CN111032254A - 通过在金属增材制造中应用原位气体射流撞击的凝固细化和一般相变控制 - Google Patents

Abstract

提供了一种射流装置以及使用该射流装置通过增材制造来制造物体的系统和方法，特别是钛和钛合金物体，其中，在增材制造过程期间，射流装置引导冷却气体穿过液体熔池，或撞击液体熔池，或撞击与液体熔池的液固边界相邻的凝固材料，或撞击凝固态材料，或其任何组合。冷却气体的施加可产生具有细化晶粒结构的增材制造的金属产品，其中高比例的晶粒是近似等轴的，并且可产生在强度、抗疲劳性和耐久性方面表现出改进的增材制造的产品。

Description

通过在金属增材制造中应用原位气体射流撞击的凝固细化和 一般相变控制

相关申请

要求2018年6月26日提交的标题为“通过在金属增材制造中应用原位气体射流撞击的凝固细化和一般相变控制(SOLIDIFICATION REFINEMENT AND GENERAL PHASETRANSFORMATION CONTROL THROUGH APPLICATION OF IN SITU GAS JET IMPINGEMENT INMETAL ADDITIVE MANUFACTURING)”的美国专利申请序列号16/019,460和2017年6月30日提交的标题为“通过熔池气体射流撞击在增材制造中的凝固结构的细化(REFINEMENT OFSOLIDIFICATION STRUCTURES IN ADDITIVE MANUFACTURING BY MELT POOL GAS JETIMPINGEMENT)”的美国临时申请第62/527,656号的优先权的权益。

在允许的情况下，以上引用的申请中的每一个的主题通过引用以其全部内容结合在此。

发明背景

技术领域

本发明涉及用于通过实体自由成形制造来制造物体(尤其是钛和钛合金物体)的装置和方法。

背景技术

由钛或钛合金、或其他金属合金制成的结构化金属部件通常通过铸造、锻造或机加工由坯料制成。这些技术具有许多缺点，例如昂贵的钛金属的高材料使用和在金属物体的制造中的长的交付时间。由于缺乏对凝固和冷却速率的控制，通常可用于生产潜在的近净形状的物体的铸造典型地具有降低的材料质量。加工成本和不能制备具有复杂形状的物体是常规方法的额外缺点。

完全致密的物理物体可以通过被称为快速原型制造、快速制造、分层制造或增材制造的制造技术来制造。由于近净形状产品的分层堆积，增材制造提供了很大的制造自由度和潜在的成本节约。期望在使用相同的现有金属合金的同时，匹配常规热机械加工方法(例如锻造)的材料特性。

在热机械加工中，材料特性在大多数情况下是由机械成形步骤的塑性变形引起的重结晶而实现的细化晶粒结构的结果。这种机制在典型的增材制造工艺中是不可获得的，其中在没有任何机械成形的情况下将熔融的材料分层添加、凝固和冷却。这通常导致粗的凝固晶粒结构。在许多合金中，所得结构也将以高纵横比伸长。这是由于在添加过热熔融金属时由相对更冷的工件提供的定向排热。凝固从先前沉积的层开始，并在沉积材料冷却时向上传播到沉积材料中。在许多情况下，凝固结构将延伸跨过几个层，尺寸高达几厘米。这些特性通常对机械性能不是最佳的，导致降低的和/或各向异性的强度、伸长率和疲劳性能。在凝固后进一步冷却时，发生同素异形相变(从一种晶体结构转变成另一种晶体结构)、沉淀和其他固态热化学反应。这些的性质取决于所讨论的合金体系。主要关注的是在发生这些转变的关键温度范围内的冷却速率。分层增材制造工艺产生复杂的循环加热、冷却和再加热条件，其中对每个沉积层中的所有相关相变的控制对于实现一致的产品是至关重要的。因此，尽管改变工件几何形状、散热器特性和累积热量，但实现热控制是增材制造中面临的挑战。除了冷却速率对沉积态和凝固的区域的影响之外，沉积后施加的冷却还帮助工件的整体冷却，允许开始沉积新的串或层而不需任何显著的等待时间。这对于在串或层之间具有较少循环时间的紧凑几何形状尤其有利。在目标相变区域中的原位气体射流撞击可增加冷却速率，并导致凝固细化和一般相变调节和/或控制。

现有技术包括，例如利用混合工艺，其中每个沉积层都塑性变形以实现重结晶的晶粒结构，该混合工艺已应用于减少变形并改善机械特性(参见美国专利申请公开号US2015/0360289，Liou等人(2015))。然而，这种中间形成步骤给出了降低的有效沉积速率(负面地影响生产率)，并且在形成复杂形状的能力方面可能限制制造的自由度。其他技术包括层间激光喷丸和超声撞击处理，例如在国际专利申请WO 2013140147A1(Wescott等人(2013))中描述的，以及层间冷轧，例如在欧洲专利申请公开EP2962788A1(Liou等人(2016))中描述的。

在凝固金属的冷却过程中，强制冷却已经施加到凝固态的层上，以准备进行激光或超声撞击处理以减少热变形并细化由于重结晶而导致的晶粒结构(参见美国专利申请公开号US2015/0041025，Wescott等人(2015))。这帮助减少层之间的等待时间，但仍需要等待正确的工件温度，随后调节沉积态的层，这将负面地影响生产率并潜在地限制制造自由度。现有技术中没有提到在沉积期间施加任何冷却，并且在沉积期间(原位)明确地没有在熔池上或邻近熔池的区域上施加冷却。相反，Wescott等人描述了在串沉积之间冷却一串工件的凝固层，以为变形步骤做准备。对于物理地加工沉积层的方法，来自加工的污染也将是一个问题，因为在添加工艺中任何污染物都可能被封闭在最终产品的层之间。Wescott等人没有提到通过熔池气体射流撞击在增材制造中细化凝固结构。

已用于细化金属以实现晶粒细化的其他技术包括将高频振动传输至熔融材料的主体，例如通过施加机械振动(例如，参见美国专利号3,363,668，Petit等人(1968))，声能(美国专利申请公开号2014/0255620，Shuck等人(2014))，或振荡电磁场(国际专利申请WO2015028065A1、Jarvis等人(2015))。除了潜在的过高成本和缺乏实际的实施方法之外，熔池搅拌的一般原理的有效性在很多相关金属合金上非常有限。确切地说，其需要在扩展的凝固前部处的部分凝固材料的区域，以能够通过分裂来破坏该前部。许多适用于增材制造的合金(例如许多钛合金，特别是主要的钛合金Ti-6Al-4V)的性质是窄的凝固范围，这使得其非常耐受通过使用振动机制(例如声学、电磁或机械振动机制)的技术的凝固前部的分裂。

因此，在本领域中需要一种在增材制造系统中以增加的金属沉积速率执行金属增材制造的经济方法，与在传统增材制造工艺中实现的相比，该方法产生具有更精细的晶粒结构，特别是具有更等轴的晶粒，以及在低于任何相关相变温度的附加冷却之后具有更一致的微观结构的金属产品。

发明内容

因此，本发明涉及通过熔池气体射流撞击在增材制造中细化凝固结构，其基本上避免了由于相关技术的限制和缺点而导致的一个或多个问题。装置的延伸部或单独的气体射流装置可以用于实现对沉积态和凝固的材料的进一步原位热控制。提供了在金属增材制造期间细化凝固结构并控制微观结构的装置、系统和方法，以获得具有改善的材料质量的产品，特别是具有更等轴凝固晶粒结构的产品。具有这些细化晶粒结构的制造产品表现出提高的强度、耐疲劳性和延展性。本领域中还需要增加通过金属增材制造方法生产的金属产品的产量和产率的方法。

本发明的一个优点是在通过增材制造生产的金属制品中提供晶粒细化，其中所得晶粒结构具有与典型地存在于机械加工的金属中的纵横比和均匀性相当的纵横比和均匀性，并且与典型的铸造或增材制造的材料相比具有显著减小的平均晶粒尺寸。

在使用增材制造形成层状金属沉积物的过程中，在此提供的这些装置和方法通过气体射流撞击在该熔池的自由表面上、或在液体与固体之间的边界上、或在该液体-固体边界附近的凝固金属上、或在该凝固金属上、或其任何组合上，来导致凝固结构细化和微观结构控制。所使用的气体可以是惰性的或非惰性的、元素的或混合的，这取决于所讨论的金属合金是否对大气污染物敏感。

在增材制造中使用本文提供的装置和方法也使得在沉积物的不同部分中的微观结构的分级和材料特性的优化成为可能。这些装置和方法提供了一种实现金属结构的显著细化的实用方式，从而导致在大多数情况下晶粒将比典型的机械加工的金属稍微更粗糙，但是具有相当的纵横比和均匀性。在熔池的液体表面和液体-固体边界处的定向冷却气体射流可在自由熔池表面处引起并加速相对的凝固前部。当连续层从顶层晶粒成核并凝固时，可实现外延的阻断。当应用于凝固态材料上时，通过由在此提供的装置提供的集中湍流气流的强制冷却可以增强、调节或控制固态相变。

本发明的另一个优点是，该装置和方法允许控制许多金属合金的凝固条件和显著的细化潜力，而不需要在层之间进行耗时的调节、形状加工的限制、或者沉积速率或沉积生产率的显著降低。单独地或与指向熔池的冷却射流装置组合地通过在目标区域处原位施加冷却气体射流来在增材制造期间强制冷却沉积材料的冷却射流装置的使用，可显著地增加沉积生产率。从射流装置流向沉积态材料的高冷却气流可显著地去除热能，从而提高沉积材料的整体冷却速率。本文提供的冷却射流装置可构造为与大多数熔化工具一起工作，并且可在增材制造过程中发生沉积的任何时间被调节、激活或停用。这种灵活性提供了在制造过程中改变所制造产品的底层晶粒结构的能力。该方法可与任何金属增材制造工艺一起使用，包括等离子体和基于串的工艺，以及激光系统，并且特别适合于高沉积速率工艺。虽然在全文中提到Ti和Ti合金工件产品作为实例，但是该方法同样适用于许多其他基于冶金理论的合金系统。例如，Inconel超级合金也预先设置成实现使用本文提供的装置、方法和系统实现的细化效果。

来自本文提供的射流装置的指向熔池(例如熔池自由表面)的喷射气流可增加结晶多样性，并且可降低晶界排列的程度。定向喷射的气体可产生不同微观结构元件的更均匀和精细分布的存在。通常增材制造的金属产品可包括存在延伸数厘米跨过沉积层的柱状凝固结构。由于热梯度和熔池对流等的微小波动，其可以不规则的间隔被更细的晶粒破碎。本文提供的喷射工具当指向熔池时可引起或促进在熔池自由表面处的成核，连同降低的温度梯度，可导致增材制造材料中传统上存在的柱状结构的破裂，并且产生改善的可重复材料特性。

本发明的另一个优点在于，该装置和方法允许在增材制造过程期间调节冷却速率。在增材制造中，最通常被称为串、珠或轨道的多个元件通常可被缝合和堆叠以形成通常是非常复杂的形状。通过将通常为金属丝或粉末形式的金属材料供给到行进热源中来形成串，其中金属材料通过热源的所供应能量而熔化并熔合。热源可以是高能激光束、电子束或等离子弧，或其任何组合。此分层沉积可产生复杂的、循环的和瞬时的热条件。循环的，因为先前沉积的材料通常通过连续层的沉积而被再加热，并且由于边界条件的变化而具有瞬态，如随着构建进行的散热特性。

大多数金属合金对其热历史敏感。通常，从串沉积的高温到整体工件温度的冷却速率对最终材料性质具有深远影响。此外，来自连续层的热输入的影响可通过过程中的退火和老化效应来改变材料特性。因此，关键的是控制局部热条件以在整个复杂增材制造产品中产生一致的材料特性。本文公开的发明涉及通过应用过程中温度测量和应用使用本文提供的射流装置的强制对流冷却来改进调节或控制增材制造中的热条件的能力的装置、系统和方法。

本发明的其他特征和优点将在以下描述中阐述，并且部分地将从该描述中显而易见，或者可通过本发明的实践来学习。本发明的目的和其他优点将通过在书面描述及其权利要求以及附图中特别指出的结构来实现和获得。

为了实现这些和其他优点，并且根据本发明的目的，如具体实施和广泛描述的，提供了一种射流装置，包括：第一导管，其包括用于接收冷却气体的入口和连接到用于分配冷却气体的喷嘴的孔；第二导管，其包括用于接收冷却气体的入口和连接到用于分配冷却气体的喷嘴的孔；其中第一导管在热能源的一侧附接到产生热能源的熔化工具，并且第二导管在热能源的相对的第二侧附接到熔化工具；至少一个喷嘴构造为当冷却气体离开喷嘴时产生冷却气体的湍流；并且喷嘴构造和定位为防止冷却气体吹向热能源。

还提供了这样的射流装置，包括：至少一个导管，其包括用于接收冷却气体的入口和一个或多个孔，每个孔连接到一个或多个用于将冷却气体原位分配到沉积态材料的喷嘴。射流装置可构造为包括多个导管，每个导管包括用于接收冷却气体的入口。导管可构造为将冷却气体的射流原位输送到沉积态材料的一个表面或多个表面。作为一个实例，单个导管可构造为包括多个喷嘴，其中一些喷嘴可构造为将冷却气体射流引导到沉积态材料的一个侧表面，其他喷嘴可构造为将冷却气体射流引导到沉积态材料的另一侧表面，并且其他喷嘴可构造为将冷却气体射流引导到沉积态材料的上表面。作为另一实例，射流装置可包括多个导管，其中一个导管可构造为包括将冷却气体射流引导到沉积态材料的一个侧表面的喷嘴，第二导管可构造为包括将冷却气体射流引导到沉积态材料的另一侧表面的喷嘴，并且第三导管可构造为包括将冷却气体射流引导到沉积态材料的上表面的喷嘴。射流装置可在允许喷嘴被引导到凝固的沉积态材料的表面的位置处连接到系统的一部分。在一些构造中，射流装置可连接到金属丝或粉末供给装置。射流装置可连接到支架或支撑件上，并且独立于金属丝或粉末供给装置。

本文提供的系统可包括射流装置和至少两个温度传感器，射流装置将冷却气体射流原位引导到沉积态材料，该至少两个温度传感器用于在增材制造工艺期间监测冷却气体射流的施加区域中的温度。第一温度传感器可在施加冷却气体之前监测沉积态材料的表面处的温度，并且可包括位于射流装置之后的第二温度传感器，以在射流装置将冷却气体施加至工件的沉积态串之后测量工件表面的温度。来自第一温度传感器和第二温度传感器的温度数据可允许用户通过调节由射流装置施加的冷却气体的流速或冷却气体朝向工件的流动的持续时间或两者来控制冷却速率。

在本发明的另一方面中，本文提供了用于通过增材制造构建金属物体的系统，包括：第一熔化工具，其用于在沉积熔融金属之前预热基材；第二熔化工具，其用于将金属源熔化成沉积在预热基材上的金属熔融材料的液滴或熔化成基材上的液体熔池；本文提供的射流装置，其用于引导冷却气体穿过液体熔池，或撞击液体熔池，或撞击与液体熔池的液体-固体边界相邻的凝固材料，或其任何组合；冷却气体的供应装置；用于相对于加热装置和射流装置定位并移动基材的系统；以及控制系统，其能够读取待形成的金属物体的设计模型，并采用设计模型来调节用于定位和移动基材的系统的位置和移动，并操作加热装置和射流装置，使得通过将金属材料的连续沉积物熔合到基材上来构建物理物体。

在本发明的另一方面中，提供了用于通过增材制造来制造金属材料的三维物体的方法，其中该物体通过将金属材料的连续沉积物一起熔合到基材上来制造，该方法包括：使用第一熔化工具预热基材的表面的至少一部分；使用第二熔化工具加热并熔化金属材料，使得熔融金属材料沉积到基材的预热区域上，形成液体熔池；使用本文提供的射流装置来引导冷却气体穿过液体熔池，或撞击液体熔池，或撞击与液体熔池的液体-固体边界相邻的凝固材料，或撞击凝固态材料，或其任何组合；以及以预定图案相对于第一加热装置和第二加热装置的位置移动基材，使得熔融金属材料的连续沉积物凝固并形成三维物体。在该方法中，射流装置可将冷却气体射流引导到熔池，或者射流装置可将冷却气体射流引导到凝固的沉积金属区域，或者一个射流装置可将冷却气体射流引导到熔池，并且第二射流装置可将冷却气体射流引导到凝固的沉积金属区域。

应理解，前面的一般描述和下面的详细描述都是实例性和说明性的，并且旨在提供对所要求保护的本发明的进一步解释。

附图说明

被包括以提供对本发明的进一步理解并且被并入并构成本说明书的一部分的附图，示出了本发明的实施方式，并且与该描述一起用于解释本发明的原理。

在附图中：

图1是实例性射流装置的示意性斜前视图，该射流装置在熔融材料沉积以形成串时向熔池自由表面以及液体和固体之间的边界提供定向气体射流。在图中没有示出的是位于熔池上方的熔化工具，或者是供应到熔池或供应到熔化电弧或激光束中的金属丝或粉末原料。

图2是射流装置的实例性构造的局部剖面侧视图。

图3是当层层熔合时单排壁沉积物的横截面的示意图。该图示出了在前3层中典型的未细化的晶粒生长，随后是通过使用本文提供的射流装置施加气体射流撞击来阻挡柱状晶粒生长的细化机制。

图4A和图4B示出了由常规增材制造工艺(图4A)制造的典型材料的晶体学的电子背散射衍射(EBSD)照片与使用本文提供的方法实现的晶体学的电子背散射衍射照片的对比，其中气体射流撞击导致具有更细化的晶粒的材料(图4B)。

图5A和图5B是显微照片，其比较了沉积的Ti-6Al-4V样品的典型结构(图5A)与使用本文提供的射流装置在多排、多层Ti-6Al-4V沉积物中施加熔池气体射流撞击所得到的细化结构(图5B)。

图6是显示使用本文提供的射流装置在单排Ti-6Al-4V沉积物中在一半熔池上施加气体射流撞击的结果的照片。虚线勾画出在壁的任一侧的典型的晶粒尺寸和形状。

图7是实例性射流装置的示意性侧视图，该射流装置在熔池中的熔融材料冷却时向凝固金属区域提供定向气体射流以形成串，从而影响在凝固和进一步冷却之后发生的附加相变。位于熔池上方的熔化工具提供能量以将金属丝或粉末原料熔化成落入熔池中的熔融金属。温度传感器可位于射流装置的前面以测量形成态的串的温度，并且温度传感器可位于射流装置的后面以在施加气体射流期间或之后测量串的凝固金属的温度。

图8是可与本文提供的方法一起使用的实例性系统的示意性侧视图。在所示实施方式中，单个熔化工具用于形成被沉积以形成沉积串的熔融材料，当熔融材料被沉积以形成串时，第一射流装置将冷却气体射流引导到熔池自由表面以及液体和固体之间的边界，并且当熔融材料冷却时，第二射流装置将冷却气体射流引导到凝固金属区域，例如可经历同素异形转变或沉淀的区域。

图9是可与本文提供的方法一起使用的采用两个熔化工具的实例性系统的示意性侧视图。在所示实施方式中，一个熔化工具用于预热基底表面以形成预热区域，并且第二熔化工具用于加热金属并将其熔化到基材的预热区域上以形成沉积的串，第一射流装置在沉积熔融材料以形成串时将冷却气体射流引导到熔池自由表面和液体与固体之间的边界，并且第二射流装置在熔融材料冷却时将冷却气体射流引导到凝固金属区域，例如可经历同素异形转变或沉淀的区域。

图10A和图10B是显微照片，其显示了整体冷却速率的差异和Ti-6Al04V材料中的显微观结构之间的相关性。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施方式，其实例在附图中示出。

A.定义

除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的相同的含义。除非另有说明，否则本文整个公开内容中提及的所有专利、专利申请、公开的申请和出版物、网站和其他公开的材料均整体通过引用的方式结合于此。在本文术语有多个定义的情况下，以本部分的定义为准。

如本文使用的，单数形式“一个(a)”、“一种(an)”和“该(the)”包括复数指代物，除非上下文另外明确指出。

如本文使用的，范围和量可表示为“约”特定值或范围。“约”也包括确切的量。因此，“约5％”是指“约5％”，也指“5％”。“约”是指在预期的应用或目的的典型实验误差内。

如本文使用的，“任选的”或“任选地”是指随后描述的事件或情况发生或不发生，并且该描述包括事件或情况发生的情况和不发生的情况。例如，系统中的任选部件意味着该部件可存在于或不存在于系统中。

如本文使用的，“组合”是指两个项目之间或两个以上项目之间的任何关联。关联可以是空间的或指出于共同目的使用两个或更多个项目。

如本文使用的，“增材制造”也被称为“增材制造”和“增材层制造”，并且是指一种增材工艺，该增材工艺实施了从3D模型数据、金属源(例如金属丝或粉末)，以及能量源(例如等离子弧、激光或电子束)逐层制造物体，以熔化该金属源。

如本文使用的，“增材制造系统”是指用于增材制造的机器。

如在此可互换使用的术语“等离子转移电弧焊炬”或“PTA焊炬”是指任何能通过电弧放电加热惰性气体流并将其激发成等离子体，然后将包括电弧的等离子体气体流通过孔口(例如喷嘴)转移出来，以形成从孔口伸出并将电弧的强热转移到目标区域的收缩羽流的装置。

如本文使用的术语“金属材料”是指可用于实体自由成形制造工艺以形成三维物体的任何已知或可想到的金属或金属合金。合适材料的实例包括但不限于；钛和钛合金，例如Ti-6Al-4V合金。

如本文使用的，“等离子电弧焊接焊炬”或“PAW焊炬”是指可用于等离子电弧焊接的焊接焊炬。焊炬设计为使得气体可被加热到高温以形成等离子体并且变得导电，等离子体然后将电弧转移到工件，并且电弧的强热可将金属熔化和/或将两片金属熔合在一起。PAW焊炬可包括用于收缩电弧的喷嘴，从而增加电弧的功率密度。等离子体气体通常是氩气。等离子体气体可沿着电极供给，并且在阴极附近被电离和加速。电弧可指向工件并且比自由燃烧电弧(例如在TIG焊炬中)更稳定。PAW焊炬还典型地具有用于提供保护气体的外部喷嘴。保护气体可以是氩气、氦气或其组合，并且保护气体帮助使熔融金属的氧化最小化。电流通常高达400A，并且电压通常在约25-35V的范围内(但可以高达约14kW)。PAW焊炬包括等离子转移电弧焊炬。

如本文使用的术语“基材”是指用于来自熔化工具的热量的目标材料，并且在其上可形成熔池。熔化工具可以是PAW焊炬、PTA焊炬、激光装置或其任何组合。当沉积第一层金属材料时，这将是保持基底。当一层或多层金属材料已经沉积到保持基底上时，基材将是已沉积新的金属材料层的沉积金属材料的上层。

如本文使用的，术语“工件”是指使用实体自由成形制造来生产的金属体。

如本文可互换使用的术语“设计模型”或“计算机辅助设计模型”或“CAD模型”是指可在根据本发明第二方面的装置的控制系统中使用的、待形成的物体的任何已知的或想得到的虚拟三维表示：调节保持基底的位置和移动，并且操作具有集成送丝装置的焊接焊炬，使得通过以导致根据物体的虚拟三维模型来构建物理物体的形式将金属材料的连续沉积物熔合到保持基底上来构建物理物体。这可例如通过首先将虚拟三维模型划分成虚拟平行层的集合，然后将平行层中的每一个划分成虚拟准一维块的集合来形成三维模型的虚拟矢量化分层模型而获得。然后，可通过接合控制系统以根据物体的虚拟矢量化分层模型的第一层的图案来将馈送的金属材料的一系列准一维块沉积并熔合在支撑基底上来形成物理物体。

然后，通过以根据物体的虚拟矢量化分层模型的第二层的图案将一系列可焊接材料的准一维块沉积并熔合到先前沉积的层上，来重复物体的第二层的序列。对于物体的虚拟矢量化分层模型的每个连续层，继续重复逐层的沉积和熔合过程，直到形成整个物体为止。然而，本发明不依赖于用于运行根据本发明的装置的控制系统的任何特定的CAD模型和/或计算机软件，并且本发明也不依赖于任何特定类型的控制系统。可使用能够通过实体自由成形制造来构建金属三维物体的任何已知的或能想到的控制系统(CAD模型、计算机软件、计算机硬件和致动器等)，只要将控制系统调节为操作一个或多个熔化工具，例如PAW焊炬、PTA焊炬、激光热源或其任何组合。本文提供的射流装置可与这些熔化工具一起使用，以实现本文描述的晶粒细化。

如本文使用的，“高耐热材料”是指当暴露于高于400℃的温度时不倾向于变形并表现出低热膨胀的材料。实例性材料包括钛和钛合金。

如本文使用的，“射流装置”是指包括一个或多个喷嘴的制造产品，喷嘴将冷却气体的流或射流引导到熔池表面处，或引导穿过熔池，或引导穿过液体-固体边界，或引导到液体-固体边界附近的凝固金属上，或原位引导到固体沉积态串上，或其任何组合，以直接影响凝固、细化、以阻挡晶粒穿过沉积层的生长、一般相变，或其任何组合。

如本文使用的，“原位”是指制造产品尚未被移动到沉积室的外部，并且是指在增材制造工艺期间施加湍流气体射流。

如本文使用的，“射流”是指由喷嘴喷射的冷却气体流。

如本文使用的，“喷嘴”是指具有可调节或引导冷却气体流的开口的伸出部件。

如本文使用的，“冷却气体”是引向熔池表面、或穿过熔池、或穿过液体-固体边界、或在液体-固体边界附近的凝固金属上、或其任何组合的气体，以直接影响凝固并阻止晶粒穿过沉积层的生长。气体的温度可以是冷却与其相互作用的表面的任何温度。该温度可低于100℃，或低于50℃，或低于30℃，或低于25℃，或低于10℃，或低于5℃，或低于0℃。气体在低温温度下也可使用。已经确定，尚未发现比室温更冷的气体的效果具有与利用室温气体实现的效果显著不同的效果。

B.射流装置

本发明提供一种射流装置。射流装置构造为将气体射流或气体流引导到熔池表面处、或穿过熔池、或穿过液体-固体边界、或在液体-固体边界附近的凝固金属上、或在凝固金属上，或其任何组合，以直接影响熔融金属的凝固并阻止晶粒穿过沉积层的生长。射流装置和包括使用射流装置以将气体射流引导到熔池表面处、或穿过熔池、或穿过液体-固体边界、或在液体-固体边界附近的凝固金属上、或在凝固金属上、或其任何组合的系统和方法可最小化或防止定向凝固，定向凝固在常规金属增材制造工艺中形成典型的粗的、细长的晶粒结构。典型增材制造工艺中的定向凝固是与典型增材制造工艺相关联的陡的热梯度的结果。

本发明涉及提供射流装置或射流装置的组合，以及利用射流装置或射流装置的组合，每个射流装置包括多个射流喷嘴，射流喷嘴将冷却气体流引导到熔池表面处，或穿过熔池，或穿过液体-固体边界，或在液体-固体边界附近的凝固金属上，或在凝固金属上，或其任何组合，以直接影响凝固并阻止晶粒穿过沉积层的生长，或通过施加强制对流冷却来提高控制增材制造中的热条件的能力。射流装置包括两个单独的导管。导管可通过横档(cross-piece)连接以形成整体。整体构造可帮助相对于熔化工具放置射流装置。尽管如此，射流装置可设置为两个单独的段。如本文所述，分离的段可通过提供正确位置和角度的任何附接件附接到熔化工具或金属材料供给装置，例如供丝机或金属粉末供给装置，使得来自一个或多个装置的气体射流撞击目标区域。

当射流装置将要将冷却气体输送到熔池或熔池附近的区域时，每个导管单独地或当连接成整体时，经由一侧附接到包括熔化工具的设备的一部分，或者当射流装置将要将冷却气体输送到熔池下游的凝固金属时，通过一侧附接到金属材料供给装置。每个导管的相对侧包括一个或多个射流喷嘴，射流喷嘴指向工件并远离熔化工具。每个射流喷嘴连接到导管中的孔，该孔允许喷嘴和导管之间的流体连通，使得冷却气体可被输送通过导管，穿过每个喷嘴的孔，并且每个喷嘴可被单独地引导到一个位置，例如在熔池表面处，或穿过熔池，或穿过液体-固体边界，或在液体-固体边界附近的凝固金属上，或在经过液体-固体边界的凝固金属上，例如在同素异形转变区域中或在可发生沉淀反应的区域中，从而使合金的成分排序以形成二次相的颗粒。在一些构造中，喷嘴可将冷却气体流引导到两个或更多个位置，该位置选自熔池表面、穿过熔池、穿过液体-固体边界、在液体-固体边界附近的凝固金属上以及在经过液体-固体边界的凝固金属上。每个导管在一端具有流体连接器。流体连接器允许导管连接到冷却气体源。将导管的相对端密封。导管的直径大于每个喷嘴所附接的孔。例如，喷嘴的直径可以在约1mm至约10mm的范围内，而附接到喷嘴的开口或孔的直径可以在约0.5mm至约5mm的范围内。在一些构造中，喷嘴和孔的直径相同，并且可在约0.5mm至约5mm，或约1mm至约3mm的范围内。喷嘴的总数量仅受射流装置附接位置的空间限制的限制。在一些构造中，喷嘴的数量可约4个至约24个。代替单独的喷嘴，设计为产生冷却气体的定向湍流的连续气体扩散器或格栅也可用作射流装置的气体出口。

每个导管向附接到导管的一个喷嘴或一组喷嘴提供冷却气体。每个导管可分开，或者可包括通道，或者可以包含管道、管子或管线，以单独地将冷却气体的单独的流输送到每个喷嘴。每个导管上的喷嘴可构造为成排，每排包含一个、两个、三个或四个喷嘴。喷嘴可构造为允许单独调节到各个喷嘴的气流，或在不同组喷嘴中的单独气流。

一个或两个导管可包括一个或多个传感器。导管可包括流量计，其允许测量通过导管的气体的流速。在该系统中可使用本领域已知的任何流量计。流量计可包括桨轮流量计、涡轮流量计、磁流量计、光学传感器、电磁速度传感器、科里奥利力流量计、热流量计、超声波流量计或本领域已知的任何其他类型的流量计。在美国专利号4,422,338(Smith，1983)；4,838,127(Herremans等人，1989)；5,594,181(Strange，1997)；7,707,898(Oddie，2010)；以及7,730,777(Anzal等人，2010)中描述了本领域已知的流量计的实例。在一些构造中，导管可包括用于放置或附接流量计的凹口、凹陷或凸起。

导管可包括温度传感器，其允许测量导管或导管内的冷却气体或两者的温度。可使用本领域已知的任何温度传感器。实例性温度传感器包括热电偶、电阻温度检测器、热敏电阻、红外温度计、双金属装置、液体膨胀装置及其组合。在一些构造中，导管可包括用于放置或附接温度传感器的凹口、凹陷或凸起。

射流装置也可包括一个或多个温度传感器，以测量工件的温度。在一些构造中，构造为将冷却气体射流引导到熔池处或紧邻熔池的射流装置可包括指向工件表面或熔池或其组合的温度传感器。一种构造为将冷却气体射流引向工件的凝固金属区域(例如同素异形转变区域)的射流装置，可包括第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器在被冷却气体射流撞击或暴露于冷却气体射流的区域之前指向工件的表面，第二温度传感器在被冷却气体射流撞击或暴露于冷却气体射流的区域之后指向工件的表面，以测量和/或控制相关温度区域上的冷却速率。该装置可包括在熔池凝固之后指向后凝固区域的温度传感器。该装置可包括指向后转变区域的温度传感器，在该后转变区域，冷却沉积的凝固金属可经历同素异形转变或其他热化学反应。可使用本领域已知的任何温度传感器，特别是非接触温度传感器。实例性温度传感器包括红外温度计和红外高温计。在一些构造中，导管可包括一个或多个用于放置或附接温度传感器的凹口、凹陷或凸起。导管可由高耐热材料制成或包括高耐热材料。实例性高耐热材料包括钛及其合金、钨及其合金、不锈钢、包含铬和镍的合金(例如镍铬铁合金(Inconel alloys)和哈氏合金(hastelloy alloys))以及包含镍、铁、钴、铜、钼、钽、钨和钛中的两种或更多种的合金。在一些构造中，导管由钛或钛合金制成，钛合金包含Ti与Al、V、Sn、Zr、Mo、Nb、Cr、W、Si和Mn中的一种或其组合的结合。在一些构造中，导管由Ti-6Al-4V合金制成。

每个导管可包括多个在导管的腹侧上的射流喷嘴，射流喷嘴构造为与行进方向相反地、朝向由熔化装置和添加的给料材料产生的熔池的后缘成角度。喷嘴将冷却气体的湍流引向一个位置，例如在熔池表面处、或穿过熔池、或穿过液体-固体边界、或在液体-固体边界附近的凝固金属上、或经过液体-固体边界的凝固金属。每个喷嘴可相对于导管以任何角度定位，使得喷嘴和导管之间形成的角度为90°或更小，例如小于80°，或小于70°，或小于60°，或小于50°，或小于40°，或小于30°。优选的角度范围是与水平面成大约70°到大约30°。喷嘴可构造和定位为防止朝向熔化工具(例如焊炬)吹送冷却气体，这将中断电弧，或者可降低熔化工具熔化自耗电极或金属丝的能力的效率。

射流喷嘴可以是任何形状。在一些构造中，喷嘴构造为管状，具有柱形形状。喷嘴可具有矩形、六边形、八边形、椭圆形或不对称形状。喷嘴的横截面可以是任何形状。喷嘴的横截面开口的实例性形状包括圆形、椭圆形、卵形、方形、矩形、菱形、六边形和八边形。可选择非均匀或不对称的横截面，以促进从喷嘴中流出的气体的湍流。

喷嘴的壁厚足以承受流过其中的冷却气体的压力。壁的厚度还可被选择为最小化在射流装置在增材制造过程期间可经受的温度下的任何热变形。例如，喷嘴的壁厚可在约0.25mm至约5mm，或约0.5mm至约3mm的范围内。

喷嘴包括孔口，冷却气体通过该孔口流向工件。气体喷嘴的孔口可具有任何几何形状或形状。孔口可以是圆形、椭圆形、方形、矩形、菱形、六边形或八边形。可选择孔口的不均匀或不对称的横截面，以促进从喷嘴中流出的气体的湍流。喷嘴的孔口可具有约0.5m至约5mm，或约1mm至约3mm的直径。孔口的直径可与喷嘴的内径相同或更小。当喷嘴的孔口的直径小于喷嘴的内径时，气体离开孔口的速度可高于气体在导管中的速度。喷嘴可包括多个孔口。

冷却气体经由每个导管中的入口进入射流装置，并通过每个喷嘴离开射流装置。每个喷嘴可将冷却气体源输送到一组喷嘴。每个导管可分开或者可包括多个通道以单独地将冷却气体的单独的流输送到每个喷嘴。根据冷却射流装置的构造和放置，输送到射流装置的气体的最大流速通常可以是大约500L/分，或400L/分，或300L/分，或200L/分。例如，对于输送撞击熔池表面的冷却气体射流的射流装置，可选择冷却气体流速，使得湍流气体流不使经由熔化工具或其施加路径施加的熔融金属变形，或不引起施加至串的熔融金属的飞溅和不稳定性，或不会不利地影响熔池的稳定性或形状。冷却气体的流速的范围可以是从约1L/分至约150L/分，并且典型地是从约5L/分至约100L/分。有效实现晶粒细化效果的最小流量典型地为10L/分，这取决于待处理的材料和射流装置设计。在冷却气体到每个喷嘴的流动可单独控制的构造中，与熔池的金属相比，可将更高的冷却气体流速引导到凝固态金属。原位施加到沉积态凝固材料的冷却气体的流速可显著高于引导到熔池的气体流。在这些冷却射流装置中，被原位引导到沉积态凝固材料的表面的冷却气体的流速可高达500L/分。单独的气体供应装置可连接到各个冷却射流装置，以允许单独地控制来自射流装置的喷嘴的气体流速。例如，第一气体供应装置将冷却气体提供到指向熔池或其附近的射流装置，并且第二气体供应装置连接到指向沉积态凝固材料的射流装置。每个气体供应装置可包括调节器，该调节器可手动或自动地调节，例如经由计算机控制，以调节供应到冷却射流装置的气体的流速，该冷却射流装置连接到与调节器连接的导管。在射流装置包括多个单独导管的构造中，装置的每个导管可连接到单独的调节器，使得可单独地控制冷却气体到每个导管的流动。

冷却气体可作为稳定气流而从喷嘴中提供。冷却气体可间歇地或以脉冲形式从喷嘴中提供。冷却气体的间歇或脉冲流可帮助将热能从冷却气体的撞击区域分散出去。气体的间歇供应可通过使用阀门开关来实现。脉冲流是指随时间变化的气体流速，而对时变现象的振幅、相位和其他特性没有限制。脉冲流通常包括多个不同的时变气体流速的顺序的、重复的使用。气体的脉冲发生一段时间，使得呈现随时间变化的高流量和低流量条件。气体的脉冲流可使用本领域已知的任何方法或装置来提供(例如，参见美国专利号5,954,092(Kroutil等人，1999)；6,679,278(Lemoine等人，2004)；和9,566,554(Wu等人，2017))。

每个导管可包括至少一个喷嘴，使得最少两个喷嘴将冷却气体引导到熔池表面处，或穿过熔池，或穿过液体-固体边界，或在液体-固体边界附近的凝固金属上，或在经过液体-固体边界的凝固金属上，或其任何组合。射流装置中存在的喷嘴的总数量可根据期望的构造而变化。在一些构造中，射流装置具有总数为2至24的喷嘴。每个导管上的喷嘴的数量可以相同或不同。例如，每个导管可包括10个喷嘴，产生具有20个喷嘴的射流装置。在另一实例中，一个导管可具有8个喷嘴，并且另一导管可具有12个喷嘴，产生具有20个喷嘴的射流装置，但是具有与在每个导管上具有10个喷嘴的第一射流装置不同的构造。

喷嘴的量、构造和间距可选择为使得从喷嘴喷射的冷却气体的覆盖范围覆盖正在形成的工件的期望长度。例如，在高沉积速率工艺中，例如等离子体和基于线材的系统，可选择喷嘴的数量及其构造以产生沿着行进方向覆盖约5mm至约50mm、或约10mm至约40mm、或约15mm至约30mm的长度的输送的冷却气体。喷嘴可构造为输送冷却气体，该冷却气体沿着行进方向覆盖约20mm的长度。

每个喷嘴的长度可以相同，或者不同的喷嘴可以具有不同的长度。典型地，每个喷嘴可具有足以产生定向流出孔口的流动的长度。例如，长度可在从约2.5mm至约25mm、或从约5mm至20mm的范围内。可选择每个喷嘴的长度及其位置，使得可穿过沉积熔融材料施加冷却气体流。喷嘴可成对或成组地设置，其中每个喷嘴的长度及其位置选择为导致这样的构造，即，成对喷嘴中的一个喷嘴或成组喷嘴中的一些喷嘴引导冷却气体撞击一个位置，并且成对喷嘴中的另一个喷嘴或成组喷嘴中的其他喷嘴将冷却气体引导到另一位置。例如，一组喷嘴可指向熔池表面，而另一组喷嘴可指向凝固材料。

喷嘴的数量、构造和间距可选择为促进熔池表面附近或液体-固体边界附近的湍流气流，或液体-固体边界附近的凝固金属，或其任何组合。例如，喷嘴可定位为使得来自至少两个喷嘴的冷却气体射流彼此撞击，从而产生湍流。一个或多个喷嘴可包括在喷嘴的孔口中或在喷嘴的主体内的凸起或凹陷或其组合，以干扰冷却气体的层流，从而促进湍流。也可监测和调节流过喷嘴的冷却气体的速度，使得离开喷嘴的冷却流体呈现湍流而不是层流。在撞击气体射流与工件附近的层流边界层相互作用期间，可产生湍流。冷却效果通过冷却气体的湍流而增加。导管可包括在冷却气体流动路径中的一个或多个挡板。撞击挡板的气体可将由撞击挡板时的冲击引起的定向动能转换成导致湍流混合或湍流流动的旋转能量。

绝热材料可用于将射流装置与熔化工具或熔池或金属材料供给装置或其任何组合热隔离。绝热材料可定位在射流装置和熔化工具之间，或者在射流装置和金属材料供给装置之间，或者在射流装置的面向工件的熔池的表面上。

绝热材料可包括任何适于在等离子体电弧、激光装置或熔池附近的温度下使用的材料。绝热材料可以是或包含绝热陶瓷。这种陶瓷是本领域已知的，可包括Al、B、Zr、Mg、Y、Ca、Si、Ce、In和Sn的氧化物或氮化物及其组合(例如参见美国专利号6,344,287(Celik等人，2002)；4,540,879(Haerther等人，1985)；和7,892,597(Hooker等人，2011))。绝热材料可以是或包含氮化铝、氧化铝、氮化镁、氧化镁、石英、氮化硅、氮化硼或二氧化锆或者其混合物或其组合。

图1示出了射流装置的实例性实施方式的斜前视图，该射流装置构造为将气体射流输送到熔池。工件的行进方向由箭头表示(在此情况中，所描绘的行进方向朝向观察者)。图中描绘的射流装置100在一侧包括第一导管10，其包含五对喷嘴25，喷嘴将气体射流30引向工件的沉积串95和熔池90。所示射流装置还包括第二导管60，其包含五对喷嘴75，喷嘴将气体射流80引向工件的沉积串95和熔池90。当熔融材料沉积以形成串95时，射流装置100将冷却气体射流引导到熔池自由表面以及液体和固体之间的边界。冷却气体供应装置40向第一导管入口15提供冷却气体。冷却气体供应装置50向第二导管入口65提供冷却气体。在熔化工具200的相对侧存在类似的导管和喷嘴构造，尽管在图中仅气体射流是可见的。

在典型的构造中，熔化工具可位于熔池上方，并且将金属丝原料或粉末原料供应到熔池或供应到熔化弧或熔化束中。射流装置还可定位为使得射流装置的每个导管安装在熔化工具的任一侧，并且喷嘴可以这样的方式指向，即，将冷却气体的射流引导到熔池自由表面或液体和固体熔融材料之间的边界。

图2示出了构造为将气体射流输送到熔池的射流装置的实例性构造的局部剖面侧视图，所描绘的射流装置包括包含一组喷嘴25的第一导管10和包含一组喷嘴75的第二导管60。类似的构造发生在射流装置所附接的熔化工具200的另一侧。所示射流装置示出了在熔化工具的任一侧的导管通过横档85连接以形成整体。图2中还示出了导管10内的内部扩散器20和导管60内的扩散器70，其可帮助使气体压力均匀并流出喷嘴。灰线30和80分别表示来自喷嘴25和75的气体射流方向。冷却气体经由入口15被提供给导管10，并且冷却气体经由入口65被输送到导管60。图2中还示出了将金属丝350输送到熔池90上方位置的送丝装置300。

从射流装置以气体射流30和80的形式向熔池90或液态和固态熔融材料之间的边界或两者施加冷却气体，可帮助成核并从熔池自由表面传播相对的凝固前部，形成较细晶粒的顶盖，该顶盖将阻止定向晶粒穿过各层继续生长。该效应可在高沉积速率工艺中更显著，在该工艺中凝固速率通常较低，并且定向凝固前部移动得足够慢，以允许顶盖形成并传播得比将被连续层再熔化的深度更远。该机制在图3中示出。

如图3所示，在最左边，在传统增材制造期间的金属沉积导致粗糙的凝固态晶粒结构，并且可呈现柱状晶粒生长。取决于合金，所得晶粒结构也可以以高纵横比伸长。这通常是由于在将过热熔融金属在串中添加到其时由相对较冷的工件提供的定向排热所导致的。在这些常规工艺中，凝固的起始从先前沉积的一个或多个金属层开始，并且随着沉积层冷却而向上传播到沉积材料中。在许多情况中，凝固态晶粒结构可延伸穿过若干层，并且可生长到几厘米的尺寸。这些特性通常对机械特性有害，导致降低的和/或各向异性的强度、伸长率和疲劳性能。

本文提供的射流装置输送冷却气体。由冷却射流装置输送的冷却气体可以是不干扰用于在增材制造期间沉积熔融金属以形成串的焊接工艺的任何气体。实例性的冷却气体包括氩气、氦气、氖气、氙气、氪气及其混合物。通常，冷却气体包括单独的氩气或氩气与另一种气体的组合。输送到射流装置的入口的冷却气体的温度通常小于100℃，或小于80℃，或小于60℃，或小于40℃，或小于25℃。冷却气体可在大约室温或更低的温度下输送到射流装置的入口，例如约25℃或更低，或约20℃或更低，或约15℃或更低，或约10℃或更低。冷却气体可在约-195℃至约25℃的温度下被输送到射流装置的入口。通过射流装置将冷却气体施加到熔池，或者在熔融材料冷却时施加到液体和固体之间的边界，或者这两者，导致金属晶粒的有效细化，产生比在不施加冷却气体的情况下所实现的晶粒更细的晶粒。

从射流装置向熔池或熔融材料冷却时的液体和固体之间的边界或这两者施加冷却气体，还可帮助减小通常使用常规增材制造技术而存在的定向凝固前部处的温度梯度。定向凝固前部中的温度梯度的降低可由于在自由熔池表面上施加的冷却气体的冷却效应而使连续传播不稳定。

从射流装置向熔池或熔融材料冷却时的液体和固体之间的边界或两者施加冷却气体，还可通过对邻近液体-固体边界的凝固态材料的冷却作用而帮助重新定向凝固。冷却气体的施加可改变从熔池的后缘的排热。冷却气体的施加还可增加整体凝固速率。由于上面详述的机制，最小化或防止柱状晶粒结构的形成。晶粒细化是通过本文提供的射流装置施加冷却气体而促进的效果。通过本文提供的射流装置施加冷却气体的结果是，引起晶粒细化，例如形成近似等轴的晶粒结构，从而改善制造产品的机械特性。

为了使射流装置的效果最大化，通常设定其他工艺参数，使得其通过管理处理温度和能量输入而帮助破坏凝固前部，使得保持熔池的一定长度以便气体射流撞击，并且使工件中的温度梯度最小化。例如，处理温度将取决于使用哪种合金，但通常保持在约300℃至约750℃的范围内。能量输入也将取决于使用哪种合金。在高沉积速率基于等离子体和金属丝的工艺中，Ti-6Al-4V的有效能量输入通常可以是约300J/mm至约1000J/mm。通过在较高的工件温度(层间温度)下并且以每长度单位较低的能量输入进行处理，可使工件中的热梯度最小化。

期望消除在增材制造期间特有地发生的粗糙柱状凝固结构是有益的，以在增材制造的产品中实现强度、延展性和疲劳特性的最佳平衡，该增材制造的产品包括钛基产品，例如Ti-6Al-4V产品。通过操纵熔池条件，例如通过使用本文提供的射流装置以将冷却气体射流引导到熔池的液体-固体边界处，在自由熔池表面处引起并加速相反的凝固前部。这可减少或显著消除细长柱状结构的形成，该结构可对可形成的有利晶粒变化的数量施加限制，从而增加沉积材料中的结晶取向的多样性。

在增材制造期间，沉积材料经历从熔池通过凝固晶体的区域到凝固金属区域和微观结构过渡区域的温度变化。因此，通过操纵除熔池之外的整个沉积过程的条件，例如通过控制或调节金属凝固或过渡区域中的冷却速率，或两者，可促进预期微观结构的形成。在沉积材料冷却并经历凝固和固态转变时，取决于合金，通过同素异形转变或其他机制形成的微观结构的结晶学和形态学可通过由合金晶格中不同结晶方向之间的界面能量、扩散速率和热导率的差异引起的取向关系、晶界成核和排列而受到凝固态晶粒结构的影响。热历史的差异可导致在许多合金中穿过不同晶界的应变响应的显著差异。

本文提供的射流装置可用于在整个沉积过程中控制或调节冷却速率，从而影响由增材制造生产的部件的热历史。通过冷却气体射流的集中湍流的强制冷却可使用射流装置而施加在凝固态材料上，以控制热传递、热导率、热能耗散和固态相变。射流装置可在串沉积之间的沉积物的目标区域上实现局部冷却和温度测量，以在准备连续层时预调节和平衡工件温度。

图7示出了射流装置的实例性构造的侧视图，该射流装置构造为将气体射流输送到凝固金属区域。冷却射流装置500的所示实施方式包括多个喷嘴525，喷嘴产生冷却气体射流530并且附接在送丝装置300的一侧。类似的构造可出现在送丝装置300的另一侧，射流装置附接至该另一侧。在替代实施方式中，一排或多排喷嘴可存在于送丝装置的附接射流装置的下侧。在一个替代实施方式中，射流装置可包括平行或几乎平行于工件的U形导管，其臂可位于工件的成形串的任一侧，并包括向下指向工件的喷嘴。喷嘴可被指向为使得冷却气体射流530撞击工件的上表面，或工件的侧表面，或工件的上表面和至少一个侧表面两者。在一个替代实施方式中，射流装置可包括平行于或几乎平行于工件的三叉形或ψ形导管(U形导管由平行于U形臂的单独导管平分)，其中该三叉形或ψ形导管的侧臂位于工件的成形串的任一侧并且包括向下指向成形串的上表面或成形串的侧表面的喷嘴，并且中心导管包括向下指向工件的成形串的上表面的喷嘴。在一个替代实施方式中，射流装置可包括三个平行的单独导管，每个导管具有其自身的气体供应装置。一个外导管可包括指向沉积串的一个侧表面的喷嘴，另一外导管可包括指向沉积串的另一侧表面的喷嘴，并且中心导管可包括指向沉积串的上表面的喷嘴。传感器和射流装置的定位可根据目标温度区域进行调节，该目标温度区域被认为对于确定和实现冷却速率是关键的。因此，可基于待沉积的金属合金来调节定位。

图7中还示出了温度传感器550，其被附接以允许在冷却气体射流的施加区域前面的工件表面上获取温度读数。图7中还示出了温度传感器560，其附接在射流装置500后面，以允许在施加冷却气体射流之后在工件的区域中获取温度读数。工件的行进方向由D箭头表示(在此情况中，工件的所示行进方向是从左到右)。在图7所示的实施方式中，冷却射流装置500与温度传感器550和560示出为连接到送丝装置300，但是这种附接仅是说明性的。支架或安装臂可单独地用于将冷却射流装置500与温度传感器550和560中的任何一个附接到系统的一个或多个部件，其允许与熔化工具200一起移动、将冷却气体施加到工件的期望表面，以及工件的适当温度测量。气体射流以这样的方式被引导，即，不干扰熔池或金属转移，并且通过沿着沉积串的向后气流提供冷却。将冷却气体施加到凝固金属可实现适当的局部冷却，其持续时间由来自温度传感器的温度读数确定，从而可在材料添加期间实现连续的冷却速率控制，并且可实现串沉积物之间的局部预调节。从射流装置引导到熔池之后的凝固金属工件的区域的冷却气体射流的流速可基于处理期间工件中的热条件来调节，这通过基于在冷却气体射流的撞击区域之前和之后从温度传感器接收的读数进行原位测量或遵循预编程的计算机化计划来实现。通过在一段时间内施加冷却气体流，可实现适当的冷却，这可由在冷却气体的撞击区域之前和之后从温度传感器接收的数据来确定。温度传感器和射流装置的定位可取决于工件的哪个温度区域对于捕获和影响冷却速率是最关键的。可基于待沉积的金属合金来调节定位。

射流装置允许在材料添加期间的连续冷却速率控制，以及在串沉积物之间的预调节，而不终止沉积过程。可基于在处理期间工件中的变化的热条件来调节流速，或者通过监测来自温度传感器的数据来手动调节，或者使用计算机自动调节，该计算机接收来自温度传感器的温度数据并调节流速或持续时间或两者以实现目标冷却速率。可针对工件和沉积过程中经历的相关温度范围选择和校准红外温度传感器。传感器数据可以1Hz或更高的速率测量和存储。温度数据可由过程控制系统中的计算机捕获，以允许沉积过程的过程中反馈控制，或者观察后处理，并且作为迭代沉积形成阶段的一部分进行手动调节以产生沉积方案，或者这些技术的组合。在第一沉积层中，流动可以是零或接近零，然后随着余热的积累而增加流动。流速的范围可从零或接近零到高达约500L/分。流速的范围可从零或接近零到高达约400L/分。流速的范围可从零或接近零到高达约300L/分。在一些应用中，冷却气体流速可以是至少10L/分，或至少25L/分，或至少50L/分，或至少100L/分，或至少150L/分，或至少200L/分，或至少250L/分，或至少300L/分，或至少350L/分，或至少400L/分，或500L/分或更小，或450L/分或更小，或400L/分或更小，或350L/分或更小，或300L/分或更小，或250L/分或更小，或200L/分或更小，或250L/分或更小，或200L/分或更小，或150L/分或更小，或100L/分或更小，或50L/分或更小。根据待处理合金的要求，冷却气体可以是惰性的或非惰性的。冷却气体可以是元素气体，或不同气体的混合物。

射流装置可在这些区域中施加适当的冷却一段时间，以有效地去除沉积期间施加的多余热能。射流装置允许在沉积发生时将冷却气体直接施加到沉积金属上，以实现局部冷却速率控制，以及在沉积串沉积的区域上的局部冷却速率和温度测量，从而允许在连续层的制备中预调节或均衡工件温度或两者。高速冷却气体可由射流装置输送到沉积材料的连续层的区域。

常规焊接工艺可应用跟随焊接焊炬的保护气体装置，以将层流气幕引向凝固材料，以保护沉积材料免受周围大气影响并避免焊接金属的污染。这种气体层流不足以影响或控制温度耗散或冷却速率。本文提供的射流装置以足以产生气体湍流的流速施加冷却气体的射流。来自射流装置的喷嘴的冷却气体的湍流通常可通过穿过喷嘴的冷却气体的高速度来实现。

C.系统

典型的增材制造技术，特别是高沉积速率工艺，由于沉积物几何形状的变化，通常可表现出处理条件的显著变化。与较小的沉积物相比，在重复之间具有较长时间(即，每层较长时间)的大沉积物中的局部工件温度将具有非常不同的温度条件，在较小的沉积物中，串可快速连续出现并且允许热量累积。类似地，局部质量输入可确定或影响从沉积材料排热的横截面，并且相邻质量影响散热器处理增加的热能的能力。

这些因素可导致非最佳的和可变的材料特性。在许多情况中，超出基本应力消除的加工后热处理对于多种金属合金是不切实际的或无效的。关键地，完全形成的沉积物可具有不允许整体热处理以实现所需冷却速率的截面厚度。本文提供的用于通过增材制造构建金属物体的系统克服了现有技术系统的这些缺点。利用本文提供的射流装置的增材制造的逐件方法可允许在沉积过程期间构成最终部件的单独串的较小体积的材料中的冷却速率控制。该系统是灵活的且高度可控的，并且提供了一种改进金属增材制造产品的一致性的方式，特别是对于大规模、高沉积速率工艺。该系统可包括计算机，其可用于使系统的一部分或全部自动化。计算机可与控制系统通信，并且可用于读取设计模型。计算机可收集数据、存储和/或操纵数据，例如流速和温度，或制造工艺的其他参数。计算机可使用所收集的数据来操作或修改制造工艺。计算机可包括计算机处理器，其可与系统的一个或多个部件通信。

随着沉积串凝固并冷却，大多数相关合金经历显著的固态转变，这可对材料特性具有深远的影响。一个实例包括同素异形转变，其中晶体结构排列改变为另一种晶体结构排列。许多钛合金在从1050℃至800℃的冷却期间的温度范围内表现出同素异形转变。对于许多钢，在转变的冷却期间的温度范围通常为800℃至400℃，在冷却期间沉积金属中的固态转变的另一实例是沉淀反应，其中合金成分的排序形成二次相的颗粒。作为一个实例，镍基超合金在从约1000℃冷却到700℃期间，及对于在高于600℃的延长停留时间可表现出沉淀反应。在较高温度下的延长停留期间的晶粒生长也影响大多数合金的特性。本文提供的射流装置可影响或控制冷却速率，从而允许改变沉积材料的特性，导致金属增材制造产品的改进的一致性。本文提供的系统允许在材料添加期间的连续冷却速率控制，以及串沉积之间的局部预调节。本文提供的系统允许控制用于单个串段的可管理体积的处理条件。该系统允许沉积期间的温度控制，实现使用后加工热处理不可能的结果，其中控制完全增材制造的沉积物的较厚部分中的冷却速率更困难，并且使用本文提供的射流装置可实现的高冷却速率在不使用较不实用的方法(例如在水或油中淬火)的情况下使用后加工热处理是不可实现的。

本文提供的系统可包括：熔化工具，其将金属源熔化成金属熔融材料的液滴，该液滴沉积到基材上的液体熔池中；如本文提供的射流装置，其用于引导冷却气体穿过液体熔池，或撞击在液体熔池上，或撞击在与液体熔池的液体-固体边界相邻的凝固材料上，或其任何组合；冷却气体的供应装置；用于相对于加热装置和射流装置定位和移动基材的系统；以及控制系统，其能够读取待形成的金属物体的设计模型，例如计算机辅助设计(CAD)模型，并且使用该设计模型来调节用于定位和移动基材的系统的位置和移动，并且操作加热装置和射流装置，使得通过将金属材料的连续沉积物熔合到基材上来构建物理物体。

可使用单个熔化工具，或者可使用包括两个熔化工具的双枪系统。已经确定，熔融金属到成形工件的沉积速率可使用双枪系统来增加，其中第一枪预热基材以形成预热区域，并且第二枪用于加热并熔化金属到基材的预热区域上。第一枪可确保基材或工件与由第二枪对金属(金属丝或金属粉末)的作用产生的熔融金属之间的熔合。第一枪可使熔融金属的熔入深入到基材的预热区域中。来自熔融金属液滴的过热可在基材的预热区域附近保持熔池。基材的预热可导致更好的润湿、更好的沉积分布和增加的沉积速率。关于沉积分布，通过预热基底，可能获得更圆和更宽的沉积分布。改进的分布可导致具有朝向基材的有益角度的分布，这可促进与基材和之前的金属沉积物的熔合。改进的熔合产生具有改进的完整性的制造产品。

每个枪包括熔化工具。每个枪可单独地控制，并且每个枪可被调节以产生单独的温度效应。此布置的优点在于，施加到待熔化到基材的预热区域上的金属原料的热能的量可大于施加到基材的热能的量，从而避免基材的过热。

在本文提供的双枪增材制造系统的实施方式中，系统可包括作为熔化工具的焊炬(PAW、PTA、GMAW或MIG型)或激光装置或其任何组合。在一些构造中，第一焊炬预热基材上的目标沉积区域以形成预热区域，并且第二焊炬加热并熔化自耗电极，从而产生落入目标沉积区域的预热区域中的熔融金属的液滴。在一些构造中，激光装置预热基材上的目标沉积区域以形成预热区域，并且焊炬加热并熔化自耗电极，从而产生落入目标沉积区域的预热区域中的熔融金属的液滴。在一些构造中，焊炬预热基材上的目标沉积区域以形成预热区域，并且激光装置加热并熔化金属丝，从而产生落入目标沉积区域的预热区域中的熔融金属的液滴。

激光装置或焊炬可布置为将热能(例如，分别为激光能量或等离子体转移电弧)引导到基材的目标区域以形成预热区域，并且焊炬或激光装置可布置为将热能引导到定位在基材的预热区域上方的自耗电极或金属丝的端部上。热能熔化自耗电极或金属丝的端部，形成滴落到自耗电极或金属丝的端部下方的基材的预热区域上的熔融金属的液滴。将热能引导到目标沉积区域的熔化工具可通过使熔融金属的熔合液滴深入到基材中来促进基材与沉积在其上的熔融金属材料之间的熔合。用于熔化自耗电极或金属丝的熔化工具也可在目标沉积区域的预热区域附近贡献热能，贡献由熔化工具指向基材提供的热能。熔融金属液滴的过热可帮助将熔池保持在基材的预热区域附近。

自耗电极或金属丝可以是或包含Al、Cr、Cu、Fe、Hf、Sn、Mn、Mo、Ni、Nb、Si、Ta、Ti、V、W或Zr，或其复合物或合金。在一些实施方式中，自耗电极是包含Ti或Ti合金的金属丝。自耗电极或金属丝可以是或包含钛合金，该钛合金包含Ti与Al、V、Sn、Zr、Mo、Nb、Cr、W、Si和Mn中的一种或组合的结合。例如，实例性的钛合金包括Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-45Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-2W-0.5Si、Ti-47Al-2Nb-1Mn-0.5W-0.5Mo-0.2Si和Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si。自耗电极或金属丝可包含铝、铁、钴、铜、镍、碳、钛、钽、钨、铌、金、银、钯、铂、锆、其合金及其组合。

自耗电极或金属丝的典型横截面是圆形横截面。自耗电极或金属丝的直径可高达约10mm，并且可在约0.8mm至约5mm的范围内。自耗电极或金属丝可具有任何实际上可实现的横截面尺寸，例如1.0mm、1.6mm和2.4mm，或约0.5至约3mm。可根据对PTA焊炬或激光装置或两者的供电效果来控制和调节自耗电极或金属丝的进料速率和定位，以确保自耗电极或金属丝在到达基材中的熔池上方的预定位置时被连续加热和熔化。

激光装置可产生足够能量的激光束以将热能传递到基材以预热基材的区域或熔化金属丝。经由来自激光束的能量对基材的预热通过加深基材中的熔入而促进基材与熔融金属材料之间的熔合。在一些实施方式中，至少一部分基材可通过来自激光装置的激光束的能量熔化。在一些实施方式中，通过激光装置的激光束施加足够的热量，以在由PTA焊炬或另一激光器产生的金属材料将被沉积的位置处在基材中形成熔池。

合适的激光装置的实例包括镱(Yb)激光器、Yb光纤激光器、Yb光纤耦合二极管激光器、Yb:玻璃激光器，二极管泵浦Yb:YAG激光器、掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器、CO₂激光器、CO激光器、Nd:玻璃激光器、掺钕原钒酸钇(Nd:YVO)激光器、Cr:红宝石激光器、二极管激光器、二极管泵浦激光器、准分子激光器、气体激光器、半导体激光器、固态激光器、染料激光器、X射线激光器、自由电子激光器、离子激光器、气体混合物激光器、化学激光器及其组合。优选的激光器包括Yb激光器，特别是Yb光纤激光器。在许多应用中，Yb光纤激光器中使用的波长与其他激光波长相比反射性较差。

焊炬可以是能够产生电弧以加热和熔化自耗电极或加热基材上的目标区域的任何构造，例如气体金属电弧焊接(GMAW)，特别是使用非反应性气体来产生电弧(金属惰性气体焊接或MIG焊接)。因此，焊炬可以是PAW焊炬、PTA焊炬、GMAW焊炬或MIG型焊炬。自耗电极在由焊炬产生的等离子体中使用电弧熔化，并且熔化的自耗电极沉积到工件上的熔池中，以添加并形成近净形金属体。经由来自焊炬的能量对基材的预热通过加深基材中的熔入而促进基材与熔融金属材料之间的熔合。在一些实施方式中，基材的至少一部分可被来自焊炬的等离子体的能量熔化。在一些实施方式中，通过焊炬的等离子体施加足够的热量以在基材中在由不同的焊炬或激光装置熔化的金属材料将沉积的位置处形成熔池。

使用第一熔化工具来预热基材并形成预热区域，并且使用第二熔化工具来熔化自耗电极或金属丝，提供了这样的优点，即，可独立于对基底的供热来增加引导到自耗电极或金属丝的热能。施加到自耗电极或金属丝的熔化功率可选择为匹配质量输入(待添加到工件的自耗电极或金属丝的熔融金属液滴的量)，以确保自耗电极或金属丝的稳定熔化和/或燃尽点。因此，可增加熔融金属的沉积速率，而不会同时过度加热基底，并且没有飞溅或形成过度熔池的风险，因此没有失去对沉积材料固结的控制。

使用本文提供的增材制造来制造近净形金属体的系统利用射流装置，该射流装置显著地减轻与在许多传统增材制造产品中明显的金属晶粒柱状性和大粒度相关的问题。使用本文提供的系统制造的产品中的晶粒结构产生具有金属晶粒的制造的金属产品，该金属晶粒是近似等轴的并且表现出细化的结构，该系统包括用于将冷却气体射流输送到熔池或熔池附近的射流装置，或用于将冷却气体射流输送到凝固金属的射流装置，或用于将冷却气体射流输送到熔池或熔池附近的第一射流装置和用于将冷却气体射流输送到凝固金属的第二射流装置。使用本文提供的一个或多个射流装置在增材制造期间施加冷却气体，以在熔池的自由表面上、或穿过熔池、或在熔融金属冷却时在液体和固体之间的边界处、或在液体-固体边界之外的凝固金属、或其任何组合产生气体射流撞击，导致制造的产品具有细化的晶粒结构，并且使用这些系统生产的产品表现出增加的强度、抗疲劳性和耐久性。

将惰性气体射流引导到熔池的液体-固体边界处的射流装置可在自由熔池表面处引起或加速相对的凝固前部。当连续层从顶层晶粒成核并凝固时，可实现外延的阻挡。通过经由指向凝固态材料区域的射流装置的集中湍流的强制冷却可控制或调节固态相变、沉淀反应和其他可影响最终晶体结构和局部排序的二次相现象。

图7中描绘了一种实例性系统，该系统包括射流装置，该射流装置将冷却气体的湍流原位引导到沉积层480的凝固态材料上，以通过将冷却气体的射流原位施加到沉积态凝固材料来增加冷却速率。所描绘的系统包括单个熔化工具200，其是产生主PTA电弧330的主熔化工具，该主PTA电弧加热并熔化来自送丝装置300的金属丝350，形成落入工件400中并在其上形成熔池425的熔融金属的液滴375。在沉积过程期间通过由射流装置500提供的冷却气体530的射流对沉积态材料的强制冷却可实现增材制造产品的微观结构的细化。

如图7所示，系统可包括连接到送丝装置300的射流装置500，以及直接(如温度传感器550的实施方式的描述)或经由支架570(如温度传感器560的实施方式的描述)单独地附接到送丝装置500的温度传感器550和560。虽然图7中描绘的系统的实施方式示出了连接到送丝装置300的温度传感器550和温度传感器560，但是这种附接仅是说明性的。

例如如图8和图9所示，支架或安装臂可单独地用来单独地和独立地将冷却射流装置500、温度传感器550和温度传感器560中的每一个附接到系统的一个或多个部件，所述部件允许将冷却气体施加到工件的期望表面，以及允许对工件进行适当的温度测量，将冷却气体射流原位引导到该工件。在一些构造中，如图9所示，温度传感器550可直接或经由支架575附接到熔化工具200。在其他构造中，如图8所示，温度传感器550可附接到支架250。支架250可附接到或保持送丝装置300，或者其可附接到或保持熔化工具200，或者其可附接到或保持系统的一个或多个其他部件，或其任何组合。

类似地，在一些构造中，温度传感器560可直接或经由支架570附接到送丝装置300，或者附接到可与支架250相同或不同的支架，但是类似支架250可附接到或保持系统的一个或多个部件。为了说明的目的，图8示出了温度传感器560连接到支架250，类似于温度传感器550，其中如前所述，支架250可附接到或保持送丝装置300、系统的一个或多个其他部件或其组合。

在一些构造中，温度传感器可包括红外光纤传感器或检测器，以允许对冷却气体射流530所引导到的沉积层480的表面的非接触测量，同时允许温度传感器的主体在远离红外光纤传感器或检测器的位置处附接到系统的另一部件。温度传感器550定位为允许在冷却气体射流的施加区域前面的工件表面上进行温度读取。温度传感器560定位为允许在冷却气体射流的施加区域后面的工件表面上进行温度读取。温度传感器和射流装置的定位可取决于工件的哪个温度区域对于捕获和影响冷却速率是最关键的。可基于待沉积的金属合金来调节定位。

图8中描述了一种实例性系统，其包括将冷却气体的湍流引导到熔池的液体-固体边界处的第一射流装置和通过将冷却气体的湍流引导到沉积层480的凝固态材料上来提供强制对流冷却的第二射流装置。所描绘的系统包括单个熔化工具200，其是产生主PTA电弧330的主熔化工具，该主PTA电弧加热并熔化来自送丝装置300的金属丝350，从而形成落入工件400中并在其上形成熔池425的熔融金属375的液滴。在没有经由冷却射流装置100施加冷却气体的情况下，增材制造工艺的典型的柱状结构可在沉积层480中凝固晶体435时出现。例如，在Ti-6Al-4V合金中，凝固是定向和外延的，在第一区域或凝固区域430中具有由从热源/熔池到工件的陡的热梯度所指示的空间和结晶β晶粒。随着冷却的继续，晶体在包含凝固材料450的第二区域中凝固，这之后可以是在同素异形转变时α-β微观结构的晶体学和形态学发生变化的转变。这些通过由晶格中不同结晶方向之间的界面能量、扩散速率和热导率的差异引起的取向关系、晶界成核和排列而直接受到现有的β-晶粒结构的影响。

在所描绘的系统中，来自射流装置100的喷嘴25的冷却气体射流30被引导到熔池的液体-固体边界处。气体射流30在熔池425的液体-固体边界处的撞击在熔池表面处引起并加速相对的凝固前部440。当连续层从顶层晶粒成核并凝固时，实现外延的阻挡。由射流装置100的气体射流30引起的强制冷却通过由射流装置施加的、穿过熔池的、在熔池表面处的、在熔池的液体-固体边界处的或其任何组合的集中湍流而加强。

通过集中湍流的强制冷却经由冷却射流装置100的延伸可施加在沉积层480的凝固态材料上以控制固态相变，或者如所描绘的，经由第二射流装置500来将冷却气体射流525引导到区域450中的凝固态材料以控制固态相变，例如钛合金中的β-α固态相变，或镍基超合金中的沉淀反应。

如图所示，该系统包括第二射流装置500和至少两个用于监测整个增材制造过程中的温度的温度传感器。在所描述的实施方式中，在施加冷却气体之前，例如在凝固区域440中，附接到支架250的第一温度传感器550可监测沉积态材料表面的温度。可包括位于射流装置之后的第二温度传感器560，以在通过第二射流装置将冷却气体施加到工件串之后测量工件的表面565的温度。例如，通过使用来自第一温度传感器和第二温度传感器的温度数据进行的温度监测可允许用户通过调节使用第二射流装置500施加的冷却气体的流速或朝向工件的冷却气体流的持续时间或两者来控制冷却速率。当使用两个单独的冷却射流装置时，可使用单个冷却气体供应装置来向每个射流装置提供冷却气体。或者，每个冷却射流装置可附接到单独的冷却气体供应装置。

举例说明的系统示出为使用一个焊炬系统，但是方法不限于这种系统。也可使用两个焊炬系统。

图9示出了实例性的双焊炬系统。在所描绘的系统中，熔化工具600预热工件400，形成预热区域415，这使得工件400更容易接受熔融金属。第二熔化工具200是主熔化工具，其产生主PTA电弧330，该主PTA电弧加热并熔化来自送丝装置300的金属丝350，形成落入并形成熔池425的熔融金属的液滴375。在没有经由射流装置100施加冷却气体的情况下，随着在沉积层480中凝固晶体435，可出现增材制造工艺的典型柱状结构。例如，在Ti-6Al-4V合金中，凝固是定向和外延的，在第一区域或凝固区域430中具有由从热源/熔池到工件的陡的热梯度所指示的空间和结晶β晶粒。随着冷却的继续，晶体在第二区域450中凝固以形成凝固材料。

在所描绘的系统中，来自射流装置100的喷嘴25的冷却气体射流30被引导到熔池的液体-固体边界处。气体射流30在熔池425的液体-固体边界处的撞击在熔池表面处引起并加速相对的凝固前部440。当连续层从顶层晶粒成核并凝固时，实现外延(epitaxy)的阻挡。由射流装置100的气体射流30引起的强制冷却通过由射流装置施加的、穿过熔池的、在熔池表面处的、在熔池的液体-固体边界处的或其任何组合的集中湍流而加强。

通过集中湍流的强制冷却可经由第二射流装置500施加在凝固态材料上以控制固态相变，以将冷却气体射流525引导到区域450中的凝固态材料，以控制固态相变，例如钛合金中的β-α固态相变，或镍基超合金中的沉淀反应。

如图所示，该系统包括第二射流装置500和至少两个监测整个增材制造过程中的温度的温度传感器。在所描绘的实施方式中，第一温度传感器550可在施加冷却气体之前监测沉积态材料的表面处的温度，例如在后凝固温度监测区域555中。可包括位于射流装置之后的第二温度传感器，以在由第二射流装置500将冷却气体施加到工件串之后测量工件的表面565的温度，例如在后转变温度监测区域565处。例如，通过使用来自第一温度传感器和第二温度传感器的温度数据进行的温度监测可允许用户通过调节使用第二射流装置500施加的冷却气体的流速或朝向工件的冷却气体流的持续时间或两者来控制冷却速率。

D.方法

本文还提供了用于通过增材制造来制造金属材料的三维物体的方法，其中该物体通过将金属材料的连续沉积物一起熔合在基材上而制成，该方法包括使用第一加热装置来预热基材的表面的至少一部分，例如在金属材料待沉积的位置处；使用第二加热装置来加热并熔化金属材料，使得熔融金属材料沉积到基材的预热区域上；使用本文提供的射流装置来引导冷却气体穿过液体熔池，或撞击液体熔池，或撞击与液体熔池的液体-固体边界相邻的凝固材料，或其任何组合；以及以预定图案相对于第一加热装置和第二加热装置以及射流装置的位置移动基材，使得熔融金属材料的连续沉积物凝固并形成三维物体。

在一种方法中，本文提供的射流装置将具有湍流的冷却气体引导穿过熔池、在熔池表面处、在熔池的液体-固体边界处或其任何组合。在另一种方法中，本文提供的射流装置将具有湍流的冷却气体引导到例如固态转变区域中的凝固态材料，该固态转变区域例如是同素异形转变区域或可发生沉淀反应的区域。在另一种方法中，本文提供的第一射流装置将具有湍流的冷却气体引导穿过熔池、在熔池表面处、在熔池的液体-固体边界处或其任何组合，并且本文提供的第二射流装置将具有湍流的冷却气体引导到例如固态转变区域中的凝固态材料。

在本文提供的方法中，冷却气体可包括惰性气体，例如氩气、氦气、氖气、氙气、氪气及其组合。冷却气体可以是非惰性气体。冷却气体可以是不同元素气体的混合物。被引导穿过熔池、在熔池表面处、在熔池的液体-固体边界处或其任何组合的冷却气体可具有约1L/分至约200L/分的流速。被引导到凝固态材料的冷却气体可具有约0.01L/分至约300L/分的流速。冷却气体可以恒定流施加，或者可间歇地施加，或者可以脉冲流施加。

所施加的冷却气体的温度可以是任何温度。冷却气体温度可以是增材形成过程的环境温度。通常，冷却气体温度可以是约室温或更低，例如约25℃或更低。气体的温度可以是冷却与其相互作用的表面的任何温度。该温度可以是低于100℃，或低于50℃，或低于30℃，或低于25℃，或低于10℃，或低于5℃，或低于0℃。气体在低温温度下也可使用。例如，输送到射流装置入口的冷却气体的温度可以是从-195℃或其左右至25℃或其左右。

在本文提供的方法中，具有至少两个温度传感器的射流装置用于测量和产生目标冷却速率。温度传感器和射流装置的定位可取决于被识别为对捕获和影响冷却速率关键的温度区域。可基于待沉积的金属合金来调节定位。温度传感器可包括红外温度计，以在施加冷却气体的湍流射流之前和之后捕获工件的沉积串材料的表面的温度。基于该数据，可调节冷却气体的流速或持续时间或两者以增加或降低冷却速率。在一些方法中，温度数据被捕获并用于提供过程中反馈控制，以允许在增材制造过程中使用的冷却速率的部分或完全自动化。该数据也可被捕获并用于设计后处理迭代沉积发展程序/调度以使工件的沉积自动化。

预期冷却速率可取决于合金。不同的合金可根据温度范围和暴露于特定温度范围的时间而表现出不同的固态相变变化。例如，对于许多钛合金，本文提供的方法具有1200℃至约600℃，或1050℃至约800℃范围内的目标冷却温度以促进同素异形转变。对于钢合金，目标冷却温度可以在1000℃至约300℃或约800℃-400℃的范围内以促进预期固态转变。例如，对于合金Ti-6Al-4V，从气体射流装置指向此温度区域中的凝固态材料的冷却效果可用于提高从通常产生不期望的团状/片状结构的物质到促进有益的精细网篮型(basketweave)结构的条件的冷却速率。在测试期间的每个温度测量，这对应于在相变区域中从大约10℃/s至15℃/s的增加的整体冷却速率。由于局部气体射流撞击，在那些情况下在工件表面上捕获的温度在80℃/s和140℃/s之间。对于所讨论的合金，需要建立所测量的表面冷却速率和所经历的整体冷却速率之间的关系。沉积串的顶部经历升高的冷却速率，但是在连续层期间将再加热回到转变温度以上，因此对于每一层而言，仅有朝向热影响区域的底部的段将保留在最终沉积物中。钢具有用于在冷却期间通常在800-400℃之间转变的关键温度范围。

在本文提供的方法中，在由来自测量沉积串的表面温度的温度传感器的温度读数确定的时间段内的合适的局部冷却，可用于耗散在工件中形成接合部或过渡部所必需的任何较高局部能量输入。该方法允许在材料添加期间连续控制冷却速率，并且可用于在串沉积物之间提供局部预处理。在本文提供的方法中，可基于在处理期间工件中的变化的热条件来调节冷却气体的流速。湍流冷却气体的流动可随着在增材制造期间已经积累的余热而增加，或者增加以便消散所添加的热量以形成特定结构，例如接合部或过渡部。

在本文提供的方法中，来自射流装置的喷嘴的湍流通常可通过冷却气体通过喷嘴的高速度来实现。也可使用其他技术来产生湍流冷却气流。例如，射流装置的一些喷嘴可定位为使得来自至少两个喷嘴的冷却气体的射流彼此撞击，在熔池附近产生冷却气体的湍流。喷嘴可包括在喷嘴的孔口中或在喷嘴的主体内的凸起或凹陷或其组合，以干扰层流来促进湍流。通常，选择流过喷嘴的冷却气体的速度，使得离开喷嘴的冷却气体呈现湍流而不是层流。

喷嘴的数量及其构造可选择为输送冷却气体，该冷却气体沿着行进方向覆盖工件的目标长度，目标长度例如约5mm至约50mm，或约10mm至约40mm，或约15mm至约30mm。

传统上用于增材制造的典型工艺条件由于存在陡的热梯度而通常导致定向凝固和柱状晶体的生长，但这可取决于所使用的合金。例如，对于Ti-6Al-4V合金，凝固是定向和外延的，β晶粒的空间和结晶取向由包括从热源/熔池到工件的陡的热梯度的工艺特性决定。在同素异形转变时Ti-6Al-4V合金中的α-β微观结构的结晶学和形态学直接受到现有的β-晶粒结构的影响，这是通过由晶格中不同结晶方向之间的界面能量、扩散速率和热导率的差异引起的取向关系、晶界成核和排列而实现的。此宏观-微观相互作用导致在现有β晶粒内的结晶和形态多样性的长程限制，并因此导致在跨越β晶粒边界的应变响应中的显著差异。

本文提供的方法允许减小熔池长度尺寸。这可通过在熔池的后缘处增加凝固速率来实现。朝向熔池施加湍流冷却气体增加了凝固并减少了发生凝固的时间。根据通过使用本文提供的射流装置施加冷却气体所实现的凝固速率，总熔池长度可减少约10％至约50％。例如，与常规增材制造方法和系统相比，熔池长度可以是常规增材制造技术中的熔池长度的90％或更小、或80％或更小、或70％或更小、或60％或更小、或50％或更小。

本文提供的射流装置引起晶粒细化。控制工艺参数可帮助有效性。这在抵抗凝固细化的合金(例如Ti-6Al-4V)中尤其如此，因为在该合金中表现出窄的凝固范围。凝固特性使得在金属增材制造的典型热梯度和凝固速率下不可能发生组成过冷。

本文提供的射流装置可用于使用单个熔化装置或一个焊炬构造的金属增材制造的构造中。本文提供的射流装置可用于金属增材制造的两个焊炬构造。预热焊炬可用于实现专用的工件表面温度控制。单独的第二焊炬可用作熔化焊炬以熔化原料，例如金属丝。热梯度可通过限制熔化焊炬中所需的能量强度来调节，并且通过确保在熔池的周边处润湿而不使熔池本身过度过热来实现熔融金属的期望接触角。这对于晶粒细化是有益的，但不是实现通过使用射流装置所实现的效果所必需的。

专门的能量传递到金属丝，并且利用金属丝的电阻加热，允许高沉积速率，而没有过多的能量直接传递到熔池，如果熔化金属丝的能量源也传递到熔池，则会发生这种情况。这种布置可限制熔池过热，因此减小热梯度。其还允许沉积速率足以维持延长的熔池长度，并允许来自射流装置的气体射流在熔池表面上或在熔池附近相互作用。虽然热梯度的这些减小对于晶粒细化是有益的，但是不需要热梯度的减小来实现通过使用本文提供的射流装置施加冷却气体而实现的晶粒细化的效果。

从射流装置测试的测试中，熔池控制和串形状控制的其他方面是明显的。如上所述，本文提供的方法允许减小熔池长度的尺寸，这可通过在熔池的后缘处增加凝固速率来实现。该方法提供了使用于较宽的单排壁的串成形的能力，并且消除了通过从气体喷射压力朝向端部的熔体位移而在串的端部填充的需要。本文提供的方法允许细化由增材制造工艺制造的工件中的凝固结构。该方法可消除或显著减少通常由常规增材制造系统产生的粗糙柱状结构。消除这些粗糙柱状结构可导致制造的产品比在常规增材制造工艺中实现的产品表现出更高的强度、延展性和抗疲劳性。

电子背向散射衍射(EBSD)允许分析晶体结构，包括晶粒尺寸和边界类型、取向错误、变形、相位辨别和分布、晶体取向和织构测量(微观和宏观晶体织构)。对于沉积层，EBSD可用于观察层之间的外延以及晶体取向。常规增材制造工艺的典型的伸长柱状结构对可在Ti-6Al-4V样品中发生的有利的α晶粒变化的数量施加限制。这可在图4A和图4B中看到，其示出了通过常规增材制造工艺(图4A)制造的典型材料的晶体学的EBSD表征与使用本文提供的方法实现的晶体学的EBSD表征对比，在本文提供的方法中气体射流撞击产生具有更细化晶粒的材料(图4B)。如可在图4A中看到的，在来自常规工艺的典型粗糙晶粒材料中，表现出沿着现有β-晶界的层状结构的长程排列和均匀性。在使用本文提供的射流装置和方法生产的材料中，结晶多样性增加，材料表现出多个初始β晶粒取向。如可在图4B中看到的，在使用本文提供的射流装置和方法生产的晶粒细化材料中，晶界排列的程度降低。

还提供了最小化或消除增材制造的金属产品中的粗糙柱状凝固结构的方法。该方法包括使用本文提供的射流装置在熔池的自由表面上施加湍流冷却气体射流。在熔池处，例如在熔池的液体-固体边界处，所引导的冷却气体射流引起或加速或两者在自由熔池表面处的相对凝固前部的生长。这会导致外延的阻挡，因为连续层从顶层晶粒成核并凝固，从而最小化或消除粗糙柱状凝固结构的形成。在熔池自由表面处的成核可导致柱状凝固结构以不规则间隔被较细晶粒破碎，这可导致在增材制造过程期间实现改善的重复材料特性。该方法可导致增加的结晶多样性，例如形成多个初始β晶粒取向。该方法还可降低晶界排列的程度。该方法还可导致增材制造的金属产品的应变分段降低。相对于不使用本文提供的方法生产的典型材料(包括使用如所描述的射流装置的气体喷射撞击)，该方法可导致成品材料表现出增加的应变硬化，特别是当平行于构建方向加载时。使用该方法生产的增材制造产品还可在生产方向上(沿着串)表现出延展性的增加。

还提供了细化增材制造的金属产品的微观结构的方法。该方法包括使用本文提供的冷却射流装置，以通过将冷却气体射流原位施加到沉积态凝固材料来增加冷却速率。在沉积过程期间强制冷却沉积态材料可实现增材制造产品的微观结构的细化。冷却速率可显著影响在制造工艺期间形成的微观结构。在一些方法中，在凝固态沉积材料处原位施加湍流冷却气体可调节或控制同素异形转变。在沉积材料是钛合金(例如Ti-6Al-4V)的方法中，通过在凝固态沉积材料上原位施加湍流流动的冷却气体进行强制冷却，可控制β-α固态相变。本文提供的晶粒细化的方法可通过产生更均匀且精细分布的不同微观结构元素的存在来对抗由微观结构的二元性引起的边界处的长程应变失配。

冷却速率对微观结构的影响可在图10A和图10B中观察到。使用利用Ti-6Al-4V合金的基于等离子体和金属丝的高沉积速率增材制造工艺来形成产品。发现以更快的冷却速率冷却可显著细化沉积产品的微观结构。当沉积材料的温度以所测量的整体冷却速率15℃/秒从1000℃降低到900℃时(图10B)，与以所测量的整体冷却速率15℃/秒冷却时(图10A)相比，实现了更精细的网篮型微观结构。当测试硬度时，硬度凹口(图中心的暗的金字塔形凹陷)示出了与不太精细的网篮型微观结构(图10)相比，在精细的网篮型微观结构(图10B)中塑性变形的均匀性增加。如可在图10A中看到的，在凹口附近存在塑性变形的局部集中。图10B没有表现出任何局部集中的塑性变形。因此，在沉积期间施加冷却气体射流以强制冷却沉积态材料可实现更精细的网篮型微观结构，以及改善同素异形相变(从一种晶体结构转变成另一种晶体结构)、沉淀和其他固态热化学反应。

还提供了原位强制冷却增材制造的金属物体的方法。该方法包括将冷却气体射流原位施加到沉积态凝固材料以增加材料的冷却速率。冷却气体射流由射流装置以湍流施加，并且可实现约10℃/s至约25℃/s的整体冷却速率，或在冷却气体所引导到的表面处测量的约80℃/s至150℃/s的记录冷却速率。

还提供了在原位增加增材制造的钛合金(例如Ti-6Al-4V金属物体)中塑性变形的均匀性的方法。该方法包括将冷却气体射流原位施加到沉积态凝固材料，以提高材料的冷却速率，从而促进形成更精细的网篮型微观结构，而不是通常产生的团状/片状微观结构。冷却气体射流由射流装置以湍流施加。随着冷却速率的增加，可实现更精细的网篮型微观结构，并且更精细的网篮型微观结构增加了塑性变形的均匀性。例如，当将物体从1000℃冷却至900℃时，将整体冷却速率从约10℃/s增加至约15℃/s可导致更精细的网篮型微观结构和增加的塑性变形的均匀性。

本文提供的方法可在任何增材制造系统中执行。该方法可在包括充满惰性气体以提供惰性气氛的封闭室的系统中执行，其中整个过程在惰性气氛中进行。惰性气氛可以是或包含氩气、氙气、氖气、氪气、氦气或其组合，允许惰性气氛沉积。

E.实例

包括以下实例仅用于说明性目的，而不是旨在限制本文提供的实施方式的范围。

实例1

在增材制造期间，使用利用Ti-6Al-4V合金的基于等离子体和金属丝的高沉积速率增材制造工艺，而没有使用(A)和使用(B)本文提供的射流装置喷射冷却气体。所使用的冷却气体是室温氩气。使用图1所示类型的射流装置施加的冷却气体的流速是20L/分。沉积速率是5kg/h，并且工件表面温度/层间温度是650℃。无论射流装置是否用于施加冷却气体，沉积速率和温度都是相同的。

在图5A和图5B中示出了结果的显微照片。图5A示出了通过典型的增材制造生产的金属物体的结构。图5A中的制造产品的晶粒结构是粗糙的，并且柱状结构是可见的。图5B示出了当射流装置用于在如本文描述的增材制造期间将冷却气体施加到熔池时实现的有益结果。图5B中的制造产品中的晶粒结构是近似等轴的，并且表现出细化结构。因此，使用本文提供的射流装置在增材制造期间施加冷却气体导致产品具有细化晶粒结构。具有这些细化晶粒结构的制造产品表现出增加的强度、抗疲劳性和耐久性。

实例2

使用利用Ti-6Al-4V合金的基于等离子体和金属丝的高沉积速率增材制造工艺，其中在使用本文提供的射流装置的单排Ti-6Al-4V串沉积物中，将冷却气体单侧施加到熔池的一侧。所使用的冷却气体是室温氩气。使用图1所示类型的射流装置施加的冷却气体的流速是25L/分，沉积速率是5kg/h，沉积层间温度是500℃。将氩气冷却气体施加到熔池的一半，另一半未处理。这通过仅在熔化工具的一侧接合射流装置的喷嘴来实现。

在图6中示出了结果。如可在从图中看到的，未处理侧(图中的右部)表现出粗糙晶粒结构和柱状结构。图6中的制造产品的处理侧(左侧)上的晶粒结构具有近似等轴的金属晶粒，并且具有细化结构。图中的虚线勾勒出产品任一侧的典型晶粒尺寸和形状。如右侧所示，与在传统增材制造方法中实现的相比，所处理尺寸的晶粒尺寸显著更小(最大晶粒尺寸<2mm且平均晶粒度<1mm²)。未处理侧(左侧)示出了柱状结构的轻微倾斜，这归因于撞击冷却气体对热梯度的影响。该显微照片还示出了在增材制造中使用本文提供的射流装置来操纵射流装置的喷嘴可允许产生分级的微观结构和定制局部材料特性。

对于本领域技术人员来说，在不背离本发明的精神或范围的情况下，可对本发明进行各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖本发明的修改和变化，只要其落在所附权利要求及其等效物的范围内。

附图标记列表

下面是在说明书和附图中使用的参考数字的列表。

10 第一导管

15 第一导管入口

20 扩散器

25 喷嘴

30 气体射流

40 冷却气体供应装置

50 冷却气体供应装置

60 第二导管

65 第二导管入口

70 扩散器

75 喷嘴

80 气体射流

85 横档

90 熔池

95 沉积串

100 射流装置

200 熔化工具

250 支架

300 送丝装置

330 熔化弧或熔化束

350 金属丝

375 熔融金属液滴

400 工件

415 预热区域

425 熔池

430 凝固区域

435 凝固晶体

440 通过冷却气体喷射撞击引起的相对凝固

450 凝固材料区域

480 沉积层

500 第二射流装置

525 喷嘴

530 冷却气体射流

550 温度传感器

555 后凝固温度监测区域

560 温度传感器

565 后转变温度监测区域

570 支架

575 支架

600 熔化工具

630 熔化弧或熔化束

D 行进方向

Claims (71)

1.一种射流装置，包括：

第一导管，包括：

入口，用于接收冷却气体；以及

孔，连接到用于分配冷却气体的喷嘴；

第二导管，包括：

入口，用于接收冷却气体；以及

孔，连接到用于分配冷却气体的喷嘴；

其中：

所述第一导管在热能源的一侧附接到产生所述热能源的熔化工具，并且所述第二导管在所述热能源的相对的第二侧附接到所述熔化工具；

至少一个喷嘴构造为当冷却气体离开所述喷嘴时产生冷却气体的湍流；并且

所述喷嘴构造和定位为防止冷却气体吹向所述热能源。

2.根据权利要求1所述的射流装置，还包括用于将所述第一导管和所述第二导管连接成整体结构的横档。

3.一种射流装置，包括：

导管，包括：

入口，用于接收冷却气体；以及

至少一个孔，连接到至少一个喷嘴，所述至少一个喷嘴用于将冷却气体原位分配到在金属增材制造过程期间沉积的沉积态金属串的表面；以及

支架，允许所述导管附接到金属增材制造系统的部件并且允许将冷却气体施加到所述沉积态金属串的表面。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的射流装置，其中，至少一个喷嘴构造为当冷却气体离开所述喷嘴时产生冷却气体的湍流。

5.根据权利要求3或4所述的射流装置，包括第一外导管、与所述第一外导管相邻的中间导管以及与所述中间导管相邻的第二外导管，每个导管分别连接到其自身的气体供应装置，其中：

所述第一外导管包括指向沉积串的一个侧表面的至少一个喷嘴；

所述中间导管包括指向沉积串的上表面的至少一个喷嘴；并且

所述第二外导管包括指向沉积串的另一个侧表面的至少一个喷嘴。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的射流装置，所述射流装置构造为能附接到送丝装置或粉末供给装置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的射流装置，所述射流装置由耐热材料制成或包括耐热材料。

8.根据权利要求7所述的射流装置，其中，所述耐热材料选自钛、钛合金、钨、钨合金及其合金、不锈钢、包含铬和镍的合金、以及包含镍、铁、钴、铜、钼、钽、钨和钛中的两种或更多种的合金。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的射流装置，还包括测量冷却气体的流量的流量计。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的射流装置，其中，至少一个喷嘴定位在所述导管的远端处。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的射流装置，其中，至少一个喷嘴相对于所述导管定位为使得在所述喷嘴与所述导管之间形成的角度为90°或更小。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的射流装置，其中，所述导管中的任何一个或多个包括：

多个喷嘴；以及

在每个导管内的多个通道、管道、管子或管线，所述通道、管道、管子或管线中的每一个单独地附接到所述多个喷嘴中的单个喷嘴。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的射流装置，其中，所述喷嘴具有柱形形状。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的射流装置，其中：

所述喷嘴具有选自圆形、椭圆形、卵形、方形、矩形、菱形、星形、五边形、六边形和八边形的横截面形状；或者

所述喷嘴具有不对称的横截面形状。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的射流装置，其中，所述喷嘴具有选自约5mm至约50mm的长度。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的射流装置，其中，所述喷嘴具有从约0.1mm至约5mm的壁厚。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的射流装置，其中，所述喷嘴包括孔口，冷却气体流过所述孔口。

18.根据权利要求17所述的射流装置，其中：

所述孔口具有与所述喷嘴的横截面形状相同或不同的横截面形状，并且所述孔口具有选自圆形、椭圆形、卵形、方形、矩形、菱形、六边形和八边形的横截面形状；或者

所述孔口具有不对称的横截面形状。

19.根据权利要求17或18所述的射流装置，其中，所述孔口的直径与所述喷嘴的内径相同或更小。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的射流装置，其中，所述孔口具有从约1mm至约5mm的直径。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的射流装置，其中，所述导管包括与流过所述导管的冷却气体相互作用的挡板。

22.根据权利要求1至21中任一项所述的射流装置，其中：

(a)所述导管还包括在冷却气体流过所述导管的流动路径中的凸起或凹陷或其组合，以干扰冷却气体的层流，从而促进冷却气体的湍流；或者

(b)所述喷嘴还包括在冷却气体流过所述喷嘴的流动路径中的凸起或凹陷或其组合，以干扰冷却气体的层流，从而促进冷却气体的湍流；或者

(c)所述喷嘴的孔口还包括在冷却气体流过所述孔口的流动路径中的凸起或凹陷或其组合，以干扰冷却气体的层流，从而促进冷却气体的湍流；或者

(d)(a)、(b)和(c)的任何组合。

23.根据权利要求1至22中任一项所述的射流装置，还包括热绝缘体，所述热绝缘体用于将所述射流装置与熔化工具热隔离，或者在所述射流装置与工件上的熔池之间热隔离，或者用于将所述射流装置与送丝装置热隔离。

24.根据权利要求1至23中任一项所述的射流装置，还包括冷却气体供应装置。

25.根据权利要求24所述的射流装置，其中，每个导管连接到其自身的冷却气体供应装置。

26.根据权利要求24或25所述的射流装置，其中，所述冷却气体供应装置包括调节器，所述调节器能手动地或自动地调节以调节提供至所述导管的冷却气体的流速。

27.一种用于通过增材制造构建金属物体的系统，包括：

第一熔化工具，用于在沉积熔融金属之前预热基材；

第二熔化工具，用于将金属源熔化成金属熔融材料的液滴，该液滴沉积在预热的基材上或沉积到所述基材上的液体熔池中；

根据权利要求1至26中任一项所述的射流装置，用于引导冷却气体穿过所述液体熔池、或撞击在所述液体熔池上、或撞击在与所述液体熔池的液体-固体边界相邻的凝固材料上、或撞击在凝固材料上、或其任何组合；

冷却气体的供应装置；

用于相对于加热装置和射流装置定位和移动所述基材的系统；以及

控制系统，能够读取待形成的所述金属物体的设计模型，并采用设计模型来调节用于定位和移动所述基材的系统的位置和移动且操作加热装置和射流装置，使得通过将金属材料的连续沉积物熔合到所述基材上来构建物理物体。

28.根据权利要求27所述的系统，还包括计算机。

29.根据权利要求27或28所述的系统，其中，所述设计模型包括待形成的所述金属物体的计算机辅助设计(CAD)模型。

30.根据权利要求27至29中任一项所述的系统，其中：

所述第一熔化工具包括PTA焊炬、激光装置、同轴粉末供给喷嘴激光系统或其任何组合；并且

所述第二熔化工具包括PTA焊炬、激光装置、同轴粉末供给喷嘴激光系统或其任何组合。

31.根据权利要求27至30中任一项所述的系统，其中，所述第二熔化工具包括PTA焊炬，并且所述PTA焊炬电连接到直流电源，使得所述PTA焊炬的电极变成阴极，并且自耗电极变成阳极。

32.根据权利要求27至31中任一项所述的系统，其中，所述射流装置连接到所述第二熔化工具，以引导冷却气体穿过所述液体熔池、或撞击在所述液体熔池上、或撞击在邻近所述液体熔池的液体-固体边界的凝固材料上、或其任何组合。

33.根据权利要求27至32中任一项所述的系统，其中，所述射流装置的至少一个喷嘴产生冷却气体的湍流。

34.根据权利要求27至33中任一项所述的系统，还包括将金属丝输送到所述第二熔化装置的送丝装置。

35.根据权利要求34所述的系统，还包括附加的射流装置，所述附加的射流装置连接到所述送丝装置或所述系统的部件，并且定位为将来自至少一个喷嘴的冷却气体引导在沉积态凝固材料的表面上。

36.根据权利要求35所述的系统，还包括：

第一温度传感器，附接到所述系统的部件，并且定位为在施加冷却气体之前测量所述沉积态凝固材料的表面上的温度；

第二温度传感器，附接到所述系统的部件，并且定位为在施加冷却气体之后测量所述沉积态凝固材料的表面上的温度。

37.根据权利要求35或36所述的系统，其中，所述系统的所述部件是保持所述送丝装置的支架，或保持熔化工具的支架，或保持所述送丝装置和所述熔化工具的支架。

38.根据权利要求37所述的射流装置，其中，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器中的每个是红外温度计。

39.根据权利要求36至38中任一项所述的系统，其中，所述射流装置将冷却气体引导到同素异形转变的区域中的表面。

40.根据权利要求36至39中任一项所述的系统，其中，所述沉积态凝固材料是Ti-6Al-4V合金，并且所述射流装置将冷却气体引导到β-α过渡区域中的表面。

41.根据权利要求27至40中任一项所述的系统，还包括计算机。

42.根据权利要求41所述的系统，其中，所述计算机与所述系统的一个或多个部件通信。

43.根据权利要求27至42中任一项所述的系统，所述系统包含在含有惰性气氛的封闭室内。

44.根据权利要求43所述的系统，其中，所述惰性气氛包括氩气、氖气、氙气、氪气、氦气或其组合。

45.一种用于通过增材制造来制造金属材料的三维物体的方法，其中所述物体通过将所述金属材料的连续沉积物一起熔合到基材上而制成，所述方法包括：

使用第一熔化工具来预热所述基材的表面的至少一部分；

使用第二熔化工具来加热并熔化金属材料，使得熔融金属材料沉积到所述基材的预热区域上，从而形成液体熔池；

使用根据权利要求1至26中任一项所述的射流装置来引导冷却气体穿过所述液体熔池，或撞击在所述液体熔池上，或撞击在与所述液体熔池的液体-固体边界相邻的凝固材料上，或其任何组合；以及

以预定图案相对于所述第一加热装置和所述第二加热装置的位置移动所述基材，使得熔融金属材料的连续沉积物凝固并形成所述三维物体。

46.根据权利要求45所述的方法，还包括使用第二射流装置来引导冷却气体撞击在固态转变区域中的沉积态凝固材料上。

47.根据权利要求46所述的方法，其中，所述沉积态凝固材料是Ti-6Al-4V合金，并且所述第二射流装置将冷却气体引导到β-α过渡区域中的表面。

48.根据权利要求46或47所述的方法，其中，撞击在所述沉积态凝固材料上的冷却气体产生约10℃/秒至约15℃/秒的整体冷却速率。

49.根据权利要求45至48中任一项所述的方法，其中，所述第一熔化工具在所述熔融金属材料待沉积的位置处预热所述基材，或在所述基材中在所述金属材料待沉积的位置处形成熔池，或是这两者。

50.根据权利要求45至49中任一项所述的方法，其中，所述第一熔化工具包括第一PTA焊炬，并且所述第二熔化工具包括第二PTA焊炬。

51.根据权利要求45至49中任一项所述的方法，其中，所述第一熔化工具包括激光装置，并且所述第二熔化工具包括PTA焊炬。

52.根据权利要求51所述的方法，其中，所述PTA焊炬电连接到直流电源，使得所述PTA焊炬的电极变成阴极，并且所述金属材料是变成阳极的自耗电极。

53.根据权利要求45至49中任一项所述的方法，其中，所述第一熔化工具包括PTA焊炬，并且所述第二熔化工具包括激光装置。

54.根据权利要求45至49中任一项所述的方法，其中，所述第一熔化工具包括同轴粉末供给喷嘴激光系统，并且所述第二熔化工具包括激光装置。

55.根据权利要求45至49中任一项所述的方法，其中，所述第一熔化工具包括同轴粉末供给喷嘴激光系统，并且所述第二熔化工具包括PTA焊炬。

56.根据权利要求45至55中任一项所述的方法，其中，所述冷却气体包括选自氩气、氦气、氖气、氙气、氪气及其组合的惰性气体。

57.根据权利要求45至56中任一项所述的方法，其中，所述冷却气体具有约1L/分至约160L/分的流速。

58.根据权利要求45至57中任一项所述的方法，其中，所述冷却气体以恒定流施加，或间歇地施加，或以脉冲流施加。

59.根据权利要求45至58中任一项所述的方法，其中，所述冷却气体的温度是约25℃或更低。

60.根据权利要求45至59中任一项所述的方法，其中：

至少一个喷嘴产生冷却气体的湍流；或者

冷却气体的速度足以在离开所述喷嘴的冷却气体中产生湍流。

61.根据权利要求45至60中任一项所述的方法，其中，冷却气体在所述熔池附近、或穿过所述液体熔池、或当撞击在所述液体熔池上时、或当撞击在与所述液体熔池的液体-固体边界相邻的凝固材料上时、或其任何组合时具有湍流。

62.根据权利要求45至61中任一项所述的方法，其中，所述射流装置包括构造为产生气体射流的至少两个喷嘴，所述气体射流彼此撞击以产生湍流，该湍流在所述熔池附近、或穿过所述液体熔池、或撞击在所述液体熔池上、或撞击在与所述液体熔池的液体-固体边界相邻的凝固材料上、或其任何组合。

63.根据权利要求45至62中任一项所述的方法，其中，所述射流装置输送冷却气体，所述冷却气体沿着形成三维物体的行进方向覆盖约5mm至约50mm的长度。

64.根据权利要求45至63中任一项所述的方法，其中，所述射流输送冷却气体，所述冷却气体沿着形成三维物体的行进方向覆盖约15mm至约30mm的长度。

65.根据权利要求45至64中任一项所述的方法，其中，所述冷却气体以比被引导到所述熔池或被引导穿过所述熔池的表面的冷却气体的流速高的流速被引导到凝固态金属。

66.根据权利要求45至65中任一项所述的方法，其中，所述方法的每个步骤在含有惰性气氛的封闭室内进行。

67.根据权利要求66所述的方法，其中，所述惰性气氛包括氩气、氖气、氙气、氪气、氦气或其组合。

68.一种最小化或消除增材制造的金属产品中的粗糙柱状凝固结构的方法，包括使用根据权利要求1、2或5至26中任一项所述的射流装置将湍流冷却气体射流施加至熔池的自由表面，其中，所述冷却气体射流在所述熔池的表面处引起或加速或引起和加速相对的凝固前部的生长。

69.一种细化增材制造的金属产品的微观结构的方法，包括使用根据权利要求3至26中任一项所述的冷却射流装置将湍流流动的冷却气体射流原位施加至沉积态凝固材料，以使整体冷却速率增加至少5℃/s。

70.一种原位强制冷却增材制造的金属物体的方法，所述方法包括将冷却气体的射流原位施加至沉积态凝固材料以增加所述材料的冷却速率，从而实现在冷却气体被引导到的表面处所测量的约10℃/s至约25℃/s的整体冷却速率，或者约80℃/s至150℃/s的表面冷却速率。

71.一种增加增材制造的钛合金物体中的塑性变形的均匀性的方法，包括使用根据权利要求3至26中任一项所述的射流装置将冷却气体的射流原位施加至所述物体的沉积态凝固区域的表面，以增加所述区域的冷却速率，从而促进网篮型微观结构的形成而不是通常产生的团状/片状微观结构的形成。

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