生产具有内部通道的锻造产品的方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请是2015年3月13日提交的标题为“用于生产具有内部通道的锻造产品的方法(methodsforproducingwroughtproductswithinternalpassages)”的美国申请序列号62/132,613的非临时申请，并且要求享有其优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

背景技术：

增材制造(am,additivemanufacturing)提供了前所未有的用于制造迄今为止通过常规制造工艺不可能实现的具有复杂内部几何形状的3d形状的方法。

广义上，本公开涉及使用am预制件(即通过增材制造制成的预制件)来生产加工金属产品(例如，锻制金属产品、其它类型的热加工和/或冷加工金属制品)的改进方法。更具体地，本公开涉及用于将am预制件(例如金属am预制件)制成(1)包括至少一个内/内部空隙和/或(2)对应于该零件的最终锻造特性的产品的方法。

技术实现要素：

增材制造能够构造具有变化的配置和尺寸的零件。然而，对于许多原料材料而言，am零件包括归因于am构型的特性，其可与用于最终应用所期望的特性(例如强度、晶粒结构等)之间存在很大的区别。本公开的一种或多种方法涉及制造具有锻造特性(即，使am预制件发生变形)的产品，其中，该产品包括至少一个内部通道(例如每个通道包括空隙和/或通路)。在某些实施例中，锻造特性包括，但不限于：锻造微结构(例如重结晶晶粒、am晶粒结构的移除)同时提供更高的硬度(以及在一些情况下提供更高的强度)。

在一些实施例中，am部件的微结构和特性可以通过将所构建(铸造)的结构转化为锻造结构的随后加工而得到显著提高。因此，需要保护am预制件(例如冷却通道)中的内部特征，以免在变形过程中产生塌陷和破裂。用于具有内部通道的某些应用的am预制件的一些非限制性示例包括：封闭模具锻制(closeddieforgings)和/或热等静压操作(hippingoperations)，其中静水压力(即，内部通道经历的压力)可大大超过敞开式模具锻制(opendieforgings)期间的压力(例如，am预制件的主体所经历的变形压力)。此外，必须考虑到这些特征的几何形状变化以获得最终期望的形状。

本公开的一种或多种方法涉及：(1)在保留am工艺期间创建的内部通道的同时发生变形，以促进适当的形状改变(am预制件到产品)，而am零件或内部通道不发生破裂和/或塌陷；(2)规定am预制件的几何形状(外部轮廓/主体以及内部通道)，从而可在变形(例如，单个锻制)步骤中获得产品的最终几何形状(即，明确考虑变形和/或变形边界条件(摩擦和温度))；以及/或获得锻造结构(wroughtstructure)，以提高由am工艺制造的复杂部件(即，具有内部通道的主体)的特性。

一方面，提供了一种方法，该方法包括：对原料材料进行增材制造以创建am预制件，其中am预制件配置有具有限定在其中的内部通道的主体，其中内部通道还包括空隙和通路中的至少一个；将填充材料插入至am预制件的内部通道中；用闭合部件将am预制件封闭，从而使得填充材料保持在am预制件的内部通道中；以及使am预制件发生足够量的变形，以创建其内具有内部通道的产品，其中，该产品配置有通过变形步骤赋予该材料的锻造特性。

在一些实施例中，封闭步骤还包括经由闭合部件将填充材料密封在am预制件中。

在一些实施例中，封闭步骤还包括焊接开口使其关闭，以将填充材料闭合在am预制件中。

在一些实施例中，封闭步骤还包括将塞子压进主体中的开口中，以将填充材料保持在内部通道内。

在一些实施例中，封闭步骤还包括通过增材制造原料的连续构建层将填充材料闭合在内部通道内。

在一些实施例中，变形步骤还包括锻制。

在一些实施例中，变形步骤还包括单个模具锻制。

在一些实施例中，变形步骤还包括轧制。

在一些实施例中，变形步骤还包括环形件轧制。

在一些实施例中，变形步骤还包括挤出。

在一些实施例中，该方法还包括：将填充材料从产品的内部通道中移除。

在一些实施例中，该移除步骤还包括：打开其内具有填充材料的密封产品；使填充材料融化；以及将填充材料从产品中排出。

在一些实施例中，移除步骤还包括：对产品进行退火。

在一些实施例中，该方法还包括对产品进行冷加工。

在一些实施例中，该方法还包括：对产品进行热加工。

在一些实施例中，该方法包括对产品的表面进行精加工(finishing)。

在一些实施例中，精加工选自由机械加工、抛光、表面精加工和/或其组合所构成的组。

在一些实施例中，变形步骤还包括：在变形之前，将am预制件进行预加热，以融化保持在内部通道内的填充材料。

在一些实施例中，变形步骤还包括等待足够的时间使填充材料在内部通道中凝固；以及使其内具有凝固的填充材料的am预制件发生变形。

在本公开的另一个方面中，提供了一种方法，该方法包括：选择具有目标锻造特性的目标产品；设计具有目标预制件主体尺寸和目标预制件空隙尺寸的目标am预制件，其中目标am预制件配置为经历变形步骤，并提供具有目标产品主体尺寸和目标产品空隙尺寸的目标产品；增材制造包括具有预制件主体尺寸的预制件主体和具有预制件空隙尺寸的空隙的am预制件，其中预制件主体尺寸对应于目标预制件主体尺寸，并且其中预制件空隙尺寸对应于目标预制件空隙尺寸；以及使am预制件发生足够量的变形，以形成具有对应于目标锻造特性的锻造特性的产品，其中am预制件配置有通过闭合部件闭合在空隙中的填充材料；并且其中，产品配置有具有产品主体尺寸的产品主体和具有产品空隙尺寸的产品空隙，其中通过设计步骤，产品主体尺寸对应于目标产品主体尺寸，且产品空隙尺寸对应于目标产品空隙尺寸。

在本公开的另一个方面中，提供了一种方法，该方法包括：设计具有目标预制件主体尺寸、目标预制件空隙尺寸和目标锻造特性的目标am预制件，其中目标am预制件配置为经历变形步骤，并提供具有目标产品主体尺寸和目标产品空隙尺寸的目标产品；增材制造包括具有预制件主体尺寸的预制件主体和具有预制件空隙尺寸的空隙的am预制件，其中预制件主体尺寸对应于目标预制件主体尺寸，并且其中预制件空隙尺寸对应于目标预制件空隙尺寸；以及使am预制件发生足够量的变形，以形成具有对应于目标锻造特性的锻造特性的产品，其中am预制件配置有通过闭合部件闭合在空隙中的填充材料；并且其中，产品配置有具有产品主体尺寸的产品主体和具有产品空隙尺寸的产品空隙，其中通过设计步骤，产品主体尺寸对应于目标产品主体尺寸，且产品空隙尺寸对应于目标产品空隙尺寸。

如本文所使用的，“对应(于)”是指相一致和/或相符合。作为非限制性示例，产品可具有对应于目标产品特性和/或尺寸的特性和/或尺寸。作为另一个非限制性示例，am预制件可具有对应于目标am预制件特性和/或尺寸的特性和/或尺寸。

在一些实施例中，对应是指对应的锻造特性，从而使得产品能够以相同的方式(例如，特定应用)以相同的成功和结果(即，在该产品零件的规格和特性限度内)进行使用，正如对目标产品锻造特性所预测的那样。

在一些实施例中，对应是指与主体和/或内部通道(通路和/或空隙)对应的尺寸，其正如对目标产品尺寸所预测的那样，能够使am预制件发生适当的变形，并且/或使产品以同样的方式(例如，特定应用)以相同的成功和结果(即，在产品零件的规格和特性限度内)进行使用。

作为非限制性示例，产品与目标的对应可以定性(即，产品在规格范围内，并且用于特定目的/最终应用)或定量(即，产品特性(或平均粒子特性)在特定参数的百分比或在特定参数的特定阈值或范围内)地进行测量。

如本文所使用的，“填充材料”是指：配置为填充空隙或区域的材料。在一些实施例中，填充材料配置为填充am预制件中的内部通道，其中，内部通道包括以下中的至少一个：内/内部空隙和通路。填充材料(不可压缩材料)的一些非限制性示例包括：油、聚合物、有机和/或无机溶剂(例如水)、金属和/或金属合金(包括锡、锡合金、铜、铜合金)及其组合。

在一些实施例中，填充材料被选择为在随后的高温操作期间处于流态。在一些实施例中，填充材料被选择为在随后的高温操作期间处于液态。

在一些实施例中，填充材料是顺性的且/或不可压缩的。在一些实施例中，填充材料配置为与在锻制操作期间施加的流体静应力发生反应，而不约束体积变形。在一些实施例中，填充材料是液体。在一些实施例中，填充材料(例如，在变形过程中)是固体。在一些实施例中，填充材料在这一方面是不会与am预制件发生显著表面反应的惰性液体。

在一些实施例中，液体填充材料闭合在am预制件内。在一些实施例中，限制am预制件中的液体填充材料在变形步骤期间从am预制件中泄露出。在一些实施例中，am预制件被密封(使用闭合部件进行密封)，以防止在变形期间液体填充材料从am预制件中泄露出。

在一些实施例中，填充材料是配置有低流动应力的固体材料，也是适用的。在一些实施例中，固体材料配置有使其可以被插入到am预制件中(例如容易地填充)而在变形条件(例如温度)下呈固体的熔点。在一些实施例中，固体填充材料配置为被填充到am预制件的内部通道中，并容易地从内部通道产品中移除(即，熔点高于变形温度，但没有高到足以影响在从产品中移除填充材料的变形步骤中获得的锻造特性)。

在一些实施例中，am预制件配置有具有/包括至少一个内部通道(例如，空隙和/或通路)的主体，其中主体配置有预制件主体尺寸(例如，大小和形状)并且空隙配置有预制件空隙尺寸(例如，大小和形状)，从而使得包括的空隙主体在变形步骤中经历变形以创建产品(即，产品包括具有产品主体尺寸的主体和具有产品空隙尺寸的空隙，其中产品的主体尺寸和空隙尺寸(变形后)不同于预制件的主体尺寸和空隙尺寸)。在一些实施例中，从产品中移除填充材料，以提供具有锻造特性和内部通道(例如，空隙)的产品。

在一个实施例中，方法包括使用增材制造工艺来生产具有至少一个通道(例如内部通道)的am预制件(例如成型金属预制件)。在使用步骤(usingstep)之后，将填充材料(例如，不可压缩材料)插入(例如，填充)至通道中。该通道填充有填充材料，并且填充材料被闭合在am预制件的主体内(例如，密封关闭)。插入步骤之后，am预制件变形(例如，塑性变形)为具有对应变形通道的产品(例如，最终变形产品)。

在本实施例中，填充材料/不可压缩材料配置为向主体的内壁(其用来限定通道)提供稳定性(例如，压缩力)，从而使得主体的限定通道的里壁被配置为防止、减少和/或消除变形步骤期间通道产生的破裂和/或塌陷。通过本发明的一种或多种方法，配置有至少一个内部通道的am预制件经历变形步骤以提供具有锻造特性和内部通道的产品，其中，在变形步骤之后，通道配置在产品中，并且产品配置有锻造特性。

如本文所使用的，“am预制件”是指：构建有特定尺寸(即，大小和/或形状)的增材制造零件。在一些实施例中，am预制件被配置为经历变形步骤以创建产品。在一些实施例中，am预制件是金属成型预制件。

在一些实施例中，am预制件可以由高熵合金组成。在一个实施例中，金属预制件包括钛、铝、镍、钢和不锈钢中的至少一个。在一个实施例中，金属成型预制件可以是钛合金。在另一个实施例中，金属成型预制件可以是铝合金。在又一个实施例中，金属成型预制件可以是镍合金。在又一个实施例中，金属成型预制件可以是钢和不锈钢中的一种。在另一个实施例中，金属成型预制件可以是金属基复合物(ametalmatrixcomposite)。在又一个实施例中，金属成型预制件可以包括铝化钛(titaniumaluminide)。

如本文所使用的，“内部通道”是指：配置在am预制件的主体内的空隙和通道中的至少一个。在一些实施例中，内部通道由am预制件的主体的里侧壁限定，其经由am预制件的外侧壁中的开口向下延伸进入am预制件的主体。

如本文所使用的，“闭合件”是指：用阻挡物密封的区域。在一些实施例中，am预制件包括闭合件(例如，闭合装置)，以将填充材料(即，液体填充材料)保留在内部通道(即，空隙和通路中的至少一个)中。闭合件的一些非限制性示例包括：机械附接装置、盖子、塞子、螺纹塞子、焊接塞子、焊接闭合件、增材制造层和/或其组合。

如本文所使用的，“变形”是指：配置为将预制件扭曲成产品形状的工艺。存在许多加工参数来实现包括锻制、轧制、挤出及其组合在内的变形等。

在一些实施例中，变形步骤可包括多个变形步骤。在一些实施例中，变形步骤可包括单个变形步骤。在一些实施例中，最终期望形状可以通过单个变形步骤来实现。在一些实施例中，变形包括以下中的至少一种：锻制、热机械加工和冷加工。

在一个实施例中，锻制包括单个模具锻制步骤。

在一些实施例中，变形(例如塑性变形)是在填充材料被静力捕获(trappedhydrostatically)的温度下进行，并且通道保持用于最终应用的期望的连续形状。

在一些实施例中，am预制件使用计算机建模软件来进行配置(例如，优化)。计算机建模的一个非限制性示例是有限元建模，包括反向3-d建模。在一些实施例中，建模设计步骤配置为在考虑到变形工艺的摩擦和热边界条件的同时，促进/确保进行最少的加工(即，后变形加工)来实现期望的(目标)锻造结构和几何形状(目标尺寸)。

在一些实施例中，通道位于成型预制件的内部(例如，主体的内部)。在一些实施例中，流体是液体。在变形条件下具有足够的静态和期望的化学性质(即，与am预制件的表面无反应)以使得最终产品中具有所期望形状的通道的任何合适的填充材料均可使用。

在一些实施例中，通道(即，内部通路)在变形步骤期间改变形状。

在一些实施例中，通道(即，内部通路)在变形步骤期间保持形状。

在一些实施例中，该方法还包括在插入步骤之后对通道进行密封。在一些实施例中，该方法还包括在变形步骤之后不对通道进行密封(移除闭合件/闭合部件)。在一些实施例中，使用具有相对较低熔点的惰性金属(例如锡)和/或玻璃(例如氧化硼)对通道进行密封。

锻制可包括将金属成型预制件加热至原料温度，以及使金属成型预制件与锻制模具接触。在一个实施例中，启动接触步骤时，锻制模具的温度可以低于原料温度至少10°f。在另一个实施例中，启动接触步骤时，锻制模具的温度可以低于原料温度至少25°f。在又一个实施例中，启动接触步骤时，锻制模具的温度可以低于原料温度至少50°f。在另一个实施例中，启动接触步骤时，锻制模具的温度可以低于原料温度至少100°f。在又一个实施例中，启动接触步骤时，锻制模具的温度可以低于原料温度至少200°f。

在一些实施例中，变形包括除锻制外的以下中的至少一种：(i)轧制、(ii)环形件轧制、(iii)环形件锻制、(iv)成型轧制、(v)挤出，以及(vi)其组合。

如本文所使用的，“环形件轧制”是指通过使用两个旋转式辊来将具有较小直径的环形件(例如，第一环形件具有第一直径)轧制成具有较大直径(例如，具有第二直径的第二环形件，其中第二直径大于第一直径)且可选地具有改进的横截面(例如，第二环形件的横截面面积不同于第一环形件的横截面面积)的环形件的工艺，其中一个旋转式辊放置在环形件的内径中，第二个旋转式辊与第一个旋转式辊直接相对地放置在环形件的外径上。如本文所使用的，“环形件锻制”是指通过在两个工具或模具之间挤压环形件来将具有较小直径的环形件(例如，第一环形件具有第一直径)锻制为具有较大直径(例如，具有第二直径的第二环形件，其中第二直径大于第一直径)且可选地具有改进的横截面(例如，第二环形件的横截面面积不同于第一环形件的横截面面积)的环形件的工艺，其中一个位于环形件的内径上，另一个直接相对地位于环形件的外径上。如本文所使用的，“成型轧制”是指通过在两个或多个辊之间加工工件(即，金属成型预制件)而进行塑形或成型的工艺，其可以或可以不定型，以向工件(即，金属成型预制件)赋予曲率或形状。

在一些实施例中，变形步骤包括将金属成型预制件加热至原料温度，以及使金属成型预制件与锻制模具接触。在这一点上，接触步骤可包括通过锻制模具使金属成型预制件发生变形。在一个实施例中，接触步骤包括通过锻制模具使金属成型预制件发生变形，以在金属成型预制件中实现0.05至1.10的真实应变。在另一个实施例中，接触步骤包括通过锻制模具使金属成型预制件发生变形，以在金属成型预制件中实现至少0.10的真实应变。在又一个实施例中，接触步骤包括通过锻制模具使金属成型预制件发生变形，以在金属成型预制件中实现至少0.20的真实应变。在另一个实施例中，接触步骤包括通过锻制模具使金属成型预制件发生变形，以在金属成型预制件中实现至少0.25的真实应变。在又一个实施例中，接触步骤包括通过锻制模具使金属成型预制件发生变形，以在金属成型预制件中实现至少0.30的真实应变。在另一个实施例中，接触步骤包括通过锻制模具使金属成型预制件发生变形，以在金属成型预制件中实现至少0.35的真实应变。在另一个实施例中，接触步骤包括通过锻制模具使金属成型预制件发生变形，以在金属成型预制件中实现不高于1.00的真实应变。在又一个实施例中，接触步骤包括通过锻制模具使金属成型预制件发生变形，以在金属成型预制件中实现不高于0.90的真实应变。在另一个实施例中，接触步骤包括通过锻制模具使金属成型预制件发生变形，以在金属成型预制件中实现不高于0.80的真实应变。在又一个实施例中，接触步骤包括通过锻制模具使金属成型预制件发生变形，以在金属成型预制件中实现不高于0.70的真实应变。在另一个实施例中，接触步骤包括通过锻制模具使金属成型预制件发生变形，以在金属成型预制件中实现不高于0.60的真实应变。在又一个实施例中，接触步骤包括通过锻制模具使金属成型预制件发生变形，以在金属成型预制件中实现不高于0.50的真实应变。在另一个实施例中，接触步骤包括通过锻制模具使金属成型预制件发生变形，以在金属成型预制件中实现不高于0.45的真实应变。如本文所使用的，“真实应变”(εtrue)是通过以下公式而得出的：

εtrue＝ln(l/l0)

其中l0是材料的初始长度，而l是材料的最终长度。

一方面，使用增材制造工艺来生产金属成型预制件的步骤可包括通过增材制造工艺将材料添加至构建基板，从而生产金属成型预制件。在一个实施例中，材料是具有第一强度的第一材料，并且其中构建基板是由具有第二强度的第二材料组成的。第一材料可具有第一疲劳特性，并且第二材料可具有第二疲劳特性。例如，可以通过增材制造工艺将具有低强度、高韧性的第一材料层添加到由具有高强度、低韧性的第二材料构成的构建基板上，从而生产例如在弹道应用中可用的金属成型预制件。

在一个实施例中，构建基板包括第一材料的第一环形件，并且使用步骤包括通过增材制造工艺将第二材料添加到第一环形件，从而形成第二环形件，其中，第二环形件与第一环形件形成为一体。

在一些实施例中，成型预制件可以至少部分地由增材制造步骤来实现第一量的残余应力。在增材制造步骤以及将填充材料插入至通道中之后，增材制造的成型预制件的至少一部分可以被冷加工，从而减轻成型预制件的冷加工部分的应力。成型预制件的冷加工部分中的至少一些可至少部分地由于冷加工步骤来实现第二量的残余应力，其中，第二量的残余应力低于第一量的残余应力。可选地，在冷加工之后，成型预制件可以在不高于450°f(232.2℃)的温度下进行热处理，以潜在地进一步减轻应力并且/或强化成型预制件。

增材制造工艺(3-d打印)是使用各种技术依次沉积材料层的工艺。增材制造工艺可包括诸如选择激光烧结(selectivelasersintering，sls)、选择激光融化(selectivelasermelting，slm)和电子束熔化(electronbeammelting，ebm)等的粉末床技术。增材制造工艺也可包括诸如熔丝制造(fusedfilamentfabrication,fff)等的线材挤出技术。合适的增材制造系统包括可从eosgmbh(robert-stirling-ring1,82152krailling/munich,germany)获得的eosintm280直接金属激光烧结(dmls)增材制造系统。因此，可以生产出精确设计的产品。

金属成型预制件可以由同时适用于增材制造和变形的任何金属制成，包括例如钛、铝、镍(例如，铬镍铁合金(inconel))、钢、不锈钢和高熵合金等的金属或合金。钛的合金是具有钛作为主要合金元素的合金。铝的合金是具有铝作为主要合金元素的合金。镍的合金是具有镍作为主要合金元素的合金。钢的合金是具有铁作为主要合金元素并且具有至少一些碳的合金。不锈钢的合金是具有铁作为主要合金元素并且具有至少一些碳和至少一些铬的合金。高熵合金是具有至少五种主要元素的合金，每种元素的原子浓度均在5％至35％之间。

如上所述，增材制造工艺可以用来生产成型预制件。铝合金主体是包括铝和至少一种其它物质的主体，其中，铝包括主体的至少50wt.％。可以进行增材制造的铝合金的示例包括由铝业协会限定的lxxx、2xxx、3xxx、4xxx、5xxx、6xxx、7xxx和8xxx系铝合金。在一个实施例中，铝合金是lxxx系铝合金。在一个实施例中，铝合金是2xxx系铝合金。在一个实施例中，铝合金是3xxx系铝合金。在一个实施例中，铝合金是4xxx系铝合金。在一个实施例中，铝合金是5xxx系铝合金。在一个实施例中，铝合金是6xxx系铝合金。在一个实施例中，铝合金是7xxx系铝合金。在一个实施例中，铝合金是8xxx系铝合金。

一方面，残余应力可以例如通过增材制造工艺来施加至成型预制件。如本文所使用的，“残余应力”是在成型预制件没有外部负载的情况下存在于成型预制件中的应力。正如由m.b.prime(2003程序，洛斯-阿拉莫斯国家实验室报告，la-ur-03-8629(la-ur-03-8629,losalamosnationallaboratoryreport,2003procedure))所撰写的“残余应力裂纹顺应性(切割)测量的试验程序(experimentalprocedureforcrackcompliance(slitting)measurementsofresidualstress)”一文中所描述的，成型预制件的残余应力可以通过“切割法(slittingmethod)”来进行测量。残余应力可以以1,000磅/平方英寸(ksi)为单位来测量。残余应力可包括压缩残余应力和/或拉伸残余应力。压缩残余应力可以表示为负值，例如-15ksi。拉伸应力可以表示为正值，例如10ksi。因此，第二量的残余应力比第一量的残余应力“低”是指，第二量的应力的大小(即，绝对值)小于第一量的残余应力的大小。

如上所述，在使用步骤以及将填充材料插入到通道中之后，增材制造的成型预制件的至少一部分可以被冷加工，从而减轻成型预制件的冷加工部分的应力。如本文所使用的，“冷加工”及类似方法是指，在至少一个方向和低于热加工温度(例如，不高于250°f(121.1℃))的温度下使成型预制件发生变形。冷加工可以通过压缩、伸展(stretching)及其组合中的一种或多种而进行施加，或者使用其它类型的冷加工方法进行施加。压缩是指，推压成型预制件的至少一个表面，以便通过减小成型预制件的至少一个尺寸来使成型预制件发生变形。压缩包括轧制、锻制及其组合。伸展是指通过扩展成型预制件的至少一个尺寸来拉动成型预制件，以使合金主体发生变形。

在一个实施例中，成型预制件的冷加工可以是均匀的(即，成型预制件的所有部分可实现基本相同量的变形)。在另一个实施例中，成型预制件的冷加工可以是非均匀的(即，成型预制件的不同部分可实现不同量的变形)。一方面，成型预制件的冷加工可包括对成型预制件的所有部分进行冷加工(例如，成型预制件的所有部分可实现贯穿整个成型预制件的体积的至少某种程度的变形)。在一个实施例中，冷加工可包括使成型预制件的所有部分冷变形至少0.1％。在另一个实施例中，冷加工可包括使成型预制件的所有部分冷变形至少0.2％。在又一个实施例中，冷加工可包括使成型预制件的所有部分冷变形至少0.3％。在另一个实施例中，冷加工可包括使成型预制件的所有部分冷变形至少0.4％。在又一个实施例中，冷加工可包括使成型预制件的所有部分冷变形至少0.5％。在另一个实施例中，冷加工可包括使成型预制件的所有部分冷变形至少0.6％。在又一个实施例中，冷加工可包括使成型预制件的所有部分冷变形至少0.7％。在另一个实施例中，冷加工可包括使成型预制件的所有部分冷变形至少0.8％。在又一个实施例中，冷加工可包括使成型预制件的所有部分冷变形至少0.9％。在另一个实施例中，冷加工可包括使成型预制件的所有部分冷变形至少1.0％。在又一个实施例中，冷加工可包括使成型预制件的所有部分冷变形至少1.5％。在另一个实施例中，冷加工可包括使成型预制件的所有部分冷变形至少2.0％。在又一个实施例中，冷加工可包括使成型预制件的所有部分冷变形至少3.0％。在又一个实施例中，冷加工可包括使成型预制件的所有部分冷变形至少4.0％。在又一个实施例中，冷加工可包括使成型预制件的所有部分冷变形至少5.0％。

另一方面，成型预制件的冷加工可包括仅对成型预制件的一部分进行冷加工(即，成型预制件的某些部分可以实现至少某种程度的变形，而成型预制件的其它部分可以实现不变形)。在一个实施例中，冷加工包括仅使成型预制件的一部分冷变形至少0.1％。在另一个实施例中，冷加工可包括仅使成型预制件的一部分冷变形至少0.2％。在又一个实施例中，冷加工包括仅使成型预制件的一部分冷变形至少0.3％。在另一个实施例中，冷加工包括仅使成型预制件的一部分冷变形至少0.4％。在又一个实施例中，冷加工包括仅使成型预制件的一部分冷变形至少0.5％。在另一个实施例中，冷加工包括仅使成型预制件的一部分冷变形至少0.6％。在又一个实施例中，冷加工包括仅使成型预制件的一部分冷变形至少0.7％。在另一个实施例中，冷加工包括仅使成型预制件的一部分冷变形至少0.8％。在又一个实施例中，冷加工包括仅使成型预制件的一部分冷变形至少0.9％。在另一个实施例中，冷加工可包括仅使成型预制件的一部分冷变形至少1.0％。在又一个实施例中，冷加工包括仅使成型预制件的一部分冷变形至少1.5％。在另一个实施例中，冷加工包括仅使成型预制件的一部分冷变形至少2.0％。在又一个实施例中，冷加工包括仅使成型预制件的一部分冷变形至少3.0％。在另一个实施例中，冷加工包括仅使成型预制件的一部分冷变形至少4.0％。在又一个实施例中，冷加工包括仅使成型预制件的一部分冷变形至少5.0％。

在一个实施例中，在冷加工步骤期间，成型预制件的温度不高于250°f(121.1℃)。在另一个实施例中，在冷加工步骤期间，成型预制件的温度不高于225°f(107.2℃)。在又一个实施例中，在冷加工步骤期间，成型预制件的温度不高于200°f(93.3℃)。在另一个实施例中，在冷加工步骤期间，成型预制件的温度不高于175°f(79.4℃)。在又一个实施例中，在冷加工步骤期间，成型预制件的温度不高于150°f(65.6℃)。在又一个实施例中，在冷加工步骤期间，成型预制件的温度不高于125°f(51.7℃)。在又一个实施例中，在冷加工步骤期间，成型预制件的温度不高于100°f(37.8℃)。在一个实施例中，当成型预制件处于环境温度时，启动冷加工步骤。

在一个实施例中，冷加工可以仅在增材制造步骤使用完成之后才发生(例如，只有最终版本的增材制造的合金主体被冷加工)。因此，在冷加工步骤之前，该方法可以不需要进行任何其它的冷加工步骤。在一个实施例中，冷加工步骤包括使成型预制件冷变形不高于25％。在另一个实施例中，冷加工步骤包括使成型预制件冷变形不高于20％。在又一个实施例中，冷加工步骤包括使成型预制件冷变形不高于15％。在另一个实施例中，冷加工步骤包括使成型预制件冷变形不高于14％。在又一个实施例中，冷加工步骤包括使成型预制件冷变形不高于13％。在另一个实施例中，冷加工步骤包括使成型预制件冷变形不高于12％。在又一个实施例中，冷加工步骤包括使成型预制件冷变形不高于11％。在另一个实施例中，冷加工步骤包括使成型预制件冷变形不高于10％。

一方面，与通过对成型预制件进行退火来减轻残余应力相比，通过上述方法减轻增材制造的成型预制件中的残余应力可以提供改善的强度特性。例如，与已经进行了退火来减轻应力的类似的成型预制件相比，该成型预制件可以实现增加的拉伸屈服强度。因此，在一个实施例中，生产方法不包括使用增材制造步骤和冷加工步骤之间的任何退火和/或固溶热处理步骤。因此，在生产成型预制件期间，在增材制造步骤之后，成型预制件可以保持在不高于450°的温度。在其它实施例中，在成型预制件的生产期间，在增材制造步骤之后，成型预制件保持在不高于400°f的温度，例如不高于375°f，或不高于350°f，或不高于325°f，或不高于300°f，或不高于275°f，或不高于250°f，或不高于225°f，或不高于200°f，或不高于175°f，或不高于150°f，或不高于125°f，或不高于100°f，或不高于环境温度(不包括由于冷加工步骤所产生的任何热)。

在其它实施例中，在冷加工步骤之后，可以对成型预制件进行热处理。热处理可以进一步减轻应力和/或强化成型预制件的一个或多个部分。例如，对于沉淀硬化合金而言，热处理可能导致成型预制件的一个或多个部分的沉淀硬化。热处理还可以或者替代地减轻成型预制件的应力。取决于温度的不同，这种可选的热处理步骤可以在例如175°f(79.4℃)至450°f(232.2℃)的温度下和几分钟至几小时进行。

通过使金属成型预制件发生变形，最终产品可以实现改善的特性，例如改善的孔隙率(例如，更小的孔隙率)、改善的表面粗糙度(例如较小的表面粗糙度，即，较平滑的表面)和/或更好的机械性能(例如，改善的表面硬度)等。

一方面，在锻制步骤之后，最终锻制产品可以可选择地进行退火。退火是一种改变材料的物理和(有时)化学性质以增加其延展性并使其更可被处理的热处理。其包括将材料加热到高于其玻璃化转变温度，保持合适的温度，然后再进行冷却。在一些实施例中，退火可以引起延展，软化材料，减轻内部应力，通过使其均匀而精化结构，并改善冷加工特性。

退火步骤可有助于减轻由于锻制步骤而在金属成型预制件中存在的残余应力。在一些实施例中，退火时间至少约为1小时。在另一个实施例中，退火时间至少约为2小时。在又一个实施例中，退火时间不超过约4小时。在另一个实施例中，退火时间不超过约3小时。

在一个实施例中，金属成型预制件是低延展性材料，例如金属基复合物或金属间材料。在一个实施例中，金属成型预制件是铝化钛。使用本文所公开的新方法可以有助于从这种低延展性材料中更经济地生产最终锻造产品。例如，可以使用处于比低延展性材料更低温度的模具和/或工具来锻制低延展性材料。因此，在一个实施例中，锻制不存在等温锻制(即，锻制工艺不包括等温锻制)，并且因此可以包括上述段落中提出原料温度对模具温度差中的任一个。

通过增材制造工艺制备金属成型预制件的步骤可包括将构建基板结合(incorporating)到金属成型预制件中。在一个实施例中，通过增材制造工艺将材料添加到构建基板中以产生金属成型预制件。如本文所使用的，“构建基板”等是指可以结合到金属成型预制件中的固体材料。金属成型预制件(包括构建基板)可发生变形。因此，最终产品可包括作为整体工件的构建基板。

如上所述，归因于接触步骤，最终锻制产品可以实现一定量(例如，预选量)的真实应变。在一些实施例中，由于例如锻制模具的形状和/或金属成型预制件的形状，由最终锻制产品实现的应变在整个最终锻制产品中可能是不均匀的。因此，最终的锻制产品可以实现低和/或高应变的区域。因此，构建基板可以位于金属成型预制件的预定区域中，从而使得在锻制之后，构建基板位于最终锻制产品的低应变的预定区域中。可以基于预测建模或实验测试来预先确定低应变区域。

构建基板可具有预定形状和/或预定机械性能(例如，强度、粗糙度等)。在一个实施例中，构建基板可以是预锻造基板。在一个实施例中，构建基板的形状可以基于低应变区域的形状来预先确定。在一个实施例中，构建基板的机械性能可以基于由金属成型预制件实现的平均真实应变和/或在低应变区域内实现的真实应变来预先确定。在一个实施例中，两个或更多个构建基板可以结合到金属成型预制件。在一个实施例中，构建基板包括预锻造基板。

构建基板可以由同时适合于增材制造和锻制的任何金属制成，包括例如钛、铝、镍(例如铬镍铁合金(inconel))、钢和不锈钢等的金属或合金。在一个实施例中，构建基板是由与金属成型预制件的其余部分相同的材料制成的。在一个实施例中，添加至金属成型预制件的材料可以是第一材料，而构建基板可以由第二材料制成。在一个实施例中，第一材料可具有第一强度，且第二材料可具有第二强度。在一个实施例中，第一材料可具有第一疲劳特性，并且第二材料可具有第二疲劳特性。

在一些实施例中，期望有以下益处：孔隙度愈合、锻造微结构、具有改进的表面光洁度的终形状几何形状(netshapegeometry)、期望应用所需的内部通道。

在一些实施例中，局部(localized)压缩应力施加在内部通道周围，以增强内部通道周围和附近的金属的疲劳性能。

在一些实施例中，具有良好特性、更好的形状容差和表面特征和产品特征的最终产品通过三种独立技术—增材制造、热机械加工和反向3-d建模—的组合而获得。一些实施例可以理想地适合用于诸如涡轮叶片和其它高温需求部件的应用。

虽然已经对本公开的各种实施例进行了详细的描述，但这些实施例的修改和改变对于本领域技术人员是显而易见的。然而，应当明确理解的是，这种修改和改变属于本公开的精神和范围内。

附图说明

图1是fem建模的实施例的示意图，该建模用来设计根据本公开的am预制件并提供具有最终主体尺寸和内部通道尺寸的产品形式，其中该am预制件具有主体尺寸和内部通道尺寸、且配置为经历变形(即，填充材料保留在内部通道中)。

图2示出了根据本公开的一个或多个实施例、使用计算机建模方法预期的am预制件的初始几何形状(左)和产品的最终几何形状(右)的计算机建模结果的一部分的剖面图。

图3是绘制有在300℃的温度和0.005/秒的应变速率下的变形期间计算机建模流动曲线的图表，图中示出应力(mpa)作为应变的函数。如图3所示，一旦am预制件发生应变(变形)，应力立即急剧增加，并在约0.02-0.03处平稳至约115mpa。

图4提供了两张俯视照片，它们描绘了根据本公开的经历300℃下的变形步骤(即，填充材料最初保留在空腔内)而制造的两种产品的实施例。参照图4，机械密封的am预制件显示了填充材料的泄露，右侧所示的焊接塞子密封的am预制件也是如此。

图5示出了图4所示产品的实施例的横截面的两幅照片，图中示出了根据本公开的保留在内部通道内的填充材料，尽管可以观察到在闭合部件(例如，机械密封/干涉塞子和焊接密封/塞子)附近存在一些泄露。不受任何特定的机构或理论的限制，应当相信，图5所示进料通道的塌陷和内部通道的破裂加剧了图4所示密封的失败(泄露)。

图6示出了根据本公开的在200℃、恒定负载条件下发生变形的产品的俯视图的照片。由于填充材料在填充物是固体的温度条件下发生变形，所以没有发生泄露。

图7示出了根据本公开的两个实施例的截面照片。在左侧图中，示出了用于“前”am预制件的代替物(proxy)，其中，am预制件主体是控制am预制件(其在被横截之前未经历变形步骤)，其中am预制件配置有预制件主体尺寸(即，沿着主体的非变形表面略微凹陷的侧壁)和预制件内部通道尺寸(即，椭圆形空隙)，其中填充材料示出为填充内部通道(例如，通路和空隙)，并且其中，干涉塞子示出为从主体的上表面延伸到内部通道的开口(并向下延伸给定距离至通路中)。在右侧图中，变形步骤“后”的产品的实施例的横截面图像与左侧的“前”am预制件形成鲜明对比。更具体地，产品或“后”实施例示出了具有较短产品高度的产品主体尺寸，并且与产品主体顶部和底部表面相比，am预制件的凹壁已经沿向外的方向被引导至接近垂直。此外，内部通道配置有产品内部通道尺寸(即，空隙通过变形由椭圆形状转变为圆形形状)，并且通过变形步骤，通路也经历了轴向收缩，且通路的感知直径有了轻微的增加。正如在图7中可以看到的，内部空腔发生均匀变形，并且没有迹象/仅有较少迹象表明空腔发生塌陷或通道发生破裂。

图8示出了图7所示的实施例，填充材料被从内部通道(例如空隙和通路)移除(融化和移除)。正如可以视觉观察到的，在将填充材料(锡)移除之后，材料只存在很少甚至不存在化学反应性和/或湿润性。此外，应当注意，在变形之后进料通道保持完整性，并且在内部通道中观察到的裂纹最小(如果存在话)。

图9示出了变形前后样品的外部轮廓。不受特定机构和/或理论的限制，应当相信，在变形之后视觉上可观察到的轻微的研磨可归因于压板和工件之间的摩擦。

图10示出了该方法的一个实施例的示意性横截面图，图中描绘了根据本公开的以下步骤：根据最终产品规格(主体尺寸和内部通道尺寸)创建(设计)am预制件；增材制造具有主体尺寸和内部通道尺寸的am预制件；将填充材料插入(和闭合)到am预制件内；以及变形步骤后，使am预制件发生变形以创建具有产品规格(主体尺寸和内部通道尺寸)的产品。

具体实施方式

进行了一系列试验，以评估本公开的实施例中的几个实施例。

示例：am预制件和产品的计算机建模

对计算机建模方法进行评估，以选择am预制件的参数(例如，主体尺寸和空隙尺寸)，从而提供具有产品主体尺寸和产品空隙尺寸的所得产品。完成有限元建模，从而使用反向形状建模来导致部件中的变形以及初始(am预制件)对最终(产品)边界条件(主体尺寸和空隙尺寸)。

选择50％的真实应变作为验证的转向架(bogie)，并且假设没有产生模具摩擦、空腔被不可压缩的流体填充(即，完全填充)、并且通过密封(例如，足以在变形条件下保持填充材料的闭合件)使不可压缩的填充材料保留在am预制件中。产品中的最终内部通道(空隙)的目标是0.25"直径的圆(d＝0.25")。因此，如图1所示计算椭圆形状，该椭圆形状的横截面面积为所期望的圆形尺寸并且具有变形后变为圆形所需的长宽比。初始形状(主体和内部通道(包括空隙和通路)的初始形状)通过试错程序来进行估计，以获得变形后的近直边缘(anearstraightedge)和用于内部通道的圆形形状。

图1是fem建模的实施例的示意图，该建模用来设计具有主体尺寸和内部通道尺寸、且配置为经历变形(即，填充材料保留在内部通道中)的am预制件，并提供具有最终主体尺寸和内部通道尺寸的产品形式。根据本公开的am部件的初始几何形状。根据本公开的一个或多个实施例，图1示出的是在对应的示例部分中设计的am预制件的工程图的剖面图、示出了am预制件的某些参数(例如，尺寸)的表格、用在fem建模中的数学算法、以及工程图中所示的横截面的立体剖视图，其示出了内部通道的空隙和通路、，以及主体侧壁的凹腔(例如，在非变形表面/侧壁处)的不同的三维深度。

图2示出了根据本公开的一个或多个实施例、使用计算机建模方法预期的am预制件的初始几何形状(左)和产品的最终几何形状(右)的计算机模型结果的一部分的剖面图。参照图2，示出了变形后、等温条件下和无摩擦轴对称压缩下的初始几何形状和最终期望的几何形状。图2(初始vs.最终)对比了不同的外部形状轮廓(预制件到产品，侧壁的凹陷减小)、以及内部空腔的形状变化(预制件描绘的椭圆形部分vs.产品描绘的圆形部分)。

示例：构建具有填充材料(不可压缩材料)的am预制件

使用激光粉末床增材制造工艺在eosm280上增材制造四个相同的am预制件。用来制造部件的原料材料是alsi10mg合金粉末。

基于包括内部通道大小和变形模拟器上的吨位极限在内的因素，2"直径和2"高的圆柱形样品被选作进行实验验证的原型样品。每个am预制件均配置有同心内部空隙，其中该空隙配置有两个相对应的通路(其配置为从空隙通信(communicate)至am预制件的主体的表面)。am预制件中使用两个垂直通道(通路)是为了用一个通路填充空腔，而另一个则在填充期间渗出空气，并确保适当且完整的填充。

三个am预制件被加热至325℃的温度，并且之后使用0.125英寸(inch)直径的锡供给杆(其在原位置(在空腔中)融化)用填充材料进行填充。通过从排出通道(即，第二通路)中可视地观察融化的锡来确认完全填充。进料口和排出口(通路)通过以下两种方式中的任何一种进行封闭(例如密封)：具有干涉配合的塞子，或者通过堵塞通路的开口，然后用6061填充合金进行焊接。

示例：am预制件变形

变形模拟器用在三个am预制件上。变形模拟器是容量为150,000lbs的压缩机(压力机)，其配置有熔炉，以通过热压缩对压力机表面和/或am预制件进行加热以实现变形。该实验部分的变形模拟器用作单步骤锻制模具的代替物，其中模拟器允许控制温度、应变速率和am预制件的应变以制造具有锻造特性的产品。

在变形期间，熔炉被加热至所指示的温度，并完成变形(例如，使用压力机的加热表面)。此外，ptfe聚合物片配置在am预制件变形表面(am预制件的上下表面)和压力机表面之间，以促进无摩擦的变形表面。估计的内部静水压力(hydrostaticpressure)为5.5ksi，并且应当注意，单轴变形期间的静水压力约为所施加的流动应力的1/3。

然后两个样品(一个具有干涉配合塞子，一个具有焊接塞子)在300℃和0.005/秒的应变速率下的轴对称压缩中发生变形。变形前提供30分钟的保持时间，以确保锡填料在变形前完成熔化。图3示出了在变形期间所测得的流动曲线。

正如在图5中可以看到的，图中在产品的顶部示出了融化的锡，这表明发生了泄漏。不受特定机构或理论的限制，融化的锡在变形过程中发生的泄漏被认为是随后导致空腔塌陷和/或空腔破裂的原因(即，泄漏导致变形期间内部通道发生不受控制的扭曲)。

第三个样品在变形模拟器中在200℃的温度下发生变形，从而使得填充材料(锡)在变形期间保持为固态，以防止从空腔/空隙中溢出(泄漏)。该实验在恒定载荷下完成，因为在保持所需应变速率为0.005/秒时超过了模拟器上的最大吨位。如图6所示，没有任何迹象表明产品顶部表面有任何融化的锡泄漏。

可观察到的是，用融化的填充材料(其在变形之前/期间凝固)填充空腔(内部通道)的提供了合适的产品和对应的空腔。此外，虽然观察到融化的填料材料发生泄漏，但是不清楚每个密封件是否在变形之前是完整的/显现为足够密封，使得可以预期在压力为5.5ksi的变形期间下保持融化的填充材料。

基于上述实验，不受任何特定机构或理论的限制，应当确信，根据本公开，具有配置(例如，闭合和/或密封)在至少一个内部通道中的融化的填充材料的am预制件的变形，将产生具有内部通道(例如，空隙和/或通路)的产品，只要融化的填充材料在变形之前(和期间)就已经进行了充分的闭合/密封。

预示实施例：在am预制件中具有am构建层的填充材料的闭合

作为替代实施例，在am构建工艺期间，填充材料闭合在am预制件的内部通道中。更具体地，将填料材料添加到am预制件中，(如果需要的话)进行凝固，然后继续进行增材制造工艺，从而使得附加的构建层配置在开口上，以形成将填充材料保持在am预制件中的am闭合件。

在又一个实施例中，如果填充材料在增材制造条件下是液体，则将覆盖物(例如，配置为延伸穿过内部通道的开口的基板)装配到开口中/之上，随后用连续增材制造构建层将填充材料闭合在内部通道中。

在另一个实施例中，在将填充材料加入到内部通道之后，开口被盖上盖子(例如使用小塞子)，表面被铣削(即创建连续的构建表面)，且之后返回至增材制造机器，以将至少一个附加构建层沉积在盖子上(和/或沉积在配置有内部通道的开口的主体的表面上)。

在这些实施例中的一个或多个中，附加构建层配置为提供具有预定厚度的闭合件(即，在经历变形步骤的同时，足以将填充材料保持在内部通道中)。

附图标记：

am预制件10

主体12

预制件主体尺寸14

内部通道(例如，空隙+通路)16

空隙18

预制件空隙尺寸20

通路22

通路尺寸22

开口24

闭合件26

盖子(例如，塞子)28

焊接点30

am覆盖件32

填充材料(例如，不可压缩材料)34

固体36

液体(例如，融化或液态)38

主体内：

变形步骤施加于其上的变形面/表面：40(例如40'、40")

预制件延伸部(例如，配置用于变形区外的通路和盖子，不在变形面/表面上)42

产品50

产品主体尺寸46

产品空隙尺寸48