[发明专利]用于制造钛物体的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于通过实体自由成形制造来制造物体(目标，对象)，特别是钛和钛合金物体的方法和反应器。

背景技术

由钛或钛合金制成的金属构造部件通常通过铸造、锻造或机械加工而由坯(billet)制得。这些技术在制造中具有昂贵的钛金属的高材料使用和大的研制周期的缺点。

全致密实体物体(物理对象，实体目标，physical objects)可以通过称为快速原型、快速制造、分层制造或其他制造的制造技术来制得。这种技术采用计算机辅助设计软件(CAD)以首先构建要制备的物体的虚拟模型，然后将所述虚拟模型转变成通常水平取向的薄平行片(slices)或层。然后，可以通过如下来制备实体物体：铺放(放下)与虚拟层的形状类似的液体糊、粉末或片材形式的原料的连续层直至形成整个物体。将所述层熔合在一起以形成固体致密物体。在沉积熔合或焊接在一起的固体材料的情况下，所述技术也被称为实体自由成形制造。

实体自由成形制造是可以以相对快的制造速率，通常对于每个物体从几小时至几天变化来形成几乎任何形状的物体的灵活技术。所述技术因此适合于形成原型和小制造系列，但是较不适合于大体积制造。

现有技术

分层制造的技术可以被扩展为包括沉积构成材料的片，即将物体的虚拟模型的各个构造层分为一组片，所述片在并列放置时形成所述层。这使得可以通过如下来形成金属物体：以形成根据物体的虚拟分层模型的每个层的连续条将线焊接到基材(衬底，基板)上，并对于每个层重复所述工艺直至形成整个实体物体。焊接技术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体，由此通常将形成的物体看作是未加工物体或预成型物(预成型件)，其需要被机械加工为可接受的尺寸精度。

Taminger和Hafley[1]公开了由与电子束自由成形制造(EBF)结合的计算机辅助设计数据来直接制造金属构造部件的方法和装置。所述构造部件通过在连续层上焊接金属焊接线而构造，所述金属焊接线通过由电子束提供的热能焊接。将所述方法(工艺)示意性地示于图1中，其是[I]的图1的复制(复制件)。EBF方法(工艺)涉及在高真空环境中将金属线进料到由聚焦电子束制备并支持的熔池(熔融池)中。通过如下来获得电子束和焊接线的定位：使电子束枪和定位系统(支持基材)沿一个或多个轴(X、Y、Z和旋转)可移动地铰接并通过四个轴移动控制系统来调整所述电子束枪和所述支持基材的位置。所述方法声称在材料使用中接近100％有效且在功率消耗中95％有效。可以对大量金属沉积和更精细的详细沉积两者采用所述方法，并且所述方法声称与机械加工金属部件的常规途径相比，在研制周期下降以及较低的材料和机械加工成本上获得了显著的效果。

电子束技术具有依赖于沉积室中的10^-1Pa以下的高真空的缺点。这可以通过等离子体转移弧用聚焦电子束代替局部加热来避免。在这种情况下，局部熔体池的形成通过在两个惰性电极之间的电弧放电而产生的热并通过惰性等离子体形成气体的聚焦流股将所述热送到熔化点上来获得。这种方法可以在大气压力下容易地应用并由此允许更简单且更不昂贵的处理设备。在US 7 326 377和US 2006/185473中公开了这种技术的实例。这种技术有时被称作等离子转移弧实体自由成形制造(PTA-SFFF)。

US 2006/185473公开了一种方法，其中以显著降低原料成本的方式，通过将钛进料和合金成分结合而以相对低成本的钛进料材料将高能量等离子体束如焊炬代替传统使用的非常昂贵的激光用于实体自由成形制造(SFFF)工艺中。更特别地，在一个方面中，本发明采用成本低于合金线的纯钛线(CP Ti)，并通过在焊炬或其他高功率能量束的熔体中将CP Ti线与粉末合金成分结合而在SFFF工艺中将CP Ti线与粉末状的合金成分原位结合。在另一个实施方式中，本发明采用与合金化元素混合并形成为线的钛海绵材料，其中可以在与等离子体焊炬或其他高功率能量束组合的SFFF工艺中使用其以制造近似网状的钛部件。将根据US 2006/185473的方法示意性地绘于图2中，其是该文献的图1的复制(复制件)。