用于制造混合構(gòu)件的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于制造混合構(gòu)件(11)的方法，其包括如下步驟：a)制造預(yù)制件(2)作為混合構(gòu)件(11)的第一部分，然后b)在該預(yù)制件(2)上由金屬粉末材料(12)通過加成制造工藝經(jīng)由能量束(14)掃描而連續(xù)集結(jié)構(gòu)件(11)的第二部分，從而c)在構(gòu)件(11)的第二部分的至少一部分的初級和次級方向上建立受控制的晶粒定向，d)其中，受控制的次級晶粒定向通過應(yīng)用特定的能量束(14)的掃描圖案來實現(xiàn)，所述掃描圖案與所述構(gòu)件(11)的橫截面剖面，或者與所述構(gòu)件(11)的局部負載條件對齊。
【專利說明】用于制造混合構(gòu)件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及耐高溫構(gòu)件的技術(shù)，尤其是用于燃氣渦輪的熱氣體路徑構(gòu)件。本發(fā)明涉及一種通過激光加成制造，例如選擇性激光熔化(SLM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)或電子束熔化(EBM)與傳統(tǒng)制造技術(shù)的結(jié)合而用于制造混合構(gòu)件，優(yōu)選地金屬混合構(gòu)件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對于金屬功能原型和金屬構(gòu)件的制造，加成制造已變?yōu)橐环N越來越具有吸引力的解決方案。目前已知曉SLM、SLS和EBM方法使用粉末材料作為基體材料。構(gòu)件或物件直接由粉末床生成。其它加成制造方法，例如激光金屬成形(LMF)、激光工程化凈成形(LENS)或直接金屬沉積(DMD)是局部地將材料熔化到現(xiàn)有部分上。這種新近生成的材料可作為線或粉末沉積，其中粉末沉積裝置沿著預(yù)定的路徑利用機器人或CNC機器而移動。利用SLM構(gòu)建的機械加工的預(yù)制件在現(xiàn)有技術(shù)中已知用于壓鑄，在壓鑄中使用了不銹鋼或其它已知的壓鑄合金。
[0003]圖1顯示了從現(xiàn)有技術(shù)中已知的基本的SLM布置10，其中三維物件(構(gòu)件)11通過連續(xù)地添加具有預(yù)定的層厚度d、面積和輪廓的粉末層12a，然后通過掃描的激光束14熔化粉末層從而制造，激光束來自激光裝置13，并受控制單元15的控制。
[0004]通常，一個層的掃描矢量在該層中是相互平行的(見圖2a)，或者被限定的區(qū)域(所謂的棋盤(chest board)圖案)在一個層的掃描矢量之間具有固定的角度(見圖3a)。在后續(xù)的層之間(意思是 在層η和層η+1之間；以及在層η+1和層η+2之間等等)，掃描矢量要么旋轉(zhuǎn)例如90°角度(見圖2b，3b)或不同于90°或n*90°的角度(見圖4a，4b)。迄今為止都是這樣做的(在物件的一個層內(nèi)，對于后續(xù)的層或某些圖案區(qū)域，例如棋盤使用交替的掃描器路徑)，從而取得關(guān)于由SLM制成的物件的良好品質(zhì)(最佳的部分/物件密度和幾何精度)。
[0005]在圖5中顯示了從現(xiàn)有技術(shù)水平已知的典型的SLM軌跡對準。
[0006]由于熔池中典型的溫度分布曲線和熔池附近所得的溫度梯度，這有利于更快地且優(yōu)選的垂直于粉末平面(X-Y平面)的晶粒生長。這導致了一種特征顯微結(jié)構(gòu)，其顯示了沿Z方向(=初級晶粒定向方向，結(jié)晶[001]方向)的伸長的晶粒。該方向垂直于X-Y平面。因此，沿Z方向延伸的第一樣本(見圖1)顯示了與X-Y平面(=次級晶粒定向方向，次級結(jié)晶方向)延伸的第二樣本不同的屬性，例如沿著Z方向的楊氏模量通常不同于粉末平面(X-Y平面)中的楊氏模量。
[0007]因此，基于粉末或其它加成制造技術(shù)的一個特征是在SLM粉末床處理期間由于已知的逐層集結(jié)(buildup)工藝和局部凝固條件而引起的材料屬性(例如楊氏模量、屈服強度、抗拉強度、低循環(huán)疲勞性能、蠕變)的強各向異性。
[0008]材料屬性的這種各向異性在若干應(yīng)用中可是個缺點。因此，本 申請人:已經(jīng)提交了兩個迄今未公布的專利申請，其揭示了通過加成激光制造技術(shù)所制造的構(gòu)件的各向異性材料性能可通過合適的“生成后”熱處理來減少，從而導致更為各向同性的材料屬性。[0009]在最近30多年期間，開發(fā)出了定向凝固(DS)和單晶體(SX)渦輪構(gòu)件，其通過熔模鑄造來生產(chǎn)，并且在例如初級和次級晶粒定向(垂直于初級生長方向)方面的低值，例如低楊氏模量值與熱機械負載條件對齊(alignment)。這種對齊在這里是通過應(yīng)用晶種和晶粒選擇器來提供的，并且已導致構(gòu)件性能和壽命的顯著增加。
[0010]然而，迄今為止這種控制初級結(jié)晶定向以及次級結(jié)晶定向的技術(shù)對于由SLM生產(chǎn)的部分/構(gòu)件而言是非公知的。
[0011]對于在單晶體(SX)基質(zhì)上利用生成性激光工藝所形成的沉積物的顯微結(jié)構(gòu)進行控制變得可能，一種被稱為激光外延金屬成形(E-LMF)的技術(shù)。這些方法可生產(chǎn)部分，其具有優(yōu)選的晶粒定向(DS-定向凝固)或缺乏晶粒邊界(SX-單晶體)。
[0012]隨著未來熱氣體路徑構(gòu)件的設(shè)計復雜性增加，通過鑄造實現(xiàn)這種SX或DS部分/構(gòu)件的經(jīng)濟性制造將變得越來越成問題，因為對于薄壁或雙壁構(gòu)件的鑄造成品率預(yù)期會下降。此外，激光外延金屬成形只能應(yīng)用于其中基體材料已具有單晶體定向的部分。
[0013]SLM技術(shù)由于其能夠直接從粉末床中生成非常精致設(shè)計的能力從而能夠制造高性能且形狀復雜的部分。
[0014]上述用于鑄造SX或DS構(gòu)件的顯微結(jié)構(gòu)的相似控制因而將極其有利于利用SLM技術(shù)或其它加成制造激光技術(shù)制造的部分和原型。楊氏模量的額外控制和對齊將進一步提高這種構(gòu)件的性能和應(yīng)用潛力。
[0015]因此本 申請人:已經(jīng)提交了迄今未公布的專利申請，其公開了一種用于通過加成制造，優(yōu)選地通過選擇性激光熔化(SLM)來制造金屬構(gòu)件/三維物件的方法，其具有改善的構(gòu)件屬性，其中該構(gòu)件的各向異性屬性可或者以有利的方式加以使用，或者可減少或避免各向異性，這依賴于該構(gòu)件的設(shè)計意圖。此外，描述了一種合適的方法，其利用局部熱機械負載條件來實現(xiàn)該物件的各向異性屬性的對齊。受控制的次級晶粒定向通過應(yīng)用特殊的能量束掃描圖案來實現(xiàn)。
[0016]不幸的是，加成制造例如SLM具有作為缺點的低構(gòu)建速率。由于長的工藝時間及相關(guān)聯(lián)的高制造成本和低至中等的批量生產(chǎn)的產(chǎn)量，這成為其商業(yè)成功的一個障礙。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0017]本發(fā)明的目的是克服上述缺點。因此，應(yīng)研究出一種用于制造具有優(yōu)化的屬性的混合構(gòu)件的方法，其同已知的方法相比具有提高的該工藝生產(chǎn)率并降低了單位構(gòu)件的成本。相對于已知的現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)件的使用壽命而言，所制造的構(gòu)件應(yīng)具有延長的使用壽命。
[0018]這一目的以及其它目的通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法來實現(xiàn)。
[0019]所公開的用于制造混合構(gòu)件的方法開始于預(yù)制件，混合構(gòu)件主要由鎳基合金、鈷基合金或鐵基超合金通過基于粉末的加成制造方法而制成，預(yù)制件通過制造方法，例如鑄造、鍛造或軋制，或通過燒結(jié)或通過單獨的加成制造工藝來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明制造的混合構(gòu)件具有改善的屬性。
[0020]本方法包括如下步驟
a)制造預(yù)制件作為混合構(gòu)件的第一部分，然后
b)在該預(yù)制件上由金屬基體材料通過加成制造工藝經(jīng)由能量束掃描而連續(xù)集結(jié)該構(gòu)件的第二部分，從而c)在該構(gòu)件的第二部分的至少一部分的初級和次級方向上建立受控制的晶粒定向，
d)其中，受控制的次級晶粒定向通過應(yīng)用特定的能量束的掃描圖案來實現(xiàn)，掃描圖案與所述構(gòu)件的橫截面剖面或與所述構(gòu)件的局部負載條件對齊。
[0021]用于構(gòu)件的第二部分的加成制造技術(shù)是選擇性激光熔化(SLM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、電子束熔化(EBM)、激光金屬成形(LMF)、激光工程化凈成形(LENS)、直接金屬沉積(DMD)或類似工藝。
[0022]預(yù)制件可優(yōu)選地通過鑄造、鍛造、軋制，或通過燒結(jié)，或通過生成性工藝例如SLM、EBM,LMF,或通過線EDM，或通過這些方法的兩種或多種組合制造。在優(yōu)選實施例中，預(yù)制件是SX或DS預(yù)制件。
[0023]根據(jù)本發(fā)明制造的構(gòu)件/物件具有受控制的次級結(jié)晶的晶粒定向，同根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平的加成制造方法制造的構(gòu)件相比，其導致金屬部分和原型的更高的壽命和操作性倉泛。
[0024]在該方法的優(yōu)選實施例中，在需要最小的楊氏模量值的地方，次級晶粒定向的主動控制通過放置掃描器路徑，使之與構(gòu)件方向交替地平行(第一層)和正交(下一層)等來實現(xiàn)。通常，最小楊氏模量的方向應(yīng)該是應(yīng)用最高的溫度機械負載的方向。
[0025]在另一實施例中，次級晶粒定向的控制通過改變后續(xù)層中的掃描器路徑方向來實現(xiàn)，其不會從n*90 °偏離超過15°，η是整數(shù)值。
[0026]此外，根據(jù)該方法的另一實施例，次級晶粒定向的優(yōu)選對齊只應(yīng)用于指定的子體積。
[0027]為了取得非明顯的次級晶粒定向，掃描器路徑在后續(xù)層中旋轉(zhuǎn)隨機角度，例如掃描矢量在各個層的各個島(island)內(nèi)是平行的，并且在各個后續(xù)層中旋轉(zhuǎn)63°。
[0028]該方法可特別用于制造具有復雜設(shè)計的熱氣體部分和原型。這種部分可在例如燃氣渦輪的第一渦輪級、壓縮機或燃燒器中找到。其一個優(yōu)點是，該方法可用于新部分的制造以及修整/修理工藝中。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，用于該構(gòu)件的第二部分的所述加成制造工藝是選擇性激光熔化(SLM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)或電子束熔化(EBM)中的一種，并且該方法包括如下步驟:
a)制造或至少預(yù)先機械加工出預(yù)制件；
b)生成添加到預(yù)制件上的體積的三維模型，繼之以切片工藝以計算橫截面；
c)然后將所述計算的橫截面?zhèn)魉椭翙C器控制單元；
d)提供該工藝所需的金屬粉末材料；
e)將預(yù)制件放置在工作室中，使得待加成制造的區(qū)域的界面平行于機器的粉末沉積平面；
f)確定預(yù)制件的精確位置和定向；
g)在預(yù)制件上制備具有規(guī)則且厚度均勻的粉末層；
h)根據(jù)儲存在控制單元中的三維模型通過用能量束掃描與所述構(gòu)件的橫截面相對應(yīng)的區(qū)域來執(zhí)行熔化，其中能量束以如下方式進行掃描，即，使得次級結(jié)晶的晶粒定向與構(gòu)件的設(shè)計意圖相匹配，或者與已知的預(yù)制件的主要結(jié)晶方向匹配；
i)將之前形成的橫截面的上表面降低一層厚度； j)重復從g)至i)的所述步驟，直至達到根據(jù)三維模型的最終橫截面；以及 k)可選地對所述構(gòu)件進行熱處理。
[0030]在本發(fā)明的一個實施例中，在步驟a)中，現(xiàn)存的預(yù)制件沿著優(yōu)選平面進行切割和/或機械加工，并且在該預(yù)機械加工的預(yù)制件上進行用于構(gòu)件的SLM集結(jié)的如下步驟b)至k)。
[0031 ] 能量束，例如高密度能量激光束，按照這樣一種特定的掃描圖案進行掃描，使得次級結(jié)晶的晶粒定向與構(gòu)件的設(shè)計意圖相匹配。
[0032]更具體地說，所述粉末的顆粒尺寸分布被調(diào)整至所述粉末層的層厚度，從而建立良好的可流動性，這是制備具有規(guī)則且厚度均勻的粉末層所需要的。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，粉末顆粒具有球形形狀。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，粉末的精確顆粒尺寸分布通過篩選和/或風選(吹氣分離)來獲得。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述粉末通過粉末冶金工藝，尤其是氣體霧化或水霧化、等離子體-旋轉(zhuǎn)-電極工藝或機械軋制中的一種來提供。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述金屬粉末材料是一種高溫鎳基、鈷基或鐵基合金或其組合。
[0037]具體地說，所述合金可包含精細分散的氧化物，尤其是Y2O3, Al2O3, ThO2, HfO2,ZrO2中的一種氧化物。
[0038]本發(fā)明的一個重要方面為如下事實，即優(yōu)選的顯微結(jié)構(gòu)不必在部分的整個體積中實現(xiàn)。相反，這種對齊對于不同區(qū)域可以以任意方式打開和關(guān)閉，這依賴于局部的機械完整性(MI)要求。這與熔模鑄造或E (外延)-LMF相比是個優(yōu)點，在熔模鑄造或E (外延)-LMF中，一旦外延的生長條件不再存在且等軸晶粒生長發(fā)生時，就丟失了顯微結(jié)構(gòu)的控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]現(xiàn)在將通過不同的實施例并參照附圖更仔細地解釋本發(fā)明。
[0040]圖1顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平用于SLM制造的基本布置，其可用于本發(fā)明；
圖2a，2b顯示了用于SLM制造的第一掃描策略(在相鄰層之間具有90°角度的交替掃描矢量);
圖3a，3b顯示了用于SLM制造的第二掃描策略(棋盤策略)；
圖4a至4d顯示了用于SLM制造的兩個額外的掃描策略(在相鄰層之間具有63°角度的交替掃描矢量或具有隨機角度)；
圖5顯示了從現(xiàn)有技術(shù)已知的典型的SLM軌跡對齊；
圖6顯示了在“剛構(gòu)建完(as built)”條件下所測量的，針對由哈司特鎳合金(Hastelloy)?X所制成的樣品對于兩種不同掃描策略在室溫和作為測試溫度的750° C下的楊氏模量值；
圖7a至7c顯示了在SX預(yù)制件上根據(jù)本發(fā)明的實施例進行SLM集結(jié)的不同設(shè)置；
圖8a至Sc顯示了在修整中制造渦輪葉片的三個主要階段，以及 圖9顯示了在預(yù)制件上利用匹配的次級晶粒定向通過SLM重建的頂端。
[0041]部件列表 10 SLM布置 11物件(3D)，構(gòu)件 12粉末層 13激光裝置 14激光束 15控制單元 2預(yù)制件
3具有對齊的掃描器路徑的SLM集結(jié) 3’具有非對齊的掃描器路徑的SLM集結(jié) d層厚度(粉末層)。
【具體實施方式】
[0042]如同上文中的現(xiàn)有技術(shù)所述，基于粉末的加成制造技術(shù)的一個特征是由于逐層集結(jié)工藝所引起的材料屬性的強各向異性。
[0043]已證明沿著Z方向的機械屬性不同于X-Y平面中的機械屬性，X-Y平面是粉末平面。沿著Z方向(構(gòu)建方向)的楊氏模量通常低于X-Y平面中的楊氏模量。這在圖6中有所顯示，該圖用于由哈司特鎳合金?X通過加成制造利用兩種不同的掃描策略而制成的樣品，其意味著兩種不同的掃描圖案，并且在室溫RT和在750°C的溫度下進行測試。楊氏模量在“剛構(gòu)建完”的條件下進行測量。由于基于粉末的物件生產(chǎn)和這些工藝中的能量束-材料相互作用的內(nèi)在高冷卻速率，該材料在化學成分方面是非常均質(zhì)的，并且原則上沒有偏析。另外，“剛構(gòu)建完”條件下的材料具有非常精細的顯微結(jié)構(gòu)(例如淀析物(precipitate)尺寸和晶粒尺寸)，同傳統(tǒng)的鑄造或鍛造超合金相比精細得多。對于掃描策略I，其始終獲得與不同掃描策略M相比顯著低的楊氏模量。這對于初級(Z方向)和次級定向(X-Y平面)以及兩個不同的測試溫度(室溫RT和750° C)來說的確如此。
[0044]關(guān)于[001]方向上的柱狀晶粒生長的觀測結(jié)果是眾所周知的。然而，相似的方向依賴性還存在于X-Y平面中。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)利用某些工藝設(shè)置，在次級平面(掃描器運動平面)中控制[001]生長是可行的。
[0045]在本 申請人:迄今未公布的單獨申請中已公開了具有受控制的初級和次級晶粒定向的選擇性激光熔化工藝/加成制造工藝的基本思想。
[0046]本申請的核心是對于混合組件/構(gòu)件也實現(xiàn)相似的控制，其中該構(gòu)件的第二部分的加成制造開始于作為該構(gòu)件的第一部分的機械加工的/制造的預(yù)制件。
[0047]根據(jù)本發(fā)明用于制造混合構(gòu)件11的方法包括如下步驟:
a)制造預(yù)制件2作為混合構(gòu)件11的第一部分，然后
b)在該預(yù)制件2上由金屬粉末材料12通過加成制造工藝經(jīng)由能量束14掃描而連續(xù)集結(jié)該構(gòu)件11的第二部分，從而
c)在該構(gòu)件11的第二部分的至少一部分的初級和次級方向上建立受控制的晶粒定
向，
d)其中，受控制的次級晶粒定向通過應(yīng)用特定的能量束14的掃描圖案來實現(xiàn)，掃描圖案與所述構(gòu)件11的橫截面剖面或與用于所述構(gòu)件11的局部負載條件相對齊。[0048]對于本發(fā)明基本的是次級晶粒定向與該構(gòu)件的特征負載條件對齊，例如遵循該構(gòu)件的橫截面剖面。
[0049]在所公開的方法的一個實施例中，在需要最小的楊氏模量值的地方，次級晶粒定向的主動控制通過放置掃描器路徑，使之與構(gòu)件方向交替地平行(第一層)和正交(下一層)以及在后續(xù)層中繼續(xù)來實現(xiàn)。
[0050]次級晶粒定向的控制還可通過改變后續(xù)層中的掃描器路徑方向來實現(xiàn)，其不會從n*90°上偏離超過15°，η是整數(shù)值。
[0051 ] 次級晶粒定向的優(yōu)選對齊只能應(yīng)用于指定的子體積。
[0052]預(yù)制件2可通過機械加工(例如通過鑄造、鍛造或軋制)，或通過燒結(jié)或通過生成性工藝，例如SLM、EBM、LMF或通過線EDM制造。其可由例如金屬材料或陶瓷材料制成。預(yù)制件2還可通過這些方法的兩種或多種組合制造。
[0053]混合構(gòu)件11可能是帶有金屬第一部分(預(yù)制件2)和金屬第二部分的完整金屬混合構(gòu)件，或者構(gòu)件11只是部分地由金屬材料制成，例如存在陶瓷預(yù)制件2作為第一部分以及構(gòu)件11的金屬第二部分。
[0054]用于該構(gòu)件的第二部分的所述加成制造技術(shù)尤其是選擇性激光熔化(SLM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)和電子束熔化(EBM)。所述基于粉末的加成制造技術(shù)可用于完整地或部分地集結(jié)例如燃氣渦輪葉片或?qū)~的物件，例如在預(yù)制件上集結(jié)葉冠。
[0055]當選擇性激光熔化SLM、選擇性激光燒結(jié)SLS或電子束熔化EBM用作用于該構(gòu)件的第二部分的加成制造技 術(shù)時，根據(jù)本發(fā)明的方法包括如下步驟:
a)制造或至少預(yù)先機械加工出預(yù)制件2；
b)生成添加到預(yù)制件2上的體積的三維模型，繼之以切片工藝以計算橫截面；
c)然后將所述計算的橫截面?zhèn)魉椭翙C器控制單元15；
d)提供該工藝所需要的金屬粉末材料；
e)將預(yù)制件2放置在工作室中，使得有待加成制造的區(qū)域的界面平行于機器的粉末沉積平面；
f)確定預(yù)制件2的精確位置和定向；
g)在預(yù)制件2上制備具有規(guī)則且厚度均勻的粉末層12；
h)根據(jù)儲存在控制單元15中的三維模型，通過用能量束14掃描與所述構(gòu)件的橫截面相對應(yīng)的區(qū)域來執(zhí)行熔化，其中能量束14以這樣一種方式進行掃描，即使得次級結(jié)晶的晶粒定向與構(gòu)件11的設(shè)計意圖相匹配，或者與已知的預(yù)制件2的主要結(jié)晶方向相匹配；
i)將之前形成的橫截面的上表面降低一層厚度d;
j)重復從g)至i)的所述步驟，直至達到根據(jù)三維模型的最終橫截面；以及 k)可選地對所述構(gòu)件11進行熱處理。
[0056]在一個實施例中，現(xiàn)有的預(yù)制件2沿著優(yōu)選平面進行切割和/或機械加工，并且在該預(yù)機械加工的預(yù)制件2上進行用于集結(jié)構(gòu)件11的第二部分的后續(xù)步驟。
[0057]用于加成制造工藝的粉末材料不需要具有與基體材料(預(yù)制件)相同的類型。例如In738LC粉末可用于生成新的預(yù)制件截面，預(yù)制件由不同的鎳基超合金，例如MK4制成。
[0058]圖7a、7b、7c顯示了利用混合金屬渦輪葉片組件的示例的不同設(shè)置，其中材料沉積在機械加工的揪樹截面上?？傊?，將發(fā)現(xiàn)該方法對于高負載的靜態(tài)或旋轉(zhuǎn)的渦輪部分是特別有用的，諸如葉片或?qū)~，但是也可設(shè)想應(yīng)用于混合熱屏蔽組件。
[0059]如果該方法應(yīng)用于傳統(tǒng)的鑄造預(yù)制件，那么SLM工藝與激光軌跡對齊，使得具有最小楊氏模量值的方向與構(gòu)件的最高熱機械負載對齊。
[0060]如果該方法應(yīng)用于單晶體預(yù)制件，則通過使掃描器路徑與已知的基質(zhì)的初級和次級定向?qū)R將實現(xiàn)熱物理屬性的最佳匹配(見圖7a)。如果后者是未知的，則其可通過局部拋光或腐蝕或者可選地通過X射線衍射技術(shù)來確定。
[0061]作為一個示例，預(yù)制件2可由相對較大塊的葉片的揪樹截面組成，其具有簡單的設(shè)計并可在沒有問題地情況下鑄造(見圖7)。預(yù)制件2在這里是SX預(yù)制件。通常，在SX鑄造工藝中不僅初級結(jié)晶方向，而且次級結(jié)晶方向都是受控制的。出于更好地圖示目的，在圖7中還顯示了這些方向。
[0062]然后將一個或多個預(yù)制件2放置在SLM工作室中，并通過3D物體識別技術(shù)或通過手動調(diào)準過程，利用預(yù)燒標記、激光指示器、在線照相機或這些工具和技術(shù)的組合來確定其精確位置。然后使掃描器矢量與次級結(jié)晶方向?qū)R，并在后續(xù)層中旋轉(zhuǎn)90° (或多個90° )。根據(jù)圖7a的構(gòu)件11示意性地顯示了在SX預(yù)制件2和具有對齊的掃描器路徑3的SLM集結(jié)之間的這種匹配的定向。
[0063]如果平面方向中的機械屬性的各向異性不再需要或必需時，可在垂直于集結(jié)方向的粉末沉積平面中恢復各向同性的機械屬性。這通過在后續(xù)層中為掃描器圖案簡單地選擇任意(隨機)的旋轉(zhuǎn)角度來實現(xiàn)(參見例如圖7b，C)。圖7b顯示了相對于SX預(yù)制件2具有未對齊的掃描器路徑3’的SLM集結(jié)，圖7c顯示了構(gòu)件11 (渦輪葉片)，其中在SX預(yù)制件2和部分3、3’之間，在匹配的和未匹配的次級定向之間具有階段(step)變化的SLM集結(jié)。 [0064]本發(fā)明可應(yīng)用于許多不同種類的金屬材料，然而，主要應(yīng)用范圍涉及Ni/Co/Fe基超合金。
[0065]其中一種目標應(yīng)用是混合組件，其中預(yù)制件2具有SX顯微結(jié)構(gòu)。利用本發(fā)明的方法，這種在負載最重區(qū)域中具有優(yōu)化的機械屬性的混合金屬構(gòu)件可在極具競爭性成本的條件下生產(chǎn)出來。不僅晶粒的初級結(jié)晶定向而且次級結(jié)晶定向都有利地與構(gòu)件的設(shè)計意圖和/或預(yù)制件2的主結(jié)晶軸線相匹配，從而導致延長的使用壽命。
[0066]本發(fā)明的另一重要方面是優(yōu)選的顯微結(jié)構(gòu)不必在由SLM生成部分的整個體積上實現(xiàn)。相反，這種對齊對于不同的區(qū)域可以以任意方式打開和關(guān)閉，這依賴于局部的機械完整性(MI)要求或構(gòu)件的需求。這與熔模鑄造或E-LMF相比是個優(yōu)點，在熔模鑄造或E-LMF中，一旦外延的生長條件不再存在且等軸晶粒生長已發(fā)生時，就丟失了顯微結(jié)構(gòu)的控制。
[0067]重要的是還要注意，該方法不僅可應(yīng)用于新的混合金屬組件的制造。相反其還可用于修整熱氣體路徑構(gòu)件，其中受損嚴重或磨損嚴重的區(qū)域用直接構(gòu)建于預(yù)制件2上的材料來替換，預(yù)制件2由原始的退役構(gòu)件的機械加工來取得。在圖8和圖9中顯示了這種情況。
[0068]圖8a、8b和Sc顯示了在修整過程中制造渦輪葉片的三個主要階段。在圖8a中將看到具有受損嚴重的頂端區(qū)域的退役的SX葉片，圖Sb顯示了根據(jù)本發(fā)明除去了受損的頂端區(qū)域的SX葉片-所得葉片主體現(xiàn)在是預(yù)制件2。圖Sc顯示了具有由SLM重建的頂端的混合構(gòu)件11，頂端具有匹配的晶粒定向。這還可從圖9中看出，圖中示意性地顯示了用于相鄰的層η及層η+1的掃描矢量。在該示例中，在后續(xù)層的掃描矢量之間存在90°的角度。[0069]根據(jù)本發(fā)明的預(yù)制件2在加成材料集結(jié)之前不暴露于渦輪機械的操作條件下，或者可已通過退役的渦輪構(gòu)件的機械加工而取得預(yù)制件2。
[0070]新添加的材料可復制退役構(gòu)件的原設(shè)計，或者新添加的材料可集結(jié)與原始的退役構(gòu)件具有不同設(shè)計的組件。
[0071]用于粉末的選擇性熔化的掃描器運動的程序化設(shè)計以這樣一種方式完成，即使其平衡輸入粉末床中的熱量，并導致熱條件有利于對初級和次級晶粒定向的所需控制。
[0072]優(yōu)選地，工藝監(jiān)測系統(tǒng)(熱感照相機或高溫計)用于確保粉末床的表面上的溫度分布有利于對初級和次級晶粒定向的所需控制。
[0073]基本的是，不僅晶粒的初級結(jié)晶定向，而且次級結(jié)晶定向有利地與構(gòu)件的設(shè)計意圖相匹配，從而導致延長的使用壽命。
[0074]在需要最小的楊氏模量值的地方，次級晶粒定向的主動控制通過將掃描器路徑相對構(gòu)件方向進行平行和正交地放置來實現(xiàn)。在不同層中的掃描器路徑方向的角度變化必須是90°或該值的倍數(shù)(見圖2a，2b)。在后續(xù)層中的掃描器路徑方向中從n*90°偏離不超過15°的變化也是適用的，其中η是整數(shù)值。
[0075]通過使用掃描矢量 還可排除優(yōu)選的次級定向(實現(xiàn)一種非明顯的次級定向)，這種掃描矢量在各個層的各個島中是平行的，并且在各個后續(xù)層中旋轉(zhuǎn)例如63°的角度(見圖4a、4b)或使用隨機角度(見圖4c、4d)，從而改變在各個島和各個層內(nèi)的掃描方向。作為一個示例，在后續(xù)層中可執(zhí)行掃描圖案63°的旋轉(zhuǎn)，從而獲得非明顯的次級定向。
[0076]優(yōu)選的顯微結(jié)構(gòu)不需要在構(gòu)件的整個體積上實現(xiàn)。相反，這種對齊對于不同的區(qū)域可以以任意方式打開和關(guān)閉，這依賴于局部的機械完整性(MI)要求。這與熔模鑄造或E-LMF相比是個優(yōu)點，在熔模鑄造或E-LMF中，一旦外延的生長條件不再存在且等軸晶粒生長發(fā)生時，就丟失了顯微結(jié)構(gòu)的控制。
[0077]優(yōu)選地，用于這種SLM、SLS或EBM工藝的粉末的顆粒尺寸分布被調(diào)整至層厚度d，從而具有良好的可流動性，這對于制備具有規(guī)則且厚度均勻d的粉末層是必需的。
[0078]優(yōu)選地，用于這種工藝的粉末顆粒具有球形形狀。精確的粉末顆粒尺寸分布可通過篩選和/或風選(吹氣分離)來取得。此外，該粉末可通過氣體霧化或水霧化、等離子體-旋轉(zhuǎn)-電極工藝、機械軋制和相似的粉末冶金過程來獲得。
[0079]在其它情況下，可使用懸浮液來替代粉末。
[0080]當所述耐高溫材料是鎳基合金時，可使用多種可購買的合金，例如Waspaloy?、哈司特鎳合金 ?x、IN617?、IN718?、IN625?、Mar_M247?、IN100?、IN738?、1N792?、Mar_M200?、B1900?、RENE 80?、合金 713?、Haynes 230?、Haynes 282? 或其它派生物。
[0081]當所述高溫材料是鈷基合金時，可使用多種可購買的合金，例如FSX 414?、X_40?、X-45?、Mar-M509? 或 Mar_M302?。
[0082]當所述高溫材料是鐵基合金時，可使用多種可購買的合金，例如A286?、合金800H?、N155?、S590?、合金 802?、Incoloy MA956?、Incoloy MA957? 或 PM2000?。
[0083]例如AlNiFe基合金也是合適的。
[0084]特別地，這些合金可包含精細分散的氧化物，例如Y2O3, Al2O3, ThO2, HfO2, Zr02。
[0085]在一個優(yōu)選的實施例中，利用根據(jù)本發(fā)明的方法所制造的混合構(gòu)件11是用于渦輪機械的葉片或?qū)~。葉片/導葉包括帶有剖面的翼型。次級晶粒定向的對齊與翼型剖面相匹配，并且這種次級晶粒定向的對齊逐漸且連續(xù)地適應(yīng)翼型的形狀。這將導致非常好的機械和疲勞屬性。
[0086]如果預(yù)制件2具有單晶體(SX)顯微結(jié)構(gòu)，那么構(gòu)件11的第二部分-此處為翼型-可按照添加材料的次級晶粒定向來生成，其與單晶體預(yù)制件2的主結(jié)晶定向?qū)R。
[0087]在一個不同的實施例中，混合金屬構(gòu)件11包括預(yù)制件2，其具有無優(yōu)選晶粒定向的各向同性的顯微結(jié)構(gòu)，并且只有構(gòu)件11的第二部分具有初級和次級晶粒定向。
[0088]如果根據(jù)本發(fā)明的混合金屬構(gòu)件11具有帶各向同性和各向異性屬性的區(qū)域/部分，那么在這些部分之間可存在一個或多個過渡區(qū)域。
【權(quán)利要求】
1.一種用于制造混合構(gòu)件(11)的方法，其包括如下步驟: a)制造預(yù)制件(2)作為所述混合構(gòu)件(11)的第一部分，然后 b)在所述預(yù)制件(2)上由金屬粉末材料(12)通過加成制造工藝經(jīng)由能量束(14)掃描而連續(xù)集結(jié)所述構(gòu)件(11)的第二部分，從而 c)在所述構(gòu)件(11)的第二部分的至少一部分的初級和次級方向上建立受控制的晶粒定向， d)其中，所述受控制的次級晶粒定向通過應(yīng)用特定的能量束(14)的掃描圖案來實現(xiàn)，所述掃描圖案與所述構(gòu)件(11)的橫截面剖面或與所述構(gòu)件(11)的局部負載條件對齊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在需要最小的楊氏模量值的地方，所述次級晶粒定向的控制通過在后續(xù)層中將所述掃描器路徑相對所述構(gòu)件(11)的方向進行平行和正交地放置來實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述次級晶粒定向的控制通過改變后續(xù)層中的掃描器路徑方向來實現(xiàn)，其不會從n*90°上偏離超過15°，η是整數(shù)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項所述的方法，其特征在于，所述次級晶粒定向的優(yōu)選對齊只應(yīng)用于指定的子體積。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，為了取得非明顯的次級晶粒定向，使所述掃描器路徑在后續(xù)層中旋轉(zhuǎn)隨機角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，為了取得非明顯的次級晶粒定向，所述掃描矢量在各個層的各個島內(nèi)是平行的，并且在各個后續(xù)層中旋轉(zhuǎn)某一角度，所述角度從η*90°偏離不超過15°，其中η是整數(shù)值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)制件(2)通過鑄造、鍛造、軋制或燒結(jié)制造。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)制件(2)通過生成性工藝，諸如SLM、EBM、LMF或通過線EDM制造。
9.根據(jù)權(quán)利要求7和8所述的方法，其特征在于，所述預(yù)制件(2)通過這些方法中的兩種或多種的組合機械加工。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至4和7至9中的任一項所述的方法，其特征在于，用于所述構(gòu)件(11)的第二部分的所述加成制造工藝是選擇性激光熔化(SLM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)或電子束熔化(EBM)中的一種，且所述方法包括如下步驟: a)制造或至少預(yù)先機械加工出預(yù)制件(2); b)生成添加到所述預(yù)制件(2)上的體積的三維模型，繼之以切片工藝以計算所述橫截面； c)然后將所述計算的橫截面?zhèn)魉椭翙C器控制單元(15)； d)提供所述工藝所需的金屬粉末材料； e)將所述預(yù)制件放置在工作室中，使得待加成制造的區(qū)域的界面平行于所述機器的粉末沉積平面； f)確定所述預(yù)制件(2)的精確位置和定向； g)在所述預(yù)制件(2)上制備具有規(guī)則且厚度均勻的粉末層(12)； h)根據(jù)儲存在所述控制單元(15)中的三維模型，通過用能量束(14)掃描與所述構(gòu)件的橫截面相對應(yīng)的區(qū)域來執(zhí)行熔化操作，其中，所述能量束(14)以如下方式進行掃描，即使得所述次級結(jié)晶的晶粒定向與所述構(gòu)件(11)的設(shè)計意圖相匹配，或者與已知的所述預(yù)制件(2)的主要結(jié)晶方向相匹配； i)將之前形成的橫截面的上表面降低一層厚度(d)； j)重復從g)至i)的所述步驟，直至達到根據(jù)所述三維模型的最終橫截面；以及 k)可選地對所述構(gòu)件(11)進行熱處理。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在步驟a)中，現(xiàn)有的預(yù)制件沿著優(yōu)選平面進行切割和/或機械加工，并且在該預(yù)機械加工的預(yù)制件(2)上進行用于集結(jié)所述構(gòu)件(11)的第二部分的后續(xù)步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述粉末的顆粒尺寸分布被調(diào)整至所述粉末層(12)的層厚度(d)，從而建立良好的可流動性，這是制備具有規(guī)則且厚度均勻(d)的粉末層(12)所需要的。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述粉末顆粒具有球形形狀，并且所述粉末的精確顆粒尺寸分布通過篩選和/或風選(吹氣分離)而取得。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述粉末通過粉末冶金工藝，尤其氣體霧化或水霧化、等離子體-旋轉(zhuǎn)-電極工藝或機械軋制中的一種來提供。
15.根據(jù)權(quán)利要 求10所述的方法，其特征在于，所述加成制造工藝使用懸浮液來替代粉末。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15中的任一項所述的方法，其特征在于，所述金屬材料是高溫鎳基合金、鈷基合金、鐵基合金中的一種或其組合。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述合金包含精細分散的氧化物，尤其是 Y2O3> Al2O3' Th02、HfO2, ZrO2 的一種。
18.—種混合構(gòu)件(11)，其包括作為第一部分的預(yù)制件(2)和通過加成制造所集結(jié)的至少第二金屬部分，其特征在于，所述構(gòu)件(11)通過根據(jù)權(quán)利要求1-17中的任一項所述的方法制造。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的混合構(gòu)件(11)，其特征在于，所述構(gòu)件(11)是燃氣渦輪的壓縮機、燃燒器或渦輪區(qū)段的一部分，優(yōu)選地葉片、導葉或隔熱罩。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的混合構(gòu)件(11)，其特征在于，所述構(gòu)件(11)包括具有一定剖面的翼型，其中，所述次級晶粒定向的對齊與所述翼型的剖面匹配，而且其逐漸且連續(xù)地與所述翼型的形狀相適應(yīng)。
21.根據(jù)權(quán)利要求18至20中的任一項所述的混合構(gòu)件(11)，其特征在于，所述預(yù)制件(2)具有單晶體(SX)顯微結(jié)構(gòu)，并且所述構(gòu)件(11)的第二部分具有所述添加材料的次級晶粒定向，其與所述單晶體預(yù)制件(2)的主結(jié)晶定向?qū)R。
22.根據(jù)權(quán)利要求18至20中的任一項所述的混合構(gòu)件(11)，其特征在于，所述預(yù)制件(2)具有無優(yōu)選晶粒定向的各向同性的顯微結(jié)構(gòu)，并且所述構(gòu)件(11)的第二部分具有初級和次級晶粒定向。
23.根據(jù)權(quán)利要求18至22中的任一項所述的混合構(gòu)件(11)，其特征在于，所述次級晶粒定向的對齊與所述部分的局部負載條件相匹配。
24.根據(jù)權(quán)利要求18至23中的任一項所述的混合構(gòu)件(11)，其特征在于，所述構(gòu)件(11)在帶有各向同 性和各向異性屬性的區(qū)域之間具有一個或多個過渡區(qū)域。
【文檔編號】B22F7/08GK104014799SQ201410071485
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月28日
【發(fā)明者】M.霍伊貝, T.伊特, M.康特, J.舒爾布 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司