利用可變掩蔽對粉末狀材料的床的激光處理的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年11月12日提交的美國臨時申請號61/902,829(代理人案卷號 2013P09947US)的優先權，該申請的全部內容通過引用合并于此。
技術領域
[0003] 本發明總體上涉及從粉末狀金屬的床鑄造、形成或修復金屬部件和零件的領域。 更具體地，本發明涉及使用粉末狀材料的靜態或流化床來鑄造或修復零件，其中粉末狀材 料由超合金金屬和其他材料組成。
【背景技術】
[0004] 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以便獲得結構上可靠的接頭而不會使周圍的 基底材料劣化。
[0005] 常見的電弧焊一般利用消耗性電極作為進給材料。為了為焊池中的熔融材料提供 免受環境影響的保護，可以在焊接包括例如鋼、不銹鋼和鎳基合金的許多合金時使用惰性 覆蓋氣體或焊劑材料。惰性和組合惰性和活性氣體工藝包括氣體保護鎢極電弧焊(GTAW) (也稱作鎢極惰性氣體(TIG))和氣體保護金屬電弧焊(GMAW)(也稱作金屬惰性氣體(MIG)和 金屬活性氣體(MAG))。焊劑保護工藝包括其中焊劑通常被進給的埋弧焊(SAW)、其中焊劑形 成電傳導性熔渣的電熔渣焊（ESW)、其中焊劑被包括在電極的芯中的藥芯焊絲電弧焊 (FCAW)和其中焊劑被涂覆在填料電極的外側的焊條電弧焊(SMAW)。
[0006] 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 先放置的不銹鋼粉末熔化到具有提供熔池的屏蔽的粉末狀焊劑材料的碳鋼基底上。焊劑粉 末可以與不銹鋼粉末混合或者作為單獨的覆蓋層施加。以發明人的知識，當焊接超合金材 料時不使用焊劑材料。
[0007] 認識到超合金材料歸因于其對焊接凝固龜裂和應變時效龜裂的敏感性而在最難 以焊接的材料之中。術語"超合金"在這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 鎳或鈷含量。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)、海恩斯合金（Haynes alloys)、Mar M、CM 247、CM 247LC、C263、718、X-750、ECY 768、282、X45、PWA 1483和CMSX(例如，CMSX-4)單晶合金。
[0008] -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°C以上）以便顯著地增加修復期間材料的延展性而成功實現。該技術被稱為熱 箱焊接(hot 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部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，以及受到強加在在這樣的極端溫度下在部件附近工作的 操作者上的物理難度的限制。
[0009] -些超合金材料焊接應用可以使用激冷板來進行以限制基底材料的加熱；由此限 制了引起龜裂問題的基底熱效應和應力的發生。然而，該技術對于其中零件的幾何結構不 便于激冷板的使用的許多修復應用來說不實用。
[0010]圖9是圖示出各種合金的作為其鋁與鈦含量的函數的相對可焊性的常規圖表。具 有相對較低濃度的這些元素并且因此具有相對較低γ '（增強成分)含量的諸如Inconel? IN718等的合金被認為是相對可焊的，但這樣的焊接一般限于部件的低應力區域。具有相對 較高濃度的這些元素的諸如:丨ncone丨Φ〕ΙΝ939等的合金一般不認為是可焊的，或者僅可以 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指示出可焊性的區域的公認的上邊界。線80與縱軸上的3重量％的鋁和橫軸上的6重 量％的鈦相交。可焊性的區域外側的合金被公認為非常難以或不可能用已知工藝焊接，并 且具有最高鋁含量的合金一般發現是最難以焊接的，如箭頭所指示的。
[0011]利用選擇性激光熔化(SLM)或選擇性激光燒結(SLS)使一薄層超合金粉末顆粒熔 化或部分熔化/粘結(燒結)到超合金基底上也是已知的。熔池通過在激光加熱期間施加諸 如氬氣等的惰性氣體而與大氣屏蔽。這些工藝趨向于將附著在顆粒的表面上的氧化物(例 如，鋁和鉻氧化物)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(HIP)通常用來瓦解這些空隙、夾雜物和龜裂以便改善沉 積出的涂層的性質。這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。
[0012] 激光微包覆(Laser microcladding)是通過使用激光束使被朝向表面引導的粉末 流熔化而將一小薄層材料沉積到表面上的3D可行的工藝。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，氣體是使熔融合金從大氣的氧氣屏蔽的氬氣或其他 惰性氣體。激光微包覆受到諸如在lcm 3/hr至6cm3/hr的數量級上的其低沉積率的限制。此 外，因為保護性氬氣屏蔽趨向于在包覆材料被完全冷卻之前消散，所以可能在沉積的表面 上發生表層氧化和氮化，這在多個層的包覆材料是有必要的以獲得期望的包覆厚度時是有 問題的。
[0013] 對于非可焊性的區域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。
[0014] 關于原始設備制造(0ΕΜ)，粉末狀金屬合金的靜態床的選擇性激光燒結和選擇性 激光熔化已被建議作為備選的制造工藝;然而，使用這些工藝生產的部件具有有限的生產 率和質量。另外，處理時間仍然是個問題，因為零件通過使零件豎直向下平移以引入(通過 機械擦拭器或刮除器)新的一層粉末用于熔化而以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易受缺陷和有問題的物理性質的隱患。
[0015] 在美國專利號4，818，562 (' 562專利）中公開了從粉末狀金屬的流化床鑄造零件， 該專利的內容通過引用完全合并于此。'562專利大體公開了使用激光將氣體引入到粉末狀 金屬的床和粉末狀金屬的選擇性加熱區域內。特別地，'562專利公開了氬氣、氦氣和氖氣這 樣的惰性氣體的引入。惰性氣體被提供以使可以與熱或熔融金屬起反應以形成金屬氧化物 的任何大氣氣體置換，這可能會損害部件的完整性。'562專利還公開了用于使粉末流化的 氣體可以是諸如甲烷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， 熔融金屬的成分會與可得到的元素起反應的風險仍然存在。此外，'562專利中公開的系統 和工藝限于在零件或部件被浸沒在床中的狀態下處理床的表面。
[0016] SLM/SLS工藝的限制是處理時間。雖然這樣的增材制造工藝已被用于以地面為基 礎的和航空渦輪發動機的原型制造，但這些工藝還沒有延伸至用于這些發動機的高溫零件 的生產制造。諸如渦輪機葉片和翼片的翼型等的復雜幾何結構的激光包覆要求精確的編程 和硬緊固以確保追蹤。
[0017] 當形成翼型時激光束可以被用于追蹤翼型的凸形輪廓；然而，當激光束遇到凹形 側邊時，光束因為由凹形邊緣被處理之前的凸形邊緣的加熱所誘導的橫向失真而錯過處理 的部位。如果在凸形邊緣之前處理凹形邊緣則可以預料到類似的橫向移動。如果凹形和凸 形邊緣兩者同時被處理則可以避免該橫向移動。金屬合金的熱膨脹和收縮沿處理方向在凹 形和凸形邊緣上平衡。然而，沿著兩個軌跡的這樣的同時處理使光學編程和激光功率協調 復雜化;并且，光束的通斷開關的速度和/或反射鏡的減速-加速受到限制。
【附圖說明】
[0018] 考慮附圖在以下描述中說明發明，附圖示出：
[0019] 圖1是用于使用包括粉末狀金屬和粉末狀焊劑材料的粉末狀材料的流化床和布置 在流化床的頂表面與能量束掃描系統之間的掩蔽元件進行的部件的修復或制造的系統和 工藝的示意性圖示。
[0020] 圖2是其中掩蔽元件已根據待形成的部件的形狀而被移動的權利要求1的系統的 示意性圖示。
[0021] 圖3A是用于渦輪機葉片或翼片的翼型的掩蔽元件的示意性圖示，其中能量束正掃 描掩蔽元件下方的床。
[0022]圖3B是用于渦輪機葉片或翼片的翼型的掩蔽元件的示意性圖示，其中能量束正掃 描掩蔽元件下方的床并且光束的寬度尺寸被調節。
[0023] 圖4是包括并排排列并布置成包括處于用于渦輪機葉片的翼型的截面形狀的光學 透射部分的多個掩蔽元件的實施例的示意性圖示。
[0024] 圖5是示出形成在沉積出的金屬基底上面的一層熔渣的工藝的示意性圖示。
[0025] 圖6是包括用于熔渣層的去除的熔渣去除工具的系統和工藝的俯視圖。
[0026] 圖7是被定位用于熔渣層的去除的熔渣層去除工具的示意性圖示。
[0027]圖8圖示出能量束重疊圖案。
[0028]圖9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】
[0029]圖1圖示出明顯不同于上面所描述的SLM和SLS系統的增材制造系統和工藝。增材 制造設備10包括填充有包括粉末狀金屬材料14'和粉末狀焊劑材料14"的粉末狀材料的床 14 (床或粉末狀床)的腔室12。粉末狀材料的床14可以通過經由與腔室12的底部的增壓室17 流體連通的一個或多個管子16引入氣體而被流化。擴散板19被提供以使增壓室17與床14分 開并且使流化氣體大體均勻分布在腔室12中。這樣的擴散板的示例是20微米、40%孔隙率、 3mm( 1/8英寸)厚、可從莫特公司(Mott Corporation)得到的型號316L不銹鋼的燒結板材。
[0030] 如本領域技術人員將領會的，流化氣體的流率必須被控制成足夠將床14流化使得 充分量的粉末狀材料14將沉淀用于處理。這樣的流率控制將取決于包括床14和/或腔室12 的體積、粉末狀材料14的密度、顆粒大小等等在內的多個相互聯系的參數。例如，焊劑材料 14〃可以比金屬粉末粗，以提高金屬和焊劑顆粒兩者的流化的一致性和均勻性。也就是，焊 劑材料14"趨向于與金屬材料14 '相比不太致密；因此，小的金屬顆粒可以在流化方面更好 地匹配較大但不太致密的焊劑顆粒。于是，流化介質流率可以使粉末狀焊劑材料14"較大顆 粒和粉末狀金屬材料14'較小顆粒兩者均勻地流化。
[0031] 所得到的激光處理的部件22的形狀和大小也會影響足夠將床14流化以使得充分 量的粉末狀材料14可用于激光處理的能力。而使粉末圍繞窄截面（即，骨架狀）的結構流化 可以在使粉末跨越處理表面27分布時有效，在一些實例中跨越寬基底流化可能不完全有 效，因為流化介質不能穿透部件22的本體以使粉末跨越其較寬表面流化。因此，在一些實施 例中，流化的過程通過使部件22自身振動以誘導粉末狀材料14在部件22的較寬表面之上的 散布而被提高。這樣的機械振動能量可以使用可直接或間接連接至部件22的換能器(未示 出）產生。在一些非限制性實施例中，例如，機械振動能量可以使用與活塞13機械連通的換 能器被間接施加至部件22。
[0032] 進一步認識到，金屬材料14'和焊劑材料14〃可以被交替地組合在一致的密度