用于单晶超合金和金属的直写的装置和方法制造方法及图纸

用于单晶超合金和金属的直写的方法和装置。方法包括：将衬底加热到低于其熔点的预定温度；使用激光在衬底的表面上形成熔融池，其中，衬底被设置在基板上，以及其中，激光和基板能够相对彼此移动，激光用于直接金属沉积；将超合金粉末引入到所述熔融池；以及控制熔融池的温度以在熔融池的固体和液体界面上保持预定的热梯度，以便于在衬底上形成单晶沉积。装置被配置为总体上实现上述的方法。

Apparatus and method for direct writing of single crystal superalloys and metals

Method and apparatus for direct writing of single crystal superalloys and metals. The method includes: the substrate is heated to a predetermined temperature lower than its melting point; the formation of molten pool on the surface of the substrate using a laser in which the substrate is disposed on the substrate, and the laser and the substrate can move relative to one another, for laser direct metal deposition; super alloy powder into the molten pool; and the temperature control of molten pool in the molten pool of solid and liquid interface to maintain thermal gradient is predetermined, so formed on the substrate of single crystal deposition. The device is configured to implement the above method as a whole.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于单晶超合金和金属的直写的装置和方法相关申请的交叉引用本申请要求2014年8月24日提交的美国临时申请No.62/041,884的优先权。上述申请的全部公开内容通过引用加入本文。
本公开涉及用于单晶超合金和金属的直写的装置和方法。
技术介绍
该部分提供与本公开有关的背景信息，这些背景信息不一定是现有技术。该部分还提供了对本公开的总体概述，并且不是对本公开的完整范围和所有特征的全面披露。诸如叶片或轮叶等的叶片(airfoil)部件通常由等轴的、定向凝固(DS)的或单晶(SX)的超合金形成。与等轴晶体的涡轮机叶片相比，定向凝固(DS)的或单晶(SX)的涡轮机叶片具有远为优良的蠕变强度、热疲劳抗性以及抗腐蚀性。在特定的用途中，与等轴晶体的涡轮机叶片相比，DS或SX涡轮机叶片已证实在蠕变强度和热疲劳抗性方面具有高达九倍的相对寿命，并且针对抗腐蚀性，具有高达三倍以上的相对寿命。然而，单晶铸造是缓慢和昂贵的过程。如果发生设计变化，则需要制作新的模具。由于镍超合金的高的熔融温度，通常需要昂贵的陶瓷模具。另一方面，数字制造方法(如果被成功地应用)能够形成单晶而不使用模具，并且由此能够使设计变化变得经济。
技术实现思路
根据本专利技术的原理，公开了用于单晶超合金和金属的直写的方法和装置。在一个实施例中，将衬底加热到低于其熔点的预定温度，并且使用激光在沉底的表面上形成熔融池。衬底设置在基板上，并且激光和基板可以相对彼此移动，激光被用于直接金属沉积并且衬底被加热到低于其熔点的温度。将超合金粉末引入到熔融池，并且控制熔融池的温度以在熔融池的固体和液体界面上保持预定的热梯度，以便于在衬底上形成单晶沉积。根据该方法，提供了用于单晶超合金和金属的直写的装置。在一个实施例中，装置包括激光，具有功率输出；基板，被配置为将衬底保持在其上；DMD头，被配置为将超合金粉末流提供到衬底上；感应热源，被设置为将基板上的衬底加热到预定温度；以及控制器，用于控制激光的功率输出以保持预定温度。控制器响应于以下中的至少一个的测量温度：衬底上的熔融池，以及超合金粉末。根据本文提供的描述，其他的适用领域将变得显而易见。本概述中的描述和特定示例仅是出于说明目的，而并非是要限制本公开的范围。附图说明本文中描述的附图仅出于对所选择的实施例而非所有可能的实现方式进行说明的目的，而不是要限制本公开的范围。图1示出了根据一个实施例的实验装置；图2示出了根据一个实施例的熔融池温度控制过程；以及图3示出了根据一个实施例的用于熔融池温度控制器的算法的流程图。在附图的全部多个视图中，相对应的附图标记指示相对应的部分。具体实施方式现在将参照附图更完整地描述示例实施例。提供了示例实施例以使得本公开变得充分，并且将范围完整地传达给本领域技术人员。阐述了大量的具体细节，例如特定部件、设备、以及方法的示例，以提供对本公开的实施例的充分理解。对本领域技术人员显而易见的是，特定的细节不需要被采用、示例实施例可以以多种不同的方式实现，并且这些细节和实施例都不应该被解释为限制本公开的范围。在一些示例实施例中，没有详细描述公知的过程、公知的设备结构、以及公知的技术。在本文中使用的术语仅出于描述特定示例实施例的目的而非旨在进行限制。如本文中使用的，单数形式“一”、“一个”、以及“该”可能旨在还包括复数形式，除非上下文明确地另外指示。术语“包括”、“含有”、“包含”、以及“具有”是开放性的并且因此表示存在所描述的特征、单体、步骤、操作、元件、和/或部件，但不排除一个或多个其他特征、单体、步骤、元件、部件、和/或其组合的存在或添加。本文中描述的方法步骤、过程、以及操作不应该被解释为一定要求它们以讨论或示出的特定顺序来执行，除非它们被特别标识为顺序执行。还应该理解的是，可以采用额外的或可替代的步骤。直接金属沉积(DMD，DirectMetalDeposition)，一种数字增材制造工艺，使用智能的闭环反馈系统来提供用于先进燃气涡轮机技术的经济性的解决方案。本文总体上提供了用于三维单晶形状的直写的方法和装置，这样的直写是通过将固液界面处的温度梯度保持在接近常数的很窄的窗口内来促进的。这样的三维单晶形状具有作为燃气涡轮机引擎的叶片的特定用途。然而，应该理解的是，本公开的教导不应该被视为仅限于燃气涡轮机叶片应用，而是还可以在广阔范围的应用中使用。也就是说，本文讨论的示例性的合金组合物的使用不限于燃气涡轮机叶片，并且由此可以在其他制品中采用，其他制品例如是燃气涡轮机喷嘴、轮叶、外罩，或用于燃气涡轮引擎或类似应用的其他部件。在示例性的实施例中，部件制品10大体上是单晶。也就是说，部件制品10在体积上至少约80％，并且更优选地在体积上至少约95％是具有单一晶向的单晶粒。可能有微小体积分数的其他晶向并且还可能有由低角度边界分隔的区域。单晶结构是通过合金组合物的定向凝固来制备的，通常从籽晶或引起单晶的生长以及单晶粒取向的其他结构制备。参照图1，总体上示出了装置20，其使用与浮区方法(floatingzonemethod)类似的过程来为SX生长提供稳定的温度梯度和环境。装置20一般包括工作台21，工作台21上布置有其他部件。单晶基板22用于引发外延生长。单晶衬底23被示出为设置在单晶基板22上的平台27上。单晶基板22可以相对于装置20在垂直方向上移动。如所示出的，线性移动台25设置在工作台21上以控制单晶基板22的垂直移动。在一个实施例中，衬底是具有与沉积物大体相同的组成的单晶籽晶。例如，衬底和被沉积的材料两者都可以是镍基超合金。感应热源24被引入以便于在单晶衬底23上保持稳定的温度梯度。如所示出的，感应热源24是相对于装置20呈静态的加热线圈。由此，可以相对于感应热源24垂直地移动单晶基板22以控制单晶衬底23与感应热源24间的距离。当被设置在平台27上时，衬底23可以被设置在感应热源24内。激光26被示出为从DMD头28出射以在单晶衬底23上生长单晶。如所示出的，4kW的激光26被用于形成单晶镍基超合金样品。然而，具有足够能量来熔融金属粉末的任何激光或热源(例如，电子束)也适合于该过程。在示出的实施例中描述的实验仅使用了4KW中的几百瓦特。DMD头28可以在水平面上移动(在X和Y轴二者上移动)以允许控制激光26的位置。由此，装置10考虑使用用于形成单晶样品的3轴移动台。如在图2中更具体地示出的，DMD头28利用DMD粉末状金属传送系统30来将超合金粉末32流送或传送到由激光26生成的熔融池34。在一个实施例中，超合金粉末32包括镍基超合金粉末。然而，如所期望的，任何合适的超合金可以被包括在粉末32中。通过使用感应热源24，单晶衬底23的温度被增加到接近熔融温度(例如，当衬底23是镍基合金时，大约1200℃)。感应热源24帮助在固体和液体界面上保持热梯度。随后，当由于添加了接触粉末32和衬底23的激光26而从覆层33形成熔融池34时，粉末32被沉积到单晶衬底23上。也就是说，来自激光26的能量添加使粉末32和单晶衬底23的局部温度升高以形成熔融池34。覆层是与衬底的组成类似的组合物。金属粉末一般是具有合适尺寸和化学组成的气雾化(gas-atomized)金属粉末，以用于在覆层中得到期望的化学性质。在特定的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于单晶合金的直写的方法，所述方法包括：将衬底加热到低于其熔点的预定温度；使用激光在所述衬底的表面上形成熔融池，其中，所述衬底设置在基板上，以及其中，所述激光和所述基板能够相对彼此移动，所述激光用于直接金属沉积；将超合金粉末引入到所述熔融池；以及控制所述熔融池的温度以在所述熔融池的固体与液体界面上保持预定的热梯度，以便于在所述衬底上形成单晶沉积。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.26 US 62/041,8841.一种用于单晶合金的直写的方法，所述方法包括：将衬底加热到低于其熔点的预定温度；使用激光在所述衬底的表面上形成熔融池，其中，所述衬底设置在基板上，以及其中，所述激光和所述基板能够相对彼此移动，所述激光用于直接金属沉积；将超合金粉末引入到所述熔融池；以及控制所述熔融池的温度以在所述熔融池的固体与液体界面上保持预定的热梯度，以便于在所述衬底上形成单晶沉积。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光具有可变功率源，以及其中，控制所述熔融池的温度包括调整所述激光的所述可变功率源。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光具有能够由激光功率控制器控制的可变功率输出，以及其中，控制所述熔融池的温度包括：测量所述熔融池的温度；接收在控制器处测量的温度；将测量温度与参考温度相比较；以及调整所述激光的所述可变功率输出。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述测量温度低于所述参考温度，以及其中，调整所述激光的所述可变功率输出包括增加所述激光的所述可变功率输出。5.根据权利要求4所述的方法，其中，增加所述激光的所述可变功率输出包括增加由所述激光功率控制器提供的电压。6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述测量温度高于所述参考温度，以及其中，调整所述激光的所述可变功率输出包括降低所述激光的所述可变功率输出。7.根据权利要求6所述的方法，其中，降低所述激光的所述可变功率输出包括降低由所述激光功率控制器提供的电压。8.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔蒂尔莫伊·马宗德尔，崔廷榕，
申请(专利权)人：密执安州立大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US