CN104684667A - 使用多种材料的涡轮机部件的添加制造 - Google Patents

Abstract

一种利用多种材料的添加制造方法。第一（48）、第二（50）和第三（52）相邻粉末层以部件（20）的给定剖面中的相邻最终材料（30、44、45）的各自第一（73）、第二（74）和第三（75）区域形状被输送到工作表面（54A）上。第一粉末可以是以翼型基体（30）的截面形状输送的结构性金属。第二粉末可以是以基体上的粘合涂覆层（45）的截面形状输送的粘合涂覆层材料。第三粉末可以是以热障涂层（44）的截面形状输送的热障陶瓷。特定的激光强度（69A、69B）被施用至每个层，以熔化或烧结所述层。可以通过梯度材料重叠和/或交错突出部在相邻层之间形成集成的界面（57、77、80）。

Description

使用多种材料的涡轮机部件的添加制造

本申请请求提交日期为2012年10月08日的美国临时专利申请号61/710,995（代理人案号2012P24077US）和提交日期为2012年10月10日的美国临时专利申请号61/711,813（代理人案号2012P24278US）的权益，这两者都通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及添加层制造，并具体地涉及通过不同材料的相邻粉末层的选择性激光烧结和选择性激光熔化来制作多材料金属/陶瓷燃气涡轮机部件。

背景技术

选择性层添加制造包括粉末床的选择性激光熔化（SLM）和选择性层烧结（SLS），来逐层地建立部件以实现终型（net shape）或者近终型（near net shape）。部件最终材料或前驱体材料的粉末床沉积在工作表面上。激光能量选择性地引导至遵循部件的截面区域形状的粉末床上，由此形成了一层或一片部件，其随后变成下一层的新的工作表面。常规地，在第一个步骤中，粉末床铺展在工作表面上，接着在随后的步骤中，激光在床上限定或“刷上”部件的截面区域，例如通过光栅扫描。

相关过程（通常称作微包覆）经由运动的喷嘴或其它输送装置将粉末沉积至部件上。激光同时在沉积点处将粉末熔化，从而当输送装置运动时在部件上形成材料珠。相继的经过能够建立一层或多层材料，用于部件的修理或制造。

附图说明

在下面的描述中基于附图来说明本发明，附图示出了：

图1是现有技术的燃气涡轮机叶片的截面图。

图2是在工作表面上形成相邻粉末层的粉末输送装置的截面图。

图3是熔化和烧结相邻粉末层的激光束的截面图。

图4示出了用于与部件的非线性截面轮廓平行的粉末输送和/或激光输送的扫描路径的样式。

图5示出了具有平行线性路径的替代的扫描样式。

图6示出了垂直或近似垂直于部件的壁的扫描路径。

图7示出了形成在部件的第一片上的第二片。

图8示出了以不同厚度沉积的相邻粉末层。

图9示出了相邻材料之间的互锁界面。

图10是示出了本发明的实施例的一些方面的流程图。

具体实施方式

本发明已经设计一种用于部件的添加制造的方法，所述部件具有性质不同的多种相邻的材料。其使用相邻材料的强力粘合（包括金属到陶瓷）而生成终型或者近终型。这在制造例如具有陶瓷热障涂层的超合金叶片和翼片的燃气涡轮机部件时是特别有利的。这样的翼型难以制造，因为他们具有带蛇形冷却通道的复杂形状，该冷却通道内衬有湍流器和膜冷却孔。

图1是典型的燃气涡轮机翼型20的横向截面图，翼型20具有前缘22、后缘24、压力侧26、吸力侧28、金属基体30、冷却通道32、分隔壁34、湍流器36、膜冷却出口孔38、冷却销40和后缘出口孔42。翼型基体的外部涂有陶瓷热障涂层44。金属粘合涂覆层45可涂敷在基体和热障涂层之间。湍流器是在冷却通道32内的凸部、窝部、脊部或凹部，其增加表面面积并混合冷却剂流动的流体边界层。

图2示出了一种方法和装置，用于将第一、第二和第三相邻的粉末层48、50、52以部件的给定剖面中的第一、第二和第三相邻最终材料的各自的第一、第二和第三截面区域形状输送至工作表面54A上。例如，第一粉末层48可以是以图1中所示的翼型基体30的区域形状输送的结构性金属。第二粉末层50可以是以基体上的粘合涂覆层45（图1）的区域形状相邻于第一粉末48输送的粘合涂覆层。第三粉末层52可以是以热障涂层44（图1）的区域形状相邻于第二粉末输送的热障陶瓷。

在第一和第二粉末层之间的界面56可以被输送，以使得形成重叠区57，其在两个相邻的粉末层48、50之间提供材料梯度过渡。在第二和第三粉末50、52之间的界面58可以被输送，以使得形成工程化的机械互锁，例如交替地从第二和第三粉末突出的交错指部（稍后示出）。粉末输送装置60可具有将粉末喷涂物64输送到焦点66的一个或多个喷嘴62。

粉末输送装置60可包括相对于工作表面54A的多轴线运动61，从而喷嘴能够在给定的水平面中遵循非线性截面轮廓，能够相对于工作表面54A运动至不同的平面或距离，并且能够以变化的角度输送粉末。轴线可以在计算机控制下经由轨道和旋转轴承由工作台55和/或粉末输送装置60的运动来实施。诸如喷嘴平移速度、质量输送率和喷射角的粉末输送参数可以由离散颗粒建模模拟来预先确定，从而优化最终片的几何形状。在喷涂之后，粉末可以在激光加热之前借助例如电磁能和/或机械或声学振动被压紧和固定。

粉末可在喷涂之前或期间使用水、酒精、定型剂或粘合剂进行润湿，使得所述粉末保持期望的形状，直到激光将其熔化或烧结成部件的粘合片。如在通过引用并入本文中的共同待决的美国专利申请公开US 2013/0140278A1（代理人案号2012P22347US）中更完整地描述的，可以将焊剂材料与粉末材料包括在一起，以便于包覆过程。

图3示出了用于以各自不同的激光能量熔化和/或烧结不同粉末层48、50、52的方法和装置。例如，基体超合金粉末48和粘合涂覆层粉末58可以以第一和第二激光能量进行熔化，并且陶瓷热障粉末52可以以仅仅部分熔化陶瓷颗粒的第三激光能量进行烧结。不同的激光能量69A、69B可以由具有可变输出的单个激光发射器68A提供，或者由针对不同粉末层的具有不同输出的多个激光发射器68A、68B提供。激光发射器可以包括相对于工作表面54A的多轴线运动70，使得其能够在给定的平面中遵循非线性截面轮廓，能够相对于工作表面54A运动至不同的平面或距离，并且能够定位和引导激光束，以获得期望的角度和光斑尺寸。

图4示出了遵循部件20的非线性截面形状轮廓73、74、75的路径72的样式。图2的粉末输送焦点66可以受到控制以遵循这样的路径。平行于截面形状轮廓的这种扫描样式72允许针对每个粉末层48、50、52而改变粉末类型。

激光能量69A-B（图3）也可以遵循例如图4的72的非线性扫描路径。该路径类型将激光强度针对不同粉末材料的改变数量最小化。第一激光能量可以被引导以遵循第一粉末层48的截面形状73的轮廓，第二激光能量可以被引导以遵循第二粉末层50的截面形状74的轮廓，并且第三激光能量可以被引导以遵循第三粉末层52的截面形状75的轮廓。当激光经过意在保持为所形成的部件中的空白部的区域（例如膜冷却孔38）上时，可关闭激光的循环。

图5示出了激光能量的具有平行线性路径74的替代扫描样式。图6示出了垂直于或近似垂直于部件的壁的路径76。除了针对空白部38的关闭/打开循环之外，样式74和76可能还需要在每次越过不同粉末层的界面56、58时改变激光强度。扫描72、74、76的间距取决于在粉末表面处的激光束宽度或光斑尺寸。多个激光发射器可以一起使用，以产生更宽的宽度（swath），以减少扫描的数量。可以通过改变发射器距工作表面的距离来调整（一个或多个）激光束的宽度，并且/或者可以通过可调透镜、镜子或遮光板来调整光束的尺寸和形状，以更好地限定部件的小的、尖锐的或弯曲的元件，例如倒角（fillet），而无需扫描间距和光斑尺寸。

图7示出了部件的第一固化片74，其提供了新的工作表面54B，将部件的第二片76的粉末层48、50、52涂敷到工作表面54B上。

图8示出了以不同高度输送的粉末层48、50、52，所述不同的高度取决于它们各自的加工收缩，以实现最终均匀的片厚度。第一和第二相邻层48、50的粉末可以沉积在重叠区57中，使得粉末在梯度材料过渡中重叠。重叠宽度可例如是至少0.2 mm。第二和第三相邻层50、52的粉末也可以沉积在重叠区77中，使得粉末在梯度材料过渡中重叠。重叠宽度可例如是至少0.2 mm或0.4 mm，或多达1 mm或多达2 mm。

图9示出了第二和第三层50、52之间的界面，其在第二和第三层50、52之间形成有工程化的互锁特征80，例如交错轮廓，其形成从粘合层50和陶瓷层52交替地突出的3D交织指部。代替图8中示出的梯度材料区77或者除了梯度材料区77之外，可以提供这样的互锁机械界面。可以通过在激光能量扫描陶瓷层52时关闭/打开激光能量循环而在陶瓷层52中形成裂缝82，用于操作性应变释放。中空陶瓷球84可以被包括在陶瓷层52的材料中，以减少热导率。将中空陶瓷球包括在热障层52中永久地减小其热导率，因为球形空白部不会由于操作性烧结而遭受减小。

图10是示出了本发明的实施例的方面的方法84的流程图，包括了以下步骤：

86．将各自的不同材料的多个相邻粉末层以表示多材料部件的给定剖面的各自的区域形状输送到工作表面上。

88．将相邻的粉末层中的至少两个重叠，以在所述至少两个相邻的粉末层之间形成梯度材料过渡区。

90．将特定的激光能量施用至每个粉末层，以熔化或烧结所述层，其中，所述层中的至少两个分别接收不同的激光强度。

92．对于相继的剖面自步骤86重复，以通过选择性层添加制造来制造所述部件。

在一些实施例中，所包括的纳米尺度的陶瓷颗粒能够使陶瓷层的烧结温度降低多达350℃。这能够便于金属和陶瓷层的共同烧结和粘合。温度的降低特别地发生在当陶瓷粉末包括至少2%和多达100%体积的小于100 nm的平均直径的颗粒的时候，并且其特别地发生在颗粒平均直径小于50 nm的情况下。本方法允许通过仅部分地熔化这样的纳米颗粒来进行烧结。当以热喷涂技术涂敷陶瓷涂层时，这是不可能的，因为其趋于完全地熔化较小的颗粒。

用在高温燃气涡轮机部件中的镍基超合金通常通过伽马相基体内的伽马主沉淀相进行加强。这些超合金的使其能够在高温环境下持久耐用的性质还使其难以制造和修理。然而，其能够通过本文所描述的方法来生产和联结至不同材料（包括陶瓷）的相邻层。具有带湍流器和膜冷却出口孔的蛇形通道的燃气涡轮机叶片的铸造是困难且昂贵的。本方法在更完整地联结不同材料层的同时减少成本。这允许以一个过程生产例如涡轮机叶片的完整的多材料部件，而代替了铸造超合金叶片然后在单独的过程（例如热喷洒）中对其进行涂覆。

尽管已经在本文中示出并描述了本发明的各个实施例，明显的是，这样的实施例仅借助于示例的方式来提供。在不偏离本文的发明的前提下，可以进行许多变形、改变和替换。因此，其意图是本发明仅受到所附权利要求书的精神和范围的限制。

Claims (20)

1.一种用于制作部件的方法，包括以下步骤：

将各自的不同粉末材料的多个相邻粉末层以表示多材料部件的给定剖面中的各自的最终材料的各自区域形状输送到工作表面上；

将相邻的粉末层中的至少两个重叠，以在所述至少两个相邻的粉末层之间形成材料梯度区；

将第一强度的第一激光能量施用至所述粉末层中的第一粉末层，并且将第二不同的激光强度的第二激光能量施用至所述粉末层中的第二粉末层；以及

针对所述部件的相继的剖面自输送步骤重复，以制造所述部件。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一粉末层包括金属，所述第二粉末包括热障陶瓷，所述第一激光能量被引导以遵循与所述第一粉末层的非线性周边平行的第一多个扫描路径，并且所述第二激光能量被引导以遵循与所述第二粉末层的非线性周边平行的第二多个扫描路径。

3.如权利要求2所述的方法，还包括：在遵循所述第一和第二扫描路径的同时打开和关闭所述第一和第二激光能量的循环，以形成经过所述第一和第二最终材料的通道。

4.如权利要求2所述的方法，还包括：在遵循第二扫描路径的同时打开和关闭所述第二激光能量的循环，以在所述第二最终材料中形成应变释放裂缝。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：通过将第一和第二粉末材料输送到所述工作表面上使得在其间具有交错轮廓而在所述第一和第二最终材料之间形成机械互锁界面，形成穿过所述界面的交错指部。

6.如权利要求1所述的方法，还包括：以各自的第一和第二厚度将所述第一和第二粉末层沉积到所述工作表面上，并预先确定所述各自的激光能量以将所述粉末层减少至在所述给定剖面中的所述最终材料的均匀厚度。

7.如权利要求1所述的方法，还包括：通过被沿着相继的线性扫描路径引导的激光束来提供所述第一和第二激光能量，每个线性扫描路径在所述第一和第二粉末层上经过，并且还包括：沿着每个扫描路径改变所述激光束的强度以提供所述第一和第二强度。

8.一种由如权利要求1所述的方法形成的产品。

9.一种制作部件的方法，包括以下步骤：

将各自不同的材料的第一、第二和第三相邻层的各自粉末以组合起来代表了所述部件的给定多材料剖面的各自第一、第二和第三区域形状输送到工作表面上；

其中，所述第一粉末层包括结构性金属材料，所述第二粉末层包括粘合涂层材料，并且所述第三粉末层包括热障陶瓷；

将特定的激光能量施用至每个所述粉末层以熔化或烧结所述层，其中，所述层中的至少两个分别接收不同的激光强度；以及

对于相继的剖面自输送步骤重复，以通过选择性层添加制造来制造部件。

10.如权利要求9所述的方法，还包括：在遵循与所述区域形状的各自轮廓平行的扫描路径的同时打开和关闭所述激光能量的循环，以在所述部件中形成通道。

11.如权利要求9所述的方法，还包括：引导第一激光能量以遵循与所述第一形状的轮廓平行的扫描路径，引导第二激光能量以遵循与所述第二形状的轮廓平行的扫描路径，并且引导第三激光能量以遵循与所述第三形状的轮廓平行的扫描路径。

12.如权利要求11所述的方法，还包括：打开和关闭所述第三激光能量的循环，以在所述热障陶瓷中形成应变释放裂缝。

13.如权利要求11所述的方法，还包括：通过将所述第二和第三粉末输送到所述工作表面上使得其间具有交错轮廓而在所述第二和第三层之间形成机械互锁界面，在所述界面中形成交错指部。

14.如权利要求9所述的方法，还包括：使所述第一和第二粉末重叠达到至少0.2 mm，形成梯度材料区。

15.如权利要求11所述的方法，还包括：使所述第二粉末和第三粉末重叠达到至少0.4 mm，形成梯度材料区。

16.如权利要求11所述的方法，还包括：以各自的第一和第二不同厚度将所述第一和第三层沉积到所述工作表面上，并预先确定所述激光能量的各自强度以将三个粉末层减少至均匀的材料厚度。

17.如权利要求11所述的方法，还包括：由被沿着相继的线引导的激光束提供所述第一、第二和第三激光能量，每条线在所述第一、第二和第三层上经过，并且还包括：沿着每条线改变所述激光束的强度以针对被所述线经过的每个粉末层提供特定的能量。

18.一种制作燃气涡轮机部件的方法，包括以下步骤：

将第一、第二和第三相邻粉末层以所述部件的给定剖面中的第一、第二和第三相邻最终材料的各自的第一、第二和第三区域形状输送到工作表面上；

其中，所述第一材料包括结构性金属，所述第二材料包括粘合涂层金属，并且所述第三材料包括热障陶瓷；

使用各自的第一和第二激光能量将所述第一和第二粉末层熔化，并且使用第三激光能量仅仅部分地将所述第三粉末层熔化，其中，固化形成了相邻的最终材料的新工作表面；以及

针对相继的剖面自输送步骤重复，以制造具有多孔陶瓷热障层的所述结构性金属的部件；

其中，所述第一激光能量被引导以遵循所述第一形状的轮廓，所述第二激光能量被引导以遵循所述第二形状的轮廓，并且所述第三激光能量被引导以遵循所述第三形状的轮廓。

19.如权利要求18所述的方法，还包括：

使所述第一和第二粉末重叠达到至少0.2 mm，在所述第一和第二层之间形成梯度材料界面；以及

通过将所述第二和第三粉末输送到所述工作表面上使得其间具有交错轮廓而在所述第二和第三层之间形成机械互锁界面，形成穿过所述界面的交错指部。

20.一种由如权利要求19所述的方法形成的产品。