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 ] 本申請為申請日為2010年8月11日，申請號為201080046089.5，發明名稱為“用于制造鈦物體的方法和裝置”的發明專利申請的分案申請。
技術領域
[0002]本發明涉及用于通過實體自由成形制造來制造物體(目標，對象)，特別是鈦和鈦合金物體的方法和反應器。
【背景技術】
[0003]由鈦或鈦合金制成的金屬構造部件通常通過鑄造、鍛造或機械加工而由坯(billet)制得。這些技術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。
[0004]全致密實體物體(物理對象，實體目標，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來制得。這種技術采用計算機輔助設計軟件(CAD)以首先構建要制備的物體的虛擬模型，然后將所述虛擬模型轉變成通常水平取向的薄平行片(slices)或層。然后，可以通過如下來制備實體物體: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層直至形成整個物體。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，所述技術也被稱為實體自由成形制造。
[0005]實體自由成形制造是可以以相對快的制造速率，通常對于每個物體從幾小時至幾天變化來形成幾乎任何形狀的物體的靈活技術。所述技術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]現有技術
[0007]分層制造的技術可以被擴展為包括沉積構成材料的片，即將物體的虛擬模型的各個構造層分為一組片，所述片在并列放置時形成所述層。這使得可以通過如下來形成金屬物體:以形成根據物體的虛擬分層模型的每個層的連續條將線焊接到基材(襯底，基板)上，并對于每個層重復所述工藝直至形成整個實體物體。焊接技術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成型物(預成型件)，其需要被機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)結合的計算機輔助設計數據來直接制造金屬構造部件的方法和裝置。所述構造部件通過在連續層上焊接金屬焊接線而構造，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的復制(復制件)ABF方法(工藝)涉及在高真空環境中將金屬線進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(支持基材)沿一個或多個軸(X、Y、Z和旋轉)可移動地鉸接并通過四個軸移動控制系統來調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。可以對大量金屬沉積和更精細的詳細沉積兩者采用所述方法，并且所述方法聲稱與機械加工金屬部件的常規途徑相比，在研制周期下降以及較低的材料和機械加工成本上獲得了顯著的效果。
[0009]電子束技術具有依賴于沉積室中的10—1Pa以下的高真空的缺點。這可以通過等離子體轉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惰性電極之間的電弧放電而產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上來獲得。這種方法可以在大氣壓力下容易地應用并由此允許更簡單且更不昂貴的處理設備。在US 7 326 377和US 2006/185473中公開了這種技術的實例。這種技術有時被稱作等離子轉移弧實體自由成形制造(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，通過將鈦進料和合金成分結合而以相對低成本的鈦進料材料將高能量等離子體束如焊炬代替傳統使用的非常昂貴的激光用于實體自由成形制造(SFFF)工藝中。更特別地，在一個方面中，本發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合而在SFFF工藝中將CP Ti線與粉末狀的合金成分原位結合。在另一個實施方式中，本發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狀的鈦部件。將根據US 2006/185473的方法示意性地繪于圖2中，其是該文獻的圖1的復制(復制件)。
[0011]可以在與氧接觸時對在400°C之上加熱的鈦金屬或鈦合金進行氧化。因此，必須保護通過對抗環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罩(shield)，其產生了保護惰性氣體的平穩流出(evenoutflow)。通過將所述護罩置于需要被保護的物體上方，平穩的惰性氣體流會置換環境氣氛而不產生可能夾帶環境含氧氣體的渦流。所述護罩被形成為惰性氣體進入到內部的中空盒并使得通過在所述盒的一個壁中制造的一組窄開口而使所述盒的內部逸出。
[0012]發明目的
[0013]本發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]本發明的另一個目的是提供使得進行根據本發明的方法的沉積室。
【發明內容】
[0015]本發明基于如下認識:通過使沉積室充分沒有氧，使用保護措施以避免通過環境氣氛氧而氧化新焊接區域的需求不再存在，使得可以以較大的速度進行焊接工藝。例如，在鈦或鈦合金的物體的制造中，不再需要將焊接區冷卻至低于400°C以避免氧化。
[0016]因此，在第一個方面中，本發明涉及通過實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，然后將每個層分為一組虛擬的準一維片，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整置于封閉反應容器中的線進料系統、支持基材和高能量等離子體轉移弧焊炬的位置和活化的焊接控制系統中，
[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容器內部的氣氛，
[0021]-使所述控制系統運行(接合，engaging)以根據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一維片焊接到所述支持基材上，
[0022]-通過以根據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一維片焊接到預先沉積的層上而形成所述物體的第二層，以及
[0023]-對于所述物體的虛擬矢量化分層模型的每個連續層，逐層重復所述焊接工藝，直至形成整個物體。
[0024]如本文中所用的術語“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算機表示，其中將所述物體分為一組平行層并且其中將每個層分為一組準一維片。如本文中所用的術語“準一維片”是指當以根據虛擬模型的具體圖案并列放置時(或者當根據虛擬模型以具體圖案并列放置時)會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。可以通過共同焊接對應于虛擬矢量化分層模型的每個虛擬準一維片的焊接線的片而將虛擬矢量化分層模型轉變成實體物體。<