CN111715974A - 使用铝金属芯丝增材制造的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成增材制造的铝部件的方法包括在金属芯铝丝与所述增材制造的铝部件之间建立电弧，其中所述金属芯铝丝包括金属包鞘和布置在所述金属包鞘内的颗粒芯部。颗粒芯包含铝金属基纳米复合物(Al‑MMNC)，该铝金属基纳米复合物包含铝金属基体和陶瓷纳米颗粒。所述方法包括使用所述电弧的热量熔化所述金属芯铝丝的一部分以形成熔化的液滴。所述方法包括：在惰性气体流下将所述熔化的液滴转移到所述增材制造的铝部件上；并且在所述惰性气体流下固化所述熔化的液滴以形成所述增材制造的铝部件的沉积物。

Description

使用铝金属芯丝增材制造的系统和方法
相关专利申请的交叉引用
本申请是2015年8月28日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FOR ADDITIVEMANUFACTURING USING ALUMINUM METAL-CORED WIRE”的美国申请14/839,420号的部分继续申请，所述美国申请主张于2015年2月25日提交的题为“铝金属芯焊丝(ALUMINUM METAL-CORED WELDING WIRE)”的美国临时专利申请序列号62/120,752的优先权和权益，每件所述美国申请的全部公开内容出于所有目的通过引用的方式并入本申请中。
技术领域
本公开涉及使用管状铝丝作为原材料的增材制造的系统和方法。
背景技术
增材制造系统通常涉及以自底向上方式的部件构造。一般来讲，在增材制造中，可以逐层沉积或层层叠加的过程形成部件，由此原材料连续沉积在自身顶部上以逐渐形成(例如，建立或印刷)完整的部件。增材制造系统可用于快速原型制造，并且可以以高精度且很少浪费原材料的方式制造复杂部件。不同的增材制造系统可以使用不同类型的原材料，例如，金属、聚合物和陶瓷，来构造不同类型的部件。
铝和铝合金由于其相比于其他金属相对较低的密度和高耐腐蚀性而广泛用作构造材料。例如，铝合金可以提供在大约50兆帕(MPa)和大约700兆帕(MPa)之间的强度。由于铝对氧具有高亲和力，所以铝部件制造会涉及使用惰性保护气体来限制或防止形成氧化铝(三氧化二铝)和不希望的包含物。还希望制造具有相对较低孔隙率的铝部件。这些孔的一个主要来源可能是在部件制造期间从正在凝固的金属释放并且在正在凝固的金属内部形成孔洞的氢气。氢气在铝部件制造期间可通过含氢材料(例如，水分或有机材料，如，润滑油)的分解而形成。因此，希望防止含氢材料被引入到增材制造环境中。
通过纳米颗粒增强的合金由于这种合金经常具有的新颖的物理性质和化学性质而已经在近年中获得关注。纳米颗粒可以表现出与对应的微颗粒和整体材料不同的物理性质和化学性质，从而为各种领域中的许多应用提供更有效的选择。例如，纳米颗粒可以用于表面工程中以改进耐磨料磨损性或者影响润滑剂的摩擦学性质；在电子应用中用以改变性质例如导电性、强度和磁性；并且在焊接或增材制造应用中用以改进机械性能例如杨氏模量、拉伸强度、硬度和疲劳强度。
发明内容
在实施例中，一种形成增材制造的铝部件的方法包括在金属芯铝丝与所述增材制造的铝部件之间建立电弧，其中所述金属芯铝丝包括金属包鞘和沉积在所述金属包鞘内的颗粒芯部。颗粒芯包含铝金属基纳米复合物(Al-MMNC)，所述铝金属基纳米复合物包含铝金属基体和陶瓷纳米颗粒。所述陶瓷纳米颗粒可以具有在25nm和250nm之间的平均粒度。所述方法包括使用所述电弧的热量熔化所述金属芯铝丝的一部分以形成熔化的液滴。所述方法包括：在惰性气体流中将所述熔化的液滴转移到所述增材制造的铝部件上；并且在所述惰性气体流下固化所述熔化的液滴以形成所述增材制造的铝部件的沉积物。
在实施例中，一种增材制造系统包括焊炬，所述焊炬被配置成接收保护气体和金属芯铝丝。所述金属芯铝丝包括金属包鞘以及布置在所述金属包鞘内的颗粒芯部。所述颗粒芯包含Al-MMNC，所述Al-MMNC包含铝金属基体和陶瓷纳米颗粒。所述焊炬被配置成在所述金属芯铝丝与增材制造的部件之间建立电弧。所述焊炬被配置成在所述保护气体的氛围下使用所述电弧的热量形成所述金属芯铝丝的熔化部分；并且将所述熔化部分转移到所述增材制造的部件上以在所述保护气体的氛围下形成所述增材制造的部件的沉积物。
在实施例中，一种增材制造的铝合金部件包括：多个铝合金沉积物，这些铝合金沉积物熔合在一起以形成所述增材制造的铝合金部件的多个层，其中所述增材制造的铝合金部件通过使用金属芯铝丝而被增材制造，所述金属芯铝丝包括金属包鞘以及布置在所述金属包鞘内的颗粒芯部。颗粒芯包含Al-MMNC，所述Al-MMNC包含铝金属基体和陶瓷纳米颗粒。
附图说明
当结合附图阅读以下详细说明时，会理解本公开的这些和其他特征、方面和优点，附图中相似的附图标记代表在整个附图中相似的部件，其中：
图1是根据本公开的利用金属芯铝丝作为原材料的增材制造系统的实施例的示意图；
图2A是根据本技术的实施例的无缝金属芯铝丝的剖视图；以及
图2B是根据本技术的实施例的包含缝的金属芯铝丝的剖视图。
具体实施方式
以下将描述本公开的一个或多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简明描述，本说明书中不会描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在开发任何这种实际实施方式的过程中，例如在任何工程或设计项目中，必须作出众多专门针对实施方式的决策来获得开发者的具体目标，例如，顺应系统相关的和商业相关的约束条件，这可能因实施方式的不同而异。此外，应当理解，这种开发努力可能很复杂且费时，但是对于从本发明受益的普通技术人员而言，这可能是设计、制备和制造所承担的例行任务。
在介绍本公开的各种实施例的要素时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在表示有一个或多个要素。术语“由……构成”、“包含”和“具有”旨在包括性的，并且表示还可以具有除列举的要素之外的附加要素。此外，如本文所用的“大约”可以总体上指的是在某些实施例中可以代表比实际值小0.01％，小0.1％或小1％的差值(例如，更高或更低)的近似值。也就是说，“近似”值在某些实施例中可以准确到所述值的0.01％、0.1％或1％内(例如，加或减)。同样地，被描述成“基本上相同”或“基本上相似”的两个值近似相同，并且被描述为“基本上不含”一种物质的材料包含大约0％的这种物质。本文中使用术语“金属芯”和“金属芯的”来指代具有金属包鞘和颗粒芯部的管状丝，其中芯部主要包含具有少量(即，低于约5重量％)的非金属成分(例如，熔渣形成剂、金属氧化物、稳定剂等)的金属合金粉末。例如，参见裸不锈钢焊接电极和焊条的ANSI/ANSA5.9规范。如本文所用，术语“非金属成分”指的是这样的元素和元素化合物：它们不是金属或类金属(例如，氢、碳、氮、氧、磷、硫、卤化物)。
如本文所用，“熔点”指的是固态物质转变成液体的温度或温度范围。当固态物质为混合物时，例如合金或粉末混合物的情形，熔点通常包含固相线与液相线之间的温度范围，其中“固相线”指的是混合物开始熔化的温度，“液相线”指的是混合物完全液化的温度。相比之下，纯固态物质往往具有清晰、狭窄的熔点(即，固相线和液相线基本上相同)。在以下更详细地讨论的例外的混合物是共晶合金。如本文所用，“共晶合金”指的是固相线和液相线基本上相同的合金，从而得到在其共晶温度下的清晰的熔点，该熔点低于合金的各种元素的熔点。这样，应当理解，在谈论到具有清晰熔点的物质(例如纯物质和共晶合金)时，术语“固相线”和“熔点”在本文中可互换使用。如本文所用，“近共晶合金”指的是由与共晶合金相同的基本成分制成的合金，虽然使用稍微不同的相对量的这些元素，来得到稍微亚共晶或过共晶的成分，其中液相线和固相线彼此的差异小于大约20％(例如，小于大约10％，小于大约5％)。
本实施例针对使用管状铝丝(即，金属芯铝丝)作为原材料的由多种范围的不同铝合金制成的增材制造部件的系统和方法。公开的金属芯铝丝包括包裹颗粒芯部的有缝或无缝铝或铝合金包鞘，该颗粒芯部是粉末金属、合金和/或非金属成分的压缩混合物。更具体地讲，如以下更详细地公开的，公开的金属芯铝丝实施例包括在相对较低温度下至少部分熔化的芯部，这样防止保护气体带走一部分粉末芯部，从而提高制造期间铝丝的沉积速率。因此，针对以下讨论的金属芯铝丝的实施例，芯部包括至少一种合金，所述合金相对于合金的各种元素的熔点，相对于芯部的其他成分的熔点，相对于包鞘的熔点，或它们的组合具有低熔点。
例如，针对以下讨论的金属芯铝丝的实施例，芯部内存在一种或多种合金元素作为具有显著低于该合金的各种元素的熔点的熔点(或固相线)的合金(例如，共晶合金或近共晶合金)。在某些实施例中，金属芯铝丝的芯部可以包括至少一种合金，该合金具有显著低于芯部的其他粉末金属成分的熔点(或固相线)的熔点(或固相线)。在某些实施例中，芯部的成分可以使得芯部开始熔化的温度(即，芯部的固相线)与包鞘开始熔化的温度(即，包鞘的固相线)之间存在显著差异。如下所述，目前公开的金属芯铝丝允许以高沉积率生产低孔隙率和高强度铝部件。此外，如以下更详细地所述的，目前公开的金属芯铝丝设计允许生产具有宽范围的不同铝化学成分的铝合金部件。另外，公开的金属芯铝丝允许在大批量生产方面具有显著更高的灵活性，从而允许按需生产有限数量的专用丝，其化学成分被精确调节成与特定的部件规格的成分相匹配。另外，相比于实心铝丝，公开的金属芯铝丝的成分不会显著影响制造丝的能力。
转到图1，图示了根据本公开的增材制造系统10的实施例，该系统通过使用金属芯铝丝14以增材方式形成(例如，印刷、建造)铝合金部件12。一般来讲，增材制造系统10包括焊炬16，该焊炬以逐层沉积和/或层层叠加的方式沉积金属芯铝丝14的熔滴18以形成(例如，印刷、建造)部件12。如本文所用的沉积物20指的是已经被转移到并且固化以形成增材制造部件12的最小单元的一部分原材料(即，金属芯铝丝14)。如本文所用的层22指的是具有类似尺寸(即，厚度)的沉积物20的集合，这些沉积物彼此并排沉积以形成部件12的更大部分。
图示的增材制造系统10具有许多子系统，包括，控制系统24、电力系统26、送丝系统28、气体供应系统30和机器人系统32。控制系统24包括控制器34，该控制器执行指令以总体控制增材制造系统10的操作以便制造部件12。电力系统26总体供应电力到增材制造系统10，并且被图示为通过连接38与送丝系统28连接并且通过连接40和夹具42与一部分部件12连接以在电力系统26、焊炬16和部件12之间提供完整的回路。在图示的实施例中，在带电的丝14被提供给焊炬16(例如，直接地提供或在保护导管内提供)之前，金属芯铝丝14通过使用由电力系统26供应的电力在送丝系统28内被充电。在另一个实施例中，电力系统26可以连接至并且直接供应电力到焊炬16，并且金属芯铝丝14反而可以在焊炬16处带电。
电力系统26可以总体包括电力转换电路，该电力转换电路接收来自交流电源(例如，交流电网、发动机/发电机组或它们的组合)的输入电力，调节输入电力，并且经由连接38提供直流或交流输出电力。电力系统26可以给送丝系统28供电，该送丝系统继而根据增材制造系统10的需要提供带电金属芯铝丝14的进给以在金属芯铝丝14与部件12之间建立电弧44。电力系统26可以包括能够将交流输入电力转换成直流电极正(DCEP)输出、直流电极负(DCEN)输出、直流可变极性、脉冲直流或可变平衡(例如，平衡或非平衡的)交流输出的电路元件(例如，变压器、整流器、开关等)，所述转换如增材制造系统10在部件12的制造期间的需求所规定的那样。
图示的增材制造系统10包括气体供应系统30，该气体供应系统在增材制造过程期间供应保护气体或保护气体混合物到焊炬16。在图示的实施例中，气体供应系统30经由气体导管46直接连接到焊炬16上。在另一个实施例中，气体供应系统30则可以连接到送丝系统28上，并且送丝系统28可以调节从气体供应系统30到焊炬16的气体流。如本文所用的保护系统可以指的是可以提供给电弧和/或熔融沉积物(例如，液滴18)以便在增材制造期间在部件12的熔融和固化部分附近提供基本上惰性的局部氛围(例如，氧气减少或基本上不含氧气)的任何惰性气体或惰性气体的混合物。在某些实施例中，保护气体流可以是保护气体或保护气体混合物(例如，氩气(Ar)、氦气(He)、氮气(N2)、类似的合适保护气体或它们的任意混合物)。例如，保护气体流(例如，经由气体导管46输送)可以是100％Ar或100％He。在某些实施例中，保护气体流可以是Ar/He混合物(例如，50％Ar/50％He；25％Ar/75％He)，目前认为这种混合物当结合公开的金属芯铝丝14的实施例使用时比单独的纯氩气或纯氦气能提供部件12更好的质量。
因此，图示的焊炬16总体从送丝系统28接收金属芯铝丝14，从电力系统26接收电力，以及从气体供应系统30接收保护气体流，以便执行铝部件12的增材制造。在图示的增材制造系统10的操作期间，焊炬16和部件12靠在一起以使得可以打出电弧44并且一部分丝14熔化并且转移到部件12。这样，图1图示的增材制造系统10包括机器人系统32，该机器人系统包括传感器、电动机、齿轮、轨道或能够测量并修改焊炬16相对于部件12的位置、角度和/或间距的其他合适的机构。另外，机器人系统32可以控制焊炬16的操作(例如，焊炬16的启动/关闭，金属芯铝丝14电极从焊炬16伸出的距离48)。在某些实施例中，被制造的部件12可以附加地或可替代地连接至机器人系统，比如机器人系统32，其能够测量并修正部件12相对于焊炬16的位置、角度和/或间距。
一旦机器人系统32使图1图示的焊炬16处于合适的位置，就会在部件12与从焊炬16伸出的带电的铝金属芯丝14之间打出电弧44。一部分铝金属芯丝14由于电弧44的热量而熔化(例如，液滴18)并转移以形成沉积物20，并且最终形成部件12的层22。在某些实施例中，铝金属芯丝14可以在被转移到部件12(例如，电喷射转移)之前通过电弧44的热量完全转化成熔融液滴18。在其他实施例中，带电的铝金属芯丝14可以短暂地接触部件12，并且可以形成迅速熔化以在部件12的表面上形成熔融液滴的短暂短路(例如，受控短路转移)。
如上所述，图示的增材制造系统10的控制系统24具有控制器34，该控制器包括处理器50和存储器52，该控制器执行指令以在部件12的增材制造期间控制沉积物20的形成。图示的控制系统24包括接口54(例如，计算机工作站)，该接口通信地连接到控制器34并且向控制器34提供部件12的参数。例如，操作者可以将用于形成部件12的一组参数加载到接口54中，所述参数例如为三维3D CAD工具所产生的三维模型(例如，计算机辅助设计(CAD)模型)。在一些实施例中，接口54和/或控制器34然后可以在控制器34的存储器52中产生一组指令，当处理器50执行这组指令时，使增材制造系统10基于在接口54处接收的参数制造具有所需成分和尺寸的部件12。
具体地讲，图示的控制器34通信地连接到增材制造系统10的多种子系统(例如，电力系统26、送丝系统28、气体供应系统30和机器人系统32)并且能够向每个这些子系统提供控制信号以便部件12的增材制造。另外，图示的控制器34能够接收来自这些子系统的感测装置56(例如，位置传感器、流量传感器、电压传感器、电流传感器、送丝速度传感器、温度传感器、热成像装置、照相机或其他合适的感测装置)的工作信息，并且控制器34的处理器50可以基于工作信息和从接口54接收的部件12的指令来确定如何控制这些子系统。例如，控制器34可以基于部件12的指令并且基于这些子系统的感测装置56提供的反馈监测并控制多种子系统的输出，例如，电力系统26的电流/电压输出，送丝系统28提供的铝金属芯丝14的速率，气体供应系统30提供的保护气体的流速，以及焊炬16的位置和运动。
铝合金总体分为可锻合金和铸造合金，并且细分成可强化(例如，可热处理)和不可强化(例如，不可热处理)材料。铝合金的最常见的合金元素包括：镁(Mg,熔点(MP)＝1202°F)、锰(Mn,MP＝2275°F)、铜(Cu,MP＝1981°F),硅(Si,MP＝2570°F),铁(Fe,MP＝2795°F),钛(Ti,MP＝3034°F),铬(Cr,MP＝3465°F),镍(Ni,MP＝2647°F),锌(Zn,MP＝788°F),钒(V,MP＝3434°F),锆(Zr,MP＝3366°F),银(Ag,MP＝1764°F),镉(Ni,MP＝610°F),锂(Li,MP＝358°F),钪(Sc,MP＝2802°F),铅(Pb,MP＝622°F),铋(Bi,MP＝520°F),锡(Sn,MP＝450°F),硼(B,MP＝3767°F)和铍(Be,MP＝2349°F)。纯铝具有大约1220°F的熔点，并且低合金铝(例如，1xxx系铝合金)可以具有接近1215°F的熔点。如以下所详细讨论的，多种范围中的多种合金元素可以以不同方式增大或减小合金的熔点(例如，固相线和/或液相线)。
鉴于如上所述内容，图2A和图2B图示了金属芯铝丝14的不同的实施例的示意性剖视图。图2A图示的金属芯铝丝14包括包围(例如，围绕、包含)压紧的颗粒芯部64的无缝、金属包鞘62。相比之下，图2B图示的金属芯铝丝14包括包围(例如，围绕、包含)压紧的颗粒芯部64的金属包鞘62，并且还包括接缝66(例如，平齐缝或折叠/弯曲缝)，用于制造包鞘62的金属带的边缘接合在所述接缝处。如下所述，缺少接缝66的金属芯铝丝14的实施例就增材制造部件12内减小的孔隙度而言可以是有优势的。
在某些实施例中，芯部64可以占丝14的重量的大约20％以下(例如，大约15％以下、大约10％以下、大约5％以下)，并且丝14的大约80％重量或更多重量可以由包鞘62给予。可以理解的是，金属芯铝丝14的总成分可以总体被调节成与正被制造的特定的部件12的所需成分匹配。此外，可以基于包鞘62的成分、包鞘62占丝14的总重量的比例、芯部64的成分以及芯部64占丝14的总重量的比例确定金属芯铝丝14的总成分。
如上所述，保护气体系统32可以提供保护气体以减小熔融液滴18以及正在固化沉积物20和层22附近的氧气和水分含量。由于保护气体可以具有相对较高的流速，所以目前认为保护气体会从部件12的表面带离金属芯铝丝14的粉末芯部64的一部分。例如，当芯部64中包含作为纯元素粉末(例如，Mn、Ti、Si)的某些合金元素时，这些元素粉末的高熔点会导致保护气体带离至少一部分粉末，使得它们不熔化从而与部件12融为一体。这会不理想地减小增材制造过程的沉积速率，改变沉积物20、层22和/或部件12的成分，并且增大增材制造环境中的颗粒量。
这样，对于所公开的金属芯铝丝14，丝14的芯部64内的至少一种金属成分是具有比构成合金的纯元素的熔点显著更低的熔点(或固相线)的合金。另外，在某些实施例中，丝14的芯部64中的至少一种金属成分具有显著低于芯部64的其他粉末成分的熔点(或固相线)的熔点(或固相线)。对于这些实施例，相信芯部64的这些低熔点成分是随着丝14的温度升高首先熔化的成分，而高熔点粉末包含在液化的低熔点成分内(例如，被其包围、捕获或俘获)，并且不容易被保护气体流带走。附加地或可替代地，在某些实施例中，金属芯铝丝14的芯部64相对于包鞘62的熔点(或固相线)具有显著更低的熔点(或固相线)。对于这些实施例，芯部64包括在比包鞘62低的温度开始熔化的一种或多种粉末成分。对于这些实施例，相信包鞘62的相对较高的熔点(或固相线)允许包鞘62保持完整以提供供电流流动的路径，直到芯部64在电弧44处或附近部分或完全液化为止。
鉴于如上所述的内容，以下阐述对于金属芯铝丝14的实施例包鞘62和芯部64的具体考量。对于公开的金属芯铝丝14的实施例，金属包鞘62由任何合适的铝合金形成。例如，在某些实施例中，包鞘62可以由低合金铝(例如，Al 1100，纯铝)或其他铝合金(例如，Al6005、Al 6061)制成。作为具体示例，在某些实施例中，包鞘62可以是由6xxx系铝合金(例如，Al 6063)制成的，该铝合金的熔点可以是大约1080°F(固相线)至大约1210°F(液相线)。在其他实施例中，包鞘62可以是由低合金铝制成的，例如，1xxx系铝合金(例如，Al 1100)，该铝合金允许更高的熔点(例如，在大约1190°F的固相线与大约1215°F的液相线之间)并且更容易挤出。在某些其他实施例中，包鞘62可以由4xxx系列铝合金(例如Al 4043)制成，所述4xxx系列铝合金可以具有大约1065°F(固相线)至大约1170°F(液相线)的熔点；或者由5xxx系列铝合金(例如Al 5052)制成，所述5xxx系列铝合金可以具有大约1125°F(固相线)至大约1200°F(液相线)的熔点。
如前面参照图2A所述，在某些实施例中，公开的金属芯铝丝14的包鞘62可以没有接缝或类似的不连续性。在其他实施例中，金属芯铝丝14可以通过以下方式制备：弯曲并挤压金属带以在颗粒芯部材料64周围形成包鞘62，从而得到沿着丝14的包鞘62的接缝66(例如，平齐缝或折叠/弯曲缝)，如图2B所示。如图2A所示，具有无缝包鞘62的实施例可以是由铝或铝合金的无缝的挤出管形成的。通过使用无缝包鞘62，金属芯铝丝14的某些公开的实施例比包含接缝66的实施例更加不太可能从它们的制备过程留下有机残留物(例如，润滑剂)，并且更加不太可能从环境吸收水分。这样，如图2A所示的无缝金属芯铝丝14的公开的实施例减少了这种含氢材料向熔化的沉积物的输送，从而减少了前面提到的所得沉积物中的氢致孔隙度的问题。
如上所述，公开的金属芯铝丝14的颗粒芯部64总体是压紧的、均质的粉末混合物，其包含一种或多种粉末金属成分。在某些实施例中，芯部64还可以包含高达大约5％的非金属成分(例如，助焊成分、熔渣成分、控制表面张力的成分、电弧稳定性成分、控制熔滴18的粘度的成分、放热成分或能够提高沉积温度的化合物等)。例如，在某些实施例中，芯部64可以包含氧化物(例如，金属或金属合金的氧化物)。作为进一步的示例，在某些实施例中，芯部64可以包含钡(Ba)以减小沉积物的孔隙度。另外，如上所述，通常希望芯部64基本上不含水分、有机润滑油或可扩散氢的其他来源。
公开的金属芯铝丝14的芯部64的粉末金属成分可以是纯金属粉末亦或合金粉末。例如，在某些实施例中，芯部64的粉末合金可以是二元合金(即，由两种元素制成)、三元合金(即，由三种元素制成)或四元合金(即，由四种元素制成)。例如，可以理解的是，在不同的实施例中，丝14的三种合金元素(例如，铝、镁和锰)可以以不同的方式包含在芯部64中(例如，作为纯铝、纯镁和纯锰的混合物；作为铝-镁合金和纯锰的混合物；作为铝-镁-锰合金；作为铝-镁合金和铝-镁-锰合金的混合物)，这可以针对部件12的所需特性被优化并且使丝14中的粉末芯部64的量最小化。
另外，如上所述，一种或多种粉末金属成分包含具有比该合金的各种元素的熔点显著更低的熔点(或固相线)的至少一种合金。例如，在某些实施例中，该合金可以是共晶合金或近共晶合金。共晶合金是包含两种或更多种元素的合金，这些元素具有限定共晶成分的特定的相对浓度。当共晶合金内仅存在两种元素时，该合金被称为二元共晶合金体系；然而，具有更多种元素的体系(例如，三元体系、四元体系等)也是可行的。共晶合金在其共晶温度下具有清晰的熔点(即，固相线和液相线基本上相同)，该共晶温度必然低于构成合金的各种元素的每个熔点。可以理解的是，并不是每组元素都具有共晶成分，例如，铝-钛合金和铝-锰合金没有共晶成分。此外，对于给定的一组元素具有多种共晶成分的多共晶体系也是可行的。无论如何，对于具有至少一种共晶成分的一组元素，最低的共晶温度代表可以是由这组元素制成的合金的最低的可能熔点。
在某些实施例中，金属芯铝丝14的芯部64可以包括一种或多种二元共晶合金。更具体地讲，在某些实施例中，芯部64的一种或多种二元共晶合金可以是铝二元共晶合金。示例铝二元共晶合金的非限制性列表包括：铝-铍(0.8％Be；熔点(MP)＝1191°F),铝-铜(33％Cu；MP＝1019°F),铝-铁(98％Fe；MP＝1211°F),铝-锂(93％Li；MP＝351°F),铝-镁(36％Mg,MP＝844°F；以及含66％的Mg的更低熔点的共晶体；MP＝819°F),铝-硅(12.6％Si；MP＝1071°F),和铝-锌(94％锌；MP＝718°F)。在某些实施例中，芯部64中可以包含铝的三元或四元共晶体。在某些实施例中，芯部64中可以包含非铝合金的共晶体。示例的非限制性列表包含钛-硼、钛-锆和锆-钒。在某些实施例中，芯部64可以完全由一种或多种共晶合金组成。
另外，在某些实施例中，芯部64包含一种或多种粉末成分，这些粉末成分随着金属芯丝14的温度在电弧34处或在电弧34附近升高时开始在比包鞘62更低的温度下熔化。例如，在某些实施例中，包鞘62的熔点(或固相线)可以是比芯部64的熔点(或固相线)高至少5％、至少10％、至少15％、至少25％、至少30％、至少50％或至少70％。通过具体示例，在实施例中，丝14可以具有包鞘62和芯部64，该包鞘由固相线大约1190°F的低合金铝合金制成，并且该芯部包含熔点约819°F的铝-镁合金，以使得丝14的包鞘62具有比颗粒芯部64的固相线高大约30％的固相线。
在金属芯铝丝14的某些实施例中，芯部64可以包含金属成分的混合物，其中至少一种粉末金属成分具有比芯部64的其他粉末金属成分的熔点(或固相线)显著更低的熔点(或固相线)。例如，在某些实施例中，芯部64的每种金属成分可以分为高熔点(例如，比1000°F高的熔点或固相线)成分或低熔点(例如，比1000°F低的熔点或固相线)成分。对于这些实施例，可能希望在芯部64中具有足够量的低熔点金属成分，以使得当这些金属成分熔化并液化时，有足够体积的这些液化金属成分以包含(例如，悬浮、包围)芯部64的高熔点成分的粉末。例如，在某些实施例中，芯部64的低熔点成分可以比芯部64在重量上高大约15％，大约25％，大约40％，大约60％。应当注意，在某些实施例中，芯部64的一种或多种高熔点成分可以在与增材制造部件的沉积物融为一体之前仅部分熔化或溶解。
在某些实施例中，芯部64的每种金属成分(例如，铝-锰合金、铝-硅合金)可以通过以下方式来制造：均匀熔化所需比例的金属成分的元素以形成熔体。固化的熔体随后可以经过磨削，并且所得的粉末可以经过筛选并分馏。目前认为以此方式制造的金属粉末具有比其他方法制造的粉末(例如，水或气体雾化粉末)更低的氧含量，并且因此，在增材制造期间产生更少的三氧化二铝。在某些实施例中，磨削的粉末可以具有小于大约0.4mm(例如，大约45μm至大约250μm)的晶粒大小以便于在芯部64内紧密夯实。应当注意的是，尽管增大颗粒的晶粒大小还可以减少保护气体可以带走的颗粒芯部64的量，然而太大的晶粒大小会造成芯部64内的不良夯实(例如，过大的孔隙空间)以及不希望的气体俘获。此外，在某些实施例中，经研磨的粉末可以具有小于1μm的晶粒度(如以下关于铝金属基纳米复合物的进一步细节中所述)。在制备芯部64的每种粉末成分之后，金属成分、以及任何非金属成分，可以被结合并混合以形成芯部64的粉末成分的基本上均匀的混合物。
如上所述，在某些实施例中，包鞘62可以是由挤出的铝合金形成的无缝包鞘。对于这些实施例，在清洗挤出的铝管以去除表面污染物之后，前述芯部64的粉末成分的均匀混合物可以添加到无缝包鞘62中，例如，使用振动填充。经填充的包鞘62还可以，附加地或可替代地，被修面以减小包鞘62的厚度和丝14的直径，并且向丝14提供干净(例如，无氧化物)的表面。在某些实施例中，丝14可以，附加地或可替代地，在低于芯部54的固相线的温度下干燥，以确保丝50基本上不含水分。在某些实施例中，丝14可以在比芯部64的固相线更低的温度下进行软化退火，这样改善或增大了丝14的延展性。在某些实施例中，丝14可以被拉延伸至最终的所需直径，并且随后，从无缝包鞘62的表面可以去除拉延润滑油和/或氧化物层。
还可以注意的是，公开的铝金属芯丝设计允许修正沉积物的配方以实现增强的性能。例如，公开的铝金属芯丝14允许生产包含铝和硅的二元沉积物。然而，此示例的铝金属芯丝14的配方也可以通过适量地增加第三合金元素(例如，镁)进行修正以使沉积物20、层22或部件12作为整体是可热处理的。这样，铝金属芯丝14允许一种灵活性，这种灵活性以芯部64和/或丝14的成分的微小变化使沉积物具有增强的性能。
示例1：
表1描述了在增材制造操作期间能够使用金属芯铝丝14的实施例形成的部件的沉积物(即，Al 357合金沉积物)的目标成分。可以理解的是，单单最大值表示的元素不要求通过规范来呈现，然而，在此示例中应当关心所表示的最大值。
Figure BDA0002417594560000101
Figure BDA0002417594560000111
表1.示例1的每种合金元素的所需沉积物成分和熔点
表2包括用于金属芯铝丝14的实施例的包鞘62、芯部64和总丝14的成分，该金属芯铝丝能够提供以上参照表1阐述的沉积物化学成分。对于表2中呈现的示例的丝14，包鞘62是具有表示的成分的Al 6063有缝或无缝包鞘。示例的丝14的芯部64是三种不同粉末的混合物，其中两种粉末(即，铝-硅和铝-镁)是具有比各种合金的单个元素(即，铝、硅和镁)的熔点显著更低的熔点的合金。另外，对于示例的丝14，铝-镁合金是具有所有铝-镁合金的最低可能熔点的共晶合金。另外，对于示例的丝14，铝-硅合金具有比芯部64的纯钛粉显著更低的熔点，并且以适量方式存在以液化并包围(例如，捕获、俘获)芯部64的粉末的钛成分，如上所述。此外，包鞘62的熔点，即，1140°F(固相线)–1210°F(液相线)显著大于芯部64的固相线，即，819°F。
Figure BDA0002417594560000112
表2.示例1的金属芯铝丝14的示例实施例的包鞘62和芯部64的成分和比例，其中丝的剩余的元素成分为铝和微量元素。
示例2：
表3描述了在增材制造操作期间能够使用金属芯铝丝14的另一个实施例形成的沉积物的另一目标成分。可以理解的是，仅最大值表示的元素不要求通过规范来呈现，然而，在此示例中应当关心所表示的最大值。与表1的目标沉积物相比，表3中阐述的目标沉积物成分表示高含量的特定的合金元素，特别是镁和锰。
元素 重量％ 熔点(°F)
Si 0.6最大 2570
Fe 0.4最大 2795
Cu 0.1最大 1981
Mn 0.9-1.5 2275
Mg 5.6-6.6 1202
Cr 0.05-0.20 3385
Ti 0.05-0.20 3038
Al 剩余物 1220
表3.示例2的每种合金元素的所需沉积物成分和熔点。
可以理解的是，表3中所示的更高的镁和锰含量对需要增强的部件强度的特定应用是有益的。有能力提高锰浓度以维持强度并同时降低镁含量来提高部件12在腐蚀环境(例如，海洋环境)中的耐腐蚀性而不受与高锰浓度相关联的实心丝制造约束条件的限制，这一点是有益的。表3中阐述的更高含量的合金元素在可锻铝合金中更常见，然而，应当指出的是，铸造铝合金中可以存在甚至更高含量的这些合金元素。应该指出的是，生产能够制造具有表3中表示的镁和锰含量的沉积物的实心铝丝是不切实际的，更不必说更高的量，因为拉延具有增大含量的这些合金元素的实心丝将大幅度地变得更加困难。这样，公开的金属芯铝丝14的实施例允许形成高合金铝沉积物，比如表3中表示的沉积物，这在不使用本文所述的金属芯铝丝14的情况下是不可行或不切实际的。
表4包括用于金属芯铝丝14的实施例的包鞘62、芯部64和总丝14的成分，该金属芯铝丝能够提供以上参照表3阐述的沉积物化学成分。对于表4中呈现的示例的丝14，包鞘62是具有表示的成分的Al 6063有缝或无缝包鞘。示例的丝14的芯部64是四种不同粉末的混合物，其中两种粉末(即，铝-镁和铝-锰)是具有比各种合金的单独的元素(即，铝、镁和锰)的熔点显著更低的熔点的合金。另外，对于示例的丝14，铝-镁合金是具有所有铝-镁合金的最低可能熔点的共晶合金。并且，对于示例的丝14，铝-镁合金具有比芯部64的其他粉末成分显著更低的熔点，并且以适量方式存在以液化并包围(例如，捕获、俘获)芯部64的高熔点粉末成分，如上所述。此外，包鞘62的熔点，即，1140°F(固相线)–1210°F(液相线)显著大于芯部64的固相线，即，819°F。
Figure BDA0002417594560000131
表4.示例2的金属芯铝丝14的示例实施例的包鞘62和芯部64的成分和比例，其中丝的剩余的元素成分为铝和微量元素。
示例3：
表5描述了在增材制造操作中能够使用金属芯铝丝14的实施例形成的沉积物的另一目标成分(类似于Al 7005，用于可焊接的铝挤出)。可以理解的是，单单最大值表示的元素不要求通过规范来呈现，然而，在此具体示例中应当关心所表示的最大值。
Figure BDA0002417594560000132
Figure BDA0002417594560000141
表5.示例3的每种合金元素的所需沉积物成分和熔点。
可以理解的是，表5中所示的更高的合金元素含量对于特定应用是有益的，例如，以提供具有与Al 7005合金类似的成分的可热处理铝合金。这可能比其他铝合金(例如，5356铝合金)更有用，后者由于低合金含量而更容易生产但是不提供可热处理的沉积物或部件。相比之下，公开的金属芯铝丝14的实施例允许形成高合金、可热处理的铝沉积物，比如表5中表示的沉积物，这在不使用本文所述的金属芯铝丝14的情况下可能是不可行或不切实际的。
表6包括用于金属芯铝丝14的实施例的包鞘62、芯部64和总丝14的成分，该金属芯铝丝能够提供以上参照表5阐述的沉积物化学成分。对于表6中呈现的示例的丝14，包鞘62是具有表示的成分的Al 1100有缝或无缝包鞘。示例的丝14的芯部64是六种不同粉末的混合物，其中四种粉末(即，铝-镁,铝-镁,铝-锌,和钛-锆)是具有比各种合金的单独的元素(即，铝,锰,镁,锌,钛,和锆)的熔点显著更低的熔点的合金。另外，对于示例的丝14，铝-镁和铝-锌合金是分别具有所有铝-镁和铝-锌合金的最低可能熔点的共晶合金。并且，对于示例的丝14，铝-镁和铝-锌合金均具有比芯部64的其他粉末成分显著更低的熔点，并且以合适的量存在以先熔化并包围(例如，捕获、俘获)芯部64的较高熔点粉末成分，如上所述。此外，包鞘62的熔点，即，1190°F(固相线)–1215°F(液相线)显著大于芯部64的固相线，即，718°F。
Figure BDA0002417594560000142
Figure BDA0002417594560000151
表6.示例3的金属芯铝丝14的示例实施例的包鞘62和芯部64的成分和比例，其中丝的剩余的元素成分为铝和微量元素。
示例4
表7描述了在增材制造操作中能够使用金属芯铝丝14的实施例形成的沉积物的另一目标成分(基于Al 520.0，一种铝铸造合金)。可以理解的是，单单最大值表示的元素不要求通过规范来呈现，然而，在此示例中应当关心所表示的最大值。
元素 重量％ 熔点(°F)
Si 0.25最大 2570
Fe 0.3最大 2795
Cu 0.25最大 1981
Mn 0.15最大 2275
Mg 9.5-10.6 1202
Zn 0.15最大 788
Ti 0.25最大 3038
Al 剩余物 1220
表7.示例4的每种合金元素的所需沉积物成分和熔点。
可以理解的是，表7中所示更高的镁含量对于特定应用可能是有益的，例如，以提供具有与Al 520.0合金类似的成分的可热处理铝合金。公开的金属芯铝丝14的实施例允许形成高合金、可热处理的铝沉积物，比如表7中表示的沉积物，这在不使用本文所述的金属芯铝丝14的情况下是不可行或不切实际的。
表8包括用于金属芯铝丝14的实施例的包鞘62、芯部64和总丝14的成分，该金属芯铝丝能够提供以上参照表7阐述的沉积物化学成分。对于表8中呈现的示例的丝14，包鞘62是具有表示的成分的Al 1100有缝或无缝包鞘。示例的丝14的芯部64是单种粉末合金，铝-镁，其是具有比合金的单独的元素(即，铝和镁)的熔点显著更低的熔点的合金。另外，对于示例的丝14，铝-镁是具有所有铝-镁合金的最低可能熔点的共晶合金。此外，包鞘62的熔点，即，1190°F(固相线)–1215°F(液相线)显著大于芯部64的固相线，即，819°F。
Figure BDA0002417594560000161
表8.示例4的金属芯铝丝14的示例实施例的包鞘62和芯部64的成分和比例，其中丝的剩余的元素成分为铝和微量元素。
示例5
表9描述了在增材制造操作中能够使用金属芯铝丝14的实施例形成的沉积物的另一目标成分(基于Al 206.0，铝结构铸造合金)。可以理解的是，单单最大值表示的元素不要求通过规范来呈现，然而，在此示例中应当关心所表示的最大值。
Figure BDA0002417594560000162
Figure BDA0002417594560000171
表9.示例5的每种合金元素的所需沉积物成分和熔点。
铝合金206.0通常用于热处理强化的结构铸件以用于汽车、航空以及需要高抗拉强度、高屈服强度、中等延伸率和高断裂韧性的其他应用。能够使用铝206.0制造的部件的示例包括齿轮箱和卡车弹簧吊架铸件。公开的金属芯铝丝14的实施例允许形成高合金、可热处理的铝沉积物，比如表9中表示的沉积物，这在不使用本文所述的金属芯铝丝14的情况下是不可行或不切实际的。
表10包括用于金属芯铝丝14的实施例的包鞘62、芯部64和总丝14的成分，该金属芯铝丝能够提供以上参照表9阐述的沉积物化学成分。对于表10中呈现的示例的丝14，包鞘62是具有表示的成分的Al 1100有缝或无缝包鞘。示例的丝14的芯部64是四种不同粉末的混合物，其中三种粉末(即，铝-铜,铝-锰和铝-镁)是具有比各种合金的单独的元素(即，铝、铜、锰和锰)的熔点显著更低的熔点的合金。另外，对于示例的丝14，铝-铜和铝-镁合金是分别具有所有铝-铜和铝-镁合金的最低可能熔点的共晶合金。并且，对于示例的丝14，铝-铜和铝-镁合金均具有比芯部64的其他粉末成分显著更低的熔点，并且以合适的量存在以先熔化并包围(例如，捕获、俘获)芯部64的高熔点粉末成分，如上所述。此外，包鞘62的熔点，即，1190°F(固相线)–1215°F(液相线)显著大于芯部64的固相线，即，819°F。
Figure BDA0002417594560000172
表10.示例5的金属芯铝丝14的示例实施例的包鞘62和芯部64的成分和比例，其中丝的剩余的元素成分为铝和微量元素。
根据本公开的另一方面，通过增材制造形成包含铝金属基纳米复合物(Al-MMNC)的金属芯铝丝可以。与基础铝合金相比，Al-MMNC表现出例如高强度/重量比、优异的机械性能、在高温下的抗蠕变性、良好的疲劳强度以及降低的裂纹敏感性的性质。由于在基体和纳米颗粒之间原子级的牢固结合(bonding)，在金属体系中，纳米级增强倾向于比微米级(microscale)增强具有更大的增强效果。此外，因为在金属基体中同时存在晶粒间的和晶粒内的纳米增强，因此霍尔-佩奇增强效应(晶粒尺寸对强度有很大影响，因为晶界会阻碍位错运动)和奥罗万增强效应(不可剪切的纳米颗粒钉住交叉位错，并在外部载荷下促进位错在颗粒周围弯曲(奥罗万环))有助于Al-MMNC的材料增强。
此外，向铝基体添加纳米颗粒改变在焊接期间的熔化和凝固过程。添加的纳米颗粒降低熔池中的散热率，从而使焊接区更深，热影响区更窄。纳米颗粒使熔池中的粘度增大，由此抑制热毛细对流。这使焊缝的微观结构得以控制。
纳米颗粒可能在焊接过程中引起一些固有的挑战。由于在加工期间过度的晶粒生长而可能难以保持纳米级晶粒度。纳米颗粒由于高表面能、静电、湿气粘合性和范德华吸引力而倾向于聚结和团簇。这可能在加工期间抑制纳米颗粒的均匀分布。因此，为了防止纳米颗粒溶解，优选低热输入焊接工艺，例如，米勒先进的短路电弧焊接工艺和激光热焊丝焊接。为了进一步促进在焊缝中纳米颗粒的均匀分布，可以使用超声辅助的方法。
可以将不同种类的陶瓷纳米颗粒加入铝基体中以形成Al-MMNC，例如氧化铝(Al2O3)、碳化硼(B4C)、碳纳米管(CNT)、石墨(Gr)、二氧化钛(TiO2)、碳化硅(SiCp)、碳化钨(WC)、氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)、碳化钛(TiC)和二氧化硅(SiO2)。
粉末芯部64可以包含Al-MMNC，所述Al-MMNC包含铝金属基体和陶瓷纳米颗粒。陶瓷颗粒可以具有在大约5nm和500nm之间的平均粒度，例如，在大约10和250nm之间的平均粒度，或者在大约25和200nm之间的平均粒度，或者在大约30和150nm之间的平均粒度，或者在大约40和100nm之间的平均粒度，或者在大约50和70nm之间的平均粒度，或者在大约60nm的平均粒度。铝金属基体可以具有与陶瓷纳米颗粒的粒度相似或相等的晶粒度。在其他实施例中，铝金属基体可以具有比陶瓷纳米颗粒的粒度大的晶粒度。
尽管本文中中说明并描述了本公开的仅仅某些特征，但是本领域的技术人员可以进行许多修改和变化。因此，应当理解的是，附加权利要求旨在涵盖落入本公开的真正精神范围内的所有这种修改和变化。

Claims (20)

1.一种形成增材制造的铝部件的方法，包括：
在金属芯铝丝与所述增材制造的铝部件之间建立电弧，其中所述金属芯铝丝包括金属包鞘和布置在所述金属包鞘内的颗粒芯部；
使用所述电弧的热量熔化所述金属芯铝丝的一部分以形成熔化的液滴；
在惰性气体流下将所述熔化的液滴转移到所述增材制造的铝部件上；以及
在所述惰性气体流下固化所述熔化的液滴以形成所述增材制造的铝部件的沉积物；
其中所述颗粒芯包含铝金属基纳米复合物(Al-MMNC)，所述铝金属基纳米复合物包含铝金属基体和陶瓷纳米颗粒，并且
其中所述陶瓷纳米颗粒具有在10nm和250nm之间的平均粒度。
2.根据权利要求1所述的方法，包括经由增材制造系统的控制器向所述增材制造系统的机器人系统提供控制信号以相对于所述增材制造的铝部件定位所述增材制造系统的焊炬，其中所述焊炬接收所述金属芯铝丝和所述惰性气体流并朝着所述增材制造的铝部件供应所述金属芯铝丝和所述惰性气体流。
3.根据权利要求2所述的方法，包括经由所述控制器提供控制信号以启动所述增材制造系统的送丝系统以便以特定的送丝速度向所述增材制造系统的焊炬供给所述金属芯铝丝。
4.根据权利要求3所述的方法，包括经由所述控制器提供控制信号以启动所述增材制造系统的气体供应系统以便以特定的惰性气体流速向所述增材制造系统的焊炬供给所述惰性气体流。
5.根据权利要求4所述的方法，包括经由所述控制器提供控制信号以启动所述增材制造系统的电力系统以便提供电力从而以特定的电压和特定的电流在所述金属芯铝丝与所述增材制造的铝部件之间建立电弧。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属包鞘是6xxx系列铝合金或1xxx系列铝合金。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属芯铝丝的所述金属包鞘是包含挤出的铝合金管的无缝金属包鞘。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属芯铝丝的所述金属包鞘的固相线比所述第一合金的固相线高至少5％。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属芯铝丝的颗粒芯部包括第一合金，所述第一合金包含多种元素，并且其中所述第一合金具有比所述第一合金的多种元素的各个熔点中的每个熔点更低的固相线。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一合金是共晶合金或近共晶合金。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述金属芯铝丝的颗粒芯部包括作为共晶或近共晶合金的第二合金。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述金属芯铝丝的颗粒芯部包括额外合金，其中所述额外合金中的每种合金具有比所述第一合金的固相线更高的固相线，并且其中所述颗粒芯部包括大于所述第一合金的25％的重量。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述增材制造的铝部件本质上由沉积物组成。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属包鞘是4xxx系列铝合金或者5xxx系列铝合金。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述陶瓷纳米颗粒包括氧化铝(Al2O3)、碳化硼(B4C)、碳纳米管(CNT)、石墨(Gr)、二氧化钛(TiO2)、碳化硅(SiCp)、碳化钨(WC)、氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)、碳化钛(TiC)或二氧化硅(SiO2)。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述陶瓷纳米颗粒包含氧化铝(Al2O3)。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述陶瓷纳米颗粒包含碳纳米管(CNT)。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述陶瓷纳米颗粒具有在大约25nm和200nm之间的平均粒度。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述陶瓷纳米颗粒具有在大约40nm和100nm之间的平均粒度。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述铝金属基体的晶粒度大于所述陶瓷纳米颗粒的粒度。
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