CN104511589B - 用于通过添加性激光制造来制造金属部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于通过添加性激光制造来制造金属部件的方法。本发明涉及用于制造三维金属物件/部件的方法，其整个地或部分地由Ni基、Co基、Fe基超级合金或其组合通过基于粉末的添加性制造工艺制成。在通过扫描执行粉末熔化的步骤期间使用了双激光设置，其中两个不同射束属性的激光射束在同一机器中组合起来，并且通过以受控的方式调节的射束型式和合适的射束开关的集成，从而在两个不同的激光射束直径之间执行切换。在每层中，具有较小直径的激光射束扫描整个区域，并且在每隔k‑1(k>1)层中，具有较大直径的激光射束扫描需要粗晶粒尺寸的区域，从而使细晶粒尺寸的区域再熔化。利用这种制造方法可实现金属部件和原型的更高的寿命和操作性能。

Description

用于通过添加性激光制造来制造金属部件的方法
技术领域
本发明涉及耐高温部件的技术，尤其用于燃气涡轮的热气路径部件。其涉及一种用于通过添加性制造技术，例如选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)制造金属部件/三维物件的方法。
背景技术
对于金属功能性原型和金属部件的制造，添加性制造已经变为一种越来越具有吸引力的解决方案。目前已经知晓SLM、SLS和EBM方法使用粉末材料作为基体材料。部件或物件直接由粉末床产生。其它添加性制造方法，例如激光金属成形(LMF)、激光工程化净成形(LENS)或直接金属沉积(DMD)局部地将材料熔化到现有部件上。这种新近产生的材料可沉积成导线或粉末，其中粉末沉积装置沿着预定的路径利用机器人或CNC机器而移动。
基于粉末或其它添加性制造技术的一个特征可为在SLM粉末床处理期间由于已知的逐层集结工艺和局部凝固条件而引起的材料属性(例如杨氏模量、屈服强度、抗拉强度、低循环疲劳性能LCF、蠕变)的强的各向异性。
SLM产生的材料的各向异性的机械属性在主生长方向上提供了更好的属性，首先是疲劳寿命时间。但材料属性的这种各向异性在若干应用中可为缺点。因此，本申请人迄今为止提交了两个未公布的专利申请，其揭示了通过添加性激光制造技术所制造的部件的各向异性的材料性能可通过合适的“后生成”热处理来减少，从而导致更为各向同性的材料属性。
将有利的是，局部控制所产生的材料/部件的微结构，使得机械属性，例如LCF；HCF(高循环疲劳)、蠕变等与部件的不同位置的热机械负载条件关联起来。
另外，本申请的申请人所提交的至今未公布的专利申请公开了由SLM技术产生的材料的主晶粒定向和辅晶粒定向可通过特定的扫描策略进行调节，例如激光射束的运动方向。微结构的这种控制极度有利于用SLM技术制造的部件和原型。SLM技术由于其可直接从粉末床中产生非常高级设计的能力从而能够制造高性能且形状复杂的部件。通过恰当地调节主晶粒定向和辅晶粒定向，可控制杨氏模量，并使之与部件的热机械负载条件相一致。然而，不同的扫描策略主要影响了晶粒定向，而非晶粒尺寸。
文献DE 10 2011 105 045 B3和DE 10 2007 061 549 A1公开了由SLM制造的部件用不同的激光功率/射束直径来建造的方法。根据这个“核芯-外壳”原理，部件的外表面(外壳)利用与部件的大块区域(核芯)不同的激光射束直径(较低的激光射束的直径和较低的激光功率)来熔化。根据DE 10 2011 105 045 B3的方法，其特征在于，在核芯区域上引导用于熔化粉末状部件材料的激光射束所沿的路径选择成使得在与外壳区域接触期间，它们总是至少大致垂直地到达外壳区域。通过这个方法，在具有良好的冶金结合的外表面(外壳)上可实现大块(核芯)的较高的建造速率和良好的表面光洁度。然而，迄今为止，不同的固化工艺在核芯和外壳区域中的结果没有得到系统地研究和开发。
2013年8月“冶金和材料处理”期刊第44B卷第794-796页，由T. Niendorf等人撰写的文献“由选择性激光熔化技术处理的高度各向异性的钢”描述了SLM处理的奥氏体316L不锈钢的若干个试验结果。316L钢的名义成分如下：≤0.03%的C；≤1%的Si；≤2%的Mn；16.5%至18.5%的Cr；10%至14%的Ni；2%至2.5%Mo，剩余的是Fe。具有由那种钢材制成的壳芯结构的三次样本是这样制造的：外部结构采用400W激光系统来建造，导致一种弱纹理的细晶粒的固化结构。内部结构采用1000W激光系统来建造，导致完全不同的微结构，其具有在平行于建造方向上伸长的、超过1mm尺寸的晶粒。这是高度的各向异性。
文献EP2586548A1公开了一种添加性制造方法，优选SLM，其用于制造具有特定晶粒尺寸分布的部件，从而相对于具有基本均匀的晶粒尺寸的相似部件提高了该部件的寿命。所需的晶粒尺寸分布是在添加性制造工艺期间直接产生的，因此晶粒尺寸通过控制SLM工艺中的熔化池的冷却速率而进行控制，这通过控制熔化区域的局部热梯度来实现。熔化区域由(第一)激光射束来产生。在一个优选实施例中，在其熔化区域处的局部热梯度受到第二激光射束或另一辐射源的控制。那意味着第二激光用于加热周围材料，以便局部性地控制热梯度和因而控制熔化池的冷却速率，这赋予了对晶粒尺寸的控制。这种处理可比拟于局部热处理。
发明内容
本发明的一个目的是公开一种改进的用于整个地或部分地制造金属部件/三维物件的方法，其由Ni基、Co基、Fe基超级合金或其组合通过添加性制造方法制成，具有局部优化的机械属性。
这一目的以及其它目的通过根据权利要求1所述的方法来实现。
本发明提供了用于制造三维金属物件/部件的方法，其中三维金属物件/部件整个地或部分地由Ni基、Co基、Fe基超级合金或其组合通过添加性制造工艺利用粉末形式的金属基体材料制成，所述三维金属物件/部件包括具有针对所述物件/部件的负载条件进行调节的晶粒尺寸的微结构，添加性制造工艺选自选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)的工艺组，其中所述经调节的晶粒尺寸是在所述添加性制造工艺期间直接产生的，所述方法包括如下步骤：
a) 产生所述物件的三维模型，之后进行切片工艺以计算横截面；
b) 然后将所述计算的横截面传送至机器控制单元；
c) 提供所述工艺所需要的所述基体材料的粉末；
d) 在衬底板上或在之前经处理的粉末层上或在传统制造的预型件上准备具有规则且均匀厚度的粉末层；
e) 根据储存在控制单元中的三维模型，通过在与所述物件的横截面相对应的区域用能量射束扫描而执行粉末的熔化；
f) 将之前形成的横截面的上表面降低一层厚度；
g) 重复c)至f)的所述步骤，直至达到根据所述三维模型的最终的横截面；且
h) 可选地对所述三维物件进行热处理，
其中在步骤e)中，使用了双激光设置，其中不同射束属性的两个激光射束在同一机器中组合起来，并通过以控制的方式调节的射束型式(profiling)和合适的射束开关的集成，从而在两个不同的激光射束直径之间执行切换，并且在每层中，具有较小直径的激光射束扫描整个区域，从而在每隔k-1(k>1)层中产生细晶粒尺寸，具有较大直径的激光射束扫描需要粗晶粒尺寸的区域，从而使具有细晶粒尺寸的区域再熔化。
本发明的一个优点是，利用这样一种方法可实现金属部件和原型更高的寿命和操作性能。
晶粒尺寸可通过激光射束成形和激光强度的调节以及扫描/累加控制而进行控制。
利用这种特制的SLM累加方法，可生产由Ni基、Co基或Fe基超级合金制成的部件，其具有局部优化的机械属性。出于这个目的，晶粒尺寸适合于部件的负载条件，导致延长的服务寿命。因为较大的晶粒是由例如较高功率的大直径激光射束通常以较低的扫描速度而产生的，所以它们有利于蠕变负载区域。然而，因为较小的晶粒是由小直径的激光射束以较低的功率并以更快的扫描速度来产生的，所以它们有利于LCF和HCF负载区域。
较小的熔化池尺寸优选在区域中通过较低能量射束功率和/或较小能量射束直径和/或较高的扫描速度来产生，导致固化材料有更细的晶粒尺寸，并且较大的熔化池尺寸优选在区域中通过较高的能量射束功率和/或较大的能量射束直径和/或较低的扫描速度来产生，导致固化材料有更大的晶粒尺寸。
本发明的一个重要方面是优选的微结构不必在部件的整个体积上实现。相反，激光射束成形和相对应的工艺参数确定了晶粒尺寸，并且它们可针对不同的子实体以任意的方式进行调节，这依赖于局部的机械完整性(MI)要求。
在本发明中，双激光设置用于这个目的，其中不同射束属性的两个激光射束在同一机器中组合起来。利用恰当调节的射束型式和合适的射束开关的集成，可以受控的方式在两个不同的激光射束直径之间进行切换。结果，产生了不同直径和深度的熔化池，导致形成不同晶粒尺寸的晶粒。在每层中，具有较小直径的激光射束扫描整个区域并产生细晶粒尺寸，并且在每隔k-1(k>1)层中，具有较大直径的激光射束扫描需要粗晶粒尺寸的区域，从而使细晶粒尺寸的区域再熔化。利用包括不同射束属性，尤其大激光射束直径(大的激光斑点)的第二激光射束，这样再熔化具有细晶粒微结构的区域将使提到的区域中晶粒尺寸变粗。除了所述晶粒尺寸的修改之外，利用第二激光再熔化的材料具有若干个优点，例如减少残余应力，去除微结构的各向异性，促成沉淀。这导致了一种强的微结构。
在优选的实施例中，层具有可变厚度，并且所述层的数量2≤k≤6，优选k=4。
有利的是，根据本公开的方法制造的部件/物件是用于燃气涡轮的压缩机、燃烧器或涡轮段中具有复杂设计的热气路径部件或原型。
附图说明
现在将通过不同的实施例并参照附图更完整地解释本发明。
图1显示了利用400W单个激光制造的哈司特镍合金X的z-轴方向上的细晶粒微结构；
图2显示了利用1000W双激光制造的哈司特镍合金X的z-轴方向上的粗晶粒微结构。
具体实施方式
对利用“核芯-外壳”原理(例如两种不同的激光射束形态)由SLM产生的材料属性的研究已经显示了不同的机械属性(例如杨氏模量、屈服强度)，这依赖于激光射束成形和因而激光强度。这是在SLM粉末床处理期间利用不同的激光射束成形而得到的局部不同的固化条件的结果。由于熔化池中典型的温度分布和其附近所产生的热梯度，这有利于更快且优选垂直于粉末平面的晶粒生长。这导致了一种特征微结构，其显示了在垂直于粉末平面的方向上(z轴方向)伸长的晶粒。其已经发现，以较小的激光射束直径(接近70-100µm)所产生的样本在xy平面中以及沿着z轴方向上的机械属性不同于以大射束直径(接近500-1000µm)的激光产生的属性。
图1和图2显示了在光学微照片中的哈司特镍合金X的这样一种示例，其中样本是利用不同的激光射束源制造的。这导致不同的激光型式和不同的熔化池的尺寸。
哈司特镍合金X是具有以下名义成分的Ni基超级合金：0.1%的C、21%的Cr、1%的Co、9%的Mo、18%的Fe、1%的W，剩余为Ni。
在750℃的“建成”条件下，在z轴方向上已经测量了杨氏模量和屈服强度。对于根据图1具有细晶粒微结构的样本，测量到406MPa的屈服强度和119GPa的杨氏模量，而对于根据图2的样本(粗晶粒结构)，屈服强度和杨氏模量分别是361MPa和94GPa。
在室温(23℃)下，在z轴方向上测量到591MPa的屈服强度和154GPa的杨氏模量，并且在xy平面的方向上分别为674MPa和162GPa(对于利用400W的激光功率制造的样本)，而对于利用1000W的激光功率制造的样本，z轴上的屈服强度和杨氏模量分别是490MPa和113GPa，并且在xy平面中测量到563MPa的屈服强度和144GPa的杨氏模量。
利用这种特制的SLM累加方法，可生产具有局部优化的机械属性的部件。出于这个目的，晶粒尺寸适合于部件的负载条件，这意味着晶粒尺寸与部件的设计意图是有利匹配的，导致延长的服务寿命。因为较大的晶粒是由例如较高功率的大直径激光射束通常以较低的扫描速度而产生的，所以它们有利于蠕变负载区域。然而，因为较小的晶粒是由小直径的激光射束以较低的功率并以更快的扫描速度来产生的，所以它们有利于LCF和HCF负载区域。
本发明的一个重要方面是优选的微结构不必在部件的整个体积上实现。相反，激光射束成形和相对应的工艺参数确定了晶粒尺寸，并且它们可针对不同的子实体以任意的方式进行调节，这依赖于局部的机械完整性(MI)要求。根据本发明，双激光设置用于这个目的，其中不同射束属性的两个激光射束在同一机器中组合起来。利用恰当调节的射束型式和合适的射束开关的集成，可以受控的方式在两个不同的激光射束直径之间进行切换。结果，产生了不同直径和深度的熔化池，导致形成不同尺寸的晶粒。本发明的本质是在某些区域用两个不同的激光(不同的激光射束属性)熔化材料，第二激光射束使之前被第一激光熔化的固化材料/区域再熔化。除了所述晶粒尺寸修改的优点之外，利用第二激光再熔化材料具有若干个优点，例如减少残余应力，去除微结构的各向异性，促成沉淀。
利用在不同的激光射束形态下的这种选择性的再熔化，可产生该部件的子实体，其中较大的晶粒占大部分，并且获得更好的蠕变特性。按照相同方式，可在蠕变强度不太重要但需要良好的LCF或HCF属性的其它区域中产生细晶粒结构。
这种局部控制微结构的可能性甚至可用于使机械属性局部地适应该部件的循环温度负载。
通过添加性制造工艺(SLM，SLS)，利用粉末形式的金属基体材料制造整个地或部分地由Ni基、Co基、Fe基超级合金或其组合制成的三维金属物件/部件，其中所述物件/部件具有微结构，其具有针对所述物件/部件的负载条件而调节的晶粒尺寸，其中所述经调节的晶粒尺寸是在所述添加性制造工艺期间直接产生的，所述制造包括如下步骤：
- 产生所述物件的三维模型，之后进行切片工艺以计算横截面；
- 然后将所述计算的横截面传送至机器控制单元；
- 提供所述工艺所需要的所述基体材料的粉末；
- 在衬底板上或在之前处理的粉末层上或在传统制造的预型件上准备具有规则且均匀厚度的粉末层；
- 根据储存在控制单元中的三维模型，通过在与所述物件的横截面相对应的区域中用能量射束扫描而执行粉末的熔化；
- 将之前形成的横截面的上表面降低一层厚度；
- 重复c)至f)的所述步骤，直至达到根据所述三维模型的最终的横截面；且
- 可选地对所述三维物件进行热处理，
其中在执行粉末熔化的步骤中，使用了双激光设置，其中不同射束属性的两个激光射束在同一机器中组合起来，并通过以控制的方式调节射束型式和合适的射束开关的集成，从而在两个不同的激光射束直径之间执行切换，并且在每层中，具有较小直径的激光射束扫描整个区域，从而在每隔k-1层(k>1)中产生细晶粒尺寸，具有较大直径的激光射束扫描需要粗晶粒尺寸的区域，从而使具有细晶粒尺寸的区域再熔化。
可选地，较大直径且较高功率的能量射束在一个单个行程中使多个粉末层再熔化。这些再熔化层的数量可与之前利用小直径射束扫描的层相对应，其中局部已经产生了细晶粒结构。这种较大射束直径的使用仅仅应用于需要较大晶粒的子实体(例如用于改善蠕变属性)。此外，可对所述三维物件应用热处理，以消除由于不同的驱动力而引起的用于重结晶/晶粒变粗的残余应力，并增强在利用小的和大的射束直径所产生的区域之间的差异。
由本方法制造的部件/物件优选是用于燃气涡轮的压缩机、燃烧器或涡轮段中的具有复杂设计的热气路径部件或原型。

Claims (5)

1.一种用于制造三维金属物件/部件的方法，所述三维金属物件/部件整个地或部分地由Ni基、Co基、Fe基超级合金或其组合通过添加性制造工艺利用粉末形式的金属基体材料制成，所述三维金属物件/部件包括具有针对所述物件/部件的负载条件经调节的晶粒尺寸的微结构，所述添加性制造工艺选自选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)组成的组，其中所述经调节的晶粒尺寸是在所述添加性制造工艺期间直接产生的，所述方法包括如下步骤：
a) 产生所述物件的三维模型，之后进行切片工艺以计算横截面；
b) 然后将所述计算的横截面传送至机器控制单元；
c) 提供所述工艺所需要的所述基体材料的粉末；
d) 在衬底板上或在之前经处理的粉末层上或在传统制造的预型件上准备具有规则且均匀厚度的粉末层；
e) 根据储存在控制单元中的三维模型，通过在与所述物件的横截面相对应的区域中用能量射束扫描而执行粉末的熔化；
f) 将之前形成的横截面的上表面降低一层厚度；
g) 从c)至f) 重复所述步骤，直至达到根据所述三维模型的最终的横截面；且
h) 可选地对所述三维物件进行热处理，
其中在步骤e)中，使用了双激光设置，其中不同射束属性的两个激光射束在同一机器中组合起来，并通过以控制的方式调节的射束型式和合适的射束开关的集成，从而在两个不同的激光射束直径之间执行切换，并且在每层中，具有较小直径的激光射束扫描整个区域，从而在每隔k-1层中产生细晶粒尺寸，其中k>1，具有较大直径的激光射束扫描需要粗晶粒尺寸的区域，从而使具有细晶粒尺寸的区域再熔化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，2≤k≤6。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，k=4。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述层具有可变厚度。
5.一种通过根据前述权利要求中的任一项所述的方法制造的部件/物件，其特征在于，所述部件/物件是用于燃气涡轮的压缩机、燃烧器或涡轮段中的具有复杂设计的热气路径部件或原型。
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