通過使用金屬或陶瓷粘結劑的瞬間液相燒結的陶瓷渦輪部件的增材制造
【專利說明】通過使用金屬或陶瓷粘結劑的瞬間液相燒結的陶瓷渦輪部 件的増材制造
[0001] 背景
[0002] 本發明大體上涉及增材制造的領域。具體而言，本發明涉及通過增材制造工藝形 成并通過使用金屬或陶瓷粘結劑的瞬間液相粘結致密化的陶瓷渦輪部件。
[0003] 增材制造指一類特征在于某一事實的制造方法，所述事實為：完成的零件是通過 在形狀上與所述零件的并存儲在生產所述零件的設備的存儲器中的精確數字模型的等效 平面截面相同的多個薄片材料的逐層構造而創建。增材制造可涉及由計算機控制過程將材 料應用到工作臺并由熱過程固化所述材料以便創建層。所述過程重復幾千次以獲得最終部 件。
[0004] 已知各種類型的增材制造。如由ASTM分類的增材制造類別包括：材料噴射，其中 構建材料液滴選擇性地沉積；粉末床熔融，其中熱能選擇性地熔融粉末床的區域；定向能 量沉積，其中所集中的熱能在沉積期間熔化材料；材料擠壓，其中材料選擇性地分散穿過噴 嘴等等。用于以上的典型定向能源包括激光和電子束。
[0005] 增材制造中朝向生產就緒金屬和陶瓷部件的直接制造發展的最近趨勢已最小化 了聚合物粘結劑在成型過程中發揮的作用。
[0006] 概述
[0007] -種形成部件的方法包括通過將第一陶瓷粉末與無機粘結劑粉末混合來制備起 始粉末。隨后通過增材制造工藝將所述粉末混合物成型為部件。通過瞬間液相粘結來使所 述部件致密化。在一個優選實施方案中，可通過選擇性激光燒結來形成所述部件。在另一 個優選實施方案中，所述部件可以是渦輪部件。
[0008] -種方法包括通過逐層增材制造工藝來從第一陶瓷粉末和無機粘結劑粉末的混 合粉末形成部件。所述部件在成型期間以及在后成型處理期間被加熱以開始反應，由此形 成液體并且通過瞬間液相粘結進行致密化。
[0009] 附圖簡述
[0010] 圖1是基于粉末的成型過程的示意圖。
[0011] 圖2是本發明的增材制造工藝。
[0012] 詳述
[0013] 增材制造是其中利用逐層技術直接從數字模型生產三維（3D)物體的工藝。增材 制造工藝與常規的減法制造方法明顯不同，在所述減法方法中材料以一件一件的方式通過 機械加工、研磨等或通過其他成型方法（如鍛造、鑄造、注射成型等）從坯件去除。在增材 制造中，件通過材料的連續層的沉積而形成，其中每層粘附到上一層直到構建完成。單層可 由計算機控制的能量束通過燒結、熔融或以其他方式固化粉末床或可聚合液體的頂部表面 的特定區域，或者通過計算機控制的沉積裝置將一種材料的單獨液體或半固體液滴沉積在 工件的特定區域上而形成。常見的能源是激光和電子束。
[0014] 增材制造技術最初用于形成用于設計和原型設計的聚合物模型。當前增材制造加 工現從聚合物、金屬、金屬聚合物復合材料和陶瓷生產產品。除了預生產設計和模型，由于 顯而易見的原因，當前努力現包括生產零件的直接增材制造加工。超合金渦輪部件例如像 具有內部冷卻通道的機翼的直接自由成型制造可消除許多昂貴的制造操作。
[0015] 可應用到本發明的基于粉末的增材制造工藝包括：選擇性激光燒結（SLS)、直接 激光燒結（DLS)、選擇性激光熔化（SLM)、直接激光熔化（DLM)、電子束熔化（EBM)、直接金屬 沉積以及本領域已知的其他工藝。
[0016] 圖1中示出本發明的基于粉末的增材制造工藝的實例。工藝10包括制造室12， 所述制造室12包括通過增材制造生產固體自由成型物體的設備。工藝10的實例是選擇性 激光燒結（SLS)。SLS工藝10包括粉末存儲室14、構建室16、激光18和掃描鏡20。在SLS 工藝10的操作期間，粉末22由活塞24向上饋送并由輥28散布在構建平臺26上。在粉末 22在構建平臺26上散布成均勻層后，激光18和掃描鏡20被激活來引導構建平臺26上方 的激光束燒結粉末22的選擇性區域以便形成固體自由成型物體32的單層30,并根據存儲 在工藝10中的STL存儲器文件中的物體32的3D計算機模型將所燒結區域附接至下方的 平臺26。在下一個步驟中，輥28返回至起始位置，活塞24前進以暴露粉末22的另一層并 使構建平臺26標記下降一層厚度。輥28隨后將一層粉末22散布在包括選擇性燒結區域 的構建平臺26的表面上。根據存儲在工藝10的存儲器中的部件的數字模型的橫截面，激 光18和掃描鏡20被激活并且粉末的沉積層的選擇性區域再次燒結并結合到下方的層。重 復所述過程直到固體自由成型零件32完成。如所提及的，工藝10只是固體自由成型制造 工藝的實例并且不意味著將本發明限制于本領域已知的任何單一工藝。
[0017] 工藝10的室12提供包括惰性氣體或真空的受控構建環境。層厚度取決于粉末大 小并且范圍可從20微米至超過1毫米。粉末22可由輥28或另一個散布裝置（如刮刀） 散布到構建平臺26上。
[0018] 其他系統如直接金屬沉積用在本領域中，其中材料根據由存儲在沉積設備中的存 儲器中的3D計算機模型驅動的控制分布過程一點一點地增加。金屬和陶瓷粉末可以糊的 形式沉積并且金屬可以熔化或半熔化形式沉積，以及通過本領域已知的其他沉積工藝。增 材制造工藝的實例包括但不限于，選擇性激光燒結（SLS)、直接激光燒結（DLS)、選擇性激 光熔化（SLM)、直接激光熔化（DLM)、激光工程化凈成形（LENS)、電子束熔化（EBM)、直接金 屬沉積以及本領域已知的其他工藝。
[0019] 聚合物粘結劑可在增材制造之前、期間和之后幫助將粉末顆粒粘合到一起。粉末 形式的粘結劑可與金屬或陶瓷起始粉末混合或者所述起始粉末可涂布有聚合物粘結劑。通 過其中聚合物粘結劑用于改善顆粒粘附性的增材制造生產的金屬或陶瓷零件通常經受燒 蝕處理，以便在零件被投入服務之前從顯微結構消除粘結劑。所述聚合物還可在燒結期間 干擾顆粒到顆粒的粘附。
[0020] 用于本發明的燒結陶瓷零件的增材制造的合適粘結劑系統包括金屬和陶瓷粘結 劑。當液相存在時，燒結期間的尺寸控制和顆粒粘附得以改善。液相燒結是在液相在燒結 過程中固化或以其他方式消耗時提供致密化和顆粒間結合發生的工藝。燒結產品可展示低 孔隙度和可接受的結構完整性。
[0021] 存在許多多組分材料系統，其中一種或多種組分在燒結期間反應以形成增強致密 化和尺寸穩定性的液體。具體實例是在感興趣的加工溫度下在反應物的組成范圍中存在共 晶或包晶反應的情況。所述液體可在過程中由周圍基質消耗，或可通過與組分組合以形成 固溶體、另外的金屬間或陶瓷固相、通過蒸發或通過本領域已知的其他方式而固化。這一過 程稱為瞬間液相粘結（TLPB)。在瞬間液相粘結中，粘結劑材料和陶瓷材料相互反應并通過 粘結劑系統到第一陶瓷中的擴散或通過其他方式來形成液相。液相優選地等溫固化。
[0022] 本發明的目的是通過使用激光或電子束驅動的增材制造加工來使用金屬、陶瓷和 金屬/陶瓷粘結劑系統以制造自由成型的陶瓷渦輪部件。選擇所述粘結劑系統以允許燒結 和致密化發生，優選地借助于通過共晶、包晶或其他組分間熱反應進行的瞬間液相粘結。
[0023] 候選金屬粘結劑系統自然取決于陶瓷部件。通常，候選粘結劑材料可以是在燒結 期間與陶瓷反應以形成低熔融相的材料，所述低熔融相濕潤陶瓷。此過程可存在于材料系 統中發生共晶或包晶反應的組合物處。候選陶瓷材料包括至少氧化物、氮化物、碳化物、氮 氧化物、碳氮化物、鑭系元素及其混合物。
[0024] 符合以上標準的候選材料系統由一位發明人在J.Mater.Sci.堅，5305 (2011)的 ^OverviewofTransientLiquidPhaseandPartialTransientLiquidPhaseBonding'， 中報告并以引用方式整體并入本文。下表示出具有瞬間液相粘結劑添加物的示例陶瓷系 統。
[0025] 具有瞬間液相粘結劑成分的陶瓷系統
[0026]
[0027] 圖2示意地示出本發明的基于粉末的增材制造工藝100。在所述工藝中，陶瓷粉 末102和粘結劑粉末104混合以便形成起始組合物106。粘結劑粉末104可以是金屬或陶 瓷粉末或其混合物。可選擇粘結劑粉末104,使得當與陶瓷粉末102混合并加熱至燒結溫度 時，粘結劑粉末104將熔化以形成液相或將合金化或以其他方式與陶瓷粉末102反應以形 成可濕潤所述陶瓷粉末的低溫熔融相。
[0028] 在陶瓷粉末102和粘結劑粉末104混合以形成混合粉末106起始材料之后，例如， 對于增材制造工藝10,所述起始材料被成型為自由成型零件30 (步驟108)。用于成型的增 材制造工藝10可以是直接激光燒結、直接激光熔化、選擇性激光燒結、選擇性激光熔化、激 光工程化凈成形或電子束熔化中的至少一個。也可采用本領域已知的其他方法，如直接金 屬沉積。在通過本發明的增材制造工藝成型期間，零件可通過瞬間液相粘結而致密化。
[0029] 成型之后，所述增材制造的自由成型零件可通過空氣、受控氣氛或真空中的瞬間 液相燒結進一步致密化（步驟110)。瞬間液相燒結的常見特征是在所述液相被基質吸收、 通過陶瓷或金屬間相的沉淀而固化或蒸發時的等溫致密化。
[0030] 在一個實施方案中，氧化鋁（A1