使用原位激光超声测试的自适应增材制造过程制造技术

本申请涉及使用原位激光超声测试的自适应增材制造过程，其中增材制造过程包括：经由选择性激光加热过程来选择性加热粉末（18）层以形成具有固体沉积物（28）的固体沉积层（10），其中固体沉积层构成组件的部分（24）；通过使用远离固体沉积物的表面（44）设置的波生成激光器（40）而使超声能量波（50,60）在组件完成之前传播通过固体沉积物以将波生成激光射束（42）定向在所述表面处；检测所传播的超声能量波（62）；针对关于固体沉积物的物理特性的信息而评估所传播的超声波；以及响应于关于固体沉积物所获得的信息来形成另一固体沉积层（80）。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在增材制造过程中的各层形成之间发生的组件的原位激光超声测试。
技术介绍
增材制造通常通过将要制造的对象的三维表示切分成非常薄的层而开始，由此创建每一个层的二维图像。为了形成每一个层，流行的激光增材制造技术，诸如选择性激光融合（SLM）和选择性激光烧结（SLS），涉及精确厚度的金属粉末薄层在水平平面上的预放置。这样的预放置通过使用机械擦净器来擦净粉末的均匀层或者使层找平而实现，在此之后，诸如激光之类的能量射束根据用于相应层的固体材料的二维图案而跨粉末层编索引。在编索引操作针对相应层而完成之后，所沉积的材料的水平平面降低并且过程重复直到三维部分完成。所考虑的完成部分的物理特性包括缺陷（空隙、裂缝等）以及残余应力量，这部分地因为残余应力可能引起扭曲和过早断裂。组件的固体部分中的残余应力量的知识可以使用诸如中心孔钻削之类的已知技术来确定。然而，这要求材料移除并且因此至少是半破坏性的。X射线和中子衍射技术是非破坏性的，但是它们昂贵并且不能够原位执行。此外，这些技术要求移除组件以用于执行评估。磁性测试也是非破坏性的，但是它依赖于铁磁材料中的磁化和弹性应变之间的交互。因此，磁性测试必然受限于铁磁材料。物理特性的激光超声检测在焊剂和键合领域中已知，但是在增材制造领域中很少知道，并且这些不与组件的形成并发地执行和/或直接在所形成的组件上执行。因而，在现有技术中存在针对用于检测诸如残余应力或缺陷之类的物理特性的改进的非破坏性过程的空间。附图说明在考虑到附图的以下描述中解释本专利技术，附图示出：图1描绘了激光增材制造过程。图2描绘了激光超声物理特性检测过程。图3描绘了通过使在增材制造过程期间所使用的参数不同而在激光超声物理特性检测过程之后形成固体沉积层的选项。图4描绘了在激光超声物理特性检测过程之后执行残余应力释放过程的选项。图5描绘了正在固体沉积物上执行的激光超声物理特性检测过程以及激光增材制造过程。图6是描绘了采用激光超声物理特性检测过程的增材制造过程的示例性实施例的流程图。具体实施方式如许多制造过程那样，选择性激光加热过程（例如SLM、SLS）导致物理特性，诸如缺陷和/或残余应力的累积。残余应力水平可以为高并且可能影响组件的结构整体性。因此，有益的是知晓所存在的残余应力量以及任何其它缺陷。专利技术人已经认识到，残余应力可以发生在每一个层内并且可以随着附加层的形成而累积，并且将有益的是在增材制造过程期间标识物理特性。例如在叶尖累积中与残余应力控制相关联的现有技术包括从一侧到另一侧交替应用激光射束以校平残余应力。这些部分然后可以进行热量处置以便进一步缓解残余应力。然而，这些过程未必在组件的形成期间测量残余应力，而是替代地将其存在预测为预确定的数量并且然后调和/缓解所假设的残余应力。已知的是，用于在增材制造过程中形成层的熔体池的特性可以通过使用相机捕获熔体池的图像而评估。然而，尽管该技术提供关于熔体池的信息，但是它不提供关于可能在熔体池固化之后存在的物理特性的信息，也不提供熔体池下方的层的信息。本专利技术人已经研发了一种增材制造过程，其在形成组件时监控组件内的物理特性并且响应于关于物理特性所了解的内容而适配增材制造过程。使用激光超声物理特性检测过程来监控物理特性（例如残余应力），激光超声物理特性检测过程使用远离组件设置的激光器来将波生成激光射束定向到最新形成的固体沉积层的表面上。非接触式、激光超声物理特性检测过程在现有技术中已知，如通过例如下文描述的：DanielLevesque等人的DefectDetectionandResidualStressMeasurementinFrictionStirWeldsusingLaserUltrasonics,1stInternationalSymposiumonLaserUltrasonics:Science,TechnologyandApplications,2008年7月16日-18日,Montreal,Canada。残余应力的激光超声检测通过例如下文来描述：Karabutov,Alexander等人的LaserUltrasonicDiagnosticsofResidualStress,Ultrasonics,48,631-635(2008)。在这样的过程中，波生成激光射束使得声波传播通过最新形成的固体沉积层以及通过任何底层固体沉积层。超声能量波在组件内反射并且经反射的超声能量波可以由波检测激光射束使用已知技术来检测。分析超声能量波，并且可以确定最新形成的固体沉积层和/或任何底层固体沉积层中的残余应力和/或缺陷。如果期望，则增材制造过程可以在必要的情况下经调节以调和和/或缓解残余应力。调节包括改变随后形成的固体沉积层所形成的方式和/或在形成另一固体沉积层之前在组件上执行残余应力释放过程。图1描绘了激光增材制造过程的示例性实施例，其中固体沉积层10形成在之前形成的固体沉积层12上。在增材制造过程期间，加热激光器14选择性地朝向粉末18定向激光射束16以加热粉末18来形成固体沉积层10。激光射束16可以作为选择性激光烧结过程的部分而将粉末颗粒烧结在一起。可替换地，激光射束16可以将粉末颗粒一起融合到熔体池20中，熔体池20然后固化以形成固体沉积层10。固体沉积层10和之前形成的固体沉积层12构成作为所形成的组件（未示出）的部分24的堆叠22。在形成固体沉积层10期间，形成一个或多个固体沉积物28，其在层完成时形成固体沉积层10。一个固体沉积物28可以形成并且连续地生长直到形成固体沉积层10。可替换地，可以在任何图案中形成多个分立的固体沉积物28直到它们联合以形成固体沉积层10。选择性激光加热过程可以使用参数集合而执行。过程参数包括粉末相关参数，诸如颗粒大小和层厚度30等。粉末颗粒的大小可以针对整个层而变化或者其可以在层内局部地变化。例如，较精细的粉末颗粒要求较少的加热能量，而较大的颗粒大小要求较多热量。颗粒大小然后可以变化以与释放局部残余应力所需要的局部加热要求匹配。这些过程参数还可以包括激光相关参数，诸如激光射束横穿方向32、激光射束能量、激光射束直径34、激光射束横穿速率（跨粉末）。在脉冲激光的情况下，激光特性可以包括脉冲特性，诸如频率和持续时间等。此外，在形成固体沉积层10时所采取的激光路径可以变化。例如，代替于遵循从所沉积的粉末18的一端到另一端的路径来形成固体沉积层10，激光射束16可以从所沉积的粉末18中的一个位置至另一远程位置跳来跳去（jumparound）。在这样的实例中，激光射束16可以首先以对于释放已经检测到的残余应力而言有效的方式来处理粉末18中的一个或多个位置，并且然后处理粉末18的其余部分以完成固体沉积层10。图2描绘了激光超声物理特性检测过程。该过程可以在固体沉积层10的完成之后实现，在该情况下，波生成激光器40发射波生成激光射束42，其朝向最新形成的固体沉积层46的表面44定向。可替换地或者此外，过程可以在固体沉积层10的形成期间实现。在该示例性实施例中，波生成激光器40朝向固体沉积物的表面44发射波生成激光射束42，固体沉积物是部分形成的固体沉积层10的固体部分。过程在本文中一般关于固体沉积层10来描述，但是原理理解为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增材制造过程，包括：经由选择性激光加热过程来选择性加热粉末（18）层以形成包括固体沉积物（28）的固体沉积层（10），其中固体沉积层构成组件的部分（24）；通过使用远离固体沉积物的表面（44）设置的波生成激光器（40）而使超声能量波（50,60）在组件完成之前传播通过固体沉积物以将波生成激光射束（42）定向在所述表面处；检测所传播的超声能量波（62）；针对关于固体沉积物的物理特性的信息而评估所传播的超声波；以及以响应于所述信息的方式来形成另一固体沉积层（80）。

【技术特征摘要】
2015.08.24 US 14/8333651.一种增材制造过程，包括：经由选择性激光加热过程来选择性加热粉末（18）层以形成包括固体沉积物（28）的固体沉积层（10），其中固体沉积层构成组件的部分（24）；通过使用远离固体沉积物的表面（44）设置的波生成激光器（40）而使超声能量波（50,60）在组件完成之前传播通过固体沉积物以将波生成激光射束（42）定向在所述表面处；检测所传播的超声能量波（62）；针对关于固体沉积物的物理特性的信息而评估所传播的超声波；以及以响应于所述信息的方式来形成另一固体沉积层（80）。2.权利要求1所述的增材制造过程，还包括：形成至少一个底层固体沉积层（54）；当沉积粉末层时在至少一个底层固体沉积层上沉积粉末层，其中至少一个底层固体沉积层构成组件的之前形成的部分；以及确定组件的之前形成的部分中的物理特性。3.权利要求1所述的增材制造过程，其中单个激光器执行选择性激光加热过程并且生成波生成激光射束。4.权利要求1所述的增材制造过程，其中物理特性包括残余应力。5.权利要求4所述的增材制造过程，还包括在固体沉积物上执行残余应力释放过程，其中残余应力释放过程包括激光珠击、感应热处置和激光再加热固体沉积层中的至...

【专利技术属性】
技术研发人员：A卡梅尔，AA库尔卡尼，
申请(专利权)人：西门子能源公司，
类型：发明
国别省市：美国;US