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CN109593984A - 用低熔融温度硼化物化合物生产用于增材制造的改良合金 - Google Patents

用低熔融温度硼化物化合物生产用于增材制造的改良合金 Download PDF

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CN109593984A
CN109593984A CN201811093863.2A CN201811093863A CN109593984A CN 109593984 A CN109593984 A CN 109593984A CN 201811093863 A CN201811093863 A CN 201811093863A CN 109593984 A CN109593984 A CN 109593984A
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CN
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compound
boride
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P·J·博基尼
B·Z·森德罗斯
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Original Assignee
Boeing Co
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Abstract

本发明涉及用低熔融温度硼化物化合物生产用于增材制造的改良合金。该方法包括：提供至少一种基础合金；提供由公式MxBy表示的至少一种硼化物化合物；形成包括所述基础合金和所述至少一种硼化物化合物的熔池；以及固化所述熔池的至少一部分。在所述公式中，M为非硼元素，B为硼，x＝1或2，并且y＝1，2，3，4，5或6。

Description

用低熔融温度硼化物化合物生产用于增材制造的改良合金
技术领域
本公开总体上涉及金属材料，更具体而言，涉及生产性能增强的金属材料如改良合金(包括但不限于金属基复合材料)以及用于生产改良合金的方法。
背景技术
利用增材制造通过层层添加材料来制造三维(3D)零件或产品。增材制造系统利用3D建模(计算机辅助设计或制造)软件、计算机控制增材制造设备以及采取粉末、线材或液体形式的原材料(给料)。增材制造包括各种各样的技术并且结合各种各样的技术，诸如例如激光自由成形制造(LFM)、激光沉积(LD)、直接金属沉积(DMD)、激光金属沉积、激光增材制造、激光工程化净成形(LENS)、立体平板印刷(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)、多喷射成形(MJM)、3D打印、快速原型制造、直接数字制造、分层制造和增材制造。此外，在增材制造中可以使用各种原材料来形成产品。这些材料的示例包括塑料、金属、混凝土和玻璃。
增材制造系统的一个示例是激光增材制造系统。激光增材制造包括在受控大气条件下向高功率激光聚焦光束或多个高功率激光的核心内喷洒或以其它方式喷射粉末或液体，由此形成焊接熔池。所得到的沉积物然后可以用来构建或重做用于各种应用的制品。
诸如金属基复合材料之类的一些改进金属合金材料传统上利用粉末冶金技术进行处理。然而，这些技术需要难以进行并且耗时的挤压和烧结。增材制造是类似于焊接和铸造的依赖于固化动力学的过程，能够比传统冶金技术更容易制造零件，并且不需要挤压和烧结。因而，在使用增材制造生产改良合金诸如金属基复合材料方面进行处理改进将是本领域技术受欢迎的增加。
发明内容
在一个示例中，提供了一种用于形成改良合金的方法，该方法包括：提供至少一种基础合金；提供由公式MxBy表示的至少一种硼化物化合物；形成包括所述基础合金和所述至少一种硼化物化合物的熔池；以及固化所述熔池的至少一部分。在所述公式MxBy中，M为非硼元素，B为硼，x＝1或2，并且y＝1，2，3，4，5或6。
在另一个示例中，提供了一种包括改良合金的制品，其中所述改良合金根据用于制作改良合金的方法形成，该方法包括：提供基础合金；提供由公式MxBy表示的至少一种硼化物化合物；形成包括所述基础合金和所述至少一种硼化物化合物的熔池；以及固化所述熔池的至少一部分。在所述公式MxBy中，M为非硼元素，B为硼，x＝1或2，并且y＝1，2，3，4，5或6。
在又一个示例中，提供了一种用于在增材制造中使用的粉末，该粉末包括：基础合金颗粒；和最多大约20％重量计的硼化物化合物颗粒，其中所述硼化物化合物由公式MxBy，其中M为非硼元素，B为硼，x＝1或2，并且y＝1，2，3，4，5或6。
这些示例的优点将部分地在如下描述中进行阐述，并且将部分从该描述而理解，或者可以通过这些示例的实践而获知。这些优点将通过本文所述的元件和组合实现和获得。
要理解，上述总体描述和如下具体描述都是示例性和说明性的，并且如要求保护的那样并不限于这些示例。
附图说明
结合在该说明书中并且构成该说明书的一部分的附图例示了本发明的教导的示例并且用来与该描述一起说明本公开的原理。
图1A是根据一个示例的方法的流程图表示，其中向用于形成改良合金如金属基复合材料的增材制造系统提供作为分开给料的至少一种硼化物化合物和至少一种基础合金。
图1B是根据一个示例的方法的流程图表示，其中分开地提供至少一种硼化物化合物和至少一种基础合金并且混合在一起以形成混合粉末给料，该混合粉末给料可以提供给用于形成改良合金诸如金属基复合材料的增材制造系统。
图1C是根据一个示例的方法的流程图表示，其中提供例如根据图1A或1B中描绘的方法形成的改良合金之类的改良合金作为用于增材制造系统的给料。
图2是可以用来执行由图1A至图1C的流程图表示描述的方法的增材制造系统的示意性表示。
图3A是根据一个示例的飞行器生产和保养方法的流程图。
图3B是根据一个示例的飞行器的框图。
图3C是包括一种结构的飞行器的示意图示，该结构可以通过增材制造方法或者用包括通过这里描述的增材制造形成的改良合金(例如，金属基复合材料)的材料形成、组装或接合。
具体实施方式
现在向详细参照当前示例，在附图中示出了这些示例的示例。在可能的情况下，将在所有附图中使用相同的附图标记指代相同或类似部分。
尽管阐述这些示例的宽广范围的数值范围和参数是近似值，但是尽可能精确地报告在具体示例中阐述的数字值。然而，任何数字值固有地包含必然由在它们相应的测试测量中发现的标准偏差而产生的特定误差。此外，这里描述的所有范围都要理解为包括在其中包含的任何和所有子范围。例如，“小于10”的范围可以包括在最小值零(包含零)和最大值10(包含10)之间的任何和所有子范围，也就是说，具有等于或大于零的最小值和等于或小于10的最大值的任何和所有子范围，例如1到5。在某些情况下，针对某一参数阐述的数字值可以采取负值。在这种情况下，阐述为“小于10”的示例范围值可以采取负值，例如，-1、-2、-3、-10、-20、-30等等。
参照附图描述的如下示例仅仅用于例示性目的。本领域技术人员将认识到，如下描述在本质上是示例性的，并且在不脱离本发明示例的范围的情况下可以对这里阐述的参数进行各种修改。意图是将该说明书和视图仅仅看做是示例性的。各种示例未必相互排斥，因为一些示例与一个或多个其它示例组合而形成新的示例。将理解，附图中所描述的结构可以包括为了简单起见而没有描绘的附加特征，而所描绘的特征可以被移除或修改。
在不限于任何具体示例的同时，如这里描述的改良合金包括那些其中例如通过增材制造过程将至少一种基础金属合金与至少一种硼化物化合物组合的改良合金，从而将硼结合到该基础金属中。在一个示例中，这种改良合金可以通过增材制造过程形成，在该增材制造过程中，在熔池中组合至少一种基础金属合金和至少一种硼化物化合物。根据这里描述的方法形成的改良合金的示例包括但不限于金属基体化合物、晶粒细化合金、溶液硬化合金以及在基础合金中结合有硼以改良基础合金的微结构的其它合金。因而，尽管这里提供的一些示例描述了制造作为改良合金的金属基复合材料并且/或者描述了使用金属基复合材料作为原材料例如通过增材制造来形成包含改良合金的制品，但是其它示例无需如此限制，并且可以应用这里描述的方法来例如通过增材制造形成其它改良合金和/或使用其它改良合金例如作为增材制造方法中的原材料供料。
金属基复合材料由于高强度、刚度和热性以及具有良好的抗疲劳和耐磨损特性而引起人们注意。一些金属基复合材料可以用来形成可以结合在大型结构诸如路基车辆、飞行器、宇宙飞船或水上车辆中的结构部件。如上所述，许多传统的粉末冶金制造方法效率低下并且耗费时间。因此，不需要像烧结和挤压之类的附加处理步骤的增材制造是利用基础合金和含金属化合物作为原材料(特别是它们采取粉末形式)形成金属基体化合物的有吸引力的选择。然而，在形成改良合金如金属基体化合物中作为原材料使用的基础合金材料和合金化合物的某些组合由于物理特性差异诸如它们各自熔融温度的显著差异、诸如每个组成元素的各自熔融温度的差异而不适合于一起在增材制造过程中使用。
例如，Ti-TiB金属基复合材料传统上可能通过粉末冶金制造来形成，包括混合并且随后烧结以使钛基合金(诸如Ti-6Al-4V粉末)与含硼化物化合物(诸如硼粉末或者TiB2粉末，TiB2粉末是比较便宜的一种硼化物化合物)反应，或者通过烧结预制合金粉末。然而，具体钛基合金和一些含硼材料之间的较大熔融温度差(例如，钛基合金具有比TiB2低得多的熔融温度)使得难以在增材制造中直接使用一些含硼材料。难点部分在于设置最佳熔融参数，这些熔融参数如果不适当地选择则会导致制造过程中含硼材料不完全熔化。因此，目前的技术无法合适地制造某些改良合金如金属基复合材料，因此功能梯度材料的使用受到限制。
如这里描述的，选择合适的金属衍生物，例如熔融温度接近基础合金的熔融温度的硼化物化合物允许改良金属引入到基础合金以及通过增材制造形成改良合金(例如，金属基复合材料)。因而，使用具有类似熔融温度或在可接收范围内的熔融温度的选定硼化物化合物与选定基础合金允许以适合于在增材制造过程中使用的方式引入硼，例如，如在包括飞行器的有人机或无人机的制造和保养方法中使用的。
总体来说，本公开的各个方法包括通过增材制造生产改良合金诸如金属基复合材料以及使用改良合金诸如金属基复合材料作为用于增材制造系统的给料。因而，金属改良合金诸如基体复合物可以根据这里描述的各种实现方案形成。例如，这里描述的是用包括至少一种硼化物化合物和至少一种基础合金的给料通过增材制造来生产改良合金诸如金属基复合材料的方法。
在一实现方案中，可以在增材制造过程期间在现场进行改良合金如金属基复合材料的制造。形成包括给料原材料(例如，至少一种基础合金和至少一种硼化物化合物)的熔池，并且在同时地以例如预定图案沉积该熔池的至少一部分。所选的原材料包括落入可接收范围内的熔点温度，从而它们都熔融而形成所述熔池。例如，诸如金属基复合材料之类的改良合金可以通过由增材制造系统诸如图2的增材制造系统200执行的方法形成。作为原材料，选择至少一种硼化物化合物和至少一种基础合金。所述至少一种硼化物化合物包括在所述至少一种基础合金的熔融温度的大约+/-900℃的范围内的熔融温度，例如，在至少一种基础合金的大约+/-600℃的熔融温度的范围内，包括在至少一种基础合金的大约+/-300℃的熔融温度的范围内。当熔池固化时，则形成诸如金属基复合材料之类的改良合金。无论是单独与基础合金相比还是单独与硼化物化合物相比，所得到的改良合金都可以具有不同的物理和/或化学特性。根据这里描述的方法形成的改良合金本身可以用作在同一或不同增材制造系统中的原材料给料。例如，可以将诸如金属基复合材料之类的改良合金形成为锭块，可以该锭块处理成可用于增材制造的形式(例如，可以将其气体雾化以形成改良合金粉末)。通过增材制造可以形成制品或者包含该改良合金的表面之间的焊接类接头。例如，可以形成包括功能梯度材料(由改良合金构成)(即，该改良合金可以包括功能梯度改良合金诸如功能梯度金属基复合材料)的制品。这种制品可以用作航空器、陆上车辆、海上载具或空间飞船等的部件。
在图1A的流程图100中描绘了原地制造改良合金诸如金属基复合材料的方法的实现。如流程图100中所示，该方法可以包括：在101提供至少一种基础合金；在103提供至少一种硼化物化合物；在105形成包括所述至少基础合金和所述至少一种硼化物化合物的熔池；在107例如以预定图案沉积所述熔池的至少一部分；在109使所述熔池固化。这里，在103提供的至少一种硼化物化合物和在101提供的至少一种基础合金可以分开地引入至用于处理的增材制造系统，诸如图2的增材制造系统200。所述至少一种硼化物化合物、所述至少一种基础合金或二者可以以粉末、丝线或液体的形式作为单独给料提供。
增材制造系统200可以被构造成例如以至少一个预设比例组合所述至少一种硼化物化合物和至少一种基础合金，所述至少一个预设比例在所述改良合金的制造过程中可以保持静止不变或可以变化。也就是说，在改良合金的形成过程中该预设比例不需要保持静止不变，并且可以使用多个预设比例。例如，相对于所述至少一种合金的量，所述至少一种硼化物化合物的量(例如，按照重量％)在改良合金的增材制造过程中可以保持相同或者可以变化。通过将所提供的至少一种硼化物化合物的量与所提供的至少一种基础合金的量的比例保持静止不变，能够形成各处都包含基本均匀量的硼的改良合金诸如金属基复合材料。通过改变所提供的至少一种硼化物化合物的量和所提供的至少一种基础合金的量的比例，能够形成各处包括至少一部分具有不均匀的硼量的改良合金诸如金属基复合材料。因而，在一个实现中，通过相对于所提供的基础合金量改变所提供的硼量，能够形成各处包括不同硼量的功能分级制品。换言之，因为所提供的硼化物化合物的量相对于所提供的基础合金的量发生改变，熔池中的硼与基础合金的相对量将改变，并且熔池的沉积部分中的硼的量也将改变。
在一个实现中，将硼化物化合物和基础合金作为单独粉末给料提供，所述粉末给料由增材制造系统组合而形成混合给料，该混合给料包括小于或等于大约20％的硼化物化合物(按照重量计算)。该增材制造系统将硼化物化合物和基础合金熔化并且形成包含硼化物化合物和基础合金的熔池。作为增材制造过程102的一部分，增材制造系统以预定图案沉积熔池的至少一部分。
例如，该增材制造系统可以将组合的硼化物化合物和基础合金给料暴露于能量源。在105，由该能量源提供的能量致使基础合金和硼化物化合物熔化而形成包括至少硼化物化合物和至少一种基础合金的改良合金熔池。在105，与基础合金组合的硼化物化合物中的至少一些可以溶解在熔池中。例如，尽管不限于任何具体理论，在一些情况下，根据基础合金的基础金属，可以从硼化物化合物提供的硼作为固溶体溶解在基体中(导致所得到的改良合金的延展性增加)。然后可以在107例如通过增材制造以预定图案沉积该熔池。在一个示例中，增材制造系统以预定图案逐层地沉积该熔池以在表面之间形成三维(3D)制品以形成焊接类接头，或者形成为锭块，不过这样的形状、形式和使用不受限制。在位于熔池中的同时，所述至少一种硼化物化合物和所述至少一种基础合金彼此反应。虽然不限于任何具体理论，据认为，根据硼化物化合物和基础合金的基础金属，硼将溶解并且沉淀在晶粒边界处以增强所形成的改良合金中的所得到的晶粒边界。例如，随着沉积的熔池冷却，来自于至少一种硼化物化合物的硼中的至少一些可以在改良合金固化时例如在晶粒边界内或横跨晶粒边界从溶体沉积出。这样，形成在晶粒边界内或横跨晶粒边界形成的硼能够表现为晶粒边界钉点而得到更精细的微结构和/或表现为对改良合金中的基础金属合金的机械增强。
尽管流程图100的方法示出了至少一种硼化物化合物和至少一个基础合金例如作为单独给料分开地提供给增材制造系统，但是其它实现不受限制。因而，可以作为预混合给料将硼化物化合物和金属合金提供给增材制造系统。
例如，图1B的流程图110中描绘的用于原地制造改良合金诸如金属基复合材料的方法包括：在101提供至少一种基础合金；在103提供至少一种硼化物化合物；在111处提供混合给料；在105形成包括至少一种基础合金和至少一种硼化物化合物的熔池；在107例如以预定图案沉积熔池的至少一部分；在109固化熔池。这里，所述混合给料可以通过组合在101提供的至少一种基础合金和在103提供的至少一种硼化物化合物而形成。
所述至少一种硼化物化合物、所述至少一种基础合金或这二者可以以粉末、丝线或液体的形式提供。在101提供的至少一种基础合金和在103提供的至少一种硼化物化合物的组合可以包括物理混合这些粉末、形成包括基础合金和硼化物化合物的预制合金粉末、或者简单地提供包括基础合金和硼化物化合物的预制合金粉末。
在一个示例中，所述至少一种硼化物化合物作为粉末提供并且可以与也是作为粉末提供的至少一种基础合金组合，以形成混合粉末给料(即，粉末混合物)。在一个示例中，所述至少一种硼化物化合物作为粉末提供并且可以与包括所述至少一种基础合金的锭块组合。采取粉末形式的至少一种硼化物化合物和采取锭块形式的至少一种基础合金可以一起进行例如研磨以形成混合粉末给料。可以将该预混合给料引入增材制造系统进行处理。
在一个实现中，可作为单独粉末给料获得硼复合物和基础合金，在被引入增材制造系统之前将该单独粉末给料组合成混合粉末给料。因此，该混合给料可以包括用于在增材制造中使用的粉末，该粉末包含基础合金颗粒和高达大约20％重量的硼化物化合物颗粒，其中所述硼化物化合物颗粒的硼化物化合物由公式I表示：
MxBy (I)，
其中M为非硼元素，诸如Al、Co、Cr、Fe、La、Mo、Nb、Ni或W，其中B为硼，其中x＝1或2，并且其中y＝1、2、3、4、5或6。例如，硼化物化合物颗粒的硼化物化合物可以包括Fe2B、AlB2、CrB2及其混合物中的一种或多种，并且/或者基础合金的颗粒基础合金可以包括铝基合金、铁基合金、镍基合金、钴基合金、钛基合金或它们的组合中的一个或多个。在一个实现中，硼化物化合物颗粒的硼化物化合物可以包括在基础合金颗粒的基础合金的熔融温度的大约900℃的范围内的熔融温度，例如，硼化物化合物可以包括低于TiB2的熔融温度的熔融温度。
作为如上所述的增材制造过程102的一部分，可以将在增材制造中使用的粉末(例如，混合粉末给料)熔化以形成熔池，并且该熔池的至少一部分可以同时以预定图案沉积，之后形成改良合金。也就是说，可以通过如上所述的增材制造过程102在原地形成改良合金。
如上所中，基础合金和含金属化合物的许多组合由于它们的熔融温度差异等原因而不能一起在增材制造中使用。因此，这里描述的方法可以用来通过增材制造用至少一种硼化物化合物和至少一种基础合金来制造诸如金属基复合材料之类的改良合金。
例如，用至少一种硼化物化合物和至少一种基础合金作为给料通过增材制造制成的改良合金本身可以作为给料来通过增材制造形成3D制品或表面之间的焊接类接头。在一个实现中，根据分别在图1A和图1B的流程图100和110中描绘的方法形成改良合金本身可以用作用于增材制造过程的改良合金给料。在使用改良合金作为给料的增材制造方法中，如图1C的流程图120中所示，在111’提供至少一种改良合金，其中所述至少一种改良合金用至少一种基础合金和至少一种硼化物化合物通过增材制造制成。该方法继之以可选地在113’形成改良合金给料、在105’形成包括至少一种改良合金的熔池、在107’例如以预定图案沉积该熔池的至少一部分以及在109’固化该熔池。
在一个实现中，作为材料锭块即改良合金锭块提供在111’提供的改良合金。该改良合金锭块可以在适当的系统中在104经受可选处理以在被引入增材制造系统之前在113’形成改良合金给料。例如，包括在111’提供的改良合金的锭块可以通过气体雾化而处理成粉末形式。然而，增材制造系统可以要求将给料处理成适合于所选增材制造系统需要的另一种形式。
类似于分别在图1A和图1B的流程图100和110中描绘的方法，执行在流程图120中描绘的方法的增材制造系统在105’将给料材料(这里为改良合金)暴露于能量源，该能量源将所述给料(改良合金)熔化而形成包括改良合金的熔池。然后在107’通过增材制造过程102’将该熔池以预定图案沉积。随着沉积熔池冷却，在109’，该熔池再次固化成第二改良合金。在109’形成的第二固化合金可以具有与在111’作为给料提供的改良合金相同的微结构。在一个示例中，在107’沉积的改良合金可以固化成具有与在111’作为给料提供的改良合金不同的微结构的第二改良合金，但是该第二改良合金可以进行后过程热处理，以便进一步改良所述改良合金，以具有与给料改良合金基本类似的微结构。在一个实现中，在107’形成的沉积熔池被暴露以像第二改良合金那样固化的冷却速率可以与在111’提供的改良合金被固化时的冷却速率相同或不同(当它用至少一种基础合金和至少一种硼化物化合物通过增材制造形成时)。在一个示例中，可以向改良合金给料添加额外量的至少一种硼化物化合物和/或至少一种基础合金。例如，可以将改良合金给料处理成粉末，并且将诸如采取粉末形式的额外基础合金和/或硼化物化合物添加至所述粉末。
增材制造可以通过粉末床、粉末供送、丝线供送和粘结剂喷射系统进行。增材制造方法可以包括激光自由成形制造(LFM)、定向能量沉积、激光熔敷、激光沉积(LD)、直接金属沉积(DMD)、激光金属沉积(LMD(包括激光蓉蓉沉积粉末(LMD-p)和激光熔融沉积丝线(LMD-w))、激光增材制造、激光工程化净成形(LENS)、立体平板印刷(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔融(SLM)、熔融沉积成型(FDM)、电子束熔融(EBM)、激光粉末床熔融(L-PBF)以及粘结剂喷射打印。
现在转动图2，示例性地提供了增材制造系统200的例示性的非排它示例，其中系统200可选地被构造成执行和/或便于进行根据本公开的流程图100、110、120的方法。系统200总体上包括具有沉积装置210的增材制造机器。沉积装置201可选地包括给料源203(例如，诸如粉末供送或丝线供送系统)。给料源203向沉积装置的增材制造头提供原材料(例如，至少一种基础合金和至少一种硼化物化合物)。例如，从设置在增材制造头中的一个或多个材料输出端喷射材料。所述一个或多个材料输出端可以包括各种构造，诸如例如孔口、喷嘴等等。所述制造头的一个或多个材料输出端可以由与一个或多个激光输出端的核心或会聚点对准的孔口构成。因而，在一个实现中，所述至少一种硼化物化合物和/或至少一个基础合金可以提供给粉末供送系统。基座托盘209可以可选地承载给料源203(例如，诸如用于粉末床系统)。因而，在一个实现中，至少一种硼化物化合物和/或至少一个基础合金可以提供给粉末床系统。
在一个实现中，根据这里描述的方法形成熔池包括将基础合金和的至少一部分和硼化物化合物的至少一部分暴露于聚焦能量束。聚焦能量的示例包括电子束、激光束和热辐射。例如，激光源产生激光束并将其传输至增材制造头的一个或多个激光输出端以进行发射。从一个或多个激光输出端发出的激光束被集中于核心或会聚点上。因而，沉积装置201可以包括用于向由材料源提供的给料发射的能量源(未示出)。沉积装置201从能量源提供聚焦能量束以利用由给料源203、203’提供的给料形成熔池。原材料从以上描述的一个或多个材料输出端释放并且进入一个或多个激光输出端的核心或会聚点，在此将所提供的材料/给料的至少一部分熔化而形成熔池。
所述熔池的至少一部分被逐层地沉积。也就是说，沉积层205形成在基座托盘209上。沉积层205以预定图案沉积并且以处理中制品207的形式冷却为改良合金。换言之，当增材制造头相对于正被形成的产品前进时，则一旦熔池的熔化材料脱离熔池，例如当被沉积在基板上或者沉积在之前沉积的熔池材料的层上时，该材料就开始冷却而硬化(即固化)。
为了帮助在基座托盘209上形成层205，沉积装置201可以沿着横向台211平移，并且基座托盘209可以沿着轴向或竖直台213平移。系统200可选地包括将沉积装置210、基座托盘209和所形成的层205包围的制造腔室215。
沉积装置210可以被构造成从基座托盘209和过程中制品207移开，从而留出用于非接触的通畅路径。另外或另选地，沉积装置201可以给过程中制品207的一部分提供通畅路径，并且可以相对于过程中制品207移动以将过程中制品207的所有部分顺序地暴露出。整个增材制造系统200由控制器217控制，该控制器217可选地为计算机219。控制器217协调沉积装置201的操作，并且能够被编程而执行由之前描述的流程图100、110、120所示的任一个制造方法。
可利用或修改增材制造装置来在与沉积装置相同的腔室中完成改良合金的形成。改良合金的形成可以在向基础合金基体的熔池添加硼化物化合物的同时发生。一些增材制造过程涉及将给料熔化以向熔池添加更多材料。熔化可以是包括暴露于电子束、等离子体、电弧、激光能量、接触火焰等等。因为所得到的改良合金可以在原地形成，增材制造允许根据需要快速制造改良合金。
所述至少一个基础合金可以不同。例如，基础合金的组成可以包括微晶元素和/或预制合金和/或部分合金粉末的混合物。
基础合金的示例包括金属/金属合金，诸如铝基合金、铁基合金、镍基合金、钴基合金、钛基合金和任何其它合金或它们的组合。钛合金粉末的示例包括但不限于被称为Ai-6Al-4V的钛粉末，该钛粉末包含约90％的钛，与约6％的铝和约4％的钒组成合金。在选择钛合金作为基础合金的情况下，所得到的改良合金包括金属基复合材料，该金属基复合材料包括Ti-TiB金属基复合材料。
基础合金可以以丝线、粉末或者液体或者它们的组合的形式提供。基础合金丝线可以以任何尺寸或尺寸的组合提供，而没有任何限制。在一个示例中，基础合金丝线能够以最大1/8英寸尺寸提供。粉末可以包括基础合金颗粒。基础合金颗粒可以以任何尺寸或尺寸的组合提供，而没有任何限制。例如，原始基础合金可以采取粉末形式，该粉末形式包括尺寸从大约10微米大大约250微米的颗粒，诸如从大约45微米到大约105微米的颗粒，包括从大约10微米到大约45微米的颗粒。以该尺寸范围提供的基础合金颗粒提供了更好的流行性，并且更容易熔化，从而得到更均匀分布的粉末和更均匀分布的改良合金化学性质。尽管诸如激光束或电子束系统之类的许多处理系统都被构造成将颗粒尺寸在大约10微米到大约250微米范围内的粉末熔化，但是可以利用其它尺寸。例如，原始基础合金颗粒可以以小于大约10微米和大于大约250微米的尺寸提供。然而，使用大于大约250微米的颗粒尺寸导致熔化不足，而使用小于大约10微米的颗粒尺寸会导致难以扩散和形成粉末云，这种粉末云会导致缺陷和可燃性问题。因而，本领域技术人员将认识到，使用颗粒尺寸小于大约10微米或大于大约250微米的基础合金尽管可能，但是会需要额外考虑，以根据这里描述的方法进行适当处理。基础合金颗粒可以以任何形状或形状的组合来提供，而没有任何限制。例如，原始基础合金颗粒可以为粉末形式，该粉末形式包括球形、海绵状、片状等颗粒。
如上所述，传统的粉末冶金过程在形成钛基金属基复合材料时使用TiB2作为硼化物化合物。许多硼化物化合物都以比TiB2低得多的熔融温度存在，并且没有硼粉末昂贵。以形成包括熔融基础合金和熔融硼化物化合物的熔池为目标，根据这里描述的方法例如通过增材制造形成诸如金属基复合材料的改良合金的方法中使用熔点温度在基础合金的大约0℃到大约900℃的熔点温度范围内的硼化物化合物。在一个示例中，至少一种硼化物化合物具有低于TiB2的熔融温度的熔点温度。在不限于任何具体理论的同时，认为具有类似于Ti的熔点温度的低熔点硼化物化合物在通过增材制造形成的合成Ti金属基复合材料中提供较高的硼浓度，使用TiB2作为含有金属的化合物的传统方法导致未熔化的TiB2沉积物，因此在所得到的Ti金属基体中硼的浓度较低。
至少一种硼化物化合物的类型和化学性质可以改变。例如，所述至少一种硼化物化合物的组成可以包括变成通过基础合金的热处理(例如，如上所述关于根据各种方式形成的熔池)而形成的固溶体的一部分的任何一种或多种硼化物化合物。所述至少一种硼化物化合物可以由公式I表示：
MxBy (I)
其中M为非硼元素，其中B为硼，其中x＝1或2，并且其中y＝1或2。例如，M可以包括Al、Co、Cr、Fe、La、Mo、Nb、Ni或W。硼化物化合物的示例包括Fe2B、AlB2和CrB2。在如这里描述的用于形成金属基复合材料的增材制造过程的情况下，选择钛合金作为基础合金，所述至少一个硼化物化合物由如以上公式(I)MxBy表示，在熔池形成过程中硼化物化合物将发生反应。公式(I)的M将变成合金的一部分，而公式(I)的B将发生反应而形成Ti-B，从而得到Ti-TiB金属基复合材料。因而，在一个实现方案中，至少一种硼化物化合物可以包括与基础合金的元素相同的合金元素(例如，来自于公式I的M)。例如，在基础合金包括钛合金Ti-6Al-4V并且硼化物化合物包括AlB2的情况下，硼化物化合物包括与基础合金中的元素Al相同的合金元素Al。
在通过增材制造的改良合金的示例中，诸如如这里描述的由基础合金和硼化物化合物形成的金属基复合材料中，硼化物化合物包括Fe2B。在不要受到任何理论限制的同时，认为在通过增材制造生产改良合金中使用Fe2B作为硼化物化合物与未改良基础合金相比而促进了改良的机加工性。
在一个示例中，硼化物化合物包括AlB2。可以使用AlB2是因为它具有与一些钛合金(例如Ti-6Al-4V)几乎完全相同的熔融温度。另外，Al具有比Ti和V低得多的熔点，其在增材制造过程中Al通常从熔池蒸发。尽管不是为了受任何理论限制，但是认为在通过增材制造生产改良合金(诸如由基础合金和硼化物化合物形成的金属基复合材料)时使用AlB2补偿了在增材制造过程期间损失的Al。
在一个示例中，硼化物化合物包括CrB2。尽管不是为了受任何理论限制，但是认为在通过增材制造生成改良合金(例如由基础合金和硼化物化合物通过增材制造形成的金属基复合材料)时使用CrB2促进了金属基复合材料的改良的机械特性。例如，Cr提高了铁基合金的耐腐蚀性，并且降低钛基合金中的氧扩散速率，由此增加可以在各种应用中使用合金的温度范围。在一个示例中，当由基础合金和包括CrB2的硼化物化合物通过增材制造形成改良合金时，将硼化物化合物的浓度限制在大约5％重量以下防止或最小化金属间化合物沉淀，金属间化合物沉淀否则会降低改良合金的韧性。
在以上描述的示例中，以如以上方法中那样形成熔池的硼化物化合物和基础合金的组合提供量(例如，在原始混合粉末供送时)的重量计算，硼化物化合物可以以最大大约20％的量提供，例如以大约5％到大约15％的量提供，包括以大约10％到大约12％的量提供。尽管不一定受到任何具体量的限制，以形成熔池的硼化物化合物和基础合金的组合提供量的重量计算，以最大大约20％的量提供硼化物化合物给所得到的改良合金提供了有益的强化作用，而不会显著稀释由基础合金构成的块体合金化学性质。同时，尽管不是为了受任何具体理论限制，认为以形成熔池的硼化物化合物和基础合金的组合提供量的重量计算以大于大约20％的量提供硼化物化合物能够导致基础合金过多稀释并且在改良合金中形成不需要的相。
在一个实现中，根据形成金属基复合材料的增材制造系统，可以以粉末形式、丝线形式或这两种形式提供至少一种硼化物化合物。硼化物化合物丝线可以以任何尺寸或尺寸的组合提供，而没有任何限制。在一个示例中，硼化物化合物丝线可以最大1/8英寸的尺寸提供。粉末可以包括硼化物化合物颗粒。硼化物化合物可视可以以任何尺寸或尺寸的组合提供，而没有任何限制。例如，原料硼化物化合物可以采取粉末形式，该粉末形式包括尺寸为大约10微米到大约250微米的颗粒，诸如尺寸为大约45微米到大约105微米的颗粒，包括尺寸从大约10微米到大约45微米的颗粒。以该尺寸范围提供的硼化物化合物颗粒提供了更好的流动性并且更容易熔化，从而使得粉末更均匀分布，并且使得改良合金化学性质更均匀分布。因而，尽管诸如激光束或电子束系统之类的许多处理系统都被构造成熔化颗粒尺寸在大约10微米到大约250微米的范围内的粉末，但是可以使用其它尺寸。例如，原料硼化物化合物颗粒可以以小于大约10微米或大于大约250微米的尺寸提供。然而，使用大于大约250微米的颗粒尺寸导致熔化不足，而使用小于大约10微米的颗粒尺寸会导致扩散困难并形成粉末云，粉末云会导致缺陷和可燃性问题。因而，本领域技术人员将认识到，尽管可以使用尺寸小于大约10微米或大于大约250微米的硼化物化合物，但是需要额外的考虑以根据这里描述的方法进行适当处理。硼化物化合物可以以任何形状或形状的组合提供，而没有任何限制。例如，硼化物化合物颗粒可以采取包括球形、海绵状、片状等颗粒的粉末形式。
可以在如图3A中所示的飞行器制造和保养方法300以及如图3B所示的飞行器302的背景下描述本公开的示例。转到图3A，在预生产过程中，示例性方法300可以包括飞行器302的规范和设计304以及材料采购306。在生产过程中，进行飞行器302的部件和子组件制造308和系统集成310。之后，飞行器302进行认证和交付312以便置于服役314。在消费者处服役的同时，飞行器302可以进行日常维护及检修316(这可能还包括修改、重构、翻新等等)。
方法300的每个过程都可以由系统集成商、第三方和/或运营商(例如，消费者)进行或执行。为了该描述之目的，系统集成商可以不受限制地包括任何数量的飞行器制造商和主系统分包商；第三方可以不受限制地包括任何数量的买方、分包商和供应商；而运营商可以包括航空公司、租赁公司、军事实体、保养组织等等。
如图3B中所示，可以根据示例性方法300进行制造和保养的飞行器302可以包括具有多个系统320和内饰322的机身318。系统320中的高等级系统的示例包括推进系统324、电气系统326、液压系统328和环境系统330中的一个或多个。可以包括任何数量的其它系统。尽管示出了航空示例，但是本发明的原理可以应用于其它行业，例如汽车行业。
图3C是包括根据本公开的另一个示例的一个或多个金属基体复合结构的飞行器302的侧视图。本领域技术人员将认识到，金属基复合材料可以在各种各样部件中采用，包括飞行器320的机身、机翼、尾翼、主体和壁。在另选实例中，金属基复合材料可以在其它类型的结构、车辆和平台(诸如机动车辆、飞行器、海上船舶或航天器或其它合适应用)上使用。
在该示例中，飞行器320包括机身301，机身301包括机翼组件303、尾翼组件305和起落组件307。飞行器302进一步包括使飞行器392能够正常操作的一个或多个推进单元309、控制系统311(不可见)和其它系统和子系统的主机，诸如以上描述为高等级系统的那些系统。一般来说，飞行器302的各种部件和子系统可以是已知结构，因此为了简洁起见，这里将不再详细描述。
尽管图3C中所示的飞行器302总体上代表商业乘用飞行器，例如包括可从伊利诺伊州芝加哥市的波音公司商业获得的737、747、757、767、777和787型客机，但是这里公开的本发明金属基复合材料和方法也可以在几乎任何其他类型的飞行器的组装中使用。更具体地说，本公开的教导可以应用于其它乘用飞行器、战斗机、货运飞行器、旋翼飞行器和任何其他类型的有人机或无人机的制造和组装。
可以在方法300的一个或更多个阶段期间采用这里描述的金属基复合材料和通过增材制造形成金属基复合材料的方法。例如，与部件和子组件制造308对应的部件或子组件可以在飞行器302处于服役314中的同时以类似于所生产的部件或子组件的方式生产或制造。此外，可以生产阶段期间(例如，在部件和子组件制造308和系统集成310期间)利用金属基复合材料和通过增材制造形成金属基复合材料的方法的一个或多个示例或者它们的组合，例如通过基本加速飞行器302的组装或降低飞行器302的成本。类似地，例如并且没有任何限制地，在飞行器320处于服役314的同时和/或在维护及检修316期间，可以利用金属基复合材料和通过增材制造形成金属基复合材料的方法的一个或多个示例。
另外，本公开包括根据如下条款的示例：
条款1：一种用于形成改良合金的方法，该方法包括：提供至少一种基础合金；
提供至少一种硼化物化合物，所述至少一种硼化物由公式I表示：
MxBy (I)，
其中M为非硼元素，
其中B为硼，
其中x＝1或2；并且
其中y＝1，2，3，4，5或6；以及
形成包括所述基础合金和所述至少一种硼化物化合物的熔池；以及
固化所述熔池的至少一部分。
条款2.根据条款1所述的方法，其中，以粉末形式提供所述至少一种基础合金。
条款3.根据条款1所述的方法，其中，以粉末形式提供所述至少一种硼化物化合物。
条款4.根据条款1所述的方法，其中，所述至少一种硼化物化合物包括在所述至少一种基础合金的大约900℃的熔融温度范围内的熔融温度。
条款5.根据条款1所述的方法，其中，所述至少一种硼化物化合物包括低于TiB2的熔融温度的熔融温度。
条款6.根据条款1所述的方法，其中，M包括Al、Co、Cr、Fe、La、Mo、Nb或W。
条款7.根据条款1所述的方法，其中，所述至少一种硼化物化合物包括Fe2B、AlB2、CrB2或它们的混合物中的一种或多个。
条款8.根据条款1所述的方法，其中，所述至少一种基础合金包括铝基合金、铁基合金、镍基合金、钴基合金、钛基合金或它们的组合。
条款9.根据条款1所述的方法，其中，所述改良合金包括Ti-TiB金属基复合材料。
条款10.根据条款1所述的方法，该方法进一步包括在所述熔池形成之前将所述基础合金和所述至少一种硼化物化合物组合。
条款11.根据条款1所述的方法，该方法进一步包括以预定图案沉积所述熔池的至少一部分。
条款12.根据条款1所述的方法，其中，将所述至少一种硼化物化合物和所述至少一种基础合金提供给粉末供送系统。
条款13.根据条款1所述的方法，其中，所述改良合金包括功能梯度金属基复合材料。
条款14.根据条款1所述的方法，其中，提供所述至少一种基础合金和提供所述至少一种硼化物化合物包括提供包括所述基础合金和所述至少一种硼化物化合物的粉末混合物，并且其中形成所述熔池包括激光烧结所述粉末混合物。
条款15.一种包括改良合金的制品，其中，所述改良合金根据条款1所述的方法形成。
条款16.一种用于在增材制造中使用的粉末，该粉末包括：基础合金颗粒；和最多大约20％重量的硼化物化合物颗粒，其中所述硼化物化合物由公式I表示：
MxBy (I)，
其中M为非硼元素，
其中B为硼，
其中x＝1或2；并且
其中y＝1，2，3，4，5或6。
条款17.根据条款16所述的粉末，其中，所述硼化物化合物颗粒包括Fe2B、AlB2、CrB2或它们的混合物中的一种或多个。
条款18.根据条款16所述的粉末，其中，所述硼化物化合物颗粒包括在所述至少一种基础合金的大约900℃的熔融温度范围内的熔融温度。
条款19.根据条款16所述的粉末，其中，M包括Al、Co、Cr、Fe、La、Mo、Nb或W。
条款20.根据条款16所述的粉末，其中，所述至少化合物颗粒包括低于TiB2的熔融温度的熔融温度。
尽管已经针对一个或多个实现例示了一些示例，但是在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下可以对例示的示例进行改变和/或修改。另外，尽管可能针对若干实现中的仅仅一个实现公开这些示例的某一具体特征，但是当对于任何给定或具体功能来说可能是期望并且有利时，可以将该特征与其它实现的一个或多个其它特征组合。例如，将认识到，尽管将过程描述了一系列动作或事件，但是本公开不受这些动作或事件的顺序的限制。一些动作可以以不同顺序发生和/或与这里描述的那些动作之外的其它动作或事件共同地发生。而且，实现根据本教导的一个或多个方面的方法可能并不需要所有过程阶段。将认识到，可以添加结构部件和/或处理阶段，或者可以移除或修改现有的结构部件和/或处理阶段。
另外，在这里的讨论和权利要求中，关于两种材料使用的术语“在…上”，即一者“在另一者上”，是指材料之间的至少一些接触，而“在…之上”是指材料接近，但是可能具有一种或多种附加居间材料，从而可以进行接触但是并不需要。无论是“在…上”还是“在…之上”都如这里使用的那样暗含任何方向性。术语“保形”描述涂覆材料，其中地层材料的角度通过保形材料得以保存。术语“大约”表示所列举的值可能略微改变，只要这种改变不会导致所述过程或结构与所示的示例和实现不一致即可。最后，“示例性”表示该描述用作示例，而是暗含该描述是理想的。
此外，就无论在具体实施方式还是权利要求中使用术语“包括”、“具有”、“带有”或其变体的情况而言，这些术语旨在以与术语“包含”类似的方式表达包括。如这里使用的，短语“…中的一个或多个”，例如，A、B和C意思是指如下中的任一种：单独的A、B或C；或者两个的组合，诸如A和B、B和C以及A和C；或者三个的组合，即A、B和C。
通过考虑这里公开的说明书和所述描述的实践，其它示例对本领域技术人员将显而易见。意图是该说明书和示例仅作为示例来考虑，这些示例的真实范围和精神由随后权利要求表示。

Claims (20)

1.一种用于形成改良合金的方法，该方法包括：
提供至少一种基础合金；
提供至少一种硼化物化合物，所述至少一种硼化物由式I表示：
MxBy (I)，
其中M为非硼元素，
其中B为硼，
其中x＝1或2；并且
其中y＝1，2，3，4，5或6；以及
形成包括所述基础合金和所述至少一种硼化物化合物的熔池；以及
固化所述熔池的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，以粉末形式提供所述至少一种基础合金。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，以粉末形式提供所述至少一种硼化物化合物。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种硼化物化合物的熔融温度处于所述至少一种基础合金的熔融温度的大约900℃的范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种硼化物化合物的熔融温度低于TiB2的熔融温度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，非硼元素M包括Al、Co、Cr、Fe、La、Mo、Nb、Ni或W。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种硼化物化合物包括Fe2B、AlB2、CrB2以及它们的混合物中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种基础合金包括铝基合金、铁基合金、镍基合金、钴基合金、钛基合金或它们的组合。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述改良合金包括Ti-TiB金属基质复合物。
10.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：在所述熔池形成之前将所述基础合金和所述至少一种硼化物化合物进行组合。
11.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：以预定图案沉积所述熔池的至少一部分。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述至少一种硼化物化合物和所述至少一种基础合金提供给粉末供送系统。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述改良合金包括功能梯度金属基质复合物。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，提供至少一种基础合金和提供至少一种硼化物化合物的步骤包括：提供包括所述基础合金和所述至少一种硼化物化合物的粉末混合物，并且其中形成熔池的步骤包括：激光烧结所述粉末混合物。
15.一种包括改良合金的制品，其中，所述改良合金根据权利要求1所述的方法形成。
16.一种用于在增材制造中使用的粉末，该粉末包括：
基础合金颗粒；和
最多大约20％重量的硼化物化合物颗粒，其中所述硼化物化合物由式I表示：
MxBy (I)，
其中M为非硼元素，
其中B为硼，
其中x＝1或2；并且
其中y＝1，2，3，4，5或6。
17.根据权利要求16所述的粉末，其中，所述硼化物化合物颗粒包括Fe2B、AlB2、CrB2以及它们的混合物中的一种或多种。
18.根据权利要求16所述的粉末，其中，所述硼化物化合物颗粒的熔融温度处于所述至少一种基础合金的熔融温度的大约900℃的范围内。
19.根据权利要求16所述的粉末，其中，M包括Al、Co、Cr、Fe、La、Mo、Nb、Ni或W。
20.根据权利要求16所述的粉末，其中，至少化合物颗粒的熔融温度低于TiB2的熔融温度。
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