minimal surface based metallic lattices made by micro laser powder bed fusion
US20200331099A1 (en) Metal additive manufacturing method and article
CN108067618A (zh) 制造机械部件的方法
Hu et al. Homogeneous nanocrystalline Ni–Co alloys with excellent mechanical properties via abrasive-assisted electroforming
Ding Effects of Process Parameters on Microstructures and Properties of Inconel 718 Fabricated by Electron Beam Melting
Hızlı The constitutive and damage models of additively manufactured Ti6Al4V alloy

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant