三维零件的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制造方法，特别涉及一种利用粉末材料制造三维立体零件的方法。
【背景技术】
[0002]为了制造复杂及高性能的产品，粉末冶金加工技术已经被广泛应用，其相较于锻造等传统工艺来说，具有明显的优势。对应地，很多相关技术被开发出来用于将松散的粉末或颗粒材料加工成致密的零件，例如压制(Pressing)和烧结(Sintering)技术、包套(Canning)和致密化(Densificat1n)技术、及快速成型制造(Additive Manufacturing)技术等。在上述每一种技术中，整个过程的复杂度及生产成本都需要考虑在内。原材料的成本以及在致密化后的加工与塑型的半成品零件数量也会明显的影响最佳加工工艺过程的选择。加工的方式可能也会影响加工后零件的物理的、微观结构的以及机械的性能，并且零件性能级别的要求也会被用来考虑选择何种加工工艺。为了生产复杂及高性能的零件，一些典型的加工工艺已经被设计出来。
[0003]对于复杂形状的零件来说，快速成型制造的加工过程被广泛应用，其具有直接净成型或近净成型的加工能力。例如，电子束熔炼(Electron beam melting, EBM)技术、选择性激光熔炼技术(Selective Laser Melting, SLM)、直接金属激光熔炼(Direct metallaser melting, DMLM)技术、红外线熔炼(Infrared melting)技术等常被用来加工三维零件，尤其是加工金属零件。这些技术通常被归类为快速制造方法，因为它们具有通过高能粒子束来直接制造零件的优势，而无需单独再设计独特的加工工具。包括EBM及DMLM在内的许多的快速成型制造技术加工三维零件是通常通过激光束或电子束逐层熔炼加工粉末，其中EBM是在高真空腔内完成加工的，而DMLM是在存储有惰性气体的腔内完成加工的。作为例子，EBM设备或DMLM设备先从读取一个事先存储的三维模型的数据，然后据此逐层的熔炼加工粉末。这些加工粉末被逐层熔炼加工是通过计算机控制电子束或激光束来实现的。以这种方式即可构建任意需要形状的零件。EBM的加工过程在真空环境下进行，DMLM的加工过程可能在真空或惰性气体环境下进行，如氩气，如此可以加工制造容易与氧气发生反应的材料的零件，如钛零件。上述技术典型的适合于加工制造有限数量的零件，且零件的体积通常为小体积或中等体积，这是由其典型的沉积速率所决定。但是，当三维零件的加工数量非常庞大时，整个加工过程将会花费大量的时间。这就需要应用更多的EBM设备或DMLM设备来达到上述需求，如此大大提高了投入成本。
[0004]对于简单形状及大尺寸的零件来说，包套和致密化技术是被常采用的技术。在这些粉末冶金过程中，加工材料典型地被放置于一个套筒(Can)内，用于将加工材料与外界环境进行隔离，并为后续加工过程提供一个转换介质，例如热等静压(Hot isostaticpressing, HIP)及气动静压锻造(Pneumatic isostatic forging)。套筒典型地由板材加工而成，然后再焊接成感兴趣的零件形状。相较于期望的最终零件产品的尺寸和形状来说，套筒的尺寸和形状通常是过大的，用于补偿在致密化过程中产生的收缩。套筒内可以被松散的粉末填充，或者用来封装压制的或者半多孔的预成型件(半成品零件)。套筒提供了一种方式，粉末材料可以被机械地压缩至一个渗透的或半渗透的半成品零件，该半成品零件适合于搬运、转移、及加固或致密化处理成一个成品的目标零件。但是，套筒的使用需要很多额外的步骤并且会导致较高的产品报废率(某种程度上由于套筒材料与其内部粉末材料两者之间的相互作用引起)，如此降低了效率并提高了成本。套筒的成本及复杂度足以影响由粉末加工的零件的整体费用和效率。
[0005]不论应用快速成型制造技术还是应用包套和致密化技术进行加工，加工粉末都会频繁的受到致密化处理，例如通过升高温度、升高压力或两者，以获得充分致密的结构，进而符合最终目标零件的硬度要求。一些处理的例子包括烧结、热压制、及HIP。此外，美国专利号为5，816，090的专利揭露了一种应用PIF加固粉末零件的处理方法。不同于HIP在较长的时间内同步应用高温高压的处理过程，上述美国专利应用高温和更高的压力，在短时间内进行PIF处理。该美国专利描述了仅部分地密封工件的外表面，或者在预烧结步骤之前给工件上涂敷潜在的反应材料。因此，该美国专利揭露的解决方式是应用上述描述的过程并依赖于额外的步骤，而并非典型的HIP处理过程。
[0006]压制及烧结过程也被用于将加工粉末放置于一个模具内并挤压成一个形状，再从模具内拿出来然后再高温下烧结以获得致密性要求。在这种加工过程中，虽然可以灵活的制造大体积的零件，但加工的零件几何形状非常有限，并且最终的致密度可能会劣于其他粉末冶金加工技术。
[0007]粉末冶金加工过程被频繁地用于制造，通过标准的锻造加工技术很难或不可能获得高品质及高性能的零件产品。固态的加工过程(例如加压烧结，或包套致密化技术)可能优于基于熔融的工艺。因为在固态加工过程中材料精细的微观结构被保持住了，同时过程中也不生成新的凝固组织。因为这些限制，为复杂的高性能材料找到最优化的加工过程有时变得很困难。
[0008]所以，需要提供一种新的零件的制造方法来解决上述问题。
【发明内容】
[0009]现在归纳本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其中该归纳并不是本发明的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明的一些概念。
[0010]本发明的一个方面在于提供一种用于制造三维零件的方法。该方法包括:
[0011]对松散的加工粉末进行局部的致密化处理，以形成一个致密化且密封的壳体，该壳体的内部仍容置有松散的加工粉末；及
[0012]对该壳体及其内部的加工粉末整体进行致密化处理，以使该壳体内部的加工粉末在致密化的同时与该壳体实现冶金结合，进而形成目标三维零件。
[0013]本发明的另一个方面在于提供另一种用于制造三维零件的方法。该方法包括:
[0014]通过EBM技术对松散的加工粉末进行局部的致密化处理，以形成一个致密化且密封的真空壳体，该壳体的内部仍容置有松散的加工粉末；
[0015]重复上述步骤，直到加工出预定数目的该容置有松散的加工粉末的壳体；及
[0016]同时对该预定数目的容置有松散的加工粉末的壳体整体进行致密化处理，以使该若干壳体内部的加工粉末在致密化的同时与对应壳体实现冶金结合，进而同时形成预定数目的目标三维零件。
[0017]本发明的再一个方面在于提供另一种用于制造三维零件的方法。该方法包括:
[0018]通过快速成型制造技术对松散的加工粉末进行局部的致密化处理，以形成一个致密化且具有导气管的壳体，该壳体的内部仍容置有松散的加工粉末；
[0019]通过抽气装置连通该导气管将壳体内部的气体排除；
[0020]当该壳体内的真空度达到预定值后对壳体进行密封处理；
[0021]重复上述步骤，直到加工出预定数目的容置有松散的加工粉末的真空密封壳体；及
[0022]同时对该预定数目的容置有松散的加工粉末的壳体整体进行致密化处理，以使该若干壳体内部的加工粉末在致密化的同时与对应壳体实现冶金结合，进而同时形成预定数目的目标三维零件。
[0023]本发明的再一个方面在于提供另一种用于制造三维零件的方法。该方法包括:
[0024]对松散的加工粉末进行第一次致密化处理，以形成一个具有第一密度水平的可渗透多孔的半成品零件；
[0025]对该半成品零件的外表面区域进行第二次致密化处理，以使该外表面区域形成一个具有第二密度水平的密封壳体；及
[0026]对该具有第二密度水平的外表面区域及其内部具有第一密度水平的内部区域整体进行致密化处理，以形成目标三维零件。
[0027]相较于现有技术，本发明在对三维零件进行制造时进行了分步骤地加工，首先通过例如快速成型制造技术对松散的加工粉末进行有选择的壳体加工，如此一来，在加工的目标零件的数量很多的情况下，由于该步骤中仅加工占零件整体比例非常小的壳体部分，故可大大提高效率并且大大降低能耗；然后再将上述加工完成的数量众多的容置有加工粉末的壳体同时在后续步骤如HIP或PIF技术中进行整体的致密化处理，从而一次性地加工出数量众多的目标三维零件，由于在该步骤中是一次同时加工数量众多的半成品零件，故也提高了效率，降低了能耗，此外，在该步骤中壳体与其内部的加工粉末实现了冶金结合，而并未应用传统的套筒进行辅助加工，如此也大大简化了制造工艺。
【附图说明】
[0028]通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中:
[0029]图1为一种EBM设备加工容置有加工粉末的目标零件的外壳的不意图。
[0030]图2为图1的EBM设备加工该目标零件的外壳在四个不同加工时间点时的示意图。
[0031]图3为图1的EBM设备加工的目标零件的外壳在六个不同加工时间点的示意图。
[0032]图4为一种HIP设备进一步加工图1的EBM设备加工好的容置有加工粉末的目标零件的外壳的初始状态示意图。
[0033]图5为图4的HIP设备加工图1的EBM设备加工好的容置有加工粉末的目标零件的外壳的完成状态示意图。
[0034]图6为本发明制造零件方法的较佳实施方式的流程图。
[0035]图7为补偿后的三维空间模型的构建过程示意图。
[0036]图8及图9为一种SLM设备加工容置有加工粉末的目标零件的外壳的不同状态下的示意图。
[0037]图10为一种HIP设备进一步加工图8及图9的SLM设备加工好的容置有加工粉末的目标零件的外壳的初始状态示意图。