金屬制品的制造方法
【專利摘要】本公開內(nèi)容涉及金屬制品的制造，更具體地說是涉及通過增材制造技術(shù)進(jìn)行的金屬制品的制造，特別是通過可以包括金屬粉末的選擇性熔融或者燒結(jié)的增材制造技術(shù)進(jìn)行的金屬制品的制造。這些技術(shù)的例子可以包括選擇性激光熔融(SLM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)和使用激光之外的電子束的技術(shù)。例示性實(shí)施方式包括制造制品的方法，該方法包括選擇性地熔融和/或燒結(jié)包含含有鋁的合金的粉末，其中所述合金含有鉍。
【專利說明】金屬制品的制造

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬制品的制造，更具體地說是涉及通過增材制造技術(shù)進(jìn)行的金屬制 品的制造。特別是，本發(fā)明涉及通過可以包括選擇性地熔融或者燒結(jié)金屬粉末的增材制造 技術(shù)進(jìn)行的金屬制品的制造。所述技術(shù)的例子可以包括選擇性激光熔融（SLM)、選擇性激光 燒結(jié)和使用激光之外的電子束的技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 選擇性激光熔融（SLM)是一種快速原型（RP)和/或快速制造（RM)技術(shù)，這種技 術(shù)可以被用來生產(chǎn)金屬固體和多孔性制品。方便的是，所述制品可以具有直接投入使用的 合適性能。例如，SLM可以被用來生產(chǎn)一次性制品例如根據(jù)它們的目標(biāo)用途定制的零件或 者部件。類似地，SLM可以被用來生產(chǎn)大批量或者小批量的制品例如用于特殊用途的零件 或者部件。
[0003] SLM以逐層方式構(gòu)建制品。通常，這需要在移動基體上沉積?。ɡ?0ym至 100ym)且均一的微細(xì)金屬粉末層。然后采用選擇性激光掃描金屬顆粒來使它們?nèi)诤显谝?起，這一般根據(jù)模型的3DCAD數(shù)據(jù)進(jìn)行。
[0004] SLM依賴于將粉末轉(zhuǎn)變成熔融池（meltpool)，材料從熔融池固化以形成新的固體 部件。如果準(zhǔn)備生產(chǎn)致密的強(qiáng)力部件的話，固體焊縫還必須融合到下層周圍固體。
[0005] SLM的優(yōu)點(diǎn)特別是與在一些其他RP/RM工藝中使用的粉末燒結(jié)比較而言的優(yōu)點(diǎn)是 完全金屬粉末熔融，所述完全金屬粉末熔融可以導(dǎo)致更高密度和更好的機(jī)械性能。而且，這 可以減少或者甚至消除對粘合劑和/或后處理的需要。
[0006] 另外，對于制造具有更加復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的制品來說，諸如SLM或者SLS之類的增材 制造技術(shù)由于沒有任何的工具加工（tooling)的緣故，通?？赡鼙瘸Ｒ?guī)制造技術(shù)更具有成 本效率和/或時間效率。還可以顯著降低設(shè)計約束。諸如SLM或者SLS之類的增材制造技 術(shù)在醫(yī)學(xué)、牙科、航空航天和電子行業(yè)中的越來越廣泛的應(yīng)用的一個原因是可以使用直接 由金屬粉末生產(chǎn)的完全功能零件來代替一般將被機(jī)加工或者鑄造的零件。
[0007] 使用諸如SLM或者SLS之類的增材制造技術(shù)生產(chǎn)制品通常需要使用反應(yīng)性金屬的 微細(xì)粉末。這些粉末從安全的角度和材料處理角度兩者來看都可能存在顯著的操作問題。 因此，這些粉末通常在保護(hù)性氣氛中儲存和使用。這可能有助于改善粉末的散布以形成薄 的粉末層，降低由微細(xì)粉末造成的起火和健康風(fēng)險，并且可以盡可能減少或者至少降低可 能影響零件的完整性的氧化物和水合物的形成。
[0008] SLM已經(jīng)被用來生產(chǎn)100 %致密不銹鋼和鈦零件，并且這些零件通常可以可靠地 再現(xiàn)散裝材料（bulkmaterial)的性能。
[0009] 然而，SLM還沒有對鋁和含有鋁的合金也一樣有效。特別是，SLM難以制造具有接 近100理論密度％的密度的鋁或者鋁合金制品。通常，問題可能是由于在熔融和固體鋁合 金的表面上都形成薄的粘著氧化物膜造成的。這些表面氧化物膜改變了固體和液體兩者的 潤濕性質(zhì)。
[0010] Louvis等（Louvis，E.，F(xiàn)ox,P.andSutcliffe,C.J.，2011.Selectivelaser meltingofaluminiumcomponents.JournalofMaterialsProcessingTechnology,vol .211，no. 2,pp. 275-284)發(fā)現(xiàn)，見于鋁SLM零件的高度孔隙度主要是因?yàn)檠趸锬さ男纬伞?這個工作使用相對低的激光功率（50W和100W)。
[0011] 理論上可以通過顯著提高激光功率來將材料加熱到足以使氧化物分解的溫度和/ 或在具有足夠低的氧含量的氣氛中進(jìn)行SLM以阻止氧化物形成來減少與表面氧化物膜相 關(guān)的問題。
[0012] Sarou-Kanian等(Sarou-Kanian，V.，Millot,F.andRifflet，J.C.，2003.Surface TensionandDensityofOxygen-FreeAluminiumatHighTemperature.International JournalofThermophysics，vol.24，no.l，pp. 277-286)報道，需要超過 1327°C的溫度 來使氧化物分解。Schleifenbaum等（Schliefenbaum,H.，Meiners,W.，Wissenbach,K. andHinke,C, 2010.IndividualizedProductionbyMeansofHighPowerSelective LaserMelting.CIRPJournalofManufacturingScienceandTechnology,vol. 2,no. 3, pp. 161-169)報道，需要330W的激光功率來通過SLM產(chǎn)生高質(zhì)量的鋁部件。
[0013] 雖然通過使用功率更高的激光使材料過熱來獲得具有令人滿意的質(zhì)量和與鑄造 或者機(jī)加工得到的鋁部件相媲美的機(jī)械性能是可能的，但是隨著熔池尺寸會增加，會伴隨 有與成本和/或失去過程控制有關(guān)的問題。
[0014] 將氣氛中的氧含量降低到足以阻止氧化物形成的水平還可能是如此的昂貴和困 難，使得在任何商業(yè)制造工藝中是不現(xiàn)實(shí)的和/或不可行的。例如，氧的分壓口〇 2在600°C 時將必須小于1(T52氣氛。
[0015] 而且，在SLM或者SLS的過程中，鋁的氧化即使在控制最好的工藝條件下也可能無 法避免，因?yàn)殇X的氧化甚至由于粉末顆粒中的氧的緣故也可以發(fā)生。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明的第一方面提供了一種制造制品的方法，所述方法包括選擇性地熔融和/ 或燒結(jié)包含含有鋁的合金的粉末，其中所述合金含有鉍，優(yōu)選的是，所述合金以不超過10 重量％的量含有祕。
[0017] 優(yōu)選的是，可以使用電子束或者激光來選擇性地熔融和/或燒結(jié)所述粉末。
[0018] 所述方法可以包括選擇性激光熔融（SLM)和/或選擇性激光燒結(jié)（SLS)。
[0019] 鋁可以是所述合金的主要成分。
[0020] 優(yōu)選的是，所述合金可以含有不多于5重量％的鉍。更優(yōu)選的是，所述合金可以含 有不多于4重量％的祕。
[0021] 優(yōu)選的是，所述合金可以含有至少0. 2重量％的鉍。
[0022] 優(yōu)選的是，所述合金可以含有鉍的量等于或者接近于其在該合金中的最大液體溶 解度。
[0023] 所述合金可以是航空航天合金、鑄造合金（castalloy)或者鍛造合金（wrought alloy)〇
[0024] 優(yōu)選的是，所述合金可以是鋁-硅合金。
[0025] 優(yōu)選的是，所述合金可以含有鈧。所述合金可以是鋁-鎂-鈧-鉍合金。
[0026] 所述鋁合金可以含有不超過約4. 3重量％的量的鎂，并且可選地為1. 8重量％至 4. 3重量％的量的鎂。所述合金可以含有不超過約1. 4重量％的量的鈧，并且可選地為0. 7 重量％至1. 4重量％的量的鈧。所述合金可以進(jìn)一步含有不超過約0. 55重量％的量的錯， 并且可選地為0. 22重量％至0. 55重量％的量的鋯。所述合金可以進(jìn)一步含有不超過約 0. 7重量％的量的錳，并且可選地為0. 3重量％至0. 7重量％的量的錳。
[0027] 優(yōu)選的是，所述合金可以是共晶合金或者近似共晶合金（neareutecticalloy)。
[0028] 所述合金可以是6061合金或者AlSil2合金。
[0029] -般來說，可以在惰性環(huán)境下進(jìn)行所述選擇性熔融和/或選擇性燒結(jié)。進(jìn)行所述 選擇性熔融和/或選擇性燒結(jié)的惰性環(huán)境可以是基于氬氣或者基于氮?dú)獾亩栊原h(huán)境。優(yōu)選 的是，所述惰性環(huán)境可以含有不超過〇. 2體積％的氧。
[0030] 可以使用等于或者小于200W，優(yōu)選等于或者小于150W，更優(yōu)選等于或者小于100W 的激光功率或者電子束功率。
[0031] 優(yōu)選的是，所述激光功率或者電子束功率可以為50W。
[0032] -般來說，所述激光功率或者電子束功率可以為50W或者100W。
[0033] 優(yōu)選的是，所述激光或者電子束可以具有等于或者小于100ym的束斑直徑。例 如，所述束斑直徑可以為等于或者小于50ym。所述束斑可以為5ym以上，例如10ym以 上。
[0034] 優(yōu)選的是，所述激光或者電子束可以遵循回紋圖案（meanderpattern)。
[0035] 可以使用不超過400mm/s的激光或者電子束掃描速度，優(yōu)選不超過200mm/s的激 光或者電子束掃描速度。優(yōu)選的是，所述激光或者電子束掃描速度可以為l〇〇mm/s以上。
[0036] 可以使用至少0. 05mm的影線距離（hatchdistance)。所述影線距離可以為不超 過1mm，例如不超過0? 5mm或者不超過0? 3mm。例如，所述影線距離可以為0? 1mm，0? 15mm或 者0? 2臟。
[0037] 可以使用不超過0. 5mm的層厚度。一般來說，可以使用不超過100ym的層厚度。 所述層厚度可以為1um以上，例如20ym以上。例如，所述層厚度可以為50ym以上。
[0038] 所述粉末可以具有小于1ym或者至少1ym的平均顆粒尺寸，例如至少5ym的平 均顆粒尺寸或者至少10ym的平均顆粒尺寸，優(yōu)選至少20ym的平均顆粒尺寸。所述粉末 可以具有不超過1〇〇ym的平均顆粒尺寸（例如平均直徑），優(yōu)選不超過80ym的平均顆粒 尺寸（例如平均直徑）或者不超過50ym的平均顆粒尺寸（例如平均直徑）。例如，所述粉 末可以具有45ym的平均顆粒尺寸（例如平均直徑）。
[0039] 優(yōu)選的是，所述方法可以包括制備所述粉末的預(yù)備步驟。所述粉末可以采用霧化 法來制備。有利的是，所述霧化法一般可以產(chǎn)生近似球形的顆粒。
[0040] 優(yōu)選的是，所述方法根據(jù)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。一般來說，所述輸入數(shù)據(jù)包括幾何數(shù) 據(jù)，例如儲存在CAD文件中的幾何數(shù)據(jù)。作為另外的或者替代的實(shí)施方式，所述輸入數(shù)據(jù)可 以包括一個或者多個預(yù)定的激光或者電子束掃描參數(shù)。
[0041] 所述制品可以具有至少85理論密度％的密度，優(yōu)選至少90理論密度％的密度，更 優(yōu)選至少95理論密度％的密度，最優(yōu)選至少98理論密度％的密度。優(yōu)選的是，所述制品可 以具有接近1〇〇理論密度％的密度，例如，所述制品可以基本上是完全致密的。
[0042] 所述制品可以是用于在復(fù)雜產(chǎn)品或者設(shè)備中使用的部件或者零件。作為替代方 式，所述制品可以是產(chǎn)品或者設(shè)備。
[0043] 本發(fā)明的另一個方面提供了根據(jù)本發(fā)明的第一方面所述的方法制造的制品。
[0044] 本發(fā)明的另一個方面提供了用于在制造制品的方法中使用的粉末，所述方法包括 選擇性熔融和/或燒結(jié)所述粉末，所述粉末包含含有鋁的合金，其中，所述合金含有鉍，優(yōu) 選的是，所述合金以不超過10重量％的量含有祕。
[0045] 本發(fā)明的另一個方面提供了能夠連接至增材制造設(shè)備例如選擇性激光熔融設(shè)備 或者選擇性激光燒結(jié)設(shè)備的儲存容器，所述容器容納有根據(jù)本發(fā)明的粉末。一般來說，所述 容器還可以容納有惰性氣體，如氬氣，因?yàn)樗龇勰┰谘醮嬖诘那闆r下可能具有爆炸性。
[0046] 一般來說，所述容器可以是可連接至所述設(shè)備，使得在使用時，所述粉末可以從所 述容器中流到所述設(shè)備內(nèi)的粉末分配機(jī)構(gòu)中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0047] 為了使本發(fā)明可以被很好地理解，現(xiàn)在將僅通過實(shí)施例并參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行 描述，其中：
[0048] 圖1展示了典型的SLM工藝和設(shè)備；
[0049] 圖2展示了主要激光掃描參數(shù)中的一些參數(shù)；
[0050] 圖3是顯示了在100W的激光功率時激光掃描速度和影線距離對6061-Bi的所得 相對密度的影響的曲線圖；
[0051] 圖4是顯示了在100W的激光功率時激光掃描速度和影線距離對AlSi12-Bi的所 得相對密度的影響的曲線圖；
[0052] 圖5顯不了 6061-Bi樣品的XY截面的一對光學(xué)顯微照片；
[0053] 圖6顯不了AlSi12-Bi樣品的XY截面的一對光學(xué)顯微照片；
[0054] 圖7包括比較在100W激光功率和0. 15mm影線距離時合金的相對密度的曲線圖和 光學(xué)顯微照片。
[0055] 實(shí)驗(yàn)試樣使用具有50W和100W的最大激光功率的兩個MCPRealizerSLM100機(jī) 器（MTTToolingTechnologies,UK)來生產(chǎn)。

【具體實(shí)施方式】
[0056] 圖1示意性地顯示了SLM工藝和設(shè)備。所述設(shè)備包括鐿纖維激光器1，所述鐿纖維 激光器1發(fā)射激光束3。一個或者多個掃描鏡2用于將激光束3引導(dǎo)到粉末上。所述粉末 被提供在基板4上，所述基板4可以通過活塞5的操作而上下移動。用于在SLM工藝過程 中將粉末沉積在各層中的粉末沉積或者重復(fù)涂布機(jī)構(gòu)7包括刮片6。
[0057] 在使用時，使用所述粉末沉積機(jī)構(gòu)7將粉末層均勻地散布在基底上，所述基底設(shè) 置在基板4上。所述粉末沉積機(jī)構(gòu)7被定制成使得適合于供鋁粉末使用。使用所述鐿纖維 激光束3 (波長（A) = 1. 06ym，束斑直徑=80ym)根據(jù)CAD數(shù)據(jù)掃描各層。熔融粉末顆 粒融合在一起（固化部分在8處示出），形成制品或者零件的層，并且重復(fù)該工藝直至頂層。 所述制品或零件然后被從所述基底上移除，并且任何沒有融合的粉末可以在下一次建構(gòu)中 使用。該工藝在惰性環(huán)境中進(jìn)行，所述惰性環(huán)境一般是氬氣，同時氧水平一般為0. 1體積％ 至0. 2體積％。在SLM工藝的過程中，在10毫巴至12毫巴（mbar)的過壓力保持的腔室氣 氛被持續(xù)循環(huán)和過濾。
[0058]用于制造零件的輸入數(shù)據(jù)包括儲存作為CAD文件的幾何數(shù)據(jù)和激光掃描工藝參 數(shù)?？赡苡绊戜XSLM零件的密度的主要工藝參數(shù)包括：激光功率；激光掃描速度，所述激光 掃描速度取決于構(gòu)成掃描路徑的激光光斑中的每一個激光光斑上的曝光時間和它們之間 的距離（點(diǎn)距離）；和激光影線（laserhatch)之間的距離。
[0059] 圖2展示了主要激光掃描參數(shù)中的一些參數(shù)。箭頭示出了橫跨樣品的激光掃描圖 案。圖2顯示了邊界21，在邊界21內(nèi)是填充輪廓（fillcontour) 22。填充輪廓偏距（fill contouroffset) 27構(gòu)成邊界21和填充輪廓22之間的距離。激光掃描圖案覆蓋填充輪廓 22內(nèi)的基本上所有的樣品。激光掃描圖案構(gòu)成由一系列激光光斑組成的路徑（由箭頭示 出）。為了展示目的，在激光掃描圖案的頭一行中單獨(dú)顯示這些激光光斑中的一些光斑。序 列中從給定激光光斑到下一個激光光斑的距離被稱為點(diǎn)距離23。激光掃描圖案中的每一行 被稱為影線24。在圖2中展示的激光掃描圖案包括17條基本平行的影線；激光沿著第一 影線在第一方向上掃描，然后沿著第二影線在第二相反的方向上掃描，然后沿著第三影線 在所述第一方向上掃描，然后沿著第四影線在所述第二相反的方向上掃描，以此類推。從影 線24的末端到填充輪廓22的距離被稱為影線偏距26。序列中的一個影線到下一個影線的 距離，例如第六影線和第七影線之間的距離，被稱為影線距離25。
[0060] 在 申請人:的實(shí)驗(yàn)中，具有1〇_側(cè)邊長度的立方體試樣使用參數(shù)組合建構(gòu)。試樣的 相對密度通過重力分析方法確定。
[0061] 激光器遵循回紋圖案（在圖2中顯示的圖案是回紋圖案的一個例子），同時每一層 保持相同的掃描方向以便更加容易地觀察掃描軌跡。
[0062] -般使用50ym的層厚度。選擇該厚度是因?yàn)槠湓试S使用具有45ym的平均顆粒 直徑的粉末。這樣的顆粒尺寸是優(yōu)選的，因?yàn)槠錄]有堵塞在 申請人:的實(shí)驗(yàn)中所使用的分配 機(jī)構(gòu)。對于其他分配機(jī)構(gòu)，可以使用其他的顆粒尺寸。此外，增加層厚度可能導(dǎo)致層間結(jié)合 差和/或球化效應(yīng)（ballingeffect)變差。
[0063] 試樣的基底在激光加工的過程中被加熱至180°C。
[0064] 實(shí)驗(yàn)在氬氣氣氛（一般含有0? 1體積％至0? 2體積％的氧）中進(jìn)行。也已經(jīng)使用 過其他的保護(hù)性氣氛，例如氮?dú)狻?br> [0065] 將鉍添加至兩種鋁合金即6061和AlSi12中。開始時制得過飽和合金。在霧化之 前分別將這兩種母合金（各為lkg)與6061和AlSi12錠（5kg)混合。通過CERAM，UK進(jìn)行 霧化。霧化前合金以低于液體溶解度界限的量含有鉍，并因此在噴霧器中只形成一種液體。 因?yàn)橛羞@樣的可能，即，鉍的量在霧化過程中可能會損失，因此采用電感耦合等離子體-光 學(xué)發(fā)身寸光譜法（inductivelycoupledplasma-opticalemissionspectroscopy，ICP-OES) 對粉末進(jìn)行元素定量分析。這個分析表明，6061-Bi含有2. 5重量％的Bi，而AlSil2-Bi含 有2. 8重量％的祀。
[0066] 在圖5、6和7中顯不的光學(xué)顯微照片是在將試樣打磨至20nm(Metaserv UniversalPolisher)之后采用NikonEpiphot光學(xué)顯微鏡獲得的。經(jīng)打磨的試樣隨后使 用凱勒試劑（Keller'sreagent，1體積％的氫氟酸、1. 5體積％的鹽酸和2. 5體積％的硝酸 的水溶液）進(jìn)行蝕刻以顯示它們的微觀結(jié)構(gòu)。
[0067] 鉍對密度的影響通過改變主要工藝參數(shù)來評價，并在曲線圖中顯示它們之間的相 互關(guān)系。試樣的截面的金相分析顯示經(jīng)改性的合金的任何微觀結(jié)構(gòu)差異和這些影響鋁合金 的氧化問題的方式。
[0068] 圖3是顯示使用100W的激光功率采用SLM制得的6061-Bi樣品的一些結(jié)果的曲 線圖。6061-Bi的作為理論密度的百分比度量的相對密度在y軸上作圖；以mm/s度量的激 光掃描速度在x軸上作圖。在該曲線圖上顯示三個數(shù)據(jù)系列。第一數(shù)據(jù)系列[A]用于使用 0. 1mm的影線距離制得的樣品，第二數(shù)據(jù)系列[B]用于使用0. 15mm的影線距離制得的樣品， 而第三數(shù)據(jù)系列[C]用于使用0. 2mm的影線距離制得的樣品。
[0069] 在 申請人:的初始實(shí)驗(yàn)中，6061-Bi樣品的相對密度與在相同工藝條件獲得的6061 的最大相對密度（89. 5% )相比沒有顯示出顯著的增加，
[0070] 圖4是顯示使用100W的激光功率采用SLM制得的AlSil2-Bi樣品的一些結(jié)果的 曲線圖。AlSil2-Bi的作為理論密度的百分比度量的相對密度在y軸上作圖；以mm/s度量 的激光掃描速度在x軸上作圖。在該曲線圖上顯示三個數(shù)據(jù)系列。第一數(shù)據(jù)系列[D]用于 使用0. 1mm的影線距離制得的樣品，第二數(shù)據(jù)系列[E]用于使用0. 15mm的影線距離制得的 樣品，而第三數(shù)據(jù)系列[F]用于使用0. 2mm的影線距離制得的樣品。
[0071] 在 申請人:的初始實(shí)驗(yàn)中，AlSil2-Bi樣品的相對密度與在相同工藝條件獲得的最 大相對密度相比確實(shí)顯示出了顯著的增加，
[0072] 而且，當(dāng)將鉍添加至近似共晶鋁_硅合金（AlSil2_Bi)時，所制得的SLM零件顯示 出比本 申請人:所檢測的任何其他合金都較高的相對密度（參見圖7,在下文討論）。
[0073] 圖5是6061-Bi樣品的截面的一對光學(xué)顯微照片。右手側(cè)的圖是左手側(cè)的圖的一 部分的具有較高放大率的圖。
[0074] 圖6是AlSi12-Bi樣品的截面的一對光學(xué)顯微照片。右手側(cè)的圖是左手側(cè)的圖 的一部分的具有較高放大率的圖。
[0075] 6061-Bi和AlSil2_Bi樣品的孔隙度可以在圖5和6中的顯微照片上看到。通常， 所有的孔具有不規(guī)則的形狀，邊緣尖銳，這指示在它們的周圍形成氧化物。在圖6中明顯可 以看出，在連續(xù)微型焊接（consecutivemicroweld)的邊緣處的顆粒比其他區(qū)域的相對較 大。這樣的顆粒生長很可能是熔融池邊界處的較低溫度和較低的冷卻速率造成的結(jié)果，也 是因?yàn)猷徑廴诔氐闹丿B區(qū)域加熱兩次的原因。
[0076] 圖7提供了使用相同的SLM工藝條件（100W的激光功率和0.15mm的影線距離） 制得的6061、AlSi12、6061-Bi和AlSil2-Bi樣品的相對密度的比較。合金的作為理論密 度的百分比度量的相對密度在y軸上作圖；以mm/s度量的激光掃描速度在x軸上作圖。在 該曲線圖上顯示四個數(shù)據(jù)系列。第一數(shù)據(jù)系列[G]用于6061樣品，第二數(shù)據(jù)系列[H]用于 AlSi12樣品，第三數(shù)據(jù)系列[I]用于6061-Bi樣品，而第四數(shù)據(jù)系列[F]用于AlSil2-Bi 樣品
[0077]四種材料的平行于被掃描的層的截面的光學(xué)顯微照片顯示在以三種激光掃描速 度制得的樣品的曲線圖的下面。利用虛線28、29和30分別指示激光掃描速度120mm/s、 190mm/s和380mm/s。
[0078] 本 申請人:已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鉍可能對采用SLM制得的鋁和鋁合金制品、零件或者部件的 相對密度具有顯著的影響。例如，參照圖7,在100W的激光速度和最佳影線距離（發(fā)現(xiàn)為 0. 15_)的含鉍合金AlSil2-Bi和合金AlSi12的比較清楚表明添加鉍的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在較 高掃描速度的情況下。因此，鉍對相對密度的有益效果可以在共晶或者近似共晶鋁-硅合 金的SLM加工中觀察到。然而，預(yù)期這種優(yōu)異效果可以在其他鋁合金體系中實(shí)現(xiàn)。
[0079]使用光學(xué)顯微照片比較這四種材料的平行于被掃描的層的截面。光學(xué)顯微照片顯 示在圖7中。所選擇的試樣使用不同的激光掃描速度（120mm/s、190mm/s和380mm/s，在圖 7中分別以虛線28、29和30指示）制得。這些截面可以是兩個連續(xù)層的50ym距離內(nèi)的任 意位置。由于預(yù)期孔隙度以每25微米（其是一層與其下一層的接界的中點(diǎn)之間的距離） 呈現(xiàn)小周期性變化，因此在這些顯微照片中顯示的孔隙度可能不是該試樣的孔隙度的完全 代表。盡管如此，在顯微照片中顯示的孔隙度可能具有指示性?？梢允褂弥亓Ψ治龇ǐ@得 對這些材料的相對密度的更加準(zhǔn)確的測定。使用重力分析法確定的相對密度描繪在圖7的 頂部部分中顯示的曲線圖中。
[0080] 從圖7所示的顯微照片可以看出，使用低掃描速度制得的AlSil2-Bi試樣清楚地 具有較為致密的結(jié)構(gòu)。不希望受到任何理論的束縛，據(jù)推測鉍能夠促進(jìn)鋁合金的SLM加工 的方式有兩種。鉍可以發(fā)揮作用以弱化氧化物膜，使得它們更加容易被破壞。鉍還可以增 加合金的流動性，由此潛在地增加對熔融池的攪動。
[0081] 鉍對流動性的影響可能是由于鉍與金屬氧化物界面分離的緣故，其中它可能弱化 氧化物及其與底層金屬的結(jié)合。另一種可能的影響是形成穩(wěn)定性較低的氧化物的鉍層可能 覆蓋熔融鋁的表面，妨礙氧向鋁的運(yùn)動，并且可能因此而減緩氧化鋁膜的形成。不管發(fā)生什 么影響，鉍將改變氧化物膜并且因此影響熔融合金的表面張力。
[0082] 可以推導(dǎo)出的是，在含鉍合金的SLM的過程中，熔融池的表面張力下降。其與周圍 固化的材料的接觸角可能因此而減小。由于這促進(jìn)潤濕變好，因此這可能在低的激光能量 強(qiáng)度下導(dǎo)致更加致密的零件。
[0083] 從理論上來看，可以存在鉍的有利作用的界限，這種界限可能與合金的熔點(diǎn)有關(guān)。 例如，當(dāng)激光掃描產(chǎn)生處在燒結(jié)范圍內(nèi)的溫度時，預(yù)期鉍可能不會如此強(qiáng)烈地影響孔隙度。 AlSil2具有比6061低得多的熔點(diǎn)，并且這可以解釋為什么鉍在100W激光功率時對共晶 鋁-硅合金（AlSil2)比對6061具有更加顯著的效果。AlSil2-Bi合金的可能降低的氧化 物膜厚度還可能已經(jīng)促進(jìn)了鋁原子穿過其的擴(kuò)散。這可能已經(jīng)誘導(dǎo)了未熔融粉末顆粒在所 制得的試樣的壁上的燒結(jié)。
[0084] 鋁-鉍相圖顯示，鉍在固體鋁中的固體溶解度可以忽略不計。然而，鉍在偏晶溫度 (657°C)的最大液體溶解度是3. 4重量％并且任何進(jìn)一步的添加會導(dǎo)致具有不同組成的兩 個不相混溶的液相的形成。當(dāng)亞偏晶Al-Bi合金凍結(jié)時，鉍被從固體不僅排斥到表面而且 還在合金內(nèi)形成液珠。在低于其熔點(diǎn)（270°C)的溫度，鉍固化而在鋁合金內(nèi)形成純鉍顆粒。
[0085] 以低于其液體溶解度的量將鉍添加到鋁合金上導(dǎo)致氧化物缺陷的減少和相對密 度的增加。不希望受任何理論的束縛，這可能是因?yàn)樾纬赡軌蚋尤菀自隈R朗格尼流的作 用下破碎的更脆弱的氧化物的緣故，但是還可能是增強(qiáng)其液體流本身的結(jié)果。當(dāng)在100W激 光功率進(jìn)行測試時，對于AlSil2合金而言，鉍導(dǎo)致孔隙度的顯著下降。當(dāng)在AlSil2中使 用鉍的最大溶解度時，在證實(shí)其在粉末中均勻地分布之后，以及當(dāng)在較低的氧水平采用SLM 加工這種合金時，可以預(yù)料到獲得更好的結(jié)果。在這些條件下，確定用于制備近似完全致密 的部件的最小激光能量強(qiáng)度可以顯示鉍的有益效果的完整范圍，但是還可以揭示鋁合金中 的孔隙度的其他可能因素，例如水分的影響。
[0086] 制造方法中使用的粉末可以供應(yīng)在儲存容器中。一般而言，所述容器還可以裝有 惰性氣體例如氬氣。有利的是，儲存容器與SLM設(shè)備的粉末分配機(jī)構(gòu)可以是可連接的。
[0087] 有利的是，本發(fā)明可以通過具有較高密度和/或更好的機(jī)械性能，如比先前已經(jīng) 能夠獲得的還較高的強(qiáng)度和/或更好的表面光潔度的含鋁制品的增材制造技術(shù)如SLM或 SLS來提供原型設(shè)計和/或制造，例如大批量制造、分批制造或一次性制造。
[0088] 而且，本發(fā)明還可以允許通過具有較高密度和/或更好的機(jī)械性能，如比先前已 經(jīng)能夠獲得的還較高的強(qiáng)度和/或更好的表面光潔度的含鋁制品的增材制造技術(shù)進(jìn)行原 型設(shè)計和/或制造，例如大批量制造、分批制造或一次性制造而無需使用非常高的激光或 電子束功率。
[0089] 添加合金預(yù)期顯示出益處的其他合金包括如下鋁合金。鉍可以以上述所示的比例 添加至這些合金中，例如通過以祕代替余量的錯的一部分，并且由此保持合金元素在所示 的那些合金中的比率，或者通過添加一定量的鉍到按照下表所示的比例制得的合金中由此 因而降低這些比例。例如，將鉍添加至合金A357中使得最終的組成中有2重量％的扮并 且保持現(xiàn)有合金各組分Si、Ti和Mg與A1的相對比例導(dǎo)致按照0. 98計算硅的比例從7% 降到6. 86%，Mg的比例從0.5%降到0.49%，而Ti的比例從0. 15%降到0. 147%，留下的 余量的A1為90. 503% (從92. 35%下降）。

【權(quán)利要求】
1. 一種制造制品的方法，所述方法包括選擇性地熔融和/或燒結(jié)包含含有鋁的合金的 粉末，其中所述合金含有鉍。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用電子束或激光來選擇性地熔融和/或燒結(jié)所 述粉末。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，所述方法包括選擇性激光熔融和/或選擇性激光 燒結(jié)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其中，鋁是所述合金的主要成分。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述合金含有不多于10重量％的量 的祕。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述合金含有至少0. 2重量％的鉍。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述合金含有鉍的量等于或者接近 于其在該合金中的最大液體溶解度。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述合金是航空航天合金、鑄造合金 或者鍛造合金。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述合金是鋁-硅合金。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述合金含有鈧。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述合金是共晶合金或者近似共晶 合金。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述合金是AlSil2合金。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述合金是6061合金。
14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述選擇性地熔融和/或燒結(jié)在惰 性環(huán)境下進(jìn)行。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，使用等于或者小于200W的激光功 率或者電子束功率。
16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，使用不超過400mm/s的激光或者電 子束掃描速度。
17. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，使用不超過1_的影線距離。
18. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，使用不超過100 ym的層厚度。
19. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述粉末具有不超過100 ym的平 均顆粒尺寸。
20. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述方法包括制備所述粉末的預(yù)備 步驟。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述粉末采用霧化法制備。
22. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述制品具有至少85理論密度％ 的密度。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1至22中任一項(xiàng)所述的方法制造的制品。
24. 用于在根據(jù)權(quán)利要求1至22中任一項(xiàng)所述的方法中使用的粉末，其中，所述粉末包 含含有鋁的合金，其中，所述合金含有鉍。
25. 可連接至增材制造設(shè)備的儲存容器，所述容器容納有根據(jù)權(quán)利要求24所述的粉 末。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的儲存容器，所述儲存容器進(jìn)一步容納有惰性氣體。
27. 基本如本文參照附圖所述的制造方法。
【文檔編號】C22C1/04GK104507601SQ201380039049
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月28日
【發(fā)明者】克里斯托弗·薩克利夫, 彼得·?？怂? 申請人:瑞尼斯豪公司