形成具有一体的通道的熔覆层的方法技术

本发明专利技术提供一种方法，该方法包括：将陶瓷的预成形件(10)浸入粉末超合金材料(14)的层(12)中，其中，预成形件限定待形成在超合金材料的层(42)中的通道(60、62、64、78)的期望形状；将在预成形件周围的粉末超合金材料熔化而不熔化预成形件；并且将预成形件周围的粉末超合金材料冷却并重新固化，以形成超合金材料的层，其中由预成形件限定超合金材料的层中的通道的形状。

Method of forming a cladding layer having an integrated channel

The present invention provides a method, the method includes: the ceramic preform (10) immersed in Powder Superalloy (14) layer (12), among them, the preform is defined to be formed in super alloy material layer (42) of the channel (60, 62, 64, 78) the desired shape; the forming around the powder in the pre melting of super alloy material without melting the preform; and the preform around the super alloy powder cooling and re solidified to form a super alloy material layer, wherein the preform by defining super alloy material layer in the channel shape.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及增材制造，并且更具体地涉及形成具有精细细节的内部空隙或通道的材料层，并且在一个实施方式中，使用高沉积速率的熔覆操作来形成包含精密冷却通道的超合金熔覆层。
技术介绍
通常认为，增材制造是通过多层加工来构成三维部件，其中每一层代表三维部件的一部分。三维部件可以通过使用足够高功率的能量源来熔化用于三维部件的粉末金属或粉末合金来制造。例如，通常以激光逐层烧结或熔合粉末金属或粉末合金的方式来应用高功率激光束。这些过程包括选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、激光近净成形(LENS)等。在加工许多微小的层之后，这些工艺构造出部件。然而，这些工艺具有缺点和局限性。例如，如果需要许多部件、或者如果部件相对较大，则有些工艺极其缓慢且成本过高。比如，在Bruck等人的美国专利公开2013/0140278中描述的高沉积激光熔覆技术解决了速度的问题，并且以全文引用的方式并入本文。然而，用于导引热气体的多个燃气涡轮发动机部件需要在表面附近布置在零件中的冷却通道。这些冷却通道包括使用如上所述工艺尚无法实现的精细细节。因此，现有技术中仍然存在改进的空间。
技术实现思路
根据本专利技术的方法和部件解决了上述技术问题。根据本专利技术，提供了一种方法，包括：将陶瓷预成形件浸入粉末超合金材料的层中，其中，预成形件限定出将要在超合金材料的层中形成的空隙的期望形状；将预成形件周围的粉末超合金材料熔化而不熔化预成形件；以及将预成形件周围的被熔化的超合金材料冷却并重新固化，以形成超合金材料的层，其中预成形件限定超合金材料的层中的空隙的形状。本专利技术还提供了一种包括在增材制造过程期间形成的多个层的部件，多个层中的一个层由上述方法形成。附图说明参照附图在以下描述中对本专利技术进行阐述，在附图中：图1示意性地示出了将预成形件定位在粉末超合金材料的层中；图2示意性示出了将预成形件周围的超合金材料熔化而不熔化预成形件，以及将超合金材料冷却并重新固化；图3是沉积过程的特写视图；图4示意性地描绘了具有通过图1至图3中所示过程形成的冷却通道的层；图5示意地描绘了具有通过重复图1至图3中所示过程形成的冷却通道的部件；以及图6示意性地描绘了具有结构性表面细节的预成形件。具体实施方式专利技术人提出：使用具有精细细节的预成形件，并且该预成形件在高沉积速率熔覆过程期间不会熔化，从而在超合金熔覆层内形成具有精细细节的通道(也称为空隙)。取决于应用场合，所述通道可以用于冷却、诊断或其他目的。在本文中选择冷却通道的示例性实施方式来进行讨论。然而，该工艺也能够适用于其它空隙，比如端部封装的通道，用于容纳比如热电偶等仪器。一旦完成熔覆过程并且由此形成了熔覆层，就可以移除预成形件以露出通道。替代性地，预成形件可以保留在熔覆层中并且可以限定在其内部的通道。本专利技术人已经认识到，浸渍在合金熔池内的陶瓷预成形件可能没有被完全润湿，特别是在预成形件的表面包含精细的结构性细节的情况下尤为如此。因此，本专利技术的预成形件可以涂覆有与超合金材料相容的金属或金属合金。该金属涂层可以改善被熔化的超合金材料对预成形件的几何形状的润湿，由此在随后被冷却的熔覆层中保留预成形件表面的精细细节。图1示意性地示出了将预成形件10定位在布置于基底16(或加工床)上的粉末超合金材料14的层12中。粉末熔剂20的层18可以被布置在粉末超合金材料14的层12上。替代性地，粉末超合金材料14与粉末熔剂20可以混合在一起。在另一替代的示例性实施方式中，可以使用惰性保护气体或真空来替代粉末熔剂20(或除了粉末熔剂20之外还使用惰性保护气体或真空)以避免在加工期间发生大气反应。预成形件10可以由在熔覆操作期间不会熔化的任何材料制成。预成形件10可以是实心的(例如细丝)或可以具有以下形状：其限定出穿过预成形件10的通道(例如管或具有相互连通的孔隙的泡沫)。预成形件的尺寸和形状与最终零件中期望的开口或空隙的几何细节相对应。示例预成形件材料包括陶瓷，比如氧化铝和氧化锆。目前能够得到直径小到0.28mm的氧化铝棒(细丝)。目前能够从例如加利福尼亚州的萨克拉门托市的OrtechAdvancedCeramics(Ortech精密陶瓷公司)得到直径小到1.6mm的氧化锆棒(细丝)。可以从例如科罗拉多州的高登市的CoorsTek公司得到管状的氧化铝和莫来石(3Al2O32SiO2)。可选地，预成形件10的外表面30可以涂覆有涂层32(例如金属涂层)以促进激光熔覆操作期间的润湿。合适的预成形件10的材料包括氧化铝、氧化铍、蓝宝石、氧化锆、二氧化硅、氧化镁、氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳化硅、硅酸铝(包括莫来石)、硅酸镁和任何其他合适的陶瓷。合适的涂层材料包括钼-锰、钨锰、钼钨锰、钛、铪、锆、铬和铌。可以使用上述预成形件材料和涂层材料的任意组合。在示例性实施方式中，氧化铝、氧化铍或蓝宝石的预成形件10可以涂覆有钼-锰、钨锰和钼钨锰中的任一者。预成形件10可以通过使用若干已知的过程中的任意过程进行涂覆，包括：刷涂、丝网印刷、喷涂、浸涂、镀覆、溅射和针涂布(needleapplication)。典型地，涂层32的厚度可以为二十五微米，具有十微米的公差。当涂层32是镀层时，涂层32的厚度可以为二微米至十微米。因此，在一些情况下，可以在没有中间涂层的情况下将用于实现润湿的镀层直接施加于预成形件10。可选地，可以将第二涂层34施加于涂层32的表面36以进一步促进润湿。第二涂层34可以包括与粉末超合金材料14相容的金属或合金，该金属或合金在镀覆过程中施加，在这种情况下，该第二涂层34是镀层。例如，对于镍基的粉末超合金材料而言，可以将镍用于第二涂层34。同样，镀层，以及由其形成的第二涂层34的厚度为二微米至十微米。预成形件10的金属化的可选的最终步骤可以包括热处理。在示例性实施方式中，氧化铝的预成形件10涂覆有镀镍的钼-锰。在替代的示例性实施方式中，氧化锆的预成形件10可以涂覆(借助于物理气相沉积)有钛(通过德国Jülich(尤利希)的ForschungszentrumJülich(尤利希研究中心)商购获得)。适于涂覆氧化锆(借助于物理气相沉积)的其他材料包括铪、锆、铬和铌。涂层32和可选的第二涂层34改善了在熔覆操作期间被熔化的超合金材料对预成形件的润湿。在熔覆操作期间，涂层32和可选的第二涂层34可能消耗也可能不消耗。如果消耗，则被熔化的超合金材料将与预成形件10的外表面30直接吻合。如果未消耗，则当仅存在涂层32时、被熔化的超合金材料将与涂层32的外表面36相吻合，或当存在第二涂层34时、被熔化的超合金材料将与第二涂层34的外表面38相吻合。由于预成形件10的外表面30的形状限定了涂层32的外表面36的形状以及第二涂层34的外表面38的形状，因此被熔化的超合金材料仍与预成形件10的外表面30的形状相吻合。被熔化的超合金材料围绕细节的固化将细节保留在熔覆层中。如果涂层32和/或第二涂层34在熔覆操作期间被消耗，则将不会对熔覆层产生不利的影响，这是因为涂层32和第二涂层34中存在的元素优选地已经存在于相关合金(例如镍基的超合金)中，并且所添加的材料的量非常少，以至于其将不会对熔覆层成分或者机械特性或物理特性产生显本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：将陶瓷的预成形件(10)浸入粉末超合金材料(14)的层(12)中，其中，所述预成形件限定出将要在超合金材料的层(42)中形成的空隙(60、62、64、78)的期望形状；将所述预成形件周围的粉末超合金材料熔化而不熔化所述预成形件；以及将所述预成形件周围的被熔化的超合金材料冷却并重新固化，以形成超合金材料的层，其中所述预成形件限定超合金材料的层中的所述空隙的形状。

【技术特征摘要】
2015.10.21 US 14/918,7921.一种方法，包括：将陶瓷的预成形件(10)浸入粉末超合金材料(14)的层(12)中，其中，所述预成形件限定出将要在超合金材料的层(42)中形成的空隙(60、62、64、78)的期望形状；将所述预成形件周围的粉末超合金材料熔化而不熔化所述预成形件；以及将所述预成形件周围的被熔化的超合金材料冷却并重新固化，以形成超合金材料的层，其中所述预成形件限定超合金材料的层中的所述空隙的形状。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预成形件包括中空的陶瓷管。3.根据权利要求2所述的方法，还包括通过机械冲击或热冲击工艺将所述中空的陶瓷管移除。4.根据权利要求1所述的方法，还包括在浸入步骤和熔化步骤之前涂覆陶瓷的所述预成形件的外表面，以便于被熔化的超合金材料润湿所述预成形件。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述预成形件的外表面涂覆有钼-锰、钛、钨锰、钼钨锰、铪、铬、锆和铌中的至少一者的涂层。6.根据权利要求5所述的方法，还包括在浸入...

【专利技术属性】
技术研发人员：格拉尔德·J·布鲁克，艾哈迈德·卡梅尔，
申请(专利权)人：西门子能源有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US