使用金属和熔剂的预制体的高温合金实体自由成形制造和修复制造技术

本发明专利技术涉及一种含有金属（32、34）和熔剂（33）的预制体（22、22A‑U）；该金属和熔剂是用于形成要被添加到正在被修复或增材制造的部件中的金属层。可以响应于使预制体熔化的能量束（58）而将金属以如下分布限制于预制体中，即该分布形成部件的剖面层的形状或表面修复。将预制体置于工作面（42）上，该工作面可以是预先在增材制造中所形成的层（42A‑C），或者可以是用于修复的现有部件表面（122）。然后利用能量束（58）使预制体熔化从而在该部件上形成新的一体化层（40A‑F）并且具有熔渣（56）的覆盖层，该覆盖层保护并隔离了熔池（54）和固化层。将熔渣去除，并且可添加后继的层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及金属部件的实体自由成形制造和修复的领域；具体地本专利技术涉及高温合金部件的加层制造和修复。
技术介绍
工业上正越来越多地采用实体自由成形制造（SFF）技术来制造全功能金属零件。该系列的增材制造工艺包括材料（例如，粉末和线材）的逐层堆积和固结，从而允许直接地基于CAD模型使待制造零件具有高几何自由度。被称作直接金属激光制造（DMLF）的一组SFF技术利用激光使粉末固结。其它组的技术采用钨惰性气体（TIG）、金属惰性气体（MIG）、或者电子束技术。增材制造使通过将部件建造在各层中而制造该部件成为可能。各层被熔化、烧结、或结合到前一层上。可将各层模型化为该部件的数值实体模型的薄片。高温合金材料由于它们对熔体凝固裂纹和应变时效裂纹的敏感性因而是最难以制造和修复的材料。本文中所使用的术语“高温合金”，正如在本领域所通常使用的，表示在高温下具有优异的机械强度和抗蠕变性的高度耐腐蚀和耐氧化的合金。高温合金通常具有较高的镍或钴含量。高温合金的例子包括以商标和品牌名称Hastellov、Inconel合金（例如IN 738、IN 792、IN 939）、Rene合金（例如Rene N5、Rene 80、Rene142）、Haynes合金、Mar M、CM 247、CM 247 LC、C263、718、X-750、ECY 768、282、X45、PWA1483和CMSX（例如CMSX-4）单晶合金而销售的合金。高温合金部件的焊接修复已通过将基体预热到高温（例如超过1600℉或870℃）以增加修复期间材料的延性而实现。该技术被称为热芯盒焊接或者高温下高温合金焊接（SWET）。它通常是采用手工气体钨极电弧焊（GTAW）而完成。然而，热芯盒焊接受到维持均匀部件加工表面温度的难度和维持完全惰性气体保护的难度的限制，并且受到被施加到高温下在部件附近工作的操作者身体因素的限制。一些高温合金焊接应用可以通过使用冷板来限制基体材料的加热而加以改进；由此限制基体热影响和导致裂纹问题的应力的出现。然而，该技术对于其中零件的几何形状不便于冷板使用的许多修复应用而言是不实用的。图1示出了作为其铝和钛含量的函数的、各种合金的相对可焊性。具有相对较低浓度的这些元素因此具有相对较低的γ′相含量的合金（如Inconel® IN718）被看作是相对地可焊接的，尽管这种焊接一般被限制于部件的低应力区。具有相对较高浓度的这些元素的合金（如Inconel® IN939）传统上不被看作是可焊接的，或者仅利用提高材料的温度/延性并使工艺的热输入最小化的上述特殊步骤而变得可焊接。虚线18表示经验证的可焊接区的上边界。虚线18与垂直轴上的3 wt%铝和水平轴上的6 wt%钛相交。在可焊接区外部的合金被认定为非常难以或无法用传统工艺进行焊接，并且具有最高铝含量的合金总体上发现是最难以进行焊接的，如由箭头所表示。选择性激光熔化（SLM）的DMLF工艺已被用于使一薄层的高温合金粉末颗粒熔化到高温合金基体上以便进行修复，并且使这种颗粒的薄床在连续层中熔化以便实行实体自由成形制造。在激光加热期间，利用惰性气体（如氩气）将熔池与大气隔离。这些工艺往往会使颗粒表面上的氧化物（例如，氧化铝和氧化铬）滞留在沉积材料层中，从而导致孔隙、夹杂和与滞留氧化物相关的其它缺陷。加工后热等静压（HIP）常常被用于消除这些孔隙、夹杂和裂纹从而改善沉积涂层的性能。选择性激光熔化（SLM）是通过施加局部的激光热使粉末熔化并且形成熔池（该熔池凝固为材料的固结层，该固结层形成固体截面）而使粉末床中的金属颗粒熔化。当激光辐射与金属粉末发生相互作用时，能量沉积高度依赖于粉末偶联机制。粉末颗粒之间的多次反射导致与固体材料相比更高的光穿透深度。然而，各种形式的SLM具有部分或全部的以下缺点：a）局限于在一个室中的平直水平表面上的加工，以便在激光加工期间利用重力来保持粉末。b）局限于例如图1中所示的可焊接材料。c）慢速过程，因为各层必须是较薄的，例如20微米。使用较厚的层可能需要较高的能量密度，这会导致裂纹。d）需要惰性保护气体以避免氧化。e）需要基体和/或粉末的预热以避免裂纹。f）受到可用能量密度的限制。能量密度的增加导致更大程度的熔化，从而导致材料形成球形的球而不是形成一致的层。g）需要加工后操作（例如喷丸处理和热等静压（HIP））以便去除孔隙和污染物。h）工艺对粉末制造方法高度敏感。激光熔覆是一种常用的替代SFF工艺。它通常是用于使金属填充材料沉积到基体表面上从而形成金属层以便实行修复或增材制造。激光使基体的表面熔化而形成熔池，金属填充材料被连续地注入该熔池中，因此在表面上形成金属层或“包层”。一个替代形式的激光熔覆使用在基体表面上的预放置的粉末。各种形式的激光熔覆具有部分或全部的以下缺点：a）慢速过程，因为各层必须是较薄的，例如0.5 mm。b）对于难焊接的材料甚至更慢，如图1中所示。c）需要惰性保护气体以避免氧化。d）需要基体的高预热或快速冷却以避免裂纹。e）在一些情况下，存在对粉末制造方法的敏感性。因为新的高温合金继续被开发出来，所以开发用于高温合金材料的工业上可行的连接工艺的挑战亦继续增加。这些连接工艺对高温合金的修复和SFF应用具有直接影响。选择性激光熔化和激光熔覆两者取决于激光耦合效率，该激光耦合效率取决于许多因素，其中有粉末粒度、粉末质量和激光能量密度。将在用于等离子喷涂、高速氧燃料喷涂（HVOF）、低压等离子喷涂（LPPS）、冷气体喷涂、选择性激光熔化（SLM）、燃烧喷涂、等离子转移弧喷焊、和激光熔覆的典型的基于粉末的工艺中所采用的粉末粒度示于图2。可用粉末粒度分布根据工艺而不同，尤其在SLM与激光熔覆之间是不同的。这在激光耦合的优化和粒度的定制（由于其它原因）的两个方面构成对用于高温合金的SFF的这些工艺中的每个工艺的限制。较大的颗粒由于较低的表面积因而减少了工艺氧化。较小的颗粒提供部件中各结构特征的较精细界定。因此，用于高温合金SFF工艺优化的较大范围的粒度将会是有用的。附图说明在以下的描述中基于附图来说明本专利技术，在附图中：图1示出了各种高温合金的相对可焊性。图2示出了用于现有的增材工艺的粒度范围。图3是揭示本专利技术一个实施例的各方面的预制体的侧面剖视图。图4是双壁燃气涡轮机叶片的横向剖视图。图5是形成图4的叶片的一层的预制体的俯视剖面图。图6示出了根据本专利技术各方面的实体自由成形制造的工艺。图7是由容纳用于不同叠加层的不同材料的管所制成的预制体的透视剖面图。图8是用适形的预制体所包裹的芯棒的横向剖视图。图9是具有保持涡轮机翼型的预制体的空腔的分割模型板的俯视图。图10是具有激光阻挡材料的内部块的预制体的侧面剖视图，该内部块提供在部件的一层或外表面中的凹槽。图11是由图10的预制体所形成部件的基体和带凹槽表面的侧面剖视图。图12是具有用于激光阻挡材料的内部块的预制体的透视剖面图，该内部块具有用于其它添加材料的空腔。图13是由图12的预制体所形成部件的基体和表面的侧面剖视图。图14是具有用于表面张力去除的预烧结多孔金属的内部块的一个预制体实施例的俯视剖面图。图15示出了利用放电等离子烧结而形成金属/熔剂预制体的工艺。图16示出了使用金属/熔剂预制体对部件进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工艺，包括：形成包含金属和熔剂的预制体，其中响应于金属部件的金属层的期望形状而将所述金属分布于所述预制体中；将所述预制体置于工作面上；将能量束引导到所述预制体上以使所述金属熔化，从而形成被熔渣层所覆盖的所述金属层；和去除所述熔渣层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.07 US 14/1755251. 一种工艺，包括：形成包含金属和熔剂的预制体，其中响应于金属部件的金属层的期望形状而将所述金属分布于所述预制体中；将所述预制体置于工作面上；将能量束引导到所述预制体上以使所述金属熔化，从而形成被熔渣层所覆盖的所述金属层；和去除所述熔渣层。2. 如权利要求1所述的工艺，还包括以包围所述金属和熔剂的未结合颗粒的容器的形式而形成所述预制体。3. 如权利要求2所述的工艺，还包括将所述容器分隔成多个室，其中所述室中的至少第一室包围所述金属和熔剂的未结合颗粒。4. 如权利要求3所述的工艺，还包括用非金属的能量束阻挡材料装载所述室中的至少第二室。5. 如权利要求3所述的工艺，还包括将干冰加入所述室的至少一个室中。6. 如权利要求1所述的工艺，还包括：以被分隔成多个室的容器的形式而形成所述预制体；用包含具有第一平均颗粒直径的金属的第一颗粒装载所述室中的第一室；和用包含具有第二、不同平均颗粒直径的金属的第二颗粒装载所述室中的第二室。7. 如权利要求1所述的工艺，还包括以具有相对的第一壁和第二壁的容器的形式而形成所述预制体，所述第一壁和第二壁将所述金属和熔剂的颗粒包围在两者之间，其中所述壁包括被密封到非金属能量束阻挡材料的周边框架的各自周边。8. 如权利要求1所述的工艺，还包括用一系列的共同附接的管形成所述预制体，所述管中至少一个管容纳所述金属和熔剂的第一颗粒。9. 如权利要求8所述的工艺，其中所述管中的至少第二个管容纳非金属能量束阻挡材料。10. 如权利要求1所述的工艺，还包括由容纳第一增材制造材料的颗粒的共同附接管的第一层、和容纳第二增材制造材料的颗粒的共同附接管的第二层形成所述预制体。11. 如权利要求10所述的工艺，其中所述第一增材制造材料包括金属-陶瓷粘接涂层材料，并且所述第二增材制造材料包括陶瓷隔热材料。12. 如权利要求10所述的工艺，还包括在引导所述能量束之前使所述预制体与芯棒适形，其中所述芯棒包括被成形而形成所述金属部件的弯曲外壁的所述工作面。13. 如权利要求1所述的工艺，还包括在引导所述能量束之前将所述预制体置于由分割模型板的可分离部所包围的空腔中，其中所述空腔限定所述金属部件的外表面的形状。14. 如权利要求13的所述的工艺，还包括：重复成形、放置、引导和移动的步骤，从而形成多个金属层；和利用分别具有不同导热系数的多个分割模型板来控制在所述金属部件的高度上方的所述多层的晶粒结构。15. 如权利要求1所述的工艺，还包括：在引导所述能量之前将能量阻挡材料设置在所述预制体中；和在所述层的凝固之后将所述块去除，由此在所述层中形成凹槽或凹陷。16. 如权利要求1所述的工艺，还包括：在引导所述能量之前将能量阻挡材料的内部块设置在所述预制体中，其中所述内部块包...

【专利技术属性】
技术研发人员：GJ布鲁克，A卡迈勒，D朱尼，
申请(专利权)人：西门子能源公司，
类型：发明
国别省市：美国;US