用于沉淀硬化的超合金粉末材料的增材制造技术制造技术

展现了一种增材制造技术。在具有或者没有定位在构建平台中的工件的情况下，粉末材料的第一层被散布在构建平台上。构建平台在增材制造设备的部件构建模块中。粉末材料是沉淀硬化的超合金，诸如镍基超合金，例如，γ'相的体积百分比等于或大于45体积百分比的镍基超合金。第一层形成由在构建平台上的粉末材料形成的粉末床的至少一部分。第一层的粉末材料被加热至在沉淀硬化的超合金的液相线温度的百分之65和百分之70之间的温度。在上述预热之后，通过使用能量束布置选择性扫描第一层的表面的部分，以熔化或烧结选择性扫描的部分。

Additive manufacturing technology of superalloy powder material for precipitation hardening

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于沉淀硬化的超合金粉末材料的增材制造技术
本专利技术涉及增材制造（AM），且特别地涉及用于沉淀硬化的超合金的增材制造的方法。
技术介绍
近来，增材制造技术正被广泛用于高端工业零件和医疗植入物的制造。AM技术使得能够快速制造和/或维修零件并且实现复杂设计的制作。增材制造（AM），也称为增层制造（ALM）、3D打印、快速原型制作或自由成型制造，是将增加的材料（即塑料、金属或陶瓷）联结以由3D模型数据制作对象的一组过程，对象通常被一层又一层地构建。增材制造（AM）是一种相对新的固结过程，其能够逐层生产功能复杂的部件，而无需模具或压模。该过程使用强大的热源（诸如激光束）来熔化受控量的增加的材料，例如形式为粉末的金属或合金，然后其首先沉积在构建平台或预制工件的表面上。然后在每个在先层或先前形成的层上构建随后的层。与常规的机械加工过程相反，该计算机辅助制造（CAM）技术通过将材料逐层增加到工件上而不是如在机械加工中进行的那样通过将其移除来构建完整的功能部件，或者替代地在现有零件上（即在工件上）构建特征件。增材制造经常开始于将待制造的部件的三维表示（例如CAD模型）切成非常薄的层，由此创建每一层的二维图像。如上文所述，待制造的部件能够是待构建在工件上的部件，例如，在维修碎裂的涡轮机叶片期间，碎裂的涡轮机叶片是工件，并且形成为填充或改造碎裂的部件的补片（patch）是在工件上构建的部件。工件被定位在构建平台上。为了形成每一层，流行的激光增材制造技术（诸如选择性激光熔化（SLM）和选择性激光烧结（SLS））涉及在工件的表面上以及在构建平台上方的邻接水平表面中机械地预先放置精确厚度的粉末材料的薄层。这种预先放置通过使用机械擦拭器或通过粉末散布机构扫掠或散布粉末的均匀层或将层刮平来实现，在此之后，能量束（诸如激光）根据用于相应层的固体材料的二维图案而被跨粉末层标引（index）。在完成针对相应层的标引操作之后，降低构建平台，且因此降低被沉积材料的水平平面，并且重复该过程，直到根据需要将三维部件完全构建在工件上为止。为了保护细金属颗粒的薄层免受污染物和湿气吸收的影响，通常在惰性气体（诸如氩气）的气氛下执行操作。替代地，当从一开始就制造部件时，不需要将工件预先放置在构建平台上。通过散布在构建平台上的粉末材料的层中的一个（通常为第一层）中的增材制造过程来制造部件的第一层。通过如上文所述的增材制造过程在部件的第一层的顶部上制造部件的随后层。如今，AM过程已广泛用于航空航天和能源行业、医疗应用、珠宝等中。选择性激光熔化（SLM）和选择性激光烧结（SLS）以及直接金属激光烧结（DMLS）、直接金属激光熔化（DMLM）是这样的AM过程：该AM过程使用形式为高功率激光束的能量通过将薄粉末层的细颗粒融合或者烧结（在SLS的情况中）在一起来创建三维金属部件。期望通过AM技术构建的许多部件都需要用是沉淀硬化的超合金的粉末材料来构建。沉淀硬化，也称为沉淀强化或时效硬化，是一种众所周知的热处理技术，其用于增加可延展材料的屈服强度。沉淀硬化有利地用于增加许多结构合金的屈服强度，该结构合金例如为铝、镁、镍、钛以及一些钢和不锈钢的合金。使用沉淀硬化的一个具体示例是诸如镍基合金（Ni基合金）的超合金的处理，由于其出色的机械性能和在高温下的耐腐蚀性/抗氧化性，镍基合金被广泛用于内燃机和燃气涡轮机的高负荷零件。在制造和/或维修这种零件时经常需要增材制造过程或技术。这种沉淀硬化或沉淀强化的材料或合金的出众机械性能归因于在沉淀硬化或沉淀强化材料或合金中由于沉淀硬化而形成的第二相沉淀物的存在，例如在Ni基超合金中的有助于材料的沉淀强化的gammaprime（γ'）相的存在。在沉淀硬化材料或合金中的γ'相的数量越高，机械强度越高。然而，在增材制造过程期间，特别是当激光束扫描沉淀硬化的超合金粉末材料从而导致粉末材料的烧结或熔化以及随后的凝固时，包括相对较高含量的第二相沉淀物（诸如Ni基超合金中的γ′相）的这种沉淀硬化的材料或超合金易于开裂。在AM技术期间，高度局部化的热量输入（例如，激光或电子束）导致沉淀硬化的超合金粉末材料的快速熔化和凝固，从而导致沉淀硬化的超合金材料中的非常大的热梯度和凝固速率。这些热梯度引起高残余应力，或因此在AM制造的部件内形成宏观/微观裂纹，特别是当涉及具有高γ'相分数的沉淀硬化的Ni基超合金时。当使用沉淀硬化的超合金粉末材料时，在AM过程期间的裂纹的形成对AM过程的普遍使用施加了严重的限制。作为结果，这种沉淀硬化的材料或超合金难以通过增材制造技术制造。因此，需要一种用于在具有工件或者没有工件的情况下使用沉淀硬化的超合金粉末材料制作或制造部件的AM技术，特别是AM方法。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种增材制造技术，特别是用于在具有工件或者没有工件的情况下使用沉淀硬化的超合金粉末材料制造部件的增材制造方法。上述目的通过根据本技术的权利要求1所述的增材制造方法以及根据本技术的权利要求7所述的增材制造方法来实现。在从属权利要求中提供了本技术的有利实施例。在本技术的第一方面中，展现了一种增材制造方法。在下文中也称为AM方法或简称为方法的该增材制造方法中，粉末材料的第一层被散布在构建平台上。构建平台在增材制造设备的部件构建模块中。粉末材料是沉淀硬化的超合金，诸如镍基超合金，例如，γ'相的体积百分比等于或大于45体积百分比的镍基超合金。第一层形成由在构建平台上的粉末材料形成的粉末床的至少一部分。如此散布在构建平台上的第一层的粉末材料被加热，使得第一层的粉末材料的温度在沉淀硬化的超合金的液相线温度的百分之65和百分之70之间。上述加热第一层的步骤在下文中也称为预热。最终，在该方法中，通过使用能量束布置来选择性扫描第一层的表面的部分，以熔化或烧结选择性扫描的部分。因此，在本技术中，第一层，即应当被选择性扫描以熔化或烧结该层的选择性扫描的部分的层，在被选择性扫描并因此被熔化或烧结之前被预热，即加热。液相线温度规定了沉淀硬化的超合金被完全熔化的最低温度。第一层（即，随后应当被选择性扫描以熔化或烧结该层的选择性扫描的部分的层，或者在被选择性扫描之前暴露在粉末床表面处的层）在上述温度范围（即，在沉淀硬化的超合金的液相线温度的百分之65和百分之70之间）内的预热在与常规已知的没有暴露粉末床层的预热的增材制造过程相比较时，使增材制造部件中的诱导残余应力（最大值）减少到大约1/5至1/10。另一方面，将层预热至沉淀硬化的超合金的液相线温度的百分之70以上的值导致所计算的最大残余应力中缓慢得多的改变，且增加了通过增材制造过程制造的部件在增材制造过程期间液化开裂的风险。因此，层在被选择性扫描之前的加热的温度范围（即，沉淀硬化的超合金的液相线温度的百分之65至百分之70的预热温度范围）在增材制造过程期间导致残余拉伸应力的水平的显著降低，并且还减少了的不期望的局部液化的风险。另外，建议的预热温度减轻了粉末材料在预热粉末床中的烧结的风险，烧结将导致所生产的物件的不期望高表面粗糙度和不精确的几何形状。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增材制造方法（100），包括：/n- 将粉末材料（7）的第一层（70）散布（110）在增材制造设备（1）的部件构建模块（10）的构建平台（16）上，其中，所述粉末材料（7）是沉淀硬化的超合金，并且其中，所述第一层（70）形成所述构建平台（16）上的所述粉末材料（7）的粉末床（8）的至少一部分；/n- 加热（120）散布在所述构建平台（16）上的所述第一层（70）的所述粉末材料（7），其中，所述第一层（70）的所述粉末材料（7）被加热至的温度在所述沉淀硬化的超合金的液相线温度的百分之65和百分之70之间；以及/n- 通过能量束布置（40）选择性扫描（130）所述第一层（70）的表面（79）的部分，以熔化或烧结选择性扫描的部分。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种增材制造方法（100），包括：
-将粉末材料（7）的第一层（70）散布（110）在增材制造设备（1）的部件构建模块（10）的构建平台（16）上，其中，所述粉末材料（7）是沉淀硬化的超合金，并且其中，所述第一层（70）形成所述构建平台（16）上的所述粉末材料（7）的粉末床（8）的至少一部分；
-加热（120）散布在所述构建平台（16）上的所述第一层（70）的所述粉末材料（7），其中，所述第一层（70）的所述粉末材料（7）被加热至的温度在所述沉淀硬化的超合金的液相线温度的百分之65和百分之70之间；以及
-通过能量束布置（40）选择性扫描（130）所述第一层（70）的表面（79）的部分，以熔化或烧结选择性扫描的部分。


2.根据权利要求1所述的增材制造方法（100），其中，通过如下各者中的一个及其组合而执行所述第一层（70）的所述粉末材料（7）的加热（120）：通过定位在所述构建平台（16）的表面（15）下方的加热元件（9）传导加热、通过定位在所述第一层（70）上方的红外线加热器（2）红外线加热、在选择性扫描（130）所述第一层（70）的所述表面（79）的部分以熔化或烧结所述选择性扫描的部分之前通过由能量束预热布置（40'）扫描所述第一层（70）而激光束加热。


3.根据权利要求1或2所述的增材制造方法（100），还包括：
-使所述构建平台（16）连同基板（4）和所述粉末床（8）下降（140）以容纳所述粉末材料（7）的第二层（80），其中，所述基板（4）包括由根据权利要求1或2所述的方法（100）产生的先前形成的层（75）；
-将所述粉末材料（7）的所述第二层（80）散布（150）在所述粉末床（8）和所述基板（4）的表面（54）上；
-将所述第二层（80）的所述粉末材料（7）加热（160）至在所述沉淀硬化的超合金的液相线温度的百分之65和百分之70之间的温度；以及
-通过所述能量束布置（40）选择性扫描（170）粉末材料（7）的所述第二层（80）的表面（89）的部分，以将选择性扫描的部分熔化或烧结到所述基板（4）上。


4.根据权利要求3所述的增材制造方法（100），其中，通过如下各者中的一个及其组合而执行所述第二层（80）的所述粉末材料（7）的加热（160）：通过定位在所述构建平台（16）的表面（15）下方的加热元件（9）传导加热、通过定位在所述第二层（80）上方的红外线加热器（2）红外线加热、在选择性扫描（170）所述第二层（80）的所述表面（89）的部分以将所述选择性扫描的部分熔化或烧结到所述基板（4）上之前通过由能量束预热布置（40'）扫描所述粉末材料（7）的所述第二层（80）而激光束加热。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的增材制造方法（100），其中，所述沉淀硬化的超合金是镍基超合金。


6.根据权利要求5所述的增材制造方法（100），其中，所述镍基超合金是γ'相的体积百分比等于或大于45体积百分比的镍基超合金。


7.一种增材制造方法（200），包括：
-将工件（5）定位（205）在增材制造设备（1）的部件构建模块（10）的构建平台（16）上；
-将粉末材料（7）的第一层（70）散布（210）在所述构建平台（16）和定位在所述构建平台（16）上的工件（5）的表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：DL内斯特连科，MV梁赞诺夫，DY萨莱夫，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE