用于粉末處理的高溫流化床的制作方法
【專利說明】用于粉末處理的高溫流化床
[0001]發(fā)明背景
[0002]本發(fā)明大體上涉及增材制造的領(lǐng)域。具體地說，本公開涉及用于增材制造過程中的粉末的預(yù)處理，如通過使用流化床。
[0003]增材制造是現(xiàn)有的但是正在發(fā)展的技術(shù)。在其最廣泛的定義中，增材制造是來自薄層進(jìn)料材料的任何分層結(jié)構(gòu)或制品。增材制造可以涉及將液體材料、層材料或顆粒材料應(yīng)用到工序中，然后燒結(jié)、固化、熔融和/或切割以形成層。所述過程重復(fù)多達(dá)幾千次以構(gòu)造所需領(lǐng)域的成品部件或制品。
[0004]通常需要預(yù)處理用于一些增材制造過程中的原始粉末。預(yù)處理可以包括對粉末進(jìn)行涂覆、脫氣和熱處理。粉末顆粒可以被涂覆來防止顆粒在增材制造過程中氧化。例如，美國專利號7，141，207公開了通過使用流化床來將銅涂層施加到鋁粉上。
[0005]脫氣可以被用于從粉末顆粒中去除水蒸氣。在制造過程中當(dāng)粉末的表面暴露于環(huán)境中時，其可以很快被氧化。水蒸氣可以吸收進(jìn)氧化物中，這可以致使通過增材制造過程所形成的材料中的空隙。從制造材料中去除水分的方法可能致使氫氣的形成，這可以導(dǎo)致最終材料更脆。從粉末中去除水蒸氣的先前方法包括各種脫氣的方法。例如，美國專利號5，976，456描述了利用將鋁粉在真空中加熱到非常高的溫度的脫氣方法。然而，在維持脫氣過程中非常低的壓力真空的情況下可能發(fā)生復(fù)雜性。
[0006]此外，氣體的高溫?zé)崽幚淼膫鹘y(tǒng)方法可能致使粉末的不希望的燒結(jié)。例如，如在美國專利號6，811，765中所討論的，已將流化床與粉末的熱處理結(jié)合使用以防止結(jié)塊。然而，制造這種熱處理系統(tǒng)復(fù)雜且昂貴。
[0007]因此，存在對用于預(yù)處理用在增材制造過程中的粉末的簡單、可靠且廉價的系統(tǒng)和方法的需要。
[0008]發(fā)明概述
[0009]一種如能夠與增材制造過程一起使用的系統(tǒng)包括爐膛、流化床組件和粉末床。流化床組件被定位在爐膛中并且包括具有用于接收氣體的外腔入口的外腔，和定位在外腔內(nèi)部的內(nèi)腔。內(nèi)腔包括與外腔流體連通的內(nèi)腔入口，和氣體可通過其退出內(nèi)腔和外腔的出口。粉末床被設(shè)置在內(nèi)腔中。
[0010]處理粉末的方法包括:將粉末顆粒引入內(nèi)腔，將內(nèi)腔定位在設(shè)置在爐膛中的外腔的內(nèi)部，將氣體供應(yīng)至外腔以圍繞內(nèi)腔，使氣體流入內(nèi)腔中，利用氣體使粉末顆粒流化，并利用爐膛熱處理粉末顆粒。
[0011]附圖簡述
[0012]圖1是并入本公開的流化床組件的增材制造過程的示意性方框圖。
[0013]圖2是根據(jù)本公開的流化床組件的示例性實施方案的示意性截面視圖。
[0014]圖3是根據(jù)本公開的流化床組件的第二實施方案的示意性截面正視圖。
[0015]詳細(xì)說明
[0016]圖1是并入本公開的流化床組件的增材制造過程10的示意性方框圖。過程10包括使用粉末供應(yīng)12供應(yīng)粉末的步驟A ;使顆粒流過流化床組件14用于處理的步驟B ;利用所處理的粉末使用增材制造系統(tǒng)16執(zhí)行增材制造過程的步驟C ;和生產(chǎn)如零件18的制造品的步驟D。
[0017]來自粉末供應(yīng)12的粉末流過流化床組件14。流化床組件14改變粉末的力學(xué)特性以最佳化用于利用增材制造系統(tǒng)16來操作的粉末顆粒。例如，流化床組件14可以在極高的溫度下對粉末供應(yīng)12進(jìn)行熱處理。增材制造系統(tǒng)16選擇性地將最佳化粉末凝固成零件18，所述零件18具有基于定義了零件18的計算機(jī)輔助繪圖(CAD)文件的形狀。在一個實施方案中，過程10被用于生產(chǎn)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的部件，如用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)或壓縮機(jī)的葉片。
[0018]供應(yīng)粉末通常涉及獲取所需金屬、合金或復(fù)合材料的一定量的粉末。粉末將具有某些力學(xué)特性，如顆粒結(jié)構(gòu)和粉末大小或直徑的分布。將一定量的粉末定位在流化床組件14內(nèi)部的容器中以改變力學(xué)特性。更具體地說，粉末在容器內(nèi)形成床，流化氣體流過所述床以與粉末相互作用。流化氣體被用來攪動粉末并且可以被用來處理粉末顆粒。流化床組件14可以被利用爐膛加熱以對粉末顆粒進(jìn)行熱處理。流化氣體在完成處理之后流出容器，并且在處理過的粉末從流化床組件14移除之后可將其用于增材制造過程中。所述容器形成流化床組件14的被利用爐膛加熱以將金屬粉末回火成合適的微結(jié)構(gòu)的部分。增材制造系統(tǒng)16進(jìn)行增材制造過程以形成零件18。
[0019]在一些實施方案中，增材制造系統(tǒng)16執(zhí)行冷噴涂沉積過程。在這種過程中，粉末不是熔融的，使得在沉積過程之前的粉末顆粒的微結(jié)構(gòu)在形成零件18之后保持不變。因此，在增材制造過程開始之前將微結(jié)構(gòu)操作成所需的狀態(tài)變得有利。具體地說，冷噴涂沉積過程得益于具有將充分地變形和將充分地結(jié)合的粉末顆粒。將流化床組件14放置在爐膛中以加熱粉末來實現(xiàn)促進(jìn)變形的所需的微結(jié)構(gòu)。在各種實施方案中，可將如氬氣的惰性氣體用作流化氣體。同時，流化氣體可以被用于清潔粉末來促進(jìn)結(jié)合。因此，在一個實施方案中，氫氣流化氣體可以被用于去除氧化物。在其他實施方案中，流化氣體可以被用于在粉末顆粒上形成涂層。例如，可以施加氮或硼涂層以防止氧化的形成。
[0020]本公開的流化床組件14利用通過外腔與爐膛隔離的內(nèi)腔以允許流化氣體在進(jìn)入內(nèi)腔之前形成圍繞內(nèi)腔的緩沖區(qū)。因此，內(nèi)腔不直接暴露至爐膛的高熱中并且可以由比較廉價的材料制造，這減少了與生產(chǎn)流化床組件14相關(guān)聯(lián)的制造成本。此外，本公開的流化床組件14利用如攪動源的流化氣體來防止金屬粉末在爐膛內(nèi)部的內(nèi)腔中處于高溫下時燒結(jié)。在又一個實施方案中，內(nèi)腔可以被成形以有助于將粉末分類，例如，從床中去除不需要大小的顆粒。
[0021]圖2是根據(jù)本公開的流化床組件14的示例性實施方案的示意性截面視圖。流化床組件14被設(shè)置在爐膛20內(nèi)并且包括外腔22、內(nèi)腔24、帽蓋26、第一入口 28A、第二入口28B、出口 30、座板32、第一溫度傳感器34A、第二溫度傳感器34B和管子36。
[0022]爐膛20包括如常規(guī)用于流化床技術(shù)領(lǐng)域的任何爐膛。在各種實施方案中，爐膛20包括可以通過頂端開口裝載和卸載的箱式爐或管式爐。在另一個實施方案中，爐膛20可以簡單地包括纏繞在外腔22周圍的加熱器。在另一個實施方案中，爐膛20可以包括爐子。在一個實施方案中，爐膛20能夠達(dá)到超過1100°C的內(nèi)部溫度來進(jìn)行粉末38的熱處理。
[0023]外腔22被以任何合適的方式安裝在爐膛20中。在一個實施方案中，外腔由陶瓷材料制造。然而，外腔22可以由能夠承受高熱而不氧化的任何材料制造。帽蓋26被可釋放地附接到外腔22，使得可以進(jìn)入外腔22內(nèi)部的內(nèi)腔24。在公開的實施方案中，內(nèi)腔24(也稱為燒結(jié)罩)懸垂于帽蓋26，使得提供了在外腔22與整個內(nèi)腔24的外部之間的空間。在一個實施方案中，內(nèi)腔24懸垂于將內(nèi)腔24連接到出口 30的管子36。在一個實施方案中，內(nèi)腔24由不銹鋼制造，如300系列不銹鋼。流化床組件14可以具有用于在不同的粉末或不同的熱條件情況下使用的多個、可互換的內(nèi)腔24(未示出)。每個內(nèi)腔可以被重復(fù)利用并且如果在流化床組件14的操作過程中受損則可以被簡單和廉價地替換。
[0024]粉末38被定位在內(nèi)腔22內(nèi)部并且擱置在座板32上。座板32從內(nèi)腔22是可拆卸的，以便允許進(jìn)入內(nèi)腔22的內(nèi)部并裝載和卸載粉末38。在另一個實施方案中，粉末38可以被通過管子36裝載到內(nèi)腔24中，并且在處理之后可以通過使高速氣體穿過座板32和管子36從內(nèi)腔24排出。
[0025]流化氣體40被通過入口 28A和28B引導(dǎo)到內(nèi)腔22的內(nèi)部。流化氣體40被通過穿過任何合適形式的爐膛20的管件提供到入口 28A和28B。流化氣體40被加壓并且圍繞內(nèi)腔22，包括在座板32處。座板32包括允許流化氣體40穿過座板32的孔口或開口。流化氣體40滲透通過粉末38并且通過出口 30處的管子36離開內(nèi)腔22。
[0026]流化氣體40執(zhí)行在處理粉末38上的多種功能。主要地，流化氣體40充當(dāng)使粉末38的顆粒升起離開座板32的攪動源，以防止粉末在內(nèi)腔24中由于爐膛20的熱量燒結(jié)或結(jié)塊。由于粉末38的每個顆粒的質(zhì)量，顆粒向下落回到座板32上。為了有助于這個過程，內(nèi)腔24包括增加內(nèi)腔24的寬度或直徑(如果是圓形的)的釋放部分42A，以減緩管子36附近的流化氣體40的速度。這減少了顆粒的動量以允許重力使它們返回到座板32上。因此，只要流化氣體40穿過內(nèi)腔24，粉末38的顆粒會繼續(xù)從座板32朝向管子36向上并且向下回到座板32地循環(huán)。
[0027]流化氣體40還形成圍繞內(nèi)腔24的外部的緩沖區(qū)。通過對流從爐膛20對外腔22加熱，并且通過對流從外腔22對內(nèi)腔24加熱。因此，內(nèi)腔24被暴露至與外腔22相同或幾乎相同的溫度中。通常，這將需要內(nèi)腔24由能夠承受暴露至這種熱量而不毀損(例如，熔融或被氧化成受損的程度)的材料制造。例如，為了承受對鎳粉或鈦粉進(jìn)行熱處理所需的溫度，例如，1100°C，內(nèi)腔將還需要由超合金制造。然而，在流化床