三維零件的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制造方法，特別涉及一種利用粉末材料制造三維立體零件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了制造復(fù)雜及高性能的產(chǎn)品，粉末冶金加工技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，其相較于鍛造等傳統(tǒng)工藝來(lái)說(shuō)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)應(yīng)地，很多相關(guān)技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)用于將松散的粉末或顆粒材料加工成致密的零件，例如壓制(Pressing)和燒結(jié)(Sintering)技術(shù)、包套(Canning)和致密化(Densificat1n)技術(shù)、及快速成型制造(Additive Manufacturing)技術(shù)等。在上述每一種技術(shù)中，整個(gè)過(guò)程的復(fù)雜度及生產(chǎn)成本都需要考慮在內(nèi)。原材料的成本以及在致密化后的加工與塑型的半成品零件數(shù)量也會(huì)明顯的影響最佳加工工藝過(guò)程的選擇。加工的方式可能也會(huì)影響加工后零件的物理的、微觀結(jié)構(gòu)的以及機(jī)械的性能，并且零件性能級(jí)別的要求也會(huì)被用來(lái)考慮選擇何種加工工藝。為了生產(chǎn)復(fù)雜及高性能的零件，一些典型的加工工藝已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來(lái)。
[0003]對(duì)于復(fù)雜形狀的零件來(lái)說(shuō)，快速成型制造的加工過(guò)程被廣泛應(yīng)用，其具有直接凈成型或近凈成型的加工能力。例如，電子束熔煉(Electron beam melting, EBM)技術(shù)、選擇性激光熔煉技術(shù)(Selective Laser Melting, SLM)、直接金屬激光熔煉(Direct metallaser melting, DMLM)技術(shù)、紅外線熔煉(Infrared melting)技術(shù)等常被用來(lái)加工三維零件，尤其是加工金屬零件。這些技術(shù)通常被歸類為快速制造方法，因?yàn)樗鼈兙哂型ㄟ^(guò)高能粒子束來(lái)直接制造零件的優(yōu)勢(shì)，而無(wú)需單獨(dú)再設(shè)計(jì)獨(dú)特的加工工具。包括EBM及DMLM在內(nèi)的許多的快速成型制造技術(shù)加工三維零件是通常通過(guò)激光束或電子束逐層熔煉加工粉末，其中EBM是在高真空腔內(nèi)完成加工的，而DMLM是在存儲(chǔ)有惰性氣體的腔內(nèi)完成加工的。作為例子，EBM設(shè)備或DMLM設(shè)備先從讀取一個(gè)事先存儲(chǔ)的三維模型的數(shù)據(jù)，然后據(jù)此逐層的熔煉加工粉末。這些加工粉末被逐層熔煉加工是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制電子束或激光束來(lái)實(shí)現(xiàn)的。以這種方式即可構(gòu)建任意需要形狀的零件。EBM的加工過(guò)程在真空環(huán)境下進(jìn)行，DMLM的加工過(guò)程可能在真空或惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行，如氬氣，如此可以加工制造容易與氧氣發(fā)生反應(yīng)的材料的零件，如鈦零件。上述技術(shù)典型的適合于加工制造有限數(shù)量的零件，且零件的體積通常為小體積或中等體積，這是由其典型的沉積速率所決定。但是，當(dāng)三維零件的加工數(shù)量非常龐大時(shí)，整個(gè)加工過(guò)程將會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間。這就需要應(yīng)用更多的EBM設(shè)備或DMLM設(shè)備來(lái)達(dá)到上述需求，如此大大提高了投入成本。
[0004]對(duì)于簡(jiǎn)單形狀及大尺寸的零件來(lái)說(shuō)，包套和致密化技術(shù)是被常采用的技術(shù)。在這些粉末冶金過(guò)程中，加工材料典型地被放置于一個(gè)套筒(Can)內(nèi)，用于將加工材料與外界環(huán)境進(jìn)行隔離，并為后續(xù)加工過(guò)程提供一個(gè)轉(zhuǎn)換介質(zhì)，例如熱等靜壓(Hot isostaticpressing, HIP)及氣動(dòng)靜壓鍛造(Pneumatic isostatic forging)。套筒典型地由板材加工而成，然后再焊接成感興趣的零件形狀。相較于期望的最終零件產(chǎn)品的尺寸和形狀來(lái)說(shuō)，套筒的尺寸和形狀通常是過(guò)大的，用于補(bǔ)償在致密化過(guò)程中產(chǎn)生的收縮。套筒內(nèi)可以被松散的粉末填充，或者用來(lái)封裝壓制的或者半多孔的預(yù)成型件(半成品零件)。套筒提供了一種方式，粉末材料可以被機(jī)械地壓縮至一個(gè)滲透的或半滲透的半成品零件，該半成品零件適合于搬運(yùn)、轉(zhuǎn)移、及加固或致密化處理成一個(gè)成品的目標(biāo)零件。但是，套筒的使用需要很多額外的步驟并且會(huì)導(dǎo)致較高的產(chǎn)品報(bào)廢率(某種程度上由于套筒材料與其內(nèi)部粉末材料兩者之間的相互作用引起)，如此降低了效率并提高了成本。套筒的成本及復(fù)雜度足以影響由粉末加工的零件的整體費(fèi)用和效率。
[0005]不論應(yīng)用快速成型制造技術(shù)還是應(yīng)用包套和致密化技術(shù)進(jìn)行加工，加工粉末都會(huì)頻繁的受到致密化處理，例如通過(guò)升高溫度、升高壓力或兩者，以獲得充分致密的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而符合最終目標(biāo)零件的硬度要求。一些處理的例子包括燒結(jié)、熱壓制、及HIP。此外，美國(guó)專利號(hào)為5，816，090的專利揭露了一種應(yīng)用PIF加固粉末零件的處理方法。不同于HIP在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)同步應(yīng)用高溫高壓的處理過(guò)程，上述美國(guó)專利應(yīng)用高溫和更高的壓力，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行PIF處理。該美國(guó)專利描述了僅部分地密封工件的外表面，或者在預(yù)燒結(jié)步驟之前給工件上涂敷潛在的反應(yīng)材料。因此，該美國(guó)專利揭露的解決方式是應(yīng)用上述描述的過(guò)程并依賴于額外的步驟，而并非典型的HIP處理過(guò)程。
[0006]壓制及燒結(jié)過(guò)程也被用于將加工粉末放置于一個(gè)模具內(nèi)并擠壓成一個(gè)形狀，再?gòu)哪＞邇?nèi)拿出來(lái)然后再高溫下燒結(jié)以獲得致密性要求。在這種加工過(guò)程中，雖然可以靈活的制造大體積的零件，但加工的零件幾何形狀非常有限，并且最終的致密度可能會(huì)劣于其他粉末冶金加工技術(shù)。
[0007]粉末冶金加工過(guò)程被頻繁地用于制造，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的鍛造加工技術(shù)很難或不可能獲得高品質(zhì)及高性能的零件產(chǎn)品。固態(tài)的加工過(guò)程(例如加壓燒結(jié)，或包套致密化技術(shù))可能優(yōu)于基于熔融的工藝。因?yàn)樵诠虘B(tài)加工過(guò)程中材料精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)被保持住了，同時(shí)過(guò)程中也不生成新的凝固組織。因?yàn)檫@些限制，為復(fù)雜的高性能材料找到最優(yōu)化的加工過(guò)程有時(shí)變得很困難。
[0008]所以，需要提供一種新的零件的制造方法來(lái)解決上述問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]現(xiàn)在歸納本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面以便于本發(fā)明的基本理解，其中該歸納并不是本發(fā)明的擴(kuò)展性縱覽，且并非旨在標(biāo)識(shí)本發(fā)明的某些要素，也并非旨在劃出其范圍。相反，該歸納的主要目的是在下文呈現(xiàn)更詳細(xì)的描述之前用簡(jiǎn)化形式呈現(xiàn)本發(fā)明的一些概念。
[0010]本發(fā)明的一個(gè)方面在于提供一種用于制造三維零件的方法。該方法包括:
[0011]對(duì)松散的加工粉末進(jìn)行局部的致密化處理，以形成一個(gè)致密化且密封的殼體，該殼體的內(nèi)部仍容置有松散的加工粉末；及
[0012]對(duì)該殼體及其內(nèi)部的加工粉末整體進(jìn)行致密化處理，以使該殼體內(nèi)部的加工粉末在致密化的同時(shí)與該殼體實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，進(jìn)而形成目標(biāo)三維零件。
[0013]本發(fā)明的另一個(gè)方面在于提供另一種用于制造三維零件的方法。該方法包括:
[0014]通過(guò)EBM技術(shù)對(duì)松散的加工粉末進(jìn)行局部的致密化處理，以形成一個(gè)致密化且密封的真空殼體，該殼體的內(nèi)部仍容置有松散的加工粉末；
[0015]重復(fù)上述步驟，直到加工出預(yù)定數(shù)目的該容置有松散的加工粉末的殼體；及
[0016]同時(shí)對(duì)該預(yù)定數(shù)目的容置有松散的加工粉末的殼體整體進(jìn)行致密化處理，以使該若干殼體內(nèi)部的加工粉末在致密化的同時(shí)與對(duì)應(yīng)殼體實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，進(jìn)而同時(shí)形成預(yù)定數(shù)目的目標(biāo)三維零件。
[0017]本發(fā)明的再一個(gè)方面在于提供另一種用于制造三維零件的方法。該方法包括:
[0018]通過(guò)快速成型制造技術(shù)對(duì)松散的加工粉末進(jìn)行局部的致密化處理，以形成一個(gè)致密化且具有導(dǎo)氣管的殼體，該殼體的內(nèi)部仍容置有松散的加工粉末；
[0019]通過(guò)抽氣裝置連通該導(dǎo)氣管將殼體內(nèi)部的氣體排除；
[0020]當(dāng)該殼體內(nèi)的真空度達(dá)到預(yù)定值后對(duì)殼體進(jìn)行密封處理；
[0021]重復(fù)上述步驟，直到加工出預(yù)定數(shù)目的容置有松散的加工粉末的真空密封殼體；及
[0022]同時(shí)對(duì)該預(yù)定數(shù)目的容置有松散的加工粉末的殼體整體進(jìn)行致密化處理，以使該若干殼體內(nèi)部的加工粉末在致密化的同時(shí)與對(duì)應(yīng)殼體實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，進(jìn)而同時(shí)形成預(yù)定數(shù)目的目標(biāo)三維零件。
[0023]本發(fā)明的再一個(gè)方面在于提供另一種用于制造三維零件的方法。該方法包括:
[0024]對(duì)松散的加工粉末進(jìn)行第一次致密化處理，以形成一個(gè)具有第一密度水平的可滲透多孔的半成品零件；
[0025]對(duì)該半成品零件的外表面區(qū)域進(jìn)行第二次致密化處理，以使該外表面區(qū)域形成一個(gè)具有第二密度水平的密封殼體；及
[0026]對(duì)該具有第二密度水平的外表面區(qū)域及其內(nèi)部具有第一密度水平的內(nèi)部區(qū)域整體進(jìn)行致密化處理，以形成目標(biāo)三維零件。
[0027]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明在對(duì)三維零件進(jìn)行制造時(shí)進(jìn)行了分步驟地加工，首先通過(guò)例如快速成型制造技術(shù)對(duì)松散的加工粉末進(jìn)行有選擇的殼體加工，如此一來(lái)，在加工的目標(biāo)零件的數(shù)量很多的情況下，由于該步驟中僅加工占零件整體比例非常小的殼體部分，故可大大提高效率并且大大降低能耗；然后再將上述加工完成的數(shù)量眾多的容置有加工粉末的殼體同時(shí)在后續(xù)步驟如HIP或PIF技術(shù)中進(jìn)行整體的致密化處理，從而一次性地加工出數(shù)量眾多的目標(biāo)三維零件，由于在該步驟中是一次同時(shí)加工數(shù)量眾多的半成品零件，故也提高了效率，降低了能耗，此外，在該步驟中殼體與其內(nèi)部的加工粉末實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合，而并未應(yīng)用傳統(tǒng)的套筒進(jìn)行輔助加工，如此也大大簡(jiǎn)化了制造工藝。
【附圖說(shuō)明】
[0028]通過(guò)結(jié)合附圖對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中:
[0029]圖1為一種EBM設(shè)備加工容置有加工粉末的目標(biāo)零件的外殼的不意圖。
[0030]圖2為圖1的EBM設(shè)備加工該目標(biāo)零件的外殼在四個(gè)不同加工時(shí)間點(diǎn)時(shí)的示意圖。
[0031]圖3為圖1的EBM設(shè)備加工的目標(biāo)零件的外殼在六個(gè)不同加工時(shí)間點(diǎn)的示意圖。
[0032]圖4為一種HIP設(shè)備進(jìn)一步加工圖1的EBM設(shè)備加工好的容置有加工粉末的目標(biāo)零件的外殼的初始狀態(tài)示意圖。
[0033]圖5為圖4的HIP設(shè)備加工圖1的EBM設(shè)備加工好的容置有加工粉末的目標(biāo)零件的外殼的完成狀態(tài)示意圖。
[0034]圖6為本發(fā)明制造零件方法的較佳實(shí)施方式的流程圖。
[0035]圖7為補(bǔ)償后的三維空間模型的構(gòu)建過(guò)程示意圖。
[0036]圖8及圖9為一種SLM設(shè)備加工容置有加工粉末的目標(biāo)零件的外殼的不同狀態(tài)下的示意圖。
[0037]圖10為一種HIP設(shè)備進(jìn)一步加工圖8及圖9的SLM設(shè)備加工好的容置有加工粉末的目標(biāo)零件的外殼的初始狀態(tài)示意圖。