三維零件的制造方法
【技術領域】
[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】
[0002]為了制造復雜及高性能的產品，粉末冶金加工技術已經被廣泛應用，其相較于鍛造等傳統(tǒng)工藝來說，具有明顯的優(yōu)勢。對應地，很多相關技術被開發(fā)出來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(Sintering)技術、包套(Canning)和致密化(Densificat1n)技術、及快速成型制造(Additive Manufacturing)技術等。在上述每一種技術中，整個過程的復雜度及生產成本都需要考慮在內。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)量也會明顯的影響最佳加工工藝過程的選擇。加工的方式可能也會影響加工后零件的物理的、微觀結構的以及機械的性能，并且零件性能級別的要求也會被用來考慮選擇何種加工工藝。為了生產復雜及高性能的零件，一些典型的加工工藝已經被設計出來。
[0003]對于復雜形狀的零件來說，快速成型制造的加工過程被廣泛應用，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、選擇性激光熔煉技術(Selective Laser Melting, SLM)、直接金屬激光熔煉(Direct metallaser melting, DMLM)技術、紅外線熔煉(Infrared melting)技術等常被用來加工三維零件，尤其是加工金屬零件。這些技術通常被歸類為快速制造方法，因為它們具有通過高能粒子束來直接制造零件的優(yōu)勢，而無需單獨再設計獨特的加工工具。包括EBM及DMLM在內的許多的快速成型制造技術加工三維零件是通常通過激光束或電子束逐層熔煉加工粉末，其中EBM是在高真空腔內完成加工的，而DMLM是在存儲有惰性氣體的腔內完成加工的。作為例子，EBM設備或DMLM設備先從讀取一個事先存儲的三維模型的數(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計算機控制電子束或激光束來實現(xiàn)的。以這種方式即可構建任意需要形狀的零件。EBM的加工過程在真空環(huán)境下進行，DMLM的加工過程可能在真空或惰性氣體環(huán)境下進行，如氬氣，如此可以加工制造容易與氧氣發(fā)生反應的材料的零件，如鈦零件。上述技術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，當三維零件的加工數(shù)量非常龐大時，整個加工過程將會花費大量的時間。這就需要應用更多的EBM設備或DMLM設備來達到上述需求，如此大大提高了投入成本。
[0004]對于簡單形狀及大尺寸的零件來說，包套和致密化技術是被常采用的技術。在這些粉末冶金過程中，加工材料典型地被放置于一個套筒(Can)內，用于將加工材料與外界環(huán)境進行隔離，并為后續(xù)加工過程提供一個轉換介質，例如熱等靜壓(Hot isostaticpressing, HIP)及氣動靜壓鍛造(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品的尺寸和形狀來說，套筒的尺寸和形狀通常是過大的，用于補償在致密化過程中產生的收縮。套筒內可以被松散的粉末填充，或者用來封裝壓制的或者半多孔的預成型件(半成品零件)。套筒提供了一種方式，粉末材料可以被機械地壓縮至一個滲透的或半滲透的半成品零件，該半成品零件適合于搬運、轉移、及加固或致密化處理成一個成品的目標零件。但是，套筒的使用需要很多額外的步驟并且會導致較高的產品報廢率(某種程度上由于套筒材料與其內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。套筒的成本及復雜度足以影響由粉末加工的零件的整體費用和效率。
[0005]不論應用快速成型制造技術還是應用包套和致密化技術進行加工，加工粉末都會頻繁的受到致密化處理，例如通過升高溫度、升高壓力或兩者，以獲得充分致密的結構，進而符合最終目標零件的硬度要求。一些處理的例子包括燒結、熱壓制、及HIP。此外，美國專利號為5，816，090的專利揭露了一種應用PIF加固粉末零件的處理方法。不同于HIP在較長的時間內同步應用高溫高壓的處理過程，上述美國專利應用高溫和更高的壓力，在短時間內進行PIF處理。該美國專利描述了僅部分地密封工件的外表面，或者在預燒結步驟之前給工件上涂敷潛在的反應材料。因此，該美國專利揭露的解決方式是應用上述描述的過程并依賴于額外的步驟，而并非典型的HIP處理過程。
[0006]壓制及燒結過程也被用于將加工粉末放置于一個模具內并擠壓成一個形狀，再從模具內拿出來然后再高溫下燒結以獲得致密性要求。在這種加工過程中，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劣于其他粉末冶金加工技術。
[0007]粉末冶金加工過程被頻繁地用于制造，通過標準的鍛造加工技術很難或不可能獲得高品質及高性能的零件產品。固態(tài)的加工過程(例如加壓燒結，或包套致密化技術)可能優(yōu)于基于熔融的工藝。因為在固態(tài)加工過程中材料精細的微觀結構被保持住了，同時過程中也不生成新的凝固組織。因為這些限制，為復雜的高性能材料找到最優(yōu)化的加工過程有時變得很困難。
[0008]所以，需要提供一種新的零件的制造方法來解決上述問題。

【發(fā)明內容】

[0009]現(xiàn)在歸納本發(fā)明的一個或多個方面以便于本發(fā)明的基本理解，其中該歸納并不是本發(fā)明的擴展性縱覽，且并非旨在標識本發(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)更詳細的描述之前用簡化形式呈現(xiàn)本發(fā)明的一些概念。
[0010]本發(fā)明的一個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]對松散的加工粉末進行局部的致密化處理，以形成一個致密化且密封的殼體，該殼體的內部仍容置有松散的加工粉末；及
[0012]對該殼體及其內部的加工粉末整體進行致密化處理，以使該殼體內部的加工粉末在致密化的同時與該殼體實現(xiàn)冶金結合，進而形成目標三維零件。
[0013]本發(fā)明的另一個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EBM技術對松散的加工粉末進行局部的致密化處理，以形成一個致密化且密封的真空殼體，該殼體的內部仍容置有松散的加工粉末；
[0015]重復上述步驟，直到加工出預定數(shù)目的該容置有松散的加工粉末的殼體；及
[0016]同時對該預定數(shù)目的容置有松散的加工粉末的殼體整體進行致密化處理，以使該若干殼體內部的加工粉末在致密化的同時與對應殼體實現(xiàn)冶金結合，進而同時形成預定數(shù)目的目標三維零件。
[0017]本發(fā)明的再一個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]通過快速成型制造技術對松散的加工粉末進行局部的致密化處理，以形成一個致密化且具有導氣管的殼體，該殼體的內部仍容置有松散的加工粉末；
[0019]通過抽氣裝置連通該導氣管將殼體內部的氣體排除；
[0020]當該殼體內的真空度達到預定值后對殼體進行密封處理；
[0021]重復上述步驟，直到加工出預定數(shù)目的容置有松散的加工粉末的真空密封殼體；及
[0022]同時對該預定數(shù)目的容置有松散的加工粉末的殼體整體進行致密化處理，以使該若干殼體內部的加工粉末在致密化的同時與對應殼體實現(xiàn)冶金結合，進而同時形成預定數(shù)目的目標三維零件。
[0023]本發(fā)明的再一個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]對松散的加工粉末進行第一次致密化處理，以形成一個具有第一密度水平的可滲透多孔的半成品零件；
[0025]對該半成品零件的外表面區(qū)域進行第二次致密化處理，以使該外表面區(qū)域形成一個具有第二密度水平的密封殼體；及
[0026]對該具有第二密度水平的外表面區(qū)域及其內部具有第一密度水平的內部區(qū)域整體進行致密化處理，以形成目標三維零件。
[0027]相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明在對三維零件進行制造時進行了分步驟地加工，首先通過例如快速成型制造技術對松散的加工粉末進行有選擇的殼體加工，如此一來，在加工的目標零件的數(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在后續(xù)步驟如HIP或PIF技術中進行整體的致密化處理，從而一次性地加工出數(shù)量眾多的目標三維零件，由于在該步驟中是一次同時加工數(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部的加工粉末實現(xiàn)了冶金結合，而并未應用傳統(tǒng)的套筒進行輔助加工，如此也大大簡化了制造工藝。
【附圖說明】
[0028]通過結合附圖對于本發(fā)明的實施方式進行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中:
[0029]圖1為一種EBM設備加工容置有加工粉末的目標零件的外殼的不意圖。
[0030]圖2為圖1的EBM設備加工該目標零件的外殼在四個不同加工時間點時的示意圖。
[0031]圖3為圖1的EBM設備加工的目標零件的外殼在六個不同加工時間點的示意圖。
[0032]圖4為一種HIP設備進一步加工圖1的EBM設備加工好的容置有加工粉末的目標零件的外殼的初始狀態(tài)示意圖。
[0033]圖5為圖4的HIP設備加工圖1的EBM設備加工好的容置有加工粉末的目標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施方式的流程圖。
[0035]圖7為補償后的三維空間模型的構建過程示意圖。
[0036]圖8及圖9為一種SLM設備加工容置有加工粉末的目標零件的外殼的不同狀態(tài)下的示意圖。
[0037]圖10為一種HIP設備進一步加工圖8及圖9的SLM設備加工好的容置有加工粉末的目標零件的外殼的初始狀態(tài)示意圖。