[发明专利]用于增材制造的可烧结金属浆料

说明书

本发明公开了材料和方法，该材料能够用于通过生产易于烧结的干燥金属浆料层状体来形成功能性金属件。在微观结构水平上，当被干燥时，金属浆料形成了多孔金属骨架颗粒和熔渗剂金属颗粒的基质，其中该熔渗剂金属颗粒间隙地位于该多孔骨架的间隙空位中。为了使这种材料具有机械和加工优点，选择熔渗剂颗粒以使得它们以不显著降低骨架颗粒的填充的方式填充在多孔骨架构件中，并使得它们也能够在加热时向多孔骨架熔渗。使用这种浆料的方法提供了一种由于混合沉积/去除工艺而具有高速率和高分辨率的金属部件生产的技术。

技术领域

本发明涉及在金属的增材制造中使用的材料。更具体地，本发明公开了数种金属浆料配方，其包含具有特定颗粒尺寸分布和组成的金属颗粒的混合物。本发明还公开了使用这些金属浆料来提供金属增材制造加工中的实质性改进的方法。

背景技术

增材制造是一个快速发展的领域，其中材料以定制的方式进行组装，从而按需生产不容易或不方便制造的部件。增材制造最常见的主旨是以逐层方式沉积塑料或金属。每层通过选择质量和能量输入来单独地进行成形。金属增材制造的子领域具有很大的前景，特别是在制造用于诸如原型设计、航空航天部件和工业工具等应用的高价值金属件方面。

金属的增材制造的现有技术是在通常称为“粉末床熔融”(PBF)的技术中将粗金属粉末激光熔融或烧结。在这种技术中，将干燥的金属粉末在成形面(或床)上铺展成薄且均匀的层。随后，使高功率激光在粉末床上移动，但仅将选定区域激发，其中将该选定区域熔融成一层所需的形状。然后重复粉末铺展和激光熔融步骤，直到以分层方式形成所需形状，其中该形状被埋在未熔融的金属粉末中。

PBF的大多数实施方案采用了直径通常在5微米至30微米的范围内的“粗”金属颗粒以及50微米至100微米范围内的层厚度。颗粒层可以少至两个颗粒的厚度，这可能会引入不均匀凹处的空隙空间，并且导致多变的材料性能。现有技术的从业者教导如下：根据激光系统的能量和材料选择，可以使此类金属粉末熔融或烧结。在粗金属颗粒的熔融中，金属粉末的区域在一段时间内转变成液相，这通常会产生具有低孔隙率的金属件，从而导致了高的机械强度。相反地，尽管可以采用比熔融的功率低的功率来进行烧结，但是在粗颗粒的烧结中，金属粉末的区域被充分激发以部分地熔融相邻的金属颗粒，这通常会产生具有较低机械强度的金属件。

为了熔融或烧结粉末所采用的能量取决于颗粒尺寸，其中较小的颗粒，由于其表面积较高、曲率较高并且表面原子更易流动，因而需要较少的能量。为了熔融粗粉末，激光器通常具有大于1kW的功率，因而需要庞大的安全控制装置来容纳这样的高功率激光束。已知有对于该技术的更改和改进，例如美国专利No.5,316,580(授予Deckard)和美国专利No.8,784,721(授予Philippi)所示。几乎所有的金属增材制造技术之间的共同点是用作前体的干燥金属粉末。

由于增加的表面积和相关颗粒间的吸引力所导致的固有粘性和结块，使得直径小于10微米的金属粉末难以以可控的方式移动到指定的位置。金属浆料是金属粉末在溶剂中的分散体，并且在本领域中已知是沉积直径小于10微米的金属粉末的层的手段。溶剂的添加具有从粒间吸引力使颗粒隔开的效果。在浆料中可以包含诸如聚合物之类的各种添加剂以使颗粒平滑地流过彼此。例如美国专利No.6,974,656(授予Hinczewski)所示，金属浆料已被用于增材制造，其中金属浆料以分层的方式沉积并通过多步骤工艺进一步进行烧结。然而，由于配制和使用金属浆料过程中的各种困难，金属浆料很少被用于诸如PBF技术之类的金属增材制造。

虽然激光熔融和烧结都已经用于由金属粉末形成完全致密的高强度金属件，但是PBF存在共同的缺点，例如设备昂贵且复杂、加工时间长，并且在所生产的金属部件中的机械性能不不均匀。但是，这些使用熔融和烧结的增材制造技术仍然被认为是由源金属粉末生产致密金属部件的方法。已经开发了其他技术作为实现增加金属部件密度的目标的替代手段。