CN105916614A - 用于用能量束处理零件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用能量束处理零件（10）的方法。掩模（70、80）布置在能量束的源和零件之间。掩模被构造成带有与零件的彼此相对的部分（12、14）一致的束透射部分（71）。用通过掩模的束透射部分的能量子束同时加热零件的彼此相对的部分被执行。这个同时加热被构造成将零件的热致变形保持在预先限定的公差内。执行用能量束扫描掩模，不需要精确地追踪零件的彼此相对的部分，由此避免了对于复杂的数字编程的需求，该数字编程用于追踪由零件的彼此相对的部分限定的相对复杂的几何形状。

Description

用于用能量束处理零件的方法
技术领域
当前发明一般涉及用于形成或修复零件的制造技术，诸如用于燃烧涡轮发动机的叶片或静叶的翼面；并且，更特别地涉及用于处理零件的方法，该方法涉及使用诸如激光束的能量束。
背景技术
燃烧涡轮发动机，诸如燃气涡轮发动机，典型地包括具有零件的交替布置的涡轮部段，诸如可旋转的叶片和固定的静叶。来自燃烧室部段的热气流膨胀撞击叶片和静叶的相应翼面以在涡轮部段中旋转地驱动叶片，在这里，机械能被提取以转动轴，其可以为涡轮发动机的压缩机部段提供动力。
在发动机操作期间，热气产生腐蚀性地损害叶片和静叶的表面的环境，并且经常导致氧化和点蚀。热燃气、燃烧产生的碳烟、在热燃气流内的颗粒以及其他异物也磨损涡轮叶片和静叶，并且腐蚀叶片、静叶以及其他涡轮发动机部件的表面，这可以不期望地降低叶片或静叶的使用寿命。此外，涡轮叶片的尖端区域（例如，鸣声器（squealer）尖端）经常经受大量的磨损。例如，当叶片尖端摩擦外壳的护罩时，涡轮叶片在该外壳中旋转，叶片尖端可能被磨损。高温和应力通过热-机械疲劳（TMF）进一步使这样的部件退化，并且导致经受这样的负载的零件的裂纹。
已知的是使用激光基工艺用于形成或修复涡轮发动机的这样的零件。由当前发明人创作的美国专利申请公开文献No.US 2013/0136868 A1公开了用于沉积超合金材料的改进方法，否则该超合金材料是难以焊接的。这些方法包括将粉末超合金材料与粉末熔剂材料一起激光熔化以在保护性熔渣层下面形成熔体池。除了保护熔融合金材料与大气隔离以外，熔渣执行清洁功能。在凝固时，熔渣从新沉积的超合金材料中去除以露出无裂缝表面和沉积物。即使对于超出传统的可焊接性区域的超合金材料，这样的方法已经证实是有效的。
附图说明
在下面的描述中鉴于附图解释本发明，附图显示：
图1是用于用能量束处理零件的概念化方法的示意性表示。该零件可以是用于燃烧涡轮发动机的叶片或静叶的翼面，在这里，例如，根据当前发明的每个方面，零件的相对部分可以同时加热，并且因此可以将热致几何形状的变形保持在预先限定的公差内。
图2是用于用区域能量束（诸如激光束）处理零件的掩模元件的示意性表示，在这里，掩模元件可以允许固定宽度的激光束同时加热零件的彼此相对的边缘。
图3是示意性表示，在这里，掩模元件可以允许带有可变光栅扫描宽度的点激光束同时加热零件的彼此相对的边缘。
图4是实施方式的示意性表示，该实施方式包括在共同平面上并排布置的多个掩模元件，在这里，掩模元件的至少一些可以是可调整的以限定束透射部分来与零件的彼此相对的部分一致。
图5是已知的激光处理技术的示意性表示，该激光处理技术能够在正处理的零件中引入横向变形。
具体实施方式
当前发明人已经创新性地认识到关于利用能量束（例如，用于处理可能涉及相对复杂的几何形状的零件的激光能量或能量的其他形态）的已知技术的某些限制。例如，可以用在燃烧涡轮发动机中的叶片（blades）、静叶（vanes）等的翼面涉及这样的复杂的几何形状。非限制性应用可以包括各种附加的制造工艺，其包括但不限于如可以用于将超合金粉末颗粒层沉积至超合金基底上的激光熔覆、选择性激光熔化（SLM）或选择性激光烧结（SLS）等。
当修复或形成翼面5时，使用如在图5中示意性图示的已知工艺，激光束可以被用于追踪路径，该路径包括翼面5的凸形形状边缘6，接着的是翼面5的凹形形状边缘8。然而，当前发明人已经发现，在激光追踪工艺期间，由于在翼面5中可能引起的横向变形，该束可能错过期望的待处理的目标区域，该横向变形是由于在翼面的边缘6、8之间产生的热差导致的。在这个示例中，因为凸形边缘6在凹形边缘8之前由激光束处理，所以然后凸形边缘6相对于凹形边缘8将处于相对更高的温度。类似地，如果凹形边缘8在凸形边缘6之前处理，横向变形也将出现在零件中。
鉴于这样的认识，当前发明人提出创新性的技术用于用能量束处理零件，在这里，在零件中的这样的横向变形能够被避免或者可以保持在预先限定的公差内。如在图1中概念图示的，零件的彼此相对的部分，诸如零件10的凸形和凹形边缘12、14，可以被同时加热。在这个情况中，零件的金属合金组分的热膨胀和热收缩在零件的彼此相对的部分之间被平衡，并且这有效地将零件的热致变形保持在预先限定的公差内。在一个示例实施方式中，可以实现零件的彼此相对的部分的这个同时加热，而不使用用于精确追踪零件的彼此相对部分的复杂的数字编程或激光功率协调；或不使用高成本的零件操纵（part-maneuvering）装置。
在下列详细描述中，阐述了各种具体细节以便提供这样的实施方式的深入理解。然而，本领域技术人员将理解的是，当前发明的实施方式可以被实践而没有这些具体细节，当前发明不限于所描绘的实施方式，并且当前发明可以在各种代替的实施方式中实践。在其他示例中，没有详细地描述将被本领域技术人员很好地理解的方法、过程和部件以避免不必要的且累赘的解释。
另外，各种操作可以描述为多个离散步骤，该多个离散步骤以有助于理解当前发明的实施方式的方式执行。然而，描述的顺序不应被解释为暗示这些操作需要按它们被提出的顺序执行，也不应解释为它们甚至依赖于该顺序执行，除非另有如此的描述。此外，短语“在一个实施方式中”的重复使用不必指的是相同的实施方式，尽管其可以相同。最后，当在当前申请中使用术语“包括”、“包括”、“具有”等时，其意为同义词，除非另有指示。
在图2和图3中图示的实施方式中，掩模70可以布置在能量束（例如，激光束）的源和零件之间。如在图2和图3中可以意识到的，掩模70（例如，静态掩模）可以包括束透射部分71，其具有与正被处理的零件的彼此相对部分一致的几何形状，诸如用于涡轮叶片的翼面的尖端边缘区域。
因此，用通过束透射部分71的能量子束（beamlets）来实现正被处理的零件的彼此相对部分的同时加热。在一个示例实施方式中，可以用能量束扫描掩模70使得通过掩模的束透射部分的能量子束能够同时加热零件的彼此相对的部分。这个扫描可以被执行，不需要精确追踪零件的彼此相对的部分。这将避免对于用于追踪由零件的彼此相对的部分限定的相对复杂的几何形状的复杂数字编程的需求。
在一个示例实施方式中，掩模70可以由耐激光能量的材料制成，该材料相对于激光束20是不透明的。这样的材料可以包括石墨，石墨对于激光束波长的很宽的范围是不透明的。也可以使用铜，但铜可以反射激光束，所以应该调整激光束冲击掩模束的角度以避免反射到激光光学器件。尽管下面的描述是指单激光束20，但本领域技术人员将意识到的是，指向掩模70的激光束可以包括多个激光束的组合，该多个激光束来自多个源或来自单个激光源，在这里，该束被分成多个束。
如通过在图2中的示例所图示的，区域能量束20，诸如可以由二极管激光器产生，可以按箭头C所指示的从左到右扫描。代替移动的束和固定的零件，可以用固定的激光束和从右到左移动的零件实现相同的处理。如进一步所示，束20的宽度尺寸可以总地保持恒定以包含由束透射部分71限定的轮廓的至少最大宽度。替代地，如在图3中所图示的，可以沿着掩模70的宽度尺寸光栅扫描（rastered）点能量束22，并且随着光栅扫描束22在箭头C的方向上扫描掩模70时，点能量束22可以具有预先限定的可变宽度。这个预先限定的可变宽度可以被选择成超过由束透射部分71限定的轮廓的变化宽度预先限定的边距。
掩模70可以是保持固定的单个掩模元件，或者当零件10分层反复加热时，掩模70在能量束的多个道次之间可以是可移动的，诸如在附加的制造工艺期间。通过示例，用于涡轮静叶或叶片的翼面可以限定从叶片或静叶的平台到尖端的逐渐的扭转。因此，掩模元件70可以随着翼面的发展围绕中心轴线“B”旋转。
关于图4，描绘了示例实施方式，在这里，掩模包括在共同的平面上可以并排布置的多个掩模元件80。掩模元件80可以采取带有斜面端部的石墨棒的形式以实现用于束透射部分71的期望的形状或构造。在这个示例中，根据正被形成或修复的零件的彼此相对的部分的构造，棒或掩模元件80可以操作性地连接至控制机构以横向地（如由箭头“E”和“F”所概念地表示的）移动掩模元件80。在这个示例实施方式中，可以设置核心81掩模元件占据翼面的中空内部，并且根据翼面的预定形状，该核心81掩模元件可以是固定的或可移动的。在其他实施方式中，部分掩模可以位于垂直于束方向的不同平面中，这些部分的可变重叠被用于限定在透射部分71中的可变形状。
虽然在本文中已经显示并描述了当前发明的各种实施方式，但是将明显的是，仅通过示例来提供这样的实施方式。在不脱离在本文中的发明的情况下可以进行许多变型、改变和替换。因此，意图是本发明仅由所附权利要求的精神和范围限制。

Claims (16)

1.一种用于用能量束处理零件的方法，所述方法包括：
在所述能量束的源和所述零件之间布置掩模；
将所述掩模构造成带有与所述零件的彼此相对的部分一致的束透射部分；以及
用通过所述掩模的所述束透射部分的能量子束同时加热所述零件的所述彼此相对的部分，其中，所述同时加热被构造成将所述零件的热致变形保持在预先限定的公差内。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：从具有固定宽度的区域能量束中形成通过所述掩模的所述束透射部分的所述能量子束。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述区域能量束的所述固定宽度被选择成包含由所述束透射部分限定的轮廓的至少最大宽度，所述束透射部分与所述零件的所述彼此相对的部分一致。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：从沿着所述掩模的宽度尺寸光栅扫描的至少一个点能量束中形成通过所述掩模的所述束透射部分的所述能量子束，并且所述能量子束具有预先限定的可变宽度。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述光栅扫描的能量束的所述预先限定的可变宽度被选择成超过由所述束透射部分限定的轮廓的变化宽度预先限定的边距，所述束透射部分与所述零件的所述彼此相对的部分一致。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述掩模包括在至少一个共同平面上并排布置的多个掩模元件，其中，所述掩模的构造包括：调整所述多个掩模元件的至少一些的相应位置以限定所述束透射部分来与所述零件的所述彼此相对的部分一致。
7.一种用于修复或形成零件的附加的制造工艺，包括如权利要求1所述的方法。
8.如权利要求7所述的工艺，其中，所述附加的制造工艺从由下述构成的组中选择：激光熔覆、选择性激光熔化和选择性激光烧结。
9.一种用于用能量束处理零件的方法，所述方法包括：
在所述能量束的源和所述零件之间布置掩模；
将所述掩模构造成带有与所述零件的彼此相对的部分一致的束透射部分；以及
用能量束扫描所述掩模，使得能量子束通过所述掩模的所述束透射部分，用于同时加热所述零件的所述彼此相对的部分，其中，所述同时加热被构造成将所述零件的热致变形保持在预先限定的公差内，其中，所述扫描被执行，没有精确地追踪所述零件的所述彼此相对的部分。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述扫描布置成用具有固定宽度的区域能量束扫描所述掩模以形成通过所述掩模的所述束透射部分的所述能量子束。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述区域束的所述固定宽度被选择成包含由所述束透射部分限定的轮廓的至少最大宽度，所述束透射部分与所述零件的所述彼此相对的部分一致。
12.如权利要求9所述的方法，其中，所述扫描被构造成用沿着所述掩模的宽度尺寸光栅扫描的至少一个点能量束扫描所述掩模，所述光栅扫描的能量束具有预先限定的可变宽度以形成通过所述掩模的所述束透射部分的所述能量子束。
13.如权利要求9所述的方法，其中，所述束的所述预先限定的可变宽度被选择成超过由所述束透射部分限定的轮廓的变化宽度预先限定的边距，所述束透射部分与所述零件的所述彼此相对的部分一致。
14.如权利要求9所述的方法，其中，所述掩模包括在至少一个共同平面上并排布置的多个掩模元件，其中，所述掩模的所述构造包括调整所述多个掩模元件的至少一些的相应位置以限定所述束透射部分来与所述零件的所述彼此相对的部分一致。
15.一种用于修复或形成所述零件的附加的制造工艺，包括如权利要求9所述的方法。
16.如权利要求15所述的工艺，其中，所述附加的制造工艺从由下述构成的组中选择：激光熔覆、选择性激光熔化和选择性激光烧结。
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