用于在高加速电压下处理粉末状材料的方法以及电子束设备技术

提出一种使用电子束设备来处理粉末状材料的方法，用于构件的增材制造，其解决了静电粉末放电的问题，并显著缩短了处理时间。该效果在预热步骤和/或熔化步骤中通过90kV或更高的加速电压来实现。的加速电压来实现。的加速电压来实现。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在高加速电压下处理粉末状材料的方法以及电子束设备


[0001]本专利技术涉及一种在高加速电压下利用电子束设备处理粉末状材料的方法。特别地，本专利技术涉及一种在高加速电压下预热粉末状材料的方法和一种在高加速电压下熔化粉末状材料的方法。
[0002]本专利技术还涉及一种电子束设备，用于执行在高加速电压下处理粉末状材料的这种方法。

技术介绍

[0003]增材制造工艺的特点是，特别是通过分层构造，使得立体部件相互接合成三维结构。在此尤其采用如下方法：利用能量束，通过选择性地逐点逐层地熔化各个粉末颗粒，在粉末床中将粉末状材料接合成3D
‑
结构。该材料的固化可以通过烧结粉末颗粒来进行，或通过借助激光束或电子束完全熔化粉末颗粒来进行。
[0004]通过选择性电子束熔化(selective electron beam melting；SEBM)处理金属粉末，允许制得复杂的几何形状和结构，同时具有快速且精确的可操作性和高度的自动化。
[0005]然而，利用电子束处理粉末状材料会导致被照射的粉末床产生局部的和暂时的静电充电，因为例如金属粉末颗粒通常被导电性较差的氧化物层包围。因此，即使是金属粉末颗粒，虽然它在其内部导电，但在电子束撞击时也会充电。
[0006]充电可以达到超临界水平，并且使得停留在电子束冲击区域中的粉末颗粒集体加速离开处理区，即在熔化过程开始之前将它们从粉末床分布到电子束设备的其他区域中。这导致材料损失和工艺中断，因为材料尚在烧结之前从粉末床中排出。
[0007]为了避免由于粉末排出造成的事故和材料损失，根据当前的现有技术已知，在施加一层粉末状材料之后，对其进行预热，以便在相对于最终产品较低的附着力情况下将各个粉末颗粒相互结合。
[0008]然后在第二步中，才利用电子束沿着分别要生成的3D结构轮廓层将粉末颗粒熔化到一定程度，从而在各个粉末颗粒之间产生3D结构的对于工件的以后的使用目的而言足够的稳定性。
[0009]被概括为预热的这些工艺的已知方法，包括借助热板或通过暴露于具有约60kV的常规加速电压的电子束来加热施加的粉末层。
[0010]在WO 2018/162261 A1中描述了另一种用于预热粉末层的有效方法，其中，通过施加交变电磁场解决了静电粉末放电的问题。
[0011]这些已知方法的缺点体现在为了加热粉末床所需的处理时间上，因为需要特别是对施加的每个单独的粉末层再次进行加热，并且有时不能充分避免静电粉末放电。

技术实现思路

[0012]因此，本专利技术的目的是，提出一种用于处理粉末状材料的方法，该方法更好地解决了在用电子束处理时粉末状材料的静电粉末放电的问题。本专利技术的目的还在于，提出一种
用于处理粉末状材料的相应的电子束设备。
[0013]根据本专利技术，该目的通过一种用于处理粉末状材料的方法来实现，该方法包括以下步骤：
[0014]a1)提供电子束设备，其包括
[0015]‑
用于接纳由待处理的粉末状材料构成的粉末床的装置，和
[0016]‑
电子束发生器，其被设计用来将电子束指向粉末床的横向不同位置；
[0017]b1)将粉末层施加到基材上；
[0018]c1)利用电子束预热粉末状材料，
[0019]其中，
[0020]在步骤c1)中电子束以90kV或更大的加速电压工作。
[0021]已知的电子束处理过程以及通过电子束进行的预热过程，通常在大约60kV的加速电压下进行，因为在该高电压值之上出现无法由传统的电子束设备屏蔽的硬X射线。专利技术人现在已经认识到，通过将加速电压增大到90kV或更高，在相同的用于预热的功率输入情况下可以通过电子束选择较小的射束电流。结果，每单位时间将较少数量的电荷载流子引入材料中，由此发生较小的静电充电。因此，可以以较小的静电荷达到用于预熔化粉末颗粒的温度。此外，更高的加速电压会导致穿透深度增加，从而导致电子分布到材料中的更大体积上。
[0022]因此，根据本专利技术的方法解决了所描述的静电粉末放电的问题，其方式为，通过预热步骤，粉末状材料中的能量平衡例如通过烧结而发生变化。相反，在射束流相比于之前的预热工艺保持相同时，可以通过增大加速电压来实现显著缩短的曝露时间，从而可以缩短工艺时间，而不会增加静电的粉末放电。此外，专利技术人已经认识到，在恒定的射束电流情况下，更高的加速电压由于减少了静电的粉末放电而导致工艺稳定性的显著改进。
[0023]由于决定静电粉末床充电的变量可以从局部电流密度以及粉末的性质推导出来，因此可以使用公式推导出加速电压和射束流的值。在该公式中可以包含诸如粉末床的温度、电子束设备中的压力等参数或诸如粉末材料的熔化温度、热容量或电导率等材料特性参数。
[0024]该方法优选地包括步骤d1)：用电子束熔化至少部分粉末层。
[0025]在根据本专利技术的方法中，加速电压优选为90kV至150kV，特别是100kV或更大，优选120kV或更大。
[0026]射束功率优选为至少100W且至多100kW。
[0027]粉末状材料优选包含钛、铜、镍、铝和/或其合金，特别是Ti
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6Al
‑
4V，一种包含钛、6％(重量)的铝和4％(重量)的钒的合金。
[0028]粉末状材料优选具有10μm至150μm的平均粒度D50。
[0029]根据本专利技术，该目的通过另一种用于处理粉末状材料的方法来实现，该方法包括以下步骤：
[0030]a2)提供电子束设备(1)，其包括
[0031]‑
用于接纳由待处理的粉末状材料(12)构成的粉末床(7)的装置(6)，和
[0032]‑
电子束发生器(3)，其被设计用来将电子束(4)指向粉末床(7)的横向不同位置；
[0033]b2)将粉末层(9)施加到基材(10)上；
[0034]c2)利用电子束(4)熔化粉末状材料(12)的至少一部分；
[0035]其中，
[0036]步骤c2)中的电子束(4)以90kV或更大的加速电压工作；和
[0037]在步骤b1)和步骤c1)之间不对粉末层(9)进行预热。
[0038]除了上述改进之外，通过该方法还可以进一步缩短处理时间，因为通过完全取消预热步骤和在熔化步骤中使电子束在90kV或更高的电压下工作，可以附加地缩短处理时间。如在前面描述的带有预热步骤的方法中，在该方法中利用了增大的穿透深度和由此产生的更好的电子电荷分布的效果以及在相同功率下电子输入减少。
[0039]在根据本专利技术的方法中，加速电压优选为90kV至150kV，特别是100kV或更大，优选120kV或更大。
[0040]射束功率优选为至少100W且至多100kW。
[0041]粉末状的材料优选包含钛、铜、镍、铝和/或其合金，特别是Ti
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6Al
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4V，一种包含钛、6％(重量)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于处理粉末状材料(12)的方法，该方法包括以下步骤：a1)提供电子束设备(1)，其包括
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用于接纳由待处理的所述粉末状材料(12)构成的粉末床(7)的装置，和
‑
电子束发生器(3)，其被设计用来将电子束(4)指向所述粉末床(7)的横向不同位置；b1)施加粉末层(8)；c1)利用所述电子束(4)预热所述粉末层(8)的粉末状材料(12)，其特征在于，步骤c1)中的所述电子束(4)以90kV或更大的加速电压工作。2.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤：d1)利用所述电子束(4)熔化所述粉末层(8)的至少一部分。3.一种用于处理粉末状材料的方法，该方法包括以下步骤：a2)提供电子束设备(1)，其包括
‑
用于接纳由待处理的粉末状材料(12)构成的粉末床(7)的装置(6)，和
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电子束发生器(3)，其被设计用来将电子束(4)指向所述粉末床(7)的横向不同位置；b2)施加粉末层(8)；c2)利用所述电子束(4)熔化所述粉末层(8)的至少一部分，其特征在于，在步骤c)中所述电子束(4)以90kV或更大的加速电压工作；和在步骤b2...

【专利技术属性】
技术研发人员：托尔斯滕，
申请(专利权)人：波宾股份有限及两合公司，
类型：发明
国别省市：