制造分散体强化的材料的方法

技术领域

本发明主题一般性涉及生产分散体强化的材料的方法，并且更特别地，本说明书的实施方案涉及生产其中具有纳米尺寸的分散胶体的分散体强化的材料的方法。

背景技术

用于制造分散体强化的材料的一种方法是机械合金化方法，该方法基于使用球磨方法将某些金属颗粒与其它颗粒粉末混合，随后将混合物热固化以形成主体。然而，机械合金化方法可能在研磨和提取期间将某些污染物引入金属颗粒，这可能影响所得材料的结构和化学性质。此外，以这种方式生产的金属粉末和颗粒在研磨期间可能吸附杂散元素，这可能在最终材料中引入不期望的污染物。

另外，机械合金化方法(例如所述的球磨方法)可能耗时且昂贵。此外，球磨的粉末的粉末质量可能不可靠，并且不能复制用于大规模粉末生产。

发明内容

本说明书的实施方案涉及制造分散体强化的材料的方法，并且更特别地涉及生产其中具有纳米尺寸的分散胶体的分散体强化的材料的方法。

在一个实施方案中，提供了一种用于生产分散体强化的材料的方法，所述方法包括将多个第一金属颗粒暴露于分散胶体形成颗粒的悬浮液。所述第一金属颗粒和分散胶体形成颗粒可以包含相同或不同的金属组合物。所述分散胶体形成颗粒可以凝聚到所述第一金属颗粒的表面，因此产生其上具有分散胶体形成颗粒的多个金属颗粒。使其上具有所述分散胶体形成颗粒的所述金属颗粒经受能量过程以形成分散体强化的材料。

在又一个实施方案中，提供了制造包含分散在金属基基质中的纳米尺寸的分散胶体的分散体强化的金属部件的方法。所述方法包括用含有合适的流体载体(例如水)和分散胶体形成粉末的悬浮液覆盖第一金属粉末，以形成其上具有分散胶体形成颗粒的金属粉末。所述第一金属粉末和分散胶体形成粉末可以包含不同的金属组合物。所述第一金属粉末还可以包括平均粒度大于所述分散胶体形成颗粒的粒度的颗粒。所述方法进一步包括使用电子束熔融(EBM)、直接选择性激光熔融(DSLM)、选择性激光熔融(SLM)、直接金属激光熔融(DMLM)或定向能量沉积(DED)由其上具有所述分散胶体形成颗粒的所述金属粉末生产部件。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的实施方案的这些和其它特征和方面将变得更好理解，其中相似的符号在附图中始终表示相似的部分，其中：

图1是根据本说明书的实施方案，制造分散体强化的材料的实例方法的流程图；

图2A说明根据本说明书的实施方案，涂布有细氧化铝颗粒的镍颗粒的放大的图像；

图2B说明根据本说明书的实施方案，涂布有细氧化铝颗粒的多个镍颗粒的放大的图像；

图3A说明根据本公开的实施方案，分散体强化的镍材料的透射电子图像；

图3B说明根据本公开的实施方案，其中具有纳米尺寸的分散胶体的分散体强化的镍材料的透射电子图像；和

图3C说明根据本公开的实施方案，其中具有纳米尺寸的分散胶体的分散体强化的镍材料的透射电子图像。

具体实施方式

各种实施方案公开了用于用增材加工生产分散体强化的材料的方法。所述方法包括将包含第一金属组合物的多个第一金属颗粒暴露于包含第二金属组合物的分散胶体形成颗粒的悬浮液，以形成其上具有分散胶体形成颗粒的多个金属颗粒。其上具有分散胶体形成颗粒的多个金属颗粒具有包含第一金属组合物的内部部分和包含第二金属组合物的分散胶体形成颗粒的外表面部分。可以使其上具有分散胶体形成颗粒的多个金属颗粒经受能量过程以形成分散体强化的材料。在某些实施方案中，第一金属组合物可以包括任何金属合金或基础合金组合物，例如镍合金、钛合金、钴合金、锌合金、铝合金、铁合金和/或铜合金。在一些实施方案中，多个第一金属颗粒的第一平均粒度为约10 μm至约1000 μm。在某些实施方案中，第二金属组合物可以包括铝、钇、铈、镧、镁、锡、钛、锌和/或锆的任何合适的氮化物、碳化物和/或氧化物。在一些实施方案中，分散胶体形成颗粒的第二平均粒度为约5nm至约250 nm。在某些实施方案中，多个第一金属颗粒的第一平均粒度大于分散胶体形成颗粒的第二平均粒度。在一些实施方案中，悬浮液包括流体载体，所述流体载体为水。

在一些实施方案中，能量过程包括电子束熔融(EBM)、直接选择性激光熔融(DSLM)、选择性激光熔融(SLM)、直接金属激光熔融(DMLM)、定向能量沉积(DED)及其组合。在能量过程期间，其上具有分散胶体形成颗粒的金属颗粒形成含有第二金属组合物的纳米尺寸的分散胶体的分散体强化的材料。在某些实施方案中，分散体强化的材料含有约1体积%至约10体积%的包含第二金属组合物的分散胶体。

形成本公开的分散体强化的材料的方法不需要机械合金化以形成分散体强化的材料。有利地，与通过机械合金化形成的那些相比，根据本公开的方法形成的分散体强化的材料可以具有较少的污染物。此外，与通过本文未公开的其它手段制造的其它材料相比，本说明书的分散体强化的材料可以以较低的制造成本制造，并且可以在较少的时间内制造。

图1说明根据本说明书的实施方案，制造在金属基基质中具有分散胶体的纳米尺寸的颗粒的分散体强化的材料的实例方法(100)的流程图。在(102)处，该方法包括将多个第一金属颗粒暴露于分散胶体形成颗粒的悬浮液。第一金属颗粒包含第一金属组合物。第一金属组合物可以是适合用作分散体强化的材料中的金属基基质的任何金属组合物或金属合金。在某些实施方案中，第一金属组合物可以包括铁、铬、镍、铝、钴、钼、锰、镁、硅、铜、铌、钛、难熔金属、钽、铪、钇、钒、钨、锆及其组合。在一些实施方案中，第一金属组合物可以包括金属基基质，例如包含不锈钢、铁基合金、铝基合金、钛基合金、镍基合金或其组合的合金组成基质。

第一金属颗粒也可以具有第一平均粒度。在一些实施方案中，第一平均粒度是金属颗粒的平均直径尺寸。在一些实施方案中，第一平均粒度可以是约10 µm至约1000 µm。在一些实施方案中，第一平均粒度可以是约20 µm至约800 µm。在一些实施方案中，第一平均粒度可以是约30 µm至约700 µm。在一些实施方案中，第一平均粒度可以是约40 µm至约600µm。在一些实施方案中，第一平均粒度可以是约50 µm至约500 µm。在一些实施方案中，第一平均粒度可以是约100 µm至约400 µm。在一些实施方案中，第一平均粒度可以是约200 µm至约300 µm。

分散胶体形成颗粒包含第二金属组合物。第二金属组合物可以基于分散体强化的材料的期望的特性和分散胶体材料来选择。例如，第二金属组合物可以包括任何合适的金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物或其组合。在一些实施方案中，第二金属组合物可以是适合用作金属基基质内的分散胶体的任何金属或金属合金。在一些实施方案中，第二金属组合物包括金属氧化物，例如氧化铝。在一些实施方案中，第二金属组合物可以包括铁、镍、钴、钼、锰、镁、硅、铜、铌、钛、难熔金属、钽、铪、钒、硼、铝、钇、锑、钡、铈、铟、镧、镁、锡、钛、锌、锆及其组合。在一些实施方案中，第二金属组合物可以包括铁、镍、钴、钼、锰、镁、硅、铜、铌、钛、难熔金属、钽、铪、钒、硼、铝、钇、锑、钡、铈、铟、镧、镁、锡、钛、锌、锆及其组合的任何合适的氧化物、碳化物或氮化物。合适的氧化物包括但不限于元素镁、铝、钛、稀土元素(例如钇、镧、铈、钕、锆和/或铪)的氧化物。合适的碳化物包括但不限于元素硼、硅、钛、钒、铬、锆和难熔金属元素(例如铌、钼、钽、钨、锆和/或铪)的碳化物。在一些实施方案中，第二金属组合物可以包括金属基基质，例如包含不锈钢、铁基合金、铝基合金、钛基合金、镍基合金或其组合的合金组成基质。

分散胶体形成颗粒还可以具有第二平均粒度。在一些实施方案中，第二平均粒度是分散胶体形成颗粒的平均直径尺寸。在一些实施方案中，第二平均粒度可以是约5 nm至约250 nm。在一些实施方案中，第二平均粒度可以是约10 nm至约225 nm。在一些实施方案中，第二平均粒度可以是约20 nm至约200 nm。在一些实施方案中，第二平均粒度可以是约40 nm至约175 nm。在一些实施方案中，第二平均粒度可以是约75 nm至约150 nm。在一些实施方案中，第二平均粒度可以是约90 nm至约150 nm。因此，在某些实施方案中，与分散胶体形成颗粒相比，第一金属颗粒具有更大或较大的平均粒度。

在一些实施方案中，将多个第一金属颗粒暴露于分散胶体形成颗粒的悬浮液(102)包括将多个第一金属颗粒放置在合适的容器中并且将分散胶体形成颗粒的悬浮液倾倒在容器中的第一金属颗粒上。悬浮液可以包括任何合适的流体载体。在一些实施方案中，流体载体可以包括水。然后，可以使第一金属颗粒和分散胶体形成颗粒经受任何合适的蒸发过程以去除流体载体。合适的蒸发过程可以包括任何合适的干燥过程以除去流体载体，例如喷雾干燥和/或真空干燥。在蒸发期间，分散胶体形成颗粒开始在第一金属颗粒的表面上凝聚。在流体载体已经蒸发之后，第一金属颗粒的外表面上可以在其上含有分散胶体金属颗粒的凝聚物。在某些实施方案中，分散胶体形成颗粒或含有分散胶体形成颗粒的卫星颗粒可以涂布第一金属颗粒中的每一个的外表面。在一些实施方案中，在第一金属颗粒的外表面上的分散胶体形成颗粒的涂层可以是不均匀的。例如，并且不受任何具体理论的约束，当第一金属颗粒和分散胶体形成颗粒暴露于彼此时，分散胶体形成颗粒可能不均匀地凝聚到第一金属颗粒中的每一个的外表面上，在其上形成凝聚物或卫星颗粒。实际上，第二金属组合物的分散胶体形成颗粒在第一金属颗粒上的凝聚可以在一个或多个第一金属颗粒的外表面上产生具有较厚或较大量的第二金属组合物的某些区域。(参见图2A)。此外，还可以想到的是，某些第一金属颗粒可以含有在其外表面上基本上没有第二金属组合物已凝聚的区域或部分。(参见图2A)。因此，在一些实施方案中，第二金属组合物的分散胶体形成颗粒可以不均匀地涂布或凝聚到第一金属颗粒中的每一个的外表面。(参见图2A和图2B)。

在一些实施方案中，将第一多个金属颗粒与分散胶体形成颗粒组合可以形成其上具有分散胶体形成颗粒的多个金属颗粒，其中金属颗粒具有包含第一金属组合物的内部部分和包含第二金属组合物的外表面部分。

方法(100)还包括使其上具有分散胶体形成颗粒的多个金属颗粒经受能量过程以形成分散体强化的材料(104)。用于形成分散体强化的材料的能量过程可以是本领域已知的任何过程，包括但不限于电子束熔融(EBM)、直接选择性激光熔融(DSLM)、选择性激光熔融(SLM)、直接金属激光熔融(DMLM)、定向能量沉积(DED)及其组合。可以选择能量过程参数以控制金属基基质内的分散胶体的尺寸和分布。在一些实施方案中，在能量过程期间，在分散体强化的材料中原位形成纳米尺寸的分散胶体。

在一些实施方案中，能量过程可以利用能量源(例如激光或电子束)。可以设定激光或电子束过程参数以促进纳米尺寸的分散胶体在金属基基质中的原位均匀形成。这些参数的非限制性实例可以包括但不限于激光或电子束的能量输出、开口间距(hatchspacing)、沉积层的厚度、激光或电子束的扫描速度、保护屏蔽气流、氧的量、氮的量、反应性元素的量或浓度、扫描策略或扫描模式等及其组合。可以理解，这些参数可以是相互依赖的，并且可以基于金属基基质和反应性元素的性质而变化。

激光或电子束过程在金属熔融期间具有极快的加热和冷却速率。通过激光或电子熔融的这种快速固化过程促进在增材制造期间纳米尺寸的分散胶体的形成。增材制造过程的加热/冷却速率由激光或电子束的能量输出、开口间距、沉积层的厚度、扫描速度、屏蔽气流、扫描策略/模式、层厚度等的组合来控制。可以控制激光或电子束功率、扫描速度与激光或电子束粉末床增材制造过程的其它参数组合，以产生纳米尺寸的分散胶体的期望的尺寸、体积密度和分布。

将其上具有分散体形成颗粒的金属颗粒暴露于能量过程产生具有金属基基质的材料或部件，所述金属基基质包含第一金属材料，在金属基基质内具有第二金属组合物的分散胶体。在一些实施方案中，第二金属组合物的分散胶体是纳米尺寸的。在某些实施方案中，存在于分散体强化的材料中的纳米尺寸的分散胶体的平均尺寸在约0.5纳米至约500纳米的范围内。纳米尺寸的分散胶体的形状取决于相对于金属基基质的界面能的分散胶体的界面能。纳米尺寸的分散胶体可以是球形形状。(参见图3A至图3C)。然而，在本说明书的范围内也预期纳米尺寸的分散胶体的其它形状。在某些实施方案中，分散体强化的材料中的纳米尺寸的分散胶体的体积分数在约1% 至约10%的范围内。

此外，在能量过程(例如激光粉末床过程)期间形成的纳米尺寸的分散胶体可以增强所得分散体强化的材料的机械性质。在某些实施方案中，根据本文呈现的方法形成的含有分散胶体的分散体强化的材料可以表现出增强的高温机械性质。

第二金属组合物的纳米尺寸的分散胶体可以以高密度均匀地分布在金属基基质中。金属基基质中的纳米尺寸的沉淀物的均匀分布导致分散体强化的材料和所得部件的增强的材料性质，例如但不限于屈服强度、拉伸强度、耐腐蚀性、抗裂性、抗蠕变性、高温机械性质、增强的辐射损伤容限及其组合。在一些实施方案中，本文公开的含有金属分散胶体的分散体强化的材料可以用于发电应用、航空航天应用、汽车应用、医疗领域等。

在某些实施方案中，在能量过程期间(例如在激光或电子束增材制造的熔融和固化过程期间)，纳米尺寸的氧化物分散胶体可以通过存在于金属颗粒的表面上的氧与存在于金属颗粒中的反应性元素之间的反应而在原位形成。可以选择激光或电子束过程参数以控制纳米尺寸的氧化物分散胶体的尺寸和分布。

在一些实施方案中，本文的方法包括使分散体强化的材料经受一种或多种形成后热处理，以优化金属的晶粒微结构并控制其中的分散胶体的稳定性、尺寸、分布和密度，以产生稳定的、纳米尺度和均匀分布的纳米尺寸的分散胶体。在某些实施方案中，纳米尺寸的金属或氧化物分散胶体在金属基基质中以颗粒内、颗粒间或两者分布。在一些实施方案中，一个或多个热处理可以包括全部件熔炉热处理、局部热处理(即，表面加热)、激光加热、电子束加热等。在一些实施方案中，本文的方法可以包括将分散体强化的材料暴露于定向再结晶过程。

应注意，以期望的方式形成纳米尺寸的分散胶体可以取决于第一金属颗粒和分散胶体形成颗粒的化学性质，例如反应性元素的浓度、氧的量、氮的量、碳的量、激光过程参数、电子束参数、后热处理参数或其组合。

与可以用于生产分散体强化的材料的常规机械球磨过程相比，本说明书使用增材制造来制造分散体强化的材料和使用这样的材料的部件。有利地，形成本说明书的分散体强化的材料的方法可以以时间有效和成本上富有成效的方式实施。例如，与包括球磨和其它类似耗时过程的现有过程中所需的制造时间相比，本说明书的分散体强化的材料的增材制造允许更短的制造时间。本说明书提供由第一多个金属颗粒和第二多个分散胶体形成颗粒制造分散体强化的材料的成功方法，其不需要机械球磨以使分散胶体形成颗粒凝聚到第一金属颗粒。本说明书的方法消除了对颗粒的机械合金化的需要。此外，本文公开的方法避免配制特殊粉末组合物以形成期望的分散胶体的需要。如本文所提供的，根据本文提供的方法的实例实施方案，通过用分散胶体形成颗粒涂布第一粉末，任何粉末(例如含金属的粉末)可以通过用所公开的分散胶体形成颗粒涂布并使用增材制造固化组合而制成分散胶体强化的粉末。

实施例1

实施例1说明根据本公开形成分散体强化的材料。本文提供的实施例1说明根据本公开的方法的非限制性实例实施方案。

将一定量的对应于合金Rene 65的组成的粉末与得自Nyacol Nano TechnologiesInc的Nyacol Al20混合。Nyacol Al20是60-90nm尺寸的(AlO(OH))或Al

将所得的涂布的粉末放置在Concept Laser MLab粉末床3D打印机中，并生产小试样。通过聚焦离子束(FIB)研磨从小的如所构造的(as-built) DMLM试样制备透射电子显微镜(TEM)试样。分散体强化的材料的所得TEM图像示于图3A、图3B和图3C中。

如在图3B和图3C中所示，分散体强化的材料中铝(Al)和氧化物(O)浓度的对应关系说明在图2A和图2B中所示的颗粒含有铝和氧。此外，在所得材料中铝和氧化物分散胶体的尺寸为约50-100 nm，这与原始Nyacol Al20材料中的粒度非常一致。

进行热处理实验以观察颗粒的体积分数是否由于从溶液中沉淀而增加。热处理显示颗粒体积分数没有增加，指示颗粒是在DMLM过程期间形成。

虽然本文已说明和描述了本发明的仅某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的范围内的所有这样的修改和变化。

本公开的非限制性实施方案包括如下：

项目1. 用于生产分散体强化的材料的方法，所述方法包括：

将包含第一金属组合物的多个第一金属颗粒暴露于包含第二金属组合物的分散胶体形成颗粒的悬浮液，以形成其上具有所述分散胶体形成颗粒的多个金属颗粒，其中其上具有所述分散胶体形成颗粒的所述多个金属颗粒具有包含所述第一金属组合物的内部部分和包含所述第二金属组合物的外表面部分；和

使其上具有所述分散胶体形成颗粒的所述多个金属颗粒经受能量过程以形成分散体强化的材料。

项目2. 项目1所述的方法，其中所述第一金属组合物包含至少一种选自镍、钛、钴、锌、铜、铌、钽、钨、钼和钇的金属。

项目3. 项目1所述的方法，其中所述多个第一金属颗粒包含约10μm至约1000μm的第一平均粒度。

项目4. 项目1所述的方法，其中所述分散胶体形成颗粒包含约5 nm至约250 nm的第二平均粒度。

项目5. 项目1所述的方法，其中所述多个第一金属颗粒包含第一平均粒度并且所述分散胶体形成颗粒包含第二平均粒度，其中所述第一平均粒度大于所述第二平均粒度。

项目6. 项目1所述的方法，其中所述第二金属组合物包含金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物及其组合。

项目7. 项目1所述的方法，其中所述能量过程包括电子束熔融(EBM)、直接选择性激光熔融(DSLM)、选择性激光熔融(SLM)、直接金属激光熔融(DMLM)、定向能量沉积(DED)及其组合。

项目8. 项目1所述的方法，所述方法进一步包括使其上具有所述分散胶体形成颗粒的所述多个金属颗粒经受干燥过程。

项目9. 项目1所述的方法，其中所述悬浮液包含至少一种流体载体，其中所述至少一种流体载体包含水。

项目10. 项目1所述的方法，其中所述分散体强化的材料包含约1体积% 至约10体积%的所述第二金属组合物。

项目11. 项目1所述的方法，其中将所述多个第一金属颗粒暴露于所述分散胶体形成颗粒的悬浮液包括：将所述多个第一金属颗粒放置在容器中；将所述分散胶体形成颗粒的悬浮液倾倒在所述容器中的所述多个第一金属颗粒上，其中所述悬浮液包含流体载体；和将所述第一金属颗粒和所述分散胶体形成颗粒的悬浮液暴露于蒸发过程以形成其上具有所述分散胶体形成颗粒的所述多个金属颗粒。

项目12. 项目11所述的方法，其中所述蒸发过程包括通过干燥所述多个第一金属颗粒和所述分散胶体形成颗粒的悬浮液来蒸发所述流体载体，以去除所述流体载体。

项目13. 项目11所述的方法，其中所述蒸发过程包括使所述多个第一金属颗粒和所述分散胶体形成颗粒的悬浮液经受喷雾干燥过程以去除所述流体载体。

项目14. 项目11所述的方法，其中所述蒸发过程包括使所述多个第一金属颗粒和所述分散胶体形成颗粒的悬浮液经受真空干燥过程以去除所述流体载体。

项目15. 项目1所述的方法，其中所述分散体强化的材料包含在所述第一金属组合物的金属基基质内的所述第二金属组合物的分散胶体。

项目16. 项目1所述的方法，所述方法进一步包括将所述分散体强化的材料暴露于定向再结晶过程。

项目17. 制造包含分散在金属基基质中的纳米尺寸的分散胶体的分散体强化的金属部件的方法，所述方法包括：用包含第二多个颗粒的分散胶体形成粉末的悬浮液覆盖包含第一多个颗粒的第一金属粉末，以形成包含其上具有所述第二多个颗粒的所述第一多个颗粒的第三金属粉末，其中所述第一多个颗粒包含第一金属组合物和第一平均粒度，其中所述分散胶体形成粉末悬浮在流体载体中，其中所述第二多个颗粒包含第二金属组合物和第二平均粒度；和使用电子束熔融(EBM)、直接选择性激光熔融(DSLM)、选择性激光熔融(SLM)、直接金属激光熔融(DMLM)或定向能量沉积(DED)由所述第三金属粉末生产部件。

项目18. 项目18所述的方法，其中所述第一平均粒度大于所述第二平均粒度。

项目19. 项目18所述的方法，其中所述部件包含在所述第一金属组合物的金属基基质内的所述第二金属组合物的纳米尺寸的分散胶体。