使用粉末金属和粉末助焊剂的流化床的增材制造制造技术

用于用能量束(20)选择性地加热包括粉末金属材料(14')和粉末助焊剂材料(14')的粉末材料(14)的流化床的增材制造设备和工艺。粉末材料被保持在腔室(12)内以修复或制造组件(22)。粉末床通过非惰性气体的到腔室内的引入而被流化。能量束与组件之间的相对移动依照组件的预定形状来控制。当粉末材料被加热、熔化并固化时，一层熔渣(32)形成在沉积出的金属(38)上面并且接着被去除使得沉淀在先前沉积出的金属基底(34)上的流化粉末金属可以被加热、熔化和固化以建立组件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
该专利技术大体涉及从粉末金属的床形成或修复金属组件和部件的领域。更具体地，该专利技术涉及使用粉末材料的流化床来形成或修复部件，其中粉末材料包括超合金金属和其他材料。
技术介绍
焊接工艺取决于被焊接的材料的类型而有相当大的差异。一些材料在各种各样的条件下更容易焊接，而其他材料要求特殊工艺以便获得结构上良好的接头而不会使周围的基底材料劣化。常见的电弧焊一般利用消耗性电极作为给送材料。为了为焊池中的熔融材料提供免受大气影响的保护，可以在焊接包括例如钢、不锈钢和镍基合金的许多合金时使用惰性覆盖气体或助焊剂材料。惰性和组合惰性与活性气体工艺包括气体钨极电弧焊(GTAW)(也称作钨极惰性气体(TIG))和气体金属电弧焊(GMAW)(也称作金属惰性气体(MIG)和金属活性气体(MAG))。助焊剂保护工艺包括其中助焊剂通常被给送的埋弧焊(SAW)、其中助焊剂被包括在电极的芯中的药芯焊丝电弧焊(FCAW)和其中助焊剂被涂覆在填料电极的外侧的焊条电弧焊(SMAW)。能量束的作为用于焊接的热源的使用也是已知的。例如，激光能量已被用于将预先放置的不锈钢粉末熔化到具有提供熔池的屏蔽的粉末助焊剂材料的碳钢基底上。助焊剂粉末可以与不锈钢粉末混合或者作为单独的覆盖层施加。以专利技术人的知识，当焊接超合金材料时不使用助焊剂材料。认识到超合金材料归因于其对焊接固化开裂和应变时效开裂的敏感性而在最难以焊接的材料之中。术语“超合金”在这里如它在本领域通常使用地那样使用，即，展现出优异的机械强度和对高温下的蠕变的抵抗性的高耐腐蚀抗氧化合金。超合金典型地包括高的镍或钴含量。超合金的示例包括在如下商标和品牌命名下销售的合金：哈氏合金(Hastelloy)、英科乃尔(Inconel)合金(例如，IN738、IN792、IN939)、雷内(Rene)合金(例如，ReneN5、Rene80、Rene142)、海恩斯(Haynes)合金、MarM、CM247、CM247LC、C263、718、X-750、ECY768、282、X45、PWA1483和CMSX(例如，CMSX-4)单晶合金。一些超合金材料的焊接修复已通过将材料预先加热至非常高的温度(例如至1600°F或870℃以上)以便显著地增加修复期间材料的材料延展性而成功实现。该技术被称为热箱焊接(hotboxwelding)或处于升高温度的超合金焊接(SWET)焊接修复并且它通常使用手动GTAW工艺来实现。然而，热箱焊接受到维持均匀的组件工艺表面温度的难度和维持完整的惰性气体屏蔽的难度的限制，以及受到强加在在这样的极端温度下在组件附近工作的操作者上的物理难度的限制。一些超合金材料焊接应用可以使用激冷板来进行以限制基底材料的加热，由此限制了引起开裂问题的基底热效应和应力的发生。然而，该技术对于其中部件的几何形状不便于激冷板的使用的许多修复应用来说不实用。图7是图示出各种合金的作为其铝与钛含量的函数的相对可焊性的传统图表。具有相对较低浓度的这些元素并且因而具有相对较低γ'含量的诸如IN718等的合金被认为是相对可焊的，但这样的焊接一般限于组件的低应力区域。具有相对较高浓度的这些元素的诸如IN939等的合金一般不认为是可焊的，或者仅可以用增加材料的温度/延展性并使工艺的热输入最小化的在上面所讨论的特殊程序来焊接。虚线80指示出可焊性的区带的公认的上边界。线80与纵轴上的3wt.％铝和水平轴上的6wt.％钛交叉。可焊性的区带外侧的合金被公认为非常难以或不可能用已知工艺焊接，并且具有最高铝含量的合金一般发现是最难以焊接的，如箭头所指示的。利用选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)使一薄层超合金粉末颗粒熔化到超合金基底上也是已知的。熔池通过在激光加热期间施加诸如氩气等的惰性气体与大气屏蔽。这些工艺趋向于将附着在颗粒的表面的氧化物(例如，铝和铬氧化物)捕获在沉积出的材料的层内，导致孔隙、夹杂物和与被捕获的氧化物相关联的其他缺陷。后处理热等静压(HIP)经常用来瓦解这些空隙、夹杂物和开裂以便改善沉积出的涂层的性质。这些工艺的应用归因于预先放置粉末的要求也限于水平表面。激光微包覆(Lasermicrocladding)是通过使用激光束使被朝向表面指向的粉末流熔化而将一小薄层材料沉积到表面上的能够3D的工艺。粉末通过气体的喷射被朝向表面推进，并且当粉末是钢或合金材料时，气体是使熔融合金与大气的氧气屏蔽的氩气或其他惰性气体。激光微包覆受到诸如在1cm3/hr至6cm3/hr的数量级上的其低沉积速率的限制。此外，因为保护性氩气屏蔽趋向于在包覆材料被完全冷却之前消散，所以可能在沉积的表面上发生表层氧化和氮化，这在有必要多个层的包覆材料以获得期望的包覆厚度时是有问题的。对于非可焊性的区带中的一些超合金材料，没有已知的商业上可接受的焊接或修复工艺。此外，随着新的且较高合金含量的超合金持续发展，开发用于超合金材料的商业上可行的接合工艺的挑战持续增长。关于原始设备制造(OEM)，粉末金属合金的静态床的选择性激光烧结和选择性激光熔化已被建议作为替代制造工艺；然而，使用这些工艺生产的组件具有有限的生产率和质量。另外，处理时间仍然是个问题，因为部件通过使部件竖直向下平移以引入新的一层粉末用于熔化而以非常薄的递增沉积出的层形成。此外，经过递增处理的层或平面之间的界面面临缺陷和有问题的物理性质。在美国专利号4,818,562('562专利)中公开了从粉末金属的流化床铸造部件，该专利的内容通过引用完全合并于此。'562专利大体公开了气体到使用激光的粉末金属的床和粉末金属的选择性加热区域内的引入。特别地，'562专利公开了诸如氩气、氦气和氖气这样的惰性气体的引入。惰性气体被提供以使可以与热或熔融金属起反应以形成金属氧化物的任何大气气体移位，这可能会损害组件的完整性。'562专利还公开了用于使粉末流化的气体可以是诸如甲烷或氮气等的反应性气体；然而，没有惰性气体或其他屏蔽机制的引入，熔融金属的成分会与可得到的元素起反应的风险仍然存在。附图说明鉴于附图在以下描述中说明专利技术，附图示出：图1是用于使用包括粉末金属和粉末助焊剂材料的粉末材料的流化床进行的组件的修复或制造的系统和工艺的示意性图示。图2是其中平移台被用于控制待制造或修复的组件的移动的系统和工艺的实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增材制造设备，包括：腔室；在所述腔室中的包括粉末金属材料和粉末助焊剂材料的粉末材料的流化床；能量束，其选择性地扫描所述粉末材料的床的表面的一部分以将加热和熔化所述粉末材料，所述粉末材料接着固化以形成金属沉积；和，一个或多个控制器，以根据组件的预定形状控制所述能量束与所述金属沉积之间的相对移动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.05 US 14/071,7741.一种增材制造设备，包括：
腔室；
在所述腔室中的包括粉末金属材料和粉末助焊剂材料的粉末材
料的流化床；
能量束，其选择性地扫描所述粉末材料的床的表面的一部分以
将加热和熔化所述粉末材料，所述粉末材料接着固化以形成金属沉
积；和，
一个或多个控制器，以根据组件的预定形状控制所述能量束与
所述金属沉积之间的相对移动。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述粉末金属包括具有与
构成所述粉末助焊剂材料的颗粒的网目尺寸范围重叠的网目尺寸范
围的金属颗粒。
3.根据权利要求1所述的设备，进一步包括邻接于所述组件定
位以将形成在所述金属沉积上的熔渣去除的熔渣去除工具。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述能量束是激光束。
5.根据权利要求1所述的设备，进一步包括与所述腔室的内部
流体连通的非惰性气体的源。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述粉末金属材料和粉末
助焊剂材料包括被形成为复合金属-助焊剂颗粒的造粒颗粒。
7.一种增材制造工艺，包括：
使包括粉末金属材料和粉末助焊剂材料的粉末材料的床流化；
将所述粉末材料的床的一部分选择性地加热以形成由熔渣覆盖
的固化的金属沉积；和，
在将所述先前形成的固化的金属沉积上面的所述粉末材料的床
的一部分再次选择性地加热之前，将所述熔渣从所述固化的金属沉
积上去除。
8.根据权利要求7所述的工艺，其中使所述粉末材料的床流化

\t的所述步骤包括将非惰性气体引入所述粉末材料的床被保持在其中
的腔室内。
9.根据权利要求7所述的工艺，其中选择性地加热包括用能量
束选择性地扫描所述粉末材料的床的表面并且根据待形成的组件的
预定形状来控制所述固化的金属沉积与所述能量束之间的相对移
动。
10.根据权利要求7所述的工艺，其中所述粉末金属材料包括造
粒超合金颗粒。
11.根据权利要求10所述的工艺，其中所述超合金包括超出在
绘制了钛含量对铝含量的超合金的图表上所限定的可焊性的区带的

【专利技术属性】
技术研发人员：G·J·布鲁克，A·卡梅尔，
申请(专利权)人：西门子能源公司，
类型：发明
国别省市：美国;US