通过增材激光制造来制造金属部件的方法技术

本发明专利技术涉及完全或部分制造三维金属制品/部件(11)的方法，所述方法包括以下步骤：a)通过用能量束(14)扫描，由增材制造方法从金属基础材料(12)连续建造所述制品/部件(11)，从而b)在制品/部件(11)的第一方向和第二方向上建立受控的晶粒取向，c)其中第二晶粒取向通过应用能量束(14)的特定扫描图案而实现，所述第二晶粒取向与所述制品/部件(14)的横截剖面匹配或者与制品/部件(11)的特征负荷条件匹配。

【技术实现步骤摘要】
通过增材激光制造来制造金属部件的方法
本专利技术涉及耐高温部件的技术，尤其是用于燃气涡轮的热气路径部件。本专利技术涉及通过增材制造(additivemanufacturing)技术制造金属部件/三维制品的方法，例如选择性激光熔融(SLM)、选择性激光烧结(SLS)或电子束熔融(EBM)。
技术介绍
增材制造已成为制造金属功能原型和部件的越来越有吸引力的解决方案。已知SLM、SLS和EBM方法用粉末材料作为基础材料。部件或制品直接从粉末床产生。其它增材制造方法，例如激光金属成形(LMF)、激光工程化净成形(LENS)或直接金属沉积(DMD)使材料局部熔融到现有部分上。这种新产生的材料可沉积为线或粉末，其中粉末沉积装置沿着预定路径连同自动机或CNC机移动。图1显示现有技术已知的基本SLM布置10，其中三维制品(部件)11通过以下制造：连续增加具有预定的层厚度d、面积和轮廓的粉末层12，然后通过来自激光装置13并由控制单元15控制的扫描激光束14熔融所述粉末层12。通常，一个层的扫描矢量在该层内彼此平行(见图2a)，或者在一个层内，限定的区域(所谓箱板(chestboard)图案)具有扫描矢量之间的固定角度(参见图3a)。在后继的层之间(这是指在层n和层n+1之间，在层n+1和层n+2之间，等等)，扫描矢量旋转例如90°的角度(参见图2b，3b)或不同于90°或n*90°的角度(参见图4a，4b)。对于由SLM制造的制品，目前为止这样做(对于后继的层或对于制品一个层内的图案的特定区域，例如箱板，使用交替的扫描器路径)是为了得到良好品质(最佳的部件/制品密度和几何精度)。目前本领域已知的典型SLM轨道布置（trackalignment）显示于图5中。由于熔融池中的典型温度曲线和熔融池邻近所得的热梯度，垂直于粉末平面(x-y平面)的较快和优选的晶粒生长是有利的。这得到在z方向(=第一晶粒取向方向，晶体学[001]方向)上显示伸长晶粒的特征微结构。此方向垂直于x-y平面。因此，以z方向延伸的第一样品(见图1)显示不同于在x-y平面(=第二晶粒取向，第二晶体学方向)内延伸的第二样品的性质，例如，沿z方向的杨氏模量一般不同于在粉末平面(x-y平面)内的杨氏模量。因此，基于粉末的技术或其它增材制造技术的一个特征特点是材料性质(例如，杨氏模量、屈服强度、拉伸强度、低循环疲劳性能、蠕变)的强烈各向异性，这归因于已知的在SLM粉末床处理期间的逐层建造（layer-wisebuild-up）方法和局部固化条件。材料性质的这种各向异性可能在若干应用中为缺点。因此，申请人已提交两个目前为止未公布的专利申请，其披露了通过增材激光制造技术制造的部件的各向异性材料性质可通过适当的“构建后”热处理来减小，得到更各向同性的材料性质。在最近三十年间，已开发定向固化(DS)和单晶(SX)的涡轮部件，所述部件通过熔模铸造来制造，其中在第一和第二晶粒取向(垂直于第一生长方向)上例如杨氏模量的低值与热机械负荷条件匹配(align)。在此，这种匹配通过施用晶种和晶粒选择剂（grainselector）而提供，结果是部件性能和寿命的显著提高。然而，对于通过SLM生产的零件/部件，迄今未知控制第一和第二晶体学取向的那些技术。用发生性激光方法(称为外延激光金属成形(E-LMF)的技术)控制在单晶(SX)基体上形成的沉积物的微结构也已经变得可能。这些方法可生产具有优选晶粒取向(DS)或无晶粒边界(SX)的部件。随着将来的热气路径部件提高的设计复杂性，当薄壁或双壁部件的铸造产量预期下降时，通过铸造而经济地制造这些SX或DS零件/部件将变得越来越成问题。另外，外延激光金属成形仅可适用于其中基础材料已具有单晶取向的部件。由于其直接从粉末床产生很复杂的设计的能力，SLM技术能够制造高性能和复杂成形的部件。因此，如上所述对铸造SX或DS部件的微结构的类似控制高度有益于用SLM技术或其它增材制造激光技术制造的部件和原型。对杨氏模量的额外控制和匹配会进一步提高这些部件的性能和应用潜力。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是公开一种通过增材制造方法完全或部分制造具有改进性质的金属部件/三维制品的方法，根据部件的设计意图，在其中可按照有利的方式使用各向异性性质，或者在其中可减小或避免各向异性。本专利技术的又一个目的是公开一种适合的方法，其实现使所述制品的各向异性性质与局部热机械负荷条件匹配。通过以下方法达到这个和其它目的：完全或部分制造三维金属制品/部件(11)的方法，所述方法包括以下步骤：a)通过用能量束(14)扫描，由增材制造方法从金属基础材料(12)连续建造所述制品/部件(11)，从而b)在所述制品/部件(11)的第一方向和第二方向上建立受控的晶粒取向，c)其中所述受控的晶粒取向通过应用能量束(14)的特定扫描图案而实现，所述受控的晶粒取向与所述制品/部件(14)的横截剖面匹配或者与所述制品/部件(11)的局部负荷条件匹配。本专利技术公开对金属部件/三维制品(例如，部件所用的试件(coupon)、插入件(insert))的晶粒的第二晶体学取向的控制，所述金属部件/三维制品由通过增材制造技术处理的基于Ni、Co或Fe的超合金制成。为此，在制品制造期间适当布置扫描器路径是重要的。有利的是控制所制造的材料的微结构并利用这种特征性的材料各向异性。本专利技术基于发现能够通过扫描和建造控制来控制第二晶体取向。根据本专利技术制造的部件/制品具有受控的第二晶体学晶粒取向，与根据本领域目前的增材制造方法制造的部件相比，这导致金属部件和原型的更高寿命和操作性能。用于完全或部分制造三维金属制品/部件的本专利技术的方法包括以下步骤：a)通过用能量束扫描，由增材制造方法从金属基础材料连续建造所述制品/部件，从而b)在制品/部件的第一方向和第二方向上建立受控的晶粒取向，c)其中第二晶粒取向通过应用能量束的特定扫描图按而实现，所述第二晶粒取向与所述制品/部件的横截剖面匹配或者与制品/部件的局部负荷条件匹配。在本方法的优选实施方案中，在期望杨氏模量的最小值之处，通过将扫描器路径布置为交替地与部件的方向平行(在第一层)和垂直(在下一层)等等，实现对第二晶粒取向的有效控制。本方法可尤其用于制造具有复杂设计的小至中尺寸的热气路径部件和原型。这些部件可例如存在于燃气涡轮的第一涡轮级中、压缩机中或燃烧器中。一个优势为，本方法可用于新部件制造并且可用于修复/修理过程中。根据本专利技术的一个实施方案，所述增材制造方法为以下之一：选择性激光熔融(SLM)、选择性激光烧结(SLS)或电子束熔融(EBM)，并且使用粉末形式的金属基础材料。具体地讲，所述SLM或SLS或EBM方法包括以下步骤：a)产生所述制品的三维模型，随后为切片过程以计算横截面；b)随后，将所述计算的横截面传送到机器控制单元(15)；c)提供该过程需要的所述基础材料的粉末；d)在基板上或在先前处理的粉末层上制备具有固定和均匀厚度的粉末层(12)；e)与根据所述控制单元(15)中储存的三维模型的所述制品的横截面相对应，通过用能量束(14)扫描来进行熔融；f)使先前形成的横截面的上表面降低一个层厚度(d)；g)重复所述步骤d)至f)，直至达到根据所述三维模型的最后横截面；和h)任选加热本文档来自技高网...

【技术保护点】
完全或部分制造三维金属制品/部件(11)的方法，所述方法包括以下步骤：a)通过用能量束(14)扫描，由增材制造方法从金属基础材料(12)连续建造所述制品/部件(11)，从而b)在所述制品/部件(11)的第一方向和第二方向上建立受控的晶粒取向，c)其中所述受控的晶粒取向通过应用能量束(14)的特定扫描图案而实现，所述受控的晶粒取向与所述制品/部件(14)的横截剖面匹配或者与所述制品/部件(11)的局部负荷条件匹配。

【技术特征摘要】
2012.12.01 EP 12008074.21.完全或部分制造三维金属制品/部件(11)的方法，所述方法包括以下步骤：a)通过用能量束(14)扫描，由增材制造方法从金属基础材料连续建造所述制品/部件(11)，从而b)在所述制品/部件(11)的第一晶粒取向和第二晶粒取向上建立受控的晶粒取向，c)其中所述受控的晶粒取向通过应用能量束(14)的特定扫描图案而实现，所述受控的晶粒取向与所述制品/部件(11)的横截剖面匹配或者与所述制品/部件(11)的局部负荷条件匹配，其中，在期望杨氏模量的最小值之处，通过将扫描器路径布置为在后继的层中交替地与所述制品/部件(11)的方向平行和垂直，实现对所述第二晶粒取向的控制。2.权利要求1的方法，其特征在于所述增材制造方法为以下之一：选择性激光熔融(SLM)、选择性激光烧结(SLS)或电子束熔融(EBM)，使用粉末形式的金属基础材料，且所述方法包括以下步骤：a)产生所述制品/部件(11)的三维模型，随后为切片过程以计算横截面；b)随后，将所述计算的横截面传送到机器控制单元(15)；c)提供该过程需要的所述基础材料的粉末；d)在基板上或在先前处理的粉末层上制备具有固定和均匀厚度的粉末层；e)通过用能量束(14)扫描与根据所述控制单元(15)中储存的三维模型的所述制品/部件(11)横截面相对应的区域来进行熔融；f)使先前形成的横截面的上表面降低一个层厚度(d)；g)重复所述步骤c)至f)，直至达到根据所述三维模型的最后横截面；和h)任选加热处理所述三维制品/部件(11)，其中在步骤e)中，所述能量束(14)以一定方式扫描，使得：-扫描矢量在每个后继层之间或在层的每个特定区域(...

【专利技术属性】
技术研发人员：T埃特，M康特，M霍伊贝，J舒尔布，
申请(专利权)人：阿尔斯通技术有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH