形成为一体化体系的包含多种材料的三维部件的激光增材制造制造技术

公开了激光增材制造的方法，其中将多个粉末层(48、50和52)递送到工作表面(54A)上以形成多重粉末沉积物，其包含至少两个接触的相邻粉末层，然后将第一激光能量(74)施加至第一粉末层(48)并将第二激光能量(76)施加至第二粉末层(52)以形成多材料部件的剖面。多重粉末沉积物可包含提供至少一个保护特征的熔剂组合物。可独立地控制第一激光能量和第二激光能量的形状、强度和轨迹使得其宽度小于或等于第一粉末层和第二粉末层的宽度，其强度适配于粉末层的组成，并且其扫描路径限定了多材料部件的最终形状。

The manufacture of laser composites for forming three-dimensional components of a variety of materials into an integrated system

The method discloses a laser gain material manufacturing, including a plurality of powder layer (48, 50 and 52) delivered to the working surface (54A) to form multiple powder sediment, adjacent powder layer comprising at least two contact, then the first laser energy (74) is applied to the first layer of powder (48) and second laser energy (76) is applied to the second layer of powder (52) by the section formed multi material parts. A multiple powder deposit may contain a flux composition providing at least one protection feature. Can independently control the first laser energy and second laser energy intensity and shape, the track width is less than or equal to the first layer and the second powder powder layer width, the strength of composition adapted to the powder layer, and the scanning path defines a final shape of multi material parts.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请是于2013年10月1日提交的美国非临时申请号14/043037(代理人案号2012P24077US01)的部分继续申请并于2014年4月10日公开为US2014/0099476，其要求于2012年10月8日提交的美国临时申请号61/710995(代理人案号2012P24077US)的权益，并且还要求于2012年10月10日提交的美国临时申请号61/711813(代理人案号2012P24278US)的权益，其全部内容通过引用整体并入本文。
本申请一般地涉及材料技术，并且更具体地涉及在任选存在熔剂组合物的情况下使用陶瓷材料和金属材料的激光粉末沉积来制造和修复多材料部件。
技术介绍
增材制造使得部件能够通过以层构建所述部件来制造。当应用于金属或陶瓷物体的制造时，将每个层熔化、烧结或以其他方式整合到先前的层上使得每个层可模制为最终物体的切片或剖面(sectionalplane)。例如，选择性激光熔融(SLM)和选择性激光烧结(SLS)已用于由粉末床逐层构建部件。在这些方法中，将部件最终材料或前体材料的粉末床沉积到工作表面上，然后将激光能量引导至遵循部件的横截面形状的粉末床上以产生部件的层或切片。然后经沉积的层或切片对于下一层变为新的工作表面。SLM和SLS通常限于平坦的工作表面，而激光微熔覆是能够3D化的方法，其通过使用激光束熔化指向物体表面的粉末流来将小而薄的材料层沉积到表面上。在激光微熔覆中，通过气体射流将粉末推向表面，并且当粉末是金属材料时，气体通常为保护性惰性气体，例如氩气，其能够保护所得熔融金属免受大气中的氧气响影。然而，激光微熔覆受限于其低沉积速率(其范围为约1cm3/小时至6cm3/小时)。此外，由于保护气体趋向于在覆层材料完全冷却之前消散，所以在沉积物的表面上可能发生表面氧化和氮化。当需要多层覆层材料以获得期望的覆层厚度时，这样的杂质可能尤其成问题。当使用SLM或SLS制造超级合金部件时，也趋向于发生类似的问题。即使当在激光加热期间通过施加惰性气体(例如氩气)保护经熔融的超级合金材料免受大气的影响时，这些方法也趋向于在所沉积的材料层内捕集氧化物(例如，铝和铬的氧化物)，导致与所捕集的氧化物相关的多孔性、夹杂物和其他机械缺陷(例如，开裂)。为了缓解这个问题，已使用后沉积方法如热等静压(HIP)来使这些空隙、夹杂物和开裂坍塌以改善所沉积的涂层的热特性和机械特性。已提出了使用粉末状金属合金的静态床的SLM和SLS以通过增材制造来制造超级合金部件。然而，使用这些技术生产的部件由于低生产率和品质而受到限制。由于递增沉积的层往往非常薄，因此使用粉末状材料的静态床大大地限制了生产率。此外，经递增处理的层或平面之间的界面通常遭受缺陷和有问题的物理特性。使用混合床方法也不允许选择性布置不同材料以形成包含多种材料的一体化体系。这种一体化体系可包括例如涂覆有扩散结合MCrAlY涂层的内部超级合金基底，其进一步与外陶瓷热障涂层(TBC)结合。有必要选择性布置不同的材料以便使用激光增材制造(LaserAdditiveManufacturing，LAM)技术来有效地生产包含一体化体系的多材料部件，如图1所示的燃气轮机翼型20。图1是示例性燃气轮机翼型20的截面图，所述燃气轮机翼型20包括前缘22、后缘24、压力侧26、吸入侧28、金属基底30、冷却通道32、分隔壁34、湍流器36、膜冷却出口孔38、冷却销40和后缘出口孔42。在该实例中，尽管金属基底30、分隔壁34、湍流器36和冷却销40由超级合金材料制成，但是翼型基底30的外表面涂覆有多孔陶瓷热障涂层44。还可在超级合金基底30和热障涂层44之间施加金属结合涂层45(如MCrAlY)以增强超级合金层与陶瓷层之间的结合并进一步保护超级合金材料免受外部氧化剂影响。因此，使用LAM技术生产多材料部件(如图1的翼型20)不仅需要选择性布置不同的材料，而且还需要能够对这些不同的材料选择性地施加不同的加工条件(即，激光加热的位置和强度)。这是因为选择性熔融超级合金粉末以形成金属基底30通常需要不同于选择性烧结陶瓷粉末以形成热障涂层44的加热条件。另一种严重的复杂性来自对保护超级合金粉末和所得金属基底30避免与大气氧化剂(如氧气和氮气)反应的需要。特别对于大型翼型20，使用LAM技术还可能需要能够在大气条件下进行SLM和SLS而不危害所得部件的化学和/或物理特性的能力。附图说明在以下描述中参考附图对本专利技术进行说明，附图示出了：图1是一个示例性燃气轮机翼型的剖面图。图2是示出在工作表面上形成相邻粉末层的粉末递送装置剖面图。图3是用于生产多材料部件(其包含结合在一起作为一体化体系的超级合金层、结合涂层和陶瓷热障涂层)的剖面的方法的透视图。图4是用于生产一个示例性燃气轮机翼型的剖面的方法的俯视图，其中单独的激光束加热剖面中的单独层以形成一体化体系。图5是用于生产一个示例性燃气轮机翼型的剖面的方法的俯视图，其中二极管激光器用于加热剖面中的单独层，并且激光吸收掩模用于部分地限定剖面的形状并控制施加到剖面不同层上的激光能量。图6是图5的方法的剖面图，其中激光吸收掩模用于控制通过二极管激光器施加到剖面不同层上的激光能量的形状和强度。
技术实现思路
本专利技术人已认识到需要发现能够使用激光增材制造(LAM)来制备多材料部件(如图1的示例性翼型20)的方法和材料。理想的方法允许选择性地布置部件的各材料并以简单有效的方式对其进行处理从而避免上述化学缺陷和机械缺陷，同时确保最终部件中一体化体系层的充分的互相结合和尺寸完整性。理想的方法还可允许制备大尺寸的部件而不需要严格使用无空气条件同时仍然使不期望的化学缺陷和机械缺陷最小化。专利技术人已发现用于增材制造包含尺寸复杂、三维特征的多材料部件(其包括一体化体系)的方法。在这些方法中，将对应于最终部件的不同结构材料的单独的粉末状材料递送到工作表面上以产生多重粉末沉积物，其中可精确控制多个相邻粉末层的内容物(content)和尺寸(即宽度、厚度和交叠)。然后进行多个相邻粉末层的激光加热使得施加到不同粉末层上的激光能量的形状和强度适配于适应不同粉末层的内容物和尺寸。激光吸收材料也可用于进一步限定激光加热的形状和强度以赋予所得部件复杂的结构特征。激光加热各粉末层引起粉末适当地熔融或烧结以形成作为一体化体系的构成最终部件的剖面(即切片)的金属和/或陶瓷层。敏感金属与大气试剂(例如，O2和N2)的反应也可通过在配制用于激光粉末沉积的熔剂组合物的存在下进行此加热而最小化。可以以增材的方式进行这些加工步骤的各种组合使得由激光粉末沉积产生的剖面可用作新的工作表面，在其上可沉积另外的剖面以形成尺寸复杂的多种材料的部件，如图1的示例性翼型20。独立控制激光能量的形状、轨迹和强度以适应多个相邻粉末层的内容物和尺寸的能力有望大幅提高所得部件的结构完整性以及增材制造方法的效率。此外，配制用于激光粉末沉积的熔剂组合物的使用有望减少不期望的化学缺陷和机械缺陷，同时避免进行后沉积工艺步骤(如热等静压(HIP))的需要。图2示出了用于将第一相邻粉末层48、第二相邻粉末层50和第三相邻粉末层52以部件的给定剖面中对应的第一剖面形状、第二剖面形状和第三剖面形状递送到工作表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：将多个粉末层递送到工作表面上以形成包括至少两个相邻粉末层的多重粉末沉积物；以及同时向第一粉末层施加第一强度的第一激光能量并向第二粉末层施加第二激光强度的第二激光能量以形成多材料部件的剖面，其中通过所述多个粉末层各自的形状和内容物至少部分地限定所述剖面的形状和内容物，其中包含于所述多重粉末沉积物中的熔剂组合物形成覆盖至少部分所述剖面的至少一个渣层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.14 US 14/513,5351.一种方法，包括：将多个粉末层递送到工作表面上以形成包括至少两个相邻粉末层的多重粉末沉积物；以及同时向第一粉末层施加第一强度的第一激光能量并向第二粉末层施加第二激光强度的第二激光能量以形成多材料部件的剖面，其中通过所述多个粉末层各自的形状和内容物至少部分地限定所述剖面的形状和内容物，其中包含于所述多重粉末沉积物中的熔剂组合物形成覆盖至少部分所述剖面的至少一个渣层。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：重复递送步骤和施加步骤用于连续的剖面以制造所述多材料部件。3.根据权利要求1所述的方法，其中：所述第一粉末层包含金属粉末，所述第二粉末层包含陶瓷粉末；引导所述第一激光能量遵循平行于所述第一粉末层的周边的第一扫描路径，使所述金属粉末形成结构金属层；引导所述第二激光能量遵循平行于所述第二粉末层的周边的第二扫描路径，使所述陶瓷粉末形成与相邻金属层结合的热障涂层；以及从所述第一激光能量直接或间接传递的热使所述熔剂组合物形成覆盖所述结构金属层的渣层。4.根据权利要求3所述的方法，还包括：在没有外部施加的保护气体的情况下将所述第一强度控制为有效地使所述金属粉末和所述熔剂组合物完全熔融的强度水平以产生无孔结构金属层；以及将所述第二强度控制为有效地使所述陶瓷粉末部分熔融的强度水平以产生与所述相邻金属层结合的经烧结的热障涂层。5.根据权利要求3所述的方法，其中所述多重粉末沉积物包括三个相邻的粉末层；位于所述第一粉末层与所述第二粉末层之间的第三粉末层包含金属结合涂层粉末；以及从所述第一激光能量间接地传递的热使得所述金属结合涂层粉末形成位于所述结构金属层与所述热障涂层之间并与二者结合的结合涂层，或者从第三强度的第三激光能量传递的热使得所述金属结合涂层粉末形成位于所述结构金属层与所述热障涂层之间并与二者结合的所述结合涂层。6.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一粉末层还包含作为与所述金属粉末混合的熔剂粉末的所述熔剂组合物；或者所述多重粉末沉积物还包含位于所述第一粉末层之上的熔剂组合物层。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述多重粉末沉积物包含第一熔剂组合物和第二熔剂组合物，所述第一熔剂组合物和所述第二熔剂组合物是不同的并且形成覆盖所述至少两个相邻粉末层的单独的渣层。8.根据权利要求1所述的方法，其中：通过适合于在二维空间上调节激光强度的单个激光源提供所述第一激光能量和所述第二激光能量以产生多强度激光束，其中所述第一激光能量和所述第二激光能量出现在所述多强度激光束内的不同空间位置处；或者通过适合于产生矩形激光束的二极管激光源提供所述第一激光能量，通过适合于产生非矩形激光束的第二激光源提供所述第二激光能量，使得所述矩形激光束的宽度大于所述非矩形激光束的宽度。9.根据权利要求1所述的方法，还包括以下的至少之一：控制所述第一激光能量的形状使得冲击所述第一粉末层的所述第一激光能量的宽度小于或等于所述第一粉末层的宽度；以及控制所述第二激光能量的形状使得冲击所述第二粉末层的所述第二激光能量的宽度小于或等于所述第二粉末层的宽度。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述熔剂组合物包含：选自以下的金属氧化物：Li2O，BeO，B2O3，B6O，MgO，Al2O3，SiO2，CaO，Sc2O3，TiO，TiO2，Ti2O3，VO，V2O3，V2O4，V2O5，Cr2O3，CrO3，MnO，MnO2，Mn2O3，Mn3O4，FeO，Fe2O3，Fe3O4，CoO，Co3O4，NiO，Ni2O3，Cu2O，CuO，ZnO，Ga2O3，GeO2，As2O3，Rb2O，SrO，Y2O3，ZrO2，NiO，NiO2，Ni2O5，MoO3，MoO2，RuO2，Rh2O3，RhO2，PdO，Ag2O，CdO，In2O3，SnO，SnO2，Sb2O3，TeO2，TeO3，Cs2O，BaO，HfO2，Ta2O5，WO2，WO3，ReO3，Re2O7，PtO2，Au2O3，La2O3，CeO2，Ce2O3及其混合物；以及以下的至少之一：(i)选自以下的金属卤化物：LiF，LiCl，LiBr，Lil，Li2NiBr4，Li2CuCl4，LiAsF6，LiPF6，LiAlCl4，LiGaCl4，Li2PdCl4，NaF，NaCl，NaBr，Na3AlF6NaSbF6，NaAsF6，NaAuBr4，NaAlCl4，Na2PdCl4，Na2PtCl4，MgF2，MgCl2，MgBr2，AlF3，KCl，KF，KBr，K2RuCl5，K2IrCl6，K2PtCl6，K2PtCl6，K2ReCl6，K3RhCl6，KSbF6，KAsF6，K2NiF6，K2TiF6，K2ZrF6，K2Ptl6，KAuBr4，K2PdBr4，K2PdCl4，CaF2，CaF，CaBr2，CaCl2，Cal2，ScBr3，ScCl3，ScF3，Scl3，TiF3，VCl2，VCl3，CrCl3，CrBr3，CrCl2，CrF2，MnCl2，MnBr2MnF2，MnF3，MnI2，FeBr2，FeBr3，FeCl2，FeCl3，Fel2，CoBr2，CoCl2，CoF3，CoF2，Col2，NiBr2，NiCl2，NiF2，Nil2，CuBr，CuBr2，CuCl，CuCl2，CuF2，Cul，ZnF2，ZnBr2，ZnCl2，Znl2，GaBr3，Ga2Cl4，GaCl3，GaF3，Gal3，GaBr2，GeBr2，Gel2，Gel4，RbBr，RbCl，RbF，Rbl，SrBr2，SrCl2，SrF2，SrI2，YCl3，YF3，YI3，YBr3，ZrBr4，ZrCl4，ZrI2，YBr，ZrBr4，ZrCl4，ZrF4，ZrI4，NbCl5，NbF5，MoCl3，MoCl5，Rul3，RhCl3，PdBr2，PdCl2，Pdl2，AgCl，AgF，AgF2，AgSbF6，Agl，CdBr2，CdCl2，Cdl2，InBr，InBr3，InCl，InCl2，InCl3，InF3，Inl，Inl3，SnBr2，SnCl2，Snl2，Snl4，SnCl...

【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，拉梅什·苏布拉马尼亚，
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