通過雷射工藝生產渦輪機零件的方法與流程

2023-05-08 22:47:07

本發明涉及一種通過雷射束生產或修復渦輪機零件的方法。其也涉及使用該方法生產的渦輪機零件。

在也稱為「雷射金屬沉積」的這種方法中，噴嘴朝襯底噴灑金屬粉末，從而在沉積方向上通過層或珠一個在另一個上的連續沉積生產該零件。通常是金屬粉末混合物的所考慮的粉末通過雷射束熔化。每個珠的厚度通常在0.05mm到1mm之間的範圍。如果需要優化表面狀態，低厚度應該是優選的。

該方法可以生產大尺寸零件，特別地在高度(標準正交的x、y、z系統中的z軸)方面。然而，很難獲得因此生產的零件(或零件的部分)的有保證的最終尺寸。

粉末速率的變化、噴灑噴嘴的重新加載速度、雷射功率或零件的溫度，可導致尺寸的變化，特別地在沉積層高度方面的變化。局部地，這些變化可具有很小的影響；但是，當以及隨著這些層沉積時，這些可增加並且甚至引起一種導致產生鋸齒狀沉積的不穩定沉積。

這裡一個目標是為所有或部分的上述缺點提供一種解決方案。

為此，通過使用雷射束噴灑金屬粉末來生產或修復的所提出方法的特徵在於：

-首先，預定噴嘴的軌跡，

-然後，在該零件的生產過程中：

-參考平行於所述層沉積方向的定向，先前已經記錄的理論參考距離d0以及然後測量的實際距離作比較，並且

基於理論參考距離和所測量的實際距離之間的非空偏差閾值修改噴嘴的軌跡。

通過噴嘴的初始限定軌跡中的一個或多個修改，時間設定初始生產程序將可以更接近於該零件的預期最終尺寸特徵。

因此，可以預期一種更好的表面狀態，鋸齒不像以前那樣明顯。

由於這影響了一個或多個幾何參數，該解決方案進一步避免了需要修改工藝參數：雷射功率、兩個連續沉積層之間的重新加載速度、粉末速率…。

為了能夠保證所沉積材料的高度是所預期的高度，需要建議的是，所實施的調整測試應該：

-用於噴嘴的預定軌跡的限定，以包括沿z軸所述軌跡的限定，所述z軸對應於層沉積的所述方向以及該零件的高度，

-用於沿所述z軸測量的實際距離，

-以及用於沿所述z軸修改噴嘴的軌跡。

當實施以上操作時，已經發現的是，不修改噴嘴和與之相對層的頂部之間的距離，可能更有效，並且更確切地，優選地，

-在所述層的沉積方向上以連續步驟生產該零件，同時使噴嘴遠離襯底(並且因此，從第二層遠離先前沉積的層)，

-以及，-噴嘴的預定軌跡包括預定數量的這些步驟；-以及通過改變所述預定數量的步驟修改噴嘴的軌跡。

相似地，提供了：

-要沉積的預定數量的所述層應該對應於噴嘴的預定軌跡(在機器程序中)，

-仍需要沉積的修改數量的所述層應對應於噴嘴的修改軌跡，

-並且通過用需要沉積的所述預定數量的層替換仍需要沉積的修改數量的層，應該修改噴嘴的軌跡。

在該零件的生產過程中，當連續地沉積層和/或仍需要沉積的層數量，隨時間修改步驟的數量與改變這些層的厚度相比將先驗地更容易和更安全地實施和控制。

與此相關，另外提出了：

-對於每層，通過將噴嘴移動遠離襯底，即層沉積的方向，通過連續地沉積具有相同厚度的層生產該零件，

-和/或：

-在襯底和與所述襯底相對的噴嘴一端之間的確定距離應該對應於理論參考距離，

-並且在該零件的生產過程中，在每層的沉積開始或結束時應保持該確定的距離。

保持這種「確定距離」和/或旨在沉積具有相同厚度的堆疊層的沉積條件，將增強該解決方案的穩定性。

該解決方案的一個優點也在於快速生產。此外，還發現的是，等待一段時間對於測量精度的不確定性足夠低是非常必要的。

這就是其中在該零件的生產過程中所提供的環境，-應該測量所述實際距離，-和/或修改的軌跡，

僅在已經沉積幾個層後，如果達到了所述偏差。

優選地，在該零件的生產過程中需要建議的是：

-實施所述實際距離幾個連續測量，

-並且，如果達到了所述偏差，-與先前的測量相比，僅在已經沉積了幾層後修改噴嘴的軌跡。

需要解決的另一問題是限定如何獲得上述距離數據。

一種使用測量自動聚焦相機的解決方案是優選的。

因此已經提出了使用一種帶有自動聚焦系統的相機來獲取理論參考距離和實際距離。

需要解決的另一問題是獲得可靠的測量，這並不依賴於沿雷射軸相對產生的零件上熔池的形成條件。

具體地，當沿所述z軸發射雷射束時，平行於該軸或以一種具有平行於所述z軸的投影的角度(a)，測量遠離所述z軸的理論參考和實際距離是優選的。

這將可以防止相機瞄準熔池。

在閱讀參照附圖時通過非限制性示例給出的以下描述後，將會更好地理解本發明，並且本發明的其他細節、特徵和優點將會顯而易見，其中：

圖1示意性地示出了在「雷射金屬沉積」型的選擇性粉末熔化機中的粉末噴嘴的一端，

圖2、3、4示意性地示出了這種噴灑噴嘴，其然後配備有分別在開始(圖1)和在生產過程中，測量理論參考距離以及在該零件的生產過程中實際距離的設備，

圖5是本發明的控制過程的框圖，其旨在保證達到(至少部分地)該零件的預期最終尺寸特徵，以及

圖6示意性地示出了使用該技術獲得的零件。

圖1示出了雷射金屬沉積機2的已知噴嘴1。噴嘴噴灑金屬粉末3a、3b的混合物3到襯底5上(圖2到4)，從而生產在圖6中具有附圖標記7的零件。

襯底5是該領域的常規支撐件，並適用於沉積在其上的被噴灑材料的連續層111、112、113、…、11i…(圖3、4)，與朝這種襯底發射的雷射束13相關。該粉末或混合物然後被熔化，以在也被熔化的表面上產生均勻和緻密的沉積。通常，這種連續沉積或堆疊在整個生產過程中通過中性氣體保護，以防止任何氧化問題。該技術可以執行4-5毫米數量級的廣泛沉積，以及更薄沉積(500μm寬)。由於快速生產的噴嘴和襯底不接觸，不發生磨損。

以下，我們將公開一種情況，其中，如圖所示，噴嘴1在層沉積方向上，這裡(基本)垂直地，沿z軸朝襯底噴灑金屬粉末3，用於製造期望零件的高度(部分)。

雷射束13因此朝襯底沿z軸發射，並且在這種情況下，以上提到的理論參考和實際距離將平行於該軸或以一種具有平行於z軸的投影的角度a(圖4)被測量。

這裡所研發的方法然而可沿常規的標準正交x、y、z系統(圖2)的另外兩個x、y軸的任一個來實施。可因此沿x、y軸之一想像測量相機15的水平瞄準。

在所示出的優選示例中：噴嘴1包括與z軸共軸的兩個同心圓錐部16a、16b。

源於雷射源17，並且如果需要的話，使用鏡面19，雷射束13朝襯底5在中心圓錐部16a的中心垂直地發射。

金屬粉末3a、3b的混合物3在外圓錐部16b中循環，並且它向下朝襯底5經由載氣21b從該外圓錐部被噴灑出來。另一氣體21a在內圓錐部16a中圍繞雷射束13。

由於雷射束13，由混合物3所產生的材料的沉積可能不均勻。例如，如果兩個圓錐部不再定心，更多材料可散布在一側，而不是另一側。

金屬粉末可以是鈦合金(ta6v、ti71、6242、…)，鎳和鈷基合金(inco718、hastelloyx、rené77、rené125、ha188)和鋼(z12cndv12，17-4ph)。

材料層111、112、113…11i…的連續沉積因此將堆疊在襯底5上，直到獲得期望零件7。

圖5的框圖是生產這種零件的主要步驟的綜合，在本發明的一個優選實施方式中表示噴嘴並且更通常地沉積機2控制程序，該框圖已經與如下步驟一起形成：

-步驟27：首先，在開始生產該零件之前，在襯底5的表面和噴嘴的一個位置1a之間測量(在27a中使用自動聚焦45；見下文)和計算(27b)理論參考距離d0並存儲到存儲器29內，這裡與其一起沿z軸移動。一種相機自動聚焦系統與所要生產(或在修復的情況下被重新裝載)零件的初始相關性的校準將保證精度和質量；

-步驟31：最初和至少開始生產該零件時，定義和存儲適用於該零件生產的噴嘴1的預定軌跡到存儲器29內，以使得噴嘴遵循。

在該零件的生產過程中，然後按順序連續地實施以下步驟：

-步驟33：儘管噴嘴由控制程序34驅動已經在其預定軌跡上移動，在噴嘴的位置1a和該層(最後一層，如果幾層已經沉積到襯底上，如圖5所示)，層11i的自由表面35i(i＝1、2…n)之間測量(在33a使用自動聚焦45)和計算(在33b)真實距離di(i＝1、2…n)並存儲到存儲器29內，

-步驟37：在理論參考距離d0和實際距離di之間作比較，同時參照這兩個距離(d0-di)之間的預定偏差閾值。

兩個選項然後存在：

-步驟42：如果達到(或超過)了偏差閾值，修改噴嘴的軌跡(並記錄在存儲器29中)，或者

-步驟44：如果未達到偏差閾值，則保持噴嘴的預定軌跡。

在平均時間內，再次使用兩個選項已經分別實施了測試步驟39或41：

-或者製造步驟不是最後步驟(即，所涉及的沉積不是最後一層11i的)，然後實施前述步驟42或44，

-或者所涉及的沉積是最後一層11i(基於初始設定的數量或修改數量，在以下公開的優選選擇情況下)，然後製造過程在步驟46或48以適當方式結束。

如果已經達到了步驟42或44，這意味著至少一個沉積步驟仍需要實施，並且在這兩種情況下在一個路線50上再次在步驟33中提供了返回，即循環，從而重複步驟33到39或41一定數量的次數，並且因此如果有必要，定期地重啟製造程序34，並且實時地適應噴嘴的軌跡，同時在每一步驟33測量真實距離di。

至於在步驟42中軌跡的修改，作用在形成該層的步驟上，並且具體地在仍需要沉積的層數上已經是優選的。

具體地，已經從以上理解的是，通過在連續步驟中移動噴嘴1遠離襯底5，並且當一層已經從沉積材料的先前一層11i沉積時，當並且隨著層堆疊時，獲得了該零件7的生產。

在步驟31中，定義噴嘴1的預定軌跡並存儲到存儲器29內將因此優選地包括預定數量的這些沉積步驟的定義和存儲。

並且，通過改變預定數量的步驟，將可以改變噴嘴1的軌跡。

實際上，需要建議的是，以上層11之一的執行應對應於一個沉積步驟。

因此：

-在步驟31中，當定義和存儲到存儲器29中這種噴嘴1的預定軌跡進入連結驅動程序34時，需要沉積的預定數量的層111，…11i將與其對應。

-然後，如果達到了步驟42，仍需要沉積的修改數量的這種層將對應於在程序中噴嘴的修改軌跡。

在這種情況下，通過用仍需要沉積的修改數量nc的層111、…11i替換需要沉積的所述預定數量的層，將在存儲器29中修改噴嘴的軌跡，nc是正或負的整數。

在這方面，導致步驟39或41的上述閾值(d0-di)將有利地等同於層11i的厚度，即通常為0.1mm。

然後，如果距離di比d0短超過0.1mm，例如0.2mm，該程序將添加兩個沉積步驟，即兩層。但是，如果讀數和計算表明與d0相比，距離di為+0.3mm，那麼將移除三層。並且如果讀數和計算表明距離di與d0相比短或長小於0.1毫米，則不存在修改。

如上所述，在所示出的示例中，這是根據(特別地)沿z軸(或與其基本平行)的零件7的高度：

-最初，具體地定義噴嘴1的預定軌跡，

-測量理論參考d0和真實d1、d2…di距離，

-並且計劃修改噴嘴的軌跡。

實際上，需要建議的是，當重置噴嘴的軌跡時，在所測量的對於接近噴嘴1所位於的x和y值的x和y值的z坐標(d1…di)，應該執行重新加載程序中上述提到的該/每個「跳過」。重啟程序也可相應地用於管理雷射功率和/或重新加載速度。

在沿z軸控制生產的這種情況下，也需要建議的是，對於每一層通過移動噴嘴遠離襯底，這裡沿z軸，應該通過在彼此之上的都具有相同厚度e的層35a…35i的連續沉積來實施該零件7的預期完成。

這將簡化對該零件高度的正確進展的控制，並將進一步避免產生其他表面不規則性(以上提到的鋸齒)。

優選地，對於符合該零件的尺寸約束的相對簡單控制的尋找也將涉及測量d1…di和/或噴嘴軌跡中修改的限制。

因此，需要建議的是，在該零件的生產過程中，應測量真實距離di，並且如果達到所述偏差，僅在幾層11i的沉積後修改軌跡。

在這方面，可以特別地假定實施所述實際距離的幾個連續測量，並且(如果達到了所述偏差)，從而僅在幾層的沉積後相對於先前測量改變噴嘴1的軌跡。

在圖2到4中，需要注意的是，測量理論參考d0和實際d1…di距離的圖解設備包括一個配備有自動聚焦系統45(自動聚焦)的相機(測量相機15)。

因此，優選地，通過瞄準最後沉積層11i的表面35i，將會通過使用自動聚焦計算和記錄初始距離d0(當沒有沉積層時)以及相機15的透鏡的光學系統15a的實際位置(以上區域1)。一旦圖像由於自動聚焦而清晰，噴嘴相對於零件的位置就可以推斷出來。

照相將提供與朝襯底引導的雷射束13平行，即沿z軸(或與其基本平行)的測量。

參照上述解釋，關於這些距離測量，裝置然後將按以下指示操作：

首先，如圖2所示，噴嘴1的下自由端10(同心圓錐部末端15a、15b與z軸同軸)被定位在一個所謂的重載距離dc(其因此是這種端部10和，首先襯底的自由表面5a，以及然後材料沉積層11的表面35i之間的最佳距離)。

因此，應該理解的是，對於每個沉積層11i，這種重新加載距離dc在零件生產的每一步驟中將優選地保持不變，噴嘴遠離一層的厚度e移動。

事實上，需要推薦的是，如果在襯底和面對襯底的噴嘴一端之間的這種確定距離dc與理論參考距離d0匹配，在零件生產過程中應保持該距離dc，優選地當開始沉積每層時。

以距離dc設置噴嘴，使用相應地調節的自動聚焦45，在該初始時間通過相機獲取的襯底5的自由表面5a的清晰圖像，將從而限定理論參考距離d0。然後優選地校準自動聚焦45。

然後，如上所解釋地在零件的生產過程中將連續地測量真實距離d1、d2，…di，使用相應地調節的自動聚焦45並且如圖3所示，噴嘴仍然先驗地因此被定位，以符合重新加載距離dc。

圖4具體地示出了距離d0、d1、....di測量設備(測量自動聚焦相機15的光學軸z0)和噴嘴1的相對位置，其中心由雷射束13穿過(這裡為z軸)。

為了防止相機沿z軸瞄準熔池，這可能使相機的聚焦不準確，特別地當接收雷射束的表面熔化時，z0軸在這裡偏移到旁邊(距離e1)。

與其相關，兩種操作模式是可能的：

-光學軸保持垂直；參考透鏡15a；垂直軸z0；

-或者相機150(等同於以上提到的相機15)與平行於z軸的投影13a成角度a傾斜。

圖6還示出了，所產生的零件7可以是可與圓盤集成(一個單一零件)的太空飛行器渦輪機的圓盤49的基本徑向葉片或槳葉47的環形列的槳葉之一。葉片12在其徑向內端連接到在圓盤的外部邊緣延伸的環形平臺51。

除了其可以使用以上公開的技術生產這一事實之外，在磨損的情況下，槳葉7還可被修復。標記53也指代旨在被替換的這種葉片的截面平面。仍在適當位置的葉片的區段7a的自由端表面將限定襯底5的上述表面5a。