CN113084327B - 用于制造物品的增材搅拌摩擦沉积方法 - Google Patents

用于制造物品的增材搅拌摩擦沉积方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于制造物品的增材搅拌摩擦沉积方法。该方法包括通过增材搅拌摩擦沉积将耐磨材料沉积在预成型件的表面上以提供中间物品。预成型件包含第一复合材料，并且耐磨材料包含第二复合材料。第二复合材料与第一复合材料实质上不同。该方法还包括加工中间物品以从中间物品去除耐磨材料的至少一部分。

Description

用于制造物品的增材搅拌摩擦沉积方法
技术领域
本公开总体上涉及增材制造，并且更具体地涉及一种用于制造物品的增材搅拌摩擦沉积方法。
背景技术
使用增材制造技术制成的物品通过逐层添加材料来制造。搅拌摩擦增材制造是基于搅拌摩擦焊的固态增材制造技术。增材搅拌摩擦沉积是将搅拌摩擦焊与材料馈送和沉积工艺相结合的固态增材制造技术。在增材搅拌摩擦沉积中，通过中空搅拌摩擦工具递送进料。搅拌摩擦工具快速旋转并通过工具-材料界面处的动态接触摩擦产生热量。热量通过搅拌摩擦工具与材料之间的动态接触摩擦产生，通过材料的塑性变形消散，并且通过热传导在材料内部传递。加热并软化的进料通过搅拌摩擦工具馈送，并且通过界面处的塑性变形与基底结合。增材搅拌摩擦沉积方法可以用于制造用于多种应用的物品。
尽管已经取得了进展，但本领域技术人员继续在增材制造领域中进行研究和开发，包括应用增材搅拌摩擦沉积方法来制造不同类型的物品。
发明内容
公开了一种用于制造物品的方法。
在一个实例中，所公开的方法包括通过增材搅拌摩擦沉积将耐磨材料沉积在预成型件的表面上以提供中间物品。预成型件包含第一复合材料，并且耐磨材料包含第二复合材料。第二复合材料与第一复合材料实质上不同。该方法还包括加工中间物品以从中间物品去除耐磨材料的至少一部分。
在另一实例中，所公开的方法用于由包含金属材料的预成型件制造包括齿轮齿的齿轮。该方法包括通过增材搅拌摩擦沉积将金属基复合材料沉积在预成型件的金属材料上以提供中间物品。该方法还包括加工中间物品以去除沉积在预成型件上的金属基复合材料的至少一部分。
还公开了一种物品，诸如齿轮。
在一个实例中，所公开的齿轮包括齿轮芯部，该齿轮芯部包括从齿轮芯部突出的多个齿轮齿。齿轮还包括设置在多个齿轮齿中的每个齿轮齿的至少一部分上的耐磨层。齿轮还包括限定在齿轮芯部与设置在齿轮芯部上的耐磨层之间的混合界面层。
所公开的方法和物品的其他实例将从详细说明、附图以及权利要求中变得显而易见。
附图说明
图1是根据实例的用于将挤出物沉积到基底上的增材制造系统的框图。
图2是图1的增材制造系统的子组件的示意性透视图。
图3是图1的增材制造系统的子组件的示意性正视截面图。
图4A和图4B分别是根据实例的使用图1的增材制造系统制造的齿轮形式的示例性物品的示意性正视截面图。
图5A和图5B分别是根据实例的使用图1的增材制造系统制造的齿轮形式的示例性物品的示意性正视截面图。
图6A和图6B分别是根据实例的使用图1的增材制造系统制造的齿轮形式的示例性物品的示意性正视截面图。
图7是根据实例的使用图1的增材制造系统将挤出物沉积到基底上以制造物品的方法的框图。
图8是根据实例的使用图1的增材制造系统将挤出物沉积到基底上以制造物品的方法的框图。
图9是飞机生产和维修方法的框图。
图10是飞机的示意图。
具体实施方式
本文中所指的“实例”意味着结合实例所描述的一个或多个特征、结构或特性包括在至少一个实施方式中。说明书中不同位置中的短语“实例”可以是或可以不是指同一实例。
在图1中，如上所述，连接各种元件和/或部件的实线(如果有的话)可以表示机械、电气、流体、光学、电磁和其他耦接和/或其组合。如在此使用的，“耦接的”是指直接以及间接地相关联的。例如，构件A可以与构件B直接相关联，或者可以例如经由另一构件C与构件B间接相关联。应理解的是，不必表示出各个公开的元件之间的所有关系。因此，还可以存在框中描绘的那些耦接之外的耦接。连接指定不同元件和/或部件的框的虚线(如果有的话)表示在功能和目的上与实线所表示的那些类似的耦接；然而，由虚线表示的耦接可以选择性地提供或者可以涉及本公开的替代性实例。同样，用虚线表示的元件和/或组件(如果有的话)指示本公开的替代性实例。在不背离本公开的范围的情况下，可以从特定实例省略以实线和/或虚线示出的一个或多个元件。环境元件(如果有的话)用虚线表示。为了清楚起见，还可以示出虚拟(假想)元件。所属领域的技术人员将了解，图1中所示出的特征中的一些特征能以不同方式组合，而不需要包含图1、其他附图和/或公开内容中所描述的其他特征，即使本文中未明确示出这样的一个或多个组合。类似地，不限于示出的实例的其他特征可以与本文中示出和描述的特征中的一些或全部组合。
在以上提及的图7、图8和图9中，框可以表示操作和/或其部分，并且连接各个框的线不暗示操作或其部分的任何特定顺序或从属性。由虚线表示的框指示替代操作和/或其部分。连接各个块的虚线(如果有的话)表示操作或其部分的替代从属性。应理解，不必示出所公开的各个操作之间的所有从属性。图7、图8和图9以及描述本文所阐述的一种或多种方法的操作的公开内容不应被解释为必然确定要执行操作的顺序。相反地，尽管指示一个说明性次序，但应理解，可以在适当时修改操作的顺序。因此，某些操作能够以不同的次序来执行或同时执行。此外，本领域技术人员将认识到，不需要执行所描述的所有操作。
在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对所公开的概念的透彻理解，这些细节可以在没有这些细节中的一些或全部的情况下实践。在其他实例中，已省略已知装置和/或工艺的细节以避免不必要地模糊本公开。虽然将结合具体实例描述一些概念，但将理解，这些实例不旨在是限制性的。
除非另外指明，否则术语“第一”、“第二”等在此仅用作标记，并且不旨在对这些术语所指代的项目强加序数、位置或层级要求。此外，在提到例如“第二”项目时不要求或排除例如“第一”或较低编号的项目和/或例如“第三”或较高编号的项目的存在。
如在此所使用的，“配置为”执行指定功能的系统、设备、结构、物品、元件、部件或硬件实际上能够在没有任何更改的情况下执行指定功能，而不是仅仅具有在进一步修改之后执行指定功能的可能性。换句话说，“配置为”执行指定功能的系统、设备、结构、物品、元件、部件或硬件被专门选择、创建、实现、利用、编程和/或设计成用于执行指定功能的目的。如在此所使用的，“配置为”表示系统、设备、结构、物品、元件、部件或硬件的现有特性，这些特性使系统、设备、结构、物品、元件、部件或硬件能够在不需要进一步修改的情况下执行指定的功能。为了本公开的目的，描述为“配置为”执行特定功能的系统、设备、结构、物品、元件、部件或硬件可以另外地或替代地被描述为“适配成”和/或“操作成”执行该功能。
出于本公开的目的，术语“等同于”是指与所陈述的条件完全相同的条件或与所陈述的条件实质上相同的条件。如在此使用的，术语“实质上”是指类似于它可以被感知为精确的程度的条件。因此，短语“A等同于B”涵盖其中A与B完全相同的条件，或其中A在B的预定容许方差(例如，+/-5％)内，或反之亦然。
此外，如在此所使用的，术语“大约”是指接近于但不是精确地为仍然执行所期望的功能或实现所期望的结果的所陈述的条件的条件，诸如，在可接受的预定公差或准确度内的条件。例如，术语“大约”是指在所陈述的条件的10％内的条件。然而，术语“大约”不排除精确地为所陈述的条件的条件。
如在此使用的，术语“挤出物”(例如，挤出物111)是指通过搅拌工具118挤出的材料。
下面提供根据本公开的主题的说明性的、非详尽的实例，这些实例可以是或可以不是要求保护的。
总体上参考图1并且特别是参考例如图2和图3，公开了用于将挤出物111沉积到基底114上的增材制造系统110。增材制造系统110包括沉积头116。沉积头116包括搅拌工具118。搅拌工具118可围绕旋转轴线AR旋转。如图3所示，搅拌工具118包括工具远端120和工具近端122，该工具近端沿着旋转轴线AR与工具远端120轴向相对。工具台肩123形成在搅拌工具118的工具远端120处并且定位成与基底114的表面或挤出物111的先前层112A物理(例如，直接)接触。搅拌工具118限定孔124。孔124从工具近端122延伸至工具远端120。孔124配置为接收给料126。给料126朝向工具远端120偏置。
增材制造系统110提供宽范围的能力，包括增材制造、涂覆应用、部件修复、金属接合以及定制金属合金和金属基复合坯和通过将挤出物111的层112A、112B、112C沉积到基底114上来进行的零件制造。
增材制造系统110是固态工艺；这意味着给料126在沉积工艺期间没有达到熔化温度。在使用增材制造系统110的增材搅拌摩擦沉积工艺中，给料126通过搅拌工具118的孔124递送。搅拌工具118在方向箭头202的方向上快速旋转并且通过工具-材料界面处的动态接触摩擦来产生热量。热量由搅拌工具118与构造材料之间的动态接触摩擦产生。出于本公开的目的，术语“构造材料”是指给料126、挤出物111、基底114或其一些组合中的至少一种。热量通过构造材料的塑性变形消散。热量通过热传导和热对流经由材料流传递到构造材料内部。加热且软化的给料126作为挤出物111通过搅拌工具118馈送并且通过界面处的塑性变形与基底114结合。
如图2所示，搅拌工具118例如在方向箭头200的方向上的横向运动导致挤出物111的单个轨迹或单个层的沉积。如图3最佳地示出的，通过在挤出物111的先前层112B、112C上选择性地添加挤出物111的后续层112A、112B来制造三维物品119(例如，在图2和图3中描绘的挤出物111的三个层112A、112B、112C)。
在一个或多个实例中，搅拌工具118的工具远端120包括或形成工具台肩123，该工具台肩定位成与基底114的表面物理(例如，直接)接触(例如，在挤出物111的初始层112C的沉积期间)或与挤出物111的先前层112A、112B、112C物理(例如，直接)接触(例如，在沉积挤出物111的后续层112A或112B期间)。孔124延伸穿过在搅拌工具118的工具远端120处形成的工具台肩123，并且给料126朝向工具远端120偏置并且定位成与基底114(例如，在沉积挤出物111的初始层112C期间)或与挤出物111的先前层112A、112B、112C(例如，在沉积挤出物111的后续层112A或112B期间)物理(例如，直接)接触。在搅拌工具118的工具远端120处形成的工具台肩123与基底114或挤出物111的先前层112A、112B、112C之间的动态接触摩擦在搅拌工具118的旋转期间产生热量。给料126与基底114或挤出物111的先前层112A、112B、112C之间的动态接触摩擦在通过搅拌工具118的旋转而共同旋转的原料126的旋转期间产生热量。
搅拌工具118的快速旋转通过搅拌工具118与基底114之间(例如，在挤出物111的初始层112C的沉积期间)或搅拌工具118与挤出物111的先前层112A、112B、112C之间(例如，在挤出物111的后续层112A、112B的沉积期间)的动态接触摩擦来产生热量。
总体上参考图1，并且具体地参考例如图2和图3，给料126被接收在孔124中，使得搅拌工具118的旋转引起给料126的对应旋转。搅拌工具118的旋转还使位于搅拌工具118的孔24中的给料126围绕旋转轴线AR旋转(例如，共同旋转)。给料126的快速旋转通过在给料126与基底114之间(例如，在挤出物111的初始层112C的沉积期间)或在给料126与挤出物111的先前层112A、112B、112C之间(例如，在挤出物111的后续层112A、112B的沉积期间)的动态接触摩擦来产生热量。
在一个或多个实例中，给料126朝向搅拌工具118的工具远端120偏置，并且通过足以抑制给料126相对于搅拌工具118旋转的给料力来与基底114(例如，在挤出物111的初始层112C的沉积期间)或与挤出物111的先前层112A、112B、112C(例如，在挤出物111的后续层112A、112B的沉积期间)接触。
总体上参考图1，给料126包括金属或金属合金。作为金属或金属合金的给料126使增材制造系统110能够通过将挤出物111沉积到基底114上而制造由不同定制金属或金属合金中的任何一种形成的三维物品119。
在一个或多个实例中，金属包括各种各样的金属中的任何一种或多种，这些金属诸如但不限于钢、铝、镍、铜、镁、钛、铁等。在一个或多个实例中，金属合金包括各种各样的金属合金中的任何一种或多种，这些金属合金由铁、碳、钢、锰、镍、铬、钼、硼、钛、钒、钨、钴、铌等或其组合形成。
在一个或多个实例中，沉积在基底114上的挤出物111的每个层112A、112B、112C由相同的给料(例如，相同的金属或金属合金)形成。在这样的实例中，通过使用增材制造系统110的沉积工艺形成的三维物品119是均匀的。在一个或多个实例中，在基底114上沉积的挤出物111的至少一个层112A、112B、112C由与在基底114上沉积的挤出物111的至少一个其他层112A、112B、112C不同的给料形成。在这样的实例中，通过使用增材制造系统110的沉积工艺形成的三维物品119是不均匀的。不均匀的复合材料将允许具有为所需位置定制的特性的宏观各向异性行为和/或部件的各向异性行为。例如，可以添加高导热性层以使热量优先在一个方向上有效地消散。
在一个或多个实例中，给料126是固体材料，诸如，金属的实心棒或金属合金的实心棒。在一个或多个实例中，给料126是粉末材料，诸如，粉末金属或粉末金属合金。
尽管由在基底114上沉积的挤出物111的层112A、112B、112C形成的三维物品119的说明性实例描绘了平面视图中的基本线性的三维物品119，该三维物品在平面视图中由挤出物111的基本线性的层112A、12B、112C形成，在其他实例中，在平面图中，三维物品119或挤出物111的一个或多个层112A、112B、112C具有非线性或复杂形状。应当理解，在一个或多个实例中，用于沉积挤出物111的任何给定层112A、112B、112C的沉积头116的移动路径取决于各种因素，诸如，由挤出物111的相应层形成的三维物品119的一部分的几何形状。
如图2和图3所示，在一个或多个实例中，挤出物111的每个层112A、112B、112C通过使沉积头116沿着近似线性的移动路径移动来沉积，并且因此形成挤出物111的线性层。
在一个或多个实例中，挤出物111的一个或多个层112A、112B、112C通过使沉积头116沿着非线性移动路径移动来沉积，并且因此形成挤出物111的非线性层112A、112B、112C。为了具有不同的形状方向可能需要线性或非线性运动。例如，线性运动可以用于制造在纵向方向上具有齿的齿轮，非线性运动对于制造螺杆致动器来说是必要的。
总体上参考图1，增材制造系统110还包括多个控制装置140，这些控制装置包括控制单元142和搅拌工具力施加器144，该搅拌工具力施加器被配置为推动沉积头116抵靠基底114。搅拌工具力施加器144使得能够在沉积挤出物111期间选择性地控制搅拌工具118相对于基底114或相对于先前层112A、112B、112C的位置。
搅拌工具力施加器144可以是各种类型的适于选择性地施加搅拌工具力的致动器、力施加装置或线性运动控制装置中的任何一种。搅拌工具118产生两种类型的力，一种本质上是产生热量的旋转摩擦，另一种是工件上的压力和使工具通过部件移动的平移力，这些力的平衡取决于沉积的配置和参数。如本文所使用的，搅拌工具力包括由工具施加的扭矩和竖直负载。搅拌工具力被选择性地施加至搅拌工具118，并且搅拌工具118相对于基底114或相对于挤出物111的先前层112A、112B、112C(诸如，沿着旋转轴线AR)选择性地定位。在一个或多个实例中，搅拌工具力施加器144与搅拌工具118操作地耦接。搅拌工具力施加器144配置为推动搅拌工具118抵靠基底114或挤出物111的先前层112A、112B、112C，使得当搅拌工具118旋转时，工具远端120的工具台肩123以足以通过动态接触摩擦产生热量的力与基底114或挤出物111的先前层112A、112B、112C直接物理接触。
在一个或多个实例中，搅拌工具力施加器144是线性致动器。在一个或多个实例中，搅拌工具力施加器144包括气动线性致动器、液压线性致动器或机械线性致动器中的至少一者。使用气动线性致动器、液压线性致动器或机械线性致动器中的至少一者来作为搅拌工具力施加器144提供了使搅拌工具118相对于基底114选择性地定位的简单、有效且可重复的方式。
在一个或多个实例中，控制单元142与搅拌工具力施加器144通信地耦接。控制单元142被配置为向搅拌工具力施加器144提供操作指令，以用于在沉积挤出物111期间选择性地定位搅拌工具118。
总体上参考图1，控制装置140还包括搅拌工具旋转装置146，该搅拌工具旋转装置被配置为在搅拌工具力施加器144推动沉积头116抵靠基底114时使搅拌工具118围绕旋转轴线AR旋转。搅拌工具旋转装置146能够在挤出物111的沉积期间使搅拌工具118围绕旋转轴线AR快速旋转。
搅拌工具旋转装置146可以是各种类型的适于使搅拌工具118围绕旋转轴线AR旋转的致动器、旋转力施加装置或旋转运动控制装置中的任何一种。在一个或多个实例中，搅拌工具旋转装置146与搅拌工具118操作地耦接。在搅拌工具118的工具远端120的工具台肩123与基底114(例如，在挤出物111的初始层112C的沉积期间)或挤出物111的先前层112A、112B、112C(例如，在挤出物111的后续层112A、112B的沉积期间)接触的情况下，搅拌工具旋转装置146被配置为使搅拌工具118以足以通过沉积界面处的动态接触摩擦来产生热量的旋转速度旋转。
在一个或多个实例中，搅拌工具旋转装置146是旋转致动器。在一个或多个实例中，搅拌工具旋转装置146包括气动旋转致动器、液压旋转致动器或机械旋转致动器中的至少一者。使用气动旋转致动器、液压旋转致动器或机械旋转致动器中的至少一者来作为搅拌工具旋转装置146提供了使搅拌工具118快速旋转的简单、有效且可重复的方式。
在一个或多个实例中，控制单元142与搅拌工具旋转装置146通信地耦接。控制单元142被配置为向搅拌工具旋转装置146提供操作指令，以用于在沉积挤出物111期间使搅拌工具118旋转。
总体上参考图1，控制装置140还包括给料力施加器148，该给料力施加器使给料126朝向工具远端120偏置。在挤出物111的沉积期间，给料力施加器148推动给料126与基底114或挤出物111的先前层112A、112B、112C接触。
给料力施加器148可以是各种类型的力施加装置、线性运动控制装置或致动器中的任何一种，其适于诸如沿着旋转轴线AR选择性地将给料力施加至给料126且将给料126定位成与基底114或挤出物111的先前层112A、112B、112C接触。在一个或多个实例中，给料力施加器148与给料126操作地耦接。给料力施加器148被配置为推动给料126抵靠基底114(或挤出物111的先前层112A、112B、112C)，使得当给料126旋转时(例如，当给料126与搅拌工具118共同旋转时)，定位在搅拌工具118的工具远端120处或从工具远端突出的给料126以足以通过动态接触摩擦产生热量的力与基底114(或挤出物111的先前层112A、112B、112C)直接物理接触。
在一个或多个实例中，给料力施加器148是线性致动器。在一个或多个实例中，给料力施加器148包括气动线性致动器、液压线性致动器或机械线性致动器中的至少一者。使用气动线性致动器、液压线性致动器或机械线性致动器中的至少一者来作为给料力施加器148提供了选择性地推动给料126使其与基底114(或挤出物111的先前层112A、112B、112C)接触的简单、有效且可重复的方式。
在一个或多个实例中，控制单元142与给料力施加器148通信地耦接。控制单元142被配置为向给料力施加器148提供操作指令，以用于在挤出物111的沉积期间朝向搅拌工具118的工具远端120(例如，从孔124向外)推动给料126。
总体上参考图1，增材制造系统110还包括连接至沉积头116的滑架150。该滑架150使沉积头116相对于基底114移动。滑架150使得沉积头116能够在挤出物111的后续层112A、112B、112C的沉积期间独立于基底114相对于基底114(或挤出物111的先前层112A、112B、112C)移动。
滑架150可以是任何一种或多种类型的运动控制装置或工具操纵器。在一个或多个实例中，滑架150是可编程机器人操纵器，诸如，机械臂，其被配置为使沉积头116在三维空间中自动移动。在这样的实例中，沉积头116采取连接至机械臂的工作端的末端执行器的形式。
在一个或多个实例中，控制单元142与滑架150通信地耦接。控制单元142被配置为向滑架150提供操作指令，以用于在沉积挤出物111期间选择性地定位并移动沉积头116。
在一个或多个实例中，附加地或替代地，增材制造系统110还包括连接至基底114的第二滑架250。第二滑架250使基底114相对于沉积头116移动。第二滑架250使得基底114能够在挤出物111的后续层112A、112B、112C的沉积期间独立于沉积头116相对于沉积头116移动。第二滑架250可以是任何一种或多种类型的运动控制装置或工具操纵器。在一个或多个实例中，第二滑架250是可编程机器人操纵器，诸如，机械臂，其被配置为使基底114在三维空间中自动移动。在一个或多个实例中，控制单元142与第二滑架250通信地耦接。控制单元142被配置为向第二滑架250提供操作指令，以用于在沉积挤出物111期间选择性地定位并移动沉积头116。
总体上参考图4A和图4B，可以使用增材制造系统110制造的物品119的一个通用的、非限制性的实例是飞机部件460。可以使用增材制造系统110制造的飞机部件460的一个具体的、非限制性的实例是具有齿轮齿432的齿轮430。
如图4A所示，提供了具有图4A所示的示例形状的预成型件400(例如，由坯料加工而成)。预成型件400包括高韧性材料并且具有纵向中心轴线402。
在一些实例中，预成型件400的高韧性材料可以包含高韧性合金，诸如，钢、铝、钛合金或具有在钛上扩散的硼颗粒的钛。预成型件400的示例性复合材料(即，第一复合材料)是Ti-6Al-4V。
使用图1的增材制造系统110将挤出物111施加到预成型件400的外表面404上以形成中间物品420。预成型件400包括第一复合材料。挤出物111包括耐磨材料410(即，可以与第一复合材料不同的第二复合材料)。耐磨材料410可以包括γ合金、铝材料金属基复合材料、铝合金或具有用于耐磨的碳化硅球形颗粒的氧化铝的铝合金。在一些实例中，耐磨材料410可以包括金属基复合材料，其成分可以被分级以实现更好的整体性能。
中间物品420被加工以去除耐磨材料410的部分438，从而形成包括齿轮芯部431和从齿轮芯部431突出的多个齿轮齿432的齿轮430。耐磨层440布置在多个齿轮齿432中的每个齿轮齿432的至少一部分446上。混合界面层450限定在齿轮芯部431与在齿轮芯部431上设置的耐磨层440之间。混合界面层450提供耐磨材料410与齿轮芯部431之间的结合。齿轮芯部431的部分448和耐磨材料410被塑化以产生混合界面层450。在一些实例中，混合界面层450包括尺寸基本上在纳米和微米级的细化晶粒微结构。这包括纳米晶粒(＜100nm)、超细晶粒或UFG(100nm至500nm)和微晶粒(>0.5μm)。
如图4B所示，可以通过棒状结构436来制造多个制成的齿轮435，其中可以沿着预成型件400的纵向中心轴线402像面包切片一样切割出单个齿轮430a、430b、430c、430d等，以提供多个制成的齿轮435。
总体上参考图5A和图5B，可以使用增材制造系统110制造的物品119的另一实例是另一飞机部件534。飞机部件534呈具有齿轮齿532的齿轮的形式。
如图5A所示，提供具有圆周表面562的预成型件500。在一些实例中，首先将可以是金属材料564的挤出物111通过增材搅拌摩擦沉积来沉积到圆柱形主体560的圆周表面562的金属基底563上，以产生第一中间物品510。在一些实例中，金属材料564和金属基底563在成分上实质上相同。预成型件500可以包括高韧性材料，并且可以限定纵向中心轴线502。
在一些实例中，预成型件500的高韧性材料可以是高韧性合金，诸如，钢、铝、钛合金或具有在钛上扩散的硼颗粒的钛。预成型件500的示例性复合材料是Ti-6Al-4V。在另一实例中，以α+β热机械热处理使用Ti5321。在又一实例中，可以使用高韧性铝合金，诸如，Al7475-T7351。
然后，使用图1的增材制造系统110将其他挤出物111(例如，耐磨材料506)施加到预成型件500的外表面504上以形成第二中间物品520。应显然的是，在通过增材搅拌摩擦沉积将耐磨材料506沉积在预成型件500上之前，通过增材搅拌摩擦沉积将金属材料564沉积在圆柱形主体560的圆周表面562的金属基底563上以产生预成型件500。在这个实例中，其他挤出物111包括耐磨材料506。耐磨材料506可以包括γ合金、铝材料金属基复合材料、铝合金或具有用于耐磨的碳化硅球形颗粒的氧化铝的铝合金。在一些实例中，耐磨材料506可以包括金属基复合材料，其成分可以被分级以实现更好的整体性能。在这种情况下，预成型件500可以是呈现高韧性的材料，而较高陶瓷含量的材料将更接近于磨损表面以用于经由增加的硬度来改进耐磨性。
中间物品520被加工以从中间物品520去除耐磨材料506的部分538，从而形成具有齿轮芯部531(即，圆柱形主体560)和从齿轮芯部531突出的多个齿轮齿532的齿轮530。耐磨层540设置在多个齿轮齿532中的每个齿轮齿532的至少一部分536上。混合界面层550限定在齿轮芯部531与齿轮芯部531上设置的耐磨层540之间。预成型件500的部分508和耐磨材料506被塑化以产生混合界面层550。在一些实例中，混合界面层550包括尺寸基本上在纳米和微米级的细化晶粒微结构。这包括纳米晶粒(＜100nm)、超细晶粒或UFG(100nm至500nm)和微晶粒(>0.5μm)。
如图5B所示，可以通过棒状结构537来制造多个齿轮535，其中，可以沿着预成型件500的纵向中心轴线502像面包切片一样切割出单个齿轮530a、530b、530c、530d等，以形成多个制成的齿轮535。
总体上参考图6A和图6B，使用增材制造系统110制造的物品119的另一实例是另一飞机部件634，具体地，具有齿轮齿632的齿轮630。
如图6A所示，预成型件600包括主体部分601和从主体部分601突出的部分成形的齿轮齿603。预成型件600可以由高韧性材料形成，并且可以限定纵向中心轴线602。在一些实例中，预成型件600的高韧性材料可以是高韧性合金，诸如，钢、铝、钛合金或具有在钛上扩散的硼颗粒的钛。预成型件600的示例性复合材料是Ti-6Al-4V。
使用图1的增材制造系统110将挤出物111施加到预成型件600的外表面604上以形成中间物品620。挤出物是(或包括)耐磨材料610。耐磨材料610可以包括γ合金、铝材料金属基复合材料、铝合金或具有用于耐磨的碳化硅球形颗粒的氧化铝的铝合金。在一些实例中，耐磨材料610可以包括金属基复合材料，其成分可以被分级以实现更好的整体性能。例如，预成型件600可以是呈现高韧性的材料，并且耐磨材料610可以具有较高的陶瓷含量并且可以更靠近于磨损表面定位以用于经由增加的硬度而改进耐磨性。显然，耐磨材料610沉积在预成型件600的部分成形的齿轮齿603上。
中间物品620被加工以去除耐磨材料610的部分638，从而形成包括齿轮芯部631(即，主体部分601)和从齿轮芯部631突出的多个齿轮齿632的齿轮630。耐磨层640设置在多个齿轮齿632中的每个齿轮齿632的至少一部分636上。混合界面层650限定在齿轮芯部631与在齿轮芯部631上设置的耐磨层640之间。齿轮芯部631的部分608和耐磨材料610被塑化以产生混合界面层650。在一些实例中，混合界面层650包括尺寸基本上在纳米和微米级的细化晶粒微结构。这包括纳米晶粒(＜100nm)、超细晶粒或UFG(100nm至500nm)和微晶粒(>0.5μm)。
如图6B所示，可以通过棒状结构644来制造多个齿轮642，其中，可以沿着预成型件600的纵向中心轴线602像面包切片一样切割出单个齿轮630a、630b、630c、630d等，以形成多个制成的齿轮642。
总体上参考图7、具体参考图1和图3，公开了将挤出物111沉积到基底114上以制造物品119的方法700。方法700包括(框702)提供预成型件。方法700还包括(框704)通过增材搅拌摩擦沉积将耐磨材料沉积在预成型件的表面上以形成中间物品。预成型件包括第一复合材料，而耐磨材料包括可以与第一复合材料不同的第二复合材料。例如，第二复合材料可以与第一复合材料在功能上显著不同。方法700还包括(框706)加工中间物品以从中间物品去除耐磨材料的至少一部分。结果是通过图7的方法700制造的物品。对于给定的功率/负荷能力，制成的物品可以具有更轻的重量、更好的耐磨性和耐撕裂性以及更好的耐腐蚀性。
在一些实例中，第一复合材料包括铝合金、钛合金和钢中的至少一种。
在一些实例中，第一复合材料包括Ti-6Al-4V。
在一些实例中，耐磨材料包括金属基复合材料。在一些实例中，金属基复合材料包括具有氧化铝颗粒的铝合金、具有二硼化钛颗粒的铝合金和具有陶瓷增强材料的铝基体中的所选择的一种。
在一些实例中，通过增材搅拌摩擦沉积来沉积耐磨材料包括在预成型件的表面上沉积基本均匀的耐磨材料。
在一些实例中，通过增材搅拌摩擦沉积来沉积耐磨材料包括在预成型件的表面上沉积分级耐磨材料。
在一些实例中，沉积分级耐磨材料包括在预成型件的表面上沉积第一耐磨材料，以及在第一耐磨材料上沉积第二耐磨材料。
在一些实例中，对起始材料(例如，坯料)进行加工以产生预成型件。
在一些实例中，预成型件包括部分成形的齿轮齿，并且耐磨材料沉积在部分成形的齿轮齿上。
在一些实例中，预成型件包括大体上圆柱形主体，并且表面是大体上圆柱形主体的圆周表面。
在一些实例中，预成型件呈具有齿轮齿的齿轮的形式，并且耐磨材料在齿轮齿上形成保护涂层。
在一些实例中，方法还包括：在通过增材搅拌摩擦沉积来沉积耐磨材料之前，通过增材搅拌摩擦沉积来将金属材料沉积在金属基底上以产生预成型件。在一些实例中，金属材料和金属基底在组成上实质上相同。
在一些实例中，通过增材搅拌摩擦沉积来沉积耐磨材料包括塑化预成型件和耐磨材料的部分以在预成型件与耐磨材料之间产生混合界面层。在一些实例中，混合界面层包括尺寸基本上在纳米和微米级的细化晶粒微结构。这包括纳米晶粒(＜100nm)、超细晶粒或UFG(100nm至500nm)和微晶粒(>0.5μm)。
在一些实例中，根据图7的方法700制造飞机部件。
在一些实例中，根据图7的方法700制造齿轮。
总体上参考图8并且具体参考例如图1和图3，公开了将挤出物111沉积到基底114上以由包括金属材料的预成型件来制造包括齿轮齿的齿轮的方法800。方法800包括(框802)通过增材搅拌摩擦沉积将金属基复合材料沉积在预成型件的金属材料上以形成中间物品。方法800还包括(框804)加工中间物品以去除沉积在预成型件上的金属基复合材料的至少一部分。结果是由图8的方法800制造的包括齿轮齿的齿轮。对于给定的功率/负荷能力，制成的齿轮具有更轻的重量、更好的耐磨性和耐撕裂性以及更好的耐腐蚀性。
在一些实例中，沉积在预成型件上并且在加工之后留下的金属基复合材料在齿轮齿上形成耐磨的保护涂层。
在一些实例中，金属材料包括铝合金、钛合金和钢中的至少一种。
在一些实例中，金属基复合材料包括具有氧化铝颗粒的铝合金、具有二硼化钛颗粒的铝合金和具有陶瓷增强材料的铝基体中的所选择的一种。
在一些实例中，通过增材搅拌摩擦沉积来沉积金属基复合材料包括塑化预成型件和金属基复合材料的部分以在预成型件与金属基复合材料之间产生混合界面层。
在一些实例中，加工产生加工出的中间物品，并且方法还包括跨越预成型件的纵向中心轴线切割加工出的中间物品以形成多个制成的齿轮。
可以在如图9所示的飞机制造和维修方法1100以及如图10所示的飞机1102的背景下描述本公开的实例。在生产前期间，说明性方法1100可以包括飞机1102的规范和设计(框1104)以及材料采购(框1106)。在生产期间，可以进行飞机1102的部件和子组件制造(框1108)和系统集成(框1110)。此后，飞机1102可以进行认证和交付(框1112)以投入使用(框1114)。在使用中时，飞机1102可以按计划进行日常维护和维修(框1116)。日常维护和维修可以包括飞机1102的一个或多个系统的修改、重新配置、翻新等。
说明性方法1100的每个过程可以由系统集成商、第三方和/或运营商(例如，客户)执行或实施。为了本说明书的目的，系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞机制造商和主系统分包商；第三方可以包括但不限于任何数量的销售商、分包商和供应商；以及运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
如图10所示，通过说明性方法1100生产的飞机1102可以包括具有多个高级系统1120和内部1122的机身1118。高级系统1120的实例包括推进系统1124、电气系统1126、液压系统1128和环境系统1130中的一个或多个。可以包括任何数量的其他系统。尽管示出了航空航天领域中的实例，但本文公开的原理可以应用于其他行业，诸如，汽车行业。因此，除了飞机1102之外，本文公开的原理可以应用于其他交通工具，例如，陆上交通工具、海上交通工具、空中交通工具等。
在制造和维修方法1100的任何一个或多个阶段期间，可以采用本文中示出或描述的一个或多个设备和一个或多个方法。例如，对应于部件和子组件制造(框1108)的部件或子组件能够以类似于当飞机1102在使用中(框1114)时生产的部件或子组件的方式制成或制造。同样，在生产阶段(框1108和框1110)期间，可以利用一个或多个设备、一个或多个方法或其组合的一个或多个实例，例如，通过显著加快飞机1102的组装或降低其成本。类似地，例如但不限于，当飞机1102在使用中(框1114)和/或在维护和维修期间(框1116)时，可以利用设备或方法实现方式或其组合的一个或多个实例。
本文公开的一种或多种设备和一种或多种方法的不同实例包括各种部件、特征和功能。应理解，本文中所公开的一种或多种设备和一种或多种方法的各种实例可以包括以任意组合在本文中公开的一种或多种设备和一种或多种方法的任何其他实例的部件、特征和功能中的任何一个，并且所有这些可能旨在落入本公开的范围内。
本公开所属领域的技术人员将会想到本文所阐述的实例的许多修改，这些修改受益于前面的描述和相关联的附图中所呈现的教导。
进一步，本公开包括根据以下条款的实施方式：
条款1.一种用于制造物品的方法，该方法包括：
通过增材搅拌摩擦沉积将耐磨材料沉积在预成型件的表面上以提供中间物品；以及
加工中间物品以从其去除耐磨材料的至少一部分。
条款2.根据条款1所述的方法，其中，预成型件包括第一复合材料，并且耐磨材料包括第二复合材料，第二复合材料与第一复合材料实质上不同。
条款3.根据条款2所述的方法，其中，所述第一复合材料包含铝合金、钛合金和钢中的至少一种。
条款4.根据条款2所述的方法，其中，第一复合材料包含Ti-6Al-4V。
条款5.根据条款1所述的方法，其中，耐磨材料包括金属基复合材料。
条款6.根据条款5所述的方法，其中，金属基复合材料包含具有氧化铝颗粒的铝合金、具有二硼化钛颗粒的铝合金和具有陶瓷增强材料的铝基体中的所选择的一种。
条款7.根据条款1所述的方法，其中，通过增材搅拌摩擦沉积来沉积耐磨材料包括在预成型件的表面上沉积基本上均匀的耐磨材料。
条款8.根据条款1所述的方法，其中，通过增材搅拌摩擦沉积来沉积耐磨材料包括在预成型件的表面上沉积分级耐磨材料。
条款9.根据条款8所述的方法，其中，沉积分级耐磨材料包括：
在预成型件的表面上沉积第一耐磨材料；以及
在第一耐磨材料上沉积第二耐磨材料。
条款10.根据条款1所述的方法，还包括加工起始材料以产生预成型件。
条款11.根据条款1所述的方法，其中，预成型件包括部分成形的齿轮齿，并且其中，耐磨材料沉积在部分成形的齿轮齿上。
条款12.根据条款1所述的方法，其中，预成型件包括大体上圆柱形主体，并且其中，表面是大体上圆柱形主体的圆周表面。
条款13.根据条款1所述的方法，其中，预成型件呈具有齿轮齿的齿轮的形式，并且其中，耐磨材料在齿轮齿上形成保护涂层。
条款14.根据条款1所述的方法，还包括：在通过增材搅拌摩擦沉积来沉积耐磨材料之前，通过增材搅拌摩擦沉积来将金属材料沉积在金属基底上以产生预成型件。
条款15.根据条款14所述的方法，其中，金属材料和金属基底在组成上基本上相同。
条款16.根据条款1所述的方法，其中，通过增材搅拌摩擦沉积来沉积耐磨材料包括使预成型件和耐磨材料的部分塑化以在预成型件与耐磨材料之间产生混合界面层。
条款17.根据条款16所述的方法，其中，混合界面层包括细化晶粒微结构。
条款18.一种根据条款1所述的方法制造的飞机部件。
条款19.一种根据条款1所述的方法制造的齿轮。
条款20.一种用于由包括金属材料的预成型件制造包括齿轮齿的齿轮的方法，该方法包括：
通过增材搅拌摩擦沉积将金属基复合材料沉积在预成型件的金属材料上以提供中间物品；以及
加工中间物品以去除沉积在预成型件上的金属基复合材料的至少一部分。
条款21.根据条款20所述的方法，其中，沉积在预成型件上并且在加工之后留下的金属基复合材料在齿轮齿上形成耐磨的保护涂层。
条款22.根据条款20所述的方法，其中，金属材料包括铝合金、钛合金和钢中的至少一种。
条款23.根据条款20所述的方法，其中，金属基复合材料包含具有氧化铝颗粒的铝合金、具有二硼化钛颗粒的铝合金和具有陶瓷增强材料的铝基体中的所选择的一种。
条款24.根据条款20所述的方法，其中，通过增材搅拌摩擦沉积来沉积金属基复合材料包括使预成型件和金属基复合材料的部分塑化以在预成型件与金属基复合材料之间产生混合界面层。
条款25.根据条款20所述的方法，其中，加工产生加工出的中间物品，该方法还包括：
跨越预成型件的纵向中心轴线切割加工出的中间物品以提供多个制成的齿轮。
条款26.一种齿轮，包括：
齿轮芯部，包括从齿轮芯部突出的多个齿轮齿；
耐磨层，设置在多个齿轮齿中的每个齿轮齿的至少一部分上；以及
混合界面层，限定在齿轮芯部与设置在齿轮芯部上的耐磨层之间。
条款27.根据条款26所述的齿轮，其中：
齿轮芯部包括选自铝合金、钛合金和钢中的一种的金属材料，并且
耐磨层包括金属基复合材料。
条款28.根据条款26所述的齿轮，其中，混合界面层包括细化晶粒微结构。
因此，应当理解，本公开不限于示出的具体实例，并且修改和其他实例旨在包括在权利要求的范围内。此外，虽然前面的描述和相关联的附图在元件和/或功能的某些说明性组合的背景下描述了本公开的实例，但是应当理解，在不背离权利要求的范围的情况下，元件和/或功能的不同组合可以由替代实现方式来提供。因此，权利要求中的括号里的附图标记仅为了说明性目的而呈现，并非旨在将所要求保护的主题范围限于本公开中提供的特定实例。

Claims (8)

1.一种用于从预成型件制造齿轮的方法（700），所述预成型件包括由高韧性金属材料形成的预成型件齿轮齿，每个预成型件齿轮齿包括第一预成型件齿面和第二预成型件齿面，其中，所述方法（700）包括：
步骤（704），通过增材搅拌摩擦沉积将耐磨材料（410、506、610）沉积在所述预成型件（400、500、600）的所述预成型件齿轮齿的所述第一预成型件齿面和所述第二预成型件齿面上，以提供中间物品（420、520、620）；以及
步骤（706），加工所述中间物品（420、520、620）以从所述中间物品去除沉积在所述预成型件的所述预成型件齿轮齿的所述第一预成型件齿面和所述第二预成型件齿面上的所述耐磨材料（410、506、610）的至少一部分（438、538、638），以形成加工的齿轮齿，每个加工的齿轮齿包括第一加工齿面和第二加工齿面，其中所述第一加工齿面和所述第二加工齿面与所述第一预成型件齿面和所述第二预成型件齿面不平行。
2.根据权利要求1所述的方法（700），其中，所述预成型件（400、500、600）包含第一复合材料，并且所述耐磨材料（410）包含第二复合材料，所述第二复合材料与所述第一复合材料实质上不同。
3.根据权利要求2所述的方法（700），其中，所述第一复合材料包括铝合金、钛合金和钢中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法（700），其中，所述耐磨材料（410、506、610）包括金属基复合材料，其中，所述金属基复合材料包括具有氧化铝颗粒的铝合金、具有二硼化钛颗粒的铝合金和具有陶瓷增强材料的铝基体中的所选择的一种。
5.根据权利要求1所述的方法（700），其中，通过增材搅拌摩擦沉积来沉积所述耐磨材料（410、506、610）的步骤（704）包括：
在所述预成型件（400、500、600）的表面（404、504、604）上沉积第一耐磨材料；以及
在所述第一耐磨材料上沉积第二耐磨材料。
6.根据权利要求1所述的方法（700），还包括，在通过增材搅拌摩擦沉积来沉积所述耐磨材料（410、506、610）的步骤（704）之前，通过增材搅拌摩擦沉积来将金属材料（564）沉积在金属基底（563）上以产生所述预成型件（400、500、600）的步骤（802）。
7.根据权利要求1所述的方法（700），其中，通过增材搅拌摩擦沉积来沉积所述耐磨材料（410、506、610）的步骤（704）包括：使所述预成型件（400、500、600）和所述耐磨材料（410、506、610）的部分塑化，以在所述预成型件（400、500、600）与所述耐磨材料（410、506、610）之间产生混合界面层（450、550、650）。
8.一种用根据权利要求1至7中任一项所述的方法制造的齿轮（430、530、630），其中，所述齿轮（430、530、630）包括：
齿轮芯部（431、531、631），所述齿轮芯部包括从所述齿轮芯部（431、531、631）突出的多个齿轮齿（432、532、632）；
耐磨材料（410、506、610），所述耐磨材料设置在所述多个齿轮齿（432、532、632）中的每个齿轮齿的至少一部分上；以及
混合界面层（450、550、650），所述混合界面层限定在所述齿轮芯部（431、531、631）与设置在所述齿轮芯部（431、531、631）上的所述耐磨材料（410、506、610）之间。
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