用于制造以高熔点金属材料为基材的零件的方法

用于制造以高熔点金属材料为基材的零件的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于制造以高熔点金属材料为基材的零件的方法，其包括：提供单一的高熔点金属材料加工粉末；激光烧结该加工粉末，以获得一第一半成品零件；对该第一半成品零件进行渗透处理，以获得一第二半成品零件；及对该第二半成品零件进行加热加压处理，并且控制加热的温度至该第二半成品的再结晶温度。本发明还包括另一种制造方法。
【专利说明】用于制造以高熔点金属材料为基材的零件的方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种制造方法，特别涉及一种用于制造以高熔点金属材料为基材的零 件的方法。这里高熔点金属材料的熔点通常高于2500摄氏度，例如钥、钨、钽或它们的合金 材料。

【背景技术】
[0002] 目前，激光快速成型加工设备越来越广泛的应用在制造立体产品或模型上，例如 制造医疗成像设备（如CT扫描仪）上所使用的二维准直器（2D collimator)。例如，采用 一束紫外激光执行选择性的粉末激光烧结(或熔化）来进行快速成型加工。其中，烧结是一 种采用激光加热将一种粉末状材料的温度提高到其软化点的方法，由此造成在加热区域中 的粉末微粒熔合在一起形成需要的结构。
[0003] 但是，若烧结的粉末状材料的熔点非常高的时候，例如钨的熔点大约为3410摄氏 度，如果激光的功率有限时，应用激光烧结可能在烧结过程中就无法完全软化钨粉末。即使 激光的功率足够大，烧结后产品的品质也可能达不到要求，并且还大大提高了能源的消耗， 提1? 了成本。
[0004] 另一种解决的方法是在高熔点金属材料中加入熔点较低的粘结剂（binder)，如非 金属粘结剂尼龙和硅酸盐、金属粘结剂铁和镍等。从而在激光烧结过程中大大提高高熔点 金属材料的成型能力。例如，制造二维准直器可应用钨加入镍的混合粉末来完成激光烧结 加工。但是，当镍在混合粉末中的含量偏低时(例如体积比小于50vol%)时，该混合粉末仍 然具有较差的成型能力；而当镍在混合粉末中的含量偏高时(例如体积比大于50vol%)时， 尽管成型能力大大提高了，但加工出来的产品的品质可能无法达到要求，例如二维准直器 的光吸收能力大大降低了，不符合品质要求。因此，单一使用激光烧结技术无法满足制作高 熔点金属材料为基材的零件(如二维准直器）的要求。
[0005] 所以，需要提供一种新的用于制造以高熔点金属材料为基材的零件的方法来解决 上述问题。


【发明内容】

[0006] 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。
[0007] 本发明的一个方面在于提供一种用于制造以高熔点金属材料为基材的零件的方 法。该方法包括 ：
[0008] 提供单一的高熔点金属材料加工粉末；
[0009] 激光烧结该加工粉末，以获得一第一半成品零件；
[0010] 对该第一半成品零件进行渗透处理，以获得一第二半成品零件；及
[0011] 对该第二半成品零件进行加热加压处理，并且控制加热的温度至该第二半成品的 再结晶温度。
[0012] 本发明的另一个方面在于提供另一种用于制造以高熔点金属材料为基材的零件 的方法。该方法包括：
[0013] 提供高熔点金属材料与粘结剂的混合加工粉末，且高熔点金属材料在该混合加工 粉末的体积比大于50vol°/〇 ;
[0014] 激光烧结该混合加工粉末，以获得一半成品零件；及
[0015] 对该半成品零件进行加热加压处理，并且控制加热的温度至该半成品的再结晶温 度。
[0016] 相较于现有技术，本发明通过在激光烧结步骤之后对不符合要求的半成品零件进 行上述加热加压处理或同时进行上述渗透处理，从而进一步提高了单一的高熔点金属材料 加工粉末或高熔点金属材料与粘结剂混合加工粉末在经过激光烧结后所形成的半成品的 机械性能等特性，进而使最终的产品零件达到了品质要求。

【专利附图】

【附图说明】
[0017] 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：
[0018] 图1为一种激光快速成型加工设备加工零件的示意图。
[0019] 图2为一种加热加压设备为经过激光烧结加工后的半成品零件提供加热加压处 理的示意图。
[0020] 图3为本发明用于制造以高熔点金属材料为基材的零件的方法的较佳实施方式 的流程图。
[0021] 图4为一种渗透设备为经过激光烧结加工后的半成品零件提供渗透处理的示意 图。
[0022] 图5为本发明用于制造以高熔点金属材料为基材的零件的方法的另一较佳实施 方式的流程图。
[0023] 图6为一种医疗成像设备对人体进行X射线扫描的简易示意图。
[0024] 图7为图6中二维准直器的立体示意图。
[0025] 图8为应用图3方法加工钨镍混合粉末时在不同状态下钨镍粉末颗粒的状态示意 图。
[0026] 图9为应用图5方法加工纯钨粉末时在不同状态下钨粉末颗粒的状态示意图。

【具体实施方式】
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 另外，本发明中所指的高熔点金属材料既包括单一的高熔点金属材料(如纯钨)， 还包括高熔点金属材料与其他材料的混合材料(如钨镍混合材料）且高熔点金属材料在混 合材料中的体积比重大于50vol%。而上述所述的单一的高熔点金属材料是指杂质含量占比 小于1%的高熔点金属材料，例如纯度为99. 0%的纯钨，在较佳的实施方式的还可为纯度为 99. 9%的纯钨。
[0030] 请参考图1，为一种激光快速成型加工设备10加工零件的示意图。这里的激光快 速成型加工设备10以选择性的粉末激光烧结加工设备为例进行说明，该激光快速成型加 工设备10可能包括粉末加工床12、控制单元14及激光扫描单元16,但不限于上述配置，这 里仅举例说明。
[0031] 该粉末加工床12包括粉末传送单元122及粉末加工单元124。该粉末传送单元 122包括粉末传送台1222、放置于粉末传送台1222上的加工粉末1224、及用于推送加工粉 末1224至粉末加工单元124的滚筒1226。该粉末加工单元124包括加工台1242,用于接 收通过该粉末传送单元122传送来的加工粉末1224。该激光扫描单元16包括激光发生器 162及扫描镜164。该激光发生器162用于产生一束激光166,该扫描镜164用于根据该控 制单元14的控制来调整该激光166的发射角度。加工时，该控制单元14控制该激光扫描 单元16发射预设的激光166至该加工台1242上的加工粉末1224,每烧结完一层，该粉末传 送单元122将下一层加工粉末1224再次传送至该加工台1242上，以进行下一层的烧结，依 此往复，直至烧结的零件1244完全成型，本发明中烧结的粉末材料为高熔点金属材料，故 烧结后的零件1244仍为半成品零件（green object),还需提供进一步的处理才能满足品 质要求。
[0032] 请参考图2,为一种加热加压设备20为上述经过激光烧结加工后的半成品零件 1244提供后续加热加压处理的示意图。在非限定的实施方式中，该加热加压设备20为一个 炉子设备，其包括炉箱22、温度控制器24及压力控制器26。具体处理时，将该半成品零件 1244放置于该加热加压设备20内部并通过上述温度控制器24及压力控制器26设定预设 的温度、压力及加热加压时间等参数，经过加热加压处理后，该半成品零件1244的机械性 能将会大大提1?。
[0033] 请结合图1及图2参考图3,图3为本发明用于制造以高熔点金属材料为基材的零 件的方法30的较佳实施方式的流程图。该制造方法30包括以下步骤：
[0034] 步骤（31):提供一层加工粉末1224至加工台1242上。具体地，该控制单元14控 制该粉末传送台1222沿图1中箭头的方向向上移动一预设距离，然后控制该滚筒1226推 送该粉末传送台1222的加工粉末1224至该加工台1242上。在非限定的实施方式中，位于 该加工台1242上的该层加工粉末1224的厚度大致在20-60微米之间。
[0035] 步骤（32):通过该束激光166选择性地激光烧结位于该加工台1242上的加工粉 末1224。具体地，该控制单元14控制该束激光166按照预定的扫描程序对位于该加工台 1242上的加工粉末1224进行选择性的激光烧结，以基于一预设的零件模型构建对应该层 的零件成型结构。在非限定的实施方式中，该束激光166的扫描速度被控制在100-500米 每秒之间，该束激光166的功率被控制在50-400瓦特之间。该预设的零件模型预先存储在 该控制单元14中。
[0036] 步骤（33):降低该加工台1242 -预设距离。具体地，该控制单元14控制该加工台 1242沿着图1中箭头的方向向下移动一预设距离，即移动一个加工层的距离。
[0037] 步骤（34):判断该半成品零件1244是否激光烧结完毕，若加工完成执行步骤 (35)，若未加工完成则返回至步骤（31)直到该半成品零件1244加工完成。具体地，该控制 单元14根据预设的程序判断是否该半成品零件1244的所有加工层均已完成激光烧结操 作，若所有加工层均已完成，则表明该半成品零件1224已经激光烧结完毕，反之没有加工 完成。需要说明的是，上述步骤（31)至（34)仅仅给出一个例子来介绍激光烧结步骤，其他 实施方式中，也可以应用其他激光烧结步骤来完成该半成品零件1244的激光烧结加工。
[0038] 步骤（36):对该半成品零件1244提供加热加压处理，以得到成品零件。后续段落 会详细给出该步骤的【具体实施方式】。
[0039] 请参考图4，为一种渗透设备40为经过激光烧结加工后的半成品零件1244提供渗 透（infiltration)处理的示意图。在非限定的实施方式中，该渗透设备40包括渗透容器 42,用于放置渗透处理用的渗透溶液44,例如液态铜或镍溶液。该渗透设备40用于对该半 成品零件1244进行金属渗透溶液44的渗透处理，然后再进行上述所述的加热加压处理，以 进一步提高完成后零件的机械性能，即在图3的步骤（34)及步骤（36)之间加入一渗透步 骤（35)，参见图5,图5的整个流程不再赘述。对于步骤（35)，具体地，将该半成品零件1244 放置于该渗透容器42内部，然后将渗透溶液44注入至该渗透容器42中。实际操作时，可 能还需对其他参数进行设置，例如可能需要在真空无压力的环境中完成渗透操作，操作的 温度环境可能也需要进行设定，由于这些参数设定均为现有技术，故这里不再具体说明。
[0040] 对于图3及图5的两种加工方法，通常来说，针对高熔点金属材料与其他材料的混 合材料所构成的加工粉末较适合应用图3没有渗透处理的制造方法，而针对单一的高熔点 金属材料所构成的加工粉末则相对地较适合应用图5具有渗透处理的制造方法，这是由于 单一的高熔点金属材料的熔点远远高于高熔点金属材料与其他材料的混合材料的平均熔 点，因此需要再增加上述渗透处理步骤，但这不是绝对的，有些时候单一的高熔点金属材料 所构成的加工粉末也可适用于图3的制造方法。反之，高熔点金属材料与其他材料的混合 材料所构成的加工粉末有时也适用于图5的制造方法，这取决于所选择的具体的材料及所 要制造的零件本身的品质要求等因素。
[0041] 在一个实施方式中，作为一个例子，本发明制造方法适用于制造加工医疗成像设 备（如CT扫描仪）上所使用的二维准直器（2D collimator)。为说明方便，图6示意出了 传统X射线诊断设备对一人体3进行X射线扫描的简易示意图。该人体3位于一个X射线 管的管焦点1和一个探测器面7之间。该管焦点1可看作是一个近似点状的X射线源。由 X射线源的焦点1发射出的X射线2沿朝着X射线探测器的方向直线传播并穿透人体3。撞 击到探测器面7上的一次射线2a从X射线源1发出后直线穿过人体3,然后在探测器面7 上提供一个局部可分辨出的有关人体3的衰减值分布，一部分由X射线焦点1发出的X射 线2在人体3内被散射。所产生的散射射线2b没有有助于形成所期望的图像信息，并且在 撞击到探测器7上时明显地恶化了信噪比状况。因此为了改善图像品质，将一个二维准直 器4 (或叫散射光栅）设置在探测器7之前。
[0042] 请继续参考图7,为该二维准直器4的立体示意图。该准直器4具有通孔5和吸收 射线区6。通孔5朝向管焦点1定向，以便让射入的一次射线2a沿直线路径通过后撞击到 探测器表面上。不沿这个方向射入的射线，尤其是散射射线2b则被射线吸收区阻挡或被显 著减弱。
[0043] 针对二维准直器的产品要求，需要由高熔点金属材料为基材来进行制造加工，包 括单一的高熔点金属材料、高熔点金属材料与其他材料的混合材料。其中的高熔点金属材 料可以选择钨、钥、钽、铅或其合金，并且若添加其他粘结剂材料，粘结剂添加的比重也有严 格的限制，例如不能超过体积比50%。之所以选择上述高熔点金属材料为基材，是由于它们 具有较好的光吸收性能，可满足准直器的品质要求。另外，准直器的壁厚通常非常的薄，基 于上述材料及准直器自身的几何设计要求，仅通过传统的激光烧结技术很难实现对准直器 的加工制造。例如，仅通过上述激光烧结步骤（31)至（34)完成的半成品零件1244无法满 足准直器的品质要求。
[0044] 因此，为获得满足品质要求的以高熔点金属材料为基材的成品零件，上述图3及 图5的方法中进一步给出的加热加压步骤（36)及渗透步骤（35)，用来进一步对通过激光烧 结后的半成品零件1244进行后续加工处理，以进一步提高其机械特性，来满足产品的品质 要求。
[0045] 仍然以二维准直器为例加以说明，该二维准直器可通过图3及图5所示的本发明 制造方法进行加工，其中制造二维准直器的高熔点材料包括纯钨粉末或钨镍混合粉末(镍 的体积比小于50%)。其他实施方式中，钨可由其他高熔点金属替代，如钥、钽或其合金，镍可 由其他低熔点粘结剂替代，如钛、铜、铅、铁等。
[0046] 请参考图8,为应用图3方法加工钨镍混合粉末时在不同状态下钨镍粉末颗粒的 状态示意图。在激光烧结步骤后，镍粉末颗粒完全熔化并在粘结状态下至少部分的包裹在 未熔化或部分熔化的钨粉末颗粒周围，但此时镍粉末颗粒在该半成品零件内部的排布可能 不均匀，这是由于激光烧结时激光束本身能量排布不均匀所致，若直接应用该半产品零件 作为准直器，很可能造成光吸收能力的大大降低。另外，此时的半成品零件内部还可能存 在大量的气泡，同样会降低产品品质。经过加热加压处理后（即重新加热到再结晶温度)，最 终完成的成品零件中的镍粉末颗粒的排布已趋于均匀，并且去除了全部或大部分的气泡， 因此，大大提高了产品的品质，从而使最终制造的准直器产品(成品零件）符合了品质要求。 其他实施方式中，该钨镍混合粉末也可为钨粉末颗粒包裹镍敷层的形态或其他钨镍混合形 态。
[0047] 在非限定的实施方式中，通过图3方法所制造的二维准直器的壁厚大致在 0. 1-0. 2毫米之间，所应用的钨镍粉末颗粒的颗粒尺寸大致在5-50微米之间，加热加压处 理过程中的温度控制在1000-1300摄氏度之间，压力控制在100兆帕以上，持续时间大致在 2-4小时。
[0048] 请参考图9,为应用图5方法加工纯钨粉末时在不同状态下纯钨粉末颗粒的状态 示意图。在激光烧结步骤后，由于纯钨粉末颗粒的高熔点特性，其仅仅局部熔化并彼此粘结 在一起形成了一个基本满足几何要求的第一半成品零件，此时该第一半成品的机械强度很 差，并伴有大量的气泡或通孔。经过渗透处理后，如通过铜溶液或镍溶液进行渗透处理，则 其上的气泡及通孔则会被渗透溶液所填充，待冷却后将获得一个机械强度大大提高的第二 半成品零件，该第二半成品零件在经过上述经过加热加压处理后（即重新加热到再结晶温 度)，将进一步提商其机械性能，因此，大大提商了广品的品质，从而使最终制造的准直器广 品(成品零件）符合了品质要求。
[0049] 在非限定的实施方式中，通过图5方法所制造的二维准直器的壁厚大致在 0. 1-0. 2毫米之间，所应用的钨镍粉末颗粒的颗粒尺寸大致在5-50微米之间，加热加压处 理过程中的温度控制在2300-3000摄氏度之间，压力控制在100兆帕以上，持续时间大致在 2-4小时。
[0050] 需要说明的是，上述制造准直器仅仅是为了方便说明本发明制造方法所举的一个 例子，也可制造其他产品，例如制造材料要求为高熔点基材的产品，且该产品至少有一部分 的壁厚要求大致在〇. 1-0.5毫米之间。并且，在应用本发明加工完产品后，还可对其进行其 他的后续处理，例如喷砂、机械打磨、研磨、蚀刻等。
[0051] 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。
【权利要求】
1. 一种用于制造以高熔点金属材料为基材的零件的方法，其特征在于：该方法包括： 提供单一的高熔点金属材料加工粉末； 激光烧结该加工粉末，以获得一第一半成品零件； 对该第一半成品零件进行渗透处理，以获得一第二半成品零件；及 对该第二半成品零件进行加热加压处理，并且控制加热的温度至该第二半成品的再结 晶温度。
2. 如权利要求1所述的方法，其中该渗透处理的步骤包括：将该第一半成品零件放置 于铜或镍的渗透溶液中。
3. 如权利要求1所述的方法，其中该单一的高熔点金属材料加工粉末包括纯钨粉末。
4. 如权利要求3所述的方法，其中该方法制造的零件至少具有部分制造的位置处的壁 厚在0. 1-0. 5毫米之间。
5. 如权利要求4所述的方法，其中该方法制造的零件包括二维准直器。
6. 如权利要求5所述的方法，其中该二维准直器的壁厚在0. 1-0. 2毫米之间。
7. 如权利要求6所述的方法，其中该加热加压处理步骤包括： 提供温度控制至2300-3000摄氏度之间；及 提供压力控制在100兆帕以上。
8. 如权利要求7所述的方法，其中该加热加压处理是通过将该第二半成品零件放置于 一加热加压设备中实现的。
9. 如权利要求8所述的方法，其中该加热加压设备包括炉箱、温度控制器及压力控制 器。
10. 如权利要求1所述的方法，其中该激光烧结步骤包括： 提供一层加工粉末至加工台上； 通过一束激光选择性地激光烧结位于该加工台上的加工粉末； 降低该加工台一预设距离；及 重复上述步骤直至完成该第一半成品零件。
11. 一种用于制造以高熔点金属材料为基材的零件的方法，其特征在于：该方法包括： 提供高熔点金属材料与粘结剂的混合加工粉末，且高熔点金属材料在该混合加工粉末 的体积比大于50v〇l% ; 激光烧结该混合加工粉末，以获得一半成品零件；及 对该半成品零件进行加热加压处理，并且控制加热的温度至该半成品的再结晶温度。
12. 如权利要求11所述的方法，其中该高熔点金属材料与粘结剂的混合加工粉末包括 鹤镍混合粉末。
13. 如权利要求12所述的方法，其中该方法制造的零件至少具有部分制造的位置处的 壁厚在0. 1-0. 5毫米之间。
14. 如权利要求13所述的方法，其中该方法制造的零件包括二维准直器。
15. 如权利要求14所述的方法，其中该二维准直器的壁厚在0. 1-0. 2毫米之间。
16. 如权利要求15所述的方法，其中该加热加压处理步骤包括： 提供温度控制至1000-1300摄氏度之间；及 提供压力控制在100兆帕以上。
17. 如权利要求16所述的方法，其中该加热加压处理是通过将该半成品零件放置于一 加热加压设备中实现的。
18. 如权利要求17所述的方法，其中该加热加压设备包括炉箱、温度控制器及压力控 制器。
19. 如权利要求11所述的方法，其中该激光烧结步骤包括： 提供一层混合加工粉末至加工台上； 通过一束激光选择性地激光烧结位于该加工台上的混合加工粉末； 降低该加工台一预设距离；及 重复上述步骤直至完成该半成品零件。
20. 如权利要求11所述的方法，其中在该加热加压处理步骤之前还包括步骤：对该半 成品零件进行渗透处理。
【文档编号】B22F3/00GK104057083SQ201310092969
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年3月22日 优先权日:2013年3月22日
【发明者】郭锐, 彭志学, 李延民, 谭文, A.伊克勒夫 申请人:通用电气公司