使用粉末金屬和粉末助焊劑的流化床的增材制造
【技術領域】
[0001] 該發明大體設及從粉末金屬的床形成或修復金屬組件和部件的領域。更具體地， 該發明設及使用粉末材料的流化床來形成或修復部件，其中粉末材料包括超合金金屬和其 他材料。
【背景技術】
[0002] 焊接工藝取決于被焊接的材料的類型而有相當大的差異。一些材料在各種各樣的 條件下更容易焊接，而其他材料要求特殊工藝W便獲得結構上良好的接頭而不會使周圍的 基底材料劣化。
[0003] 常見的電弧焊一般利用消耗性電極作為給送材料。為了為焊池中的烙融材料提供 免受大氣影響的保護，可W在焊接包括例如鋼、不誘鋼和儀基合金的許多合金時使用惰性 覆蓋氣體或助焊劑材料。惰性和組合惰性與活性氣體工藝包括氣體鶴極電弧焊(GTAW)(也 稱作鶴極惰性氣體(TIG))和氣體金屬電弧焊(GMAW)(也稱作金屬惰性氣體(MIG)和金屬活 性氣體(MAG))。助焊劑保護工藝包括其中助焊劑通常被給送的埋弧焊(SAW)、其中助焊劑被 包括在電極的忍中的藥忍焊絲電弧焊(FCAW)和其中助焊劑被涂覆在填料電極的外側的焊 條電弧焊(SMW)。
[0004] 能量束的作為用于焊接的熱源的使用也是已知的。例如，激光能量已被用于將預 先放置的不誘鋼粉末烙化到具有提供烙池的屏蔽的粉末助焊劑材料的碳鋼基底上。助焊劑 粉末可W與不誘鋼粉末混合或者作為單獨的覆蓋層施加。W發明人的知識，當焊接超合金 材料時不使用助焊劑材料。
[0005] 認識到超合金材料歸因于其對焊接固化開裂和應變時效開裂的敏感性而在最難 W焊接的材料之中。術語"超合金"在運里如它在本領域通常使用地那樣使用，即，展現出優 異的機械強度和對高溫下的蠕變的抵抗性的高耐腐蝕抗氧化合金。超合金典型地包括高的 儀或鉆含量。超合金的示例包括在如下商標和品牌命名下銷售的合金：哈氏合金 (Hastelloy)、英科乃爾（Inconel)合金（例如，IN 738、IN 792、IN 939)、雷內（Rene)合金 (例如，Rene N5、Rene 80、Rene 142)、海恩斯化aynes)合金、Mar M、CM 247、CM 24化C、 C263、718、X-750、ECY 768、282、X45、PWA 1483和CMSX(例如，CMSX-4)單晶合金。
[0006] -些超合金材料的焊接修復已通過將材料預先加熱至非常高的溫度（例如至 1600°F或870°CW上）W便顯著地增加修復期間材料的材料延展性而成功實現。該技術被稱 為熱箱焊接化ot box welding)或處于升高溫度的超合金焊接(SWET)焊接修復并且它通常 使用手動GTAW工藝來實現。然而，熱箱焊接受到維持均勻的組件工藝表面溫度的難度和維 持完整的惰性氣體屏蔽的難度的限制，W及受到強加在在運樣的極端溫度下在組件附近工 作的操作者上的物理難度的限制。
[0007] -些超合金材料焊接應用可W使用激冷板來進行W限制基底材料的加熱，由此限 制了引起開裂問題的基底熱效應和應力的發生。然而，該技術對于其中部件的幾何形狀不 便于激冷板的使用的許多修復應用來說不實用。
[0008] 圖7是圖示出各種合金的作為其侶與鐵含量的函數的相對可焊性的傳統圖表。具 有相對較低濃度的運些元素并且因而具有相對較低丫 '含量的諸如lne(；me]?iN7i8等的合 金被認為是相對可焊的，但運樣的焊接一般限于組件的低應力區域。具有相對較高濃度的 運些元素的諸如iru;cmel'K'iN939等的合金一般不認為是可焊的，或者僅可W用增加材料的 溫度/延展性并使工藝的熱輸入最小化的在上面所討論的特殊程序來焊接。虛線80指示出 可焊性的區帶的公認的上邊界。線80與縱軸上的3wt. %侶和水平軸上的6wt. %鐵交叉。可 焊性的區帶外側的合金被公認為非常難W或不可能用已知工藝焊接，并且具有最高侶含量 的合金一般發現是最難W焊接的，如箭頭所指示的。
[0009] 利用選擇性激光烙化(SLM)或選擇性激光燒結(SLS)使一薄層超合金粉末顆粒烙 化到超合金基底上也是已知的。烙池通過在激光加熱期間施加諸如氣氣等的惰性氣體與大 氣屏蔽。運些工藝趨向于將附著在顆粒的表面的氧化物(例如，侶和銘氧化物)捕獲在沉積 出的材料的層內，導致孔隙、夾雜物和與被捕獲的氧化物相關聯的其他缺陷。后處理熱等靜 壓化IP)經常用來瓦解運些空隙、夾雜物和開裂W便改善沉積出的涂層的性質。運些工藝的 應用歸因于預先放置粉末的要求也限于水平表面。
[0010] 激光微包覆(Laser microcladding)是通過使用激光束使被朝向表面指向的粉末 流烙化而將一小薄層材料沉積到表面上的能夠3D的工藝。粉末通過氣體的噴射被朝向表面 推進，并且當粉末是鋼或合金材料時，氣體是使烙融合金與大氣的氧氣屏蔽的氣氣或其他 惰性氣體。激光微包覆受到諸如在1cm3/虹至6cm3Ar的數量級上的其低沉積速率的限制。此 夕h因為保護性氣氣屏蔽趨向于在包覆材料被完全冷卻之前消散，所W可能在沉積的表面 上發生表層氧化和氮化，運在有必要多個層的包覆材料W獲得期望的包覆厚度時是有問題 的。
[0011] 對于非可焊性的區帶中的一些超合金材料，沒有已知的商業上可接受的焊接或修 復工藝。此外，隨著新的且較高合金含量的超合金持續發展，開發用于超合金材料的商業上 可行的接合工藝的挑戰持續增長。
[0012] 關于原始設備制造(OEM),粉末金屬合金的靜態床的選擇性激光燒結和選擇性激 光烙化已被建議作為替代制造工藝;然而，使用運些工藝生產的組件具有有限的生產率和 質量。另外，處理時間仍然是個問題，因為部件通過使部件豎直向下平移W引入新的一層粉 末用于烙化而W非常薄的遞增沉積出的層形成。此外，經過遞增處理的層或平面之間的界 面面臨缺陷和有問題的物理性質。
[0013] 在美國專利號4，818，562 (' 562專利）中公開了從粉末金屬的流化床鑄造部件，該 專利的內容通過引用完全合并于此。'562專利大體公開了氣體到使用激光的粉末金屬的床 和粉末金屬的選擇性加熱區域內的引入。特別地，'562專利公開了諸如氣氣、氮氣和氛氣運 樣的惰性氣體的引入。惰性氣體被提供W使可W與熱或烙融金屬起反應W形成金屬氧化物 的任何大氣氣體移位，運可能會損害組件的完整性。'562專利還公開了用于使粉末流化的 氣體可W是諸如甲燒或氮氣等的反應性氣體;然而，沒有惰性氣體或其他屏蔽機制的引入， 烙融金屬的成分會與可得到的元素起反應的風險仍然存在。
【附圖說明】
[0014] 鑒于附圖在W下描述中說明發明，附圖示出：
[0015] 圖1是用于使用包括粉末金屬和粉末助焊劑材料的粉末材料的流化床進行的組件 的修復或制造的系統和工藝的示意性圖示。
[0016] 圖2是其中平移臺被用于控制待制造或修復的組件的移動的系統和工藝的實施例 的示意性圖示。
[0017] 圖3是示出了形成在沉積出的金屬基底上面的一層烙渣的工藝的示意性圖示。
[0018] 圖4是包括烙渣層的去除的系統和工藝的俯視圖。
[0019] 圖5是圖4的系統和工藝的截面圖。
[0020] 圖6圖示出能量束重疊圖案。
[0021] 圖7是圖示出各種超合金的相對可焊性的現有技術的圖表。
【具體實施方式】
[0022] 本發明人開發了一種可W成功地用于包覆、接合和修復最難W焊接的超合金材料 和制造或鑄造原始設備或組件的材料接合工藝。在焊接超合金材料時或者在部件或組件的 原始制造中W前沒有利用過助焊劑材料的情況下，發明性系統和工藝的實施例在激光微包 覆工藝期間和/或激光