CN103906591B - 生产用于航空器涡轮发动机的金属部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于生产金属部件(200)的方法，所述部件(200)特别地包括具有小厚度的第一组构件(203)，和具有大厚度的第二组构件(201；202)，其特征在于：所述方法包括各个步骤，该各个步骤包括：‑通过用激光束或用电子束扫描粉末层的表面，通过选择性地熔化粉末，形成第二组构件的构件(201；202)的周缘部分(301)；‑通过用液态金属进行填充所述周缘部分(301)所限定内部区域(302)的操作，使用第二组构件的构件(201；202)的周缘部分(301)作为模具；‑冷却金属部件(200)，以固化周缘部分(301)所限定和用金属所填充的内部区域(302)。

Description

生产用于航空器涡轮发动机的金属部件的方法
技术领域
本发明涉及用于生产在航空器涡轮发动机中所使用的金属部件的方法。不受限制的，所考虑的金属部件有利地，例如是涡轮发动机高压涡轮机，或者低压涡轮机；但是根据本发明的方法可以应用于具有薄部分的任何金属部件，薄部分的厚度不超过几毫米，与更厚的部分连接，该更厚的部分具有几厘米的厚度。
因此，通常来讲，本发明的技术领域涉及航空器发动机的技术领域，并且更特别地，涉及形成所述发动机的金属部件的生产的技术领域。
背景技术
如今，特定的方法有利于生产一些用于航空器涡轮发动机的金属部件；它在于使用激光束或电子束类型的定向光束选择性地熔化粉末的方法。这种方法的已知名称为直接金属激光烧结，选择性激光熔化或电子束熔化。
这种方法在于通过使用信息处理系统所命令的激光束或电子束来熔化连续的粉末层，生产金属部件，在该信息处理系统中记录有待要被形成的连续层的点的三维坐标。在实际方式中，通过刮刀或滚筒在容器中布置第一粉末层，该容器的底部由直移可移动的板形成。然后，层具有对应于板表面的下表面以及在其上定向和移动激光束或电子束的上表面。由所述光束所供应的能量引起粉末的局部熔化，当固化时，其形成金属部件的第一层。该第一层形成后，板降低一段距离，该距离对应于层的厚度，然后，通过刮刀将第二层粉末带到前一层上。通过与前述相同的方式，通过光束装置形成金属部件的第二层。
重复这些操作直到生产了完整的部件为止。
这种生产方法可以显著地缩短开发由此所生产的金属部件的时间和成本。
然而，对于具有相对大厚度的部分的金属部件，这种生产方法是慢的：实际上，不同连续层中每层都具有包含二十和一百微米之间的厚度，因此，激光束或电子束类型的能源的通过数量是高的。
一些部件，例如，高压和/或低压涡轮机的部分的生产时间由此依赖于参数，诸如光束的扫描速度，它的功率、叠置层中每层的厚度、激光通过的覆盖速率。这种生产时间可以达到85小时。
而且，熔池形成在激光束或电子束和粉末床之间相互作用期间。在生产过程中相对地搅动这种熔池，并且经常地颗粒或喷射物从所述熔池喷出。所述颗粒或喷射物然后落回到表面上，在该表面上必须经受激光束的下次通过，这可能是生产缺陷的来源，能够直接地影响部件的机械强度的缺陷的来源。通过光束在相同表面上大量的通过，有利于这种喷射物。
为了试图对已经提到问题提供解决方案，现有技术中已经提出不同的解决方案。
第一种解决方案在于通过对材料块的机械加工来生产金属部件；但是在这些部件开发的框架内，在该框架期间，它们的几何形状能够被频繁地修改，这种解决方案不合适；那么，对于所考虑的每个部件，实际上非常有必要改变特别地，机械加工循环和用于定位部件的工具。
第二种解决方案在于通过铸造生产部件。这种解决方案只有对大量生产的部件才有利，因为使用的模具非常昂贵。这种解决方案在涡轮发动机开发的范围内完全不可行，因为在开发期间，所考虑的部件几何形状可以经常地演变。
发明内容
通过提出用于生产金属部件的方法，本发明的主题提供了对已经被陈述的问题的解决方案，该方法涉及通过激光束或电子束选择性熔化技术，同时限制该技术的使用，以没有它会有的主要缺陷，特别地，部件非常慢的生产，和由于粉末上光束通过期间喷射物存在，所生产部件上出现机械缺陷的风险。而且，本发明的方法实施便宜，包括这样的部件，该部件的几何形状在开发过程期间能够相对频繁地演变。
因此，本发明基本上涉及一种用于生产金属部件的方法，所述部件包括具有小厚度，通常包含在0.3毫米和4毫米之间的第一组构件和具有大厚度，通常大于4毫米的第二组构件，金属部件是航空器涡轮发动机的一部分，其特征在于所述方法包括各个步骤，该各个步骤包括：
-通过用激光束或用电子束扫描粉末层的表面，通过选择性地熔化金属粉末，形成第二组构件的构件的周缘部分；
-通过用液态金属进行填充所述周缘部分所限定的内部区域的操作，使用第二组构件的构件的周缘部分作为模具；
-冷却金属部件，以固化周缘部分所限定和用金属所填充的内部区域。
除了前述段落已经提到的主要特征，单独考虑或根据其可能的技术结合所考虑，本发明的方法可以具有下面的一个或多个补充特征：
-该方法包括另外的步骤，包括通过用激光束或用电子束扫描粉末层的表面，通过选择性地熔化粉末，形成第一组构件的构件；
-在填充第二组构件的构件的周缘部分所限定的内部区域的操作之前，进行包括形成第二组构件的构件的周缘部分的步骤和包括形成第一组构件的构件的步骤。
-通过选择性熔化粉末所形成的第二组构件的构件的周缘部分限定开放的容积；
-通过选择性熔化粉末所形成的第二组构件的构件的周缘部分限定具有至少一个孔的封闭容积；
-该方法包括另外的步骤，包括在填充第二组构件的构件的周缘部分所限定的内部区域的操作之前，移除在通过选择性熔化所述粉末形成第二组构件的构件的周缘部分的步骤期间不使用的粉末；
-第二组构件的构件是用于航空器的涡轮机组的压气机涡轮机的平台，并且第一组构件的构件是叶片，该叶片在所述平台之间形成转接半径。
通过阅读下面的说明书和通过检查附图将更好地理解本发明和它的不同应用。
附图说明
仅仅通过示意方式给出附图，决没有限制本发明。
附图表示：
-在图1中，可以进行粉末的选择性熔化的操作的设备的示意图。
-在图2中，通过根据本发明方法的实施可以生产的金属部件的实施例。
-在图3中，通过本发明的方法，在第一步骤生产中，图2金属部件的示意。
-在图4中，通过本发明的方法，在第二步骤生产中，图2金属部件的示意。
具体实施方式
图1中表示了通过选择性熔化粉末，用于生产金属部件的设备。这种设备有利地用于实施根据本发明的方法，用于生产所考虑部件中存在的小厚度的构件。
所表示的设备包括装有金属粉末2的容器1和相邻的容器5，容器1的底部3通过千斤顶的杆4可直移运动和移动，容器5的底部由可移动的板6构成，也通过千斤顶的杆7可直移移动。设备还包括刮刀8和产生激光束或电子束的装置9，刮刀8可以通过沿着平面A的移动，将容器1的粉末带到容器5，该装置9连接可以定向和移动光束11的装置10。
通过该设备生产金属部件的步骤如下。首先，容器1的底部向上移动，这样一定数量的粉末2位于水平面A上面。刮刀8然后从左到右移动，以从容器1刮擦粉末层，并且将其带到容器5中。确定粉末2的数量和板6的位置，以形成所选择的和恒定的厚度的粉末层12。激光束或电子束然后扫描容器5中所形成的粉末层12的确定区域，以在扫描区域局部地熔化粉末2。熔化的区域固化以形成待要生产部件的第一层13，该第一层13，例如具有20到100μm(微米)厚度。板6然后降低，通过和前面相同的方式，第二层粉末2被带到第一层上。通过光束11的可控移动，金属部件的第二层形成在第一层13上。
重复这些操作直到生产了完整的部件为止。在通过激光束选择性地熔化粉末2，逐层构成部件的情况下，粉末2具有包含在10和50μm之间的平均颗粒大小。在通过电子束选择性地熔化粉末2，逐层构成部件的情况下，粉末2具有包含在50和100μm之间的平均颗粒大小。
图2表示可以通过实施根据本发明的方法生产的金属部件200的实施例。
在所示实施例中，金属部件200是航空器涡轮发动机的低压涡轮机的一部分。然而，根据本发明的方法能够应用于具有小厚度构件和大厚度构件的任何金属部件。
通常来讲，表述“小厚度的部件”指部件具有几百微米，通常包含在0.3和4毫米之间的厚度。那么，大厚度构件是构件具有大于4毫米的厚度。
因此，金属部件200具有第一凸缘201，称为外凸缘，和第二凸缘202，称为内凸缘，第一凸缘201和第二凸缘202形成通过叶片203连接在一起的平台，该叶片203形成平台之间的转接半径。
在根据本发明的方法中，建议，例如根据图1中所描述的方法，通过选择性熔化，一方面生产不太厚的金属部件200的部分，这里是叶片203，并且另一方面生产更厚部分，这里是第一凸缘201和第二凸缘202的如图3和图4中可见的周缘部分，称为外壳301。
通过激光束或电子束的连续通过，由此生产了完整的部件，但是仅仅在形成外壳301的地方实施这些通过。由此产生的外壳内的容积被填充粉末，而不是通过光束的通过而转化。
然后，外壳301具有几毫米的厚度，通常在部件厚部分的轮廓上是2到4毫米。图3和图4表示根据图1中所示的方法，生产外壳301的不同步骤，其与叶片203的生产同时进行。
一旦完成外壳，进行弄空没有被光束通过而固化的粉末的操作。通过没有被光束通过过的固化部分所封闭的每个凸缘的面，或者通过在外壳301形成封闭容积的情况下存在留下的开口，移除粉末来进行这个操作。
接着是填充由外壳限定的所留下空的内部容积302的步骤。使用加热到足够高温度以致于它是液态形式的金属，或者通过每个凸缘的未被封闭的面，或者通过在外壳301形成封闭容积的情况下存在留下的开口进行填充。然后外壳301作为模具，或者保留槽。直到内部容积302被完全地填充才完成该步骤。外壳301将形成最终部件200的一个整体部分。
然后冷却部件200，例如通过将它置于室温下。然后液态金属固化，以形成紧致的构件组。
根据本发明的方法可以利用通过激光束或通过电子束选择性熔化技术的优点(很大的使用灵活性和不需要特定工具)，和利用铸造的优点(快速固化，方便的填充和低生产成本)，而不会面临这两种技术的缺陷，即，对于选择性熔化技术而言，对于厚重部分太多的扫描时间和由于来自于熔池的喷射物产生缺陷的风险，并且对于铸造而言，必须生产用于金属部件的每个结构和几何形状的模具。
由此降低了生产时间和成本。
在实施例中，用于这种类型部件的材料通常是镍基超合金，诸如René77、IN100、DS200或AM1。

Claims (7)

1.用于生产金属部件(200)的方法，所述部件(200)包括具有小厚度，包含在0.3毫米和4毫米之间的第一组构件，和具有大厚度，大于4毫米的第二组构件，金属部件是航空器涡轮发动机的一部分，其特征在于：所述方法包括各个步骤，该各个步骤包括：
-通过用激光束或用电子束扫描粉末层的表面，通过选择性地熔化金属粉末，形成第二组构件的构件(201；202)的周缘部分(301)；
-通过用液态金属进行填充所述周缘部分(301)所限定的内部区域(302)的操作，使用第二组构件的构件(201；202)的周缘部分(301)作为模具；
-冷却金属部件(200)，以固化周缘部分(301)所限定和用金属所填充的内部区域(302)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：它包括另外的步骤，包括通过用激光束或用电子束扫描粉末层的表面，通过选择性地熔化粉末，形成第一组构件的构件(203)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在填充第二组构件的构件(201；202)的周缘部分(301)所限定的内部区域(302)的操作之前，进行包括形成第二组构件的构件(201；202)的周缘部分(301)的步骤和包括形成第一组构件的构件(203)的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过选择性熔化粉末所形成的第二组构件的构件(201；202)的周缘部分(301)限定开放的容积。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过选择性熔化粉末所形成的第二组构件的构件(201；202)的周缘部分(301)限定具有至少一个孔的封闭容积。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：该方法包括另外的步骤，包括在填充第二组构件的构件(201；202)的周缘部分(301)所限定的内部区域(302)的操作之前，移除在通过选择性熔化所述粉末形成第二组构件的构件(201；202)的周缘部分(301)的步骤期间不使用的粉末。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的方法，其特征在于：第二组构件的构件(201；202)是用于航空器的涡轮机组的压气机涡轮机的平台，并且第一组构件的构件(203)是叶片，该叶片在所述平台之间形成转接半径。
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