CN103846437A - 通过增材激光制造来制造金属部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及完全或部分制造三维金属制品/部件(11)的方法，所述方法包括以下步骤：a)通过用能量束(14)扫描，由增材制造方法从金属基础材料(12)连续建造所述制品/部件(11)，从而b)在制品/部件(11)的第一方向和第二方向上建立受控的晶粒取向，c)其中第二晶粒取向通过应用能量束(14)的特定扫描图案而实现，所述第二晶粒取向与所述制品/部件(14)的横截剖面匹配或者与制品/部件(11)的特征负荷条件匹配。

Description

通过增材激光制造来制造金属部件的方法
发明背景
本发明涉及耐高温部件的技术，尤其是用于燃气涡轮的热气路径部件。本发明涉及通过增材制造(additive manufacturing)技术制造金属部件/三维制品的方法，例如选择性激光熔融(SLM)、选择性激光烧结(SLS)或电子束熔融(EBM)。
现有技术
增材制造已成为制造金属功能原型和部件的越来越有吸引力的解决方案。已知SLM、SLS和EBM方法用粉末材料作为基础材料。部件或制品直接从粉末床产生。其它增材制造方法，例如激光金属成形(LMF)、激光工程化净成形(LENS)或直接金属沉积(DMD)使材料局部熔融到现有部分上。这种新产生的材料可沉积为线或粉末，其中粉末沉积装置沿着预定路径连同自动机或CNC机移动。
图1显示现有技术已知的基本SLM布置10，其中三维制品(部件)11通过以下制造：连续增加具有预定的层厚度d、面积和轮廓的粉末层12，然后通过来自激光装置13并由控制单元15控制的扫描激光束14熔融所述粉末层12。
通常，一个层的扫描矢量在该层内彼此平行(见图2a)，或者在一个层内，限定的区域(所谓箱板(chest board)图案)具有扫描矢量之间的固定角度(参见图3a)。在后继的层之间(这是指在层n和层n+1之间，在层n+1和层n+2之间，等等)，扫描矢量旋转例如90°的角度(参见图2b，3b)或不同于90°或n*90°的角度(参见图4a，4b)。对于由SLM制造的制品，目前为止这样做(对于后继的层或对于制品一个层内的图案的特定区域，例如箱板，使用交替的扫描器路径)是为了得到良好品质(最佳的部件/制品密度和几何精度)。
目前本领域已知的典型SLM轨道布置（track alignment）显示于图5中。
由于熔融池中的典型温度曲线和熔融池邻近所得的热梯度，垂直于粉末平面(x-y平面)的较快和优选的晶粒生长是有利的。这得到在z方向(=第一晶粒取向方向，晶体学[001]方向)上显示伸长晶粒的特征微结构。此方向垂直于x-y平面。因此，以z方向延伸的第一样品(见图1)显示不同于在x-y平面(=第二晶粒取向，第二晶体学方向)内延伸的第二样品的性质，例如，沿z方向的杨氏模量一般不同于在粉末平面(x-y平面)内的杨氏模量。
因此，基于粉末的技术或其它增材制造技术的一个特征特点是材料性质(例如，杨氏模量、屈服强度、拉伸强度、低循环疲劳性能、蠕变)的强烈各向异性，这归因于已知的在SLM粉末床处理期间的逐层建造（layer-wise build-up）方法和局部固化条件。
材料性质的这种各向异性可能在若干应用中为缺点。因此，申请人已提交两个目前为止未公布的专利申请，其披露了通过增材激光制造技术制造的部件的各向异性材料性质可通过适当的“构建后”热处理来减小，得到更各向同性的材料性质。
在最近三十年间，已开发定向固化(DS)和单晶(SX)的涡轮部件，所述部件通过熔模铸造来制造，其中在第一和第二晶粒取向(垂直于第一生长方向)上例如杨氏模量的低值与热机械负荷条件匹配(align)。在此，这种匹配通过施用晶种和晶粒选择剂（grain selector）而提供，结果是部件性能和寿命的显著提高。
然而，对于通过SLM生产的零件/部件，迄今未知控制第一和第二晶体学取向的那些技术。
用发生性激光方法(称为外延激光金属成形(E-LMF)的技术)控制在单晶(SX)基体上形成的沉积物的微结构也已经变得可能。这些方法可生产具有优选晶粒取向(DS)或无晶粒边界(SX)的部件。
随着将来的热气路径部件提高的设计复杂性，当薄壁或双壁部件的铸造产量预期下降时，通过铸造而经济地制造这些SX或DS零件/部件将变得越来越成问题。另外，外延激光金属成形仅可适用于其中基础材料已具有单晶取向的部件。
由于其直接从粉末床产生很复杂的设计的能力，SLM技术能够制造高性能和复杂成形的部件。因此，如上所述对铸造SX或DS部件的微结构的类似控制高度有益于用SLM技术或其它增材制造激光技术制造的部件和原型。对杨氏模量的额外控制和匹配会进一步提高这些部件的性能和应用潜力。
发明概述
本发明的一个目的是公开一种通过增材制造方法完全或部分制造具有改进性质的金属部件/三维制品的方法，根据部件的设计意图，在其中可按照有利的方式使用各向异性性质，或者在其中可减小或避免各向异性。本发明的又一个目的是公开一种适合的方法，其实现使所述制品的各向异性性质与局部热机械负荷条件匹配。
通过权利要求1的方法达到这个和其它目的。
本发明公开对金属部件/三维制品(例如，部件所用的试件(coupon)、***件(insert))的晶粒的第二晶体学取向的控制，所述金属部件/三维制品由通过增材制造技术处理的基于Ni、Co或Fe的超合金制成。为此，在制品制造期间适当布置扫描器路径是重要的。
有利的是控制所制造的材料的微结构并利用这种特征性的材料各向异性。
本发明基于发现能够通过扫描和建造控制来控制第二晶体取向。
根据本发明制造的部件/制品具有受控的第二晶体学晶粒取向，与根据本领域目前的增材制造方法制造的部件相比，这导致金属部件和原型的更高寿命和操作性能。
用于完全或部分制造三维金属制品/部件的本发明的方法包括以下步骤：
a) 通过用能量束扫描，由增材制造方法从金属基础材料连续建造所述制品/部件，从而
b) 在制品/部件的第一方向和第二方向上建立受控的晶粒取向，
c) 其中第二晶粒取向通过应用能量束的特定扫描图按而实现，所述第二晶粒取向与所述制品/部件的横截剖面匹配或者与制品/部件的局部负荷条件匹配。
在本方法的优选实施方案中，在期望杨氏模量的最小值之处，通过将扫描器路径布置为交替地与部件的方向平行(在第一层)和垂直(在下一层)等等，实现对第二晶粒取向的有效控制。
本方法可尤其用于制造具有复杂设计的小至中尺寸的热气路径部件和原型。这些部件可例如存在于燃气涡轮的第一涡轮级中、压缩机中或燃烧器中。一个优势为，本方法可用于新部件制造并且可用于修复/修理过程中。
根据本发明的一个实施方案，所述增材制造方法为以下之一：选择性激光熔融(SLM)、选择性激光烧结(SLS)或电子束熔融(EBM)，并且使用粉末形式的金属基础材料。
具体地讲，所述SLM或SLS或EBM方法包括以下步骤：
a) 产生所述制品的三维模型，随后为切片过程以计算横截面；
b) 随后，将所述计算的横截面传送到机器控制单元(15)；
c) 提供该过程需要的所述基础材料的粉末；
d) 在基板上或在先前处理的粉末层上制备具有固定和均匀厚度的粉末层(12)；
e) 与根据所述控制单元(15)中储存的三维模型的所述制品的横截面相对应，通过用能量束(14)扫描来进行熔融；
f) 使先前形成的横截面的上表面降低一个层厚度(d)；
g) 重复所述步骤d)至f)，直至达到根据所述三维模型的最后横截面；和
h) 任选加热处理所述三维制品(11)，其中
在步骤e)中，所述能量束以一定方式扫描，使得：
- 扫描矢量在后继的层之间或在层的每个特定区域(岛)之间垂直，从而建立特定的期望的第二晶体学晶粒取向，或者
- 扫描矢量在后继的层之间或在层的每个特定区域(岛)之间具有随机角度，从而不建立特定的第二晶体学晶粒取向。
能量束，例如高密度能量激光束，以特定扫描图案扫描，使得第二晶体学晶粒取向与部件的设计意图匹配。
更具体地讲，为了建立制备具有固定和均匀厚度的粉末层所需的良好流动性，针对所述粉末层的层厚度调节所述粉末的晶粒尺寸分布。根据本发明的另一个实施方案，粉末晶粒具有球形形状。
根据本发明的另一个实施方案，通过筛分和/或风选(空气分离)得到粉末的精确的晶粒尺寸分布。
根据本发明的另一个实施方案，通过粉末冶金学的方法提供所述粉末，具体为以下之一：气体或水雾化、等离子旋转电极方法或机械研磨。
根据本发明的另一个实施方案，所述金属基础材料为高温Ni基合金。
根据本发明的另一个实施方案，所述金属基础材料为高温Co基合金。
根据本发明的另一个实施方案，所述金属基础材料为高温Fe基合金。
具体地讲，所述合金可包含精细分散的氧化物，具体为以下之一：Y2O3、AlO3、ThO2、HfO2、ZrO2。
本发明的重要方面是优选的微结构不必在部件的整个体积内实施的事实。相反，可根据局部机械完整性(MI)的需要，对不同区域以任意方式开启和关闭所述匹配。与熔模铸造或E(外延)-LMF比较这是一个优势，在熔模铸造或E-LMF中，一旦外延生长条件不再存在，并且已发生等轴晶粒生长，则失去微结构控制。
附图简述
现在通过不同的实施方案并参考附图更准确地解释本发明。
图1显示根据本领域目前的SLM制造的基本布置，其可用于本发明。
图2a、2b显示用于SLM制造的第一扫描策略(在相邻层之间具有90°角度的交替扫描矢量)；
图3a、3b显示用于SLM制造的第二扫描策略(箱板策略)；
图4a至4c显示用于SLM制造的两种另外的扫描策略(在相邻层之间具有63°角度或具有随机角度的交替扫描矢量)；
图5显示本领域目前已知的典型SLM轨道布置。
图6显示，对于由Hastelloy® X制备的样品，对两种不同扫描策略，以室温和750℃作为试验温度，在“建成（as built）”条件下检测的杨氏模量值；和
图7显示在刻蚀条件下的Ni基超合金的光学显微相片，以及从电子背散射衍射(EBSD)扫描得到的取向图。
附图标记列表
10 　　SLM布置
11 　　制品(3D)，部件
12 　　粉末层
13 　　激光装置
14 　　激光束
15 　　控制单元
d　　　层厚度(粉末层)。
本发明不同实施方案的详述
如以上在现有技术中所述，基于粉末的增材制造技术的一个特征特点是由逐层建造方法产生的材料性质的强烈各向异性。
已证明，沿z方向的机械性质不同于x-y平面(为粉末平面)内的机械性质。沿z方向(建造方向)的杨氏模量一般低于x-y平面内的杨氏模量。这显示于图6中，图6关于用两种不同扫描策略(意味着两种不同的扫描图案)通过增材制造的由Hastalloy® X制成的样品，其在室温RT和750℃温度下试验。杨氏模量在“建成”条件下测量。由于在这些方法中基于粉末的制品生产和能量束-材料相互作用的固有高冷却速率，所述材料就化学组成而言很均匀，并且基本没有偏析。另外，在“建成”条件下的材料具有很细的微结构(例如，沉淀物和晶粒尺寸)，比常规铸造或锻造的超合金细得多。与不同的扫描策略M比较，利用扫描策略I总是得到显著更低的杨氏模量。这对于第一取向(z方向)和第二取向(x-y平面)两者均成立，对于两个不同的试验温度(室温RT和750℃)也成立。
对于在[001]方向上柱形晶粒生长的观察是众所周知的。然而，类似的方向相关性也存在于x-y平面中。已发现，利用特定的过程装置，可在第二平面(扫描器移动平面)内控制[001]生长。
用于制造三维金属制品/部件的本发明的方法包括以下步骤：
a) 通过用能量束扫描，由增材制造方法从金属基础材料连续建造所述制品/部件，从而
b) 在制品/部件的第一方向和第二方向上建立受控的晶粒取向，
c) 其中第二晶粒取向通过应用能量束的特定扫描图按而实现，所述第二晶粒取向与所述制品/部件的横截剖面匹配或者与制品/部件的局部负荷条件匹配。
对于本发明，第二晶粒取向与部件的特征负荷条件匹配（例如，沿着部件横截剖面）是重要的。
在公开方法的一个实施方案中，在期望杨氏模量的最小值之处，通过将扫描器路径布置为在后续的层中交替地与部件的方向平行(在第一层)和垂直(在下一层)等等，实现对第二晶粒取向的有效控制。
所述增材制造技术尤其为选择性激光熔融(SLM)、选择性激光烧结(SLS)和电子束熔融(EBM)。可用所述基于粉末的增材制造技术完全或部分地建造制品，例如，燃气涡轮的叶片或叶轮，例如叶冠建造。制品也可以为例如用于整个部件的修理过程的***件或试件。
在用选择性激光熔融SLM、选择性激光烧结SLS或电子束熔融EBM作为增材制造技术时，本发明的方法包括以下步骤：
a) 产生所述制品的三维模型，随后为切片过程以计算横截面；
b) 随后，将所述计算的横截面传送到机器控制单元(15)；
c) 提供该过程需要的所述基础材料的粉末，例如Ni基超合金的粉末；
d) 在基板上或在先前处理的粉末层上制备具有固定和均匀厚度的粉末层(12)；
e) 与根据所述控制单元(15)中储存的三维模型的所述制品的横截面相对应，通过用能量束(14)扫描来进行熔融；
f) 使先前形成的横截面的上表面降低一个层厚度(d)；
g) 重复所述步骤d)至f)，直至达到根据所述三维模型的最后横截面；和
h) 任选加热处理所述三维制品(11)，其中
在步骤e)中，所述能量束以一定方式扫描，使得：
- 扫描矢量在每个后继层之间或在层的每个特定区域(岛)之间垂直，从而建立特定的期望的第二晶体学晶粒取向，或者
- 扫描矢量在每个后继层之间或在层的每个特定区域(岛)之间具有随机角度，从而不建立特定的第二晶体学晶粒取向。
图7显示在刻蚀条件下Ni基超合金的光学显微相片和从电子背散射衍射(EBSD)扫描得到的取向图。另外，相对于建造方向z显示由EBSD得到的优选晶体取向，表示为极图(001)和反极图。所有取向图通过用相对于建造方向z的标准反极图(IPF)色键来着色。可以看到，晶粒不仅显示沿z轴的优选取向而且显示在x-y平面内的优选取向。另外，第二晶体学晶粒取向相应于所应用的激光移动(例如，在x-y平面内45°)。
利用这种定制的SLM建造方法，可制造在最重负荷区域内具有优化机械性能的部件，例如燃气涡轮叶片。为此目的，使具有杨氏模量最小值的方向与叶片的负荷条件匹配。
重要的是，不仅使晶粒的第一晶体学取向，而且使晶粒的第二晶体学取向有利地与部件的设计意图匹配，导致产生延长的服务寿命。
在期望杨氏模量的最小值之处，通过将扫描器路径布置为与部件的方向平行和垂直，实现对第二晶粒取向的有效控制。在不同层中扫描器路径方向的角度变化必须总是为90°或此值的倍数(参见图2a、2b)。
本发明涉及发现使用在每个层之间或在层的每个特定区域(岛)之间垂直的扫描矢量来建立第二晶体学取向。
也可通过使用扫描矢量消除优选的第二取向(得到不显著的第二取向)，所述扫描矢量在每个层的每个岛内平行并且在每个后继的层内旋转例如63°角度(参见图4a、4b)或者使用随机角度(参见图4c、4d)改变每个岛内和每个层内的扫描方向。用于不显著的第二取向的最佳扫描图案为63°/xx°。
本发明的一个重要方面是优选的微结构不必在部件的整个体积中实施的事实。相反，可根据局部机械完整性(MI)需要，对不同区域以任意方式开启和关闭所述匹配。这与熔模铸造或E-LMF比较是一个优势，在熔模铸造或E-LMF中，一旦外延生长条件不再存在，并且已发生等轴晶粒生长，则失去微结构控制。
优选地，针对层厚度d调节在此SLM、SLS或EBM方法中使用的粉末的晶粒尺寸分布，以具有良好的流动性，这是制备具有固定和均匀厚度d的粉末层所需的。
优选地，在此方法中使用的粉末的粉末晶粒具有球形形状。通过筛分和/或风选(空气分离)，可得到粉末的精确的晶粒尺寸分布。另外，通过气体或水雾化、等离子旋转电极方法、机械研磨和类似的粉末冶金学的方法，可得到粉末。
在其它情况下，可用悬浮体代替粉末。
在所述高温材料为Ni基合金时，可使用多种市售可得的合金，例如Waspaloy®、Hastelloy® X、IN617®、IN718®、IN625®、Mar-M247®、IN100®、IN738®、1N792®、Mar-M200®、B1900®、RENE 80®、Alloy 713®、Haynes 230®、Haynes 282®或其它衍生物。
在所述高温材料为Co基合金时，可使用多种市售可得的合金，例如FSX 414®、X-40®、X-45®、MAR-M 509®或MAR-M 302®。
在所述高温材料为Fe基合金时，可使用多种市售可得的合金，例如A 286®、Alloy 800 H®、N 155®、S 590®、Alloy 802®、Incoloy MA 956®、Incoloy MA 957®或PM 2000®。
这些合金尤其可包含精细分散的氧化物，例如Y2O3、AlO3、ThO2、HfO2、ZrO2。
在一个优选的实施方案中，用本发明的方法制造的部件为用于涡轮机的叶片或叶轮。叶片/叶轮包括具有一定剖面的翼片。第二晶粒取向的匹配与翼片剖面相配，并且第二晶粒取向的匹配逐渐并连续地适配于翼片的形状。这产生很好的机械和疲劳性质。
总结：
机械试验和微结构评估已显示，通过SLM方法或通过其它增材制造方法建造的样品具有强烈的各向异性性能。通过扫描和控制能量束，使得第二结晶学晶粒取向与部件设计意图匹配(与特征负荷条件匹配)，可生产在最重负荷区域具有优化机械性能的部件。为此目的，使具有杨氏模量最小值的方向与部件的负荷条件匹配。

Claims (15)

1. 完全或部分制造三维金属制品/部件(11)的方法，所述方法包括以下步骤：
a)通过用能量束(14)扫描，由增材制造方法从金属基础材料(12)连续建造所述制品/部件(11)，从而
b)在所述制品/部件(11)的第一方向和第二方向上建立受控的晶粒取向，
c)其中所述受控的晶粒取向通过应用能量束(14)的特定扫描图案而实现，所述受控的晶粒取向与所述制品/部件(14)的横截剖面匹配或者与所述制品/部件(11)的局部负荷条件匹配。
2. 权利要求1的方法，其特征在于，在期望杨氏模量的最小值之处，通过将扫描器路径布置为在后继的层中交替地与所述部件(11)的方向平行和垂直，实现对所述第二晶粒取向的控制。
3. 权利要求1的方法，其特征在于为了实现不显著的第二晶粒取向，在后继的层中使所述扫描器路径旋转随机角度。
4. 权利要求1的方法，其特征在于为了实现不显著的第二晶粒取向，扫描矢量在每个层的每个岛内平行，并且在每个后继的层中旋转63°。
5. 权利要求1-4中的一项的方法，其特征在于所述增材制造方法为以下之一：选择性激光熔融(SLM)、选择性激光烧结(SLS)或电子束熔融(EBM)，特征在于使用粉末形式的金属基础材料，且所述方法包括以下步骤：
a) 产生所述制品的三维模型，随后为切片过程以计算横截面；
b) 随后，将所述计算的横截面传送到机器控制单元(15)；
c) 提供该过程需要的所述基础材料的粉末；
d) 在基板上或在先前处理的粉末层上制备具有固定和均匀厚度的粉末层(12)；
e) 通过用能量束(14)扫描与根据所述控制单元(15)中储存的三维模型的所述制品横截面相对应的区域来进行熔融；
f) 使先前形成的横截面的上表面降低一个层厚度(d)；
g) 重复所述步骤c)至f)，直至达到根据所述三维模型的最后横截面；和
h) 任选加热处理所述三维制品(11)，其中
在步骤e)中，所述能量束(14)以一定方式扫描，使得：
- 扫描矢量在每个后继层之间或在层的每个特定区域(岛)之间垂直，从而建立特定的期望的第二晶体学晶粒取向，或者
- 扫描矢量在每个后继层之间或在层的每个特定区域(岛)之间具有随机角度，从而不建立特定的第二晶体学晶粒取向。
6. 权利要求5的方法，其特征在于，为了建立制备具有固定和均匀厚度(d)的粉末层(12)所需的良好流动性，针对所述粉末层(12)的层厚度(d)调节所述粉末的晶粒尺寸分布。
7. 权利要求5的方法，其特征在于所述粉末晶粒具有球形形状，并且特征在于通过筛分和/或风选(空气分离)得到所述粉末的精确晶粒尺寸分布。
8. 权利要求5的方法，其特征在于通过粉末冶金学的方法提供所述粉末，具体为以下之一：气体或水雾化、等离子旋转电极方法或机械研磨。
9. 权利要求5的方法，其特征在于所述增材制造方法用悬浮体代替粉末。
10. 权利要求1-9中的一项的方法，其特征在于所述金属基础材料为以下之一：高温Ni基合金、Co基合金、Fe基合金或它们的组合。
11. 权利要求10的方法，其特征在于所述合金包含精细分散的氧化物，具体为以下之一：Y2O3、AlO3、ThO2、HfO2、ZrO2。
12. 权利要求1、2、5中的一项的方法，其特征在于仅在指定的子体积中应用所述第二晶粒取向的优先匹配。
13. 通过权利要求1-12中的一项的方法制造的部件(11)，其特征在于所述部件(11)用于压缩机、燃烧器或燃气涡轮的涡轮节，优选作为叶片、叶轮或隔热罩。
14. 权利要求13的部件(11)，其中所述部件包括具有一定剖面的翼片，其特征在于所述第二晶粒取向的匹配与所述翼片的剖面相配，并且特征在于其逐渐并连续地适配于所述翼片的形状。
15. 权利要求13的部件(11)，其中所述第二晶粒取向的匹配与所述部件的局部负荷条件匹配。
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