以逐层方式由镍基超合金形成物体的增材制造方法和设备技术

一种增材制造方法，其中，通过使用至少一个能量束对粉末层进行选择性固化来形成物体。该方法包括由镍基超合金形成物体，其中，用于该至少一个能量束的暴露参数和暴露图案使得物体具有定向固化的微观结构，该定向固化的微观结构具有与垂直于层的构建方向对齐的柱状晶粒。镍基合金的成分按重量％计可以包括：9.3

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】以逐层方式由镍基超合金形成物体的增材制造方法和设备


[0001]本专利技术涉及用于以逐层方式由镍基超合金形成物体的增材制造方法和设备。本专利技术特别涉及用于由镍基超合金(比如CM 247LC)形成物体的粉末床熔合增材制造方法和设备。

技术介绍

[0002]超合金是可以在通常超过绝对熔化温度的0.7的高温下使用的金属合金。超合金可以基于铁、钴或镍，后者最适合航空发动机应用。
[0003]镍基超合金中的主要合金元素是铝和/或钛，铝和/或钛的总浓度典型地少于10原子百分比(其他元素(比如铬)可以高达22％)。这产生了由γ相和γ'相组成的两相平衡微观结构。γ'相主要负责材料的升高温度强度及其增加的对蠕变变形的抵抗力。γ相和γ'相均具有：具有相似晶格参数的立方晶格，以及与γ相呈立方体
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立方体取向关系的γ'析出物。然而，γ相是具有面心立方晶格的固溶体，其中不同种类的原子随机分布；而γ'是具有简单立方晶格的固相，其中镍原子位于面心处并且铝原子或钛原子位于立方体角处。由于原子有序的γ'相，γ相中的位错难以穿过/剪切γ'相，从而强化了合金。
[0004]除了镍、铝和钛，超合金还可以含有：铬，用于抗氧化；少量钇，帮助氧化皮附着到多晶超合金的基体；晶粒强化元素，比如硼和锆。可以包括碳化物形成元素(钴、铬、钼、钨、碳、铌。钽、钛和铪)。碳化物形成元素倾向于在晶粒边界处析出，从而降低晶粒边界滑动的趋势。
[0005]比如钴、铁、铬、铌、钽、钼、钨、钒、钛和铝等的元素也是固溶体强化剂，以γ相和γ'相两者。
[0006]可以使用螺旋晶粒选择器铸造单晶超合金(CMSX2、CMSX4、CMSX6、CMSX10、Rene N5、Rene N6、RR2000、RR3000、UCSX1、SRR99、TMS63、TMS75、TMS138、TMS162)，以形成无晶粒边界的零件(即形成为单晶的零件)。晶粒边界是容易扩散的路径，因此降低零件对蠕变变形的抵抗力。因此，这种单晶零件在升高温度下表现出高强度和抗蠕变性。然而，这种零件难以制造、在生产过程中具有高故障率。
[0007]超合金(比如CM247LC、MarM247、IN792、TMD
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103、MarM200Hf)可以铸造成具有定向固化的柱状晶粒结构，该柱状晶粒结构具有大部分平行于长轴的晶粒边界。这种零件的性能不如单晶零件好，但是比由等轴晶粒结构形成的零件要好。
[0008]用于生产物体的粉末床熔合增材制造方法包括：使用高能量束(比如激光束或电子束)对粉末(比如金属粉末材料)进行逐层固化。将粉末层沉积在构建室中的粉末床上，并且用激光束或电子束横跨扫描粉末层的与正在构造的物体的截面相对应的部分。激光束或电子束使粉末熔化以形成固化层。在层的选择性固化之后，使粉末床降低新固化的层的厚度，并且根据需要在表面上铺展另一层粉末并使其固化。
[0009]US 2011/0134952 A1公开了一种在直接激光金属烧结系统中制造具有定向固化或单晶微观结构的部件的方法。该方法包括在具有预定主要取向的镍基超合金籽晶(比如
CMSX
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486、MAR
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M
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247、SC180、CMSX3、CMSX4和CMSX486)上沉积金属粉末，将初始图案扫描到金属粉末中以使沉积的金属粉末熔化或烧结，并重新扫描初始图案以使经扫描的金属粉末重新熔化并形成具有预定主要取向的初始层。
[0010]WO 2014/13114444A1描述了一种用于通过选择性激光熔化生产三维工件的设备，该设备包括控制单元，该控制单元适于控制粉末施加装置和辐照装置的操作以产生所需的微观结构，即多晶球状微观结构或定向性/树枝状固化微观结构，包括基本上枝晶和/或单晶。
[0011]US 2014/0305368 A1公开了一种用于制造单晶或定向固化材料(例如CMSX
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4、CMSX
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10、CMSX
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12、CM186DS、MAR M 247、Inconel DS6203或SCA427)的部件的方法。该方法包括：将第一材料的粉末层叠加到由相同的单晶或定向固化材料制成的基体的表面上；以及使粉末层熔化到基体中。在固化和转变过程中，基体作为晶核，并且层的材料采用与基体的晶粒取向相同的晶粒取向。熔池的材料的缓慢冷却过程将支持材料的晶体的适当生长。
[0012]EP 2737965 A和EP 2772329 A1公开了增材制造方法，其中控制初生结晶晶粒结构和次生结晶晶粒结构。增材制造过程中使用的材料可能是Waspaloy、Hastelloy、IN617、IN718、IN625、Mar M247、IN100、IN738、IN792、Mar M200、B1900、RENE 80、Alloy 713、Haynes230或Haynes 282。
[0013]US 2016/0158889 A1公开了一种形成或修复具有柱状或等轴或定向固化或无定形或单晶微观结构的超合金制品的方法。
[0014]EP 3459654 A1公开了一种用于生产或修复三维工件的方法，其中工件由具有基本上单晶微观结构的基体形成，并且控制辐照以维持单晶微观结构。在示例中，粉末材料为IN718，单晶基体由IN738LC制成。
[0015]WO 2018/029478 A1公开了一种增材制造系统，其中确定一系列能量脉冲以实现冷却速率，从而产生比如树枝状或蜂窝状的指定微观结构。
[0016]WO 2018/086882 A1公开了一种用于生产或修复三维工件的方法，其中工件由具有基本上单晶微观结构的基体形成，并且控制辐照以维持单晶微观结构。在示例中，粉末材料和单晶基体为IN738LC。
[0017]“通过选择性激光熔化具有独特结晶层状微观结构的奥氏体不锈钢的优异机械和腐蚀性能”(S.Sun、T.Ishimoto、K.Hagihara、Y.Tsutsumi、T.Hanawa、T.Nakano；Scriptia Materialia，159，(2019)89
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93)公开了一种形成类单晶结构的方法。激光束沿x轴双向扫描而不旋转。以更高能量密度制造的样品具有仅成+/
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45
°
定向的柱状单元。在这些高能量密度下形成的熔池形状具有接近锁孔的形状。作者认为，由于锁孔模式下熔池的曲率增加，因此固液界面的横向迁移在熔池底部占主导地位，并且单元在熔池的底部在构建方向上生长的机会将会很小。如果偶然形成垂直生长的单元，它们的生长也将被横向固液界面迁移所阻止。在较高能量密度下制造的样品的下部部分中部分地观察到沿构建方向具有(001)取向的碎片，然而，这些碎片并未延伸穿过多个熔池。
[0018]尽管一些镍基超合金已经被增材制造得基本上无裂纹(比如IN625和IN718)，但其他镍基超合金(比如CM247LC)的处理并不那么成功。这种超合金有限的可焊性部分地归因本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种增材制造方法，其中，通过用至少一个能量束对粉末层进行选择性固化来形成物体，所述方法包括由镍基超合金形成所述物体，其中，用于所述至少一个能量束的暴露参数和暴露图案使得所述物体具有定向固化的微观结构，所述定向固化的微观结构具有与垂直于所述层的构建方向对齐的柱状晶粒，并且所述镍基合金的成分按重量％计包括：9.3
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9.7W、9.0
‑
9.5Co、7.5
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8.5Cr、5.4
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5.7Al、3.1
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3.3Ta、1.4
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1.6Hf、0.6
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0.9Ti、Mo 0.4
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0.6、007
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.015Zr、0.01
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0.02B，其中碳浓度为约0.07
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0.09wt％，其余为Ni。2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其中，所述镍基合金还包括按重量百分比计的以下项中的任何一项或多项：Si.03最大值、Mn.10最大值、P.005最大值、Fe.2最大值、Cu.05最大值、Nb.10最大值，和/或最多达最大ppm的以下任何一项或多项：S 20ppm最大值、Mg 80ppm最大值、Pb 2ppm最大值、Se 1.0ppm最大值、Bi.3ppm最大值、Te.5ppm最大值、Tl.5ppm最大值、[N]ppm 15最大值、[O]ppm 10最大值、以及N
v3B 2.15最大值。3.根据权利要求1或权利要求2所述的增材制造方法，其中，所述镍基合金为CM 247或CM 247LC。4.根据前述权利要求中任一项所述的增材制造方法，其中，所述柱状晶粒的结晶取向主导性地是<100>。5.根据权利要求4所述的增材制造方法，其中，用于所述至少一个能量束的所述暴露参数和所述暴露图案使得具有<100>结晶取向偏离所述构建方向超过20
°
的柱状晶粒的物体的百分比小于30％。6.根据前述权利要求中任一项所述的增材制造方法，其中，所述暴露参数和暴露图案使得熔池以过渡或传导模式形成。7.根据前述权利要求中任一项所述的增材制造方法，其中，所述至少一个能量束的所述暴露参数和暴露图案使得所述熔池的冷却速率高于预定阈值，比如高于1.4x 106K/s。8.根据前述权利要求中任一项所述的增材制造方法，其中，所述暴露图案包括所述至少一个能量束在相继层之间的扫描路径的几何布置，其中，在多对...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：瑞尼斯豪公司，
类型：发明
国别省市：