金屬泡沫的雷射沉積的製作方法

2023-06-02 00:57:31

本發明一般地涉及材料技術領域，並且更特別地涉及形成金屬泡沫的方法以及由金屬泡沫形成的部件。

背景技術：

金屬泡沫是包含大體積分數的孔的蜂窩狀結構。儘管大多數金屬結構含有一定的孔隙率(例如幾個體積百分比)，但是金屬泡沫通常可含有至少75％體積分數的孔。

金屬泡沫可以以多種方式形成：通過將氣體注入熔融金屬中；通過經由化學反應在熔融金屬中原位形成氣體；通過降低壓力以析出已經存在於熔融金屬中的氣體；或者通過將熔融溫度較高的金屬的空心珠併入具有較低熔融溫度的熔融金屬中。

金屬泡沫和其他高度多孔材料已在醫學領域中用於修復學和骨連接應用，以及在航空航天和汽車領域中用於形成輕量結構部件。美國專利7,780,420公開了併入泡沫金屬的前緣和後緣的燃氣渦輪發動機壓縮機葉片。儘管大量專利描述了金屬泡沫，但由於以商業實施形式製造此種材料的困難，其在發電領域中的商業用途已極其有限。

附圖簡述

在參照附圖的下列描述中對本發明進行解釋，所述附圖示出：

圖1為在超級合金基底的表面上產生超級合金金屬泡沫層的材料增材工藝(additive process)的圖示。

圖2為直接施加於超級合金部件基底上的金屬泡沫層而沒有中間粘合塗層的陶瓷熱障塗層的橫截面圖。

圖3為沿其前緣和後緣具有超級合金金屬泡沫的燃氣渦輪發動機葉片的截面圖。

具體實施方式

本發明人已認識到需要製造金屬泡沫，特別是製造可適用於製造用於燃氣渦輪發動機的熱氣通道部件的超級合金金屬泡沫材料的改進方法。

圖1圖示了此種改進方法的實施方案，其中用能量束16使沉積在基底14的表面12上的粉末混合物10熔化以形成熔池18，然後使其固化以在基底14上形成金屬泡沫層20。粉末混合物10包括金屬顆粒22和發泡劑顆粒24。

本文所用的術語「金屬」在一般意義上包括純金屬和金屬合金二者，並且在圖1的實施方案中，基底14和金屬22的顆粒為超級合金材料，例如可用於燃氣渦輪發動機應用，例如以商標或商標名稱IN 700、IN 939、Rene 80、CM 247、CMSX-8、CMSX-10、PWA 1484出售的材料和本領域已知的許多其他材料。

發泡劑24可為經加熱將向熔池18內釋放氣體的任何材料。一種這樣的發泡劑24為氫化鈦(TiH2)，其向熔池18中釋放氫氣。經固化，氣泡在金屬泡沫20中形成至少50體積％的孔隙率，或者在一些實施方案中50體積％至85體積％或更大的孔隙率。金屬泡沫層20整體地且冶金地結合至下面的基底14，因為基底14的薄最上表面層26被能量束16熔化且被結合入熔池18，因此確保了金屬泡沫層20牢固地粘附至基底14。能量束16(其通常可為雷射束)如箭頭所示橫跨表面12，控制束頻率、能級和速度以實現期望的熱量輸入。

還可調節雷射和工藝參數以實現攪拌作用來進一步增強發泡劑的功能(類似於使用於胃灼熱緩解的泡騰片分散以產生泡(froth)或泡沫)。例如，高密度束可在熔體內產生蒸氣承載的低壓(vapor supported depression)，其在從一側移動至另一側時可充當攪拌元件。還可調節參數以實現熔體中的波動和破裂作用以通過湍流攪動夾帶空氣或工藝氣體(類似於海水在海灘上破裂引起海洋泡沫)。

其他揮發性組分也可充當發泡劑。例如，已知暴露於溼氣的金屬粉末將保留水並將在雷射鍍覆期間產生多孔金屬沉積物。因此粉末的故意增溼可用於增大沉積物的空隙體積分數。類似地，本發明人已發現含有氧化釔的金屬粉末比不含氧化釔的粉末產生更大的孔隙率。由於氧化釔在超級合金塗層中也可以是有利的，此種發泡劑可具有多重益處。

發泡劑還可包含以下成分(陶瓷和/或合金元素)：(a)降低表面張力並且抑制氣泡合併的成分，或(b)增加粘度並且阻止氣泡浮性的成分，從而增加氣泡產生。排除抵消這些效果的成分同樣重要。例如，硫和氧的水平高度影響表面張力，這二者均具有低表面張力。低水平的減少氧的元素例如鋁可具有類似作用。類似地，低水平的矽在提高熔體的粘度中是重要的。

發泡劑24可為對金屬泡沫層20的期望特性有益的材料。例如，鈦為用於超級合金組合物的常見增強元素，因此其從前述TiH2中釋放及其與熔融超級合金顆粒22混合可產生超級合金金屬泡沫20的期望材料組合物。可以使用存在於超級合金金屬顆粒22和/或超級合金基底14中的其他金屬的氫化物，例如氫化鉭(TaH2)、氫化鎂(MgH2)、氫化鋯(ZrH2)及其組合。

發泡劑24可為在熔池18中表現出助熔功能的材料。例如，鈣、鎂和/或錳的碳化物將有助於經由形成可除去的熔渣而除去硫。這些化合物和相同元素的碳酸鹽將形成一氧化碳和/或二氧化碳氣體以產生期望的孔隙率。氣體還對熔池18提供一定程度的相對於大氣的防護。

為了將由發泡劑24產生的氣體捕獲在再固化的熔融金屬中以使孔隙率的形成最優化，可優選實現熔池18的相對快速熔化和再固化。同樣，在一些實施方案中可以證明有利的是使用脈衝雷射束16而不是連續能量源。與當通過連續能量束源施加相同總量的能量時相比，通過使相對高水平能量的相對短爆發接著不添加能量的時段產生脈衝，可能更有效地將相對更小的氣窩捕獲在固化金屬中。

圖1的工藝具有作為用於改性超級合金部件表面的技術的應用。已知在超級合金部件基底與上覆的陶瓷熱障塗層材料之間施加粘合塗層材料(例如，MCrAlY材料)以增強粘合性，且以調節超級合金基底與陶瓷熱障塗層材料之間的熱膨脹係數差異。圖1的工藝可用於在施加粘合塗層材料之前將超級合金金屬泡沫層20施加至基底14。由表面開放孔隙引起的金屬泡沫20的相對粗糙表面28有利於任何上覆塗層材料的良好粘合。此外，金屬泡沫20的孔隙率提供了一定程度的機械順從性，其將減小不同的熱膨脹應力，因此在一些應用中允許將陶瓷熱障塗層31直接施加至超級合金基底14上的金屬泡沫層20而無需中間粘合塗層，如圖2中所示。

圖1的方法還具有在部件的增材製造中的應用。圖3為在增材製造階段期間燃氣渦輪發動機葉片30的頂視圖。葉片30具有翼型形狀，該翼型形狀具有從前緣36延伸至後緣38的吸力側(suction side)32和壓力側(pressure side)34。葉片30通過沉積多個超級合金材料層以沿從圖3的平面延伸出的徑向軸R構建葉片30來製造，圖中可見最新沉積的層。大多數壓力側34和吸力側32以及在其間延伸的結構網40，通過根據已知的現有技術工藝的雷射沉積工藝沉積為基本上完全緻密的超級合金材料。然而，分別接近前緣36和後緣38的區域42、44根據圖1中圖示的工藝沉積為金屬泡沫20。與翼型形狀的由僅含有金屬顆粒(或僅有金屬和熔劑)的粉末產生的其他區域相比，區域42、44可由含有金屬22顆粒和發泡劑24顆粒二者的粉末產生。粉末可逐層預放置或者可在能量束以連續工藝橫跨翼型時將其導入能量束中。

發泡劑顆粒24的量佔全部粉末混合物10的百分比可為恆定的，例如小於1％，或者其可在葉片30的不同區域中變化。認識到密度和強度具有非線性關係，並且與工作應力相對較高的區域(其形成為具有較低孔隙率或無孔隙)相比，在工作應力相對較低的區域中，發泡劑24的量和所產生的孔隙程度可能增加以減小葉片30的重量。

根據本發明沉積在部件基底表面12上的金屬泡沫層20為燃氣渦輪機部件應用提供多個優勢。金屬泡沫20可以提供改善的耐熱機械疲勞性，因為泡沫材料因孔間的薄金屬紐帶而相對柔韌並且耐開裂。如果泡沫材料中確實形成了開裂，則該開裂將可能被鄰近的孔阻止，從而防止開裂延伸入下面的基底材料14中。金屬泡沫20還可提供改善的對外物損傷的恢復能力，因為泡沫材料的一般特徵在於彈道衝擊優勢。此外，當由於流逸冷卻(transpiration cooling)而沿冷卻通道表面46、48形成至區域42、44含有開放孔隙的程度時，金屬泡沫20可提供改善的冷卻，從而降低或消除對鑽取的冷卻孔的需求。

雖然本文中已示出並且描述了本發明的多個實施方案，顯而易見的是此種實施方案僅經由實例提供。可以進行許多變化、改變和替代而不背離本發明。因此，旨在使本發明僅受所附權利要求的精神和範圍限制。