本發(fā)明涉及一種包括以增材制造技術(shù)形成預(yù)成型件和使該預(yù)成型件產(chǎn)生一定變形的步驟的近凈形制造方法。

背景技術(shù)：

近凈成形技術(shù)是指零件成形后，僅需少量加工或無需加工，就可用作機(jī)械構(gòu)件的成形技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的加工方法，近凈成形技術(shù)具有機(jī)械加工余量小，材料利用率高，生產(chǎn)周期短，加工設(shè)計(jì)靈活度高等優(yōu)勢(shì)，從而可以大大降低制造成本，提高了制造效率與加工質(zhì)量?；谶@些技術(shù)特點(diǎn)，增材制造方法等近凈成形技術(shù)可滿足航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)件高性能、輕量化、整體化、精密成形技術(shù)的迫切需求，在航空航天工業(yè)制造中展現(xiàn)出了諸多優(yōu)越性。

但對(duì)于某些對(duì)性能要求非常高的結(jié)構(gòu)件而言，用增材制造方法直接制造出來的產(chǎn)品的性能可能還不能滿足要求，因而還需要進(jìn)一步進(jìn)行后續(xù)的處理以改善其性能。然而，對(duì)于如何對(duì)增材制造獲得的預(yù)成型件進(jìn)行后續(xù)的處理以獲得組織結(jié)構(gòu)更好的產(chǎn)品來滿足更高的性能需求，目前還沒有進(jìn)行很多的研究。

因此，需要一種新的近凈形制造方法，來獲得微觀組織結(jié)構(gòu)良好的產(chǎn)品。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一方面提供了一種方法，在該方法中，用增材制造方法形成一預(yù)成型件，該預(yù)成型件包括復(fù)數(shù)個(gè)具有長軸的柱狀晶，然后使所述預(yù)成型件沿著與所述柱狀晶的長軸成一定變形角度的變形方向產(chǎn)生變形。其中，所述 變形角度在60度到120度的范圍。

附圖說明

通過結(jié)合附圖對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中：

圖1顯示了一種用增材制造方法形成椎環(huán)狀的預(yù)成型件的過程。

圖2顯示了用圖1所示的方法形成的預(yù)成型件的晶粒排布。

圖3顯示了用閉式鍛模對(duì)圖2所示的預(yù)成型件進(jìn)行鍛造的過程。

圖4顯示了圖3所示的鍛造過程形成的產(chǎn)品。

圖5顯示了一種用增材制造方法形成圓盤狀的預(yù)成型件的過程。

圖6顯示了用圖4所示的方法形成的預(yù)成型件的晶粒排布。

圖7顯示了用閉式鍛模對(duì)圖5所示的預(yù)成型件進(jìn)行鍛造的過程。

圖8顯示了圖7所示的鍛造過程形成的產(chǎn)品。

具體實(shí)施方式

除非另作定義，在本說明書和權(quán)利要求書中使用的技術(shù)術(shù)語或者科學(xué)術(shù)語應(yīng)當(dāng)為本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有一般技能的人士所理解的通常意義。本說明書以及權(quán)利要求書中使用的“第一”或者“第二”以及類似的詞語并不表示任何順序、數(shù)量或者重要性，而只是用來區(qū)分不同的組成部分?！耙粋€(gè)”或者“一”等類似詞語并不表示數(shù)量限制，而是表示存在至少一個(gè)。本文中所使用的近似性的語言可用于定量表述，表明在不改變基本功能的情況下可允許數(shù)量有一定的變動(dòng)。因此，用“約”、“左右”等語言所修正的數(shù)值不限于該準(zhǔn)確數(shù)值本身。此外，在“約第一數(shù)值到第二數(shù)值”的表述中，“約”同時(shí)修正第一數(shù)值和第二數(shù)值兩個(gè)數(shù)值。在某些情況下，近似性語言可能與測(cè)量儀器的精度有關(guān)。本發(fā)明中所提及的數(shù)值包括從低到高一個(gè)單元一個(gè)單元增加的所有數(shù)值，此處假設(shè)任何較低值與較高值之間間隔至少兩個(gè)單元。

本文中列舉的所有的從最低值到最高值之間的數(shù)值，是指當(dāng)最低值和最高值之間相差兩個(gè)單位以上時(shí)，最低值與最高值之間以一個(gè)單位為增量得到的所有數(shù)值。比如，像溫度、氣壓、時(shí)間等類似的組件的數(shù)量和過程的數(shù)值等，當(dāng)我們說1到90時(shí)，指代的是例如15到85、22到68、43到51、30到32等類似的枚舉數(shù)值。當(dāng)數(shù)值小于1時(shí)，一個(gè)單位可以是0.0001、0.001、0.01或0.1。這里只是做為特殊舉例來說明。在本文中列舉出的數(shù)字是指用類似的方法得到的在最大值和最小值之間的所有可能的數(shù)值組合。

本發(fā)明實(shí)施例涉及一種用近凈形制造方法獲得微觀結(jié)構(gòu)和綜合性能良好的產(chǎn)品的過程。在所述過程中，先用增材制造(additivemanufacturing，am)方法形成一預(yù)成型件，該預(yù)成型件的形狀接近最終產(chǎn)品，然后使所述預(yù)成型件產(chǎn)生一定的變形，以改善所述預(yù)成型件的微觀結(jié)構(gòu)和綜合性能，并獲得所需要的產(chǎn)品的形狀。

本文所述的“增材制造”涉及一種基于cad設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零部件的技術(shù)。具體的增材制造的實(shí)例包括但不限于激光工程化凈成形方法(laserengineerednetshaping，lens)、直接金屬成形方法(directmetalforming，dmf)、激光直接制造方法(directlaserfabrication，dlf)等涉及用高能束，比如高功率的激光束，對(duì)粉末或者絲材進(jìn)行熔化，逐層往上堆積，實(shí)現(xiàn)材料逐層添加成形的方法。這些方法直接根據(jù)構(gòu)件的cad模型一次加工成形，所獲得的零件微觀組織很細(xì)，力學(xué)性能很好。

在本發(fā)明實(shí)施例中，使所述預(yù)成型件的產(chǎn)生一定的變形是指使預(yù)成型件的材料發(fā)生一定的流動(dòng)。所述變形可以是在高溫下發(fā)生的熱變形，也可以在室溫下或低于室溫的溫度下發(fā)生的“冷”變形。使所述預(yù)成型件發(fā)生“冷”變形的具體方式包括但不限于冷墩、冷壓等。使所述預(yù)成型件發(fā)生熱變形的具體方式包括但不限于鍛造、擠出、碾壓等。其中，鍛造可以使所述預(yù)成型件的材料致密化，并改善所述預(yù)成型件的微觀結(jié)構(gòu)和綜合性能?？赏ㄟ^任何合適的鍛造方式對(duì)所述預(yù)成型件進(jìn)行鍛造，包括但不限于使用模具進(jìn)行的模鍛。在一些實(shí)施例中，可用閉式鍛模對(duì)所述預(yù)成型件進(jìn)行一步式的閉模鍛造(closeddieforging)。在所述閉模鍛造過程中，可通過閉式鍛模將壓縮力均勻地施加到所述預(yù)成型件，從而可在保持所述預(yù)成型件的形狀基本不變的情況 下，通過機(jī)械變形來改善材料的性能和/或獲得所需要的形狀特征。在一些實(shí)施例中，采用的是等溫鍛造技術(shù)，即將模具加熱到與被鍛造的預(yù)成型件的變形溫度相同的溫度，以低應(yīng)變速率進(jìn)行模鍛。等溫鍛造可以保證鍛造過程中材料的塑性和流動(dòng)性，殘余力小，特別適用于鎳基合金等難成型的材料所形成的預(yù)成型件。

在本發(fā)明實(shí)施例中，可通過控制所述用增材制造方法形成預(yù)成型件的過程和所述使預(yù)成型件產(chǎn)生變形的過程中的至少一個(gè)，來使得預(yù)成型件的形成過程和產(chǎn)生變形的過程之間的配合能最大程度地優(yōu)化最終所獲得的產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)和綜合性能。比如，在一些實(shí)施例中，可通過控制所述增材制造過程和所述產(chǎn)生變形的過程中的至少一個(gè)，使得預(yù)成型件中形成柱狀晶，且柱狀晶長軸方向和變形過程中的變形方向(材料流動(dòng)方向)之間成一定的角度(變形角度)，從而使得變形過程中的變形可以將柱狀晶充分打碎，獲得冶金結(jié)構(gòu)更均勻，晶粒更細(xì)小的產(chǎn)品。在一些實(shí)施例中，所述變形角度在60度到120度的范圍，或進(jìn)一步地，在75度到105度的范圍。在一些具體的實(shí)施例中，所述變形角度大約為90度，即，所述柱狀晶的長軸方向大致垂直于所述變形方向。

在一些實(shí)施例中，可在預(yù)知變形過程中的變形方向的基礎(chǔ)上，通過控制所述增材制造過程來獲得柱狀晶走向和分布等符合預(yù)期的預(yù)成型件，以確保所獲得的預(yù)成型件中的柱狀晶的長軸方向和預(yù)知的變形過程中的變形方向之間形成一定的角度，使得隨后的變形過程能最大程度地優(yōu)化預(yù)成型件中的微觀結(jié)構(gòu)。其中，所述對(duì)增材制造過程的控制包括對(duì)增材制造過程中的堆層方向、堆層順序和沉積參數(shù)中的至少一個(gè)的控制。比如，在用增材制造方法獲得的預(yù)成型件中，柱狀晶通常會(huì)沿著堆層方向生長，因此可以通過控制材制造過程中的堆層方向來控制預(yù)成型件中柱狀晶的走向，使得柱狀晶的長軸方向沿著堆層方向延伸。因此，可以通過控制增材制造過程中的堆層方向與變形過程中的變形方向之間的角度，來控制柱狀晶的走向與變形方向之間的角度。此處所述的“堆層方向”是指增材制造過程中材料逐層累加的方向。此處所述的“柱狀晶的走向”是指柱狀晶的長軸方向或者是與該長軸方向平行的方向。

在一些實(shí)施例中，可控制所述增材制造過程使得所述預(yù)成型件中至少 50％的體積中的柱狀晶走向和變形過程中的變形方向之間成所述變形角度，或進(jìn)一步地，至少60％的體積中的柱狀晶走向和變形過程中的變形方向之間成所述變形角度。

在一些實(shí)施例中，也可在預(yù)知預(yù)成型件的柱狀晶走向和分布的基礎(chǔ)上，通過控制后續(xù)的變形過程來獲得符合預(yù)期的變形方向，以確保該變形方向和預(yù)知的預(yù)成型件中晶粒走向之間形成一定的角度，使得該變形過程能最大程度地優(yōu)化預(yù)成型件中的微觀結(jié)構(gòu)。其中，所述對(duì)變形過程的控制包括控制變形過程中預(yù)成型件受力的方向等。在通過鍛造使所述預(yù)成型件發(fā)生熱變形的過程中，所述對(duì)變形過程的控制可包括控制鍛造設(shè)備的設(shè)計(jì)、鍛造步驟、以及預(yù)成型件相對(duì)鍛模的位置等等中的至少一個(gè)。

在一些實(shí)施例中，可控制所述預(yù)成型件的變形過程，來使得變形方向與所述預(yù)成型件中至少50％體積的柱狀晶的走向成所述變形角度，或進(jìn)一步地，與所述預(yù)成型件中至少60％的體積的柱狀晶的走向成所述變形角度。

在一些實(shí)施例中，可控制所述預(yù)成型件的變形過程，來使所述預(yù)成型件中至少50％體積的材料沿著與柱狀晶走向成所述變形角度的方向變形，或進(jìn)一步地，至少60％的體積的材料沿著與柱狀晶走向成所述變形角度的方向變形。

所述用增材制造方法形成的預(yù)成型件可由任何適合于所述增材制造過程和變形過程的材料形成，包括但不限于鈦、鋁、鎳金屬或合金、各種鋼和不銹鋼等。在一些實(shí)施例中，所述預(yù)成型件是用于航空航天領(lǐng)域的零部件(比如，機(jī)匣，渦輪盤)的半成品或前體。在一些具體的實(shí)施例中，所述預(yù)成型件包括鈦合金(如ti6al4v)或者是含鈮、鉬的沉淀硬化型鎳鉻鐵合金(如inconel718)。

所述預(yù)成型件可以具有任何適合用增材制造方法形成的形狀，包括但不限于環(huán)狀、柱狀、盤狀、杯狀或其他復(fù)雜形狀。在所述變形過程中，所述預(yù)成型件可能發(fā)生形狀的改變，也可能基本不發(fā)生形狀的改變。在一些實(shí)施例中，所述變形過程后獲得的產(chǎn)品具有與所述預(yù)成型件大致相同的形狀和尺寸。在一些實(shí)施例中，所述變形過程后獲得的產(chǎn)品具有與所述預(yù)成型件大致相同的形狀，但其尺寸比預(yù)成型件的尺寸有所減小。在一些實(shí)施例中，所述變形后獲得的產(chǎn)品具有與所述預(yù)成型件不同的形狀。

圖1顯示了一種用激光直接沉積方法形成椎環(huán)狀的預(yù)成型件110的過程。在該過程中，通過逐層累加固結(jié)金屬粉末材料的方式將所述預(yù)成型件110形成于回轉(zhuǎn)形基體120的外錐面121上。具體地，用金屬粉末噴嘴130沿著預(yù)成型件110的壁厚方向(堆層方向)111逐層累加金屬粉末材料并將其固結(jié)成形，同時(shí)沿所述回轉(zhuǎn)形基體120的軸向123旋轉(zhuǎn)該回轉(zhuǎn)形基體120，可最終形成晶粒排布如圖2所示的預(yù)成型件110。如圖2所示，該預(yù)成型件110包括沿著其壁厚方向排列的柱狀晶113，即這些柱狀晶113的長軸方向大致沿預(yù)成型件110的壁厚方向延伸。

圖3顯示了用閉式鍛模140對(duì)該預(yù)成型件110進(jìn)行鍛造的過程。所述閉式鍛模140包括內(nèi)模塊141和兩片式的外模塊143和145，其中外模塊143和145壓合在椎環(huán)狀預(yù)成型件110的外表面上，內(nèi)模塊141可向下壓在該椎環(huán)狀預(yù)成型件110的內(nèi)表面上，并對(duì)其產(chǎn)生一定的擠壓，使得所述椎環(huán)狀預(yù)成型件110在鍛造過程中產(chǎn)生反擠壓變形，即材料沿著與擠壓相反的方向160流動(dòng)產(chǎn)生的變形。所述方向160為一個(gè)大致垂直于所述錐環(huán)狀預(yù)成型件110的周向，并從該錐環(huán)狀預(yù)成型件110的軸向第一端延伸至軸向第二端的方向。該方向160也大致垂直于該預(yù)成型件110的壁厚方向。因此，所述預(yù)成型件110在鍛造過程中的變形方向大致垂直于其柱狀晶113的長軸方向，從而可以最大程度地將所述柱狀晶113打碎，實(shí)現(xiàn)被鍛零部件的動(dòng)態(tài)重新結(jié)晶，使得大晶粒變小變均勻，獲得更細(xì)小均勻的晶體結(jié)構(gòu)。

此外，在所述鍛造過程中將所述模塊141、143和145壓合后可形成一個(gè)大致閉合的模槽，該模槽具有所需產(chǎn)品的形狀。因此，所述鍛造過程也可以使得模槽內(nèi)的預(yù)成型件110變形為模槽的形狀，從而獲得所需產(chǎn)品的形狀。在具體操作中，所述內(nèi)模塊141以及外模塊143和145可分別通過與其相連的驅(qū)動(dòng)裝置151、153和155驅(qū)動(dòng)而進(jìn)行移動(dòng)。其中，所述外模塊143和145可沿著所述預(yù)成型件110的徑向移動(dòng)，所述內(nèi)模塊141可沿著所述預(yù)成型件110的軸向移動(dòng)。進(jìn)行鍛造時(shí)，可將外模塊143和145沿預(yù)成型件110的徑向向內(nèi)壓合于預(yù)成型件110的外表面，將內(nèi)模塊141沿預(yù)成型件110的軸向向下壓在預(yù)成型件110的內(nèi)表面。鍛造完成后，可沿預(yù)成型件110的軸向向上移出內(nèi)模塊141，沿預(yù)成型件110的徑向向外打開外模塊143和145。

通過如圖1所示的激光直接沉積成形過程和圖3所示的鍛造過程的結(jié)合， 可獲得具有如圖4所示的形狀的產(chǎn)品170，該產(chǎn)品170中的晶體組織相比預(yù)成型件110的更細(xì)小均勻。

圖5顯示了一種用激光直接沉積形成圓盤狀的預(yù)成型件210的過程。在該過程中，通過逐層累加固結(jié)金屬粉末材料的方式將的所述預(yù)成型件210形成于平板狀基體220的上表面221上。具體地，用金屬粉末噴嘴230沿著圓盤狀預(yù)成型件210的軸向高度方向(堆層方向)211逐層累加金屬粉末材料并將其固結(jié)成形，可最終形成晶粒排布如圖6所示的預(yù)成型件210。如圖6所示，該預(yù)成型件210包括沿著其軸向高度方向排列的柱狀晶213，即這些柱狀晶213的長軸方向大致沿預(yù)成型件210的軸向高度方向延伸。

圖7顯示了用閉式鍛模240對(duì)該預(yù)成型件210進(jìn)行鍛造的過程。所述閉式鍛模240包括上模塊241和下模塊243。在鍛造過程中，所述上模塊241和下模塊243分別壓合在所述預(yù)成型件210的上、下表面上，并對(duì)其產(chǎn)生一定的擠壓，使得所述預(yù)成型件210產(chǎn)生沿著預(yù)成型件210的徑向260的材料流動(dòng)，從而產(chǎn)生變形。該方向260大致垂直于該預(yù)成型件210的軸向高度方向，因此，所述預(yù)成型件210在鍛造過程中的變形方向大致垂直于其柱狀晶213的長軸方向，從而可以最大程度地將所述柱狀晶213打碎，實(shí)現(xiàn)被鍛零部件的動(dòng)態(tài)重新結(jié)晶，使得大晶粒變小變均勻，獲得更細(xì)小均勻的晶體結(jié)構(gòu)。此外，在所述鍛造過程中將所述上、下模塊241和243壓合后可形成一個(gè)大致閉合的模槽，該模槽具有所需產(chǎn)品的形狀。因此，所述鍛造過程也可以使得模槽內(nèi)的預(yù)成型件210變形為模槽的形狀，從而獲得所需產(chǎn)品的形狀。

通過如圖5所示的激光直接沉積成形過程和圖7所示的鍛造過程的結(jié)合，可獲得具有如圖8所示的形狀的產(chǎn)品270，該產(chǎn)品270中的晶體組織相比預(yù)成型件210的更細(xì)小均勻。

在一些實(shí)施例中，所述鍛造過程采用的是等溫鍛造技術(shù)，可在實(shí)施鍛造之前將鍛模和待鍛造的預(yù)成型件加熱到相同的溫度，比如，一個(gè)低于所述預(yù)成型件的相變點(diǎn)的溫度。因此，鍛造過程可包括以下步驟：分別將所述預(yù)成型件和鍛模加熱到一個(gè)低于所述相變點(diǎn)的鍛造溫度；以及在所述鍛造溫度下和一定壓力下用所述鍛模對(duì)所述預(yù)成型件進(jìn)行閉模鍛造以獲得所需的產(chǎn)品。其中，所述預(yù)成型件的相變點(diǎn)可通過金相法等方法進(jìn)行測(cè)定。

在一些實(shí)施例中，還可對(duì)所述鍛造后獲得的產(chǎn)品及進(jìn)行后處理，以進(jìn)一 步改善產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)，提升產(chǎn)品的綜合性能。因此，在鍛造后還可通過以下步驟對(duì)鍛造所獲得的產(chǎn)品進(jìn)行處理：將所述鍛造后的產(chǎn)品在所述鍛造溫度和壓力下保持一段時(shí)間，以去除產(chǎn)品中的部分缺陷；將所述產(chǎn)品冷卻；將所述冷卻的產(chǎn)品加熱到一個(gè)低于所述鍛造溫度的溫度，并保持一段時(shí)間；以及再將所述產(chǎn)品冷卻至室溫。

本說明書用具體實(shí)施例來描述發(fā)明，包括最佳模式，并且可以幫助任何熟悉本發(fā)明工藝的人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。這些操作包括使用任何裝置和系統(tǒng)并且使用任何具體化的方法。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求書來定義，并可能包括其它發(fā)生在本技術(shù)領(lǐng)域的例子。如果所述其它例子在結(jié)構(gòu)上與權(quán)利要求書的書面語言沒有不同，或者它們有著與權(quán)利要求書描述的相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，都被認(rèn)為是在本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍中。