CN105263667A - 使用粉末状焊剂的选择性激光熔化/烧结 - Google Patents

Abstract

一种增材制造方法(110)，其中粉末(116)包含超合金材料并且焊剂利用激光束(124)被选择性地熔化在各层中以形成超合金部件(126)。焊剂执行清洁功能以与污染物反应，从而将它们浮到熔融的表面以形成熔渣。焊剂还提供了屏蔽功能，从而避免需要惰性气体。粉末可以是合金颗粒与焊剂颗粒的混合物，或者其可以由复合的合金/焊剂颗粒形成。

Description

使用粉末状焊剂的选择性激光熔化/烧结

本申请是于2011年1月13日递交、申请号为13/005,656(公开号为US2012/0181255A1)的未决美国专利申请的部分继续，其通过引用并入本文。

技术领域

本发明通常涉及金属接合的领域，并且更具体地涉及用于超合金材料的增材制造(additivemanufacturing)方法。

背景技术

焊接过程取决于被焊接的材料的类型而显著地变化。一些材料在各种条件下更容易被焊接，而其它材料需要特殊过程以便于实现结构良好的接合而不劣化周围的基底材料。

普通的电弧焊接通常利用自耗电极作为供给材料。为了从针对焊接熔池中的熔融材料的大气(atmosphere)提供保护，惰性覆盖气体或者焊剂材料可以在焊接许多合金时被使用，该许多合金例如包括钢、不锈钢以及镍基合金。惰性和组合的惰性和活性气体的过程包括气体钨电弧焊(GTAW)(也称为钨惰性气体(TIG))和气体金属电弧焊(GMAW)(也称为金属惰性气体(MIG)和金属活性气体(MAG))。焊剂保护的过程包括通常馈送有焊剂的埋弧焊(SAW)，焊剂包括在电极的芯中的药芯焊丝电弧焊(FCAW)，以及焊剂被涂布在填料电极外部上的屏蔽金属电弧焊(SMAW)。

利用能量束作为热源进行焊接也是已知的。例如，激光能量已经被用于将预放置的不锈钢粉末熔化到碳钢基底上，其中粉末状焊剂材料提供熔池的屏蔽。焊剂粉末可以与不锈钢粉末混合，或者作为单独的覆盖层施加。以本发明人的知识，当焊接超合金材料时并未使用焊剂材料。

已认识到的是，由于超合金材料易受到焊接凝固开裂和应变时效开裂的影响，超合金材料是最难焊接的材料之一。术语“超合金”在本文中使用，因为它在本领域中被普遍使用；即，在高温下表现出优异的机械强度和耐蠕变的高度抗腐蚀和抗氧化的合金。超合金通常包括高镍或钴含量。超合金的示例包括以下列商标和品牌名称销售的合金：Hastelloy,Inconel合金(例如，IN738、IN792、IN939)、Rene合金(例如，ReneN5、Rene80、Rene142)、Haynes合金、MarM、CM247、CM247LC、C263、718、X-750、ECY768、282、X45、PWA1483和CMSX(例如，CMSX-4)单晶合金。

通过将材料预加热到非常高的温度(例如，到高于1600℉或870℃)以便于在修复期间显著地增加材料的延展性已成功完成一些超合金材料的焊接修复。该技术被称为在升高的温度下的热箱焊接或超合金焊接(SWET)焊接修复，并且其通常使用手动GTAW过程被完成。然而，热箱焊接被维持均匀的部件过程表面温度的困难和维持完全的惰性气体屏蔽的困难而限制，并且也被施加在于这样高的温度的部件附近工作的操作者的物理困难而限制。

一些超合金材料的焊接应用可以使用冷却板以限制基底材料的加热而被执行；从而限制致使开裂问题的基底热影响和应力的发生。然而，该技术对于部件的几何形状不便于使用冷却板的许多修复应用而言是不实际的。

图6是传统的图示了作为其铝和钛含量的函数的各种合金的相对焊接性的图表。诸如具有这些元素相对较低的浓度以及必然相对较低的γ'(gammaprime)含量的IN718之类的合金被认为是相对可焊的，虽然这样的焊接通常被限制为部件的低应力区域。诸如具有这些元素相对较高的浓度的IN939之类的合金通常不被认为是可焊的，或者仅可以利用以上讨论的增大材料的温度/延展性并且最小化过程的热量输入的特殊过程被焊接。虚线80指示辨识出的可焊接去的上边界。线80在垂直轴线上相交于3wt％(重量百分比)铝并且在水平轴线上相交于6wt％钛。可焊接区以外的合金被辨识为利用已知过程是非常难或者不可能焊接的，并且具有最高的铝含量的合金通常被发现为最难焊接，如箭头所指示的。

还已知的是利用选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)以将超合金粉末颗粒的薄层熔化到超合金基底上。熔池在激光加热期间通过施加诸如氩之类的惰性气体从大气中屏蔽。这些过程趋向于将附着在颗粒的表面上的氧化物(例如,铝和铬的氧化物)困在被沉积的材料的层以内，导致孔隙、夹杂物和与被困的氧化物相关联的其它缺陷。过程后热等静压(HIP)通常被用来瓦解这些空隙、夹杂物和裂缝以便于改进沉积的涂层的性质。由于对粉末的预放置的要求，这些过程的应用还被限制为水平表面。

激光微包覆是能够3D进行的过程，其通过使用激光束以熔化导向表面的粉末的流将材料的小且薄的层沉积到表面上。该粉末通过气体的喷射向表面推进，并且当粉末是钢或合金材料时，该气体是氩或其它惰性气体，其将熔融合金与大气中的氧气屏蔽开。激光微包覆被其低沉积率所限制，诸如在1至6cm3/hr的量级。此外，因为在包覆材料完全冷却之前保护性氩气屏蔽趋于消散，浅表氧化和氮化可能会发生在沉积的表面上，这在包覆材料的多个层需要用来实现期望的包覆厚度时是有问题的。

对于一些在非可焊区中的超合金材料而言，没有商业上已知的可接受的焊接或修复过程。此外，由于新的和更高的合金含量超合金继续被发展，针对超合金材料开发商业上可行的接合过程的挑战继续增长。

附图说明

本发明根据附图在以下描述中进行解释，该附图示出了：

图1图示了使用多层粉末的包覆过程。

图2图示了使用混合层粉末的包覆过程。

图3图示了使用有芯填充焊丝和冷金属电弧焊炬的包覆过程。

图4图示了使用有芯填充焊丝和能量束的包覆过程。

图5图示了能量束重叠图案。

图6是图示了各种超合金的相对焊接性的现有技术图表。

图7图示了通过利用粉末状焊剂材料的激光微包覆过程的超合金包覆的应用。

图8图示了根据本发明的实施例的增材制造过程的示意图。

具体实施方式

为方便读者，要注意的是，本文的图1-5和图7图示了本文描述的发明技术的各个方面和应用，并且以下图8的描述特别涉及到用于选择性激光烧结和选择性激光熔化应用的发明技术现要求保护的使用。

本发明人已开发了一种材料接合过程，其可被成功地用于包覆、接合和修复最难以焊接的超合金材料。虽然焊剂材料以前未被在焊接超合金材料时使用，本发明方法的实施例有利地在激光微包覆过程期间施加粉末状焊剂材料。粉末状焊剂材料有效地提供光束能量陷获、杂质清洗、大气屏蔽、珠整形和冷却温度控制，以便于实现超合金材料的无裂缝接合而不需要高温热箱焊接或使用冷却板或使用惰性屏蔽气体。虽然本发明的各种元素在焊接行业已经为人所知几十年，本发明人已经创新性地开发了用于克服针对这些材料的已知可选择激光熔化和烧结过程的长期限制的超合金增材制造过程的步骤的组合。

图1图示了在环境室温下正被沉积到超合金基底材料12上的超合金材料的包覆10的层而没有基底材料12的任何预加热或使用冷却板的过程。基底材料12例如可以形成燃气涡轮发动机叶片的一部分，并且在一些实施例中包覆过程可以是修复过程的一部分。颗粒状粉末14的层被预放置在基底12上，并且激光束16横穿过粉末14的层以熔化粉末并形成由熔渣18的层覆盖的包覆10的层。包覆10和熔渣18从粉末14的层形成，粉末14的层包括由粉末状焊剂材料22的层覆盖的粉末状超合金材料20的层。

焊剂材料22和产生的炉渣18的层提供了若干功能，这些功能有利于防止包覆10和下面的基底材料12的开裂。首先，它们工作以从激光束16的下游侧的区域中的大气中屏蔽熔融材料的区域和固化的(但仍然是热的)包覆材料10两者。熔渣浮到表面以将熔融或热金属从大气中分离，并且在一些实施例中焊剂可被配制以产生屏蔽气体，从而避免或最小化昂贵的惰性气体的使用。第二，熔渣18用作允许固化的材料缓慢且均匀冷却的覆盖物，从而减小可促使焊后再加热或应变时效开裂的残余应力。第三，熔渣18有助于成形熔融金属池以将其保持为接近期望的1/3的高度/宽度比。第四，焊剂材料22提供用于移除促使焊接凝固开裂的诸如硫和磷之类的痕量杂质。这种清洗包括金属粉末的脱氧。因为焊剂粉末与金属粉末处于紧密接触，这对完成该功能特别有效。最后，焊剂材料22可提供能量吸收和捕获功能以更有效地将激光束16转换成热能，因而有利于在过程期间热输入的精确控制，诸如在1-2％以内，以及所得到的材料温度的严格控制。另外，焊剂可以被配制以补偿在处理期间挥发的元素或者向沉积物主动地贡献本不会由金属粉末本身所提供的元素。总之，这些过程步骤在室温下针对迄今被认为仅可利用热箱过程或通过使用冷却板接合的材料产生超合金基底上的超合金包覆的无裂纹沉积。

图2图示了另一实施例，其中超合金材料的包覆30的层正在被沉积到超合金基底材料32上，其在本实施例中被图示为具有多个柱状晶粒34的定向凝固材料。在该实施例中，粉末36的层被预放置或馈送到基底材料32的表面上作为包括粉末状合金材料38和粉末状焊剂材料40的混合物的均匀层。粉末36的层在一些实施例中可以是一至几毫米的厚度，而不是已知的选择性激光熔化和烧结过程通常具有的一毫米的分数。现有技术的典型粉末状焊剂材料例如具有范围从0.5-2mm的颗粒尺寸。然而，粉末状合金材料38可具有从0.02-0.04mm或0.02-0.08mm或其中的其它子范围的颗粒尺寸范围(筛孔尺寸范围)。筛孔尺寸的该差异可以在材料构成分开的层的图1的实施例中工作良好；然而，在图2的实施例中，可有利的是使粉末状合金材料38和粉末状焊剂材料40具有重叠的筛孔尺寸范围或者具有相同的筛孔尺寸范围，以便有助于粉末的混合和馈送并且在焊接过程期间提供改进的焊剂覆盖。

能量束42在图2的实施例中是具有通常为矩形的横截面形状的二极管激光束，虽然也可以使用其它已知类型的能量束，诸如电子束、等离子束、一个或多个圆形的激光束、扫描激光束(扫描一个、两个或三个维度)、集成的激光束等。矩形形状可以针对具有相对大的区域要被包覆(诸如用于修复燃气涡轮发动机叶片的端部)的实施例是特别有利的。由二极管激光器所产生的大面积光束有助于减小焊接热量输入、热影响区域、从基底和剩余应力中的稀释，所有这些都减小通常与超合金修复相关联的开裂影响的趋势。用来生成大面积激光器曝光的光学条件和硬件光学器件可以包括但不限于：激光束的散焦；在聚焦处生成矩形能量源的二极管激光器的使用；诸如在聚焦处产生矩形能量源的拼接镜之类的集成光学器件的使用；一个或多个维度的激光束的扫描(光栅)；以及可变光束直径的聚焦光学器件的使用(例如，针对精细细节的工件在聚焦处的0.5mm变化到针对较不精细的工件在聚焦处的2.0mm)。光学和/或基底的运动可以被编程为在选择性激光熔化或烧结过程中以建立自定义形状层沉积。该过程在已知的激光熔化或烧结过程中的优点包括：高沉积率和在每个处理层中厚的沉积；在热沉积的金属上延伸而不需要惰性气体的改进的屏蔽；焊剂将提高本会导致凝固开裂的成分的沉积的清洗；焊剂将提高激光束吸收并且最小化回到处理设备的反射；熔渣的形成将塑造并支持沉积，保存热量并且减缓冷却速率，从而减少在焊接后加热处理期间本促使应变时效(再热)开裂的剩余应力；焊剂可以补偿元素损失或添加合金元素；以及粉末和焊剂预放置或馈送可以被选择性地、有效率地进行，因为沉积物的厚度大大减少参与总部件建造的时间。

图2的实施例还图示了使用基合金供给材料44。供给材料44可以是丝或带的形式，其朝向基底32被馈送或摆动，并通过能量束42被熔化以贡献熔池。如果需要，供给材料可被预加热(例如，电)，以减少从激光束所需的总能量。虽然很难或不可能将一些超合金材料形成为丝或条的形式，诸如纯镍或镍-铬或镍-铬-钴之类的材料却容易以那些形式得到。在图2的实施例中，基合金供给材料44、粉末状合金材料38和粉末状焊剂材料40被有利地选择，使得包覆材料30的层具有期望的超合金材料的组成。填充材料可以仅是定义了期望的超合金材料的元素的组成的元素的可挤压子集，并且粉末状金属材料包含补充填充材料中的元素来使得限定期望的超合金材料的元素的组成完整的元素。填充材料和粉末状金属材料组合在熔池中以形成期望的超合金材料30的修复表面。如在图1中，该过程产生了熔渣46的层，其保护、成形并且热绝缘包覆材料30的层。

图3图示了使用冷金属电弧焊炬54将超合金材料50的层沉积到超合金基底52上的实施例。炬54被用来馈送并且熔化填充材料56，填充材料56具有芯丝或带材的形式，包括填充有粉末状材料59的中空的金属护套57。粉末状材料59可以包括粉末状金属合金和/或焊剂材料。有利地，该金属护套57由诸如镍或镍-铬或镍-铬-钴之类的可以方便地形成为中空的形状的材料形成，并且粉末状材料59被选择为使得期望的超合金组成在填充材料56被熔化时形成。护套含有充足的镍(或钴)以获得期望的超合金组成，因而该护套对粉末状芯材的固体与固体比率例如可以维持在3：2。电弧的热量熔化填充材料56并且形成由熔渣58的层覆盖的期望的超合金材料50的层。粉末状焊剂材料可在填料56中提供(例如，芯体积的25％)，或者其可以被预放置或沉积到基底52的表面上(未示出-参见图2)，或两者皆可。在各种实施例中，焊剂可以是导电的(电渣)或不导电的(埋弧焊)，并且它可以是化学中性的或添加的。如以前，填充材料可以被预加热以减少所需的过程能量——在该情况下是从冷金属弧焊炬所需的能量。焊剂的使用将提供屏蔽，从而减少或省去了通常在冷金属电弧过程中所需的惰性或部分惰性气体。

图4图示了使用诸如激光束64之类的能量束来熔化填充材料66的将超合金材料60的层沉积到超合金基底62上的实施例。如以上关于图3所述的，填充材料66包括金属护套68，其由诸如镍或镍-铬或镍-铬-钴之类的可以方便地形成为中空的形状的材料构成，并且粉末状材料70被选择为使得期望的超合金组成在填充材料66被激光束64熔化时形成。粉末状材料70可以包括粉末状焊剂以及合金元素。激光束64的热量熔化填充材料66并且形成由熔渣72的层覆盖的期望的超合金材料60的层。如以前，填充材料可以被预加热以减少所需的过程能量——在该情况下是从激光束所需的能量。

填充材料56、66的一个实施例被配制以沉积合金247材料，如以下：

-护套固体体积是总金属固体体积的大约60％并且是纯Ni；

-芯金属粉末体积是包含足够的Cr、Co、Mo、W、Al、Ti、Ta、C、B、Zr和Hf的总金属固体体积的大约40％；当从护套中与纯镍一起熔化和混合时产生合金247组成，其标称重量百分比是8.3Cr、10Co、0.7Mo、10W、5.5Al、1Ti、3Ta、0.14C、0.015B、0.05Zr和1.5Hf；以及

-芯焊剂粉末体积表示附加的、在很大程度上非金属的丝体积，可能在大小上与金属粉末体积大约相等，并且包括以35/30/35比率的氧化铝、氟化物和硅酸盐。焊剂的筛孔尺寸范围是诸如用来在芯金属粉末内均匀地分布。

对于熔化的热量由电弧提供的实施例，普遍的是在焊剂或屏蔽气体中提供二氧化碳以便于维持电弧稳定性。然而，二氧化碳将与钛反应并且一些钛在熔化过程期间将作为蒸汽或氧化物损失。本方法允许包含在填充材料中钛的量超出在沉积的超合金组成中所期望的钛的量以补偿该损失。针对上述合金247的示例，包含在芯金属粉末中钛的量可以从1％提高到3％。

针对根据本文描述的方法的超合金材料的修复过程可以包含制备待由根据期望的研磨而修复的超合金材料表面以移除缺陷，清洁表面，然后将含有焊剂材料的粉末状材料的层预放置或馈送到表面上，然后将能量束横穿表面以将粉末和表面的上层熔化为具有浮动熔渣层的熔池，然后使熔池和熔渣固化。熔化工作以在基底的表面处愈合任何表面缺陷，根据通常由已知的机械和/或化学过程将熔渣移除而留下更新的表面。粉末末状材料可以仅是焊剂材料，或者针对超合金包覆材料的层是期望的实施例，粉末状材料可以含有以下形式的金属粉末而使得熔化在表面上形成包覆材料的层：或者作为在粉末状焊剂材料的层以下的单独的层、或者与粉末状焊剂材料混合、或者与焊剂材料组合成为复合颗粒。可选地，供给材料可以以带或丝的形式被引入熔池中。粉末状金属和供给材料(如果有的话)以及来自可以是中性或添加的焊剂材料的任何金属贡献，在熔池中被组合以产生具有期望的超合金材料的组成的包覆层。在一些实施例中，镍、镍-铬、镍-铬-钴或其它方便挤压的金属的供给材料与适当的合金金属粉末结合以产生在包覆中期望的超合金组成，从而避免将期望的超合金材料形成为成丝或带的形式的问题。

虽然不一定需要预加热基底以获得可接受的结果，在一些实施例中可能期望的是在熔化步骤之前将热量施加到超合金基底和/或供给材料和/或粉末，诸如用来提高基底材料的延展性和/或降低本需要用来熔化填料的光束能量。一些超合金基底的延展性改进在高于合金的熔点的大约80％的温度处被实现。类似地，冷却固定装置可选地可以用于特定的应用，其与能量束的精确热量输入的组合可以最小化由于熔化过程导致的在材料中产生的应力。此外，本发明不需要惰性屏蔽气体，虽然如果需要的话可以在一些应用中使用补充屏蔽气体。如果填充材料44被使用，其在一些实施例中可以是预加热的。

可以使用的焊剂材料包含市场上可获得的，诸如那些以名称LincolnweldP2007、BohlerSoudokayNiCrW-412、ESABOK10.16或10.90、SpecialMetalsNT100、OerlikonOP76、Sandvik50SW或SAS1出售的焊剂。焊剂颗粒在使用前可以被研磨成期望的较小的筛孔尺寸范围。常规用于诸如燃气涡轮发动机之类的高温应用的当前可用的基于铁、镍或钴的超合金中的任何一个，包括上述的那些合金，可以利用本发明的方法被接合、修复或涂覆。

其它变体可提供热量以用于熔化通过供给材料，而不是利用能量束或者与能量束组合。例如，图2的丝或带的供给材料44可以被通电以在粉末和焊剂的层以下形成电弧，其中丝是以挤压形式容易获得的材料(即，不是超合金材料)并且粉末包含其它必要的合金元素以在组合的熔池中形成期望的超合金组成。可替代地，粉末和焊剂可以被选择为导电的，诸如用来促进有效地形成超合金包覆材料的层的电渣焊接过程。在又一个实施例中，混合有超合金粉末材料的焊剂粉末可以使用传统等离子弧熔覆设备(可选具有冷却固定装置)被馈送到超合金基底。在各种实施例中，基底、供给材料和/或粉末可以被预加热。由于利用能量束(±1-2％)比利用电极(±10-15％)的热量输入的精确程度更高，可以期望的是利用能量束占总热量输入的一半以上。光束能量可以导致埋弧焊或电渣过程启用具有从基底的最小稀释的初步熔池，然后埋弧焊或电渣贡献可以添加到沉积的体积，而没有显著的进一步基底冲击，从而最大限度地减少稀释效应。

根据各种实施例，混合的埋弧焊焊剂和合金247粉末被预放置为从2.5到5.5mm的深度，并且实现在最终的焊后热处理之后的无裂缝激光熔覆沉积物。功率水平从0.6到2千瓦的镱光纤激光已被用于与振镜扫描光学器件一起使用，使熔池沉积物的宽度为从3至10mm、行进速度为125mm/min。通过染料渗透测试和沉积截面金相检验已经确定没有裂纹。要理解的是，合金247处于在如图6中所示的已知超合金中最难以焊接的之中，从而证明了本发明的可操作性针对于超合金组成的全范围，包括那些具有大于3wt％的铝含量。

可以理解，当修复超合金基底时利用粉末状焊剂材料的优点被实现，无论添加的包覆材料是否被沉积。在超合金基底中的表面裂纹可通过利用粉末状焊剂材料覆盖表面然后加热该表面和焊剂材料以形成具有浮动熔渣层的熔池而被修复。一旦在渣层的保护下熔池凝固，将形成没有裂纹的清洁表面。

通过使用具有通常为矩形能量密度的二极管激光器，激光能量可跨表面面积被施加。可替代地，以圆形激光束来回进行光栅扫描是可能的，因为它沿着基底向前移动以实现区域的能量分布。图5图示了其中具有光斑直径D的大致为圆形的光束从第一位置74移动到第二位置74'然后到第三位置74”等等的一个实施例的光栅扫描图案。在其方向改变的位置处的光束直径图案的重叠O的量优选处于D的25-90％之间，以便于提供材料的最佳的加热和熔化。可替代地，两个能量束可以同时被光栅扫描以达到跨表面区域的期望的能量分布，其中在光束图案之间的重叠处于相应的光束的直径的25-90％的范围内。

图7图示了利用粉末状焊剂材料的激光微包覆过程。一个或多个喷嘴90a、90b被用来向基底94引导含有推进剂气体和粉末状材料的射流92。该基底可以是超合金材料或可以不是超合金材料，但可以有利地是位于超出图6的线80限定的可焊区的材料。在射流92中的粉末状状材料可以包含在被融化时需要从空气进行保护的任何合金材料93a，并且有利地可以包含位于超出图6的线80限定的可焊区的粉末状合金材料。由于粉末状材料朝向基底94的表面推进，它通过诸如激光束96之类的能量束被熔化以形成熔池98。粉末状材料还包括粉末状焊剂材料93b，其与粉末状合金材料93a一起熔化，然后分离并固化以在包覆合金材料102的层上形成熔渣100的层，因为该过程是横跨基底94的表面的。熔渣100在材料已经使用任何已知方法冷却之后被移除。粉末状焊剂材料93b提供在以上图1-4的过程中归因于粉末状焊剂材料的所有优点。而且，因为粉末状焊剂材料93b在处理的点处(即，在熔池本身以内)提供了屏蔽和脱氧作用，推进剂气体可以是诸如氩之类的传统惰性气体，或者它可以是不太昂贵的氮气或空气。

如以上关于图1-4描述的，在射流92中的粉末状焊剂93b和粉末状合金材料93a可以具有重叠的筛孔尺寸范围或者可以作为复合颗粒被形成。因为不需要预放置粉末，图7的过程可以被施加到非水平表面上，并且进一步可以结合多轴工具使用以将包覆施加到三维表面，诸如沿燃气涡轮燃烧器尾锥的内表面。在一个实施例中，图7的过程可被使用以针对海洋应用施加硬面或不锈钢的耐腐蚀材料。焊剂93b与合金部93a可以从相同的喷嘴供给，或者可以从单独的喷嘴90b、90a独立地供给。

图7的过程克服了针对超合金材料的沉积的传统激光微包覆的限制，因为较高的沉积率(诸如沉积率翻番而没有添加焊剂)是可以实现的，而没有使用标准焊后热处理造成的开裂。如由图5图示的激光二极管或者激光束的光栅扫描可以促进这样的高沉积速率。

图8图示了根据本发明的实施例的诸如选择性激光烧结或选择性激光熔化(在本文中统称为选择性激光加热)之类的增材制造过程。增材制造装置110包括粉末馈送部分112和制作部分114。粉末馈送部分112含有一定体积的粉末116，其通过诸如滚筒118之类的粉末馈送和分布设备而被选择性地移动到制作部分114，该滚筒118将未处理的粉末116的预定厚度递送到跨制作部分114的制作粉末床120的整个顶表面。然后，扫描系统122在跨制作粉末床120的整个表面部分以编程的图案选择性地扫描诸如激光束124之类的能量束，从而选择性地加热(熔化、部分熔化或烧结)及固化粉末的区域以形成部件126的一部分。然后，递送活塞128向上移动以使附加的粉末116提供给滚筒118，制作活塞130向下移动以允许制作粉末床120接受粉末116的另一个层，并且该过程利用激光束124的分度(indexing)的图案而被重复以形成期望的部件形状。

利用涉及超合金材料的现有技术的选择性激光加热过程，粉末状超合金材料在惰性覆盖气体以下被加热以保护熔融或部分熔融的粉末116从而不与空气接触。与此相反，图8中所示的本发明的实施例利用粉末状超合金材料116'加粉末状焊剂116”作为粉末116，因而加热不必(虽然它可以任选地)在惰性覆盖气体以下执行，因为熔融焊剂提供了从空气的必要的屏蔽。粉末116可以是粉末状合金116'和粉末状焊剂116”的混合物，或者如上所述，它可以是合金和焊剂的复合颗粒。为了提高过程的精度，粉末116可以是细筛孔的，例如20至100微米，并且焊剂颗粒116”的筛孔尺寸范围可以与合金颗粒116'的筛孔尺寸范围重叠或相同。这样小的颗粒的尺寸导致每单位体积的较大表面积，因而针对在合金颗粒表面上形成的问题氧化物有较大潜力。复合颗粒可以通过利用焊剂材料涂覆合金颗粒而最小化该问题。此外，熔融的焊剂将通过形成保护气体并且通过与氧化物和其它污染物的反应并将它们浮到它们在该处形成容易被移除的熔渣132的表面而提供清洁动作以减小熔体缺陷。在粉末116的下一层被移动到制作粉末床120中之前，从每个熔融层移除熔渣132。用于移除熔渣的一个装置在同时递交的美国专利申请号XXX(代理人案号2012P27618US)中描述，其通过引用并入本文。

焊剂116”用作光阱以协助激光能量的吸收，并且生成的熔渣132减慢冷却速率并含有过程能量。焊剂116”可以被配制为在一些实施例中有助于沉积化学反应。尽管不是必需的，在加热步骤之前加热粉末116和/或部件126可能是有利的。过程后热等静压也不被可在一些实施例中使用的那些所要求。完成的部件126的焊后热处理可以以再热裂纹的低风险执行，即使是针对在以上关于图6讨论的可焊区以外的超合金。

图8中图示的过程针对原始设备制造或者针对零件的快速成型而言是有用的。此外，该过程可以用于部件修复应用，诸如用于形成在燃气涡轮叶片上的已经从翻新服务中移除了的替换叶片尖。本发明省去了惰性覆盖气体的需要，提供了精确的激光加工以用于紧密公差控制，提供了在选择性激光加热过程中使用的精细超合金粉末上的氧化物的长期问题的解决方案，并且允许具有超过前述已知可焊区的组成的超合金的无裂纹沉积。

将理解的是，使用粉末状材料有助于功能梯度材料的沉积，其中所沉积的材料的组成跨越时间和空间而变化。例如，如果图8的部件126是燃气涡轮叶片，叶片的平台部分可以是第一组成并且叶片的翼面部分可以是不同的第二组成。在其它实施例中，合金组成可以从产品的内壁变化至产品的外壁，或从产品以内变化至靠近它的表面。该合金组成可以响应于预期的操作条件而变化，该预期的操作条件需要不同的机械或抗腐蚀特性，并且也考虑到材料的成本。

虽然本发明的各种实施例已在本文中示出和描述，但是很明显，这些实施例仅通过示例的方式提供。许多变化、改变和替换可以做出而不脱离本发明。因此，本发明仅旨在由所附权利要求书的精神和范围所限制。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

在表面上放置粉末的第一层，所述粉末的第一层包含合金材料和焊剂材料；

跨粉末的所述第一层分度能量束以在熔渣的上覆层以下选择性地固化合金的区域；

移除所述熔渣；

以有效地形成期望的部件形状的分度的图案重复所述放置、分度和移除步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括形成粉末的所述层作为合金颗粒和焊剂颗粒的混合层。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述合金颗粒的筛孔尺寸范围和所述焊剂颗粒的筛孔尺寸范围重叠。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括形成粉末的所述层作为复合的合金颗粒和焊剂颗粒的层。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述合金材料包含超出在绘制钛含量对铝含量的超合金的图上定义的可焊区的组成，其中所述可焊区的上边界由与所述钛含量的轴线在6wt%相交并且与所述铝含量的轴线在3wt%相交的直线形成。

6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括焊后热处理所述部件形状而不引入再热裂纹。

7.根据权利要求1所述的方法，所述方法被执行而不提供惰性气体的保护覆盖。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述焊剂材料被配制为促进合金的固化区域的沉积化学反应。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述能量束是激光束。

10.一种增材制造方法，其中改进包括：

选择性地加热粉末的连续层的相应的区域以形成由熔渣覆盖的合金的固化区域，所述粉末包含合金材料和焊剂材料；以及

在加热每个下一个连续层之前移除所述熔渣。

11.根据权利要求10所述的方法，其中粉末的所述层包括混合的合金颗粒和焊剂颗粒。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述合金颗粒的筛孔尺寸范围和所述焊剂颗粒的筛孔尺寸范围重叠。

13.根据权利要求10所述的方法，其中粉末的所述层是复合的合金颗粒和焊剂颗粒的层。

14.根据权利要求10所述的方法，其中所述合金材料包含超出在绘制钛含量对铝含量的超合金的图上定义的可焊区的组成，其中所述可焊区的上边界由与所述钛含量的轴线在6wt%相交并且与所述铝含量的轴线在3wt%相交的直线形成。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：

重复所述加热和移除步骤以形成期望的部件形状；以及

焊后热处理所述部件形状而不引入再热裂纹。

16.根据权利要求10所述的方法，所述方法被执行而不提供惰性气体的保护覆盖。

17.根据权利要求10所述的方法，其中所述焊剂材料被配制为促进合金的固化区域的沉积化学反应。

18.根据权利要求10所述的方法，其中所述能量束是激光束。

19.一种方法，包括：

形成包含超合金材料和焊剂材料的粉末；

在增材制造方法中使用所述粉末以在一系列层中形成期望的部件形状；以及

在形成下一层之前从每层中移除熔渣。

20.根据权利要求19所述的方法，将所述粉末形成为包括混合有焊剂材料颗粒的超合金材料颗粒。