CN103624257B - 制造三维制品的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于制造三维制品(11)的方法，包括以下步骤：a)通过增量制造工艺由金属基体材料(12)连续堆积所述制品(11)，从而产生其性能具有实质上的各向异性的制品；和b)在足够高的温度下热处理所述制造的制品(11)以通过重结晶和／或颗粒粗化显著降低所述各向异性。

Description

制造三维制品的方法
技术领域
本发明涉及耐高温部件的技术，尤其是用于燃气轮机的部件。其指的是制造三维制品的方法。
背景技术
通过例如选择性激光熔化(SLM)的基于粉末的增量制造工艺(additivemanufacturing process)制造的制品或部件，例如用于燃气轮机的高温环境的制品或部件，其机械性能在“刚堆积(as-built)”状态表现为强烈的各向异性行为。
图5示出了基本的SLM配置10，其中三维制品11通过具有预设层厚d、面积和轮廓的粉末层12的连续增加来制造，其随后通过来自激光装置13并由控制单元15控制的扫描激光束14熔化。
如图5所示，当粉末层12在z方向上增加时，在z方向上延伸的第一试样16a(参见附图1)表现出与在xy平面内延伸的第二试样16b不同的性能。
图2示出了在室温下相同标称组成的三组试样的杨氏模量E，即，A1-3、B1-3、C1-3。第一组A1-3涉及通过非增量制造工艺制得的参照板。第二组B1-3涉及在z轴上延伸的SLM加工试样(如同图1中试样16a)。第三组C1-3涉及在xy平面内延伸的SLM加工试样(如同图1中试样16b)。
现在，每组的第一试样(A1、B1和C1)已经通过现有技术的程序制造。
可容易地看出，杨氏模量E表现出实质上的各向异性，z轴试样B1和xy平面试样C1之间的差超过20GPa，并且两个试样均大大低于(超过50GPa)参照试样A1。
本发明认为可能需要额外的处理来降低通过增量制造工艺生产的制品的性能的这种各向异性。
文献US2012／000890A1公开了使用激光金属成型(LMF)修复燃气轮机叶片的方法，其中修复燃气轮机叶片的叶项的厚度减少部分。所述方法包括通过去除叶顶的厚度减少部分将叶项表面加工成平坦表面的去除厚度减少部分的步骤，通过用激光束熔化延展性比形成燃气轮机叶片的基体材料更高的堆积材料的粉末以形成具有预定厚度的堆积部分并且在其表面被加工成平坦表面的叶 顶上以多个层堆积熔化的粉末的堆焊步骤，将该堆积部分加工成与叶顶在经受厚度损失之前原来所具有的形状相同的形状的成型步骤；和去除由在堆焊步骤中激光焊接导致的残余应变的热处理步骤。
文献WO2012／016836A1教导了一种用于通过选择性激光熔化(SLM)制造部件的方法，所述方法包括：构建适用于为部件提供热处理的作为用于制造部件的相同选择性激光熔化的一部分的热处理装置；并且通过热处理装置为部件提供热处理。所述热处理用于使部件避免不需要的材料性能，例如，像延展性而不是脆性。
发明内容
本发明的一个目的是公开一种通过增量制造方法制造三维制品的方法，该方法没有具有显著各向异性的缺点。
该目的和其他目的通过下述方法实现。
根据本发明的用于制造三维制品的方法，包括以下步骤
a)通过增量制造工艺由金属基体材料连续堆积所述制品，从而产生其性能具有实质上各向异性的制品；和
b)在足够高的温度下热处理所述制造的制品以通过重结晶和／或颗粒粗化显著降低所述各向异性。
根据本发明的一个实施方案，所述增量制造工艺是激光金属成型(LMF)、激光工程化近净成型(LENS)或直接金属沉积(DMD)中的一种，并且使用线材形式的金属基体材料。
根据本发明的另一个实施方案，所述增量制造工艺是选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)或电子束熔化(EBM)中的一种，并且使用粉末形式的金属基体材料。
特别是，所述方法包括以下步骤：
a)生成所述制品的三维模型，然后通过切片法计算截面；
b)随后将所述计算的截面传送到机器控制单元(15)；
c)提供处理所需要的所述基体材料的粉末；
d)在基材板或先前处理过的粉末层上制备具有规则和均匀厚度的粉末层(12)；
e)根据存储在控制单元(15)中的三维模型通过用能束(14)扫描对应于 所述制品截面的区域来进行熔化；
f)将先前形成的截面的上表面降低一层的厚度(d)；
g)重复所述步骤c)到f)直至达到根据三维模型的最终截面；和
h)热处理所述三维制品(11)。
更特别是，使所述粉末的颗粒尺寸分布与所述粉末层的层厚度相适应以产生较好的流动性，这对于制备具有规则和均匀厚度的粉末层是必需的。
根据本发明的进一步的实施方案，所述粉末颗粒具有球形形状。
根据本发明的另一个实施方案，所述粉末的精确颗粒尺寸分布通过筛分和／或风选(空气分离)获得。
根据本发明的另一个实施方案，所述粉末通过粉末冶金工艺提供，特别是气体或水雾化、等离子旋转电极工艺或机械研磨中的一种。
根据本发明进一步的实施方案，所述增量制造工艺使用悬浮液而不是粉末。
根据本发明的另一个实施方案，所述金属基体材料是高温Ni基合金。
根据本发明的另一个实施方案，所述金属集体材料是高温Co基合金。
根据本发明的另一个实施方案，所述金属集体材料是高温Fe基合金。
特别是，所述合金可包含细分散的氧化物，特别是Y2O3、AlO3、ThO2、HfO2、ZrO2中的一种。
根据本发明进一步的实施方案，所述热处理用于降低杨氏模量的各向异性。
根据本发明的另一个实施方案，所述热处理是不同的各个热处理的组合。
根据本发明的另一个实施方案，所述热处理由多个步骤组成，每个步骤代表加热速率、保温温度、保温时间和冷却速率的特定组合。
特别是，至少一个所述热处理步骤在足够高的温度下进行并且保持足够长的时间以在所述制造的制品的微观结构中部分或完全溶解各组分，特别是金属间化合物相、碳化物或氮化物。
特别是，至少一个所述热处理步骤在足够高的温度下进行并且保持足够长的时间以沉淀金属碳化物、金属氮化物或金属碳氮化物，特别是M(C，N)、M6C、M7C3或M23C6中的一种。
特别是，至少一个所述热处理步骤在足够高的温度下进行并且保持足够长的时间以沉淀金属间化合物相，特别是公知是γ’相的Ni3(Al，Ti)、或公知是γ”相的Ni3(Nb，Al，Ti)或6相的Ni3Nb。
特别是，至少一个所述热处理步骤在足够高的温度下进行并且保持足够长的时间以沉淀金属硼化物，特别是M3B2，以提高晶界强度。
特别是，至少一个所述热处理步骤在足够高的温度下进行并且保持足够长的时间以改变所述沉淀的体积分数、尺寸、形状和分布。
特别是，至少一个所述热处理步骤可另外在热等静压(HIP)条件下进行以进一步改善微观结构。
根据本发明的另一个实施方案，仅一部分所述制造的制品经受所述热处理。
根据本发明的另一个实施方案，分别在所述热处理、各个热处理或热处理步骤之前和／或之后，所述制造的制品经受另外的处理步骤，特别是机械加工、焊接或钎焊中的一种。
附图说明
通过不同的实施方案并且参考附图来更贴切地阐述本发明。
图1示出了通过例如SLM的增量制造工艺制成的两个试样的不同取向；
图2示出了经过和未经过热处理的由制成的三组试样在室温下的杨氏模量值；
图3示出了经过和未经过热处理的由制成的三组试样在750℃下的杨氏模量值；
图4示出了经过和未经过热处理的由制成的三个不同试样在两个不同放大率(100μm和50μm)下的微观结构的照片；和
图5示出了可用于本发明的用于SLM制造的基本配置。
具体实施方式
基于粉末的增量制造技术的一个缺点可为由逐层方式堆积工艺导致的材料性能的强各向异性。
例如，相比于xy试样(图2中的C1-C3和图3中的C1'-C3’)，杨氏模量(图2和3中的E)沿着z轴(z试样，图2中的B1-B3和图3中的B1’-B3’)显著降低。z轴平行于堆积方向(参见图1和5)。
然而，适当的“堆积后”热处理可以显著降低各向异性，这点已经由 合金制成的SLM试样的机械测试所表明。重要的是，请注意，通常对于由相同合金制成的相应的锻造产品，各向异性的降低已经在热处理温度下发生(图2中，试样A2、B2和C2已经在1125℃下热处理0.5h，试样A3、 B3和C3在1190℃下热处理2h，而试样A1、B1和C1根本没有经过热处理；图3中，试样A1’、B1’和C1’没有经过热处理，而试样B2'和C2'在1125℃下保持0.5h，并且试样B3’和C3’在1190℃下保持2h)。
特别是，本发明涉及通过基于粉末的增量制造技术生产的由Ni／Co／Fe基超合金制成的制品/部件的热处理，所述基于粉末的增量制造技术例如选择性激光熔化SLM或激光金属成型LMF。例如，与相同合金的常规铸造材料或锻造产品(图2中试样A1-A3和图3中A1’)相比，这些制品具有不同的微观结构。
这主要由于在这些工艺中基于粉末的制品生产和能束材料相互作用的固有高冷却速率。因此，对于化学组成而言，材料是非常均匀的并且基本上没有析出。此外，材料在“刚堆积”状态下具有非常细的微观结构(例如沉淀物和颗粒尺寸)，比常规铸造或锻造超合金要细得多。
之前已经认识到的，由基于粉末的增量制造技术生产的Ni／Co／Fe基超合金通常没有残余的共晶内容物，并且与相同组成的常规铸造部件相比，可在更高温度下实现热处理。这使微观结构在很大的范围内调整，包括颗粒尺寸和沉淀最优化，导致材料性能的提高。
本发明公开特别涉及对由基于粉末的增量制造技术生产的Ni／Co／Fe基超合金的调整的热处理，以降低这种技术的固有各向异性。
本发明公开基于这样一个发现：各向异性材料行为可通过适当的热处理降低。
这些特定的小颗粒各向异性微观结构主要由基于粉末和逐层制品生产以及在能束材料相互作用下发生的特有的高热梯度所导致。此外，高热梯度导致残余应力，这可有助于热处理期间的重结晶和／或颗粒粗化。
因此，本发明公开包括三维制品特别是由Ni／Co／Fe基超级合金制成的三维制品的制造，做法是通过基于粉末的增量制造技术，接着进行经专门调整的热处理来导致材料行为的各向异性的降低。
所述基于粉末的增量制造技术特别是选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)或电子束熔化(EBM)、激光金属成型(LMF)、激光工程化近净成型(LENS)或直接金属沉积(DMD)工艺或类似的工艺。
所述基于粉末的增量制造技术可以用于堆积制品，例如燃气轮机的叶片或动叶，整个或部分，例如叶冠堆积。
当选择性激光熔化SLM、选择性激光烧结SLS或电子束熔化EBM用作增量制造技术时，根据本发明的制造三维制品的方法包括以下步骤：
a)生成三维模型，通过切片法计算截面，随后将其传送到机器控制单元(图5中的15)；
b)制备处理所需要的所述Ni／Co／Fe基合金的粉末；
c)在基材板或先前处理过的粉末层上制备具有规则和均匀厚度的粉末层12；
d)根据存储在控制单元中的三维模型通过用能束(例如激光束14)扫描对应于所述制品截面的区域来进行熔化；
e)使先前形成的截面的上表面降低一层的厚度d(参见图5中的竖直箭头)；
f)重复所述步骤c)到e)直至达到根据三维模型的最终截面；和
g)热处理所述三维制品11。
优选地，使用于本方法的粉末的颗粒尺寸分布与层厚度d相适应以产生较好的流动性，这对于制备具有规则和均匀厚度d的粉末层是必需的。
优选地，用于本方法的粉末的粉末颗粒具有球形形状。粉末的精确颗粒尺寸分布可通过筛分和／或风选(空气分离)获得。此外，粉末可以通过气体或水雾化、等离子旋转电极工艺、机械研磨和类似的粉末冶金工艺获得。
当使用像激光金属成型LMF、激光工程化近净成型LENS或直接金属沉积DMD的特定增量制造工艺时，可使用线材形式的材料而不是粉末。
在其他情况中，可使用悬浮液而不是粉末。
当所述高温材料是Ni基合金时，可使用多种市售合金，像 或其他衍生物。
当所述高温材料是Co基合金时，可使用多种市售合金，像 或
当所述高温材料是Fe基合金时，可使用多种市售合金，像 或
特别是，这些合金可包含细分散的氧化物，例如Y2O3、AlO3、ThO2、HfO2、 ZrO2。
根据本发明的热处理有利地降低了材料行为的各向异性，特别是杨氏模量E(参见图2和3)。对于由制成的试样，对于在z方向上延伸的试样(图2中B1、B2、B3)从B1(没有热处理HT)到B2(1125℃下0.5h)到B3(1190℃下2h)，室温下的杨氏模量E(图2)增加。对在xy平面内延伸的试样(图2中C1、C2、C3)，从C1(没有热处理HT)到C2(1125℃下0.5h)到C3(1190℃下2h)，有相似的增加。对于三个程序(没有HT、1125℃下0.5h、1190℃下2h)中的每一个，z向试样的杨氏模量E最低，xy平面试样稍高，参照试样(A1-A3)最高。然而，对于在190℃下2h的最强热处理(图2中A3、B3、C3)，各个试样之间E的不同最小。对于在750℃下杨氏模量的等同值也是一样，如图3中所示。
根据本发明的热处理通过独立设备完成。热处理通过最优化制品的微观结构提高特定材料性能。图4示出了由制成的经过和未经过热处理的三个不同的z向试样B4、B5和B6在拉伸测试之后在两个不同放大率(100μm和50μm)下的微观结构的照片，其中试样B4未经过热处理，在750℃进行拉伸测试；试样B5在1125℃下经过0.5h的热处理，在室温下进行拉伸测试；试样B6在1190℃下经过2h热处理，在室温下进行拉伸测试。
在某些情况中，整个制品可经受所述热处理。在其他情况中，仅其一部分经受所述热处理。
所述热处理可为单次处理。然而，它也可以是不同的各个热处理的组合。
此外，所述热处理可由多个步骤组成，每个步骤代表加热速率、保温温度、保温时间和冷却速率的特定组合。在这种情况下，在每个热处理步骤之前和／或之后，三维制品可经受不同的处理步骤，例如但不限制于，机械加工、焊接或钎焊，特别是为了使用特定微观结构的特定优点，例如，对焊接有利的小颗粒。
优选地，至少一个所述热处理步骤应当在足够高的温度下进行并且保持足够长的时间以在所述微观结构中部分或完全溶解各组分，例如金属间化合物相、碳化物或氮化物。此外，显然至少一个所述热处理步骤在足够高的温度下进行并且保温足够长的时间以重结晶和／或粗化颗粒。
从图2和3(将A3、B3与C3相比，或将A1’、B3’与C3’相比)可以看出，通过所述热处理引发的所述重结晶和／或颗粒粗化导致微观结构可媲美锻造或常 规铸造的产品。
此外，至少一个所述热处理步骤可在足够高的温度下进行并且保持足够长的时间以沉淀金属碳化物、金属氮化物或金属碳氮化物，例如但不限制于，M(C，N)、M6C、M7C3或M23C6。
此外，至少一个所述热处理步骤可在足够高的温度下进行并且保持足够长的时间以沉淀金属间化合物相，例如但不限制于，公知是γ相的Ni3(Al，Ti)、或公知是γ”相的Ni3(Nb，Al，Ti)或δ相的Ni3Nb。
此外，至少一个所述热处理步骤在足够高的温度下进行并且保持足够长的时间以沉淀金属硼化物，例如但不限制于M3B2，以提高晶界强度。
此外，至少一个所述热处理步骤在足够高的温度下进行并且保持足够长的时间以改变前面提及的所述沉淀的体积分数、尺寸、形状和分布。
最后，至少一个所述热处理步骤可另外在等静压条件下进行，公知的是热等静压HIP，以进一步改善微观结构。
总结
机械测试和微观结构评定已经表明，通过SLM工艺或通过其他增量制造工艺堆积的试样具有强各向异性行为。通过适当的热处理，各向异性材料行为，例如杨氏模量，可显著降低，导致更各向同性的材料性能。
附图标记列表
10 SLM配置
11 制品(3D)
12 粉末层
13 激光装置
14 激光束
15 控制单元
16a z试样
16b xy试样
A1-3，A1’ 参照板
B1-3，B1’-3’ z试样
C1-3，C1’-3’ xy试样
d 层厚(粉末层)

Claims (26)

1.用于制造三维制品（11）的方法，包括以下步骤
a)通过增量制造工艺由金属基体材料连续堆积所述三维制品（11），从而产生其性能具有实质上各向异性的三维制品；和
b)在足够高的温度下热处理所述三维制品（11）以通过重结晶和/或颗粒粗化显著降低杨氏模量的各向异性，
其中所述金属基体材料是高温Ni基合金、高温Co基合金或高温Fe基合金。
2.根据权利要求1所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于所述增量制造工艺是激光金属成型（LMF）、激光工程化近净成型（LENS）或直接金属沉积（DMD）中的一种，并且使用线材形式的金属基体材料。
3.根据权利要求1所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于所述增量制造工艺是选择性激光熔化（SLM）、选择性激光烧结（SLS）或电子束熔化（EBM）中的一种，并且使用粉末形式的金属基体材料。
4.根据权利要求3所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
a) 生成所述三维制品的三维模型，然后通过切片法计算截面；
b) 随后将计算的截面传送到机器控制单元（15）；
c) 提供处理所需要的所述金属基体材料的粉末；
d) 在基材板或先前处理过的粉末层上制备具有规则和均匀厚度的粉末层（12）；
e) 根据存储在控制单元（15）中的三维模型通过用能束（14）扫描对应于所述三维制品截面的区域来进行熔化；
f) 将先前形成的截面的上表面降低一层的厚度（d）；
g) 重复所述步骤c)到f)直至达到根据三维模型的最后一个截面；和
h) 热处理所述三维制品（11）。
5.根据权利要求4所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于使所述粉末的颗粒尺寸分布与所述粉末层（12）的层厚度（d）相适应以产生较好的流动性，这对于制备具有规则和均匀厚度（d）的粉末层（12）是必需的。
6.根据权利要求3所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于所述粉末的颗粒具有球形形状。
7.根据权利要求3所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于粉末的精确颗粒尺寸分布通过筛分和/或风选获得。
8.根据权利要求4所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于所述粉末通过粉末冶金工艺提供。
9.根据权利要求8所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于所述粉末冶金工艺为气体或水雾化、等离子旋转电极工艺或机械研磨中的一种。
10.根据权利要求3所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于所述增量制造工艺使用悬浮液而不是粉末。
11.根据权利要求1所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于所述金属基体材料包含细分散的氧化物。
12.根据权利要求11所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于所述氧化物是Y2O3、AlO3、ThO2、HfO2、ZrO2中的一种。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于所述热处理由多个步骤组成，至少一个所述热处理步骤在足够高的温度下进行并且保持足够长的时间以在所述三维制品（11）的微观结构中部分或完全溶解各组分。
14.根据权利要求13所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于，所述组分选自金属间化合物相、碳化物和氮化物。
15.根据权利要求1-12中任一项所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于所述热处理由多个步骤组成，至少一个所述热处理步骤在足够高的温度下进行并且保持足够长的时间以沉淀金属碳化物、金属氮化物或金属碳氮化物。
16.根据权利要求15所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于，所述金属碳化物、金属氮化物或金属碳氮化物是M(C,N)、M6C、M7C3或M23C6中的一种，其中M表示金属。
17.根据权利要求1-12中任一项所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于所述热处理由多个步骤组成，至少一个热处理步骤在足够高的温度下进行并且保持足够长的时间以沉淀金属间化合物相。
18.根据权利要求17所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于，所述金属间化合物相是Ni3 (Al,Ti)、Ni3 (Nb,Al,Ti)或Ni3Nb中的一种。
19.根据权利要求1-12中任一项所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于所述热处理由多个步骤组成，至少一个所述热处理步骤在足够高的温度下进行并且保持足够长的时间以沉淀金属硼化物，以提高晶界强度。
20.根据权利要求19所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于所述金属硼化物是M3B2，其中M表示金属。
21.根据权利要求1-12中任一项所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于所述热处理由多个步骤组成，至少一个所述热处理步骤在足够高的温度下进行并且保持足够长的时间以改变沉淀的体积分数、尺寸、形状和分布。
22.根据权利要求1-12中任一项所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于所述热处理由多个步骤组成，至少一个热处理步骤可另外在热等静压（HIP）条件下进行以进一步改善微观结构。
23.根据权利要求1-12中任一项所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于仅一部分所述三维制品（11）经受所述热处理以降低所述部分的杨氏模量的各向异性。
24.根据权利要求1-12中任一项所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于在所述热处理之前和/或之后，所述三维制品（11）经受机械加工。
25.根据权利要求1-12中任一项所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于在所述热处理之前和/或之后，所述三维制品（11）经受焊接。
26.根据权利要求1-12中任一项所述的用于制造三维制品的方法，其特征在于在所述热处理之前和/或之后，所述三维制品（11）经受钎焊。
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