CN105283264A - 通过光透射的熔渣的材料加工 - Google Patents

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Abstract

一种用于随着熔池(28)在熔化的熔渣层(30)下方固化而生长基底(24)的方法。能量束(36)被用来熔化在熔渣层以下的粉末(32)或具有粉末状合金芯(44)的中空供给丝(42)。熔渣层对能量束是至少部分透明的(37)，并且其对能量束可以是部分光学吸收的或半透明的从而吸收足够以保持熔融的能量。正如传统的ESW过程，熔渣层隔离融化的材料并屏蔽该熔融材料与空气的反应。粉末的组成可以跨生成的部件(60)的固化轴线(A)而被改变以提供功能梯度定向固化的产品。

Description

通过光透射的熔渣的材料加工
本申请要求于2013年1月31日递交的美国临时专利申请号61/758,795的权益。
技术领域
本发明通常涉及材料技术领域，更具体地涉及使用能量束熔化供给材料的添加方法，并且在一个实施例中涉及用于使用激光热源沉积金属的方法。
背景技术
电渣焊(ESW)是一种传统的方法。ESW通过连续使电流通过一个或多个供给金属丝、经由熔化的和导电的熔渣到基底表面以生成熔化的合金池。在该过程中没有电弧，但在熔渣和金属中的电阻生成热量并且连续地熔化供给金属，由此加入熔化的金属池。随着熔池的深度增大，在该池的底部的金属被冷却并且在竖直方向上固化，由此向基底加入新铸造的材料。这种类型的方法通常被用来接合非常厚的板，诸如用于桥梁或储油罐。在那些应用中，正在被接合的板的边缘含有熔池的两个侧面并且水冷铜滑块被用来含有其它两个侧面。
电渣焊的缺点是通常由初始硬件设置所固定的填充金属和电能的递送缺乏灵活性。这使得一旦它正在进行则难以优化热分布、改变填充金属、或以其它方式修改该方法。其结果是，ESW不是普遍被用来修复现有部件的方法。
附图说明
本发明根据附图在以下描述中进行解释，该幅图示出了：
图1是根据本发明的各个方面操作的装置的示意性前剖面图。
图2是根据本发明的第二实施例操作的装置的示意性前剖面图。
图3是根据本发明的第三实施例操作的装置的示意性前剖面图。
图4是根据本发明的方面的燃气涡轮发动机叶片的剖面图。
图5是根据本发明的方面的材料沉积过程的示意性前剖面图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的各个方面操作的装置20。该装置包括模具22，它例如可以是具有或不具有冷却和/或加热的水冷铜模或耐熔金属或陶瓷模具。合金基底24被沉积及累积在模具22上。随着金属合金熔池28在熔化的熔渣层30下方固化，合金基底24可以单轴地26生长。合金粉末32可以通过供给设备34被沉积到熔渣层30上或喷到熔渣层30中。合金粉末32可通过熔化的熔渣层30的表面张力被喷洒，或者合金粉末32可以在熔化之前或熔化期间由于其重量而浸没。激光束36沿着一个或多个路径38被引导，如后所述，其可以被扫描并光栅化以便于形成期望的熔融区域。
本发明施加诸如激光能量36之类的能量束到粉末32以添加至熔池28，用于修复、焊接或制作。覆盖熔池28的熔渣层30对激光能量至少是部分透射的。正如传统的ESW过程，熔渣层30隔离熔融金属28并屏蔽该熔融材料与空气的反应。熔渣材料可以被选择用于与空气进行低反应。以合金粉末32形式的填充金属(用于熔池的给料)被供给到池中，由激光能量熔化并且被允许固化以添加至合金基底24。熔渣可以是对激光能量部分地光学吸收的或半透明的以从激光36吸收足够的能量从而保持熔融。熔渣层30提供针对熔池28的热绝缘并且可以保持被熔化的金属28充分加热，而不需要像在一些实施例中是对激光能量部分吸收的。
图2示出了在其中给料以丝或带的形式提供的实施例40，该给料诸如为具有可含有期望的合金24的成分的粉末状合金芯44的中空供给丝42。一些超合金难以制作成丝但作为粉末可用。中空丝42可以从期望的合金的可挤出的子集来制作，其中粉末的芯44含有剩余的成分。例如，NiCoCrAIY超合金可能难以提取或挤出成丝。然而，镍丝可以利用含有Co、Cr、Al和Y的粉末的中空芯制成。这些粉末可以由以合金的形式和/或作为元素或化合物形式的颗粒形成。焊剂材料和/或其它熔渣增强成分也可以被包含在芯中。在熔池中的成分的混合可以通过熔融物的电磁搅拌和/或通过供给丝的搅拌运动或振动或其它方式加以改进。这样的混合改进了合金24中的成分比例的均匀性，并加速熔渣和释放的气体从熔池30的分离。
在另一实施例中，供给丝和粉末状金属的组合可以作为供给材料被使用。粉末状给料的组成可以在加工期间通过调节到粉末供给件34的供应或者通过调节多个粉末供给件而被改变，以便于形成具有梯度组成的成品金属修复层或制作。
柔性激光光学器件沿着期望的加热路径38移动激光束36，并且在其沿着路径行进时可以使激光束横向于该路径进行扫描，或者可以使激光束遵循预定义的矢量进行扫描，并可以光栅扫描激光束(在通过连续的并行扫描正在被绘制的形状的边缘处开启/关闭)。激光扫描是激光束的例如使用移动反射镜或棱镜或其它器件的受控偏转。这提供了自定义可编程的、无限形状的光能量束，促进了针对每个应用的每个部分的最佳能量整形。在加工过程中其允许改变光束曝光区域的形状而不停止，其适应正在被修复的表面或者正在被焊接的接合的变化。电渣焊不能利用相同的灵活性和控制能力做到这一点，因为在ESW中所生成的热能的形状主要是由在加工期间更难且更慢连续地控制的(多个)供给丝的形状和布置或者通过改变难以控制的熔融物和熔渣中的电阻的分布而确定的。
熔渣层30通过最初沉积粉末状焊剂材料的层并且然后加热及熔化该焊剂材料以形成熔化的熔渣层30而被形成。用于本发明的实施例的加工金属合金的熔渣/焊剂材料可以包括以下特性：
1、在低于该金属合金的熔点(例如小于1260℃)的温度被熔化。这在来自下面的熔化的金属的热量基本上保持熔渣的覆盖层处于熔融状态的情况下是有用的。
2、可替代地，在金属合金的熔点处或适度高于该熔点的温度被融化。这在除了能量从熔化的金属被吸收以外来自激光的附加能量也被熔渣吸收以将它维持在升高的温度的情况下是有用的。
3、对激光波长完全透射或者至少部分光学透射以不吸收激光能量或者足够的激光能量从而保持熔融。
4、将熔化的金属从与空气的反应中屏蔽。
5、是不与空气反应的，除非惰性气体的表面屏蔽提供了这样的保护。
满足这些要求的材料包含用来制造纤维、透镜、和用于金属加工激光的窗，以及磷酸盐、硅酸盐和ZBLAN玻璃的至少一些材料。示例列于下面的表1中：
表1
在该表中的透射的波长是针对固体材料的。用于流体材料的等效数据不可用——可能是因为没有人考虑在液体状态下使用这种材料。一些材料具有在液态下改进的透光率。例如，氦氖激光束具有通过固体冰相对较弱的透射率；然而，它具有通过液体水的高透射率。由WilliamJ.O'Sullivan发表(NASALangley)的另一个示例是在玻璃板之间包括一层石蜡的可变透明壁。当暴露到强光时，本不透明的或半透明的石蜡熔化并变得透光，从而允许该壁自调节其温度。以上引用的ZBLAN玻璃的族具有优于硅石的透射率并且具有用于激光光纤应用的潜力，但仅当该材料可在没有微晶的情况下被制造时。这样的制造可能仅在零重力下是可能的。然而，在考虑用于本发明的液体状态时，材料将不具有微晶并预期有优越的透射率。此外，使用ZBLAN玻璃通常被其脆弱性限制，当如本文公开的以粉末和液体形式使用时这不是一个问题。
对于本申请可使用的超合金包括但不限于：CM247、Rene80、Rene142、ReneN5，Inconel718、X750、738、792和939、PWA1483和1484、C263、ECY768、CMSX-4和X45。根据本发明，甚至传统上被认为是不可焊接的超合金(即，多于3wt％的铝和/或多于6wt％的钛)也可被成功沉积。诸如热等静压(HIP)之类的焊前和焊后热处理和加工可以被添加。
本文公开的过程可以用来以高沉积率修复传统锻造的、定向固化的和单晶的超合金而没有缺陷，使得该修复具有原始锻造结构的性质。诸如MAR-M-247之类的高体积百分比γ'(gammaprime)强化的镍基超合金(以wt％：Ni60％、Co10％、W10％、Cr8.3％、Al5.5％、Ta3％、Hf1.5％、Ti1％、Mo0.7％、C0.1％、Zr0.1％)可在待被修复的类似的材料表面上被锻造。本发明提供了高金属沉积率，同时实现了在形状、微结构和性质上复制原始制造的单轴锻造堆积。应用包括但不限于燃气涡轮叶片和轮叶的修复。其也可以被应用到除了超合金以及除了金属以外的其它材料。
对于涉及修复现有部件的本发明的应用中，图中的模具22的容纳功能可以由现有部件的一部分来实现。例如，如果燃气涡轮发动机叶片平台通过磨削平台的开裂部分然后利用以上所述的过程沉积新的材料而被修复，熔池28和熔化的熔渣30可以至少部分地由现有平台的未挖掘的部分包含。如果平台具有靠近其边缘的缺陷，例如，平台的该边缘将被移除，并且未挖掘材料的剩余壁将部分地包含熔池和炉渣，而附加的铜、石墨或陶瓷滑块将被定位在该平台边缘处以在该平台新重整的边缘处含有熔池和熔渣。
图3图示了对于具有复杂几何形状的部件的制作有用的本发明的另一个实施例。坩埚50可以具有包括弯曲的或非平面分段52的内部几何形状。如果内部几何形状是不变的或在竖直向上的方向上变大，随着坩埚填充，沉积的材料将自然流入更宽的区域。坩埚50还包括可移动的分段(section)或层54a、54b、54c，其提供在竖直向上的方向上变小的部件形状的制作。层54a、54b、54c每个被成形为表示在最终产品中期望的对应分段。能量束被示为具有大致矩形横截面的二极管激光束56。激光束56的大小可以被调节为对应于熔化的熔渣层30的暴露表面的大小。随着合金熔池28在坩埚50以内固化，基底58采取坩埚50的内部几何形状。当该基底58固化到给定分段54b的顶部时，下一个更高的分段54c被放置到位。在缩回位置中的分段54c由图3中的实线图示，允许材料沉积到分段54b中。分段54c随后被移动进入由图3的虚线指示的锻造位置，在该处其突出超过分段54b以用于形成具有不同形状的基底58的进一步的层，从而在基底58中定义了台阶或架。
根据本发明的可以在图3的坩埚中被制作的部件的一个示例是图4的燃气涡轮发动机叶片60。叶片60包括由平台分段66连接到翼型分段64的根分段62。随着叶片60被铸造在诸如坩埚50之类的坩埚中，坩埚50的固定轮廓52可被用来定义根分段62和平台分段66的形状，而可动分段54c可以被用来定义从平台分段66到翼型分段64的台阶。
通过材料沉积过程的适当控制，叶片60可以形成为定向固化的或单晶的材料。热移除装置68可与坩埚50的底部相关联以移除热量并且刺激合金熔池28在竖直向上方向上的定向固化。一个或多个温度控制装置70可以与坩埚50的侧面相关联以在基底58的生长期间热绝缘、加热和/或冷却坩埚50的部分。例如，装置70可以简单地隔离坩埚50的壁以允许热移除发生在坩埚50的底部；或者它可以提供热量以在初始阶段期间辅助熔渣层30的熔化，然后在基底58的表面生长到接近装置70的位置时提供冷却。
通过随时间改变被供给进入坩埚50合金粉末32的组成，可以在制作的部件中实现梯度材料组成。例如，响应于待由叶片60的根分段62和翼型分段64在燃气涡轮发动机的操作期间所经历的不同的应力和环境条件，形成在不同区域具有不同的材料组成的叶片60现在是可能的，即使叶片60是定向固化的或者单晶的材料。例如，叶片60可以是单晶的超合金材料，其具有通过提供具有用于强度的相对高百分比的铝的供给粉末32而形成的根分段62，并且具有通过提供具有用于腐蚀保护的相对高百分比的铬的供给粉末32而形成的翼型分段64。而且，叶片60的尖端部分72可以通过包含供给粉末32中的耐磨材料而形成。因而，制作功能梯度定向固化的(包含单晶)部件(包括超合金部件)现在第一次成为可能，其中材料的化学组成跨其固化轴线A而改变。
在材料沉积过程期间的供给粉末32的变化可仅涉及在正在被沉积的材料(即，图4的叶片60的金属合金)中的变化，和/或它可涉及在供给粉末32中包含的或以其它方式提供到熔化的熔渣层30的焊剂材料的变化。不是所有的焊剂都对所有材料都是最优的，所以熔化的熔渣层30可以利用附加的材料来增加，或者它可以通过随着替代焊剂被加入提取一些熔渣而以可替代的材料取代。
本发明的实施例并不限于在干果中形成的竖直生长的基底。图5图示了能量束74横跨76包含金属合金的颗粒和焊剂材料的颗粒的粉末78的层的表面的实施例。焊剂材料可以在合金材料上面形成层，或者颗粒可以被预混合，或者颗粒可以具有含有两种材料的复合结构。能量束74熔化粉末78的层以形成熔池80，其中熔化的焊剂材料形成设置在随后固化到基底86上的熔化的合金材料84的层之上的熔化的熔渣82的层。焊剂材料/熔渣82被选择为对能量束74是至少部分地透射的，以便于允许能量熔化合金颗粒。在能量束74后面形成的固化的熔渣88可以随后利用任何已知方法移除，以展现扩展的基底86的新沉积的表面90。
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。

Claims (20)

1.一种方法，包括将能量束引导通过对所述能量束部分地透射的熔化的熔渣层，以便于熔化供给材料以用于在所述熔渣层以下固化和沉积到基底上。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
将作为粉末的所述供给材料和焊剂材料沉积到所述基底上；
将所述能量束横跨所述粉末以形成所述熔化的熔渣层和熔化的供给材料；以及
允许所述熔化的供给材料在所述横穿的能量束后面在所述熔渣层以下固化到所述基底上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述能量束包括激光束并且所述熔渣层包括以下组中的至少一个：磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、二氧化硅、蓝宝石、氟化镁、氟化钙、氟化钡、硒化锌、硅、锗和ZBLAN玻璃。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将作为粉末、丝或带的所述供给材料提供进入所述熔化的熔渣层。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将作为填充有粉末状合金材料的有芯丝的所述供给材料提供进入所述熔化的熔渣层。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述供给材料和能量束引导进入坩埚中以用于在所述坩埚以内生长所述基底的表面，随着熔化的供给材料沉降到所述基底表面上并且固化，所述熔化的熔渣层在所述基底的生长的表面以上浮动。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：
引导作为激光束的所述能量束进入所述坩埚；以及
主动地冷却所述坩埚的底部以竖直地定向固化所述基底。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括在主动地冷却所述坩埚的所述底部的所述步骤期间隔离或主动地加热所述坩埚的侧面。
9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
隔离或主动地加热所述坩埚接近所述熔化的熔渣层的侧面；以及
主动地冷却所述坩埚接近所述基底的所述表面的侧面。
10.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：
连续地供给粉末状供给材料进入所述坩埚，同时主动地冷却所述坩埚的底部以竖直地定向固化所述基底；以及
随时间改变所述粉末状供给材料的组成以形成定向固化的基底，所述定向固化的基底包含跨其厚度的梯度组成。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括在连续地供给的所述步骤期间改变铝在所述粉末状供给材料中的百分比。
12.根据权利要求10所述的方法，进一步包括在连续地供给的所述步骤期间改变铬在所述粉末状供给材料中的百分比。
13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
连续地引导粉末状供给材料和所述能量束进入坩埚；
经由通过所述坩埚的底部的热传递冷却及固化熔化的供给材料以生长单晶基底材料；以及
在连续地引导粉末状供给材料的所述步骤期间改变所述粉末状供给材料的组成以产生跨所述单晶基底材料的厚度的梯度组成。
14.根据权利要求1所述的方法，进一步包括引导所述供给材料和能量束进入坩埚以用于在所述坩埚以内生成具有对应的形状的基底，所述坩埚包括跨其深度的变化的截面形状。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括形成随着所述基底生长选择性组装的截面的所述坩埚。
16.一种产品，由以下方法形成：
引入粉末状合金材料的供给件进入坩埚；
引导能量束进入所述坩埚以在熔化的熔渣材料的层以下熔化所述粉末状合金材料；
经由通过所述坩埚的底部的热传递冷却及固化所述熔化的合金材料以在所述熔化的熔渣材料以下生长所述合金材料的定向固化的基底至期望的厚度；以及
在引入所述合金材料的所述步骤期间改变粉末状合金材料的所述供给件的组成以跨所述基底的厚度使得所述基底的组成形成梯度。
17.根据权利要求16所述的方法形成的产品，进一步包括经由通过所述坩埚的所述底部的热传递冷却及固化所述熔化的合金材料以生长功能梯度单晶基底材料。
18.根据权利要求16所述的方法形成的产品，进一步包括在引入的所述步骤期间改变在粉末状材料的所述供给件中铝和铬中的至少一个的百分比。
19.根据权利要求16所述的方法形成的产品，进一步包括与改变粉末状合金材料的所述供给件的组成一致地改变熔化的熔渣的所述层的组成。
20.一种装置，包括具有固化轴线的定向固化的材料，其中改进包括所述材料的化学组成跨其固化轴线改变。
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