形成具有一體的通道的熔覆層的方法與流程
2023-05-08 04:58:37 2
本發明總體上涉及增材製造，並且更具體地涉及形成具有精細細節的內部空隙或通道的材料層，並且在一個實施方式中，使用高沉積速率的熔覆操作來形成包含精密冷卻通道的超合金熔覆層。
背景技術：
通常認為，增材製造是通過多層加工來構成三維部件，其中每一層代表三維部件的一部分。三維部件可以通過使用足夠高功率的能量源來熔化用於三維部件的粉末金屬或粉末合金來製造。例如，通常以雷射逐層燒結或熔合粉末金屬或粉末合金的方式來應用高功率雷射束。這些過程包括選擇性雷射燒結(SLS)、選擇性雷射熔化(SLM)、直接金屬雷射燒結(DMLS)、雷射近淨成形(LENS)等。在加工許多微小的層之後，這些工藝構造出部件。然而，這些工藝具有缺點和局限性。例如，如果需要許多部件、或者如果部件相對較大，則有些工藝極其緩慢且成本過高。
比如，在Bruck等人的美國專利公開2013/0140278中描述的高沉積雷射熔覆技術解決了速度的問題，並且以全文引用的方式併入本文。然而，用於導引熱氣體的多個燃氣渦輪發動機部件需要在表面附近布置在零件中的冷卻通道。這些冷卻通道包括使用如上所述工藝尚無法實現的精細細節。因此，現有技術中仍然存在改進的空間。
技術實現要素：
根據本發明的方法和部件解決了上述技術問題。
根據本發明，提供了一種方法，包括：將陶瓷預成形件浸入粉末超合金材料的層中，其中，預成形件限定出將要在超合金材料的層中形成的空隙的期望形狀；將預成形件周圍的粉末超合金材料熔化而不熔化預成形件；以及將預成形件周圍的被熔化的超合金材料冷卻並重新固化，以形成超合金材料的層，其中預成形件限定超合金材料的層中的空隙的形狀。
本發明還提供了一種包括在增材製造過程期間形成的多個層的部件，多個層中的一個層由上述方法形成。
附圖說明
參照附圖在以下描述中對本發明進行闡述，在附圖中：
圖1示意性地示出了將預成形件定位在粉末超合金材料的層中；
圖2示意性示出了將預成形件周圍的超合金材料熔化而不熔化預成形件，以及將超合金材料冷卻並重新固化；
圖3是沉積過程的特寫視圖；
圖4示意性地描繪了具有通過圖1至圖3中所示過程形成的冷卻通道的層；
圖5示意地描繪了具有通過重複圖1至圖3中所示過程形成的冷卻通道的部件；以及
圖6示意性地描繪了具有結構性表面細節的預成形件。
具體實施方式
發明人提出：使用具有精細細節的預成形件，並且該預成形件在高沉積速率熔覆過程期間不會熔化，從而在超合金熔覆層內形成具有精細細節的通道(也稱為空隙)。取決於應用場合，所述通道可以用於冷卻、診斷或其他目的。在本文中選擇冷卻通道的示例性實施方式來進行討論。然而，該工藝也能夠適用於其它空隙，比如端部封裝的通道，用於容納比如熱電偶等儀器。一旦完成熔覆過程並且由此形成了熔覆層，就可以移除預成形件以露出通道。替代性地，預成形件可以保留在熔覆層中並且可以限定在其內部的通道。本發明人已經認識到，浸漬在合金熔池內的陶瓷預成形件可能沒有被完全潤溼，特別是在預成形件的表面包含精細的結構性細節的情況下尤為如此。因此，本發明的預成形件可以塗覆有與超合金材料相容的金屬或金屬合金。該金屬塗層可以改善被熔化的超合金材料對預成形件的幾何形狀的潤溼，由此在隨後被冷卻的熔覆層中保留預成形件表面的精細細節。
圖1示意性地示出了將預成形件10定位在布置於基底16(或加工床)上的粉末超合金材料14的層12中。粉末熔劑20的層18可以被布置在粉末超合金材料14的層12上。替代性地，粉末超合金材料14與粉末熔劑20可以混合在一起。在另一替代的示例性實施方式中，可以使用惰性保護氣體或真空來替代粉末熔劑20(或除了粉末熔劑20之外還使用惰性保護氣體或真空)以避免在加工期間發生大氣反應。預成形件10可以由在熔覆操作期間不會熔化的任何材料製成。預成形件10可以是實心的(例如細絲)或可以具有以下形狀：其限定出穿過預成形件10的通道(例如管或具有相互連通的孔隙的泡沫)。預成形件的尺寸和形狀與最終零件中期望的開口或空隙的幾何細節相對應。示例預成形件材料包括陶瓷，比如氧化鋁和氧化鋯。目前能夠得到直徑小到0.28mm的氧化鋁棒(細絲)。目前能夠從例如加利福尼亞州的薩克拉門託市的Ortech Advanced Ceramics(Ortech精密陶瓷公司)得到直徑小到1.6mm的氧化鋯棒(細絲)。可以從例如科羅拉多州的高登市的CoorsTek公司得到管狀的氧化鋁和莫來石(3Al2O32SiO2)。
可選地，預成形件10的外表面30可以塗覆有塗層32(例如金屬塗層)以促進雷射熔覆操作期間的潤溼。合適的預成形件10的材料包括氧化鋁、氧化鈹、藍寶石、氧化鋯、二氧化矽、氧化鎂、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、碳化矽、矽酸鋁(包括莫來石)、矽酸鎂和任何其他合適的陶瓷。合適的塗層材料包括鉬-錳、鎢錳、鉬鎢錳、鈦、鉿、鋯、鉻和鈮。可以使用上述預成形件材料和塗層材料的任意組合。
在示例性實施方式中，氧化鋁、氧化鈹或藍寶石的預成形件10可以塗覆有鉬-錳、鎢錳和鉬鎢錳中的任一者。預成形件10可以通過使用若干已知的過程中的任意過程進行塗覆，包括：刷塗、絲網印刷、噴塗、浸塗、鍍覆、濺射和針塗布(needle application)。典型地，塗層32的厚度可以為二十五微米，具有十微米的公差。當塗層32是鍍層時，塗層32的厚度可以為二微米至十微米。因此，在一些情況下，可以在沒有中間塗層的情況下將用於實現潤溼的鍍層直接施加於預成形件10。可選地，可以將第二塗層34施加於塗層32的表面36以進一步促進潤溼。第二塗層34可以包括與粉末超合金材料14相容的金屬或合金，該金屬或合金在鍍覆過程中施加，在這種情況下，該第二塗層34是鍍層。例如，對於鎳基的粉末超合金材料而言，可以將鎳用於第二塗層34。同樣，鍍層，以及由其形成的第二塗層34的厚度為二微米至十微米。預成形件10的金屬化的可選的最終步驟可以包括熱處理。在示例性實施方式中，氧化鋁的預成形件10塗覆有鍍鎳的鉬-錳。
在替代的示例性實施方式中，氧化鋯的預成形件10可以塗覆(藉助於物理氣相沉積)有鈦(通過德國Jülich(尤利希)的Forschungszentrum Jülich(尤利希研究中心)商購獲得)。適於塗覆氧化鋯(藉助於物理氣相沉積)的其他材料包括鉿、鋯、鉻和鈮。
塗層32和可選的第二塗層34改善了在熔覆操作期間被熔化的超合金材料對預成形件的潤溼。在熔覆操作期間，塗層32和可選的第二塗層34可能消耗也可能不消耗。如果消耗，則被熔化的超合金材料將與預成形件10的外表面30直接吻合。如果未消耗，則當僅存在塗層32時、被熔化的超合金材料將與塗層32的外表面36相吻合，或當存在第二塗層34時、被熔化的超合金材料將與第二塗層34的外表面38相吻合。由於預成形件10的外表面30的形狀限定了塗層32的外表面36的形狀以及第二塗層34的外表面38的形狀，因此被熔化的超合金材料仍與預成形件10的外表面30的形狀相吻合。被熔化的超合金材料圍繞細節的固化將細節保留在熔覆層中。
如果塗層32和/或第二塗層34在熔覆操作期間被消耗，則將不會對熔覆層產生不利的影響，這是因為塗層32和第二塗層34中存在的元素優選地已經存在於相關合金(例如鎳基的超合金)中，並且所添加的材料的量非常少，以至於其將不會對熔覆層成分或者機械特性或物理特性產生顯著的影響。
圖2示意性示出了在不熔化預成形件10情況下將預成形件10周圍的粉末超合金材料14進行熔化。該熔化可以通過現有技術中已知的任何方式來實現。在示例性實施方式中，雷射束40選擇性地加熱粉末超合金材料14，以形成熔化的超合金材料的熔池。被熔化的超合金材料冷卻且固化以形成由熔渣44的層覆蓋的熔覆層42。預成形件10在熔覆層42內保持完整。
圖3是熔化過程的特寫。當雷射束40沿行程50的方向移動時，雷射束40使粉末超合金材料14和熔劑材料20熔化以形成由熔渣44覆蓋的熔池52。在到達預成形件10時，行進的熔池52包圍預成形件10，並且隨著被熔化的超合金材料圍繞預成形件固化而保留了預成形件10中存在的任何細節。在塗層32存留的情況下，當預成形件10被移除時，將由塗層32的內表面54限定冷卻通道。在塗層32被消耗的情況下，當預成形件10被移除時，將由熔覆層42的內表面限定冷卻通道。
在加熱過程期間，常規的雷射加熱可以將雷射束40定位在預成形件10的大致上方。因此，在預成形件10下方的被遮擋區域56(例如被遮擋而不受雷射直射)中的粉末超合金材料14不會被雷射束40直接加熱。為了確保在被遮擋區域56中的粉末超合金材料14被熔化並且被熔化的超合金材料到達預成形件10的下側58，因此雷射束40在接近預成形件10時可以減慢其行進速度。通過增加向預成形件10附近的熔池52傳遞的熱，可以增加向被遮擋區域56中的粉末超合金材料14的傳導式熱傳遞。高導熱係數的預成形件材料、比如氧化鋁可以增強對於被遮擋區域56的加熱。這能夠促進被遮擋區域56中的粉末超合金材料14更好的加熱和熔化。隨後，將由於溫度梯度(Rayleigh–Bénard對流)以及表面張力梯度(Marangoni對流)使這些材料與熔池52的其餘部分混合。可以由機械攪動來補充進行熔化物的攪拌，這通過對流作用而促進潤溼。例如，預成形件本身能夠振動或旋轉以增強潤溼。雷射束40還可以隨著其靠近預成形件10(例如，接近預成形件)而呈不同的角度，從而允許雷射束40到達被遮擋區域56的部分或全部，在其它雷射過程中使用的雷射束40的取向未進行調整的情況下，雷射束40無法到達該被遮擋區域56。由塗層32和/或第二塗層34提供的改善的潤溼還將有利於被熔化的材料沿著預成形件10的下側表面運動。減慢的雷射行進、成角度的雷射、傳導性的預成形件、對流作用、表面張力作用和機械攪動的單獨作用或組合作用能夠促進被熔化的超合金材料完全包圍預成形件10並且吻合預成形件10的外表面30的形狀。可以在雷射束40靠近預成形件10(即足夠接近預成形件10以對被遮擋區域56產生作用)時，採用上述單獨的作用或組合作用。
圖4示出了移除熔渣44的層之後的熔覆層42。該熔覆層42可以是部件上的修補，或是新部件的層。可以看到三個冷卻通道60、62和64。在示例性實施方式中，已經移除了預成形件10並且第一冷卻通道60由熔覆層42的內表面66限定。這種情況可能會在預成形件10上沒有塗層32和第二塗層34時發生，或者塗層32和第二塗層34在熔覆操作期間被消耗時發生。在這種情況下，被熔化的材料與預成形件10的外表面30相吻合。預成形件10可以通過機械方式或化學方式或本領域中已知的其他方式來移除。例如，可以使用超聲波能量使預成形件破裂且粉碎並且使其碎成粉末，隨後通過使用諸如加壓的空氣或衝洗劑之類的流體而將所述粉末衝掉。泡沫或壓粉結構的預成形件可能相對易碎，因而方便上述移除。當預成形件10包括諸如管、泡沫等中空形狀時，可通過熱衝擊而將預成形件10破裂、粉碎及移除。例如，可將液態氮衝洗通過預成形件10而導致其破裂，在此期間或之後可以移除預成形件10。替代性地或另外地，當中空時，可以通過機械衝擊(例如超聲波)將預成形件10破裂、粉碎及移除。
在示例性實施方式中，預成形件10已經被移除並且第二冷卻通道62由塗層32的內表面54限定。在預成形件10具有塗層32和可選的第二塗層34、並且在圖3的熔覆操作期間塗層32沒有被消耗(無論第二塗層34是否被消耗)時，可能發生這種情況。
在示例性實施方式中，保留了預成形件10並且第三冷卻通道64由預成形件10的內表面68限定，該預成形件10為例如中空的管或泡沫。當預成形件10是留在原處的泡沫時，泡沫的連通孔隙可以增強冷卻通道64的冷卻效果。中空的預成形件10可以被(也可以不被)塗覆及可選地鍍覆。
圖5示意性地描繪了具有冷卻通道的部件70，在增材製造過程期間通過重複圖1至圖3中示出的熔覆過程而形成冷卻通道。該過程的每次重複形成相應的熔覆層42。部件70可以具有一個熔覆層42、若干熔覆層42，或者部件70可以全部由熔覆層42組成。在形成多個熔覆層42之間和/或在施加全部熔覆層42之後，可以對部件進行機加工。在示出的示例性實施方式中，多個熔覆層42包括相應的冷卻通道，但是不需要每個熔覆層42都具有相應的冷卻通道。
每個熔覆層42可以具有相應的一種或多種類型的冷卻通道，並且這些冷卻通道可以具有任何取向、尺寸和截面形狀。第一熔覆層72包括由熔覆層42的內表面66限定的且呈一個取向的冷卻通道60。第二熔覆層74包括由預成形件10的內表面68限定的且呈不同取向的冷卻通道64。第三熔覆層76包括呈另一不同取向的不同的多邊形冷卻通道78。第四熔覆層80沒有冷卻通道。本公開的範圍內的示例性實施方式可以將冷卻通道從一個熔覆層42連接至另一個熔覆層42。該連接可以通過後續機加工來提供，或者作為熔覆操作的一部分、通過使用包含豎向延伸腿部的預成形件來形成連接通道。以此方式，冷卻通道可以從一個熔覆層42橫向地(在相應的熔覆層42內)以及豎向地延伸至另一個熔覆層42。儘管已經描述了用於冷卻的連接通道，但是可以包括用於其他目的通道。例如，終止於重要位置處的診斷用通道可以由具有相同端部的管狀預成形件來提供。在完成零件之後，可以將諸如熱電偶之類的儀器插入穿過管狀預成形件或插入到由預成形件形成的通道中。
圖6示意性地描述了在外表面30中具有細節的預成形件10，這些細節被複製在隨後形成的冷卻通道中。這些細節的示例性類型包括凸出的或凹入的鰭狀部80(由Kakac等人在「Heat Transfer Enhancement of Heat Exchangers(熱交換器的熱傳遞改進)」中公開)、凸出的或凹入的絆條(trip strip)82、凸出的或凹入的V形部84、以及凸出的或凹入的小點86或在本領域已知的布置在預成形件的內表面或外表面上的任何其他特徵。這些細節可以例如提高向冷卻通道中的冷卻流體的熱傳遞，並且/或者調節穿過冷卻通道流動的冷卻流體的流量。
預成形件10也可以使用除了線/細絲和管之外的幾何形狀。例如，在半導體應用中可以使用平的板。例如，在防彈衣應用中可以使用單曲板和雙曲板。對於例如用於測量血液的部件，可以形成具有精確尺寸孔的閥。對於例如整形外科植入物，可以使用杯形和特定的輪廓。這些非限制性示例僅代表本文公開的過程的一些可能的應用。
從前文所述可以看出，發明人已經開發了以下新的並且新穎的方法：藉助於相對高溫的預成形件、利用高速熔覆過程，形成包含內部空隙的材料層，該內部空隙具有非常細微的內表面幾何形狀。該過程實現了此前這種過程無法實現的精細水平，並且可被用於增材製造過程，從而以前所未有的速度形成零件。因此，這體現出本領域中的改進。
儘管本文已經示出且描述了本發明的各種實施方式，然而，明顯的是，提供這些實施方式僅出於示例的目的。在不背離本文發明的情況下可以進行多種變型、改變和替換。因此，本發明僅應由所附權利要求的精神和範圍限定。