CN111655403B - 固态增材制造系统和材料的组成与结构 - Google Patents

Abstract

公开了一种固态增材制造系统，所述固态增材制造系统适用于构建3D结构、对表面进行涂层和功能化、连接结构、将定制特征添加到物体、复合专有组成以及修复各种结构。所述固态增材制造系统使得能够沉积不同的填充物，即金属、金属合金、MMC、聚合物、塑料、复合材料、杂化物和梯度组成，以及控制所得的沉积物结构，例如特定的纳米/微材料结构、梯度材料结构和多孔材料结构。所述系统容纳用于沉积不同形式的填充材料，即棒材、线材、颗粒、粉末、粉末填充管、废料片或其组合，的各种进料设计、主轴设计和刀具设计，以及具有多个接入点的工作平台。一个或多个电动机、驱动单元和监测单元控制所述工件、主轴和刀具的移动，并且使所述填充物移动穿过所述进料系统，所述进料系统的通道与所述主轴和所述刀具的通道连通。

Description

固态增材制造系统和材料的组成与结构

相关申请的交叉引用

本申请基于2017年10月31日提交的美国临时申请第62/579,483号和2018年8月1日提交的美国临时申请第62/713,275号的公开内容并要求其申请日的优先权和权益，所述美国临时申请的公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及一种固态增材制造系统，所述固态增材制造系统用于使用摩擦力和其它力以及由于塑性变形和消耗性填充材料相对于工件(衬底、部件)的压缩加载而产生的热量进行3D打印、涂覆、熔覆、表面功能化、连接、材料复合和/或修复表面或整个部件。本发明的实施例包含工作平台、过程控制系统、电动机和可变频驱动器；进料单元，所述进料单元可以通过主轴系统和非消耗性刀具将消耗性填充材料分配到衬底上；主轴系统，所述主轴系统可以驱动所述刀具旋转穿过刀具保持器；刀具保持器，所述刀具保持器容纳所述刀具；刀具更换器，所述刀具更换器用于在沉积工艺期间更换所述刀具；基于摩擦的制造刀具，所述基于摩擦的制造刀具包括具有喉道和带有或不带销和凸节的台肩的非消耗性元件；用于供应空气、惰性气体或气体混合物的单元和用于在沉积工艺期间维持受控气体氛围的隔室；到达所述进料单元、主轴和/或所述刀具的注入端口，所述注入端口用于供应主要呈液体状态的增材；以及一个或多个传感器和监测单元。另外，固态增材制造系统的实施例能够制造不易通过其它常规方法制造的具有优选的载荷水平以及受控的微结构和纳米结构以及孔隙度的合金、杂化物和复合材料，如MMC和增强的聚合物复合材料。此外，公开了用于通过控制工艺参数来定制通过固态增材工艺生产的部件中的材料微结构的方法。具体地说，此类工艺参数(包含主轴角速度、主轴和刀具的扭矩、下推力、填充物的进料速率、横向速度等)与所制造的部件中的晶粒大小、晶粒形状和晶粒取向(如果有的话)相关。在一些情况下，若干个参数的组合与晶粒大小相关；例如由于若干个参数(主轴角速度、横向速度、下压力)的组合而产生的工艺中的热量输入与晶粒大小相关。此外，加热或冷却的外部输入与固态增材制造工艺期间的微结构演变有关。另外，据称添加润滑剂或其它增材或增强体会影响最终的晶粒大小和形状。提供了若干种特定材料(即Inconel 625超级合金、铝合金、不锈钢等)在固态增材制造工艺之前和固态增材制造工艺之后的晶粒大小和形状的实例。

背景技术

增材制造(AM)被限定为通常通过逐层沉积来连接材料以制造3D物体的工艺，其可以生产多功能和多材料部件，但存在一些限制。界面材料微结构与非界面材料微结构之间经常存在实质性差异，从而导致沿特定位置和方向的特性不均匀。在此类情况下，与散装材料的特性相比，成品部件表现出较差的特性。

类似地，常规的基于金属的增材制造技术(如直接激光沉积、电子束沉积和成形金属沉积)通常通过逐层依次沉积金属来产生金属部件。基于融合的AM工艺通常导致与熔化和凝固相关的问题，如脆性铸造结构、热裂纹和孔隙率，从而导致机械性能下降。涂层技术(如火焰喷涂、高速氧气燃料喷涂(HVOF)、爆炸喷涂(D-Gun)、电弧和等离子体沉积)产生的涂层具有相当大的孔隙率、显著的氧化物含量以及介于涂层与衬底之间的离散界面。通常，这些涂层工艺在相对较高的温度下进行，并且在材料沉积到衬底上时使其熔化/氧化。由于相对较高的加工温度导致晶粒生长和强度损失，因此此类常规技术不适合用于加工许多类型的衬底和涂层材料，如纳米晶体材料。可用的替代性沉积工艺被称为冷喷涂型沉积。所述冷喷涂型沉积通常涉及相对低温的热喷涂工艺，在所述相对低温的热喷涂工艺中，通过超音速喷嘴加速颗粒。然而，这些技术可能相对昂贵和/或通常不能加工高纵横比的颗粒，如通过冷冻研磨生产的纳米晶体铝粉。因此，使用冷喷涂技术制备的产品通常含有氧化物杂质。

考虑到这些缺点，非常需要对增材制造技术和涂层沉积技术进行改进。实际上，特别需要基于摩擦的制造系统，所述基于摩擦的制造系统能够以简单的方式在类似或不同的衬底上有效地沉积各种材料和各种材料形式(例如粉末、颗粒、球粒、无用的废料片)，从而在衬底与沉积层之间以及沉积的各个层之间实现高质量的粘合并产生具有改进的机械特性和其它特性的产品。本发明人已经发现，基于摩擦搅拌的无熔/固态增材制造方法似乎克服了传统的AM和涂层工艺的缺点。

发明内容

本发明的实施例提供了用于固态增材制造的新系统和方法。固态增材制造技术是一种固态热机械沉积工艺，所述固态热机械沉积工艺能够在衬底(工件)上沉积材料、细化所述材料的原始晶粒大小、在经过加工的区域中使所述材料混合和均质化并在沉积材料与所述工件之间产生化学或物理结合而不使所述材料熔化。

简单地说，所述固态增材制造工艺的基本原理是：通过刀具与工件材料之间的摩擦产生热量(并且在某些情况下，如果销从所述刀具的台肩延伸，则摩擦是通过所述销穿过所述工件的表面区域引起的)；产生的热量使旋转刀具(和/或旋转销，如果使用的话)附近发生大量塑性变形；将实质性应变赋予所述工件材料，从而导致其微结构的细化；邻近所述刀具的材料软化，并且对软化的材料进行机械搅拌，并且同时，使用由所述刀具台肩供应的机械压力，将所述软化的材料与通过所述刀具的通道添加的填充材料混合并连接在一起。

固态增材制造技术因其相对较低的能源成本、不使用刺激性化学物质以及不产生废气和烟气而被视为环境友好型技术。固态增材制造工艺的一些益处如下：所述工艺是固态的，并且通常是单一步骤工艺，提供了使用热敏材料和空气敏感材料的可能性，无需事先进行表面处理，提供了良好的尺寸稳定性(由于其在固态中进行，部件变形最小)，能够很好地控制经过加工的工件的表面深度，由于摩擦产生热量并且因此不需要外部能量来引起材料的塑性变形，因此几乎不消耗能量，有助于与衬底(工件)的优异结合特性，具有良好的可重复性，以及为工艺自动化提供了潜力。

通过控制所述固态增材制造的工艺参数，如刀具旋转速度、刀具台肩的压力、销(如果使用的话)的穿透深度、向下力、平移速度、刀具超前角和刀具设计、销的几何构型、填充材料形式、填充材料温度、填充材料荷载率等，人们可以严格控制沉积材料层的组成以及微结构和纳米结构。此外，通过控制刀具速度和多道次固态增材制造工艺中的重叠，人们可以进一步控制表面微结构/纳米结构并可以加工更大的工件区域。

近年来，特别是在航空航天和汽车工业中，存在轻量化结构部件的趋势，其主要目标是降低能量消耗和保护自然资源。例如，最新一代的飞机和汽车使用超过50％的复合材料，因为轻量构造和部件直接影响飞机和汽车的燃料消耗。然而，这种轻量构造的概念不仅涉及轻量材料的用途，而且还涉及不同材料的组合，例如，塑料和金属产生了组成材料的特性和/或功能性的有用组合。例如，轻量结构部件的两种潜在方法是使用杂合的金属-聚合物材料以及钢和铝合金的组合。对于金属-聚合物杂化材料，金属通常用于承受机械应力，而具有优异可成型性和高设计自由度的聚合物组件可以代替功能整合。对于钢-铝合金，钢部分可以应用于产品的高应力区域，而应变较小的区域则可以由轻得多的铝制成。然而，这些轻量组成的真正挑战是其制造。例如，已经通过模内技术并且有时通过模后组装方法来制造聚合物-金属复合材料。这通常是通过将金属组件放置在注射模塑中完成的，在所述注射模塑中，所述金属组件与同时经历模塑的注塑聚合物连接。这些工艺的主要挑战是金属与聚合物之间的粘合性，以及除使用的昂贵模具之外的有限设计自由度。在这种情况下，已经提出了几种连接技术，并且所述技术通常用于金属与聚合物工件之间的杂合连接，或者用作模后组装方法，如粘接、机械紧固和焊接，但所有这些技术都存在主要缺点。固态增材制造似乎是一种快速、有效且低成本的方法，所述方法用于生产具有良好界面结合的杂合结构或用于连接由不同材料制成的结构，所述不同材料之间具有良好的粘合性。

此外，对快速修改结构部件或选定表面区域的表面特性以满足某些设计和功能性要求的需求增加，这促进了表面工程的发展。通过修改现有的表面和/或添加某些功能性涂层，表面工程能够定制衬底的表面层的化学特性和结构特性。许多不同的工艺已经被用于表面工程，如激光合金化、熔覆、热喷涂、冷喷涂、各种液体沉积方法、阳极氧化、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、高能激光熔化处理、高能电子束辐照、等离子喷涂、铸造和烧结等。常规涂层技术中的一些涂层技术(例如热喷涂)可能产生多孔涂层，并且涂层与衬底之间的结合较差。常规涂层工艺中的其它涂层工艺利用相对较高的温度在材料沉积之前将其熔化，并且可以导致材料氧化，从而产生具有高氧化物含量的涂层。高温加工方法通常导致强度损失，并且不适合用于加工各种衬底和涂层材料。相反，固态增材涂层工艺在经过加工的衬底和组件的表面层中提供组成和结构控制，以增强特定的特性和/或增加功能性。经过加工的表面可以具有增强的机械特性，如硬度、拉伸强度、抗疲劳性、抗腐蚀性和耐磨性。

此外，固态增材制造技术具有制造表面复合材料和修改体衬底或结构部件的表面的微结构特征的潜力。由于所产生的塑性变形而不会使散装材料熔化，因此可以在不修改基本衬底组成的情况下改变表面特性。在固态增材沉积工艺期间在工件表面上添加相同或不同类别的填充材料的潜力能够实现表面复合材料的原位生成、表面改性、表面涂覆和表面功能化。表面复合材料在表面上表现出增强的复合材料特性，同时保留了基础材料的性质。

此外，固态增材制造技术已成功演变为用于原位制造专有材料组成，如金属基复合材料(MMC)。与未经过增强的金属相比，MMC(即通常用陶瓷相增强的金属)表现出高强度、高弹性模量，以及改善的耐磨性、抗蠕变性和抗疲劳性，这使其成为有前景的结构性材料。然而，由于掺入了不可变形的陶瓷增强相，这些复合材料还遭受延展性和韧性的损失，这限制了所述复合材料的一些应用。在这些情况下，令人期望的是，仅部件的表面层通过陶瓷相增强，而大部分组件保留具有更高韧性的原始组成和结构。固态增材制造系统提供了制造原位MMC以及类似或不同材料组成的许多其它组合的可能性。例如，金属-聚合物复合材料既表现出金属的特性又表现出聚合物的特性，并且是非常重要的结构性材料，其性能受结构的影响，而结构则受制造方法的影响。通常，用于生产金属-聚合物复合材料的方法利用升高的温度和混合的组合，如机械研磨、真空电弧沉积、熔融混合、注射模塑等。固态增材制造系统能够在固态和受控环境中制造复合材料，这对于许多不能承受更高温度和环境条件的材料来说是有利的。此外，原位制造的复合材料可以随后通过相同的固态增材制造系统进行沉积，从而使其成为在工件表面上复合和沉积专有组成，或者利用所述专有组成制造(3D打印)整个物体的通用系统。

本发明的固态增材制造技术还是产生异位和原位复合材料的成本有效的方法。通常，原位复合材料具有许多优点，如无缺陷的增强物-基体界面、热力学上更稳定的增强物，改善的兼容性以及增强物和基体与工件之间更高的结合强度。利用固态增材制造工艺向工件中添加和分散增强颗粒的可能性使得能够产生具有改善的基础(基体)材料的机械特性、摩擦特性、磁特性、电特性和其它特性的复合材料。

此外，包括纳米颗粒的纳米复合材料受到越来越多的关注，因为颗粒的纳米大小导致高达1,000m2/g以上的高比表面积，并且因此在非常低的掺杂水平下显著改善了基础材料的特性。纳米复合材料中常用的纳米颗粒包含碳纳米管、碳纳米纤维、蒙脱土、纳米粘土、纳米粉末(如SiO2、Al2O3、TiO2、纳米二氧化硅等)。其中，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管(SW-CNT和MW-CNT)是非常有前景的增强材料，因为所述单壁碳纳米管和多壁碳纳米管具有超高的延展性、杨氏模量、强度、独特的电磁特性。然而，CNT易于附聚，并且因此难以分散在聚合物或金属基体中。因此，CNT的分散对于改善基础聚合物或金属复合材料的性能至关重要。不仅是CNT，其它类型的增强颗粒的分离似乎也是通过常规方法制造原位复合材料的主要问题。

原位纳米复合材料的固态增材复合可以导致由具有与基体材料的良好界面结合的均匀分散的增强物所引起的优异的机械特性和其它特性。固态增材工艺似乎是用于产生原位复合材料的有效途径，因为所述工艺提供了以下三者的协同效应：用于促进混合的严重的塑性变形、用于促使原位反应的升高的温度以及用于形成完全致密的固体的热固结。此外，通过摩擦搅拌作用的晶粒细化和所使用的增强颗粒的协同作用可以产生具有均匀细化的晶粒结构的原位复合材料。

固态增材表面功能化是一种固态加工技术，特别适用于热敏材料，因为其有可能将来自消耗性棒材、球粒(颗粒)或粉末的材料添加到衬底上，从而产生与衬底具有良好结合的涂层。除了用于制造表面MMC之外，本发明的固态增材制造系统还可以用于聚合物表面工程。聚合物材料的表面特性在许多应用中至关重要，并且受最外层分子层的结构和组成的强烈影响。通常，为了成功地将塑料部件广泛应用于如涂层、摩擦和磨损、复合材料等广泛用途，需要关于硬度、亲水性或疏水性以及(微)结晶度的特殊表面特性。各种真空沉积方法被用于涂覆塑料衬底和部件，但所述方法需要真空室、有限的部件大小并且有时还需要进行特殊的表面处理，如等离子体/离子蚀刻。还使用基于溶液的方法，以及与溶胶-凝胶涂层相关的后续退火步骤。固态增材工艺可能是在无需任何表面处理或随后的高烘烤温度步骤的情况下通过添加和结合不同的表面材料来修改聚合物衬底和塑料部件的表面的非常有用的方法，所述不同的表面材料以其它方式难以与固有的低表面能塑料结合。

由于本发明的固态增材制造技术使得能够操控局部化学组成和/或相含量，因此利用所公开的系统，制造梯度材料组成和梯度结构变化也是可能的。在工件表面上以可控制的速率添加类似或不同的材料或掺杂剂(增强剂)或吹入气体的能力是无法用其它本领域已知的制造方法在单个步骤中实现的独特的系统特性。

附图说明

附图展示了本发明的实施例的某些方面，并且不应被用来限制本发明。这些附图与书面描述一起用于解释本发明的某些原理。

图1A是展示根据一个实施例的固态增材制造系统的示意图。

图1B是展示根据一个实施例的固态增材制造系统的部件和附件的不同移动和旋转的图。

图2A是根据实施例的用于连续固体(例如，棒状)填充材料的固态增材制造系统的横截面视图的图。

图2B是根据实施例的用于非连续的固体(例如，棒状)填充材料的固态增材制造系统的横截面视图的图。

图2C是根据一个实施例的用于粉末状填充材料或粒状填充材料的固态增材制造系统的横截面视图的示意图。

图3A是示出根据一个实施例的具有彼此连通的内部通道的固态增材制造主轴和刀具的横截面视图的图。

图3B是示出根据一个实施例的具有任选的注入端口和侧切割器的刀具的横截面视图的图。

图3C是示出根据一个实施例的具有任选的空心销和凸节的刀具的横截面视图的图。

图3D是示出根据一个实施例的具有任选的可置换凸节的刀具的横截面视图的图。

图3E-K是示出根据实施例的不同刀具形状的横截面的图。

图3L-R是示出根据实施例的具有各种通道横截面的刀具台肩的仰视图的图。

图3S-V是示出根据实施例的具有各种通道横截面和任选的凸节的刀具台肩的仰视图的图。

图3W-Y是示出根据实施例的具有各种通道横截面、凸节和/或不同台肩特征的刀具台肩的仰视图的图。

图3Z-AB是示出根据实施例的具有锥形刀具台肩几何构型的刀具的横截面的图。

图3AC-AD是根据实施例的具有任选的带有锥形表面的空心销的刀具的横截面的图。

图3AE-AF是示出根据实施例的刀具的横截面的图，其中刀具通道改变横截面的形状和/或大小。

图3AG是根据一个实施例的刀具的横截面的图，其中刀具通道分成多个通道以在工件表面上输送粉末或球粒填充材料。

图3AH是示出根据实施例的具有销的刀具的横截面的图，其中销通道分成多个通道以在工件表面上输送粉末或球粒填充材料。

图3AI-AJ是示出根据实施例的具有多个通道的刀具的横截面的图

图3AK-AM是示出根据实施例的具有多个通道和任选的凸节的刀具台肩的图。

图4A是呈现根据一个实施例的将材料沉积在工件上的固态增材制造工艺的示意图。使用固态增材制造系统可以进行如3D打印、涂层、连接、修复和原位表面功能化等工艺。

图4B-4G是根据实施例的固态增材制造3D打印结构的照片。

图5A-E是用根据实施例的固态增材制造系统进行涂覆的样品的照片。图5A-D示出了利用固态增材制造工艺涂覆有铜(Cu)的并且之后弯曲的没有显示分层迹象的钽(Ta)和铌(Nb)的实例。图5E示出了在不使用任何中间层的情况下在Cu衬底(Cu185)上进行的Al材料(Al6061)的固态增材制造涂覆。

图6A是根据一个实施例的通过在一个步骤中混合、固结和沉积基础填充剂材料和增强体(以及增材，如果需要的话)来原位复合和制造专有组成(如金属基复合材料(MMC)、聚合物复合材料、互穿网络(IPN)、增强材料等)的固态增材制造工艺的示意图。

图6B是根据一个实施例的原位制造的Al-碳纤维复合材料的扫描电子显微镜图像。

图6C是沉积的Al-Mo复合材料的扫描电子显微镜图像，所述图像示出增强的Mo颗粒在铝基体中的相对均匀的分布(约30％体积分数)；插图：示出根据一个实施例的在基体与增强物之间形成缓冲层的透射电子显微镜图像。

图6D是根据一个实施例的制造表面复合材料的固态增材制造工艺的示意图，其中工件表面具有填充有增强颗粒的口袋(孔或凹槽)。

图6E是根据一个实施例的制造表面复合材料的固态增材工艺的示意图，其中根据实施例，工件表面具有填充有具有各向异性形状的增强颗粒(如CNT)的口袋(孔或凹槽)。在不使刀具沿工件表面优先横向移动的情况下，实现了各向异性增强体的随机取向。

图6F是根据一个实施例的制造表面复合材料的固态增材工艺的图，其中根据实施例，工件表面具有填充有具有各向异性形状的增强颗粒(如CNT)的口袋(孔或凹槽)。通过应用外部场(例如电场)和/或使刀具优先横向移动，可实现CNT或碳纤维的优先取向。

图6G和6H是根据一个实施例的通过刀具喉道沉积包括增强颗粒(如CNT或碳纤维)的填充材料的固态增材工艺的示意图。在不使刀具沿工件表面优先横向移动的情况下，实现了各向异性增强体的随机取向(图6G)。通过应用外部场(例如电场或磁场)和/或使刀具优先横向移动，可实现CNT或碳纤维的优先取向(图6H)。

图7A和图7B是展示根据一个实施例的利用固态增材制造系统在填充材料沉积期间借助于吹入气体进行材料沉积的工艺的示意图。吹入气体可以有助于最终的组成，即沉积材料的化学计量(图7A)，或者可以在沉积的表面层中产生孔(图7B)。

图8A-8B是示出根据一个实施例的利用固态增材制造系统产生梯度材料组成和/或梯度材料结构的图。在沉积层的横向方向(图8A)或z方向(深度)(图8B)上，梯度组成和/或结构是可能的。

图8C是示出通过在Al衬底上进行沉积期间改变Al/Fe比率形成的包括铝和铁的梯度材料组成的实例的照片。

图9A是示出根据一个实施例的在金属中形成晶粒的工艺的示意图。

图9B-9E是示出根据一个实施例的在固态增材工艺期间和固态增材工艺之后的金属中的潜在晶粒形状及其取向的示意图；其中图9B和C示出了等轴晶粒；图9D示出了径向取向的晶粒；并且图9E示出了通常由在加工和/或冷却步骤期间施加的应变导致的细长晶粒。

图10A-B是示出根据一个实施例的用扫描电子显微镜观察到的Inconel 625在固态增材制造工艺之前(图10A)和固态增材制造工艺之后(图10B)的微结构的扫描电子显微镜图像。

图10C是示出根据一个实施例的通过脉冲等离子体电弧沉积的Inconel 625的微结构的扫描电子显微镜图像。

图11A和11B是示出根据一个实施例的用扫描电子显微镜观察到的Ti-6Al-4V在固态增材工艺之前(图11A)和固态增材工艺之后(图11B)的微结构的扫描电子显微镜图像。

图11C是示出根据一个实施例的通过固态增材制造沉积的Ti-6Al-4V与相同材料的ASM数据相比的机械强度和伸长百分比的图。

图12A和图12B是示出根据一个实施例的不锈钢316L在固态增材制造工艺之前(图12A)和固态增材制造工艺之后(图12B)的微结构的显微镜图像。

图13A和图13B是示出根据一个实施例的铝合金Al2139微结构在固态增材制造工艺之前(图13A)和固态增材制造工艺之后(图13B)的微结构的显微镜图像。

图14A和图14B是示出根据一个实施例的利用固态增材制造系统由不同材料制成的两个结构之间的连接工艺的图。两个结构之间的连接处填充有用作密封剂的填充材料(图14A)，或者所述连接处填充有填充材料和增强颗粒，用于进一步增强结构之间产生的结合(图14B)。

图14C是示出根据一个实施例的多孔Al泡沫在Al衬底上的固态增材连接的照片。

图15A是示出根据一个实施例的使用垫板的利用本发明固态增材制造系统修复具有裂纹的有缺陷的管状结构的工艺的示意图。

图15B是示出根据一个实施例的对直升机传动齿轮箱进行固态增材修复的一组照片：断裂肋先前由于MgAz91材料的不可熔焊特性而被视为是无法修复的，正在使用相同的铸造MgAz91材料对其进行修复。

图15C是示出根据一个实施例的对喷气战斗机导弹轨道发射器进行固态增材修复的一组照片：下方磨损的支架先前由于位置和材料Al7075而被视为是不可修复的，通过在支架顶部打印相同的材料对其进行了固态增材制造修复。

图15D是示出根据一个实施例的使用原始的本机材料(镍铝青铜，NAB)对严重凹陷和腐蚀的螺旋桨进行固态增材修复的一组照片。沉积的全致密NAB层消除了孔隙和空隙，从而进一步防止了腐蚀返回表面。

具体实施方式

现在将详细地参照本发明的各个示例性实施例。应该理解的是，以下对示例性实施例的讨论并非旨在限制本发明。相反，提供以下讨论以使读者更详细地理解本发明的某些方面和特征。

本发明涉及固态增材制造系统和由所公开的系统执行的相关的固态热机械工艺。此外，呈现了由所公开的系统产生的材料、组成和结构。本发明涉及将各种材料、增材和增强颗粒沉积到工件上，以通过使用固态增材制造系统执行部件制造、涂层、连接、表面改性、功能化、修复和形成原位MMC或其它复合材料来实现此类工艺。本发明实施例的固态增材制造系统包含机器、进料单元、主轴系统、刀具保持器和刀具。还公开了另外的系统部件和附件。

本发明实施例的固态增材制造刀具包含这样的配置，所述配置能够在加工期间赋予沉积材料和/或衬底材料的摩擦生热、压缩加载和/或机械搅拌，以允许将涂层材料施加、粘附、沉积到衬底的材料上和/或与衬底的材料混合，从而在衬底上形成涂层。如下面详细讨论的，实施例允许使用相同或不同的涂层，从而在有时使用所述涂层的应用中提供改进的结果。

应当注意的是，在本申请提供的实例和描述中，可以进行各种修改，并且所述各种修改也意在落入本发明的范围内。例如，可以使用所描述的方法步骤中的一个或多个方法步骤并且以任何顺序来实践所描述的方法。此外，一种方法的方法步骤可以与所描述的其它方法的步骤和/或与本领域普通技术人员已知的方法步骤互换和/或组合。同样，本申请中描述的特定工具的特征和配置可以被省略、互换和/或与所描述的或本领域普通技术人员已知的其它特征组合。甚至更进一步地，即使此类刀具的具体细节是关于执行方法步骤来描述的而不是关于刀具本身来描述的，用于获得某些结果或用于执行本申请中描述的方法的特定步骤的工具也包含在本发明的范围内。

非常普遍地，实施例涉及固态增材制造系统和用于在衬底上基于摩擦地沉积一种或多种材料的工艺。此类工艺包含通过在衬底上形成表面层(例如通过使用摩擦生热和涂层材料相对于衬底的压缩加载将涂层沉积在衬底上)将沉积材料施加到工件(衬底、部件)上，其中刀具在摩擦生热和压缩加载期间支撑涂层材料，并且所述刀具可操作地被配置成形成和剪切沉积物的表面。

用于执行此类工艺的固态增材制造刀具优选地被设计或配置成允许消耗性涂层材料通过非消耗性元件的内部进料或以其它方式被设置成穿过非消耗性元件的内部，所述非消耗性元件可以被称为喉道、颈道、中心、内部或穿过刀具相对两端设置的通孔。刀具的此区域可以被配置成具有非圆形的通孔形状。

用于工具的各种内部几何构型是可能的。在非圆形几何构型的情况下，由于刀具在刀具喉道表面上对原料施加的法向力，导致或迫使消耗性填充材料以与刀具的非消耗性部分相同的角速度旋转。作为实例，此类几何构型包含正方形通孔和椭圆形通孔。在预期刀具的喉道的内表面仅将切向力施加在填充材料的表面上的配置中，不会导致原料以与刀具相同的角速度旋转。预期刀具的横截面的圆形几何构型与分离的或松散地附接的原料的组合会导致沉积材料和刀具以相同或不同的速度旋转。

消耗性材料的形式可以是任何形式或形状，仅举几例，如实心条、粉末、填充有粉末的实心管、碎屑、线材、球料或其任何组合。例如，可以使用向下的摩擦力并以固定距离跨衬底表面平移移动，将涂层材料沉积在衬底上。使用刀具(并且因此，进料)的旋转以及刀具与衬底之间的其它相对移动(如平移移动)迫使填充材料穿过非消耗性刀具的喉道朝向衬底的表面并沉积在衬底的表面上，从而消耗所述填充材料。可以例如通过拉动或推动材料穿过刀具的喉道而将向下的力施加在熔填条(filler rod)上。一种优选的方法是用致动器将棒材推向衬底的表面。如图所示，使用非圆形通孔和对应形状的填充材料可以是迫使刀具中的材料以与刀具相同的角速度旋转的方式的一个实例。已经发现，对于某些应用，填充材料的旋转移动可能是令人期望的，并且在使用期间，在填充材料与刀具的非消耗性部分的内部几何构型之间不会出现旋转移动。进一步地，令人期望的是，填充材料被可操作地配置成纵向穿过刀具自由地移动，从而允许在期望的时间段内将材料朝着衬底半连续或连续地进料。

本发明的另一方面是提供一种在衬底上形成表面层的方法，如修复有缺陷的表面或有缺陷的物体、构建表面以获得厚度更大的衬底、将定制或预制的特征添加到部件、将两个或更多个部件连接在一起或填充衬底表面中的孔的方法。此类方法可以包括用在本申请中描述的工具将材料沉积在衬底上，以及任选地摩擦搅拌沉积材料，例如包含用于将沉积材料与衬底的材料组合以形成更均匀的沉积物-衬底界面的机械方法。沉积和搅拌可以同时执行，也可以在存在或不存在时间间隔的情况下按顺序执行。可以使用单个刀具或单独的刀具执行沉积和搅拌，所述刀具可能是相同或不同的。

固态增材制造系统的实施例能够执行各种固态增材制造工艺，所述固态增材制造工艺将填充材料设置在局部区域中或沿预定路径设置，或者将填充材料作为涂层设置在整个衬底或结构之上。所公开的固态增材制造系统的通用性使得能够利用摩擦力和其它力、摩擦生热以及填充材料在衬底上的压缩加载来构建、修复、复合专有组成，涂覆或修改衬底的表面。

特定方法包含使用摩擦搅拌、摩擦生热和沉积材料相对于衬底的压缩加载将材料沉积在衬底上，从而在摩擦生热和压缩加载期间，刀具支撑沉积材料，并且被可操作地配置成形成和剪切沉积物的表面。

在一些实施例中，工具包括剪切表面。此表面用于剪切正在沉积的沉积材料的表面以形成衬底的新表面。可以以多种方式将剪切表面并入到刀具中，包含获得包括以下的工具：环套、主轴、砧座、圆柱刀具、台肩、设备、旋转刀具、剪切刀具、转动刀具、搅拌刀具、刀具几何构型或螺纹锥形刀具，仅举几例。剪切表面由其功能更完整地定义，例如，刀具的一个或多个表面能够捕获、压缩、压实沉积在衬底上的涂层材料或以其它方式对所述沉积在衬底上的涂层材料施加至少向下的力，并穿过涂层材料到达衬底。

固态增材制造系统

本发明的一个实施例提供了如图1A所示的固态增材制造系统。根据实施例，图1A的系统包含但不限于所示出的组成组件，即进料单元101、主轴102、刀具103、用于填充材料(原料)的通道(喉道)104、工件105、气体供应106、外部能源(例如，振动源、电场源、磁场源、UV光源、热量源、超声源等或其组合)107、垫板(任选的)108、平台(工件的支撑台)109、用于温度、压力、扭矩、平移和角速度、长度等的多个传感器110、约束111、环境室112、一个或多个电源113、多个电动机114、多个控制单元115、多个监测单元(例如，相机)116、一个或多个热量交换器117、多个驱动单元118和填充材料(原料)119。

根据实施例，进料单元101可以通过非消耗性刀具103将消耗性填充材料分配到衬底上。基于摩擦的制造工具103包含非消耗性主体和喉道104，所述主体由能够在经受摩擦生热和压缩加载时抵抗变形的材料形成，所述喉道限定了纵向穿过主体的通道，并且包括用于在主体旋转期间在喉道中的材料上施加力的构件。

本发明的具体实施例包含机器，所述机器包括平台109、控制工艺软件115、电动机114和可变频驱动器118，其中所述平台是进料单元101、刀具103、主轴102、过程控制软件115、电动机114和可变频驱动器118的载体，其中过程控制软件115控制刀具的旋转速度和衬底的移动速度，其中电动机通过主轴102运行刀具103，其中可变频驱动器118通过电动机114和主轴102控制刀具的旋转速度。所述软件可以包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制本文所描述的系统中的任何一个或多个部件，和/或用于实现本文所描述的方法步骤中的任何一个或多个方法步骤，和/或用于产生具有本文所描述的功能和/或特征的任何一个或多个产品。

图1B示出了特定系统组件的潜在移动和旋转，如主轴102、刀具103、工件105和支撑工件109的平台(基座)以及一个、两个或更多个辅助A轴118，所述组件分别提供了绕x轴、y轴和z轴进行的另外的移动a、b和c。固态增材制造系统能够执行本领域已知的跨立式磨机的典型CNC轴平移的各种固态增材制造工艺，仅作为实例但不限于x轴、y轴、z轴、u轴、v轴、a轴、b轴和c轴以及所述轴中的一些或全部轴的任何组合。更具体地说，工件105平台(基座109)能够在x方向、y方向和z方向上移动，而主轴102和刀具103能够在u-轴和v轴上独立地移动，所述轴可能与工件平台移动的轴相同或不同(例如参见图1B)。例如，在图1B中，u轴和v轴与从上方观察时主轴和/或刀具的移动相对应，而x轴、y轴和z轴与从上方观察时工件和/或工件平台移动的相对应。辅助A轴部件将另外的移动添加到工件，具体地说，分别绕x轴、y轴和z轴的a旋转、b旋转和c旋转。多个A轴部件118(例如A1、A2)可以提供工件的独立旋转(a1、a2、b1、b2、c1和c2)。

本发明的具体实施例包含用于连续的固体状(棒状)填充材料的进料单元(图2A)。图2A是用于连续固体(例如，棒状)填充材料的进料单元201、具有操作通道204的主轴202和刀具203以及工件205的横截面视图的示意图。还示出了其它系统组件，如电动机214、主轴的驱动滑轮218、棒填充材料219、浮动(非驱动)的次级主轴223、下部主轴224、刀具保持器225和压板226。

本发明的具体实施例包含用于非连续的固体状(棒状)填充材料的进料单元。图2B包含用于非连续的固体(例如，棒状)填充材料的具有操作通道204的主轴202和刀具203以及工件205的横截面视图。还示出了其它系统组件，如电动机214、主轴的驱动滑轮218、棒填充材料219、致动器向下力驱动器220、推杆221、实心进料推杆和带轴承的致动器支架222、浮动(非驱动)的次级主轴223、下部主轴224、刀具保持器225和压板226。

本发明的具体实施例包含用于粉末型或球粒型填充材料的进料单元(图2C)。图2C包含用于粉末状或球粒状填充材料的进料单元201、具有操作通道204的主轴202和刀具203以及工件205的横截面视图。还示出了其它系统组件，如电动机214、主轴的驱动滑轮218、浮动(非驱动)的次级主轴223、下部主轴224、刀具保持器225和压板226、横向输送系统227、混合下管228、螺旋推运器驱动机制229、螺旋推运器组合件230和用于液体增材(例如，润滑剂、催化剂等)的任选的注入端口231。

进料单元包含致动器220、推杆221、两个导杆和横梁，其中致动器产生向下的力，以通过推杆将原料推到衬底上，其中导杆和横梁用于稳定推杆。此外，实施例包含用于固体(棒)填充材料的主轴壳体(图2A和2B)以及用于粉末状或球粒状填充材料的主轴壳体(图2C)，所述主轴壳体包括：轴承、加油器系统主轴和中心的孔；其中轴承使主轴202旋转，其中主轴202驱动刀具203旋转穿过刀具保持器225，其中中心的孔允许原料穿过主轴。

又在另一个实施例中，注入端口231安装在进料单元周围(例如，图2C中的漏斗周围)，以将增材(润滑剂、稳定剂、催化剂、引发剂等)添加到填充材料中。

在另一个实施例中，进料系统能够接收某些工业或应用中忽略的废料片，这些废料片的大小和形状不同。

具体实施例包含具有喉道的刀具保持器225。刀具保持器能够容纳和旋转刀具，并且喉道允许原料穿过。

另一个实施例包含刀具更换器(未示出)，所述刀具更换器使得能够更换一个或多个刀具；某些实例包含为了置换相同类型的磨损刀具而用相同的刀具进行更换，或者另一个实例是为了在沉积工艺期间在沉积层中赋予不同的功能而更换为不同的刀具。在实施例中，刀具更换器是任选的，并且例如可以类似于显微镜的扭转头来配置，在显微镜的扭转头中，可以选择具有不同放大倍率的透镜并将其移动或旋转到工作位置，例如，刀具更换器可以包括设置在休眠位置中(例如，等待使用)的各种刀具，并且可以包括用于将所选择的刀具自动或手动地定位到活动位置(例如，可以主动使用所述刀具的位置)的机制。其它实例包含更换将在沉积工艺期间实施的具有各种刀具几何构型和刀具喉道设计的刀具，从而影响轨道的厚度和宽度、沉积材料的组成和结构等。

具体实施例还包含刀具203，所述刀具包括：具有主体和喉咙的非消耗性元件；其中喉道被塑造成在设置于所述喉道中的消耗性涂层材料上施加摩擦力和其它力，以便在以足以使涂层材料对衬底产生摩擦生热的速度旋转时，从主体向涂层材料赋予旋转；其中所述主体与用于将沉积材料从喉道分配并压缩加载到衬底上的构件以及用于使主体相对于衬底旋转和平移的构件可操作地连接；其中所述主体包括表面，所述表面用于在主体与衬底之间的体积中捕获加载在衬底上的沉积材料并用于在衬底上形成和剪切沉积物的表面。

在一些实施例中，主轴302包含主轴通道304A，并且刀具303包含彼此可操作地连通的刀具通道304B(图3A)。填充材料319通过主轴通道304A进料。在其它实施例中，安装一个或多个注入端口(未示出)以将增材(润滑剂、稳定剂、催化剂、引发剂等)添加到主轴302的主通道304A中的填充材料中。

根据一些实施例，刀具材料可以是以下(但不限于)刀具钢、W基材料、WC基材料、WRe-HfC材料、W-La材料和PCBN材料。

又在另一个实施例中，非旋转刀具主体303包括具有内部通道的一个或多个注入端口331，所述内部通道将一个或多个端口与刀具的主喉道304B连接，以便向主填充材料提供增材，如润滑剂、交联剂、引发剂、催化剂、稳定剂等(图3B)。

在一些实施例中，刀具303配备有某些附件，如刀具切割器332，所述刀具切割器定位在刀具外围侧，并且被用于切割在沉积工艺期间飞边的“多余”材料(图3B)。

此外，在一些实施例中，具有喉道304C的销334从刀具台肩延伸，其中销喉道304C与刀具喉道304B可操作地连通(图3C)。在所有实施例中，销334是固态增材制造系统的任选的组件。销334使得能够更好地搅拌工件和填充材料的表面区域。在某些实施例中，空心销可以有助于更好地连接不同的材料或部件，其中从销喉道供应的填充材料用作密封剂。

在一些实施例中，面对工件的刀具台肩包括至少一个由与刀具材料相同或不同的材料制成的凸节333(图3C)。

在一些实施例中，刀具台肩上的几何结构可以是具有各种形状并且定位在刀具台肩的各个位置中的凸节，所述凸节用于增强沉积材料的机械搅拌。

在一些实施例中，刀具台肩可以延伸到销334中，其中通道304C与刀具通道304B可操作地连通(图3C)，这在需要剧烈搅拌和/或连接不同材料时特别有用。

在又其它实施例中，凸节333A是可置换的(图3D)。可置换的凸节将显著延长刀具的使用寿命，因为其允许在凸节受到一定磨损后仅置换凸节，而不是整个刀具。而且，凸节可能由比刀具材料更坚固且更昂贵的材料制成，例如，金刚石或蓝宝石或PCNB或W-Rh-Hf或Ti，并且因此提供了较便宜的刀具，但强度仍然足以承受极端磨损的搅拌条件。

在一些实施例中，刀具几何构型随着台肩具有平坦、凸起或凹入形状或任何其它形状而发生变化。给出了各种形状的刀具的横截面的一些实例，但不限于图3E-K中所示的那些。

在实施例中，刀具主体可以包括内部通道。通道可以具有各种横截面形状304B，如正方形、圆形、椭圆形、矩形、星形、六边形或任何其它横截面形状(图3L-3R)，如通过不同刀具台肩303A的仰视图所示。

此外，在某些实施例中，除了台肩的表面特征之外，具有各种形状和大小的凸节333在刀具台肩303A上的不同位置处移位(图3S-3V)。这些图还示出了具有各种通道横截面304B的刀具台肩303A。

在又其它实施例中(图3W-3Y)，刀具台肩303A可以具有某些通道横截面304B、任选的凸节333和不同的台肩特征303B。表面特征(螺旋形特征、螺旋桨型特征等)能够提高材料置换及其下方搅拌的效率。

在另一个实施例中，如果使用销，则刀具包括锥形台肩和/或锥形空心销。图3Z-AB是具有锥形刀具台肩几何构型303C的刀具303的横截面的示意图。图3AC-AD是具有任选的带有锥形表面334C的空心销的刀具303的横截面的示意图。锥形台肩和/或销(如果使用的话)使得能够在工件的表面区域中更好地搅拌填充材料。台肩和销(如果使用的话)上的锥形区域可以填充有形状和大小相同或不同的特征。

在实施例中，与刀具通道连通的主轴的通道可以随着其从进料部分穿过主轴和刀具前进而改变其横截面形状和大小。图3AE-AF是刀具303的横截面的示意图，其中刀具通道304B改变了横截面的形状和/或大小。主轴或刀具的内部通道可以发散或会聚，所述通道可以在相同方向或相反方向上发散或会聚。

在一些实施例中，主轴和/或刀具可以具有用于供应填充材料的多个通道。图3AG是刀具303的横截面的示意图，其中刀具通道304B分成多个通道以在工件表面上输送粉末或球粒填充材料。

图3AH是具有销304的刀具303的横截面的示意图，其中销通道304C分成多个通道以在工件表面上输送粉末或球粒填充材料。

图3AI-AJ是具有多个通道304B的刀具303的横截面的示意图。

图3AK-AM是具有多个通道304B和任选的凸节333的刀具台肩303A的仰视图。

刀具可以包含在两个或更多个开口中朝着刀具通道的末端分支的通道，例如，用于使填充材料覆盖工件表面上的更大区域(图3AG-3AH)。

除了多个通道之外，刀具台肩还可以包含固定的或可置换的凸节。通道可以具有任何横截面形状，其中一些通道如图3L-3R中所示。在多个通道的情况下，图3AK-3AM所示的圆形横截面仅作为实例呈现。

在一些实施例中，环境“室或防护罩”112是系统的柔性部件。所述环境室或防护罩提供了围绕工件、刀具和主轴的空间外壳，当需要在受控氛围中进行沉积时，所述空间外壳是有用的。在具体实例中，封闭环境中的气体供应使得能够对待沉积的空气(氧气)材料敏感，从而避免了沉积期间材料的氧化。在其它实例中，封闭的空间提供了某些气体环境，所述气体环境与填充材料一起有助于沉积材料的最终组成和/或结构。以这种方式，可以在氮环境下从金属和金属合金中沉积金属氮化物，或者可以在填充材料的沉积期间通过吹入空气或气体来产生多孔结构(如铝泡沫和聚合物泡沫)。

填充材料

在某些实施例中，填充材料和衬底可以各自为金属材料、金属基复合材料(MMC)、聚合物、陶瓷、塑料组成，如聚烯烃、聚氨酯、聚四氟乙烯型聚合物、聚酯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚酰胺(尼龙)、苯乙烯、工程塑料(PSU、PEI、PEEK、PEAK)，或独立地选自钢、Al、Ni、Cr、Cu、Co、Au、Ag、Mg、Cd、Pb、Pt、Ti、Zn、Fe、Nb、Ta、Mo、W的金属或由这些金属中的一种或多种金属组成的合金。

在一些实施例中，填充材料119是棒材、粉末、球粒、粉末填充管、线材或废料片或其任何组合。

在实施例中，填充材料可以是呈微颗粒和纳米颗粒形式、纤维形式、多壁碳纳米管或单壁碳纳米管(MW-CNT和/或SW-CNT)形式的增强材料以及被添加到聚合物或金属中以增强基础材料特性的其它增强材料。

在又另一个实施例，填充材料是包括基础基体、金属或聚合物、金属合金、聚合物共混物或复合材料以及某些增材(如润滑剂、稳定剂、引发剂、催化剂、交联剂等)的组成。

在刀具主体旋转期间用于在喉道中的材料上产生各种力的构件可以是具有非圆形横截面形状的喉道。另外，任何填充材料都可以用作沉积材料，包含消耗性的固体型沉积材料、粉末型沉积材料、球粒型沉积材料或粉末填充管型沉积材料。在粉末型沉积材料的情况下，粉末被松散地或紧密地包装在刀具的内部喉道内，其中力被更有效地施加在紧密包装的粉末填充材料上。在沉积工艺之前或沉积工艺期间可以实现对粉末填充材料的包装。

在一些实施例中，刀具和沉积材料优选地相对于衬底旋转。可以将刀具附接到沉积材料，并且任选地以允许将刀具重新定位在沉积材料上的方式。此类实施例可以被配置成在使用期间沉积材料与刀具之间的旋转速度没有差异。可替代地，可以不附接沉积材料和刀具，以允许通过刀具的喉道连续或半连续地进料或沉积所述沉积材料。在此类设计中，在使用期间，在沉积期间沉积材料与刀具之间可能存在旋转速度差异。类似地，实施例提供了沉积材料独立于刀具旋转或依赖刀具旋转。

优选地，通过刀具的喉道并且任选地通过拉动或推动沉积材料穿过喉道来输送沉积材料。在实施例中，沉积材料具有外表面，并且刀具具有内表面，其中外表面和内表面是互补的，以允许键锁型配合。任选地，刀具的喉道和沉积材料能够纵向滑动接合。更进一步地，刀具的喉道可以具有内径，并且沉积材料可以是与所述内径同心的圆柱形棒材。此外，刀具可以具有带有内表面的喉道，并且沉积材料可以具有外表面，其中所述表面能够接合或互锁，以从所述刀具向涂层材料提供旋转速度。在优选实施例中，将沉积材料连续地或半连续地进料和/或输送到刀具的喉道中和/或穿过刀具的喉道。优选地，以将任何氧化物阻挡涂层分散在衬底上的方式来执行对任何沉积材料的剪切，从而形成衬底的新表面。

固态增材3D打印

在一些实施例中，所公开的固态增材制造系统能够构建(3D打印)3D部件。图4A是在工件405上沉积填充材料419从而产生沉积层435的工艺的示意图。使用固态增材制造系统可以进行如3D打印、涂覆、连接、修复和原位表面功能化等固态增材制造工艺。在工艺期间任选地使用一个或多个外部能源407，例如电场源、磁场源、振动源、热量源、UV光源等。

固态增材制造打印物体的若干个实例在图4B-4G中。

在实施例中，由具有3D沉积的固态增材制造系统形成的部件表现出各向异性机械特性，所述各向异性机械特性是通过沉积例如掺杂有具有高机械特性的各向异性颗粒的填充材料而获得的。通过优先沉积此类填充材料和/或施加外部能源407，掺杂剂颗粒的优先取向是可能的，从而产生具有各向异性机械特性的部件。

在实施例中，固态增材制造沉积工艺可以与其它制造工艺组合使用，作为最终步骤或起始步骤或作为中间步骤。例如，塑料部件是通过不同的工艺生产的，例如通过注射模塑，并且然后进行固态增材制造工艺，以便用例如导电涂层来涂覆部件，或仅引起塑料部件的表面改性。

在实施例中，固态增材制造系统适用于沉积多种材料的多种3D结构(部件)。在一些实施例中，此类部件可以由导电材料或绝缘材料制成。所使用的导电材料可以是本身导电的材料，或者可以是掺杂有导电颗粒的绝缘材料或半导体材料。在又其它实施例中，可以使导电部件表现出各向异性的导电性，即在某个方向上表现出增强的导电性，而在其它两个方向上的导电性则低得多。通过在绝缘的或半导电的填充材料中使用具有高纵横比的导电掺杂剂及其在沉积工艺期间的优先取向，这是可能的。

在其它实施例中，固态增材制造系统能够将定制特征添加到工件或将预制特征或增强结构或其它功能特征附接到工件上。具体实例包含将预形成的环附接到管状工件(如高压容器)或将法兰(flanges)添加到部件。

固态增材涂层和表面复合材料

在某些实施例中，固态增材制造系统用于表面功能化、表面保护、表面涂覆和/或熔覆。为了功能化或保护工件表面，使用一种或多种特定填充材料在工件上进行了固态增材制造沉积，并提供了与工件(衬底、部件)的良好化学(冶金)结合(图5A-E)。仅作为实例，在工件表面上沉积的涂层是抗微生物涂层、抗腐蚀涂层、抗划痕涂层、抗易燃涂层、耐用涂层、抗磨涂层、电绝缘涂层、导电涂层、磁性涂层、高防弹涂层、具有明显的抗碎裂性的涂层等等。

具体实例包含在铌(Nb)衬底和钽(Ta)衬底上涂覆铜(Cu)，如图5A-D所示。在对Cu材料进行固态增材制造沉积之后，经涂覆的衬底已向不同的方向弯曲，这表明Cu与Nb或Cu与Ta之间没有分层或弱结合的迹象。图5E是另一个实例，其中利用所公开的固态增材制造系统将Al沉积在铜(Cu)衬底上；在所有这些情况下，均未使用中间层、密封剂或粘合剂来结合所呈现的不同材料。

在一些实施例中，固态增材制造系统用于形成原位表面复合材料，并且然后仅在工件表面上沉积复合层，其中复合层与工件(部件、衬底)良好结合。在又另一个实施例中，通过固态增材制造系统形成的原位复合材料用于构建整个3D打印物体。图6A示意性地展示了通过利用固态增材制造系统在一个步骤中混合、固结和沉积基础填充剂材料619和增强体636(以及增材，如果需要的话)来原位复合和制造专有组成(如金属基复合材料(MMC)、聚合物复合材料、互穿网络(IPN)、增强材料等)的工艺。专有MMC、复合材料和增强材料在垫板上(此后可以移除垫板)或直接在工件表面上的沉积物635是可能的。

通过固态增材工艺制造的增强复合材料的实例在图6B–C中给出。具体地说，图6B是原位制造的Al-碳纤维复合材料的扫描电子显微镜图像。在固态增材制造系统的进料区中，将切碎的碳(C)纤维添加到铝(Al)中，从而生产出具有改善的机械特性的复合材料。图6C呈现了沉积的Al-Mo复合材料的扫描电子显微镜图像，所述图像示出增强的Mo颗粒在铝基体中的相对均匀的分布(约30％体积分数)，而插图是示出在基体与增强物之间形成缓冲层的透射电子显微镜图像。用钼(Mo)颗粒增强Al基础材料。在两种情况下都可以实现增强颗粒的均匀分布。

在一些实施例中，工件的表面上钻有孔，或含有填充有增强体的口袋或凹槽。通过用具有某些凸节几何构型的固态增材制造刀具传递填充材料，并在工件的表面上添加填充材料，可以在表面区域提供剧烈搅拌并制成表面复合材料。在具有各向异性增强颗粒(例如CNT)的情况下，可以通过施加外部电场或磁场和/或在优先方向上移动刀具来使所述颗粒优先取向。在其它实施例中，将各向异性增强颗粒与填充材料一起通过刀具的喉道添加到工件表面上。

图6D示意性地展示了通过经由刀具通道604B添加基础填充材料619同时将增强体(和增材)636放置在工件表面上的口袋、孔或凹槽中来原位制造表面复合物材料635A(如金属基复合材料(MMC)、聚合物复合材料、增强材料等)的工艺。

图6E示意性地展示了通过经由刀具通道604B添加基础填充材料619同时将各向异性增强体636放置在工件表面上的口袋、孔或凹槽中来原位制造具有各向异性形状的增强体(例如，针状、纤维状、棒状增强体)的表面复合材料635A的工艺。通过施加外部能源607(例如沿优选方向的电场或磁场)，将表面复合材料635A中的各向异性增强颗粒(例如碳纳米管、短切碳纤维、金属纤维等)优先取向(图6F)。

图6G示意性地展示了沉积的表面复合材料635的原位制造工艺，其中通过通道604添加基础材料619和增强体(以及增材，如果需要的话)两者。在各向异性增强颗粒(例如碳纳米管、短切碳纤维、金属纤维等)的情况下，通过施加外部能源607(例如沿优选方向的电场或磁场)，表面复合材料635将由优先取向的增强颗粒构成(图6H)。

在一些实施例中，通过仅在表面区域添加增强体即可实现工件表面的增强。

在又其它实施例中，整个物体由增强的填充材料打印，并且因此，与仅由填充材料构建的物体相比，所述整个物体具有改善的特性(例如机械特性)。

在其它实施例中，固态增材制造系统能够制造异位复合材料。仅作为实例，难以混合和结合的材料在固态增材制造系统内被充分搅拌，并且沉积在工件上。随后，如果需要，可以将复合材料与工件分离，并将其进一步用作其它制造工艺中的定制材料。

在另一个实施例中，使金属材料与预聚物或单体材料接触，并与所述预聚物或单体材料一起搅拌。在沉积和随后的摩擦搅拌期间，由于摩擦和加热两者，预聚物或单体在受影响的区域中聚合并形成3D网络(交联)，从而与金属结合。

在又另一个实施例中，使预聚物或单体材料经受另外的场，例如电场或UV光照射，并且因此在沉积层中发生交联(或聚合)，从而产生化学结合的组成。

受控微结构和纳米结构的固态增材制造

在某些实施例中，固态增材制造系统用于通过强烈搅拌表面层来进行材料致密化和/或材料晶粒细化。此类致密层表现出改善的强度、显微硬度和更好的耐磨特性。

在又另一个实施例中，配备有惰性气体供应和受控气体室的固态增材制造系统被用于产生表面沉积层，其中层组成(即最终沉积材料的化学计量)受吹入气体的影响。图7A示意性地展示了通过气体供应源706借助于吹入气体(空气、惰性气体)进行材料沉积的工艺。吹入气体有助于最终的组成，即沉积材料层735的化学计量。

仅举例来说，使用Ti或Ti合金作为填充材料，将所述填充材料通过刀具的喉道在氮环境中添加到衬底，从而产生以硬度和抗菌功能而闻名的TiN表面层组成。

又在另一个实施例中，将气体吹到工件和沉积材料的表面之上，其中所述气体提供“屏蔽作用”并在沉积工艺期间保护材料免受例如降解或氧化。

在另一个实施例中，固态增材制造系统使用气体(空气、O2、N2、Ar)来生成某些材料结构，如多孔材料和泡沫，这些材料结构是在固态增材制造工艺期间借助吹入的气体而产生的。开孔和闭孔是可能的，并且所述开孔和闭孔受固态增材制造工艺参数控制。

在另一个实施例中，密度降低的表面材料层是可能的。通过在填充材料在衬底上的沉积期间吹入气体，可以针对仍需要基础材料的一定机械强度但最终重量轻的部件的应用实现多孔结构。图7B展示了借助于吹入气体进行材料沉积的工艺，其中所述气体在沉积材料层735中产生孔。

仅举例来说，可以通过在PVC或Al的摩擦搅拌期间分别吹入气体来形成PVC泡沫或Al泡沫。

在一个实施例中，沿固态增材制造系统的移动刀具的横向方向出现了梯度材料组成。通过改变填充材料的含量(例如改变填充物中增强颗粒的浓度)，具有沿横向方向的相同或不同水平的增强颗粒的表面复合材料是可能的。在另一个实施例中，沿沉积层的深度的梯度材料组成是可能的。固态增材制造系统进行逐层沉积的能力，加上进料系统含有若干个使填充材料、增强颗粒和增材进入的端口的事实，使得所述沉积层中的每个沉积层的组成都可以变化。

在又另一个实施例中，沿固态增材制造系统的移动刀具的横向方向出现了梯度微结构/纳米结构。通过在沉积期间改变工艺参数，当刀具在横向方向上移动时，沉积层的结构可能改变。

在一些实施例中，沿沉积层的深度出现了梯度微结构/纳米结构。固态增材制造系统进行逐层沉积的能力，加上在所述层中的每一层的沉积期间工艺参数可以变化的事实，具有相同或不同的和/或梯度微结构的层是可能的。

在又另一个实施例中，使用配备有气体吹入单元的固态增材制造系统可以实现梯度多孔结构。通过在每一层的沉积期间改变气体吹入速率和其它工艺参数，梯度多孔结构沿沉积层的堆叠是可能的。

在又另一个实施例中，通过沉积梯度材料组成和/或梯度结构，可以沿沉积材料实现梯度功能。

图8A-B示意性地展示了在沉积层835中产生梯度材料组成和/或梯度材料结构的工艺。在沉积层的横向x方向(图8A)或z方向(即深度)(图8B)上可以产生梯度组和/或结构。

作为实例，示出了通过所公开的固态增材制造系统沉积在Al衬底上的梯度铝(Al)/铁(Fe)材料组成。图8C呈现了通过在原料在铝衬底(工件)上沉积期间改变原料中的铝(Al)/铁(Fe)的比率而制造的包括铝和铁的梯度材料组成的试样。

在一些实施例中，固态增材制造工艺之后的材料微结构(例如材料晶粒)不具有优先取向，并且材料表现出各向同性特性。根据所使用的进料，与进料中的晶粒相比，金属、金属合金或金属基复合材料(MMC)中的晶粒被细化，从而在沉积层或部件中产生更好的机械特性。在一些实施例中，固态增材制造工艺期间和固态增材制造工艺之后会发生重结晶。在其它实施例中，根据固态增材制造工艺条件，会发生晶粒生长。

在某些实施例中，使用单个固态增材制造工艺参数来影响所制造的材料中的最终微结构。在其它实施例中，使用一组固态增材制造工艺参数来影响一个或多个最终微结构。

根据观察的规模，在一些实施例中，在特定的固态增材制造工艺期间，微结构的变化以介观尺度或微观尺度发生，而不以宏观尺度发生。在其它实施例中，材料微结构的变化发生在所有三个尺度上(宏观、介观和微观尺度)。

在一些实施例中，使用热量来控制微结构。提供给固态增材制造工艺或在固态增材制造工艺期间产生的更多热量导致所制造材料的温度更高且晶粒更大。所制造的材料仍处于低于其熔点(Tm)的范围内，即处于所谓的可延展状态，并且通常此范围为0.4Tm–0.8Tm。通过在固态增材制造工艺期间严格控制材料温度，可以定制最终制造的部件中的晶粒大小和形状。因此，部件的机械特性是可预测的。

众所周知，随着温度下降，根据材料类型以及其结晶倾向，原子将围绕核或“杂质”组织，并且晶体开始形成。晶体(或被称为晶粒)将继续生长，直到所有材料都达到环境温度为止。在晶体生长期间，所述晶体将开始相互碰撞，从而在晶体之间形成原子不规则排列的边界。这些边界(也被称为晶界)有时被视为材料的晶体结构中的缺陷。晶粒形成的工艺在图9A中示意性地示出。金属中通常需要细化的晶粒大小(但并非总是如此)，因为细化的晶粒大小会引起屈服应力，并且与原始填充材料相比，还会改善许多其它机械特性。促进晶粒大小更细化的一种方式是快速凝固(淬火)，下面将对此进行讨论。同样，许多成核位点的存在将产生细化的晶粒大小。

图9B-E是根据材料、加热和冷却条件以及在材料加工期间施加的应变的大小和方向可能形成的潜在晶粒的示意图。

在一些实施例中，固态增材制造工艺正在由具有较大晶粒(例如，图9B中所示的等轴晶粒，或非等轴晶粒)的初始材料产生等轴细化晶粒(图9C)。在其它实施例中，根据材料，并且最常见的是在允许足够的冷却时间来冷却材料的情况下，观察到径向晶粒(图9D)。在又另一个实施例中，当在材料的加工和/或冷却步骤期间施加定向应变/应力时，拉长并取向的晶粒是可能的(图9E)。

在一些实施例中，在固态增材工艺期间避免了晶粒。对于一些聚合物(其中非晶相比聚合物的结晶相更合乎需要)而言，这尤其重要。实例是在固态增材沉积步骤之后将聚合物材料快速冷却或淬火时。

在一个实施例中，通过主轴和刀具的角速度控制温度。角速度越高，产生的热量就越多，并且材料的温度越高，因此，在最终生产的部件中发现的晶粒更大。

在一些实施例中，使用层(轨道)的厚度来控制晶粒大小。在固态增材制造刀具的一次穿过期间沉积在衬底表面上方的较厚层通常会产生较大的晶粒大小。

在另一个实施例中，使用下压(推)力来控制所得部件的微结构。下压力越高，沉积层中的晶粒大小越小。

在其它实施例中，使用刀具在衬底表面上方的横向速度来控制晶粒大小。通过增加的刀具横向速度在沉积层中产生较小的晶粒大小。

在另一个实施例中，并且与下压力紧密相关的主轴角速度和刀具横向速度是所添加的材料(填充物)与衬底之间产生的摩擦。填充物与衬底之间的摩擦力越高，所得部件中发现的晶粒大小越小。

在其它实施例中，由于产生的摩擦，在固态增材制造工艺期间产生了用于控制材料温度的热量。在其它实施例中，通过辅助手段(即通过外部加热源)在工艺中引入热量。

在一些实施例中，使用材料的加热速率和所得部件的冷却速率来控制晶粒大小。仅作为实例，材料的加热速率越高，产生的晶粒大小越大。在另一个实例中，所得部件的冷却速率越高，产生的晶粒大小越小。在又另一个实例中，所得部件的淬火产生最小的晶粒大小。

在某些实施例中，通过添加润滑剂和/或其它类型的增材来控制晶粒大小。根据填充材料和增材的类型，加上固态增材制造工艺参数，各种定制的晶粒都是可能的。

在一些实施例中，与没有增强体的组成相比，引入小百分比的增强材料(例如碳纤维(连续或短切纤维)、碳纳米管(CNT)、氮化硼(BN)等)会改变晶粒的形状和大小。除了改变的微结构外，在大多数情况下，最终材料还表现出显著改善的机械特性，并且在一些情况下还表现出改变的电特、磁特性和其它特性。

在某些实施例中，添加的填充物或增材或增强体充当引发点(杂质/核)以引起材料中的结晶。在另一个实施例中，增材或增强体用于抑制材料的结晶工艺，例如在在一些聚合物中，并且最终材料是具有低结晶度百分比的非晶或半结晶。

在一些实施例中，固态增材制造工艺产生具有等轴晶粒以及各向同性机械特性和沉积材料的其它特性的材料。在其它实施例中，固态增材制造工艺产生定向晶粒，并且因此产生具有各向异性机械特性和其它特性的材料。一个实例是当所得晶粒是单向的时。

在一些实施例中，固态增材制造工艺产生具有均匀的微结构的材料。一个实例是当沉积材料主要由窄范围内(例如，在介于1μm与10μm之间的范围内，并且更优选地在1μm到5μm的范围内)的大小的晶粒组成时。另一个实例是当固态增材制造工艺产生具有特定形状的晶粒的材料时。

在另一个实施例中，固态增材制造工艺产生具有非均匀的微结构的材料。通过控制某些固态增材制造工艺参数可以实现一定范围的晶粒形状和/或宽范围的晶粒大小。

在某些实施例中，固态增材制造工艺能够在材料中引起相变，并且可以定制所得的微结构和机械特性。

在一些实施例中，通过特定的固态增材制造参数来控制结晶度百分比，即结晶相/非晶相的比率。在其它实施例中，通过一组固态增材制造参数定制结晶度百分比。

在某些实施例中，固态增材制造工艺控制材料的结晶结构(晶格)。在另一个实施例中，在材料的固态增材沉积之后改变晶格取向。在又另一个实施例中，通过固态增材工艺实现材料中的等轴晶格取向。

在一些实施例中，通过特定的固态增材制造工艺参数或固态增材制造工艺参数的组合来控制材料的质地。

在某些实施例中，调整固态增材制造工艺参数，以使得产生给定材料类型的特定微结构类型。例如，一组参数可以在某些金属材料中产生晶粒或球晶。其它组的工艺参数可以产生原始微晶的重结晶，并且又另一组的工艺条件可以导致晶格类型的改变和/或晶格取向的改变。

在某些实施例中，通过固态增材制造工艺参数控制同一材料内的两个或更多个相的共存。一个实例是当最终的固态增材制造沉积材料含有连续相时，其中另外一个相(或多个相)分布在所述连续相内。另一个实例是当在材料的固态添加制造沉积之后产生两个或更多个共存的连续相时。最终相之一可能与初始材料的相相同，或者所得相可能与原始材料的一个或多个相相差很大。

在某些实施例中，通过自然手段(即通过在周围环境中的对流)来冷却衬底上的制造部件或沉积层(涂层)。在另一个实施例中，在所制造的部件(或所涂覆的衬底)下方引入冷却流体，然后借助热量交换器进行冷却。在又另一个实施例中，通过外部冷却源进行冷却，从而使加热部件冷却甚至淬火。

在下面的表1中，总结了固态增材工艺参数中的一些参数对沉积材料晶粒大小的影响。

表1随固态增材工艺参数中的一些参数的变化(具体地说，随着增大)的微结构(晶粒)大小趋势

在一些实施例中，晶粒的形状和组成由发生沉积的环境氛围调节。在一个实例中，在沉积区域中清除周围环境中的氧气(O₂)和惰性气体(如氩气(Ar)或氮气(N₂))的受控组成。根据气体组成，如果气体环境(沉积期间所谓的屏蔽气体)为100％惰性气体(例如Ar)，则晶粒可以是纯金属或MMC或合金。在另一个实例中，如果周围的(屏蔽)气体含有更高百分比的氧气，则晶粒可能由所涉及的金属的氧化物构成。在此类情况下，所述晶粒比仅由金属构成的晶粒坚硬。通过控制屏蔽气体中的O₂/惰性气体比率，可以控制最终的沉积材料中的晶粒形状及其硬度。

在又另一个实施例中，晶粒大小受原料类型(如但不限于大小分布不同的粉末、实心条、珠、颗粒、废料片和金属屑等)操控。粉末原料对于一些材料产生较小的晶粒大小，而对于其它材料则可能对最终的微结构没有任何影响，这很大程度上取决于材料类型。

在一个实施例中，使用若干个参数的组合来影响所制造的部件中的晶粒形状和大小。例如，由于高主轴角速度加上低横越速度而产生的高热量输入将产生大晶粒。此类大晶粒具有较低的强度，但展现出较高的延展性。

在另一个实施例中，通过低主轴角速度加上高横越速度实现的低热量输入将导致小晶粒，所述小晶粒具有较高的强度，但延展性较低。

在一些实施例中，通过在层的沉积期间改变固态增材制造工艺参数可以获得梯度微结构。仅作为实例，横向速度在单个层沉积期间改变。沉积以较高的速度开始，并且连续地变为较低的速度。在此沉积期间，层中的晶粒大小在同一层内从较大的晶粒变为较小的晶粒。因此，沿沉积层实现了微结构(晶粒)大小的梯度。在另一个实例中，以恒定的较高横向速度沉积一个层。以略低的速度沉积下一个层，并且工艺以这种方式继续进行，使得每个后续的层以比前一层更低的速度沉积。以这种方式，制造了具有微结构/晶粒大小的梯度的部件。沿部件厚度出现了梯度。在又另一个实例中，由于主轴角速度的变化而出现晶粒大小的梯度。例如，沉积以300rpm开始，持续一定的时间，然后增加到500rpm，持续给定的时间段，依此类推，直到最后一步增加到1500rpm。在固态增材制造工艺开始时，沉积层中的微结构的大小较小，并且随着主轴角速度的增加而随时间增加。

在其它实施例中，晶粒形状在固态增材制造工艺期间发生变化。例如，通过增加主轴角速度，除了晶粒大小改变之外，晶粒的形状也会发生变化，例如从细长的(椭圆形)形状变成更加球形的形状。

以下给出了特定实例，其中包含有关已经受固态增材制造沉积的不同材料的晶粒形状和大小的信息。

实例1.Inconel 625超级合金

对于许多工业应用(如航空航天、航空、海事等)，需要高温机械稳定性，包含强度和延展性。此类特性是由超级合金提供的，并且在众多超级合金中，Inconel 625、镍基超级合金在工业上得到了广泛的应用。已经发现此合金在超过1000℃的温度下提供高强度、良好的延展性和耐腐蚀性，并且在侵蚀性环境中还提供额外的益处-抗氧化性。

以下将广泛地公开用固态增材工艺制造的部件的不同区域中的Inconel 625超级合金材料中形成的微结构。

图10A和10B示出了Inconel 625材料在固态增材制造工艺之前和固态增材制造工艺之后的微结构。在固态增材制造之前，平均晶粒大小为12μm(图10A)，而在固态增材制造之后，平均晶粒大小为5μm(图10B)，并且正是由于这些细化的微结构，沉积的Inconel 625层显示出比原始的Inconel 625材料更好的机械特性。与用于沉积Inconel 625的其它技术相比，固态增材制造产生的细化微结构优于例如通过脉冲等离子体电弧沉积产生的微结构(图10C)。

金属晶粒通常具有取向。根据单独的晶粒彼此如何取向，整个部件可以在一个方向或另一个方向上更坚固，即，可以具有各向异性机械特性。有时可能期望这种不同的强度来承受给定方向上的应力，但是大多数情况下，当部件在所有方向上的强度相同时，即具有各向同性特性时，部件的工作效果最佳。固态增材工艺产生等轴晶粒结构，这意味着晶粒在所有轴上以类似的方式彼此取向，这意味着所制造的部件在所有方向上的强度均类似。

实例2.Ti-6Al-4V材料

另一个实例是Ti-6Al-4V材料，其在通过固态增材制造系统进行沉积时具有完全致密的组成，与母体材料相比，所述完全致密的组成表现出显著的晶粒细化和改善的机械特性，如图11A-C所示。所述材料具有大小约为60-70μm的晶粒，在固态增材制造工艺之后，所述晶粒缩小到5-6μm(比较图11A和11B)。固态增材制造沉积的Ti-6Al-4V材料显示出的极限拉伸强度和屈服强度两者均显著增加，分别增加23％和24％，如图11C所显示。

实例3.不锈钢

固态增材制造工艺之前和固态增材制造工艺之后的不锈钢316L微结构分别在图12A和12B中给出。固态增材工艺之后，大小为50-70μm的晶粒缩小到5-10μm。

实例4.铝合金Al2139

另一个实例是铝合金Al2139；图13A和13B分别提供了固态增材制造之前大小约为400μm的铝合金晶粒和固态增材制造之后的大小为5μm的晶粒。

实例5.铝-钼复合材料

另一个实例是不同粉末的原位复合，将所述粉末固结为金属基复合材料(MMC)或其它专有组成，并且然后将所述粉末用作可以因此沉积的进料；使用固态增材制造系统快速执行所有步骤。已经成功地证明了MMC材料(如Al-Mo、Al-W和Al-SiC)的增强分数按体积计高达30％。特定实例是具有在Al基体中相对均匀分布的Mo颗粒的Al-Mo复合材料，如图6C所示。由于剧烈的摩擦力和其它力、升高的温度以及不同材料之间的紧密接触而导致的严重塑性成形，在通常不混溶的材料中发生了机械诱导的混合。例如，在Al-Mo系统中，在基体-增强物界面处形成Al-Mo金属间相层，这有望增强粘合性并防止界面孔隙。微型X射线计算机断层扫描证实，复合材料完全致密，没有观察到的空隙，同时机械特性有望得到显著改善。

固态增材连接

在某些实施例中，固态增材制造系统用于连接不同的材料，这些材料难以通过本领域已知的其它方法(如摩擦搅拌焊接)进行连接。将填充材料添加到由不同材料制成的两个部件之间的接缝中，并充当密封剂。垫板使用是任选的。

在其它实施例中，由两种不同材料制成的部件之间的接缝部分填充有增强颗粒，并且通过所述接缝的固态增材制造系统的刀具搅拌所有现有的材料(包含增强体)，并在两个部件之间提供良好的结合。垫板使用是任选的。

在一些实施例中，接缝(即两个待连接或待焊接的结构之间的空间)填充有增强材料，其中增强体是增强纤维或颗粒、CNT等，所述增强体进一步增强了结构之间的结合。

在又另一个实施例中，固态增材制造系统用于通过在接缝中添加增强纤维(例如，仅作为实例，所述纤维是碳纤维或CNT)来连接不同材料的部件，从而增强接缝强度。垫板是任选的。

图14A-B是由相同、类似或不同材料制成的两个工件1405的连接工艺的示意图。两个结构之间的接缝处填充有充当密封剂的填充材料1419。另外，两个工件1405之间的接缝处可以填充有增强颗粒1436，以用于进一步增强在所述工件之间产生的结合(图14B)。图14C是连接到铝(Al)衬底的铝(Al)泡沫材料的照片。

固态增材修复

在一些实施例中，固态增材制造系统能够修复任何形状和大小的平面或曲面、管状物及其它工件上的缺陷和损坏。固态增材制造系统能够通过使用填充材料来填充工件中的孔或缺陷裂纹，并且能够在使用或不使用垫板的情况下将填充材料沉积在所述孔/裂纹中。仅作为实例，固态增材制造系统使用与工件的基础材料相同的材料来修复工件的缺陷点。在其它实例中，固态增材制造系统使用不同的材料或增强材料来修复工件，并在修复点中提供增强的强度。

在特定实施例中，固态增材制造系统用于修复无法通过其它手段修复的形状复杂的工件中的缺陷或裂纹，例如轨道。在另一个实施例中，固态增材制造系统用于修复工件上难以到达的位置。在又另一个实施例中，固态增材制造系统用于修复具有表面裂纹的管道，可以通过插入垫板对其进行局部修复。图15A是使用垫板1508修复有缺陷的管状结构(工件)1505的工艺的示意图。此外，可以对管道进行外涂覆，以进一步加强或保护其免受例如磨损或腐蚀。

具体实例包含直升机传动齿轮箱的修复(图15B)。由于制成齿轮箱的材料(MgAz91材料)具有不可熔焊特性，因此断裂肋被视为是无法修复的。固态增材制造系统使用与齿轮箱相同的基础材料，并在修复位置中提供了甚至更高的强度，从而修复了齿轮箱的损坏。

另一个实例是轨道发射器系统的固态增材制造修复，所述轨道发射器系统由于损坏的位置和基础材料(Al7075)而被视为是无法修复的。使用相同的材料修复所述轨道发射器的缺陷点(图15C)。

在又另一个实例中，通过固态增材制造系统修复了军舰用螺旋桨的严重凹陷和腐蚀的表面(图15D)。固态增材制造系统使用原始的本机材料(镍铝青铜，NAB)。沉积的全致密NAB层消除了孔隙和空隙，从而进一步防止了腐蚀返回表面。

已经参考具有各种特征的特定实施例描述了本发明。鉴于以上提供的本公开，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明的实践中进行各种修改和变化。本领域技术人员将认识到，基于给定应用或设计的要求和规格，所公开的特征可以单独使用，以任何组合形式使用或省略。当一个实施例是指“包括”某些特征时，应当理解，所述实施例可以可替代地“由所述特征中的任何一个或多个特征组成”或“基本上由所述特征中的任何一个或多个特征组成”。通过考虑到本发明的说明书和实践，本发明的其它实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

特别要注意的是，在本说明书中提供数值范围的情况下，还具体公开了所述范围的上限与下限之间的每个值。这些较小范围的上限和下限也可以独立地包含或排除在所述范围内。除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式“一个/一种(a/an)”和“所述(the)”包含复数指示物。意图是，说明书和实例本质上被认为是示例性的，并且不背离本发明的实质的变化落入本发明的范围内。此外，在本公开中引用的所有参考文献均各自单独地通过引用整体并入本文，并且因此意在提供一种补充本发明的公开内容的有效方式，以及提供详细说明本领域普通技术水平的背景。

Claims (40)

1.一种固态增材制造系统，其包括：

进料单元、主轴、刀具、电动机、驱动单元、控制单元、监测单元、接触式或非接触式传感器，电源和过程控制软件；

其中所述主轴和所述刀具各自具有内部通道，所述内部通道彼此间接或直接可操作地连通，以使填充材料从所述进料单元穿过所述主轴和刀具的所述内部通道到达工件，以及其中所述刀具和/或所述主轴的内部通道具有内表面，所述内表面能够与所述填充材料的外表面接合或者互锁以从所述主轴和/或刀具向所述填充材料提供旋转速度；

其中所述驱动单元、控制单元和/或监测单元中的一个或多个在使用期间能够提供所述主轴、所述刀具、所述工件和/或工件平台的协调移动；

其中，所述驱动单元、控制单元和/或监测单元能够将所述填充材料分配在所述工件上、垫板上、所述工件的腔中和/或两个或更多个工件之间的间隙中；

其中，由于所述刀具的旋转和/或平移移动，所述驱动单元、控制单元和/或监测单元能够引起摩擦、摩擦生热、待施加到所述填充材料上的一个或多个力和/或机械搅拌；以及

其中，所述驱动单元、控制单元和/或监测单元一同或者单独能够：

(i)控制所述工件平台在x轴、y轴、以及z轴的移动，

(ii)控制所述主轴和所述刀具在u轴和v轴的移动，u轴和v轴能够与x轴、y轴、或z轴相同或者不同，以及

(iii)控制工件围绕x轴、y轴、和z轴旋转；以及

其中通过调节一个或者多个处理参数，所述控制单元、所述监测单元和多个所述传感器一起能够提供具有期望的微结构的最终材料，所述处理参数包括温度，且所述处理参数还包括以下一个或者多个：

填充材料荷载率、进料速率、或者流速；荷载、压力、或者推力；所述主轴或者刀具的扭矩；所述主轴、刀具或者工件的旋转或者速度；或者所述刀具或者工件的横向运动或速度；

使得期望的微结构包括具有与所述填充材料和/或所述工件的微结构内的晶粒相比较，细化了至少5倍大小的晶粒。

2.根据权利要求1所述的系统，其中刀具保持器将驱动力赋予所述刀具，并且包括使所述填充材料能够从中穿过的通道。

3.根据权利要求1所述的系统，包括刀具更换器，所述刀具更换器包括具有1个、2个、3个或更多个刀具保持器的齿轮，以便不同的刀具互换。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述驱动单元能够控制所述主轴、所述刀具、销和/或所述工件平台在多个方向中的一个或者多个上移动。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述驱动单元能够提供围绕多个轴的一个或者多个旋转。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述主轴和所述刀具能够独立于所述工件在u方向和v方向上旋转和/或移动。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述刀具包括平坦台肩或特色台肩。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述特色台肩是锥形台肩。

9.根据权利要求7所述的系统，其中所述刀具包括具有表面特征的非消耗性台肩，所述表面特征提供对沉积的填充材料和/或工件表面的搅拌。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述刀具包括一个或多个侧刀具切割器。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述刀具包括一个或多个侧注入端口，以在所述填充材料沉积在所述工件上之前供应增材。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述刀具包括具有一个或多个凸节的台肩，其中所述凸节中的一个或多个凸节具有选自立方体、长方体、半球体、锥体、椭圆体、圆柱体、四面体和/或泪滴-叶轮形状的一个或多个几何结构。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述锥体为部分锥体。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述部分锥体为部分正方锥体。

15.根据权利要求12所述的系统，其中所述刀具包括具有至少一个凸节的台肩，所述至少一个凸节具有与另一个凸节相同或不同的高度，并且所述凸节定位在所述刀具的台肩上的各个位置中。

16.根据权利要求12或15所述的系统，其中所述刀具包括具有至少一个可置换的凸节的台肩。

17.根据权利要求1所述的系统，其包括垫板，并且其中所述工件平台包括具有在沿着彼此垂直的x轴、y轴和/或z轴的x方向、y方向和/或z方向上移动的能力的基座。

18.根据权利要求17所述的系统，其中除了z方向的移动之外，所述基座还具有围绕x轴、y轴和/或z轴的一个或者多个旋转的能力。

19.根据权利要求1所述的系统，其中所述工件平台被配置成在所述工件i)连接在一起、ii)修复、iii)涂覆或表面改性和/或iv)添加定制特征期间支撑一个或多个所述工件。

20.根据权利要求1所述的系统，其包括一个或多个加热和/或冷却系统，以提供对所述填充材料、沉积材料、所述工件、所述主轴、所述刀具、销、所述工件平台和/或所述垫板的温度控制。

21.根据权利要求1所述的系统，其中所述进料单元向所述主轴连续或非连续地供应一种或多种填充材料，所述一种或多种填充材料呈一种或多种材料形式。

22.根据权利要求21所述的系统，其中所述一种或多种填充材料包括棒材、线材、粉末填充管、块、片材、颗粒或其组合。

23.根据权利要求21所述的系统，其中所述进料单元包括一个、两个或更多个入口，所述入口用于添加各种材料、增材和/或增强掺杂剂以控制沉积材料的组成。

24.根据权利要求21所述的系统，其中所述进料单元包括一个或若干个注入端口，以将如催化剂、润滑剂和/或引发剂等液体增材供应到所述填充材料中。

25.根据权利要求21所述的系统，其中所述进料单元包括用于连续或非连续地供应棒型填充材料的内部通道。

26.根据权利要求22所述的系统，其中所述进料单元包括内部通道和压力驱动单元或致动器-向下力驱动器，以将所述棒材形式的所述填充材料推入到所述进料单元的所述内部通道中。

27.根据权利要求1所述的系统，其中所述进料单元配置为接受任何形状和大小的材料，并将所述材料沉积为连续层。

28.根据权利要求1所述的系统，其包括一个或多个气体供应单元，所述一个或多个气体供应单元任选地内置于所述系统中，以提供气体或气体混合物，以便在沉积工艺期间进行屏蔽和/或影响沉积的填充材料层的最终组成和/或结构。

29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述气体为N2或者Ar。

30.根据权利要求1所述的系统，其中受控的环境隔室在所述主轴、刀具、工件和/或平台周围提供有盖空间，从而在工作区域中实现受控的气体环境。

31.根据权利要求1所述的系统，其包括一个或多个外部能源，所述一个或多个外部能源能够供应电场、磁场、超声、振动、UV光、可见光或IR光波长。

32.根据权利要求1所述的系统，其中所述过程控制软件包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于根据施加的扭矩、载荷、压力、主轴旋转、刀具旋转和/或所述刀具的运动和/或所述工件的运动、温度和/或角向旋转来控制摩擦力、其它施加的力和/或沉积。

33.根据权利要求1所述的系统，其中所述最终材料包括铝。

34.根据权利要求1所述的系统，其中所述期望的微结构包括具有与所述填充材料和/或所述工件的微结构内的晶粒相比，被细化了至少一个数量级的大小的晶粒。

35.一种控制材料微结构的方法，其包括：

通过根据权利要求1所述的固态增材制造系统沉积一种或多种第一材料，

其中所沉积的第一材料低于其熔点Tm，

其中由于通过所述固态增材制造系统产生的摩擦力和/或其它力，所述第一材料处于塑性变形状态，

调节所述固态增材制造系统的一个或者多个处理参数。

36.根据权利要求35所述的方法，包括细化所述最终材料的晶粒的大小以使得所述最终材料的晶粒的大小与所述第一材料内的晶粒相比，被细化了至少一个数量级。

37.根据权利要求35所述的方法，还包括通过吹入气体和吹入气体的组成来控制所述最终材料的微结构的形状、大小和/或组成。

38.根据权利要求35所述的方法，还包括通过增材来控制所述最终材料的微结构。

39.根据权利要求35所述的方法，包括利用一个或多个加热和/或冷却系统加热或者冷却，以提供对所述填充材料、沉积材料、所述工件、所述主轴、所述刀具、销、所述工件平台和/或所述垫板的温度控制。

40.根据权利要求35所述的方法，其中所述最终材料包括铝。

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