金属泡沫的激光沉积制造技术

通过激光熔化(16)粉末混合物(10)将超级合金金属泡沫层(20)沉积在超级合金基底(14)上，所述粉末混合物包含超级合金金属颗粒(22)和发泡剂颗粒(24)。使燃气涡轮发动机部件(30)形成为包括这样的金属泡沫。可将陶瓷热障涂层材料(31)直接施加于所述金属泡沫上而没有介于两者之间的粘合涂层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及材料
，并且更特别地涉及形成金属泡沫的方法以及由金属泡沫形成的部件。
技术介绍
金属泡沫是包含大体积分数的孔的蜂窝状结构。尽管大多数金属结构含有一定的孔隙率(例如几个体积百分比)，但是金属泡沫通常可含有至少75％体积分数的孔。金属泡沫可以以多种方式形成：通过将气体注入熔融金属中；通过经由化学反应在熔融金属中原位形成气体；通过降低压力以析出已经存在于熔融金属中的气体；或者通过将熔融温度较高的金属的空心珠并入具有较低熔融温度的熔融金属中。金属泡沫和其他高度多孔材料已在医学领域中用于修复学和骨连接应用，以及在航空航天和汽车领域中用于形成轻量结构部件。美国专利7,780,420公开了并入泡沫金属的前缘和后缘的燃气涡轮发动机压缩机叶片。尽管大量专利描述了金属泡沫，但由于以商业实施形式制造此种材料的困难，其在发电领域中的商业用途已极其有限。附图简述在参照附图的下列描述中对本专利技术进行解释，所述附图示出：图1为在超级合金基底的表面上产生超级合金金属泡沫层的材料增材工艺(additiveprocess)的图示。图2为直接施加于超级合金部件基底上的金属泡沫层而没有中间粘合涂层的陶瓷热障涂层的横截面图。图3为沿其前缘和后缘具有超级合金金属泡沫的燃气涡轮发动机叶片的截面图。具体实施方式本专利技术人已认识到需要制造金属泡沫，特别是制造可适用于制造用于燃气涡轮发动机的热气通道部件的超级合金金属泡沫材料的改进方法。图1图示了此种改进方法的实施方案，其中用能量束16使沉积在基底14的表面12上的粉末混合物10熔化以形成熔池18，然后使其固化以在基底14上形成金属泡沫层20。粉末混合物10包括金属颗粒22和发泡剂颗粒24。本文所用的术语“金属”在一般意义上包括纯金属和金属合金二者，并且在图1的实施方案中，基底14和金属22的颗粒为超级合金材料，例如可用于燃气涡轮发动机应用，例如以商标或商标名称IN700、IN939、Rene80、CM247、CMSX-8、CMSX-10、PWA1484出售的材料和本领域已知的许多其他材料。发泡剂24可为经加热将向熔池18内释放气体的任何材料。一种这样的发泡剂24为氢化钛(TiH2)，其向熔池18中释放氢气。经固化，气泡在金属泡沫20中形成至少50体积％的孔隙率，或者在一些实施方案中50体积％至85体积％或更大的孔隙率。金属泡沫层20整体地且冶金地结合至下面的基底14，因为基底14的薄最上表面层26被能量束16熔化且被结合入熔池18，因此确保了金属泡沫层20牢固地粘附至基底14。能量束16(其通常可为激光束)如箭头所示横跨表面12，控制束频率、能级和速度以实现期望的热量输入。还可调节激光和工艺参数以实现搅拌作用来进一步增强发泡剂的功能(类似于使用于胃灼热缓解的泡腾片分散以产生泡(froth)或泡沫)。例如，高密度束可在熔体内产生蒸气承载的低压(vaporsupporteddepression)，其在从一侧移动至另一侧时可充当搅拌元件。还可调节参数以实现熔体中的波动和破裂作用以通过湍流搅动夹带空气或工艺气体(类似于海水在海滩上破裂引起海洋泡沫)。其他挥发性组分也可充当发泡剂。例如，已知暴露于湿气的金属粉末将保留水并将在激光镀覆期间产生多孔金属沉积物。因此粉末的故意增湿可用于增大沉积物的空隙体积分数。类似地，本专利技术人已发现含有氧化钇的金属粉末比不含氧化钇的粉末产生更大的孔隙率。由于氧化钇在超级合金涂层中也可以是有利的，此种发泡剂可具有多重益处。发泡剂还可包含以下成分(陶瓷和/或合金元素)：(a)降低表面张力并且抑制气泡合并的成分，或(b)增加粘度并且阻止气泡浮性的成分，从而增加气泡产生。排除抵消这些效果的成分同样重要。例如，硫和氧的水平高度影响表面张力，这二者均具有低表面张力。低水平的减少氧的元素例如铝可具有类似作用。类似地，低水平的硅在提高熔体的粘度中是重要的。发泡剂24可为对金属泡沫层20的期望特性有益的材料。例如，钛为用于超级合金组合物的常见增强元素，因此其从前述TiH2中释放及其与熔融超级合金颗粒22混合可产生超级合金金属泡沫20的期望材料组合物。可以使用存在于超级合金金属颗粒22和/或超级合金基底14中的其他金属的氢化物，例如氢化钽(TaH2)、氢化镁(MgH2)、氢化锆(ZrH2)及其组合。发泡剂24可为在熔池18中表现出助熔功能的材料。例如，钙、镁和/或锰的碳化物将有助于经由形成可除去的熔渣而除去硫。这些化合物和相同元素的碳酸盐将形成一氧化碳和/或二氧化碳气体以产生期望的孔隙率。气体还对熔池18提供一定程度的相对于大气的防护。为了将由发泡剂24产生的气体捕获在再固化的熔融金属中以使孔隙率的形成最优化，可优选实现熔池18的相对快速熔化和再固化。同样，在一些实施方案中可以证明有利的是使用脉冲激光束16而不是连续能量源。与当通过连续能量束源施加相同总量的能量时相比，通过使相对高水平能量的相对短爆发接着不添加能量的时段产生脉冲，可能更有效地将相对更小的气窝捕获在固化金属中。图1的工艺具有作为用于改性超级合金部件表面的技术的应用。已知在超级合金部件基底与上覆的陶瓷热障涂层材料之间施加粘合涂层材料(例如，MCrAlY材料)以增强粘合性，且以调节超级合金基底与陶瓷热障涂层材料之间的热膨胀系数差异。图1的工艺可用于在施加粘合涂层材料之前将超级合金金属泡沫层20施加至基底14。由表面开放孔隙引起的金属泡沫20的相对粗糙表面28有利于任何上覆涂层材料的良好粘合。此外，金属泡沫20的孔隙率提供了一定程度的机械顺从性，其将减小不同的热膨胀应力，因此在一些应用中允许将陶瓷热障涂层31直接施加至超级合金基底14上的金属泡沫层20而无需中间粘合涂层，如图2中所示。图1的方法还具有在部件的增材制造中的应用。图3为在增材制造阶段期间燃气涡轮发动机叶片30的顶视图。叶片30具有翼型形状，该翼型形状具有从前缘36延伸至后缘38的吸力侧(suctionside)32和压力侧(pressureside)34。叶片30通过沉积多个超级合金材料层以沿从图3的平面延伸出的径向轴R构建叶片30来制造，图中可见最新沉积的层。大多数压力侧34和吸力侧32以及在其间延伸的结构网40，通过根据已知的现有技术工艺的激光沉积工艺沉积为基本上完全致密的超级合金材料。然而，分别接近前缘36和后缘38的区域42、44根据图1中图示的工艺沉积为金属泡沫20。与翼型形状的由仅含有金属颗粒(或仅有金属和熔剂)的粉末产生的其他区域相比，区域42、44可由含有金属22颗粒和发泡剂24颗粒二者的粉末产生。粉末可逐层预放置或者可在能量束以连续工艺横跨翼型时将其导入能量束中。发泡剂颗粒24的量占全部粉末混合物10的百分比可为恒定的，例如小于1％，或者其可在叶片30的不同区域中变化。认识到密度和强度具有非线性关系，并且与工作应力相对较高的区域(其形成为具有较低孔隙率或无孔隙)相比，在工作应力相对较低的区域中，发泡剂24的量和所产生的孔隙程度可能增加以减小叶片30的重量。根据本专利技术沉积在部件基底表面12上的金属泡沫层20为燃气涡轮机部件应用提供多个优势。金属泡沫20可以提供改善的耐热机械疲劳性，因为泡沫材料因孔间的薄金属纽带而相对柔韧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：将包含金属和发泡剂的粉末混合物沉积在基底上；用能量束加热所述粉末混合物以形成熔池，所述熔池包含熔融金属和由经加热的发泡剂产生的气体；以及使所述熔池固化以在所述基底上形成金属泡沫层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.12 US 14/274,9521.一种方法，包括：将包含金属和发泡剂的粉末混合物沉积在基底上；用能量束加热所述粉末混合物以形成熔池，所述熔池包含熔融金属和由经加热的发泡剂产生的气体；以及使所述熔池固化以在所述基底上形成金属泡沫层。2.根据权利要求1所述的方法，还包括用脉冲激光束加热所述粉末混合物。3.根据权利要求1所述的方法，还包括将包含超级合金材料颗粒的所述粉末混合物沉积在超级合金材料基底上。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述发泡剂包括以下中的至少一种：碳酸钙、碳酸镁、碳酸锰、碳化钙、碳化镁和碳化锰。5.根据权利要求3所述的方法，其中所述发泡剂包括以下中的至少一种：氢化钛、氢化钽、氢化镁和氢化锆。6.根据权利要求3所述的方法，其中所述发泡剂包括所述超级合金材料的粉末颗粒的或所述超级合金材料基底的元素组分。7.根据权利要求1所述的方法，还包括将陶瓷热障涂层材料沉积在所述金属泡沫层上而没有介于两者之间的粘合涂层。8.根据权利要求1所述的方法，还包括控制所述能量束以使得熔池发生有效作用以将气体夹带到固化中的熔池中。9.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述加热步骤之前将所述粉末混合物暴露于湿气以将水保留于其中。10.根据权利要求1所述的方法，还包括选择所述粉末混合物以包含氧化钇。11.根据权利要求1所述的方法，还包括选择所述粉末混合物以包含有效降低所述熔池的表...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰拉尔德·J·布鲁克，艾哈迈德·卡迈勒，
申请(专利权)人：西门子能源有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US