DE102018114911A1

DE102018114911A1 - Systeme und verfahren zur pulvervorbehandlung bei additiver herstellung

Info

Publication number: DE102018114911A1
Application number: DE102018114911.5A
Authority: DE
Inventors: Laura Cerully Dial; Andrew David Deal; Timothy Hanlon
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2018-06-21
Publication date: 2018-12-27
Also published as: US20180369907A1; CN109093106B; US10758976B2; CN109093106A

Abstract

Ein Verfahren zum Verarbeiten eines Pulverausgangsmaterials, um eine hergestellte Komponente zu bilden, wird bereitgestellt. Die hergestellte Komponente schließt eine Vielzahl von Körnern ein, die eine nominale Korngröße haben. Das Verfahren schließt das Bereitstellen des Pulverausgangsmaterials ein, welches eine Ansammlung von Phase-Teilchen mit einer ersten nominalen Größenverteilung verteilt in einem Wirtsmatrixmaterial aufweist. Das Verfahren schließt das Bilden einer konsolidierten Komponente aus dem Pulverausgangsmaterial in einem additiven Herstellungsprozess und das Herstellen der hergestellten Komponente aus der konsolidierten Komponente ein. Die erste nominale Größenverteilung der Ansammlung von Phase-Teilchen ist bemessen, so dass wenigstens ein Teil der Ansammlung der Phase-Teilchen während des gesamten additiven Herstellungsprozesses bestehen bleibt und als verarbeitete Ansammlung von Phase-Teilchen in der konsolidierten Komponente vorhanden ist. Zusätzlich hat die verarbeitete Ansammlung von Phase-Teilchen eine zweite nominale Größenverteilung, welche wirksam ist, die nominale Korngröße der hergestellten Komponente zu erzeugen.

Description

HINTERGRUND
Das Gebiet der Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf additive Herstellungssysteme und spezieller auf Systeme und Verfahren zur Pulvervorbehandlung, um die Mikrostruktur von Komponenten, hergestellt in einem additiven System unter Verwendung eines Pulverausgangsmaterials zu beeinflussen.
Wenigstens einige additive Herstellungssysteme schließen die Ansammlung eines zu einem Pulver verarbeiteten Materials ein, um eine Komponente herzustellen. Dieses Verfahren kann komplexe Komponenten aus teuren Materialien bei reduzierten Kosten und mit verbesserter Herstellungseffizienz herstellen. Wenigstens einige bekannte additive Herstellungssysteme, wie beispielsweise DMLM-Systeme, stellen Komponenten unter Verwendung eines Lasergeräts, einer Herstellungsplattform und eines Pulvermaterials, wie beispielsweise ohne Beschränkung ein Metallpulver mit einer feinen Anordnung von Zweite-Phase-Ausfällungen, wie beispielsweise Karbiden, Oxiden, Boriden und topologisch eng gepackte (TCP)-Phasen, her. Das Lasergerät erzeugt einen Laserstrahl, der das Pulvermaterial auf der Herstellungsplattform in und um das Gebiet, wo der Laserstrahl auf das Pulvermaterial trifft, schmilzt, was zu einer Schmelzlache führt. Die Schmelzlache kühlt schnell ab, was zu einer feinen Anordnung von zweite-Phase-Ausfällungen innerhalb der hergestellten Komponente führt. Die feine Anordnung von Ausfällungen kann zu endlicher Korngröße, Schwierigkeiten, die Legierungen zu rekristallisieren und verschlechtertem mechanischem Verhalten, z.B. Kriechwiderstand, verglichen mit Legierungen, hergestellt in einer Gussform, führen.
KURZE BESCHREIBUNG
In einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Pulverausgangsmaterials einschließlich einer Vielzahl von Teilchen bereitgestellt, um eine hergestellte Komponente zu bilden. Die hergestellte Komponente schließt eine Vielzahl von Körnern ein, die eine nominale Korngröße haben. Das Verfahren schließt das Bereitstellen des Pulverausgangsmaterials ein. Die Vielzahl von Teilchen des Pulverausgangsmaterials schließt eine Ansammlung von Phasenausfällungen, angeordnet innerhalb eines Wirtsmatrixmaterials, ein. Die Ansammlung von Phasenausfällungen hat eine erste nominale Größenverteilung. Das Verfahren schließt auch das Herstellen einer konsolidierten Komponente aus dem Pulverausgangsmaterial in einem additiven Herstellungsprozess und das Herstellen der hergestellten Komponente aus der konsolidierten Komponente ein. Die erste nominale Größenverteilung der Ansammlung von Phasenteilchen ist bemessen, so dass wenigstens ein Teil der Ansammlung von Phasenteilchen während des gesamten additiven Herstellungsprozesses besteht und als eine verarbeitete Ansammlung von Phasenteilchen in der konsolidierten Komponente vorhanden ist. Mehr noch hat die verarbeitete Ansammlung von Phasenteilchen eine zweite nominale Größenverteilung, welche wirksam ist, die nominale Korngröße der hergestellten Komponente zu erzeugen.
Ausführungsformen des Verfahrens in Übereinstimmung mit dem einen Aspekt können weiter beispielsweise wenigstens eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
Ausführungsformen des Verfahrens können Hitzebehandlung eines Pulvermaterials aufweisen, um das Pulverausgangsmaterial zu bilden. In dem Verfahren kann das Hitzebehandeln des Pulvermaterials, um das Pulverausgangsmaterial zu bilden, das Wachsenlassen einer Phase innerhalb des Pulvermaterials aufweisen, um die Ansammlung von Phasenteilchen zu bilden. Das Verfahren kann das Keimbilden für die Phase innerhalb des Pulvermaterials aufweisen.
Ausführungsformen des Verfahrens können das Zerstäuben eines Basismaterials zum Erzeugen des Pulvermaterials aufweisen. Das Zerstäuben des Basismaterials kann das Verarbeiten des Basismaterials unter Verwendung von Inertgaszerstäubung, Wasserzerstäubung, Ölzerstäubung, Vakuumzerstäubung, Plasmazerstäubung oder Zentrifugalzerstäubung aufweisen.
In Ausführungsformen des Verfahrens kann das Wirtsmatrixmaterial eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen: Aluminium (Al), Cobalt (Co), Eisen (Fe), Nickel (Ni) und Titan (Ti).
In Ausführungsformen des Verfahrens kann das Wirtsmatrixmaterial eines der folgenden aufweisen: Eine aluminiumbasierte Legierung, eine Fe-basierte Legierung, eine Ni-basierte Legierung und eine Ti-basierte Legierung.
In Ausführungsformen des Verfahrens kann die Ansammlung von Phasenteilchen eine oder mehrere der folgenden aufweisen: Karbide, Boride, Nitride, Oxide, intermetallische Verbindungen und topografisch eng gepackte (TCP) Phasen.
In Ausführungsformen des Verfahrens kann das Herstellen der hergestellten Komponente aus der konsolidierten Komponente das Hitzebehandeln der konsolidierten Komponente aufweisen.
In einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Bilden einer konsolidierten Komponente einschließlich einer Vielzahl von Körnern mit einer nominalen Korngröße bereitgestellt. Das Verfahren schließt das Zerstäuben einer Metalllegierung ein, um ein Pulvermaterial einschließlich eines Wirtsmatrixmaterials und einer Ansammlung von Phasenteilchen angeordnet innerhalb des Wirtsmatrixmaterials zu erzeugen. Die erste Ansammlung von Phasenteilchen hat eine erste nominale Größenverteilung. Das Verfahren schließt auch das Erhöhen der ersten nominalen Größenverteilung der Population von Phasenteilchen auf eine zweite nominale Größenverteilung angeordnet innerhalb des Wirtsmatrixmaterials ein. Zusätzlich schließt das Verfahren das Richten eines Energiestrahls ausgegeben von einem Energiegerät auf eine Schicht von Pulvermaterial ein, und das Erzeugen einer Schmelzlache in der Pulvermateriallage mit dem Energiestrahl ein, um eine konsolidierte Komponente zu erzeugen. Der Energiestrahl wendet Energie auf das Pulvermaterial an, die nicht ausreicht, um die Ansammlung von Phasenteilchen vollständig zu schmelzen. Zusätzlich ist die zweite nominale Größenverteilung der Ansammlung von Phasenteilchen wirksam, um die nominale Korngröße der konsolidierten Komponente zu erzeugen.
Ausführungsformen des Verfahrens in Übereinstimmung mit den anderen Aspekten können zusätzlich beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
In Ausführungsformen des Verfahrens kann das Vergrößern der ersten nominalen Größenverteilung der Ansammlung von Phasenteilchen das Hitzebehandeln des Pulvermaterials aufweisen. Das Hitzebehandeln des Pulvermaterials kann das Hitzebehandeln des Pulvermaterials auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen und einschließlich etwa 800°C und etwa 1200° C aufweisen.
In Ausführungsformen des Verfahrens kann das Erhöhen der ersten nominalen Größenverteilung das Herstellen einer zweiten nominalen Größenverteilung aufweisen, die wenigstens 10% größer ist als die erste nominale Größenverteilung.
In Ausführungsformen des Verfahrens kann das Zerstäuben der Metalllegierung das Verarbeiten der Metalllegierung unter Verwendung von Inertgaszerstäubung, Wasserzerstäubung, Ölzerstäubung, Vakuumzerstäubung, Plasmazerstäubung oder Zentrifugalzerstäubung aufweisen.
In Ausführungsformen des Verfahrens kann das Zerstäuben der Metalllegierung das Zerstäuben einer der folgenden aufweisen: Al-basierte Legierung, Co-basierte Legierung, Fe-basierte Legierung, Ni-basierte Legierung und Ti-basierte Legierung.
In Ausführungsformen des Verfahrens kann das Wirtsmatrixmaterial eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen: Aluminium (Al), Kobalt (Co), Eisen (Fe), Nickel (Ni) und Titan (Ti).
In Ausführungsformen des Verfahrens kann die Ansammlung von Phasenteilchen eines oder mehrere der folgenden aufweisen: Karbide, Boride, Nitride, Oxide, intermetallische Verbindungen und topografisch eng gepackte (TCP)-Phasen.
Ausführungsformen des Verfahrens können das Herstellen einer hergestellten Komponente aus einer konsolidierten Komponente aufweisen. Das Herstellen der hergestellten Komponente aus der konsolidierten Komponente kann das Wärmebehandeln der konsolidierten Komponente aufweisen.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden werden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile über die Zeichnungen hinweg repräsentieren, wobei:

1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften additiven Herstellungssystems einschließlich eines Vorbehandlungsheizsystems ist;
2 eine schematische Ansicht einer beispielhaften additiven Herstellungseinrichtung einschließlich des additiven Herstellungssystems, gezeigt in 1, ist; und
3 zwei Mikroabbildungen der Mikrostruktur von Teilchen eines Pulverausgangsmaterials zur Verwendung in dem additiven Herstellungssystem, gezeigt in 1, ist.

Wenn nicht anders angezeigt, sind die Zeichnungen, die hierin zur Verfügung gestellt werden, dazu gedacht, die Merkmale von Ausführungsformen dieser Offenbarung zu veranschaulichen. Diese Merkmale gelten als anwendbar in einer großen Vielzahl von Systemen, die eine oder mehrere Ausführungsformen dieser Offenbarung aufweisen. Von daher sind die Zeichnungen nicht dazu gedacht, alle konventionellen Merkmale zu enthalten, die dem Fachmann als erforderlich für die Ausführung der Ausführungsformen, die hierin offenbart sind, bekannt sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen wird Bezug auf eine Anzahl von Begriffen genommen, welche definiert werden sollen, die folgende Bedeutung zu haben.
Die Singularformen „einer“, „eine“ und „der, die, das“ schließen Mehrzahlbezüge ein, es sei denn, der Zusammenhang sagt klar etwas anderes.
„Optional“ oder „Optional“ bedeutet, dass das nachfolgend beschriebene Ereignis oder der Umstand erscheinen kann oder nicht kann und dass die Beschreibung Beispiele einschließt, wo das Ereignis erscheint und Beispiele, wo es dies nicht tut.
Annähernde Sprache, wie sie hierin in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, kann angewendet werden, um jede quantitative Angabe zu modifizieren, die zulässigerweise variieren kann, ohne dass dies eine Veränderung der grundsätzlichen Funktion, auf die sie sich bezieht, ergibt. Entsprechend sollen Werte, die durch einen Begriff oder Begriffe wie beispielsweise „etwa“, „ungefähr“ und „im Wesentlichen“ modifiziert sind, nicht auf den präzisen angegebenen Wert spezifiziert werden. In wenigstens einigen Beispielen kann die annähernde Sprache zu der Präzision eines Instruments zum Messen des Wertes korrespondieren. Hier und in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen können Bereichsbeschränkungen kombiniert und/oder ausgetauscht werden, solche Bereiche werden identifiziert und schließen alle Unterbereiche, die darin eingeschlossen sind, ein, es sei denn der Zusammenhang oder die Sprache zeigen etwas anderes an.
Wie hierin verwendet sind die Begriffe „Prozessor“ und „Computer“ und damit verwandte Begriffe, z.B. „Verarbeitungsgerät“ und „Berechnungsgerät“ nicht auf solche integrierten Schaltkreise beschränkt, auf die im Stand der Technik als Computer Bezug genommen wird, sondern beziehen sich allgemein auf einen Mikrocontroller, einen Mikrocomputer, eine programmierbare Logiksteuerung (PLC), einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis und andere programmierbare Schaltkreise, und diese Begriffe werden hierin austauschbar verwendet. In den Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, kann der Speicher einschließen, ist aber nicht auf ein computerlesbares Medium beschränkt, wie beispielsweise einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und ein computerlesbares nicht flüchtiges Medium, wie beispielsweise einen Flashspeicher. Alternativ können auch eine Diskette, ein Compactdisc-Nur-Lesespeicher (CD-ROM), eine magnetooptische Diskette (MOD) und/oder eine digitale vielseitige Scheibe (DVD) verwendet werden. Auch können in den hierin beschriebenen Ausführungsformen zusätzliche Eingabekanäle sein, aber nicht beschränkt sein auf Computerperipheriegeräte, welche mit einer Bedienerschnittstelle, wie beispielsweise einer Maus und einer Tastatur verbunden sind. Alternativ können auch andere Computerperipheriegeräte verwendet werden, welche beispielsweise eine Scanner einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein. Zudem können zusätzliche Ausgabekanäle in den beispielhaften Ausführungsformen einen Bedienerschnittstellenmonitor einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein.
Wie hierin verwendet, ist der Begriff „nicht flüchtige computerlesbare Medien“ dazu gedacht, repräsentativ für jedes greifbare computerbasierte Gerät zu sein, welches in jedem Verfahren oder Technologie zur kurzfristigen und langfristigen Speicherung von Information verwendet wird, wie beispielsweise computerlesbare Instruktionen, Datenstrukturen, Programmmodule und Submodule und andere Daten in einem beliebigen Gerät. Daher sind die Verfahren, die hierin beschrieben sind, als ausführbare Instruktionen kodiert, die in einem greifbaren, nicht-flüchtigen computerlesbaren Medium verkörpert sind, darunter ohne Beschränkung ein Aufbewahrungsgerät und/oder ein Speichergerät. Solche Instruktionen veranlassen den Prozessor, wenn durch einen Prozessor ausgeführt, dazu, wenigstens einen Teil der Verfahren, die hierin beschrieben sind, auszuführen.
Zudem schließt der Begriff „nicht-flüchtige computerlesbare Medien“, wie hierin verwendet, alle greifbaren computerlesbaren Medien, darunter ohne Beschränkung nicht-flüchtige Computeraufbewahrungsgeräte, darunter ohne Beschränkung flüchtige und nicht-flüchtige Medien und entfernbare und nicht entfernbare Medien sowie firmware, physikalische und virtuelle Speicher, CD-ROMs, DVDs und beliebige andere digitale Quellen, wie beispielsweise ein Netzwerk oder das Internet ein, und auch noch zu entwickelnde digitale Mittel mit der einzigen Ausnahme eines vorübergehenden, sich ausbreitenden Signals.
Ausführungsformen eines Pulvermaterialvorbehandlungsheizsystems, beispielsweise zum Verwenden in einem additiven Herstellungssystem, heizen ein Pulverausgangsmaterial vor dem Herstellen einer Komponente aus dem hitzebehandelten Pulverausgangsmaterial vor. Das Vorbehandlungsheizsystem wendet Hitze auf ein Pulverausgangsmaterial an, bevor das Pulverausgangsmaterial zu einer Komponente geformt wird, um das Überführen des Pulverausgangsmaterials in einen Zustand zu vereinfachen, indem eine oder mehrere Phasen als eine Dispersion innerhalb der Mikrostruktur der Pulverteilchen des Pulverausgangsmaterials vorliegen. Die Hitzebehandlung des Pulverausgangsmaterials in dem Vorbehandlungsheizsystem aktiviert ein vorbestimmtes Maß an Zweite-Phase-Teilchenvergröberung und/oder -erzeugung. Vergröberung schließt das Kombinieren von wenigstens einigen der Zweite-Phase-Teilchen mit anderen Zweite-Phase-Teilchen ein, um die Zweite-Phase-Teilchengröße zu erhöhen. Die Zweite-Phase-Teilchen weisen eine Zusammensetzung und Größe auf, so dass, wenn diese beispielsweise in einem additiven Herstellungssystem verarbeitet werden, um einen konsolidierten Artikel herzustellen, die Zweite-Phase-Teilchen während der gesamten Konsolidierungsprozedur bestehen und innerhalb des konsolidierten Artikels vorhanden ist. Die Zweite-Phase-Teilchen können während des additiven Herstellungsprozesses verändert werden (sie können beispielsweise teilweise schmelzen oder aufgelöst werden, so dass die Teilchen in dem konsolidierten Artikel im Durchschnitt kleiner sind als in dem Pulverausgangsmaterial), aber die Teilchen sind innerhalb des konsolidierten Artikels vorhanden und haben eine Größe der Zweite-Phase-Teilchen, die größtenteils verantwortlich für eine Korngröße des Materials (über Zener-Verankerung) nach Nachhitzebehandlung ist. Kleinere Größenverteilung von beispielsweise Oxiden und Karbiden führen oft zu feineren Korngrößen in der konsolidierten Komponente nach Hitzebehandlung. Durch Vergröberung und/oder Erzeugung solcher Zweite-PhasenTeilchen innerhalb des Pulverausgangsmaterials vor dem Konsolidieren des Pulvers kann die endgültige Mikrostruktur der konsolidierten Komponente in einer Weise gesteuert werden, die zu erhöhter Korngrößen, verbesserter Rekristallisation der Legierung und vergleichbares Kriechverhalten, verglichen mit Legierungen verarbeitet in einer Gussform führt, was typischerweise mit typischen additiven Herstellungssystemen unerreichbar ist.
1 ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften additiven Herstellungssystems 10. In der beispielhaften Ausführungsform ist das additive Herstellungssystem 10 ein direktes Metalllaserschmelz(DMLM)-System. Obwohl Ausführungsformen hierin mit Bezug auf ein DMLM-System beschrieben werden, wird bemerkt, dass das additive Herstellungssystem 10 jeder beliebige Pulverkonsolidierungsprozess sein kann, der das additive Herstellungssystem 10 dazu befähigt, eine Komponente unter Verwendung wenigstens eines Pulvermaterials herzustellen. Beispielsweise und ohne Beschränkung kann das additive Herstellungssystem 10 ein Direkt-Metall-Laser-Sinterungs(DMLS)-System, ein selektives Lasersinterungs(SLS)-System, ein selektives Laserschmelz(SLM)-System und ein Elektronenstrahlschmelz(EBM)-System und ein Bindemittelstrahlsystem oder ein beliebiges anderes additives Herstellungssystem sein, das ein Metallpulverausgangsmaterial erfordert.
Um das Pulvermaterial herzustellen, werden zuerst Pulverpartikel aus einem Ausgangsmaterial hergestellt. Mehrere Pulverherstellungstechniken sind bekannt. In Inertgaszerstäubung beispielsweise wird das Ausgangsmaterial, welches zu einem Pulver gemacht werden soll, geschmolzen und ein Strahl von Inertgas wird gegen einen Strahl des geschmolzenen Metalls gerichtet. Tröpfchen des geschmolzenen Metalls werden hergestellt, und diese Tröpfchen werden fest, um die Pulverteilchen herzustellen. Andere Zerstäubungsverfahren schließen Wasserzerstäubung, Ölzerstäubung, Vakuumzerstäubung, Plasmazerstäubung und Zentrifugalzerstäubung ein, darunter Prozesse wie beispielsweise rotierende Elektrode, drehender Becher und rotierende Scheibe-Verfahren. Wie auch immer hergestellt, werden Pulverpartikel danach verarbeitet, um die Komponente zu bilden.
In der beispielhaften Ausführungsform schließt das additive Herstellungssystem 10 eine Herstellungsplattform 12 ein Vorbehandlungsheizsystem 13, ein Energiegerät 14, welches dazu eingerichtet ist, einen Energiestrahl 16 zu erzeugen, ein erstes Scangerät 18, welches dazu eingerichtet ist, den Energiestrahl 16 wahlweise quer über die Herstellungsplattform 12 zu richten, einen Energiestrahl 16 und ein Nachbehandlungsheizsystem 15 ein. Das beispielhafte additive Herstellungssystem 10 schließt ferner ein Rechnergerät 24 und eine Steuerung 26 ein, die dazu eingerichtet ist, ein oder mehrere Komponenten des additiven Herstellungssystems 10 wie hierin in größerem Detail beschrieben, zu steuern.
Ein Pulverausgangsmaterial 21 schließt ein Wirtsmatrixmaterial einschließlich einer Vielzahl von Teilchen und eine Ansammlung von Phasenteilchen ein, welche innerhalb der Teilchen des Wirtsmatrixmaterials angeordnet sind. Die Teilchen schließen Materialien geeignet zum Bilden einer konsolidierten oder festen Komponente 28, darunter, ohne Beschränkung, zerstäubte Legierungen von Kobalt (Co), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Titan (Ti), Nickel (Ni) und Kombinationen davon ein. In anderen Ausführungsformen schließt das Pulverausgangsmaterial 21 einen beliebigen geeigneten Typ von Pulverausgangsmaterial ein, der das additive Herstellungssystem 10 dazu befähigt, wie hierin beschrieben zu funktionieren, darunter z.B. und ohne Beschränkung keramische Pulver, metallbeschichtete keramische Pulver und duroplastische oder thermoplastische Harze. In einer Ausführungsform schließt die Ansammlung von Phasenteilchen von Pulverausgangsmaterial 21 eine Vielzahl von kleinen Zweite-Phase-Teilchen, eingebettet innerhalb der Teilchen des Wirtsmatrixmaterials ein. In der beispielhaften Ausführungsform schließt die Vielzahl von kleinen Zweite-Phase-Teilchen beliebige Karbide, Boride, Nitride, Oxide, intermetallische Verbindungen oder topografisch eng gepackte (TCP)-Phasen ein, welche das additive Herstellungssystem 10 dazu befähigen, wie hierin beschrieben zu funktionieren. In anderen Ausführungsformen können die kleinen Zweite-Phase-Teilchen keimgebildet und/oder während eines Hitzebehandlungsprozesses gebildet werden.
In der beispielhaften Ausführungsform schließt das Vorbehandlungsheizsystem 13 einen Ofen 20 ein, der dazu eingerichtet ist, das Pulverausgangsmaterial 21 zu erhitzen und in manchen Ausführungsformen das Pulverausgangsmaterial 21 während des Hitzebehandlungsprozesses zu mischen. Das Mischen des Pulverausgangsmaterials 21 während des Wärmebehandlungsprozesses vereinfacht das Verhindern des Sinterns des Pulverausgangsmaterials 21 und/oder des teilweisen Kombinierens. In beispielhaften Ausführungsformen schließt der Ofen 20 beispielsweise und ohne Beschränkung einen Drehofen, einen Röhrenofen, einen Wirbelschichtofen, einen Zyklonofen und/oder einen Ultraschallofen ein. Allerdings schließt der Ofen 20 jedes Heizgerät ein, das das additive Herstellungssystem 10 dazu befähigt, wie hierin beschrieben zu funktionieren. In einer anderen Ausführungsform kann das Ausgangsmaterial 21 wenigstens teilweise durch den Ofen 20 gesintert und nachfolgend auseinandergebrochen oder zurück in ein Pulvermaterial reduziert werden. Beispielsweise und ohne Beschränkung kann das gesinterte Ausgangsmaterial 21 einer Nachhitzebehandlungstrennung unter Verwendung einer oder mehrerer Mahl-, Bruchbox-, Einformungs- und/oder eines anderen Trennungsprozesses unterworfen werden.
In der beispielhaften Ausführungsform wird das Pulverausgangsmaterial 21 in einem Vorbehandlungsheizsystem 13 platziert und auf eine vorbestimmte Temperatur für eine vorbestimmte Zeit durch den Ofen 20 erhitzt. In einer Ausführungsform heizt das Vorbehandlungsheizsystem 13 beispielsweise ein Co, Fe, Ni und Ti-basiertes Legierungspulverausgangsmaterial auf eine Temperatur in dem Bereich zwischen und einschließlich 700 Grad Celsius (°C) (1292 Grad Fahrenheit (°F)) bis 1400°C (2552°F). Zusätzlich hält das Vorbehandlungsheizsystem 13 solch ein Pulverausgangsmaterial innerhalb dieses Temperaturbereichs für eine Dauer bis zu 100 Stunden. Spezieller kann das Vorbehandlungsheizsystem 13 verwendet werden, um Nickel- und Co-basierte Legierungen auf eine Temperatur in dem Bereich zwischen und einschließlich 800°C (1472°F) bis 1200°C (2192°F) für eine Dauer von bis zu 72 Stunden zu heizen, um das Bilden und/oder Wachsen von beispielsweise der Vielzahl von kleinen Zweite-Phase-Teilchen einschließlich Karbiden, Oxiden und TCP-Phasen zu vereinfachen. Eisenhaltige Legierungen oder eisenbasierte Legierungen können bis auf eine Temperatur in dem Bereich zwischen und einschließlich 700°C (1292°F) bis 1350°C (2462°F) für eine Zeitdauer von bis zu 100 Stunden erhitzt werden, um das Bilden und/oder Wachsen beispielsweise einer Vielzahl von kleinen Zweite-Phase-Teilchen einschließlich Karbiden, Oxiden und TCP-Phasen zu ermöglichen. Zudem können Ti-basierte Legierungen bis auf eine Temperatur in dem Bereich zwischen und einschließlich 900°C (1652°F) bis 1400°C (2552°F) für eine Zeitdauer von bis zu 100 Stunden erhitzt werden, um das Bilden und/oder Wachsen z.B. einer Vielzahl von kleinen Zweite-Phase-Teilchen einschließlich Karbiden und Boriden zu ermöglichen.
In einer anderen Ausführungsform heizt das Vorbehandlungsheizsystem 13 ein Al-basiertes-Legierung-Pulverausgangsmaterial bis auf eine Temperatur in dem Bereich zwischen und einschließlich 100°C (212°F) bis 550°C (1022°F) für eine Zeitdauer von bis zu 1000 Stunden auf, um das Bilden und/oder Wachsen beispielsweise einer Vielzahl von kleinen Zweite-Phase-Teilchen einschließlich Oxiden und Boriden zu ermöglichen. Zusätzlich heizt in einer anderen Ausführungsform das Vorbehandlungsheizsystem 13 ein feuerfestes Pulverausgangsmaterial, wie beispielsweise ein Keramikpulvermaterial, bis auf eine Temperatur größer als 2000°C (3632°F) für eine Zeitdauer von bis zu 1000 Stunden auf.
Die Hitzebehandlung des Pulverausgangsmaterials 21 in dem Vorbehandlungsheizsystem 13 veranlasst die Vielzahl von kleinen Zweite-Phase-Teilchen in eine Vielzahl von großen Zweite-Phase-Teilchen zu vergröbern und/oder erzeugt eine Vielzahl von Zweite-Phase-Teilchen, welche eine ausgewählte erste nominale Größenverteilung aufweisen und im Wesentlichen gleichförmig über das gesamte Pulverausgangsmaterial 21 verteilt sind. Wie hierin beschrieben verbessert die Vielzahl von großen Zweite-Phase-Teilchen die physikalischen Eigenschaften der festen Komponente 28.
In einer anderen Ausführungsform ist das Vorbehandlungsheizsystem 13 dazu eingerichtet, das Pulverausgangsmaterial 21 in einer ausgewählten Atmosphäre wärmezubehandeln, welche dazu eingerichtet ist, das Vergröbern und/oder die Erzeugung der Vielzahl von Zweite-Phase-Teilchen zu ermöglichen. Beispielsweise kann das Pulverausgangsmaterial 21 in einer Atmosphäre einschließlich beispielsweise und ohne Beschränkung einer inerten, einer reduzierenden oder einer oxidierenden Atmosphäre wärmebehandelt werden, um das Manipulieren des Volumenanteils der Zweite-Phase-Teilchen auf der Oberfläche und innerhalb der Metallpulverteilchen zu ermöglichen. In einer Ausführungsform kann das Pulverausgangsmaterial 21 in einer inerten Umgebung, wie beispielsweise einem Vakuum oder argongefüllter Umgebung wärmebehandelt werden. In einer anderen Ausführungsform kann das Pulverausgangsmaterial 21 in einer reaktiven Umgebung wärmebehandelt werden, wie beispielsweise einer karbonisierenden Atmosphäre (beispielsweise ein Gas einschließlich Methan, Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid) wärmebehandelt werden.
In manchen Ausführungsformen ist das Vorbehandlungsheizsystem 13 dazu eingerichtet, selektiv Temperaturen und Zeitdauern von Wärmebehandlung auszuwählen, um eine oder mehrere Zweite-Phase-Ausfällungen mehr zu vergröbern als andere, welches das Feineinstellen der endgültigen Mikrostruktur der Komponente 28 ermöglicht. Das heißt, das Vorbehandlungsheizsystem 13 wählt selektiv Temperaturen und Zeitdauern von Wärmebehandlungen aus, um das Vergröbern von Karbiden zu ermöglichen während die Teilchengröße von Oxiden beibehalten wird. In einer anderen Ausführungsform ist das Vorbehandlungsheizsystem 13 dazu eingerichtet, Pulverausgangsmaterial 21 zu erhitzen, um topologisch eng gepackte (TCP)-Phasen auszufällen, die bei höheren Temperaturen stabiler als konventionelle Stärkungsphasen wie Gamma-Strich und Gamma-Zwei-Strich sein können. In anderen Ausführungsformen ist das Vorbehandlungsheizsystem 13 dazu eingerichtet, Pulverausgangsmaterial 21 als eine Reinigungsprozedur zu erhitzen, um adsorbierte Spezies kurz vor der Konsolidierung zu entwickeln, um die Verbesserung der Fertigbarkeit und/oder physikalischer Eigenschaften der Komponente 28, wie beispielsweise ohne Beschränkung Stärke, Zähfestigkeit, Duktilität, Härte, Korrosionsbeständigkeit, Hohe/Niedrige-Temperatur-Verhalten und/oder Abnutzungsbeständigkeit zu ermöglichen.
In der beispielhaften Ausführungsform wird das Pulverausgangsmaterial 21 von dem Vorbehandlungsheizsystem 13 zu der beispielsweise Herstellungsplattform 12 mittels eines Materialtransfersystems 23 transferiert. Das Transfersystem 23 schließt einen Behälter 25 ein, der dazu eingerichtet ist, das Pulverausgangsmaterial 21 zu transferieren. In einer Ausführungsform wird das Pulverausgangsmaterial 21 im Behälter 25 in einer in einer inerten Umgebung transferiert. In der beispielhaften Ausführungsform wird das Pulverausgangsmaterial 21 zu dem Behälter 25 von dem Vorbehandlungsheizsystem 13 wie durch den Pfeil 9 gezeigt transferiert und danach von dem Behälter 25 zu der Herstellungsplattform 12 wie durch den Pfeil 11 angezeigt. In einer anderen Ausführungsform schließt das Transfersystem 23 eine Reihe von Leitungen, Rohren oder Bändern (nicht gezeigt) ein, welche dazu eingerichtet sind, automatisch Pulverausgangsmaterial 21 von dem Vorbehandlungsheizsystem 13 zu der Herstellungsplattform 12 zu transferieren. In der beispielhaften Ausführungsform wird Pulverausgangsmaterial 21 wenigstens teilweise geschmolzen und wieder erstarrt, während des additiven Herstellungsprozesses, um eine feste Komponente 28 beispielsweise auf der Herstellungsplattform 12 zu bilden. In der beispielhaften Ausführungsform bleibt die Herstellungsplattform 12 während des Bildungsprozesses stationär. Allerdings ist die Herstellungsplattform 12 in einer anderen Ausführungsform dazu eingerichtet, das Pulverausgangsmaterial 21 zu mischen, um das Verhindern von Sintern des Pulverausgangsmaterials 21 zu verhindern, beispielsweise wenn wärmebehandeltes Pulverausgangsmaterial 21 zu der Herstellungsplattform 12 bei einer erhöhten Temperatur transferiert wird.
Wie in 1 gezeigt ist das Energiegerät 14 dazu eingerichtet, den Energiestrahl 16 von ausreichender Energie zu erzeugen, um das Pulverausgangsmaterial 21 wenigstens teilweise zu schmelzen. Allerdings wendet der Energiestrahl 16 unzureichende Energie auf das Pulverausgangsmaterial 21 an, um die Vielzahl von großen Zweite-Phase-Teilchen vollständig zu schmelzen. Von daher besteht wenigstens ein Teil der Vielzahl von großen Zweite-Phase-Teilchen während der Herstellung der festen Komponente 28 und ist als eine verarbeitete Ansammlung von Phasenteilchen in der festen Komponente 28 vorhanden. Die verarbeitete Ansammlung von Phasenteilchen hat eine zweite nominale Größenverteilung, die wirksam ist, eine ausgewählte (oder nominale) Korngröße der festen Komponente 28 zu erzeugen. Von daher ermöglicht die zweite nominale Größenverteilung der großen Zweite-Phase-Teilchen, die in der festen Komponente 28 besteht, eine veränderte Mikrostruktur, die beispielsweise große Korngrößen und verbesserte Rekristallisation der Legierung nach Nachheizbehandlung und vergleichbarem Kriechverhalten verglichen mit Legierungen hergestellt in einer Gussform ermöglicht.
In der beispielhaften Ausführungsform ist das Energiegerät 14 ein Lasergerät wie beispielsweise ein Neodymdotierter Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG)-Festkörperlaser, der den Energiestrahl 16 emittiert. In alternativen Ausführungsformen schließt das additive Herstellungssystem 10 ein Energiegerät 14 ein, das das additive Herstellungssystem 10 dazu befähigt, wie hierin beschrieben zu funktionieren, wie beispielsweise einen kontinuierlichen, einen modulierten, einen Gepulste-Welle-Laser, einen Kohlenstoffdioxidlaser oder einen Elektronenstrahlgenerator. Zudem schließt, obwohl das additive Herstellungssystem 10 als ein einziges Energiegerät 14 einschließend gezeigt und beschrieben ist, das additive Herstellungssystem 10 in manchen Ausführungsformen mehr als ein Lasergerät ein. In einer Ausführungsform beispielsweise schließt das additive Herstellungssystem 10 ein erstes Lasergerät, welches eine erste Leistung aufweist, und ein zweites Lasergerät mit einer zweiten Leistung ein, die von der ersten Laserleistung verschieden ist, oder wenigstens zwei Lasergeräte, die im Wesentlichen dieselbe Leistungsausgabe haben. In noch einer anderen Ausführungsform schließt das additive Herstellungssystem 10 jede Kombination von Lasergeräten ein, die es dem additiven Herstellungssystem 10 ermöglichen, wie hierin beschrieben zu funktionieren.
In der beispielhaften Ausführungsform ist das Energiegerät 14 optisch mit den optischen Elementen 30 und 32 gekoppelt, die das Fokussieren des Energiestrahls 16 auf die Herstellungsplattform 12 ermöglichen. Die optischen Elemente 30 und 32 schließen einen Strahlkollimator 30, angeordnet zwischen Energiegerät 14 und einem Scangerät 18 ein, und in manchen Ausführungsformen eine F-Theta-Linse 32 angeordnet zwischen dem Scangerät 18 und der Herstellungsplattform 12. In anderen Ausführungsformen schließt das additive Herstellungssystem 10 einen beliebigen geeigneten Typ und Anordnung von optischen Elementen ein, die einen kollimierten und/oder fokussierten Energiestrahl auf die Herstellungsplattform 12 bereitstellen.
Das erste Scangerät 18 ist dazu eingerichtet, den Energiestrahl 16 über ausgewählte Abschnitte der Herstellungsplattform 12 zu richten, um die feste Komponente 28 zu erzeugen. In der beispielhaften Ausführungsform ist das Scangerät 18 ein Galvanometer-Scangerät einschließlich eines Spiegels 34, welcher mit einem Galvanometer-gesteuerten Motor 36 (allgemein ein Aktuator) gekoppelt ist. Der Motor 36 ist dazu eingerichtet, den Spiegel 34 als Antwort auf Signale empfangen von der Steuerung 26 zu bewegen (speziell zu rotieren) und dabei den Energiestrahl 16 über ausgewählte Abschnitte der Herstellungsplattform 12 abzulenken. In manchen Ausführungsformen schließt der Spiegel 34 eine reflektierende Beschichtung ein, die ein Reflexionsspektrum hat, das zu der Wellenlänge des Energiestrahls 16 korrespondiert.
Obwohl das Scangerät 18 mit einem einzigen Spiegel 34 und einem einzigen Motor 36 veranschaulicht ist, schließt das Scangerät 18 jede geeignete Anzahl von Spiegeln und Motoren ein, die das Scangerät 18 dazu befähigen, wie hierin beschrieben zu funktionieren. In einer Ausführungsform schließt das Scangerät 18 beispielsweise zwei Spiegel und zwei galvanometergesteuerte Motoren ein, welche je mit einem der Spiegel gekoppelt sind. In noch einer anderen Ausführungsform schließt das Scangerät 18 jedes geeignete Scangerät ein, das das additive Herstellungssystem 10 dazu befähigt, wie hierin beschrieben zu funktionieren, wie beispielsweise Zweidimensions(2D)-Scangalvanometer, Dreidimensionen(3D)-Scangalvanometer und dynamisch fokussierende Galvanometer.
Das Rechengerät 24 schließt ein Computersystem ein, welches wenigstens einen Prozessor (nicht gezeigt) in 1 einschließt, der ausführbare Instruktionen ausführt, um das additive Herstellungssystem 10 zu betreiben. Das Rechengerät 24 schließt beispielsweise ein Kalibrationsmodell des additiven Herstellungssystems 10 und eine elektronische Computerherstellungsdatei zugehörig zu einer Komponente wie beispielsweise Komponente 28 ein. Das Kalibrationsmodell schließt beispielsweise und ohne Beschränkung eine erwartete oder gewünschte Schmelzpoolgröße und Temperatur unter einem gegebenen Satz von Betriebsbedingungen (z.B. einer Leistung des Energiegeräts 14) des additiven Herstellungssystems 10 ein. Die Herstellungsdatei schließt Herstellungsparameter ein, welche verwendet ein, um eine oder mehrere Komponenten des additiven Herstellungssystems 10 zu steuern. Herstellungsparameter schließen ohne Beschränkung eine Leistung des Energiegerätes 14, eine Scangeschwindigkeit des Scangeräts 18 und eine Position und Orientierung des Scangeräts 18 (speziell Spiegel 34) ein. In der beispielhaften Ausführungsform sind das Rechengerät 24 und die Steuerung 26 als getrennte Geräte gezeigt. In anderen Ausführungsformen werden das Rechengerät 24 und die Steuerung 26 in einem einzigen Gerät kombiniert, welches sowohl als Rechengerät 24 als auch als Steuerung 26 arbeitet, wie jeweils hierin beschrieben.
Die Steuerung 26 schließt jeden geeigneten Steuerungstyp ein, welcher es dem additiven Herstellungssystem 10 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu funktionieren. In einer Ausführungsform ist die Steuerung 26 ein Computersystem, das wenigstens einen Prozessor und wenigstens ein Speichergerät einschließt, welche ausführbare Instruktionen ausführen, um den Betrieb des additiven Herstellungssystems basierend wenigstens teilweise auf Instruktionen von menschlichen Bedienern zu steuern. Die Steuerung 26 schließt beispielsweise ein 3D-Modell der Komponente 28 ein, die durch das additive Herstellungssystem 10 herzustellen ist. Ausführbare Instruktionen, welche durch die Steuerung 26 ausgeführt werden, schließen die die Steuerung der Leistungsausgabe des Energiegeräts 14 und die Steuerung einer Position und Scangeschwindigkeit des Scangeräts 18 ein.
Die Steuerung 26 ist dazu eingerichtet, eine oder mehrere Komponenten des additiven Herstellungssystems 10 basierend auf den Herstellungsparametern verbunden mit einer gespeicherten Herstellungsdatei z.B. innerhalb des Rechengeräts 24 zu steuern. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Steuerung 26 dazu eingerichtet, das Scangerät 18 basierend auf einer Herstellungsdatei zugehörig zu einer mit dem additiven Herstellungssystem 10 herzustellenden Komponente zu steuern. Spezieller ist die Steuerung 26 dazu eingerichtet, die Position, die Bewegung und die Scangeschwindigkeit des Spiegels 24 unter Verwendung des Motors 36 basierend auf einem vorbestimmten Pfad definiert durch eine Herstellungsdatei verbunden mit der Komponente 28 zu steuern. Die Steuerung 26 ist auch dazu eingerichtet, andere Komponenten des additiven Herstellungssystems 10 einschließlich ohne Beschränkung des Energiegeräts 14 zu steuern. In einer Ausführungsform steuert die Steuerung 26 beispielsweise die Energieausgabe des Energiegeräts 14 basierend auf Herstellungsparametern verbunden mit einer Herstellungsdatei.
In der beispielhaften Ausführungsform schließt das additive Herstellungssystem 10 auch ein Nachbehandlungsheizsystem 15 ein. Die feste Komponente 28 wird von der Herstellungsplattform 12 zu dem Nachbehandlungsheizsystem 15 durch das Transfersystem 13 wie durch den Pfeil 17 angezeigt transferiert. In der beispielhaften Ausführungsform schließt das Nachbehandlungsheizsystem 15 einen Ofen 22 ein, der dazu eingerichtet ist, die feste Komponente 28 zu heizen und/oder spannungsfrei zu machen, um eine hergestellte Komponente zu erzeugen. Das Spannungsfreimachen schließt das langsame Kühlen der festen Komponente ein, um interne Spannungen zu reduzieren. Während des Spannungsfreimachen-Prozesses wird die Komponente 28 in dem Nachbehandlungsheizsystem 15 bei einer vorbestimmten Temperatur platziert. Die Temperatur des Nachbehandlungsheizsystems 15 wird langsam reduziert, was es der hergestellten Komponente erlaubt, langsam abzukühlen. Das spannungsfrei machen verbessert die Eigenschaften der hergestellten Komponente hergestellt aus der festen Komponente 28. In bestimmten Ausführungsformen kann schnelles Abkühlen von Temperaturen zum spannungsfrei machen bevorzugt sein.
2 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften additiven Herstellungseinrichtung 200. In der beispielhaften Ausführungsform schließt die additive Herstellungseinrichtung 200 ein zentralisiertes Vorbehandlungsheizsystem 202, eine Vielzahl von additiven Herstellungssystemen 210 und ein zentralisiertes Nachbehandlungsheizsystem 204 ein. Das zentralisierte Vorbehandlungsheizsystem 202 schließt einen Ofen 216 ein, der dazu eingerichtet ist, mehrere Chargen von Pulverausgangsmaterial 21 zu heizen und Pulverausgangsmaterial 21 während des Heizprozesses zu mischen. Das Mischen des Pulverausgangsmaterials 21 während des Heizprozesses verhindert das Sintern des Pulverausgangsmaterial 21. Das Heizen und das Mischen von mehreren Chargen von Pulverausgangsmaterial 21 zur selben Zeit verbessert die Effizienz der Additive-Herstellung-Einrichtung 200 und reduziert die Herstellungskosten der festen Komponente 28. In der beispielhaften Ausführungsform schließt der Ofen 216 beispielsweise ohne Beschränkung einen rotierenden Ofen, einen Röhrenofen, einen Wirbelbettofen, einen Zyklonofen und/oder ein Ultraschallanwendungsgerät ein. Allerdings schließt der Ofen 216 in alternativen Ausführungsformen jedes Heizgerät ein, welches es dem additiven Herstellungssystem 10 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu funktionieren.
In der beispielhaften Ausführungsform wird ein Pulverausgangsmaterial 21 in dem zentralisierten Vorbehandlungsheizsystem 202 platziert und auf eine vorbestimmte Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer erhitzt. Das zentralisierte Vorbehandlungsheizsystem 202 heizt beispielsweise eine Co-, Fe-, Ni- und Ti-basierte Legierung-Pulverausgangsmaterial auf eine Temperatur in dem Bereich zwischen und einschließlich 700 Grad Celsius (°C) (1292 Grad Fahrenheit (°F)) bis 1400°C (2552°F). Zusätzlich hält das zentralisierte Vorbehandlungsheizsystem 202 solch ein Pulverausgangsmaterial innerhalb dieses Temperaturbereichs für eine Zeitdauer bis zu 100 Stunden. Spezieller kann das zentralisierte Vorbehandlungsheizsystem 202 dazu verwendet werden, Ni- und Co-basierte Legierungen auf eine Temperatur im Bereich zwischen und einschließlich 800°C (1472°F) bis 1200°C (2192°F) für eine Zeitdauer von bis zu 72 Stunden zu erhitzten, um das Bilden und/oder Wachsen beispielsweise einer Vielzahl von kleinen Zweite-Phase-Teilchen einschließlich Karbiden, Oxiden und TCP-Phasen zu ermöglichen. Eisenhaltige Legierungen oder eisenbasierte Legierungen können auf eine Temperatur in dem Bereich zwischen und einschließlich 700°C (1292°F) bis 1350°C (2462°F) für eine Zeitdauer von bis zu 100 Stunden erhitzt werden, um das Bilden und/oder Wachsen von beispielsweise einer Vielzahl von kleinen Zweite-Phase-Teilchen einschließlich Karbiden, Oxiden und TCP-Phasen zu ermöglichen. Außerdem können Ti-basierte Legierungen auf eine Temperatur in dem Bereich zwischen und einschließlich 900°C (1652°F) bis 1400°C (2552°F) für eine Zeitdauer von bis zu 100 Stunden erhitzt werden, um das Bilden und/oder Wachsen beispielsweise der Vielzahl von kleinen Zweite-Phase-Teilchen einschließlich Karbiden und Boriden zu ermöglichen.
In einer anderen Ausführungsform heizt das zentralisierte Vorbehandlungsheizsystem 202 ein aluminiumbasierte-Legierung-Pulverausgangsmaterial auf eine Temperatur in dem Bereich zwischen und einschließlich 100°C (212°F) bis 550°C (1022°F) für eine Zeitdauer von bis zu 1000 Stunden, um das Bilden und/oder Wachsen beispielsweise einer Vielzahl von kleinen Zweite-Phase-Teilchen einschließlich Oxiden und Boriden zu ermöglichen. Zusätzlich heizt das zentralisierte Vorbehandlungsheizsystem 202 in einer anderen Ausführungsform ein hitzebeständiges Pulverausgangsmaterial, beispielsweise ein Pulverkeramikmaterial auf eine Temperatur > 2000°C (3632°F) für eine Zeitdauer von bis zu 1000 Stunden.
Das Heizen des Pulverausgangsmaterials 21 in dem zentralisierten Vorbehandlungsheizsystem 202 veranlasst die Vielzahl von kleinen Zweite-Phase-Teilchen zu vergröbern und/oder zu einer Vielzahl von großen Zweite-Phase-Teilchen zu kombinieren und/oder erzeugt eine Vielzahl von großen Zweite-Phase-Teilchen, die eine ausgewählte erste nominale Größenverteilung haben und im Wesentlichen gleichförmig in dem Pulverausgangsmaterial 21 verteilt sind. Wie hierin beschrieben verbessert die Vielzahl von großen Zweite-Phase-Teilchen die physikalischen Charakteristiken von festen Komponenten 28.
Das Pulverausgangsmaterial 21 wird von dem zentralisierten Vorbehandlungsheizsystem 202 zu wenigstens einem der additiven Herstellungssysteme 210 durch das Transfersystem 206 transferiert. In der beispielhaften Ausführungsform schließt das Transfersystem 206 einen Behälter 208 ein, der dazu eingerichtet ist, das Pulverausgangsmaterial 21 zu transferieren. In manchen Ausführungsformen wird das Pulverausgangsmaterial 21 durch den Behälter 208 in einer inerten Umgebung transferiert. In der beispielhaften Ausführungsform wird das Pulverausgangsmaterial 21 zu dem Behälter 208 transferiert, welcher zu dem additiven Herstellungssystem 210, wie durch die Pfeile 212 angezeigt, transferiert.
Nachdem Pulverausgangsmaterial 21 in dem Additive-Herstellung-System 210 verarbeitet wurde, um die feste Komponente 28 herzustellen, wird die feste Komponente 28 von dem Additive-Herstellung-System 210 zu dem zentralisierten Nachbehandlungsheizsystem 204 durch das Transfersystem 206 wie durch den Pfeil 214 angezeigt transferiert. In dem der beispielhaften Ausführungsform schließt das zentralisierte Nachbehandlungsheizsystem 204 einen Ofen 218 ein, der dazu eingerichtet ist, die feste Komponente 28 zu heizen und/oder spannungsfrei zu machen, um eine hergestellte Komponente zu erzeugen. Das spannungsfrei machen schließt das langsame Kühlen fester Komponenten 28 ein, um interne Spannungen zu reduzieren. Während des spannungsfrei machen Prozesses ist die feste Komponente 28 in dem zentralisierten Nachbehandlungsheizsystem 204 bei einer vorbestimmten Temperatur platziert. Die Temperatur des zentralisierten Nachbehandlungsheizsystem 204 wird langsam reduziert, was es der festen Komponente 28 erlaubt, langsam abzukühlen. Der Spannungsfreimachen-Prozess verbessert die Eigenschaften der hergestellten Komponente, welche aus der festen Komponente 28 hergestellt ist. Das Spannungsfreimachen mehrerer fester Komponenten 28 zur selben Zeit verbessert die Effizienz der Additive-Herstellung-Einrichtung 200 und reduziert die Herstellungskosten der hergestellten Komponente.
3 zeigt zwei Mikroabbildungen der Mikrostruktur der Teilchen 300 und 302 des Pulverausgangsmaterials 21. Die Ansicht 1 zeigt eine ungefähr 10.000 fache Vergrößerung des Teilchens 300 des Pulverausgangsmaterials 21, bevor das Vorbehandlungsheizsystem 13 das Pulverausgangsmaterial 21 hitzebehandelt hat. Die Ansicht 2 zeigt eine ungefähr 10.000 fache Vergrößerung des Teilchens 302 des Pulverausgangsmaterials 21, nachdem das Vorbehandlungsheizsystem 13 das Pulverausgangsmaterial 21 hitzebehandelt hat. In der veranschaulichten Ausführungsform schließt die Mikrostruktur des Teilchens 300 eine Vielzahl von kleinen Zweite-Phase-Teilchen 304 ein, welche durch das kleine Teilchen, gezeigt in Ansicht 1, repräsentiert sind, welche in der Mikrostruktur des Teilchens 300 verteilt sind. In Ansicht 2 schließt die Mikrostruktur des Teilchens 302 des Pulverausgangsmaterial 21 eine Vielzahl von Zweite-Phase-Teilchen 306 repräsentiert durch die kleineren Teilchen, gezeichnet in Ansicht 2, ein, welche innerhalb der Mikrostruktur des Teilchens 302 verteilt sind. In der veranschaulichten Ausführungsform sind die Zweite-Phase-Teilchen 304 und 306 Karbidteilchen. Allerdings schließen die Zweite-Phase-Teilchen 304 und 306 in alternativen Ausführungsformen beliebige Karbid-, Oxid-, Nitrit-, Zwischenmetallverbindung- oder TCP-Phasenteilchen ein, die es dem additiven Herstellungssystem 10 erlaubt, wie hierin beschrieben zu arbeiten.
Wie in 3 veranschaulicht, sind die Zweite-Phase-Teilchen 304 in Ansicht 1 kleiner als die Zweite-Phase-Teilchen 306 in Ansicht 2. In der beispielhaften Ausführungsform wird das Pulverausgangsmaterial 21 in dem Vorbehandlungsheizsystem 13 platziert und auf eine vorbestimmte Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer erhitzt. Das Heizen des Pulverausgangsmaterials 21 in dem Vorbehandlungsheizsystem 13 ermöglicht das Erzeugen und/oder Veranlassen der Zweite-Phase-Teilchen 304 in größere Zweite-Phase-Teilchen 306 zu vergröbern. Zusätzlich ermöglicht das Heizen des Pulverausgangsmaterials 21 in dem Vorbehandlungsheizsystem 13 in einigen Ausführungsformen das Keimbilden der Zweite-Phase-Teilchen 304 innerhalb des Pulverausgangsmaterials. Zum Beispiel wird in einer beispielhaften Ausführungsform das Pulverausgangsmaterial 21 in dem Vorbehandlungsheizsystem 13 platziert und erhitzt, um eine durchschnittliche Zweite-Phase-Teilchen 306-Größe (oder nominale Größenverteilung) zu erzeugen, die wenigstens 10% größere Zweite-Phase-Teilchen 304 ist. Die Zweite-Phase-Teilchen 306 sind wohlgeformt und größer (z.B. wenigstens 10% größer) als die Zweite-Phase-Teilchen 304. Gröbere und größere Zweite-Phase-Teilchen 306 werden einbezogen, um die physikalischen Eigenschaften der festen Komponente 28, wie beispielsweise Stärke, Zähigkeit, Duktilität, Härte, Korrosionsbeständigkeit, Hoch/Niedrigtemperatur-Verhalten und/oder Abnutzungsbeständigkeit zu verbessern.
Ausführungsformen des Additive-Herstellung-Systems mit einem Vorbehandlungsheizsystem, wie hierin beschrieben, heizen ein Pulverausgangsmaterial auf, bevor eine Komponente aus dem Pulverausgangsmaterial hergestellt wird. Das additive Herstellungssystem schließt ein Vorbehandlungsheizsystem, eine Herstellungsplattform und ein Energiegerät ein. Das Vorbehandlungsheizsystem wendet Hitze auf ein Pulverausgangsmaterial an, bevor das Pulverausgangsmaterial zu der Herstellungsplattform transferiert wird. Das Energiegerät erzeugt einen Energiestrahl, welcher auf das Pulverausgangsmaterial der Herstellungsplattform gerichtet wird. Der Energiestrahl schmilzt das Pulvermaterial auf der Herstellungsplattform in und um das Gebiet, wo der Energiestrahl auf das Pulvermaterial auftrifft, was zu einer Schmelzlache führt. Die Schmelzlache kühlt unter Bildung einer Schicht der Komponente ab. Das Vorheizen des Pulverausgangsmaterials in dem Vorbehandlungsheizsystem vergröbert die kleinen Zweite-Phase-Teilchen in große Zweite-Phase-Teilchen, die beispielsweise wenigstens 10% größere Teilchen sind. In der bevorzugten Ausführungsform wendet der Energiestrahl Energie auf das Pulverausgangsmaterial an, die nicht ausreicht, um die großen Zweite-Phase-Teilchen vollständig zu schmelzen, was zu einer Vielzahl von großen Zweite-Phase-Teilchen mit einer zweiten nominalen Größenverteilung führt, welche im Wesentlichen gleichförmig über das Pulverausgangsmaterial verteilt sind, was zu einer Mikrostruktur führt, die große Korngrößen, verbesserte Rekristallisation der Legierung und vergleichbares Kriechverhalten verglichen mit Legierungen hergestellt in einer Gussform aufweist.
Ein beispielhafter technischer Effekt, der Verfahren und System, wie hierin beschrieben, schließt ein (a) Vorheizen eines Pulverausgangsmaterials; (b) Erzeugen großer Zweite-Phase-Teilchen innerhalb des Pulverausgangsmaterials; (c) Beibehalten wenigstens eines Teils der großen Zweite-Phase-Teilchen in dem gesamten Additive-Herstellung-Herstellungsprozess; (d) Nachheizen einer Komponente; (e) Erhöhen von Korngrößen in einer Komponente; (f) Verbessern der Rekristallisation einer Legierung innerhalb einer Komponente; und (g) Verbessern des Kriechverhaltens innerhalb einer Komponente.
Solche Ausführungsformen schließen die Verwendung von einer oder mehreren Elektronik- oder Computergeräten ein. Solche Geräte schließen typischerweise einen Prozessor, ein Verarbeitungsgerät oder Steuerungen, wie etwa eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) für einen allgemeinen Zweck, eine grafische Verarbeitungseinheit (GPU), einen Mikrocontroller, einen Computer mit reduziertem Befehlssatz (RISC)-Prozessor, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), einen programmierbaren Logikschaltkreis (PLC), eine im Feld programmierbare Gatteranordnung (FPGA), ein digitales Signalverarbeitungs-(DSP)-Gerät und/oder jeden anderen Schaltkreis oder Verarbeitungsgerät, welches dazu in der Lage ist, die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen. Die hierin beschriebenen Verfahren können als ausführbare Instruktionen verkörpert in einem computerlesbaren Medium einschließlich ohne Beschränkung einem Aufbewahrungsgerät und/oder einem Speichergerät kodiert sein. Solche Instruktionen veranlassen, wenn diese durch ein Verarbeitungsgerät ausgeführt werden, das Verarbeitungsgerät, wenigstens einen Teil des Verfahrens, das hierin beschrieben ist, auszuführen. Die obigen Beispiele sind nur beispielhaft und sind daher nicht geeignet, die Definition und/oder Bedeutung des Begriffs Prozessor und Verarbeitungsgerät zu beschränken.
Beispielhafte Ausführungsformen des additiven Herstellungssystems haben ein Vorbehandlungsheizsystem, welches oben im Detail beschrieben ist. Die Geräte, Systeme und Verfahren sind nicht auf die spezifischen Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, beschränkt, sondern die Vorgänge des Verfahrens und Komponenten des Systems können unabhängig und separat von anderen Vorgängen oder Komponenten, die hierin beschrieben sind, verwendet werden. Beispielsweise können die hierin beschriebenen Systeme, Verfahren und Einrichtungen andere industrielle oder Konsumentenanwendungen haben, und sind nicht darauf beschränkt, mit additiven Herstellungssystemen, wie hierin beschrieben, zusammenzuarbeiten. Eher können eine oder mehrere Ausführungsformen in Verbindung mit anderen Industrien implementiert und verwendet werden.
Obwohl bestimmte Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung in einigen Zeichnungen gezeigt sein können und nicht in anderen, dient dies nur der Einfachheit. In Übereinstimmung mit den Prinzipien der Offenbarung kann auf jedes beliebige Merkmal einer Zeichnung in Kombination mit jedem beliebigen Merkmal einer beliebigen anderen Zeichnung Bezug genommen oder beansprucht werden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Ausführungsformen zu offenbaren und darunter die beste Art, und auch, um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Offenbarung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
Ein Verfahren zum Verarbeiten eines Pulverausgangsmaterials, um eine hergestellte Komponente zu bilden, wird bereitgestellt. Die hergestellte Komponente schließt eine Vielzahl von Körnern ein, die eine nominale Korngröße haben. Das Verfahren schließt das Bereitstellen des Pulverausgangsmaterials ein, welches eine Ansammlung von Phasenpartikeln mit einer ersten nominalen Größenverteilung verteilt in einem Wirtsmatrixmaterial aufweist. Das Verfahren schließt das Bilden einer konsolidierten Komponente aus dem Pulverausgangsmaterial in einem additiven Herstellungsprozess und das Herstellen der hergestellten Komponente aus der konsolidierten Komponente ein. Die erste nominale Größenverteilung der Ansammlung von Phasenteilchen ist bemessen, so dass wenigstens ein Teil der Ansammlung der Phasenteilchen während des gesamten additiven Herstellungsprozesses bestehen bleibt und als verarbeitete Ansammlung von Phasenteilchen in der konsolidierten Komponente vorhanden ist. Zusätzlich hat die verarbeitete Ansammlung von Phasenteilchen eine zweite nominale Größenverteilung, welche wirksam ist, die nominale Korngröße der hergestellten Komponente zu erzeugen.
Bezugszeichenliste

9: Pfeil
10: Additive-Herstellung-System
11: Pfeil
12: Herstellungsplattform
13: Vorbehandlungsheizsystem
14: Energiegerät
15: Nachbehandlungsheizsystem
16: Energiestrahl
17: Pfeil
18: Scangerät
20: Ofen
21: Ausgangsmaterial
22: Ofen
23: Transfersystem
24: Berechnungsgerät
25: Behälter
26: Steuerung
28: Feste Komponente
30, 32: Optisches Element
34: Spiegel
36: Motor
200: additive Herstellung Einrichtung
202: Vorbehandlungsheizsystem
204: Nachbehandlungsheizsystem
206: Transfersystem
208: Behälter
210: additive Herstellung System
212, 214: Pfeile
218: Ofen
300, 302: Teilchen
304, 306: Zweite-Phase-Teilchen

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Pulverausgangsmaterials (21) einschließend eine Vielzahl von Teilchen, um eine hergestellte Komponente zu bilden, wobei die hergestellte Komponente eine Vielzahl von Körnern mit einer nominalen Korngröße aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Pulverausgangsmaterials, wobei die Vielzahl von Teilchen des Pulverausgangsmaterials eine Ansammlung von Phase-Teilchen angeordnet in einem Gastmatrixmaterial einschließt, wobei die Ansammlung von Phase-Teilchen eine erste nominale Größenverteilung aufweist; Bilden einer konsolidierten Komponente (28) aus dem Pulverausgangsmaterial in einem additiven Herstellungsprozess; und Herstellen der hergestellten Komponente aus der konsolidierten Komponente, wobei die ersten nominale Größenverteilung der Ansammlung von Phase-Teilchen bemessen ist, so dass wenigstens ein Teil der Ansammlung der Phase-Teilchen während des gesamten additiven Herstellungsprozesses besteht und als eine verarbeitete Ansammlung von Phase-Teilchen in der konsolidierten Komponente vorhanden ist und wobei die verarbeitete Ansammlung von Phase-Teilchen eine zweite nominale Größenverteilung hat, welche wirksam ist, um die nominale Korngröße der verarbeiteten Komponente zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter aufweisend Hitzebehandeln eines Pulvermaterials, um das Pulverausgangsmaterial (21) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Hitzebehandeln des Pulvermaterials, um das Pulverausgangsmaterial (21) zu bilden, das Wachsenlassen einer Phase innerhalb des Pulvermaterials aufweist, um die Ansammlung von Phase-Teilchen zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 3, weiter aufweisend das Keimbilden der Phase innerhalb des Pulvermaterials.
Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, weiter aufweisend das Zerstäuben eines Basismaterials, um das Pulvermaterial zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Zerstäuben des Basismaterials das Verarbeiten des Basismaterials unter Verwendung von Inertgaszerstäubung, Wasserzerstäubung, Ölzerstäubung, Vakuumzerstäubung, Plasmazerstäubung oder Zentrifugalzerstäubung aufweist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, wobei das Wirtsmatrixmaterial eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweist: Aluminium (Al), Kobalt (Co), Eisen (Fe), Nickel (Ni) und Titan (Ti).
Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, wobei das Wirtsmatrixmaterial eines der Folgenden aufweist: eine Al-basierte Legierung, eine Co-basierte Legierung, eine Fe-basierte Legierung, eine Ni-basierte Legierung und eine Ti-basierte Legierung.
Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ansammlung von Phase-Teilchen eines oder mehrere der folgenden aufweist: Karbide, Boride, Nitride, Oxide, intermetallische Verbindungen und topografisch eng gepackte (TCP) Phasen.
Verfahren zum Bilden einer konsolidierten Komponente einschließlich einer Vielzahl von Körnern mit einer nominalen Korngröße, wobei das Verfahren aufweist: Zerstäuben einer Metalllegierung, um ein Pulvermaterial einschließlich eines Wirtsmatrixmaterials und eine Ansammlung von Phase-Teilchen verteilt in dem Wirtsmatrixmaterial zu erzeugen, wobei die Ansammlung von Phase-Teilchen eine erste nominale Größenverteilung aufweist; Vergrößern der ersten nominalen Größenverteilung der Ansammlung von Phase-Teilchen auf eine zweite nominale Größenverteilung verteilt in dem Wirtsmatrixmaterial; Richten eines Energiestrahls, ausgegeben durch ein Energiegerät auf eine Schicht des Pulvermaterials; und Erzeugen einer Schmelzlache in der Pulvermaterialschicht mit dem Energiestrahl, um eine konsolidierte Komponente zu erzeugen, wobei der Energiestrahl Energie auf das Pulvermaterial anwendet, die nicht ausreicht, um die Ansammlung von Phase-Teilchen vollständig zu schmelzen, und wobei die zweite nominale Größenverteilung der Ansammlung von Phase-Teilchen wirksam ist, um die nominale Korngröße der konsolidierten Komponente zu erzeugen.