CN104858430A

CN104858430A - 三维零件的制造方法

Info

Publication number: CN104858430A
Application number: CN201410065130.3A
Authority: CN
Inventors: 吴志玮; 李延民; 大卫·H·埃布特; 陈晓宾; 托马斯·F·布罗德里克; 贾德森·S·马特; 安德鲁·P·伍德菲尔德; 埃里克·A·奥特
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2015-08-26
Also published as: JP2015161031A; CA2883188C; EP2910324A2; CA2883188A1; US20150283614A1; US11426792B2; JP6619141B2; BR102015004077A2; CA3050793A1; EP2910324B1; JP2020033649A; US10780501B2; US20210039169A1; EP2910324A3; EP3689509A1

Abstract

本发明涉及一种三维零件的制造方法，用于制造三维零件，其包括：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。本发明制造三维零件的方法可提高加工效率并降低能耗。

Description

三维零件的制造方法

技术领域

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

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（Densification）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。

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 beammelting,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 metal laser 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。

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 isostatic pressing,HIP）及气动静压锻造（Pneumatic isostaticforging）。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。

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。

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。

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。

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

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。

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：

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

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。

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：

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；

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

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。

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：

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；

通过抽气装置连通该导气管将壳体内部的气体排除；

当该壳体内的真空度达到预定值后对壳体进行密封处理；

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

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；

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

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。

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

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：

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示意图。

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。

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。

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。

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。

图6为本发明制造零件方法的较佳实施方式的流程图。

图7为补偿后的三维空间模型的构建过程示意图。

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。

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。

图11为切割一个目标零件上的导气管部分的示意图。

图12为容置有加工粉末的目标零件的外壳的另一实施方式示意图。

图13为本发明制造零件方法的另一较佳实施方式的流程图。。

图14为容置有加工粉末的目标零件的外壳的再一实施方式示意图。

图15为容置有加工粉末的目标零件的外壳的再一实施方式示意图。

图16为容置有加工粉末的目标零件的外壳的再一实施方式示意图。

图17为本发明制造零件方法的再一实施方式加工目标零件的几个阶段的示意图。

图18为本发明制造零件方法的再一实施方式加工目标零件的几个阶段的示意图。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。

请参考图1，为一种EBM设备10加工容置有加工粉末的目标零件的外壳20的示意图。为了简化说明，图1中的EBM设备10仅仅示意了主要的部分，例如包括一个电子束枪11、一个真空室12、一个加工台13、一个加工粉末储存器14以及一个控制器15，但不限于上述配置，这里仅举例说明。此外，除了应用EBM设备10之外，其他实施方式可能应用任意可能的发射能量或热量的设备，包括但不限于DMLM设备、激光烧结设备或红外线烧结设备等。

该电子束枪11用于产生电子束112，以用于根据控制程序熔炼位于加工台13上的加工粉末142。具体地，该控制器15预先存储有需要加工的零件的三维空间模型，例如存储有目标零件20的壳体的三维空间模型，该控制器15即可根据该三维空间模型控制该电子束枪11逐层将该加工台13上的加工粉末142加工成与该三维空间模型一模一样的零件。整个加工过程是在真空室12内的真空环境下进行的，并通过控制器15的控制实现的。

本发明与现有技术的区别在于，在EBM设备10加工零件的步骤中，并不完全加工出与最终目标零件一模一样的产品，而仅仅是加工出目标零件20的壳体，壳体的厚度可以根据具体的参数进行相应的调整，例如根据目标零件的形状、材料、大小等参数进行调整，调整可以是基于理论计算出来的，或者基于实验获得的较佳值。换句话说，现有技术在应用EBM设备10加工零件时，在控制器15内存储的三维空间模型为最终要加工的目标零件的三维空间模型，而本发明在应用EBM设备10加工零件时，在控制器15内存储的三维空间模型为最终要加工的目标零件20的壳体，也就是还处于目标零件20的半成品阶段，还需后续步骤完成目标零件20的加工。

在本发明中，之所以不直接应用EBM设备10加工好最终的目标零件，是希望在EBM设备10加工的步骤中尽可能的缩短加工时间并且尽可能的降低能量的消耗。正因此，该步骤中仅仅加工的是厚度非常薄的壳体部分，所以加工的速度必然会大大提高，消耗的能量必然会大大降低，如果加工的零件数量非常多的话，上述优势则更加明显。另外，在此步骤中，由于加工过程完全是在真空状态下完成的，因此加工好的目标零件20的壳体内还完好的保留了未熔炼的加工粉末142，且该目标零件20的壳体内部也没有空气存在，为后续步骤的进一步加工做好了准备。

作为一个例子，请结合图1共同参考图2及图3，给出了图1中EBM设备10加工目标零件20的壳体24在若干不同状态下的示意图。为了方便说明，本实施方式要加工的最终目标零件20为一个圆柱体的零件，实际上零件的形状可以是多种多样的，不局限于给出的例子，这里仅是为了方便说明而已。需要说明的是，图1至图3示意出的目标零件20为半成品的零件，即仅为目标零件20的壳体24及其内部容置的加工粉末142部分。并且，图示的目标零件20的壳体24的形状并非为与最终目标零件20相同的圆柱体形状，而是比最终目标零件20相同的圆柱体形状更大一些，这是因为在后续的进一步加工步骤中，将会进一步使目标零件20的壳体24的形状压缩至所期望的圆柱体形状，故预先存储的目标零件20的壳体24的三维空间模型就需进行预先的补偿设计，以补偿后续步骤因压缩而造成的目标零件20的形状变化。后续段落会具体给出如何进行形状补偿的方法。

在图2的初始状态“a”下，在加工台13的加工桌面132上，第一层加工粉末142以预设的厚度平铺在该加工桌面132上。例如，可通过一个滚轴134平滑地滚动加工粉末142以使其均匀的平铺在该加工桌面132上。当该第一层加工粉末142铺好后，该控制器15将控制该电子束枪11进一步执行对该第一层加工粉末142的加工。也就是根据存储的三维空间模型的对应底面部分进行加工，即加工该目标零件20的壳体24的底面21。加工后，该目标零件20的壳体24的底面21即被加工完成，参见图2的状态“b”及图3的状态“A”。本实施方式中，该底面21被加工成密度水平（或致密度水平）为100%。

在该目标零件20的壳体24的底面21加工好后，将进一步逐层加工该目标零件20的壳体24的外表面22，亦即根据存储的三维空间模型的对应外表面部分逐层进行加工。例如，在图3的状态“B”下，第二层加工粉末142同样以预设的厚度平铺在该加工后的第一层加工粉末142之上。当该第二层加工粉末142铺好后，该控制器15将控制该电子束枪11进一步执行对该第二层加工粉末142的加工。加工后，该目标零件20的壳体24的外表面22的第一层即被加工完成，参见图3的状态“C”。同理，该壳体24的外表面22的其他层也以同样的方式加工，参见图2的状态“c”及图3的状态“D”，这里不再赘述每一层的加工过程。

在该目标零件20的壳体24的外表面22加工好后，将最后一步加工该目标零件20的壳体24的顶面23，亦即根据存储的三维空间模型的对应顶面部分进行加工。例如，在图2的状态“d”及图3的状态“E”下，该控制器15将控制该电子束枪11最后执行对该第最后一层加工粉末142的加工。加工后，该目标零件20的壳体24的顶面23即被加工完成。也就是说，组成该目标零件20的壳体24的三个部分底面21、外表面22及顶面23依次加工完成。需要说明的是，加工好的壳体24（图3的状态“F”）是一个密闭的壳体，且里面容置有未经加工的加工粉末142。且由于该EBM设备10是真空密闭的环境下进行加工的，故该加工好的壳体24内部的加工粉末142内仍为真空环境，没有气体。在本实施方式中，该壳体24内部的加工粉末142是完全未经加工的加工粉末，在其他实施方式中，该壳体24内部的加工粉末142也可以是部分加工的加工粉末，即加工后的加工粉末142的密度水平小于100%，如80%，后续段落还会给出若干实施方式加以说明。

与最终的目标零件20相比，上述通过EBM设备10加工的目标零件20的壳体24及其内容置的加工粉末142仍为一个半成品。为实现加工整个目标零件20，后续步骤将应用HIP设备来完成加工。HIP设备可以一次对多个作为半成品的目标零件20的壳体24及其内容置的加工粉末142进行加工，例如同时热等静压加工100个半成品。如此一来，可大大提高效率，并且降低能耗，非常有利于工业化的生产，下面将具体给出HIP设备加工上述半成品的具体过程。在其他实施方式中，后续处理除了应用HIP设备进行处理外，还可以用其他类似的设备进行处理，例如通过PIF设备进行处理。

请参考图4，在一个HIP设备40中，将该目标零件20的壳体24放入该HIP设备40的高压腔42内部。为了说明方便，这里仅仅在高压腔42的内部放置了一个目标零件20的壳体24，实际上可以根据需要放置非常多的该半成品零件。该HIP设备40可能包括一个控制器44，用于控制该高压腔42内部的温度及压力，以提供一个热等静压来加工该半成品零件（预成型件）。为示意方便，该HIP设备40上的其他元件，如电源等均未示出。

在图4中，该HIP设备40为初始状态，即还未对该高压腔42内提供热等静压，此时该目标零件20的壳体24还未加工，正如前面提到的，其形状较最终期望的目标零件20的形状略大一些，因为经过热等静压加工后，其形状会缩小，故需要预先进行形状补偿设计。根据预设的程序，该控制器44将提供热等静压给该半成品的目标零件20，及对该容置有加工粉末142的壳体24进行热等静压处理。

继续参考图5，经过该HIP设备40的热等静压处理，该壳体24内部容置的加工粉末142也转变成了与该壳体24同样或相近密度水平材料并与该壳体24冶金结合融为一体，即最终期望的目标零件20加工完成了。由于热等静压处理过程会缩小待加工零件的形状，而加工之前已经对壳体24的形状作了补偿处理，故加工后的目标零件20为期望的形状。通过上述电子束熔炼技术与热等静压技术的结合可较好的实现对三维目标零件20的加工。并且，在加工的目标零件20的数量很多的情况下，在EBM设备10加工的步骤中，由于仅加工壳体24的部分，故可大大提高效率并且大大降低能耗，而在HIP设备40加工的步骤中仅需一次即可加工数量很多的半成品，进而也提高了效率，降低了能耗。此外，该壳体24在HIP设备40的加工阶段同其内部的加工粉末142实现了冶金结合，无需使用包套等辅助件，如此简化了整个制造过程。

参考图6，为本发明制造零件方法60的较佳实施方式的流程图。该方法包括以下步骤：

在步骤61中，一个原始的三维空间模型被存储于该EBM设备10的控制器15内部。该原始的三维空间模型的形状与最终期望加工目标零件20的形状相同，例如图7示意了一个原始的三维空间模型X1，其为圆柱状。在一些实施方式中，该三维空间模型X1为计算机辅助设计（Computer aided design,CAD）模型。

在步骤62中，基于该原始的三维空间模型X1对与该原始的三维空间模型X1形状相同的壳体28进行仿真分析，以分析其经过热等静压加工后的壳体28的形状变化，例如变化后的壳体29的形状如图7所示。可以知道的是，上述分析过程可以通过合适的仿真算法得出，例如通过ANSYS软件的有限元法（Finite element method,FEM）工具计算得出，具体的计算过程这里不具体说明。

在步骤63中，基于上述形变的分析，通过合适的算法对该壳体28的形状进行补偿。例如，还通过ANSYS软件获得一个补偿后的三维空间模型X2（参见图7）。上述补偿算法为现有技术，故此处不作具体说明。

在步骤64中，基于该补偿后的三维空间模型X2对与该三维空间模型X2形状相同的壳体进行仿真分析，以分析其经过热等静压加工后的壳体的形状变化，分析过程同步骤62，不再赘述。如果分析后的壳体的形状与原始的三维空间模型X1形状相同的话，即满足要求，执行后续步骤65，否则返回步骤63直到分析的结果表明，经过热等静压加工后的壳体的形状与原始的三维空间模型X1形状相同为止。或者设定一个相差容忍度，小于该相差容忍度时，亦表示满足补偿要求。需要说明的是，在此或其他实施方式中，粉末的颗粒密度是一个关键的因素，会影响加工后的密度水平和后续的形状变化。优选地，上述步骤61至步骤64的分析整合于该EBM设备的控制器内部。或者，上述步骤61至步骤64的分析也可以在另外单独的分析系统中执行，然后再将处理结果输入至该EBM设备的控制器，用于其作为进行后续步骤处理的依据。

在步骤65中，基于补偿后的三维空间模型X2通过EBM设备10加工与该三维空间模型X2形状相同的壳体24，具体加工过程上述段落已经描述，这里不再赘述。

在步骤66中，通过HIP设备40对经过EBM设备10加工的半成品壳体24进行进一步的热等静压处理，以得到最终期望的三维目标零件20，具体加工过程上述段落已经描述，这里不再赘述。

在其他的实施方式中，除了通过该EBM技术加工该半成品的目标零件20的壳体24之外，还可通过其他的快速成型制造技术对该半成品壳体24进行加工，只是加工的过程较EBM技术相对复杂一些，因为是在非真空环境下进行的，在一些品质要求不高的场合下可适用。例如，可通过SLM或DMLM技术实现。需要说明的是，该SLM或DMLM也可根据需要在真空环境下工作，但可能需要额外的真空设备辅助进行。

请同时参考图8及图9，为一种SLM设备加工容置有加工粉末142的目标零件20的外壳24的不同状态下的示意图。与图2的EBM设备的加工过程相比较，该SLM设备的加工过程是在非真空的环境下进行的。因此，相较有真空的环境下的加工过程相比，该非真空环境下的加工过程需要在该壳体24上进一步加工一个导气管25，例如在壳体24的顶面23上加工该导气管25。其他实施方式中，该导气管25也可加工在壳体24的外表面22上。具体的加工过程与图2的EBM设备的加工过程相似，不再赘述。

请参考图9，当该壳体24加工好之后，其内容置加工粉末142且其上设有导气管25。之所以增加导气管25，是由于SLM设备的加工过程中是在非真空的环境下进行的，因此壳体24内除了容置有加工粉末142之外，还有残留的气体成分，故需要增加该导气管25，以方便将气体成分排除。在一种实施方式中，可以将一个抽气泵（未示出）的抽气端通过导管90连通至该导气管25上，然后启动该抽气泵，进而将该壳体24内的气体成分排除（参见图9的状态“e1”）。其他实施方式中也可以通过其他方式将气体成分排除，不局限于本实施方式给出的例子。具体操作时，为了防止将壳体24内的加工粉末142也排除去，一种方法可将导管90设计的很长，并垂直放置，利用加工粉末142自身的重力回落至壳体24内部，并且在导管90的适当位置处设置过滤网（未示出），防止加工粉末142被排除。

当壳体24内的真空度满足要求时，例如小于0.01帕斯卡时，通过合适的焊接加工方法将该导气管25焊接密封起来（参加图9的状态“f1”），亦即壳体24通过焊接部29真空密封起来，然后再将焊接部29的多余部分通过适当的切割加工方法切割掉（参见图9的状态“g1”）。此时的壳体24与图2加工后的壳体24相似，仅仅多出了由于焊接加工而突出的部分。

继续参考图10，将图9加工好的半成品的目标零件20放入HIP设备40的高压腔42内部，并执行如图4的热等静压处理，具体操作过程这里不再赘述。

继续参考图11，经过热等静压处理之后，包含一个焊接突出部26的目标零件20即被加工完成。该焊接突出部26再通过合适的切割方法切割掉即可。因此，SLM工艺结合HIP工艺也可实现加工目标零件20的目的，只是相较于EBM工艺结合HIP工艺较为复杂一些，需要增加导气管抽气以及最后的焊接突出部切割部分。但如果加工的目标零件20零件很多的话，相较于现有技术仅仅应用SLM工艺制造非常多的目标零件20的方式效率更高，也更节省能量。

在上述提及的实施方式中，在EBM或SLM加工步骤中仅仅是最外层的壳体24完成了熔炼（或致密化）加工。在一些实施方式中，基于目标零件的特性，如材料、形状等的要求不同，可在EBM或SLM的加工步骤中也对壳体24内部的加工粉末进行一些局部的不完全的熔炼加工，下面将给出一些具体的实施方式举例说明。

参见图12，为一个经过EBM步骤加工过的半成品目标零件20的壳体24的部分。相较于图4加工后的壳体24，图12的壳体24不是一个密度水平均匀的壳体，包括至少两层密度不同的部分。该实施方式中的壳体24包括三层密度水平不同的部分，即第一层241、第二层242、第三层243。该三层的密度水平逐层降低，例如第一层241为100%，第二层242为90%，第三层243为80%，该密度水平可通过控制器15进行设定，换句话说，加工第一层241时电子束的功率最大，而加工第三层243时电子束的功率最小。具体设计时，该壳体24的层数设定、每一层的厚度设定以及每一层的密度水平的要求，均可根据实际需要进行调整，而壳体24内部的加工粉末142仍为完全未加工的状态。虽然，相较于图4的实施方式而言，图12的实施方式在EBM步骤阶段的加工时间及能耗有所提高，但相对于完全由EBM加工的现有技术来说仍然是大大提高了效率以及能耗。之所以在一些实施方式中，会对壳体24进一步进行分层且不同密度水平的加工，是为了提高在后面的HIP步骤中对目标零件20的加工品质。这是由HIP加工工艺的自身特性决定的，具体原理这里不具体说明。

请参考图13，为本发明制造零件方法70的较佳实施方式的流程图。与上述方法60相比，该方法70中的步骤71-73与步骤61-63相似，这里不再赘述，在步骤73之后该方法70还包括以下步骤：

在步骤74中，基于补偿后的三维空间模型，计算加工的壳体24的加工层数以及各层的加工密度水平（例如图12所示的第一层241、第二层242、第三层243）。如之前所述，可通过合适的算法计算得出，如通过ANSYS软件的FEM工具计算得出，具体的计算过程这里不具体说明。

在步骤75中，基于补偿后的三维空间模型对与该三维空间模型形状相同的壳体进行仿真分析，以分析其经过热等静压加工后的壳体的形状变化。如果分析后的壳体的形状与原始的三维空间模型形状相同的话，即满足要求，执行后续步骤76，否则返回步骤73直到分析的结果表明，经过热等静压加工后的壳体的形状与原始的三维空间模型形状相同为止。或者设定一个相差容忍度，小于该相差容忍度时，亦表示满足补偿要求。

在步骤76中，基于补偿后的三维空间模型通过EBM设备10加工与该三维空间模型形状相同的壳体24，具体加工过程上述段落已经描述，这里不再赘述。

在步骤77中，通过HIP设备40对经过EBM设备10加工的半成品壳体24进行进一步的热等静压处理，以得到最终期望的三维目标零件20，具体加工过程上述段落已经描述，这里不再赘述。

在一些其他实施方式中，该三维目标零件20的形状可能是很不规则的，例如图14给出的雨滴形状的目标零件20。在EBM处理步骤中，该目标零件20可以先加工一个密度水平单一的壳体（如图2加工的壳体），然后进行后续HIP处理，以得到最终的目标零件。也可在EBM处理步骤中，将该目标零件20的壳体20分成若干不同密度水平的层进行加工，例如图14示意的可包括四层241、242、243、244进行加工，具体加工过程上述段落已经描述，这里不再赘述。

在一些其他实施方式中，该三维目标零件20在EBM处理步骤中，不仅可以将壳体24进行分层处理，而且对每一层的加工粉末也可进行密度水平不同的处理。图15示意了一个例子，在EBM的处理步骤中，将壳体24分成了三层241、242、243。第一层241的密度水平被设定为了100%。第二层242又进一步分成了两个部分2421、2422，2421部分位于各边的中间部分，密度水平被设定为了100%，而2422部分位于各边的两侧部分，密度水平被设定为了90%。第三层243又进一步分成了两个部分2431、2432，2431部分位于各边的中间部分，密度水平被设定为了90%，而2432部分位于各边的两侧部分，密度水平被设定为了80%。经过上述密度水平的设定之后，在经过HIP加工后，即可加工出期望的目标零件20，且相较于不对壳体24进行分层处理的加工方法获得的目标零件20的品质可能会更佳，但具体的设定还须根据具体零件的各项参数要求而定，有些零件对壳体24不分层处理品质反而更佳。

在一些其他实施方式中，该三维目标零件20在EBM处理步骤中，还可对壳体24内容置的加工粉末部分加工出一些支撑结构，如支撑条27，以起到支撑壳体24的作用。参见图16所示，可在壳体24内部设置互相交叉的支撑条27，在EBM处理时，该支撑条27的密度水平可以是100%，也可以小于100%，具体根据实际的设计要求而定。

请参考图17，为本发明制造零件方法的再一实施方式加工目标零件的几个阶段的示意图。该实施方式中，该方法首先包括形成一个可渗透多孔（porous）的半成品零件300，该半成品零件300通过松散的加工粉末加工成具有第一密度水平，例如至少大约在30%左右或者在其他实施方式中大于50%。在该示意的实施方式中，该半成品零件300的密度水平大约在70%。为了形成该可渗透多孔的或预压制（pre-compacted）的半成品零件300，一定数量的松散加工粉末可能被直接放入一个压缩模具（未示出）内，然后通过机械压力直接致密化至该第一密度水平。上述松散的加工粉末可能为基本元素或基本混合元素，例如可能主要包括母合金（master alloy）或合金粉末冶金产品。在一个较佳的实施方式中，该半成品零件300的外表面区域302具有表面气孔性，即包含非常细微的分散气孔。这些气孔具有大概在10微米至100微米之间的尺寸，这取决于该零件的密度水平及加工粉末冶金产品的尺寸。为了提高该零件一部分的密度水平，该半成品零件300被进一步处理以使最外部的被处理区域304达到第二密度水平。更具体地，该外表面区域302最外部一定厚度内的区域304被处理达到该第二密度水平。这里，该“外表面”描述的是该半成品零件300最开始被处理的部位。此外，当涉及该“外表面”时，可能包含外表面自身整体或者其上一部分。因此，在某一实施方式中，该被处理的区域304可能包含该外表面区域302的整体或一部分。另外，该被处理的区域304可能位于该零件300的其他部位。

在至少一个实施方式中，一旦该外表面区域302被处理后，该被处理的区域304的密度水平（或第二密度水平）至少达到95%，如此在处理之前存在于外表面的分散气孔将会被消除。在密度水平为至少95%及厚度大概介于0.025毫米至1毫米之间，该被处理的区域304本质上将会作为该零件内部区域306的密封结构，而该内部区域306仍然具有第一密度水平。该被处理的区域304的厚度是充分的，以形成该密封结构且具有足够的强度以保证在后续处理过程（如HIP或PIF）中仍能保证密封状态，进而一个目标零件可能会被致密化加工处理出来。一旦该半成品零件300被处理后，该零件300将被致密化处理成最终的目标零件308，其具有至少95%的密度水平或者最佳情况能达到大约100%的密度水平。需要说明的是，该目标零件308经过HIP或PIF处理后发生的形状变化将被考虑进来，可根据上述相同或相似的方法进行补偿处理。另外，该内部区域306可能包括该第一密度水平而该被处理的区域304可能包括第二密度水平，两者之间的界限并不一定非常清晰，可能具有一定的过渡，如形成一定的密度水平梯度。

如此密封该半成品零件300的方法可在致密化过程之前就做到了防止环境及污染物渗透至其内部的目的。此外，该方法也允许低密度水平零件的加工。可以知道的是，该被处理的区域304实质上不需要借助传统工艺的套筒（Can）进行加工。因为无套筒的设计，在致密化过程之后就不存在移出该多余的套筒的步骤，故节省了时间也降低了能耗。

在一个实施方式中，处理该半成品零件300的步骤包括应用一个材料熔炼（Material fusion）过程。为了实现对该外表面区域302的处理，该熔炼过程的处理是受限制的，即该熔炼过程的处理程度仅需要将该外表面区域302处理完毕即可，而不需达到处理内部区域306的程度。该熔炼处理过程包括但不限于微波处理、激光处理、电子束处理、焊机处理、红外加热处理或其他表面焊接处理，涉及表面的光栅扫描以产生重叠的熔炼带及高品质的表面。该局部的熔炼层也可能通过其他处理方式形成，例如包括但不限于瞬时液相烧结（Transient liquid phase sintering）及感应烧结（Induction melting）等。

在另一个实施方式中，处理该半成品零件300的步骤包括固态处理过程，通过在该外表面区域302的内部进行烧结及扩散（Sintering and diffusion）处理。该处理包括但不限于微波烧结（Microwave sintering）、感应烧结（Inductionsintering）及可控激光烧结（Controlled laser sintering）。在另外的实施方式中，该半成品零件300的构成包括位于该外表面区域302上的一个局部熔炼层。

在另一个实施方式中，处理该半成品零件300的步骤包括选择性机械及塑性成型（Selectively mechanically and plastically deforming）加工该外表面区域302。该成型加工处理方式包括但不限于捶击（Peening）、抛光（Burnishing）、冷挤压（Cold extrusion）、热挤压（Warm extrusion）及其他合适的成型处理方法，通过对该外表面区域302的成型处理，可是其密度水平至少达到95%。

在另一个实施方式中，处理该半成品零件300的步骤包括在该外表面区域302上涂敷一层涂敷层。优选地，该涂敷层的材料为与该半成品零件300的材料在整个加工处理过程中彼此均不发生反应的材料制成，例如包括玻璃或者铝。或者，该涂敷层的材料可以选择可与该表明反应的材料，并通过彼此之间的反应以形成一个稳定的涂敷层，当某负载被传播至基本材料内时，该涂敷层可以传递大约为熔炼温度二分之一或更高的负载。该涂敷层可能覆盖整个外表面区域302或者该外表面区域302的一部分。

在另一个实施方式中，处理该半成品零件300的步骤包括喷镀处理（Cladding-type）过程。该喷镀处理包括但不限于激光熔覆（Laser cladding）、氩弧焊（TIG）、铜箔电镀（Braze foil cladding）、冷喷涂（Cold spray）、金属喷镀（Metal paint）等。可选择地，一旦该喷镀处理被应用，该外表面区域302可能被选择性地热处理使其上的粉末冶金材料与喷镀处理用的材料实现冶金结合，进而形成一个涂敷层。

在另一个实施方式中，参考图18，处理一个多孔可渗透的半成品零件400。具体地，处理该半成品零件400的外表面区域401包括封装该半成品零件400至一个封袋（Bag）402内。该封袋402可由橡胶、硅树脂、弹性纤维或其他类似材料制成。该半成品零件400及该封袋402被进行真空处理，以使其内部为真空。然后，该半成品零件400及该封袋402被加热至一个高温状态一定时间，如此该封袋402及该半成品零件400的外表面区域401到达该高温状态，但内部区域406的温度在该高温状态以下，例如仍为室温状态。在一个实施方式中，该高温状态的温度大约介于600°F至700°F之间。

一旦该半成品零件400被加热处理，该加热处理后的半成品零件400将会进行后续的PIF处理。由于该加热处理后的表面区域401的流动应力（Flowstress）低于温度较低的内部区域406的流动应力，该PIF处理结果将仅仅致密化该表面区域401。类似于其他实施方式，在该外表面区域401被处理后，一个壳体404即被加工完成。该壳体404的密度水平至少在95%左右，如此该壳体404提供了一个密封结构对内部未处理的区域406，该未处理的区域406的密度水平大于在30%。如前，在该被处理区域（即壳体404）及该未处理的内部区域406之间的密度水平可能存在一个过渡区域，例如密度水平呈现一定梯度。一旦该外表面区域401被处理后，例如该壳体404形成后，实质上即形成了一个套筒（Can），该零件400可以被致密化处理通过后续处理，例如通过HIP、PIF或其他合适的处理过程。作为一个例子，在一个PIF处理过程中，该零件400被加热至一个高温状态，以达到该零件组成材料的熔点。该零件400随后移出热源区域进行压力处理，例如在大约5000磅/平方英寸至60000磅/平方英寸的压力之间进行致密化处理，以使该半成品零件400的密度水平达到至少95%，或者最优达到100%的密度水平，如此一个目标零件408即被加工完成。

在描述的任意一个实施方式中，HIP加工过程典型的工作于压力范围在最高45千磅/平方英寸下，而温度大于大约为熔炼温度的一半且低于材料的固相线以下。其他材料方面的考量也可能限制该HIP处理过程的温度范围，因此HIP处理也不仅限于温度与压力的控制。PIF加工过程典型地工作于压力范围在10千磅/平方英寸至60千磅/平方英寸之间，而预热温度大于大约为熔炼温度的一半且低于材料的固相线以下。其他材料方面的考量也可能限制该PIF处理过程的温度范围，因此HIP处理也不仅限于预热温度与压力的控制。

本发明揭露的内容可能被应用并结合其他的处理技术，例如结合在美国专利6,737,017、美国专利7,329,381及美国专利7,897,103中揭示的处理技术。本发明中揭示的零件特别的应用于高品质的钛合金材料制成的零件，但也可应用于其他的材料制成的零件，例如铝、铁、镍、钴、镁或它们之间的组合。本发明中揭示的处理过程中，本质上用于在由松散的加工粉末形成的一个多孔可渗透的半成品零件300的外表面区域302上加工一个密封结构的处理过程，是保持了自身的整体形状的同时没有应用容置设备例如套筒。该预压制（pre-compacted）的形状可以为任意需要的形状，例如圆筒状、柱状、棱柱状、六边柱状或其他三维形状。

在描述的任意一个实施方式中，该先加工的壳体可以选择性地加工成相对薄的或相对厚的壳体，具有与内部未加工（或未完全加工）材料较高的密度水平或两者之间具有呈梯度的密度水平。该壳体的材料通常与内部的材料相同，或者为不同的材料。该壳体可能最终与内部材料一起构成最终目标零件的一部分或者还可通过传统的工艺对其进行进一步的加工处理，例如打磨处理等。进一步地，该壳体加工时还可能包括一个导气管，用于在后续处理进行之前将其内部的空气排出并完成真空密封处理。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims

1.一种用于制造三维零件的方法，其特征在于：该方法包括：

2.如权利要求1所述的方法，其中对松散的加工粉末进行局部的致密化处理的步骤是通过快速成型制造技术实现的。

3.如权利要求2所述的方法，其中该快速成型制造技术为电子束熔炼（Electron beam melting,EBM）技术。

4.如权利要求3所述的方法，其中通过EBM技术对松散的加工粉末进行局部的致密化处理以形成壳体的步骤包括：

a)将一层加工粉末传递至加工台上；

b)基于一个补偿后的三维空间模型对该层加工粉末进行EBM加工；及

c)返回步骤a)，直到该容置有加工粉末的壳体完全加工完为止。

5.如权利要求4所述的方法，其中该补偿后的三维空间模型的计算步骤包括：

A)存储一个原始的三维空间模型，且该原始的三维空间模型与期望加工的目标三维零件的形状相同；

B)分析与该原始的三维空间模型形状相同的该容置有加工粉末的壳体经过后续整体致密化加工后的形状变化；

C)基于上述形状变化计算出该补偿后的三维空间模型；及

D)分析与该补偿后的三维空间模型形状相同的容置有加工粉末的壳体经过后续整体致密化加工后的形状变化，若形状变化后的形状与原始的三维空间模型相同则结束计算，否则返回步骤C)。

6.如权利要求2所述的方法，其中该快速成型制造技术包括选择性激光熔炼（Selective Laser Melting,SLM）技术、直接金属激光熔炼（Direct metallaser melting,DMLM）技术或红外线熔炼（Infrared melting）技术。

7.如权利要求6所述的方法，其中对松散的加工粉末进行局部的致密化处理以形成壳体的步骤包括：

通过快速成型制造技术对加工粉末进行逐层加工，以形成一个包括导气管的壳体且加工后的壳体容置有加工粉末；

通过抽气装置连通该导气管将壳体内部的气体排除；及

当该壳体内的真空度达到预定值后对壳体进行密封处理。

8.如权利要求1所述的方法，其中对松散的加工粉末进行局部的致密化处理的步骤是通过选择性机械及塑性成型（Selectively mechanically andplastically deforming）加工技术实现的。

9.如权利要求8所述的方法，其中该选择性机械及塑性成型加工技术包括捶击（Peening）、抛光（Burnishing）、冷挤压（Cold extrusion）或热挤压（Warmextrusion）。

10.如权利要求1所述的方法，其中对松散的加工粉末进行局部的致密化处理的步骤是通过气动静压锻造（Pneumatic isostatic forging,PIF）技术实现的。

11.如权利要求1所述的方法，其中该容置有加工粉末的壳体的最外层的密度水平大于95%。

12.如权利要求11所述的方法，其中该容置有加工粉末的壳体包括至少两层，且密度水平由外向内逐层降低。

13.如权利要求12所述的方法，其中该容置有加工粉末的壳体除最外层以外的其他层的每一层包括至少两个密度水平不同的部分，且中间部分的密度水平大于两侧部分的密度水平。

14.如权利要求1所述的方法，其中致密化该容置有加工粉末的壳体的步骤进一步包括：在致密化壳体的同时，对其内部的加工粉末同时进行局部的致密化处理，以加工出用于支撑该壳体的支撑结构。

15.如权利要求1-14中任意一项所述的方法，其中对该壳体及其内部的加工粉末整体进行致密化处理的步骤是通过热等静压（Hot isostatic pressing,HIP）技术或PIF技术实现的。

16.一种用于制造三维零件的方法，其特征在于：该方法包括：

17.如权利要求16所述的方法，其中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的步骤是通过HIP或PIF技术实现的。

18.一种用于制造三维零件的方法，其特征在于：该方法包括：

通过抽气装置连通该导气管将壳体内部的气体排除；

当该壳体内的真空度达到预定值后对壳体进行密封处理；

19.如权利要求18所述的方法，其中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的步骤是通过HIP或PIF技术实现的。

20.如权利要求18或19所述的方法，其中该快速成型制造技术包括SLM技术、DMLM技术或红外线熔炼技术。

21.一种用于制造三维零件的方法，其特征在于：该方法包括：

22.如权利要求21所述的方法，其中对该半成品零件的外表面区域进行第二次致密化处理的步骤是通过PIF技术实现的。

23.如权利要求22所述的方法，进一步包括：将该具有第一密度水平的半成品零件封装于一个封袋内，并对该封袋进行真空处理。

24.如权利要求22或23所述的方法，其中在对该半成品零件的外表面区域进行第二次致密化处理之前进一步包括：对该半成品零件进行加热处理。

25.如权利要求21所述的方法，其中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的步骤是通过HIP技术或PIF技术实现的。

26.如权利要求21所述的方法，其中对松散的加工粉末进行的第一次致密化处理是通过机械压力实现的。

27.如权利要求21所述的方法，其中该第一密度水平至少为30%，该第二密度水平至少为95%。

28.如权利要求21所述的方法，其中对该半成品零件的外表面区域进行第二次致密化处理的步骤是通过以下技术之一实现的：微波处理、激光处理、电子束处理、焊机处理、红外加热处理、微波烧结、感应烧结、可控激光烧结、捶击、抛光、冷挤压、热挤压、激光熔覆、氩弧焊、铜箔电镀、冷喷涂、金属喷镀。

29.如权利要求21所述的方法，其中对该半成品零件的外表面区域进行第二次致密化处理的步骤包括：在该外表面区域上涂敷一层涂敷层。