CN105188994B - 具有最少一个工作激光射线的激光熔融的方法 - Google Patents

具有最少一个工作激光射线的激光熔融的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于激光熔融的方法，其中，零件被以层制造。为此的粉末床被用于在其中通过工作激光射线生成熔池。按照本发明规定，使用其它的辅助激光射线，关于其功率密度而被如此的设置，仅减缓在区内的材料冷却，然而不使其重新熔化。通过这种方法可以将结构的冷却速度如此地设置，使其发展出有利的结构形成。比如说可以通过这样将所制造的零件的力学特性不需要后续的热处理的情况下有利地优化。

Description

具有最少一个工作激光射线的激光熔融的方法
本发明涉及一种用于激光熔融的方法，其中，零件或构件在粉末床中被分层地制造，方法是通过至少一个工作激光射线将构成粉末床的颗粒熔化。在凝固时，颗粒就形成了零件的层。然后不断有另外的粉末颗粒被形成于零件的已经凝固的表面上，并再次借助于工作激光射线熔化。如此便分层地产生了三维的零件。
以开头所提到的形式的方法是已知的。在实施这种形式的方法的时候出现的问题是，由激光射线在粉末中生成的熔池在冷却时产生的较高的冷却速率。这典型地会导致非常小的晶粒结构的形成，而这根据应用情况的不同无法产生预期的力学的零件特性。尤其是可能减小断裂伸长率和蠕变强度。为了能在之后达到所制造的零件的预期性能，可以进行热处理，使晶粒粗化。不过，不是所有材料都能进行这样的热处理。此外，这种热处理还意味着额外的能量和加工耗费，这影响到了所制造的零件的经济性。
工作激光射线提供了用于熔池熔化的能量输入，作为对工作激光射线的补充，可以按照文献DE 10 2010 050 531 A1和DE 10 2010 048 335 A1使用最少一个辅助激光射线，辅助激光射线的功率密度如此小，以便不能使颗粒熔化。该最少一个辅助激光射线被指向和熔池相连的、位于零件上的冷却区。辅助激光射线的能量输入不足以熔化颗粒。不过这也意味着辅助激光射线不能使颗粒保持在熔化状态。更准确地说是要注意熔池的冷却和位于零件上的冷却区，辅助激光射线减缓了冷却速度并以此减小了被冷却的零件内部的温度梯度。
本发明要解决的技术问题是，将用于激光熔融的方法进行如下优化，使用这种方法可以产生涉及力学参数的有利的零件特性。
该技术问题将以开始指出的方法根据本发明地通过以下方式解决，将一个或多个辅助激光射线的功率密度根据被包围的冷却区的、已经生成的零件体积进行控制，方法是可供进行热量释放的所述零件体积越少时，越是要减小所述功率密度。在此视为有利的是，在粉末床内所要制造的面中间需要的条件并不是简单地与在所要制造的面的边缘附近需要的条件相同。例如，在首先要被制造的边缘或者在要被制造的面的角内或者也在要被制造的狭长的连接部(Stegen)内就有相对来说比要制造的面中间更少的用于热量引导的限定材料。在这些区域内，因此可以将辅助激光射线的功率密度减小，以平衡减缓的热量释放。通过这样可以有利地在整个零件内产生均匀的组织结构特性。同时可以至少部分地防止形成零件应力。
激光射线的功率密度(下文中，功率密度总是指面积功率密度，也被称为激光强度)是通过激光射线的功率和在粉末床、熔池或者在制造出的零件上相同的照射面积来确定的。例如以单位W/cm2表示。根据这个定义，辅助激光射线的功率密度小于熔池冷却至凝固的热量释放，该热量释放同样也可以用单位面积的热量功率W/cm2表示。
按照本发明的方法，以熔池和零件的慢速冷却得到的组织结构的结果，足够有利地满足多样的要求。尤其可以制造粗晶粒结构，它比快速冷却的、细晶粒结构有更好的蠕变强度和更高的断裂伸长率。较慢的冷却速度也可以正面影响特定的组织结构状态的设置，在未超出特定冷却速度的情况下设置特定的组织结构状态。期望的合金的相态或者组织结构特性、比如晶粒大小，可以由此有目的地形成，其中以按照本发明的方法可以实现所谓的“组织结构设计”。由此可以不需要进行生成这些组织结构特性的后处理。组织结构特性在制造时在原处(in situ)就已经被生成。
按照本发明的有利实施规定，辅助激光射线按照与工作激光射线一致的运动模式并在时间上延迟地引导。换句话说这意味着，辅助激光射线如此跟随熔池，使辅助激光射线的能量输入以相同的制造条件影响通过工作激光射线制造的结果。由此可以尤其有利地实现特别均匀的组织结构。此外有利的是，这种方法的控制是非常简单的，因为用于引导辅助激光射线的编程可以使用主激光射线的引导编程。
按照本发明的另外的实施规定，使用多个辅助激光射线，它们按照与工作激光射线一致的运动模式(Bewegungsmuster)被引导。在此，辅助激光射线的照射点产生镰刀形或者马蹄铁形的热量影响区域，由此产生了辅助激光射线的热学影响区各自相交。在测量技术上这样仅可以检测到共同的热量影响区域。按照本发明，该热量影响区域不包围工作激光射线的运动方向。换句话说，通过辅助激光射线减缓的熔池冷却包围除了位于工作激光前方的所有方向。这样，从熔池出发的所有方向上的热量释放都被减少了，因为工作激光射线在不被热量影响区域包围的方向上同样自身就阻止了冷却。此外可以有利地规定，可以由激光射线通过分束器(Strahlteiler)产生至少一个辅助激光射线。因此，激光射线不仅被用于形成工作激光射线，也被用于形成至少一个辅助激光射线。另外一种可能在于，具有最高功率密度的工作激光射线在其强度上没有通过分束而被削弱，并且对于多个辅助激光射线使用共同的、其他的、借助分束器分束的激光射线。这两种情况下有利的是，减少组件耗费，因为使用分束器可以避免使用多个激光器。
按照本发明的另外的实施例规定，一个或多个辅助激光射线要经过扩束装置。由此可以用合适的方法调整辅助激光射线的射线强度。该调整可以自适应地进行，其中，当需要较小的功率密度时可以有利地优化利用激光功率，方法是将激光射线经过强烈的扩束。因此可以在规定的设备技术情况下借助这个措施优化提高所示方法的效率。
按照本发明的另外的实施例规定，辅助激光射线或者辅助激光射线的至少一部分可以被指向熔池的边缘。有利的是，在该区域内熔化流动的金属的凝固可以被最有效地减缓。在此发生的过程，通过一个或多个辅助激光射线对组织结构形成在本质上起到积极的影响。于此应用了上面已经提过的过程。
此外有利的是，辅助激光射线或者辅助激光射线的至少一部分被指向已经凝固的层位于冷却区的部分。在此有利的是，对已经凝固的金属结构的后续的冷却过程进行积极的影响。在此所指的是，通过足够慢的冷却速度实现预期的组织结构状态的形成，而这使后续的热处理变得多余。清楚的是，如果能得到优化的组织结构结果，辅助激光射线对冷却区的作用可以和前面已经提到过的辅助激光射线对熔池边的作用相结合。在此要考虑到各自的应用情况，其中通常情况下对特定的组织结构状态的冷却条件是由一般冶金学已知的。与此相反地，实施激光熔融方法时根据现有技术的温度引导，比如通过粉末床预热进行的温度引导，仅在很小范围内有助于达到优化的冷却条件，因为局部的冷却条件是根据方法预先确定的。额外地使用辅助激光射线在优化结构形成的同时首先实现了冷却条件的局部设置。
因为粉末床是很差的热导体，辅助激光射线对冷却区和熔池的作用尤其有效。不过也可以使用附加激光射线，以便在通过工作激光射线熔化之前就使颗粒预热。在这种情况下，功率密度也是很小而不足以在此使颗粒熔化，否则的话它就率先实现了工作激光射线的功能。颗粒预热的优点是，工作激光射线所必需提供的热量会很小。这尤其对于熔点高的金属是有利的。
对于辅助激光射线，并且也对于附加激光射线来说，有利的是将功率密度选为熔化颗粒所必需的功率密度的50％以上，优选70％以上。在此优选地要达到足够的安全范围，使颗粒不会被熔化。另一方面，一个或多个辅助激光射线、附加激光射线的功率密度又是足够得高，能保证颗粒的足够预热或者刚刚生成的零件组织结构的足够低的冷却速度。另外的可能性有利的在于，至少一个辅助激光射线或者附加激光射线的功率密度被分别规定为工作激光射线的功率密度的30％以上，优选50％以上。在此，该比例通过工作激光射线的功率确定，而工作激光射线的功率密度的选择与所要熔化的材料有关。工作激光射线的功率密度比如可以如此地设置，使其比正好使颗粒熔化的功率密度高150％或150％以上。
当使用多个辅助激光射线，而这些辅助激光射线以到工作射线不同的距离被引导时，可以得到本发明另外的实施形式。这些辅助激光射线被阶梯式地以确定的时间偏移量被引导在工作激光射线之后。在此尤其有利的是，距离工作激光射线距离较远的辅助激光射线分别以较低的功率密度运行，以实现刚刚生成的组织结构的线性的或者至少逐步的冷却。优选地可以将先后相邻的辅助激光如此地设置，以能够产生非线性的冷却，例如要在特定的温度下形成特定的组织结构变化时。这比如可以是，形成特定相态的温度。
按照本发明其他的实施形式规定，颗粒由抗高温的金属合金、尤其抗高温的钢或抗高温的镍基合金组成。对此的例子是镍基合金，该镍基合金必须经受冷却时适合于γ’相(Gamma Prime)硬化的温度变化。对于所述的这种合金可以尤其有利地使用按照本发明的方法，因为这种合金在其生成高温抗性的组织结构形成时是与冷却时的特定温度变化相关，以能主要实现所需的组织结构特性。这种温度变化可以用上述的措施进行设置。抗高温的金属合金可以被理解为应用温度超过650℃的金属合金。
本发明的更多细节将根据附图进行如下说明。相同的或者互相对应的图示分别使用相同的附图标记并且仅对单个附图之间的不同之处进行说明。在附图中：
图1和图2示出按照本发明的方法两个实施例的熔池和工作激光射线、额外激光射线、三或五个辅助激光射线的照射区域，和
图3示出按照本发明的方法的实施例，其中，在要生成的面中的不同部分打开和关闭不同的辅助激光射线。
在图1中可以看出，未进一步示出的零件是如何在粉末床11中被制造的。为了实现这个目的，工作激光射线12以箭头13的方向被引导扫过粉末床并将颗粒熔化。在此生成所示的熔池14。熔池以外的材料凝固之后生成零件的层15。
为了使层15形成封闭的层，要注意的是，相邻激光轨迹的距离hS(也被称为扫描间距(hatch distance))要小于熔池14的宽度b。通过这样产生了熔池14和已经生成的层15的部分叠加，由此形成要制造的零件的封闭的表面。
除了工作激光射线12，此外还使用了三个辅助激光射线16a、16b、16c，它们在时间和空间上偏移地在激活的激光轨迹17上跟随工作激光射线12。辅助激光射线16a被指向熔池并以此减缓熔池的凝固。辅助激光射线16b被指向熔池14和已经凝固的材料的交界面。辅助激光射线16b同样在此减缓凝固过程。辅助激光射线16c首要指向在刚刚凝固的材料上的冷却区18。在此所指的区，是指材料已经凝固但是组织结构还处于冷却过程的区，并且对于组织结构形成还是有重要意义的。在该冷却区内，辅助激光16c能够减缓冷却，并在被冷却的组织结构内实现了否则只能通过热处理才能实现的过程。
图2同样可以看出工作激光射线12和通过其形成的熔池14。在图1中已经显示过的细节在此将不再示出。总的来看是和图1类似的。然而不同之处在于，使用了多个相同的辅助激光射线16d，所述辅助激光射线16d是由此处未进一步示出的分束器产生的。所述辅助激光射线16d以马蹄铁形包围熔池12，因而能形成共同的热量影响区域19。该区域也形成为马蹄铁形。以这种方式可以有效阻止熔池向所有侧面的热量释放、并同时实现熔池自身的后续加热或再加热。作为对辅助激光射线16d的补充，也使用了附加激光射线20以形成对粉末床的预热。这通过设置此处未进一步示出的扩束装置，使照射区域被扩大。通过这样，功率密度被如此减小，以避免熔化粉颗粒。
图3可以看出，零件21是如何生成的。出于清晰明了的原因，未详细示出粉末床。只要工作激光射线12在当前要生成的层、沿第一个位于边缘22的激光轨迹17a运动，那么热量释放就还是很受限制的，因为仅使用了两个辅助激光射线16e。如在零件面的中间沿激光轨迹17b的运动情况所示，有规则地以正方形照射区域布置了四个辅助激光射线16e。在零件的角处，相反仅使用一个单独的辅助激光射线16e，因为此处的热量释放在两个方向上被阻止了。在下面的运行中，激光轨迹17b并不在零件的角处，而是结束在零件的边缘，在那里热量释放仅在一个方向上被阻止并且使用了两个辅助激光射线16e。总体上通过这样可以实现，在零件21的边缘处的材料的冷却速度基本上和所生成的零件的内部的冷却速度是一样的。

Claims (16)

1.一种用于激光熔融的方法，其中，零件(21)在粉末床(11)中被分层地制造，方法是通过至少一个工作激光射线(12)将形成粉末床的颗粒熔化并且在凝固时，颗粒形成了零件的层(15)，其中
-此外使用至少一个辅助激光射线(16a、16b、16c)，所述辅助激光射线(16a、16b、16c)的功率密度是足够小的，不足以导致颗粒熔化，并且
-其中，至少一个辅助激光射线(16a、16b、16c)被指向由熔化的颗粒形成的、冷却的熔池(14)和/或被指向和熔池(14)相接的、位于零件上的冷却区(18)，
其特征在于，
-一个或多个辅助激光射线(16a、16b、16c)的功率密度根据包围冷却区(18)的、已经生成的零件体积进行控制，
-方法是可供进行热量释放的所述零件体积越少时，则越是更多地减小辅助激光射线(16a、16b、16c)的功率密度或者关闭更多的辅助激光射线(16a、16b、16c)。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，辅助激光射线(16a、16b、16c)按照与工作激光射线(12)一致的运动模式并在时间上延迟地被引导。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，使用多个辅助激光射线(16a、16b、16c)，它们按照与工作激光射线(12)一致的运动模式如此地引导，使所述辅助激光射线(16a、16b、16c)共同产生镰刀形或者马蹄铁形的热量影响区域(19)，所述热量影响区域(19)不包围工作激光射线(12)的运动方向。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，至少一个辅助激光射线(16a、16b、16c)由激光射线经通过分束器产生。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，一个或多个辅助激光射线(16a、16b、16c)要经过扩束装置。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，辅助激光射线(16a、16b、16c)或者辅助激光射线(16a、16b、16c)的至少一部分被指向熔池的边缘。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，辅助激光射线(16a、16b、16c)或者辅助激光射线(16a、16b、16c)的至少一部分被指向已经凝固的层(15)位于冷却区(18)的部分。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个辅助激光射线(16a、16b、16c)的功率密度为熔化颗粒所必需的功率密度的50％以上。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，至少一个辅助激光射线(16a、16b、16c)的功率密度为熔化颗粒所必需的功率密度的70％以上。
10.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个辅助激光射线(16a、16b、16c)的功率密度为工作激光射线(12)的功率密度的30％以上。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，至少一个辅助激光射线(16a、16b、16c)的功率密度为工作激光射线(12)的功率密度的50％以上。
12.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，使用多个辅助激光射线(16a、16b、16c)，所述多个辅助激光射线(16a、16b、16c)以到工作激光射线(12)不同的距离被引导。
13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，距离工作激光射线(12)距离较远的辅助激光射线(16a、16b、16c)分别以较低的功率密度运行。
14.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，使用至少一个附加激光射线(20)，所述附加激光射线(20)的功率密度如此小，不足以使颗粒熔化，其中，所述附加激光射线(20)被用于在通过工作激光射线(12)熔化之前使颗粒预热。
15.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，颗粒由抗高温的金属合金组成。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，所述抗高温的金属合金是抗高温的钢或抗高温的镍基合金。
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