CN111730056A - 用于增材制造和热处理的固定装置 - Google Patents
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Abstract
用于增材制造和热处理加工的固定装置。所述固定装置具有:具有上表面和下表面的工具;和配置为将基材可释放地固定至所述工具的上表面的附接系统。所述工具具有:具有上面部和下面部的主体和覆盖所述主体的上面部或下面部的加强层。所述加强层可以是超合金。
Description
技术领域
本发明涉及用于增材制造(additive manufacturing)和热处理的方法和相关设备。
背景技术
增材制造通常涉及通过将材料逐层沉积来构建完整部件或向预先形成的基材添加特征的三维零件的生产。其与常规的减材加工工艺形成对比,因为通过增材制造工艺生产的部件是近净成形的,即接近其最终(净)形状,从而降低了对另外的精加工的需求和浪费的多余材料。
增材制造工艺,特别是对于较大部件的生产的关键挑战是由于沉积材料固化时产生的高内应力而使在沉积加工期间所制造的零件变形。
在WO2014/072699中提出了对该问题的解决方案。床支撑着通过夹具保持就位的工件的母板。通过增材制造工艺在母板上构建层的堆叠,并且在逐渐形成堆叠的同时通过称重传感器测量工件中的应力。如果这样的应力高于预定阈值,则在安装至增材制造设备的同时通过冷加工工艺例如冷轧或喷丸来消除工件应力。
在US7344608中,将基材夹紧在固定装置中并且在其上沉积材料以形成复杂制品。使用陶瓷插入物和涂层包装生产的制品。包装确保了制品维持其真实形状并允许在随后的热处理加工期间膨胀。然后将安装至固定装置的经包装制品放置在盒中,用粒状材料包裹并加热。将其加热到足以消除应力的温度,并在该温度下维持一段时间使得制品中的应力消除。
在US2016/0108483中,将基材固定至固定装置,并且操作增材制造系统以通过在固定至固定装置的基材上构建零件来执行构建加工。通过在基材上形成一系列金属材料层来构建零件,金属材料在构建加工期间熔化并固化,从而将零件接合(bonding)至基材并在零件中产生热诱导应力。将零件、基材和固定装置一起从增材制造系统移动至热处理系统,其中当其移动时,基材保持固定至固定装置并且零件保持接合至基材。操作热处理系统以通过将零件、基材和固定装置一起加热来执行热处理加工,从而消除零件中的热诱导应力,在热处理加工期间基材保持固定至固定装置。最后,从固定装置释放基材并且从固定装置中移除零件和基材。当其从固定装置中移除时,零件保持接合至支撑物。
理想地,由零件中的内部应力在固定装置中产生的最大弯曲应力比固定装置在热处理温度下将经历塑性变形时的应力小得多,因此固定装置在热处理加工期间仍处于线性弹性状况。然而,出乎意料地发现,可产生引起固定装置经历塑性变形的极端弯曲应力。因此,必须修理固定装置以使其恢复至其先前的形状或者报废。
发明内容
本发明的第一方面提供了用于增材制造和热处理加工的固定装置,所述固定装置包含:具有上表面和下表面的工具;和配置为将基材可释放地固定至所述工具的上表面的附接系统,其中所述工具包含具有上面部和下面部的主体和覆盖所述主体的上面部或下面部的加强层。
通常,主体包含主体材料,并且加强层包含与主体材料不同的加强材料。
附接系统可包含一个或更多个附接构件(例如夹具或紧固件)。
任选地,加强层是覆盖与工具的上表面相对的主体的下面部的下加强层。这使得加强层远离工具的上表面并且远离工具的中性弯曲轴,增强了工具的刚度。
任选地,下加强层在100℃下具有比主体低的热膨胀系数,优选低超过20%。
替代地,加强层是覆盖主体的上面部的上加强层。在这种情况下,工具还可包含与上加强层相对的覆盖主体的下面部的下加强层,或者主体的下面部可以是未加固的(即未被加强层覆盖)。
任选地,工具的上表面包含抑制基材和工具的上表面之间的扩散接合的石墨涂层。该石墨涂层可覆盖加强层或者可覆盖主体的上面部。或者,工具的上表面可包含加强层或主体的上面部——在这种情况下,基材通过附接系统与加强层或主体的上面部直接接触(而不是与石墨涂层接触)来固定。
在提供上加强层和下加强层二者的情况下则其可包含相同的加强材料或不同的加强材料。
优选地,所述加强层或每个加强层包含金属加强材料。金属加强材料可以是纯金属,例如钨;或金属合金,例如镍合金、钨合金或钴合金(例如钴铬合金)。
任选地,所述加强层或每个加强层包含金属超合金(supperalloy)或高温合金,例如InconelTM 625或InconelTM 718。
任选地,主体包含金属主体材料,通常是金属合金主体材料,例如软钢。
所述加强层或每个加强层的厚度可大于1mm、大于2mm、大于3mm或大于4mm。通常,所述加强层或每个加强层的厚度大于主体在其上面部和下面部之间的深度的1%或大于2%。
所述加强层或每个加强层的厚度可小于30mm、小于20mm、小于10mm、小于9mm、小于8mm或小于6mm。
任选地,主体在其上面部和下面部之间的深度为大于50mm、大于60mm或大于70mm。
任选地,所述加强层或每个加强层的厚度小于主体在其上面部和下面部之间的深度,通常是五倍或更多倍。通常,所述加强层或每个加强层的厚度不大于主体在其上面部和下面部之间的深度的10%。优选地,所述加强层或每个加强层包含杨氏模量在93℃至649℃之间降低小于30%或小于20%的加强材料。
优选地,所述加强层或每个加强层包含0.2%屈服强度(yield strength 0.2%)在93℃至649℃之间降低小于30%或小于20%的加强材料。
优选地,所述加强层或每个加强层包含在500℃杨氏模量大于100GPa或大于150GPa的加强材料。任选地,所述加强层或每个加强层包含在600℃下杨氏模量大于100GPa或大于150GPa的加强材料。
优选地,主体包含主体材料;所述加强层或每个加强层包含加强材料;并且所述或每种加强材料在500℃下的杨氏模量大于主体材料在500℃下的杨氏模量。任选地,所述或每种加强材料在600℃下的杨氏模量大于主体材料在600℃下的杨氏模量,优选为两倍或更多倍。
优选地,所述加强层或每个加强层包含在500℃下0.2%屈服强度大于400MPa或大于600MPa的加强材料。任选地,所述加强层或每个加强层包含在600℃下0.2%屈服强度大于400MPa或大于600MPa的加强材料。
优选地,主体包含主体材料;所述加强层或每个加强层包含加强材料;并且所述或每种加强材料在500℃下的0.2%屈服强度大于主体材料在500℃下的0.2%屈服强度,优选为两倍或更多倍。任选地,所述或每种加强材料在600℃下的0.2%屈服强度大于主体材料在600℃下的0.2%屈服强度,优选为四倍或更多倍。
任选地,所述加强层或每个加强层接合至主体,例如通过焊接涂覆、喷射成形或扩散接合。
优选地,所述加强层或每个加强层在加强层的整个区域接合至主体,而不是通过紧固件附接或仅在某些点接合。
任选地,主体具有一对端面和一对侧面;并且端面未加固。
任选地,主体包含主体材料的单个连续块,而不是晶格结构。
任选地,加强层覆盖主体的上面部或下面部,并且主体的与加强层相对的下面部或上面部未加固(换句话说,其未被加强层覆盖)。在这种情况下,则任选加强层在100℃下具有与主体不同的热膨胀系数,优选相差20%或更多。
在一个实施方案中,加强层覆盖与工具的上表面相对的主体的下面部;主体的上面部未覆盖加强材料;并且加强层在100℃下的热膨胀系数比主体的低,优选低超过20%。
本发明的另一方面提供了制造第一方面的固定装置的方法,所述方法包括通过焊接涂覆工艺或喷涂工艺(例如冷金属喷涂)用所述加强层或每个加强层来覆盖主体。
本发明的另一方面提供了增材制造和热处理的方法,所述方法包括:a)提供根据本发明的第一方面的固定装置;b)用附接系统将基材固定至工具的上表面;c)操作增材制造系统以通过在固定至工具的基材上构建零件来执行构建加工,通过在基材上形成一系列金属材料层来构建零件,金属材料在构建加工期间熔化并固化从而将零件接合至基材并在零件中产生热诱导应力;d)将零件、基材和固定装置从增材制造系统移动至热处理系统,其中当其移动时,基材保持固定至工具并且零件保持接合至基材;e)操作热处理系统以通过将零件、基材和固定装置一起加热来执行热处理加工,从而消除零件中的热诱导应力,在热处理加工期间基材保持固定至工具;f)操作附接系统以从工具上释放基材,使得基材不再通过附接系统固定至工具;以及g)使零件和基材与固定装置分离,其中当其与固定装置分离时,零件保持接合至基材。
本发明的另一方面提供了用于执行前述方面的方法的设备,所述设备包含:可操作以执行构建加工的增材制造系统;可操作以执行热处理加工的热处理系统;以及可在增材制造系统和热处理系统之间移动的根据第一方面的固定装置。
可采用广泛多种增材制造工艺,其包括(但不限于)定向能量沉积(其中热能用于在沉积金属材料时将其熔化);粉末床熔化(其中热能选择性地熔化粉末床的区域);或任何其他在构建零件中产生热诱导应力的增材制造工艺。在本发明的一个实施方案中,增材制造工艺通过供给金属原材料并在沉积时用激光束、电流或其他热能源熔化金属原材料来在基材上形成一系列金属材料层。
附接系统可包含一个或更多个附接构件(例如夹具或紧固件),其在步骤b)中与基材接合并且在步骤f)中从基材脱离。
优选地,在步骤b)中通过一个或更多个夹具或紧固件将基材固定至工具;并且在步骤f)中释放所述(或每个)夹具或紧固件使得基材不再固定至工具。在使用紧固件的情况下,则可在步骤b)中通过使所述(或每个)紧固件穿过基材中相应的预先形成的孔来通过一个或更多个紧固件将基材固定至工具;并且在步骤f)中通过将紧固件从其在基材中相应的预先形成的孔中移除来释放所述(或每个)紧固件。
通常在热处理加工期间,基材在工具上表面的基材/工具界面处与工具接触。优选地,基材和工具在基材/工具界面处由不同的材料形成,从而在热处理加工期间抑制其在基材/工具界面处之间的接合。
在热处理加工期间,通常将零件、基材和固定装置的温度升高至高于150℃,并维持在150℃多于30分钟。
在热处理加工期间,任选地将零件、基材和固定装置的温度升高至高于500℃,并维持在高于500℃多于30分钟。
可将温度传感器集成到工具或附接系统中并布置为在热处理加工期间测量温度。
优选地,固定装置的质量小于基材和零件的集体质量的10倍、优选小于5倍,并且最优选小于2倍。这使得容易将其在增材制造系统和热处理系统之间转移。
通常通过将零件和基材从固定装置上移除来使其与固定装置分离,尽管可想象可通过移动固定装置而不是通过移动零件和基材来使其与固定装置分离。
通常所述方法的所有步骤均按a)至g)的顺序执行。
附图说明
现将参考附图来描述本发明的实施方案,其中:
图1举例说明了增材制造系统和热处理系统;
图2举例说明了在沉积期间在夹紧条件下作用在基材上的力;
图3举例说明了如果在热处理之前释放夹具将导致的变形;
图4是替代工具布置的平面图;
图5是图4的工具布置的侧视图;
图6是图4的工具布置的等距视图;
图7示出了将基材固定至工具的替代方法;
图8示出了形成加强层之一的方法;
图9是0.2%屈服强度与温度的图;
图10是杨氏模量与温度的图;以及
图11示出了仅具有下加强层的另一种替代工具布置。
具体实施方式
图1示出了增材制造系统1和热处理系统2。增材制造系统1包含含有工作台3和构建头4的腔室。固定装置15在图1中在工作台3上示出。固定装置15包含工具5、25a、25b;和一对夹具7、8。
所述工具包含主体5和一对加强层25a、25b。主体5包含具有上面部5a和下面部5b的主体材料(例如软钢S355J2H)的连续块。上加强层25a覆盖主体的外部上面部5a,并且下加强层25b覆盖主体的外部下面部5b。上加强层和下加强层25a、25b由相同的加强材料制成,举例来说该加强材料可以是超合金,例如InconelTM 623、InconelTM 718,或钴铬合金。
所述工具具有上表面14(上加强层25a的外面)和与上表面14相对的下表面(下加强层25b的外面)。在第一步骤中,将基材6放置在工具的上表面14上并通过夹具7、8固定至工具的上表面14。工具的上表面14是上加强层25a的外面,因此基材6与加强材料而不是形成主体5的软钢直接接触。
任选地,工具的上表面14包含覆盖上加强层25a并抑制基材6和加强材料之间的扩散接合的石墨涂层。因此在这种情况下,基材6将通过夹具7、8固定以与石墨涂层直接接触,而不是与上加强层25a的加强材料直接接触。
基材6是预先形成的,换句话说,其不是通过在工具上进行增材制造而形成的。通常在增材制造系统1的腔室外部将基材6固定至工具,并且然后将承载基材6的固定装置15引入腔室中并放置在工作台3上。
在第二步骤中,操作构建头4以通过在固定至工具的基材6上构建近净成形零件11来执行构建加工。构建头4将金属原材料9(例如钛合金或铝合金)朝着基材6进料,并且当材料9被进料至基材6上时材料9被激光束10熔化。例如,原材料9可以以线材或吹制粉末的形式进料。构建头4在基材6上扫描以通过在基材6上形成一系列金属材料层来构建零件。这些层包含在零件/基材界面12处与基材融合的第一层,以及各自与先前沉积的层融合的一系列另外的层。这些另外的层13中的一个在由构建头4铺设的过程中示出。每个层的形状和尺寸是根据存储在存储器中的零件11的计算机辅助设计(computer aided design,CAD)模型确定的。尽管为了便于举例说明,图1中的层都是相同的,但是其通常可具有不同的形状和/或尺寸。
金属材料在构建加工期间熔化并固化,从而将零件11与基材6融合并在零件11中产生热诱导应力。图2中示出了在构建加工期间在夹紧条件下作用在基材6上的力。这些包含在界面12处由金属在其固化并与基材6融合时收缩产生的剪切力20。这些剪切力20被来自工具的向上反作用力21和来自夹具的向下反作用力22反作用。如果释放夹具7、8,则由剪切力20产生的弯矩将导致零件11和基材6变形,如图3中所示。
返回图1,在完全构建零件11之后,将零件11、基材6和固定装置15抬离工作台3,从腔室中移除并且一起移动至热处理系统2。当其移动时,基材6保持夹紧至工具并且零件11保持接合至基材6。
工具5、25a、25b和夹具7、8尽可能轻,以便其可相对容易地在增材制造系统1和热处理系统2之间手动移动。通常,工具5、25a、25b和夹具7、8的集体重量小于基材6和零件11的集体重量的10倍。更优选地,工具5、25a、25b和夹具7、8的集体重量小于基材6和零件11的集体重量的5倍。最优选地,工具5、25a、25b和夹具7、8的集体重量小于基材6和零件11的集体重量的2倍。
接下来,操作热处理系统2以通过将零件11、基材6和固定装置15一起加热来执行热处理加工从而消除零件中的热诱导应力,在热处理加工期间基材保持夹紧至工具。热处理系统2包含腔室30和加热元件31,例如电阻加热器(或任何其他种类的加热元件)。热处理加工的性质取决于多种因素,主要是零件11的材料-特别是原材料的化学组成和所期望的零件的微观结构和特性。一般而言,热处理加工包括将温度升高至升高的应力消除温度,在该应力消除温度下,零件11中的至少一些热诱导应力通过蠕变松弛加工来消除。
在一个实例中,在其中零件11和基材6由钛合金例如Ti6Al4V形成的情况下,操作加热元件31以在约90分钟的时间内将腔室中的温度从室温升高至约680℃的升高的应力消除温度,将温度在该升高的温度下保持约180分钟,然后关闭加热元件31并使温度在约90分钟的时间内恢复至室温。在另一个实例中,其中零件11和基材6由铝合金形成,则可使用约320℃的较低的应力消除温度。
理想地,由零件11中的内应力在工具5、25a、25b中产生的最大弯曲应力比工具5、25a、25b在热处理温度下将经历塑性变形时的应力小得多,因此工具5、25a、25b在热处理加工期间仍处于线性弹性状态。
工具5、25a、25b被设计成具有截面和材料特性,使得在升高的应力消除温度下,工具5、25a、25b的弯曲刚度比垂直于沿着沉积发生的轴-在这种情况下为垂直(Z)轴测量的零件11的弯曲刚度大得多(通常为至少10倍)。即,对于每个水平轴(X,Y):Ef*If>>Ep*Ip其中Ef是形成固定装置15的材料的弹性模量,I1是固定装置15的平面惯性矩,Ep是形成零件11的材料的弹性模量以及Ip是零件11的平面惯性矩。这确保了零件11在构建加工和热处理加工二者期间均保持近似平坦。
注意,固定装置15、基材6和零件11都在热处理加工期间被加热。工具5、25a、25b和夹具7、8均由能够承受热处理加工的高温的材料形成。此外,固定装置15的热质量被设计为相对较低,使得加热其所需的时间(和能量)不太大。
通常,固定装置15的热质量小于基材6和零件11的集体热质量的10倍。优选地,固定装置15的热质量小于基材6和零件11的集体热质量的5倍。更优选地,固定装置15的热质量小于基材6和零件11的集体热质量的2倍。
任选地,固定装置15的热质量约等于基材6和零件11的集体重量,换句话说:Cp(fix)*m(fix)+Cp(c1)*m(c1)≈Cp(sub)*m(sub)+Cp(part)*m(part),其中Cp(fix)是工具5、25a、25b的比热容;m(fix)是工具5、25a、25b的质量;Cp(c1)是夹具7、8的比热容;m(c1)是夹具7、8的质量;Cp(sub)是基材6的比热容;m(sub)是基材6的质量;Cp(part)是零件11的比热容;以及m(part)是零件11的质量。
使集体热质量近似相等意味着多种元件在热处理加工期间和之后立即将以相似的速率趋于加热和冷却。
或者,可能有益的是固定装置15具有比基材6和零件11更高的热质量。固定装置15的升温将滞后于基材6和零件11,提高了其相应的刚度和屈服强度之间的差异。
在其彼此接合的基材/工具界面处,基材6优选地由与形成工具5、25a、25b的上表面14的材料不同的材料形成,从而在热处理加工期间抑制他们之间的扩散接合。类似地,在其彼此接合的界面处,基材6优选地由与形成夹具7、8的材料不同的材料形成,从而在热处理加工期间抑制他们之间的扩散接合。
任选地,基材6由钛合金,例如Ti6Al4V,即与零件11相同的材料形成。
如图3中所示,当工具以与基材6和零件11相同的方向向上弯曲时,上加强层25a处于压缩状态,下加强层25b处于拉伸状态,并且中性弯曲轴18既不处于压缩状态也不处于拉伸状态。通过使加强层25a、25b尽可能远离中性轴18,在不添加太多热质量的情况下增强了工具的弯曲刚度。注意中性轴18不在工具的中间平面(即上加强层和下加强层25a、25b之间一半处的平面),而是偏离中间平面,因此更靠近上加强层25a。中性轴的这种向上偏移是由于基材6和零件11的存在。
热电偶温度传感器32、33、34用于在热处理加工期间分别测量下加强层25b、基材6和零件11的温度,并且所测量的温度用于控制加热元件31。传感器32和33分别集成到加强层25b和夹具8中。传感器33与夹具8热绝缘,但通过夹具压入与基材6紧密接合。
当热处理加工完成时,将固定装置15、基材6和零件11一起从热处理腔室30中移除。然后通过移除夹具7、8,从工具的上表面释放基材6。当夹具7、8被释放时,热处理加工降低了变形程度(图3中的距离D)。最后,将零件11和基材6一起从固定装置15中移除,当其被移除时,零件11保持接合至基材6。
图4至6示出了适用于图1的过程的替代固定装置。在这种情况下,固定装置具有两个端部夹具40、41,其每个通过四个紧固件40a、41a固定至工具42、45a、45b;以及四个中央夹具43,其每个通过相应的紧固件43a固定至工具。通过将紧固件41a、43a拧入工具中来紧固夹具40、41、43,并通过移除紧固件然后提起夹具来释放夹具40、41、43。
加强层45a、45b类似于先前实施方案的加强层25a、25b。
如通过图4与图5的比较所示,工具的主体42相对于加强层45a、45b的厚度较深,以便针对给定量的加强材料(注意加强材料非常昂贵,因此不希望由这种材料制成整个工具)使其弯曲刚度最大化。更具体地,工具的主体42的上面部和下面部42a、42b由约100mm的平均深度D隔开,上加强层45a的平均厚度Tu为约3至10mm,并且下加强层45b的平均厚度T1为约3至10mm。因此,每个加强层45a、45b的厚度是主体42在其上面部和下面部之间的深度D的3%至10%。这通过将加强层45a、45b远离中性轴间隔开而使加强层45a、45b的加固作用最大化,同时使所需的昂贵加强材料的量最小化。
如图4和6中所示,软钢主体42具有一对端面42c和一对侧面42d。这些端面42c和侧面42d是未加强的-即,其未被加强层覆盖。任选地,侧面42d被由与上加强层和下加强层相同的加强材料制成的相应的加强层覆盖。
在图4至6的实例中,围绕基材6的外围分布有许多夹具,但在另一个实施方案(未示出)中,可使用单个“相框”夹具将基材与工具围绕其整个外围夹紧。
在图7中所示的另一个实施方案中,基材6被具有预先形成的小尺寸埋头孔50的基材6a代替,在图7中仅示出了其中一个。基材6a不是通过夹具固定至工具的上表面,而是通过多个螺钉51或其他紧固件固定至工具,每个螺钉51或其他紧固件穿过相应的孔50并拧入其下方的工具中。在将零件11构建在基材6a上之后,通过将螺钉50从其孔50中移除来释放螺钉50,并且将基材6a从工具中移除。然后,通过钻出材料52扩大孔50以形成具有由图7中的虚线指示的平行边的圆柱孔。
在另一个实施方案中(未示出),螺栓从固定装置的底部进入并且接合在基材中的螺纹孔中。
图8举例说明了通过焊接涂覆工艺覆盖上述任一种工具的方法。在该实例中,示出了上加强层42a在图6的工具的主体42的上面部上形成,但可使用相同的工艺来形成任何其他加强层25a、25b、42b。
焊接头51在主体42的上面部上沉积一系列熔融加强材料(例如InconelTM 625或718)线50。每条线冷却、固化并与主体的上面部融合,在加强层和主体42的上面部之间跨加强层的整个区域形成连续接合。在整个面部被覆盖之后,将加强材料研磨回由虚线54所指示的期望水平。
形成和/或接合加强层的替代方法包括冷金属喷涂、扩散接合和线性摩擦焊接。另一种可能的方法是将工具的主体放置在模具中,并将熔融的加强材料倒入模具中,使其覆盖主体的上和/或下面部。
选择形成加强层25a、25b;42a、42b的加强材料的材料特性,以增强工具在高温下的刚度和屈服强度,并确保在热处理加工期间工具仍处于线性弹性状态。
下表1至5示出了以下材料的特性:Ti6A14V(用于基材6和零件11的优选材料);软钢S355J2H(用于工具的主体5、42的优选材料);InconelTM 718(第一加强材料);InconelTM625(第二加强材料);和钨(第三加强材料)。
在表1至5中,温度以℃给出,线性膨胀系数以10-6K-1给出,杨氏模量E以GPa给出以及屈服强度以MPa应力给出,在该应力下将产生原始尺寸的0.2%的永久变形。
表1至5中的参数可通过标准方法确定。可用于测量屈服强度和杨氏模量的两种ASTM标准分别是:ASTM E8/E8M-用于金属材料的拉伸测试的标准测试方法;以及用杨氏模量、切线模量和弦模量的ASTM E111标准测试方法。
表1
表2
表3
表4
表5
图9和10以图形方式举例说明了表1至3中的一些数据。
从图9和图10可看出,InconelTM 718的屈服强度和杨氏模量随温度的降低(以百分比表示)比Ti6Al4V和软钢二者的少得多。例如,在93℃至649℃,杨氏模量和0.2%屈服强度分别降低仅约17%和13%。
从图9和10还可看出,InconelTM 718的屈服强度和杨氏模量比Ti6Al4V和软钢二者的高-特别是在高温下。注意,InconelTM 718的杨氏模量在室温下与软钢的大致相同,但软钢的杨氏模量随温度迅速下降,如图10中所示。
InconelTM 718在600℃下的杨氏模量(约175GPa)为软钢在600℃下的杨氏模量(65.1GPa)的约2.7倍。
InconelTM 718在600℃下的0.2%屈服强度(约1050MPa)为软钢在600℃下的0.2%屈服强度(118MPa)的约8.9倍。
图11示出了除省略了上加强层45a之外与图4至6的工具相同的替代工具。因此,在这种情况下,下加强层45b覆盖在主体42的下面部42b,并且主体的上面部42a未加固-即,其未被加强层覆盖。附接系统40、41、43被配置为将基材6可释放地固定至工具的上表面14,在该情况下,工具的上表面14是主体的未加固的上面部42a,而不是如图4至6的工具中的上加强层。
任选地,图11的工具的上表面14包含抑制基材和工具的上表面之间的扩散接合的石墨涂层。在图4至6的情况下,这样的石墨涂层将覆盖上加强层25a,并且在图11的情况下,其将覆盖主体42的上面部42a,因此基材通过夹具固定与石墨涂层直接接触,而不是与主体42的上面部42a的软钢直接接触。
图11的工具利用了与基材相对的主体的下面部42b比主体的上面部42a离中性轴更远的事实。因此,覆盖下面部42b的加强材料比覆盖上面部42a的加强材料在使工具变硬方面更有效。
图11的工具具有不对称的热膨胀轮廓,像双金属带。即,加强层45b将具有与主体42的软钢不同的热膨胀系数,这将导致随着温度升高而产生弯曲力。如果形成加强层45b的加强材料具有比软钢低的热膨胀系数,则该弯曲力将趋于抵消如图3中的趋于使工具向上弯曲的弯曲力。因此,任选形成加强层45b的加强材料是低热膨胀系数材料,其具有比软钢的热膨胀系数小的热膨胀系数,并且优选地也小于Ti6A14V的热膨胀系数。合适的低热膨胀系数加强材料是钨或钨合金。如上表5中所示,钨在100℃下的热膨胀系数为4*10-6K-1,小于软钢(11.7*10-6K-1)和Ti6A14V(8.6*10-6K-1)的一半。
尽管以上已参考一个或更多个优选实施方案描述了本发明,但应当理解,在不脱离所附权利要求书中所限定的本发明范围的情况下,可进行多种改变或修改。
Claims (20)
1.用于增材制造和热处理加工的固定装置,所述固定装置包含:具有上表面和下表面的工具;和配置为将基材可释放地固定至所述工具的上表面的附接系统,其中所述工具包含具有上面部和下面部的主体和覆盖所述主体的上面部或下面部的加强层。
2.根据权利要求1所述的固定装置,其中所述加强层是覆盖所述主体的下面部的下加强层。
3.根据权利要求2所述的固定装置,其中所述下加强层具有比所述主体低的热膨胀系数。
4.根据权利要求1所述的固定装置,其中所述加强层是覆盖所述主体的上面部的上加强层。
5.根据权利要求4所述的固定装置,还包含覆盖所述主体的下面部的下加强层。
6.根据前述权利要求中任一项所述的固定装置,其中所述加强层或每个加强层包含金属加强材料。
7.根据前述权利要求中任一项所述的固定装置,其中所述加强层或每个加强层的厚度大于1mm。
8.根据前述权利要求中任一项所述的固定装置,其中所述加强层或每个加强层的厚度小于30mm。
9.根据前述权利要求中任一项所述的固定装置,其中所述主体的上面部和下面部被所述主体的深度分开,并且所述加强层或每个加强层的厚度小于所述主体的深度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的固定装置,其中所述加强层或每个加强层包含杨氏模量在93℃至649℃之间降低小于30%或小于20%的加强材料。
11.根据前述权利要求中任一项所述的固定装置,其中所述加强层或每个加强层包含0.2%屈服强度在93℃至649℃之间降低小于30%或小于20%的加强材料。
12.根据前述权利要求中任一项所述的固定装置,其中所述加强层或每个加强层包含在500℃下杨氏模量大于100GPa或大于150GPa的加强材料。
13.根据前述权利要求中任一项所述的固定装置,其中所述主体包含主体材料;所述加强层或每个加强层包含加强材料;并且所述或每种加强材料在500℃下的杨氏模量大于所述主体材料在500℃下的杨氏模量。
14.根据前述权利要求中任一项所述的固定装置,其中所述加强层或每个加强层包含在500℃下0.2%屈服强度大于400MPa或大于600MPa的加强材料。
15.根据前述权利要求中任一项所述的固定装置,其中所述主体包含主体材料;所述加强层或每个加强层包含加强材料;并且所述或每种加强材料在500℃下的0.2%屈服强度大于所述主体材料在500℃下的0.2%屈服强度。
16.根据前述权利要求中任一项所述的固定装置,其中所述加强层或每个加强层接合至所述主体。
17.根据前述权利要求中任一项所述的固定装置,其中所述加强层覆盖所述主体的上面部或下面部,并且所述主体的与所述加强层相对的下面部或上面部未覆盖加强材料。
18.制造前述权利要求中任一项所述的固定装置的方法,所述方法包括通过焊接工艺或喷涂工艺用所述加强层或每个加强层覆盖所述主体。
19.增材制造和热处理的方法,所述方法包括:
a.提供根据权利要求1所述的固定装置;
b.用所述附接系统将基材固定至所述工具的上表面;
c.操作增材制造系统以通过在固定至所述工具的所述基材上构建零件来执行构建加工,所述零件通过在所述基材上形成一系列金属材料层来构建,所述金属材料在所述构建加工期间熔化并固化,从而将所述零件接合至所述基材并在所述零件中产生热诱导应力;
d.将所述零件、基材和固定装置从所述增材制造系统移动至热处理系统,其中当其移动时,所述基材保持固定至所述工具,并且所述零件保持接合至所述基材;
e.操作所述热处理系统以通过将所述零件、基材和固定装置一起加热来执行热处理加工从而消除所述零件中的热诱导应力,在所述热处理加工期间所述基材保持固定至所述工具;
f.操作所述附接系统以从所述工具释放所述基材,以使得所述基材不再通过所述附接系统固定至所述工具;以及
g.使所述零件和所述基材与所述固定装置分离,其中当其与所述固定装置分离时,所述零件保持接合至所述基材。
20.用于执行权利要求19所述的方法的设备,所述设备包含:
a.可操作以执行所述构建加工的增材制造系统;
b.可操作以执行所述热处理加工的热处理系统;以及
c.根据权利要求1所述的固定装置,其可在所述增材制造系统和所述热处理系统之间移动。
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