用于制造鈦物體的方法
【專利說明】用于制造鈦物體的方法
[0001 ] 本申請(qǐng)為申請(qǐng)日為2010年8月11日，申請(qǐng)?zhí)枮?01080046089.5，發(fā)明名稱為“用于制造鈦物體的方法和裝置”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及用于通過實(shí)體自由成形制造來制造物體(目標(biāo)，對(duì)象)，特別是鈦和鈦合金物體的方法和反應(yīng)器。
【背景技術(shù)】
[0003]由鈦或鈦合金制成的金屬構(gòu)造部件通常通過鑄造、鍛造或機(jī)械加工而由坯(billet)制得。這些技術(shù)在制造中具有昂貴的鈦金屬的高材料使用和大的研制周期的缺點(diǎn)。
[0004]全致密實(shí)體物體(物理對(duì)象，實(shí)體目標(biāo)，physical objects)可以通過稱為快速原型、快速制造、分層制造或其他制造的制造技術(shù)來制得。這種技術(shù)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件(CAD)以首先構(gòu)建要制備的物體的虛擬模型，然后將所述虛擬模型轉(zhuǎn)變成通常水平取向的薄平行片(slices)或?qū)?。然后，可以通過如下來制備實(shí)體物體:鋪放(放下)與虛擬層的形狀類似的液體糊、粉末或片材形式的原料的連續(xù)層直至形成整個(gè)物體。將所述層熔合在一起以形成固體致密物體。在沉積熔合或焊接在一起的固體材料的情況下，所述技術(shù)也被稱為實(shí)體自由成形制造。
[0005]實(shí)體自由成形制造是可以以相對(duì)快的制造速率，通常對(duì)于每個(gè)物體從幾小時(shí)至幾天變化來形成幾乎任何形狀的物體的靈活技術(shù)。所述技術(shù)因此適合于形成原型和小制造系列，但是較不適合于大體積制造。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)
[0007]分層制造的技術(shù)可以被擴(kuò)展為包括沉積構(gòu)成材料的片，即將物體的虛擬模型的各個(gè)構(gòu)造層分為一組片，所述片在并列放置時(shí)形成所述層。這使得可以通過如下來形成金屬物體:以形成根據(jù)物體的虛擬分層模型的每個(gè)層的連續(xù)條將線焊接到基材(襯底，基板)上，并對(duì)于每個(gè)層重復(fù)所述工藝直至形成整個(gè)實(shí)體物體。焊接技術(shù)的精度通常太粗糙而使得不能直接形成具有可接受尺寸的物體，由此通常將形成的物體看作是未加工物體或預(yù)成型物(預(yù)成型件)，其需要被機(jī)械加工為可接受的尺寸精度。
[0008]Taminger和Hafley[l]公開了由與電子束自由成形制造(EBF)結(jié)合的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來直接制造金屬構(gòu)造部件的方法和裝置。所述構(gòu)造部件通過在連續(xù)層上焊接金屬焊接線而構(gòu)造，所述金屬焊接線通過由電子束提供的熱能焊接。將所述方法(工藝)示意性地示于圖1中，其是[I]的圖1的復(fù)制(復(fù)制件)ABF方法(工藝)涉及在高真空環(huán)境中將金屬線進(jìn)料到由聚焦電子束制備并支持的熔池(熔融池)中。通過如下來獲得電子束和焊接線的定位:使電子束槍和定位系統(tǒng)(支持基材)沿一個(gè)或多個(gè)軸(X、Y、Z和旋轉(zhuǎn))可移動(dòng)地鉸接并通過四個(gè)軸移動(dòng)控制系統(tǒng)來調(diào)整所述電子束槍和所述支持基材的位置。所述方法聲稱在材料使用中接近100 %有效且在功率消耗中95 %有效。可以對(duì)大量金屬沉積和更精細(xì)的詳細(xì)沉積兩者采用所述方法，并且所述方法聲稱與機(jī)械加工金屬部件的常規(guī)途徑相比，在研制周期下降以及較低的材料和機(jī)械加工成本上獲得了顯著的效果。
[0009]電子束技術(shù)具有依賴于沉積室中的10—1Pa以下的高真空的缺點(diǎn)。這可以通過等離子體轉(zhuǎn)移弧用聚焦電子束代替局部加熱來避免。在這種情況下，局部熔體池的形成通過在兩個(gè)惰性電極之間的電弧放電而產(chǎn)生的熱并通過惰性等離子體形成氣體的聚焦流股將所述熱送到熔化點(diǎn)上來獲得。這種方法可以在大氣壓力下容易地應(yīng)用并由此允許更簡單且更不昂貴的處理設(shè)備。在US 7 326 377和US 2006/185473中公開了這種技術(shù)的實(shí)例。這種技術(shù)有時(shí)被稱作等離子轉(zhuǎn)移弧實(shí)體自由成形制造(PTA-SFFF)。
[0010]us 2006/185473公開了一種方法，其中以顯著降低原料成本的方式，通過將鈦進(jìn)料和合金成分結(jié)合而以相對(duì)低成本的鈦進(jìn)料材料將高能量等離子體束如焊炬代替?zhèn)鹘y(tǒng)使用的非常昂貴的激光用于實(shí)體自由成形制造(SFFF)工藝中。更特別地，在一個(gè)方面中，本發(fā)明采用成本低于合金線的純鈦線(CP Ti)，并通過在焊炬或其他高功率能量束的熔體中將CP Ti線與粉末合金成分結(jié)合而在SFFF工藝中將CP Ti線與粉末狀的合金成分原位結(jié)合。在另一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明采用與合金化元素混合并形成為線的鈦海綿材料，其中可以在與等離子體焊炬或其他高功率能量束組合的SFFF工藝中使用其以制造近似網(wǎng)狀的鈦部件。將根據(jù)US 2006/185473的方法示意性地繪于圖2中，其是該文獻(xiàn)的圖1的復(fù)制(復(fù)制件)。
[0011]可以在與氧接觸時(shí)對(duì)在400°C之上加熱的鈦金屬或鈦合金進(jìn)行氧化。因此，必須保護(hù)通過對(duì)抗環(huán)境氣氛中的氧的分層制造而形成的焊接且加熱的物體。WO 2009/068843公開了用于焊接的惰性氣體護(hù)罩(shield)，其產(chǎn)生了保護(hù)惰性氣體的平穩(wěn)流出(evenoutflow)。通過將所述護(hù)罩置于需要被保護(hù)的物體上方，平穩(wěn)的惰性氣體流會(huì)置換環(huán)境氣氛而不產(chǎn)生可能夾帶環(huán)境含氧氣體的渦流。所述護(hù)罩被形成為惰性氣體進(jìn)入到內(nèi)部的中空盒并使得通過在所述盒的一個(gè)壁中制造的一組窄開口而使所述盒的內(nèi)部逸出。
[0012]發(fā)明目的
[0013]本發(fā)明的主要目的是提供用于以鈦或鈦合金來快速分層制造物體的方法。
[0014]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供使得進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的方法的沉積室。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明基于如下認(rèn)識(shí):通過使沉積室充分沒有氧，使用保護(hù)措施以避免通過環(huán)境氣氛氧而氧化新焊接區(qū)域的需求不再存在，使得可以以較大的速度進(jìn)行焊接工藝。例如，在鈦或鈦合金的物體的制造中，不再需要將焊接區(qū)冷卻至低于400°C以避免氧化。
[0016]因此，在第一個(gè)方面中，本發(fā)明涉及通過實(shí)體自由成形制造而以可焊接的材料制造物體的方法，其中所述方法包括:
[0017]-創(chuàng)建(制作)待形成的物體的虛擬三維模型，
[0018]-將所述虛擬三維模型分為一組虛擬平行層，然后將每個(gè)層分為一組虛擬的準(zhǔn)一維片，從而形成所述物體的虛擬矢量化分層模型(虛擬向量化分層模型)，
[0019]-將所述物體的所述矢量化(向量化)分層模型裝載到能夠調(diào)整置于封閉反應(yīng)容器中的線進(jìn)料系統(tǒng)、支持基材和高能量等離子體轉(zhuǎn)移弧焊炬的位置和活化的焊接控制系統(tǒng)中，
[0020]-利用壓力為約15Pa且包含最大50ppm氧的惰性氣氛置換封閉反應(yīng)容器內(nèi)部的氣氛，
[0021]-使所述控制系統(tǒng)運(yùn)行(接合，engaging)以根據(jù)所述物體的所述虛擬矢量化分層模型的第一層的圖案(模式)將可焊接材料的一系列準(zhǔn)一維片焊接到所述支持基材上，
[0022]-通過以根據(jù)所述物體的所述虛擬矢量化分層模型的第二層的圖案將所述可焊接材料的一系列準(zhǔn)一維片焊接到預(yù)先沉積的層上而形成所述物體的第二層，以及
[0023]-對(duì)于所述物體的虛擬矢量化分層模型的每個(gè)連續(xù)層，逐層重復(fù)所述焊接工藝，直至形成整個(gè)物體。
[0024]如本文中所用的術(shù)語“物體的虛擬矢量化(向量化)分層模型”是指待形成的物體的三維計(jì)算機(jī)表示，其中將所述物體分為一組平行層并且其中將每個(gè)層分為一組準(zhǔn)一維片。如本文中所用的術(shù)語“準(zhǔn)一維片”是指當(dāng)以根據(jù)虛擬模型的具體圖案并列放置時(shí)(或者當(dāng)根據(jù)虛擬模型以具體圖案并列放置時(shí))會(huì)形成待形成的物體的焊接材料的縱向類棒片。所述類棒片可以是彎曲的(弧形的)或直線的?？梢酝ㄟ^共同焊接對(duì)應(yīng)于虛擬矢量化分層模型的每個(gè)虛擬準(zhǔn)一維片的焊接線的片而將虛擬矢量化分層模型轉(zhuǎn)變成實(shí)體物體。<