用于通过添加性激光制造来制造金属部件的方法技术

本发明专利技术涉及用于通过添加性激光制造来制造金属部件的方法。本发明专利技术涉及用于制造三维金属物件/部件的方法，其整个地或部分地由Ni基、Co基、Fe基超级合金或其组合通过基于粉末的添加性制造工艺制成。在通过扫描执行粉末熔化的步骤期间使用了双激光设置，其中两个不同射束属性的激光射束在同一机器中组合起来，并且通过以受控的方式调节的射束型式和合适的射束开关的集成，从而在两个不同的激光射束直径之间执行切换。在每层中，具有较小直径的激光射束扫描整个区域，并且在每隔k-1(k>1)层中，具有较大直径的激光射束扫描需要粗晶粒尺寸的区域，从而使细晶粒尺寸的区域再熔化。利用这种制造方法可实现金属部件和原型的更高的寿命和操作性能。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及。本专利技术涉及用于制造三维金属物件/部件的方法，其整个地或部分地由Ni基、Co基、Fe基超级合金或其组合通过基于粉末的添加性制造工艺制成。在通过扫描执行粉末熔化的步骤期间使用了双激光设置，其中两个不同射束属性的激光射束在同一机器中组合起来，并且通过以受控的方式调节的射束型式和合适的射束开关的集成，从而在两个不同的激光射束直径之间执行切换。在每层中，具有较小直径的激光射束扫描整个区域，并且在每隔k-1(k>1)层中，具有较大直径的激光射束扫描需要粗晶粒尺寸的区域，从而使细晶粒尺寸的区域再熔化。利用这种制造方法可实现金属部件和原型的更高的寿命和操作性能。【专利说明】
本专利技术涉及耐高温部件的技术，尤其用于燃气涡轮的热气路径部件。其涉及一种用于通过添加性制造技术，例如选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)制造金属部件/三维物件的方法。
技术介绍
对于金属功能性原型和金属部件的制造，添加性制造已经变为一种越来越具有吸引力的解决方案。目前已经知晓SLM、SLS和EBM方法使用粉末材料作为基体材料。部件或物件直接由粉末床产生。其它添加性制造方法，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)局部地将材料熔化到现有部件上。这种新近产生的材料可沉积成导线或粉末，其中粉末沉积装置沿着预定的路径利用机器人或CNC机器而移动。 基于粉末或其它添加性制造技术的一个特征可为在SLM粉末床处理期间由于已知的逐层集结工艺和局部凝固条件而引起的材料属性(例如杨氏模量、屈服强度、抗拉强度、低循环疲劳性能LCF、蠕变)的强的各向异性。 SLM产生的材料的各向异性的机械属性在主生长方向上提供了更好的属性，首先是疲劳寿命时间。但材料属性的这种各向异性在若干应用中可为缺点。因此，本 申请人:迄今为止提交了两个未公布的专利申请，其揭示了通过添加性激光制造技术所制造的部件的各向异性的材料性能可通过合适的“后生成”热处理来减少，从而导致更为各向同性的材料属性。 将有利的是，局部控制所产生的材料/部件的微结构，使得机械属性，例如LCF ；HCF(高循环疲劳)、蠕变等与部件的不同位置的热机械负载条件关联起来。 另外，本申请的 申请人:所提交的至今未公布的专利申请公开了由SLM技术产生的材料的主晶粒定向和辅晶粒定向可通过特定的扫描策略进行调节，例如激光射束的运动方向。微结构的这种控制极度有利于用SLM技术制造的部件和原型。SLM技术由于其可直接从粉末床中产生非常高级设计的能力从而能够制造高性能且形状复杂的部件。通过恰当地调节主晶粒定向和辅晶粒定向，可控制杨氏模量，并使之与部件的热机械负载条件相一致。然而，不同的扫描策略主要影响了晶粒定向，而非晶粒尺寸。 文献DE 10 2011 105 045 B3 和 DE 10 2007 061 549 Al 公开了由 SLM 制造的部件用不同的激光功率/射束直径来建造的方法。根据这个“核芯-外壳”原理，部件的外表面(外壳)利用与部件的大块区域(核芯)不同的激光射束直径(较低的激光射束的直径和较低的激光功率)来熔化。根据DE 10 2011 105 045 B3的方法，其特征在于，在核芯区域上引导用于熔化粉末状部件材料的激光射束所沿的路径选择成使得在与外壳区域接触期间，它们总是至少大致垂直地到达外壳区域。通过这个方法，在具有良好的冶金结合的外表面(外壳)上可实现大块(核芯)的较高的建造速率和良好的表面光洁度。然而，迄今为止，不同的固化工艺在核芯和外壳区域中的结果没有得到系统地研究和开发。 2013年8月“冶金和材料处理”期刊第44B卷第794-796页，由T.Niendorf等人撰写的文献“由选择性激光熔化技术处理的高度各向异性的钢”描述了 SLM处理的奥氏体316L不锈钢的若干个试验结果。316L钢的名义成分如下■.( 0.03%的C 1%的Si 2%的Mn ；16.5%至18.5%的Cr ；10%至14%的Ni ；2%至2.5%Mo,剩余的是Fe。具有由那种钢材制成的壳芯结构的三次样本是这样制造的:外部结构采用400W激光系统来建造，导致一种弱纹理的细晶粒的固化结构。内部结构采用1000W激光系统来建造，导致完全不同的微结构，其具有在平行于建造方向上伸长的、超过Imm尺寸的晶粒。这是高度的各向异性。 文献EP2586548A1公开了一种添加性制造方法，优选SLM，其用于制造具有特定晶粒尺寸分布的部件，从而相对于具有基本均勻的晶粒尺寸的相似部件提闻了该部件的寿命。所需的晶粒尺寸分布是在添加性制造工艺期间直接产生的，因此晶粒尺寸通过控制SLM工艺中的熔化池的冷却速率而进行控制，这通过控制熔化区域的局部热梯度来实现。熔化区域由(第一)激光射束来产生。在一个优选实施例中，在其熔化区域处的局部热梯度受到第二激光射束或另一辐射源的控制。那意味着第二激光用于加热周围材料，以便局部性地控制热梯度和因而控制熔化池的冷却速率，这赋予了对晶粒尺寸的控制。这种处理可比拟于局部热处理。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是公开一种改进的用于整个地或部分地制造金属部件/三维物件的方法，其由Ni基、Co基、Fe基超级合金或其组合通过添加性制造方法制成，具有局部优化的机械属性。 这一目的以及其它目的通过根据权利要求1所述的方法来实现。 本专利技术提供了用于制造三维金属物件/部件的方法，其中三维金属物件/部件整个地或部分地由Ni基、Co基、Fe基超级合金或其组合通过添加性制造工艺利用粉末形式的金属基体材料制成，所述三维金属物件/部件包括具有针对所述物件/部件的负载条件进行调节的晶粒尺寸的微结构，添加性制造工艺选自选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)的工艺组，其中所述经调节的晶粒尺寸是在所述添加性制造工艺期间直接产生的，所述方法包括如下步骤:a)产生所述物件的三维模型，之后进行切片工艺以计算横截面；b)然后将所述计算的横截面传送至机器控制单元；c)提供所述工艺所需要的所述基体材料的粉末；d)在衬底板上或在之前经处理的粉末层上或在传统制造的预型件上准备具有规则且均匀厚度的粉末层；e)根据储存在控制单元中的三维模型，通过在与所述物件的横截面相对应的区域用能量射束扫描而执行粉末的熔化；f)将之前形成的横截面的上表面降低一层厚度；g)重复c)至f)的所述步骤，直至达到根据所述三维模型的最终的横截面；且h)可选地对所述三维物件进行热处理，其中在步骤e)中，使用了双激光设置，其中不同射束属性的两个激光射束在同一机器中组合起来，并通过以控制的方式调节的射束型式(profiling)和合适的射束开关的集成，从而在两个不同的激光射束直径之间执行切换，并且在每层中，具有较小直径的激光射束扫描整个区域，从而在每隔k-l(k>l)层中产生细晶粒尺寸，具有较大直径的激光射束扫描需要粗晶粒尺寸的区域，从而使具有细晶粒尺寸的区域再熔化。 本专利技术的一个优点是，利用这样一种方法可实现金属部件和原型更高的寿命和操作性能。 晶粒尺寸可通过激光射束成形和激光强度的调节以及扫描/累加控制而进行控制。 利用这种特制的SLM累加方法，可生产本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造三维金属物件/部件的方法，所述三维金属物件/部件整个地或部分地由Ni基、Co基、Fe基超级合金或其组合通过添加性制造工艺利用粉末形式的金属基体材料制成，所述三维金属物件/部件包括具有针对所述物件/部件的负载条件进行调节的晶粒尺寸的微结构，所述添加性制造工艺选自选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)组成的组，其中经调节的晶粒尺寸是在所述添加性制造工艺期间直接产生的，所述方法包括如下步骤：a) 产生所述物件的三维模型，之后进行切片工艺以计算横截面；b) 然后将所述计算的横截面传送至机器控制单元；c) 提供所述工艺所需要的所述基体材料的粉末；d) 在衬底板上或在之前经处理的粉末层上或在传统制造的预型件上准备具有规则且均匀厚度的粉末层；e) 根据储存在控制单元中的三维模型，通过在与所述物件的横截面相对应的区域中用能量射束扫描而执行粉末的熔化；f) 将之前形成的横截面的上表面降低一层厚度；g) 从c)至f) 重复所述步骤，直至达到根据所述三维模型的最终的横截面；且h) 可选地对所述三维物件进行热处理，其中在步骤e)中，使用了双激光设置，其中不同射束属性的两个激光射束在同一机器中组合起来，并通过以控制的方式调节的射束型式和合适的射束开关的集成，从而在两个不同的激光射束直径之间执行切换，并且在每层中，具有较小直径的激光射束扫描整个区域，从而在每隔k‑1层(k>1)中产生细晶粒尺寸，具有较大直径的激光射束扫描需要粗晶粒尺寸的区域，从而使具有细晶粒尺寸的区域再熔化。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：T埃特，M霍伊贝，J舒尔布，F罗伊里格，
申请(专利权)人：阿尔斯通技术有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH