CN114269497A - 用于涡轮机部件的增材制造的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于制造部件的方法，该部件特别是涡轮机部件，该部件呈材料的多个叠置的层的形式，该方法包括将材料供应到供给喷嘴(8)的步骤，以及朝向供给喷嘴(8)投射能量以使穿过供给喷嘴的材料熔融的步骤。根据本发明，该方法包括在能量投射步骤期间用冷却元件冷却供给喷嘴(8)的步骤。

Description

用于涡轮机部件的增材制造的方法
技术领域
本发明涉及特别是航空中的部件的增材制造的领域。
背景技术
例如通过文献US-A1-2019030602、EP-A1-2 705 942、WO-A2-2016086912、EP-A1-3388 171、EP-A1-3 498 402、WO-A1-2019035810说明了现有技术。
增材制造技术使得能够特别地在没有机加工的情况下，通过使旨在用于制造部件的材料的连续的层进行沉积和堆叠并将这些层部分或全部合并来制造复杂的部件。该技术以重要的方式已经发展了多年。增材制造包括但不限于选择性激光熔融(SLM)、电子束粉末熔融(EBM)以及直接金属熔融(LMD)。在LMD技术中，材料可以以粉末形式(LMD粉末)或线材形式(LMD线材)来供给。
以线材的形式提供材料的LMD技术的原理是通过熔融的材料的线材的沉积来进行层加。这是通过增材制造设备实现的，该增材制造设备包括用于供给线材的喷嘴以及用于向线材产生能量以使线材熔融并获得被沉积在最终部件的支撑部上的熔融材料(或熔融浴)的元件。
根据待沉积的材料的量和沉积时间，该方法可能很长。在部件的整个制造过程期间，供应到线材以使线材熔融的能量在设备中产生了温度上升。在熔融材料的水平处，温度可能达到约2000℃，这可能导致设备的某些构件(特别是用于供给线材的喷嘴)的变形。事实上，该供给喷嘴(通常由铜制成)在热量的作用下将伸长。伸长会影响熔融材料的沉积的质量，因为在供给喷嘴的加热期间，供给喷嘴将开始膨胀，从而离开沉积的最佳条件。由此产生的沉积物可能有缺陷，并且在检查时被视为不一致。在最坏的情况下，供给喷嘴的加热导致线材的通道横截面的减小，从而导致线材流率的停止。
发明内容
本发明特别旨在提供用于制造部件的方法，该部件特别是涡轮机部件，该方法使得能够保持熔融材料的最优输出，以获得高质量的且一致的材料沉积物，而不影响制造时间和制造成本。
根据本发明，这通过用于制造部件的方法来实现，该部件特别是涡轮机部件，该部件呈在制造支撑部上的材料的多个叠置的层的形式，该方法包括将材料供应到供给喷嘴中的步骤，以及朝向材料投射能量以使材料在制造支撑部上熔融的步骤，该方法包括在能量投射步骤期间通过冷却元件冷却供给喷嘴的步骤。
因此，该方案使得能够实现上述目的。特别地，供给喷嘴的冷却是使得能够保持供给喷嘴的几何特征并且保持沉积物的质量的简单的方案。这种冷却不会增加部件的制造时间，也不会影响制造成本。
在另一个特征中，材料呈线材的形式。使用填充线材沉积呈材料珠的形式的熔融材料更快。材料珠的沉积更加规则且洁净，这意味着部件在物理化学抗性和机械抗性方面的质量更好。此外，沉积材料的产率很高，因为产率几乎是100％。
另一个特征是材料是金属的，以获得金属的涡轮机部件。
作为该方法的进一步的特征，冷却元件以介于1巴到3巴之间的压力进行喷射。这样的压力足以冷却供给喷嘴，而不会干扰或改变供给喷嘴中的材料的熔融。
另一个特征是冷却元件的温度在20℃范围内。该温度(室温)意味着不需要附加能量源来冷却供给喷嘴，供给喷嘴已经处于比供给喷嘴中的熔融的材料相对更冷的温度。
根据另一个特征，冷却元件是中性气体流，例如氮气或氩气。这样，冷却使得能够对从熔融材料获得的并且由供给喷嘴沉积的材料珠提供更好的局部保护，因为所使用的中性气体也用于使设备的外壳变得惰性，制造支撑部和供给喷嘴布置在外壳中。中性气体还使得能够防止部件在制造过程期间氧化。
在另一个特征中，能量投射步骤是用激光射束执行的。这种构造易于实现，同时提供了能量和位置控制。因此经济和时间节约显著。
另一个特征是冷却元件被连续地喷射，以防止供给喷嘴中的材料的温度上升。
有利地，冷却元件和供给喷嘴同时移动。
另一个特征是该方法是线材激光金属沉积(LMD)增材制造。
有利地，冷却元件喷射在供给喷嘴的整个高度上。
有利地，冷却元件从多个被定向朝向供给喷嘴的喷洒喷嘴喷射。
有利地，该方法包括在制造支撑部上沉积材料的步骤，在投射和沉积步骤期间执行冷却供给喷嘴的步骤。
本发明还涉及用于执行用于制造部件的方法的设备，该部件特别是涡轮机部件，该部件呈在制造支撑部上的材料的多个叠置的层的形式，该设备包括：用于旨在制造部件的材料的供给喷嘴，以及用于朝向材料投射能量以使材料在制造支撑部上熔融的元件，至少一个喷洒喷嘴旨在将冷却元件喷射到供给喷嘴上。
根据设备的特征，喷洒喷嘴被布置在距供给喷嘴介于3cm至10cm之间的距离处。这种距离使得喷洒喷嘴能够足够近以冷却供给喷嘴，并且足够远使得喷洒喷嘴不在旨在使材料熔融的能量源的路径上。
有利地，该设备包括多个喷洒喷嘴。
在另一个特征中，多个喷洒喷嘴在平行于供给喷嘴的高度的方向上以一个在另一个上方的方式布置，使得在供给喷嘴的高度上，供给喷嘴的冷却是均匀的。
作为进一步的特征，喷洒喷嘴或所有的喷洒喷嘴与供给喷嘴相对于彼此固定，使得实现连续冷却。
附图说明
通过阅读以下作为完全说明性的并且非限制性的示例而给出的本发明的实施例的详细的说明性描述，并参照以下附图，本发明将被更好地理解，并且本发明的其他目的、细节、特征以及优点将变得更清楚，在附图中：
图1是根据本发明的用于部件的增材制造的设备的实施例的示意图，该部件特别是用于涡轮机的部件，该设备具有处理头部，该处理头部包括用于供给待熔融的材料的喷嘴以及能量投射元件；
图2是根据本发明的用于涡轮机部件的增材制造的设备的另一实施例的示意图，该设备具有处理头部，该处理头部包括用于供给待熔融的材料的喷嘴并且独立于能量投射元件；
图3是根据本发明的增材制造设备的材料供给喷嘴的示意性详细视图；以及
图4是根据本发明的增材制造设备的处理头部的示意性透视图。
具体实施方式
图1示出了用于部件的增材制造的设备1的局部示意图，该部件特别用于涡轮机。当然，本发明不限于涡轮机部件。
在此示出的设备1是激光金属沉积设备(LMD)，特别是LMD线材设备，在激光金属沉积设备中，激光射束和一定量的熔融材料被同时喷射到制造支撑部上。每一定量的线材熔融并且熔合在一起，以逐层地形成待制造的部件。该设备和相关的方法使得能够制造复杂的三维的部件。当然，旨在能够制造部件的填料材料可以呈粉末形式，即“LMD粉末”类型的设备。
在本示例中的设备1包括增材制造装置2和装置2被安装在其中的外壳3。增材制造装置包括加工头部4，该加工头部包括在制造支撑部6上的材料供给元件5，制造支撑部也被布置在外壳3中。部件将在制造支撑部6上逐层地构建。在本示例中的制造支撑部6是固定的，并且具有被限定在垂直于图1中的平面的平面中的工作表面6a。替代地，制造支撑部6能以竖直平移的方式移动。在这种情况下，制造支撑部6被安装在外壳3的可移动的底部(未示出)上。
在此材料以线材的形式提供。供给元件5包括卷轴(未示出)，线材从卷轴中取出并且线材被缠绕在卷轴上。替代地，供给元件5包括供给储存部，缠绕的线材被存储在供给储存部，并且供给储存部被布置在处理头部4中。在本示例中，材料供给元件5包括供给导管5a，该供给导管被布置在处理头部4中并且沿着径向轴线Z(该径向轴线在图1的平面中并且垂直于工作表面6a的平面，工作表面的平面包含横向轴线Y和纵向轴线X)穿过处理头部4。供给导管5a连接到储存部。
加工头部4包括用于供给材料的喷嘴8，材料被引导朝向制造支撑部6，特别是朝向工作表面6a。如在图1中可以看到，供给喷嘴8使处理头部4沿着径向轴线Z(在此是竖直的)延伸。处理头部4被带动沿着相互垂直的至少三个轴线(径向轴线Z、纵向轴线X以及横向轴线Y)相对于制造支撑部6移动。
参照图3，供给喷嘴8包括第一通道8a，该第一通道沿径向轴线在两侧上穿过供给喷嘴，特别地，第一通道在第一径向端部通向供给导管5a(或储存部)，并且在第二径向端部通向出口孔9。该供给喷嘴8使得能够在穿过喷嘴的线材10熔融之前保持线材10。
根据处理头部的构造，线材10的直径可以约为1mm，并且第一通道8a的直径约为1.10mm(±0.05mm)。
如图1所示，设备1包括能量投射元件11，该能量投射元件使得材料能够熔融，使得材料以熔化的或熔融的材料12的珠的形式沉积在制造支撑部6上。能量投射元件11被连接到由设备的电子控制***13控制的电源。能量投射元件被引导朝向离开供给喷嘴8的材料，以在材料沉积在制造支撑部6上之前使材料熔融。
在图1所示的示例中，能量投射元件11被布置在处理头部4中，处理头部4包括一个或多个导管16(示意性地示出)，一个或多个导管16通向被限定在处理头部4的外表面中的孔。外表面被定向朝向制造支撑部6的工作表面6a。一个导管16或每个导管16的一部分的轴线横向于第一通道8a的轴线，并且被定向成朝向使处理头部4延伸的供给喷嘴8。第一通道8a的轴线与处理头部4同轴。
在本示例中，能量投射元件11包括激光射束14。如图1所示，激光射束的轴线同轴或基本上同轴(相对于径向轴线成大于或小于10度的角度)并且被定向成朝向制造支撑部6的工作表面6a。
在图2中，示出了设备1的进一步的实施例，材料供给元件5与处理头部4分开，并且被布置在距处理头部一距离处。能量投射元件11被安装在处理头部4中。能量投射元件11的投射轴线横向于在供给喷嘴8中的线材的输出轴线。有利地但不是限制性地，供给喷嘴8与处理头部4一起沿纵向轴线、横向轴线以及径向轴线移动。
当然，使用另一种类型的能量以熔化待沉积在制造支撑部5上的材料的各种技术是可能的(电弧或等离子体)。
参照图2和图4，设备1包括用于材料的供给喷嘴8的冷却元件的喷洒喷嘴15，使得供给喷嘴不会由于熔融材料所需的能量的高温而升温。
喷洒喷嘴15被定向朝向材料的供给喷嘴8并且在距供给喷嘴一距离处。在图4所示的示例中，多个喷洒喷嘴被定向朝向供给喷嘴。喷嘴15在平行于供给喷嘴的轴线(在此是径向轴线)的方向上叠置，以在供给喷嘴的全部高度或长度上实现其有效且均匀的冷却。喷嘴的数量介于1至5之间。有利地，喷嘴的数量取决于供给喷嘴的高度。
为了有效地冷却供给喷嘴8，冷却元件以介于1巴至3巴之间的压力喷射。该压力足以冷却喷嘴，但不会对熔融浴造成任何干扰。
有利地但不是限制性地，冷却元件的喷洒喷嘴15被布置在距供给喷嘴8介于3cm至10cm之间的距离d处。喷嘴15与供给喷嘴8同时移动，以确保供给喷嘴8的连续冷却。
在有利的但非限制性的特征中，喷洒喷嘴15被安装在材料供给元件5的支撑部上，使得它们的运动是同时的。换言之，一个或多个喷洒喷嘴15与供给喷嘴8相对于彼此固定。
冷却元件包括惰性气体例如氩气或氮气，这使得能够防止正在制造的部件的氧化。实际上，喷洒喷嘴15也被安装在外壳(在此是闭合的)中，并且在距处理头部4一距离处，冷却供给喷嘴的气体填充外壳以产生保护气氛。气体的温度大约是周围空气的温度(即约20℃)，并且因此比供给喷嘴中的熔融浴的温度(2000℃)相对更冷。
我们现在将描述使用以上描述的设备1制造涡轮机部件的方法。该方法包括将材料供应到供给喷嘴8中的步骤。在该供应步骤中，如我们之前所看到的，将材料以线材的形式供给到喷嘴8，材料在该情况下是金属的。
该方法包括朝向材料投射能量以使离开供给喷嘴的所述材料熔融的步骤。已熔融的材料随后以材料珠的形式沿第一方向沉积在制造支撑部上。
在制造支撑部6上沿第二方向(横向轴线Y)彼此相邻地沉积多个材料珠，然后沿第三方向(在此平行于竖直轴线)逐层地沉积多个材料珠。
该方法包括在能量投射步骤期间冷却供给喷嘴8的步骤。在该步骤期间使用的惰性气体被喷洒到供给喷嘴上并与能量投射步骤同时进行，使得供给喷嘴不会升温并且材料珠具有良好的质量。有利地，冷却元件喷射在供给喷嘴的整个高度上。有利地，冷却元件的喷射是连续的。对于“连续”，应当理解，至少在整个能量投射步骤期间，在不中断冷却元件的喷射的情况下执行冷却元件的喷射。然而，例如喷射压力可能改变。
有利地，冷却步骤在投射和材料的沉积步骤期间进行。

Claims (16)

1.用于制造部件的方法，所述部件特别是涡轮机部件，所述部件呈在制造支撑部(6)上的材料的多个叠置的层的形式，所述方法包括将所述材料供应到供给喷嘴(8)中的步骤，以及朝向所述材料投射能量以使所述材料在所述制造支撑部上熔融的步骤，其特征在于，所述方法包括在能量投射步骤期间通过冷却元件冷却所述供给喷嘴(8)的步骤。
2.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述材料呈线材的形式。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述材料是金属的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述冷却元件以介于1巴至3巴之间的压力进行喷射。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述冷却元件具有在20℃范围内的温度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述冷却元件是中性气体流，例如氮气或氩气。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述能量投射步骤是用激光射束执行的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述冷却元件的喷射是连续的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法是线材激光金属沉积(LMD)增材制造。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述冷却元件喷射在所述供给喷嘴(8)的整个高度上。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述制造支撑部(6)上沉积所述材料的步骤，在投射和沉积步骤期间执行冷却所述供给喷嘴(8)的步骤。
12.用于执行用于制造部件的方法的设备(1)，所述部件特别是涡轮机部件，所述部件呈在制造支撑部(6)上的材料的多个叠置的层的形式，所述设备(1)包括：用于旨在制造所述部件的所述材料的供给喷嘴(8)，以及用于朝向所述材料投射能量(11)以使所述材料在所述制造支撑部(6)上熔融的元件，其特征在于，至少一个喷洒喷嘴(15)旨在将冷却元件喷射到所述供给喷嘴(8)上。
13.根据前一项权利要求所述的设备(1)，其特征在于，所述喷洒喷嘴(15)被布置在距所述供给喷嘴(8)介于3cm至10cm之间的距离处。
14.根据前一项权利要求所述的设备(1)，其特征在于，所述设备包括多个喷洒喷嘴(15)。
15.根据前一项权利要求所述的设备(1)，其特征在于，所述多个喷洒喷嘴(15)在平行于所述供给喷嘴(8)的高度的方向上以一个在另一个上方的方式布置。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述喷洒喷嘴或所有的所述喷洒喷嘴(15)与所述供给喷嘴(8)相对于彼此固定。
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