铝合金组合物的制作方法

铝合金组合物
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年1月18日提交的题为“high
‑
performance aluminium alloy”的美国临时申请序列号62/794,509和于2019年7月30日提交的题为“aluminium alloy compositions”的美国专利申请号16/526,679的权益，其全部内容通过引用明确并入本文。
技术领域
3.本公开大体上涉及合金，并且更具体地涉及铝合金。


背景技术：

4.增材制造(am)工艺涉及使用存储的几何模型在“构建板”上积累分层材料，以生产具有模型定义的特征的三维(3
‑
d)物体。am技术能够使用多种材料打印复杂的组件。基于计算机辅助设计(cad)模型制造3
‑
d物体。am工艺可以直接从cad模型制造实体的3d物体，无需额外的工具。
5.am工艺的一个实例是粉末床融合(pbf)，它使用激光、电子束或其他能源来烧结或熔化沉积在粉末床上的金属粉末，从而将粉末颗粒在目标区域凝聚在一起以产生具有所需几何形状的3
‑
d结构。可以在pbf中使用不同的材料或材料的组合，例如金属、塑料和陶瓷，以创建3
‑
d物体。其他更先进的am技术，包括下面进一步讨论的那些，也是可用的或正在开发中，并且每一种都可以适用于本公开内容。
6.am工艺的另一个实例为binder jet(bj)工艺，该工艺使用粉末床(类似于pbf)，其中金属粉末分层散布并使用有机粘合剂粘合。所得部件是生坯部件，需要烧掉粘合剂并烧结以将各层固结成全密度。金属粉末材料可以具有与pbf粉末相同的化学组成和相似的物理特性。
7.am工艺的另一个实例为定向能量沉积(ded)。ded是一种am技术，它使用激光、电子束、等离子体或其他能量供应方法，例如钨惰性气体(tig)或金属惰性气体(mig)焊接中的那些方法来熔化金属粉末、金属线材和/或棒材，从而将其转化为固体金属物体。与许多am技术不同，ded不是基于粉末床。相反，ded使用进料喷嘴来推动粉末或机械进料系统将线材和/或棒材输送到激光束、电子束、等离子体束或其他能量流中。粉末状金属、线材或棒材随后被相应的能量束融合。虽然在某些情况下可以使用支撑体或自由形式的基材来维护正在构建的结构，但ded中几乎所有的原材料(粉末、线材或棒材)都转化为固体金属，因此几乎没有废粉留下以待回收利用。使用逐层策略，由能量束或能量流和原材料进料系统组成的打印头可以扫描基材，直接从cad模型沉积连续的层。
8.pbf、bj、ded和其他am工艺可能使用各种原材料，例如金属粉末、线材或棒材。原材料可以由各种金属材料制成。金属材料可包括例如铝或铝合金。使用具有在am工艺中改进功能的特性的铝合金可能是有利的。例如，颗粒形状、粉末尺寸、堆积密度、熔点、流动性、刚度、孔隙率、表面纹理、静电荷密度以及其他物理和化学特性可能会影响铝合金作为am用材料的性能。类似地，am工艺的原材料可以是线材或棒材的形式，其化学组成和物理特性可能
会影响材料的性能。某些合金可能会影响这些或其他特性的一种或多种，它们影响am用合金性能。
9.可以在相关技术的背景下描述本公开的一个或多个方面。本文描述的任何方面都不应被解释为对现有技术的承认，除非本文明确说明。


技术实现要素：

10.本文描述了一种或多种合金和合金组合物，以及制造和/或使用它们的方法的几个方面。例如，一种或多种合金或其组合物可以是铝合金。所述一种或多种合金可用于三维(3
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d)打印和/或增材制造以用所述一种或多种合金生产增材制造的结构。说明性地，合金可包括包含多种材料(例如元素、金属等)的组合物。
11.根据本公开的一些配置，合金可以包括：组合物，该组合物包括：占组合物约1重量％至5重量％的镁(mg)；占组合物约1重量％至3重量％的硅(si)；占组合物约0.2重量％至1重量％的钴(co)；和为组合物余量的铝(al)。在一种配置中，该组合物还可包括选自以下中的至少一种：镍(ni)；钛(ti)；锌(zn)；锆(zr)；和锰(mn)。在一种配置中，该组合物包括最高至约5重量％的ni。在一种配置中，该组合物包括至少约1重量％的ni。在一种配置中，该组合物包括最高至约0.5重量％的ti。在一种配置中，该组合物包括至少0.05重量％的ti。在一种配置中，该组合物包括最高至约2重量％的zn。在一种配置中，该组合物包括至少0.1重量％的zn。在一种配置中，该组合物包括最高至约0.5重量％的zr。在一种配置中，该组合物包括至少0.05重量％的zr。在一种配置中，该组合物包括最高至约1重量％的mn。在一种配置中，该组合物包括至少0.2重量％的mn。在一种配置中，该组合物包括上面列出的所有元素(al、mg、si、co、ni、ti、zn、zr和mn)。在一种配置中，该组合物余量的al包括至多约0.1重量％的微量杂质。
12.应当理解，根据以下具体实施方式，合金的其他方面对本领域技术人员来说将变得显而易见，其中仅通过说明的方式示出和描述了几个实施方案。本领域技术人员将意识到，所制造的结构和用于制造这些结构的方法能够有其他不同的实施方案，并且其若干细节能够在各种其他方面进行修改，所有这些都不背离本发明。因此，附图和具体实施方式应被视为本质上是说明性的而不是限制性的。
附图说明
13.可用于增材制造的合金的各个方面，例如在汽车、航空航天和/或其他工程环境中，在具体实施方式中通过示例而非限制的方式呈现在附图中，其中：
14.图1a
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d图示了示例性3
‑
d打印机系统的相应侧视图。
具体实施方式
15.下面结合附图阐述的具体实施方式旨在提供对铝合金的各种示例性实施方案的描述，并不旨在代表可以实施本发明的仅有实施方案。本公开中通篇使用的术语“示例性”表示“用作示例、实例或说明”，并且不必解释为优选于或优于本公开中呈现的其他实施方案。具体实施方式包括具体细节，目的是提供充分且完整的公开，其将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开的技术和方法。
在一些情况下，众所周知的结构和元件可以以框图形式示出或整体省略，以避免混淆贯穿本公开呈现的各种构思。
16.alsi10mg(aa 4046)是一种铝合金，可用于增材制造(am)技术，例如选择性激光熔化(slm)和/或粉末床融合(pbf)。然而，aa 4046主要是用于连接汽车铝部件的焊接合金。通过增材制造加工时，这种合金的强度适中，但延展性较差。aa 4046在熔池大、冷却速度相对慢的情况下具有良好的焊接性能。此外，aa 4046可用于接头设计可以承受较差性能的情况。例如，与空气中部件的性能相比，某些环境可能由于腐蚀环境而导致部件疲劳寿命降低。疲劳寿命的降低可称为击倒因素。然而，在am中，整个部件是用微焊缝构建的，具有极小的熔池和快速的熔化和冷却。
17.因此，对于am，应该很少或没有通过设计拆卸式(knockdown)进行折衷。aa 4046的性能改进受到了极大的关注，导致了大量研究，但对于需要高性能和可靠性的工程应用却没有显著的性能改进。尽管如此，aa 4046经测试的机械性能可能不如通常用于高强度应用的锻造和铸造形式的那些。此外，某些铝合金在am中无法用于商业用途和/或不切实际，例如6000和7000系列的铝合金。
18.已经开发出一些高性能铝合金，它们可能不同于aa 4046、6000和7000系列铝合金和/或其他市售铝合金。这样的高性能合金可包括和a205。然而，包括和a205在内的各种高性能铝合金的应用在am环境中可能在经济上令人望而却步。
19.鉴于上述情况，需要对于各种汽车、航空航天和/或其他工程应用中的am用高性能且经济可行的合金。本公开描述了可以在am工艺中实施的合金，例如slm、pbf、ded等。以这种方式，例如，可以生产本发明中公开的合金的增材制造结构。本公开的合金可为汽车、航空航天和/或其他工程应用中的am提供改进的性能。合金可在am环境中产生改进的性能，例如高强度(例如屈服强度)、延展性、断裂韧性、疲劳强度、耐腐蚀性、高温强度、伸长率和/或其任何组合中的一种或多种。此外，本公开的合金的应用在经济上是可行的，例如，在汽车、航空航天和/或其他工程应用中的am的商业环境和/或生产规模中。
20.一方面，描述了高性能铝合金。耐撞性是构成材料碰撞性能的抗拉、剪切和压缩强度的组合。分析和实验数据被各种行业(例如汽车)在设计和工程结构结合材料时使用。
21.用常规技术(例如，非am工艺)加工的高性能铝合金可以通过以下工艺之一或组合获得各种性能：固溶强化、应变硬化、沉淀强化和/或分散强化。固溶强化、应变硬化、沉淀强化、晶粒或相界强化和/或分散强化的过程可以在固结、随后的热处理、中间冷加工或它们的一些组合期间发生。
22.am中的固结过程和随后的固态冷却可能不同于通过传统技术发生的那些过程。例如，pbf加工中的固结发生在微观尺度上，逐层进行，每一层都经历一次或多次熔化、固结和冷却循环。在这样的过程中，熔化可以在约610℃开始并且可以在约696℃结束。由于熔池尺寸小，冷却速度相对于传统技术来说非常高(例如，冷却速度可以是约103℃/秒(s)到约106℃/s)。因此，非平衡热力学和相变动力学可能成为am过程中的主要驱动因素，从而使合金表现出与am不同的性能，例如通过继承元素过饱和和合金分配。
23.并非所有合金(例如aa 4046等)都适合通过am进行快速固结，这可能包括相对小
的熔池(并且可能包括约103℃/s至约106℃/s的速率)。本公开描述了利用am可以提供高性能的合金，例如，与当前可用的合金相比。在印刷状态下，例如在经历热处理之后(am后)，或者在印刷状态下和在经历热处理之后两者的某种组合的情况下，本公开的这些合金的性能可以得到改善。
24.在一种示例性配置中，本公开的一种或多种合金可被定制用于优异的强化，其中所述一种或多种合金在室温和高温下将具有高极限强度和抗拉强度。在另一示例性配置中，本公开的一种或多种合金可被设计用于优异的延展性，其中所述一种或多种合金在室温和高温下将具有高伸长率。
25.普通aa 4046的标称化学组成包括11％的硅(si)、0.55％的铁(fe)、0.45％的锰(mn)、0.45％的镁(mg)，和余量铝(al)。aa4046的印刷抗拉性能为至高6％的伸长率、至高301兆帕(mpa)的屈服强度和至高459mpa的极限抗拉强度。高性能铝合金(例如)的标称化学组成为4.5％mg、0.7％钪(sc)、0.3％锆(zr)、0.5％mn，其热处理后的性能为至高13％的伸长率、至高469mpa的屈服强度和至高495mpa的极限抗拉强度。然而，上述高性能铝合金对于生产规模和/或商业消费应用(例如汽车应用)在经济上是不可行的。
26.根据一些配置，本公开的一种或多种合金可以被配置为具有超过一些现有铝合金(例如aa 4046)的伸长率百分比。虽然aa 4046的宣称和测试的伸长率分别约为6％和4％，但本公开的一种或多种合金的伸长率可约为8％。因此，本文所述的一种或多种合金可超过常规aa 4046的伸长率百分比约2％，例如，在印刷状态下。后处理技术，例如热处理和/或表面(喷丸)强化处理，可以进一步提高本文所述的一种或多种合金的伸长率百分比。例如，热处理可包括在约100℃至约400℃之间的温度下处理如本文所述的铝合金约30分钟至约30小时的时间。
27.此外，本文所述的一种或多种合金的强度可能超过一些现有铝合金的强度。例如，本文所述的一种或多种合金可具有363mpa的平均屈服强度。这种平均屈服强度在am中可能超过7000系列的一些铝合金(例如，al 7075)。铝基质中的合金元素可产生化学固有的强化机制，并且通过am，包含本公开的合金元素的所得材料可比aa 4046强度高约80％。本公开的一种或多种合金可通过固溶强化、微沉淀硬化、纳米沉淀硬化、减小的晶粒尺寸和/或应变硬化获得强度。
28.本公开的一种或多种合金可被专门设计以适应合金在am(例如pbf工艺)中经历的快速熔化、固结和/或冷却。例如，合金元素及其浓度可以被配置为使得可以在快速冷却期间与其他合金元素形成金属间化合物。此外，合金元素及其浓度可以基于合金元素在铝基质中的液体和/或固体溶解度来配置。合金元素及其浓度可以被配置为使得合金元素在am(例如，pbf工艺)期间快速固结和冷却之后可以形成过饱和固溶体和/或纳米沉淀物。合金元素及其浓度可被配置为在后续热处理(例如包括沉淀热处理和/或热等静压(hip))期间形成金属间化合物及其相。最后，合金元素及其浓度可以被配置为在快速固结和冷却期间形成金属间化合物，使得由此形成的相可以增强本公开的一种或多种合金的性能。此外，合金元素及其浓度的配置可导致在随后的热处理期间形成相，这改进了本公开的一种或多种合金的机械性能。
29.在一些实施例中可用于形成铝合金的实例元素可包括钴(co)、硅(si)、mg和余量
al。在一些另外的配置中，在一些另外的实施例中可以用于形成铝合金的实例元素可以包括镍(ni)、钛(ti)、锌(zn)、zr、mn，或这些元素(或此处所讨论的其他元素)的某种组合。用co配置本公开的一种或多种合金可有助于所述一种或多种合金的沉淀硬化。co的示例性浓度可为本文所述合金的0.2
‑
1重量％。用si配置本公开的一种或多种合金可有助于沉淀硬化。si的示例性浓度可为本文所述合金的1
‑
3重量％。用zr配置本公开的一种或多种合金可有助于沉淀硬化。zr的示例性浓度可为本文所述合金的0.05
‑
0.5重量％。用ti配置本公开的一种或多种合金可有助于固溶强化。ti的示例性浓度可为本文所述合金的0.05
‑
0.5重量％。用mg配置本公开的一种或多种合金可有助于固溶强化。mg的示例性浓度可为本文所述合金的1
‑
5重量％。用zn配置本公开的一种或多种合金可有助于固溶强化。zr的示例性浓度可为本文所述合金的0.1
‑
2重量％。用mn配置本公开的一种或多种合金可有助于固溶强化。mn的示例性浓度可为本文所述合金的0.2
‑
1重量％。本公开的一种或多种合金可包括余量的al，其可包括至多0.1重量％的微量元素。
30.am工艺可以使用各种金属粉末，例如铝合金。图1a
‑
d图示了示例性3
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d打印机系统的相应侧视图。在该实施例中，3
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d打印机系统是粉末床融合(pbf)系统100。图1a
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d示出了不同操作阶段期间的pbf系统100。还应当注意的是，图1a
‑
d的元素和本公开中的其他图不一定按比例绘制，而是为了更好地说明本文描述的构思的目的可以绘制得较大或较小。
31.图1a
‑
d中所示的具体实施方案是采用本公开的原理的pbf系统的一些合适实施例。具体地，本文所述的一种或多种铝合金可用于图1a
‑
d中所述的至少一种pbf系统100。虽然本公开中描述的一种或多种铝合金可能适用于各种am工艺(例如，使用pbf系统，如图1a
‑
d中所示)，但应当理解，本公开中的一种或多种铝合金可以也适用于其他应用。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，本文所述的一种或多种铝合金可用于其他制造场合或领域。因此，采用本公开的所述一种或多种铝合金的am工艺被认为是说明性的，并不旨在限制本公开的范围。
32.根据本公开的一些实施例，在pbf系统100中使用的铝合金可以是组合物，其包括余量al，占组合物的0至5重量％的mg、占组合物0.5至重量4％的si和占组合物0.2至5重量％的co。在特定配置中，mg可以是组合物的1至5重量％，si可以是组合物的1至3重量％，co可以是组合物的0.2至1重量％。
33.在一些进一步的配置中，所述组合物还可包括选自由ni、ti、zn、zr和/或mn组成的组中的至少一种。在一个实施例中，所述组合物可以包括占组合物至少0.05重量％的ti。该组合物可包括至多0.5重量％的ti。在另一个实施例中，该组合物可以包括占组合物至少0.05重量％的zr。该组合物可包括至多0.5重量％的zr。在进一步的实施例中，所述组合物可以包括占组合物至多1重量％的mn。该组合物可包括至少0.2重量％的mn。在又一个实施例中，该组合物可以包括占组合物1至5重量％的ni。在又进一步的实施例中，所述组合物可以包括占组合物0.1至2重量％的zn。在一些实施例中，组合物可包括累计至高约0.1重量％，以单种计(例如，以与余量的al合金化的每个单种元素计)0.01％的微量杂质。
34.在用于pbf系统100之前，可以将铝合金元素组合成根据本文描述的实施例/配置之一的组合物。例如，当元素熔化时，可以组合在本公开的实施例/配置之一中描述的各个浓度的元素。可以在元素熔化的同时混合该组合物，例如，以促进各元素与余量al的均匀分布。熔化的组合物可以被冷却和雾化。组合物的雾化可以产生包括本公开的实施例/配置之
一的元素的金属粉末，并且可以用于增材制造系统，例如pbf系统100。
35.pbf系统100可包括可沉积每层金属粉末的沉积器101、可产生能量束的能量束源103、可施加能量束以融合粉末材料的偏转器105、以及可以支撑一个或多个构建件(例如构建件109)的构建板107。pbf系统100还可以包括位于粉末床容器内的构建底板111。粉末床容器的壁112通常限定粉末床容器的边界，粉末床容器从侧面夹在壁112之间并在下方邻接构建底板111的一部分。构建底板111可以逐渐降低构建板107，使得沉积器101可以沉积下一层。整个机构可置于腔室113中，该腔室可封闭其他部件，从而保护设备，实现大气和温度调节并减轻污染风险。沉积器101可包括包含粉末117(例如金属粉末)的料斗115和可平整每层沉积粉末的顶部的平整器119。
36.具体参考图1a，该图显示了在一片构建件109已经融合之后但在已经沉积下一层粉末之前的pbf系统100。事实上，图1a示出了pbf系统100已经沉积和融合多层(例如150层)切片以形成构建件109(例如由150个切片形成)的当前状态的时间。已经沉积的多个层形成了粉末床121，其包括已沉积但未融合的粉末。
37.图1b示出了处于构建底板111可以降低粉末层厚度123的阶段的pbf系统100。构建底板111的降低导致构建件109和粉末床121下降粉末层厚度123，使得构建件和粉末床的顶部低于粉末床容器壁112的顶部的量等于粉层厚度。以这种方式，例如，可以在构建件109和粉末床121的顶部上方创建具有等于粉末层厚度123的一致厚度的空间。
38.图1c示出了处于这样一个阶段的pbf系统100，在该阶段沉积器101被放置以将粉末117沉积在构建件109和粉末床121的顶表面上方产生并且以粉末床容器壁112为边界的空间中。在该实施例中，沉积器101在从料斗115释放粉末117的同时在限定的空间上逐渐移动。平整器119可以整平释放的粉末以形成粉末层125，其厚度基本上等于粉末层厚度123(见图1b)。因此，pbf系统中的粉末可由粉末材料支撑结构支撑，该粉末材料支撑结构可包括例如构建板107、构建底板111、构建件109、壁112等。应当注意，所示的粉末层125的厚度(即，粉末层厚度123(图1b))大于用于上面参考图1a讨论的涉及150个预先沉积的层的实施例的实际厚度。
39.图1d示出了处于这样阶段的pbf系统100，在该阶段中，在沉积粉末层125(图1c)之后，能量束源103产生能量束127并且偏转器105施加能量束以融合构建件109中的下一个切片。在各种示例性实施方案中，能量束源103可以是电子束源，在这种情况下，能量束127构成电子束。偏转器105可以包括偏转板，该偏转板可以产生电场或磁场，该电场或磁场选择性地偏转电子束以使得电子束扫描指定要融合的区域。在各种实施方案中，能量束源103可以是激光器，在这种情况下，能量束127是激光束。偏转器105可以包括光学系统，该光学系统使用反射和/或折射来操纵激光束以扫描选定的待融合区域。
40.在各种实施方案中，偏转器105可包括可旋转和/或平移能量束源以定位能量束的一个或多个万向节和致动器。在各种实施方案中，能量束源103和/或偏转器105可以调制能量束，例如，在偏转器扫描时打开和关闭能量束，使得能量束仅施加在粉末层的适当区域中。例如，在各种实施方案中，能量束可以由数字信号处理器(dsp)调制。
41.合金可以是由两种或多种材料(例如，金属或非金属)组成的物质。该两种或更多种材料可以通过合并在一起(例如，当熔化时)而结合在一起。
42.在一些配置中，本公开的一种或多种合金可以是组合物，其可以混合以包括余量
的al和以下材料：(1)占组合物约1至5重量％的mg；(2)占组合物约1至3重量％的si；(3)占组合物0.2至1重量％的co。在一些配置中，余量的al可包括至多0.1％的微量元素。
43.在一些其他配置中，本公开的一种或多种合金可以是al、mg、si和co的上述组合物，并且该组合物可以包括以下其他材料中的至少一种：ni、ti、zn、zr和/或mn。当本公开的合金是包含ni的组合物时，ni可以是组合物的1
‑
5重量％。当本公开的合金是包含ti的组合物时，ti可以是组合物的0.05
‑
0.5重量％。当本公开的合金是包含zn的组合物时，zn可以是组合物的0.1
‑
2重量％。当本公开的合金是包含zr的组合物时，zr可以是组合物的0.05
‑
0.5重量％。当本公开的合金是包含mn的组合物时，mn可以是组合物的0.2
‑
1重量％。在各种配置中，本公开的所述一种或多种合金可以包括全部，不包括，或包括部分其他材料ni、ti、zn、zr和/或mn。
44.本公开的示例性合金可以包括如表1中所示的量的元素。
45.元素cotisimgznzrmnal重量％0.2
‑
0.50.05
‑
0.31.8
‑
2.22
‑
50.05
‑
0.30.1
‑
0.50.3
‑
0.8余量
46.表1
47.示例合金可以包括特定量的co、ti、si、mg、zn、zr、mn，以及余量的al。表2的实施例i显示了一种示例配置。
48.实施例i:
49.元素cotisimgznzrmnal重量％.290.1521.773.640.1240.30.56余量
50.表2
51.所述示例合金(实施例i)可以用l
‑
pbf法处理成打印测试条。获得的抗拉性质示于表3中。
52.性质％伸长率ys(mpa)uts(mpa)值8362440
53.表3
54.作为说明，aa 4046在印刷条件下的性质可以由表4给出，该表说明了从印刷的aa 4046的一组测试中获得的一组特性(注意最后一行说明了整个测试组的性质的平均值)。
55.性质％伸长率ys(mpa)uts(mpa)值14270375值25.3322434值37.2311391值45.4300455值51.2255377平均值4.62291.6406.4
56.表4
57.铝合金可以形成为粉末、线材或棒材，例如用于am中。am原材料可以通过粉末制造工艺以及其他方法制造，例如铸锭冶金(i/m)，其中通过将金属与添加的合金元素一起熔化并在模具中固结(例如，铸锭)来制造固体铸锭。然后通过各种锻造材料生产方法，例如轧
制、挤压、拉拔等，使模制的固体或铸锭变形。将铸锭、线材和棒材熔化和雾化制成粉末，或直接送入激光、电子、等离子束或电弧(如tig、mig)中，逐层熔化金属层以制造am产品。
58.粉末特性对于在诸如pbf和/或dmd的am机器中成功融合可能很重要。可能有利于与am一起使用的合金粉末的一些方面可以包括但不限于良好的流动性、颗粒的紧密堆积和球形颗粒形状。这些方面可能导致一致和可预测的层。
59.提供先前的描述以使本领域的任何技术人员能够实践本文描述的各个方面。本领域技术人员将容易明白本公开中通篇呈现的这些示例性实施方案的各种修改，并且本文公开的概念可以应用于铝合金。因此，权利要求书并不旨在限于整个公开内容中呈现的示例性实施方案，而是符合与语言权利要求一致的全部范围。对本领域普通技术人员来说是已知的或后来变得已知的本公开通篇描述的示例性实施方案的元素的所有结构和功能等效物，都旨在被权利要求书所涵盖。此外，无论权利要求书中是否明确记载了此类公开，本文所公开的任何内容均不旨在专供公众使用。任何权利要求要素不根据35usc.
§
112(f)或适用司法管辖区的类似法律的规定解释，除非要素使用短语“用于...的装置”明确表述，或者在方法权利要求的情况下，使用短语“用于...的步骤”表述要素。