CN105939813A

CN105939813A - 使用金属和熔剂的预制体的高温合金实体自由成形制造和修复

Info

Publication number: CN105939813A
Application number: CN201580007675.1A
Authority: CN
Inventors: G.J.布鲁克; A.卡迈勒; D.朱尼
Original assignee: Siemens Power Generations Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2016-09-14
Also published as: WO2015119822A1; KR20160118342A; US20150224607A1; EP3102362A1

Abstract

本发明涉及一种含有金属（32、34）和熔剂（33）的预制体（22、22A‑U）；该金属和熔剂是用于形成要被添加到正在被修复或增材制造的部件中的金属层。可以响应于使预制体熔化的能量束（58）而将金属以如下分布限制于预制体中，即该分布形成部件的剖面层的形状或表面修复。将预制体置于工作面（42）上，该工作面可以是预先在增材制造中所形成的层（42A‑C），或者可以是用于修复的现有部件表面（122）。然后利用能量束（58）使预制体熔化从而在该部件上形成新的一体化层（40A‑F）并且具有熔渣（56）的覆盖层，该覆盖层保护并隔离了熔池（54）和固化层。将熔渣去除，并且可添加后继的层。

Description

使用金属和熔剂的预制体的高温合金实体自由成形制造和修复

技术领域

本发明总体上涉及金属部件的实体自由成形制造和修复的领域；具体地本发明涉及高温合金部件的加层制造和修复。

背景技术

工业上正越来越多地采用实体自由成形制造（SFF）技术来制造全功能金属零件。该系列的增材制造工艺包括材料（例如，粉末和线材）的逐层堆积和固结，从而允许直接地基于CAD模型使待制造零件具有高几何自由度。被称作直接金属激光制造（DMLF）的一组SFF技术利用激光使粉末固结。其它组的技术采用钨惰性气体（TIG）、金属惰性气体（MIG）、或者电子束技术。

增材制造使通过将部件建造在各层中而制造该部件成为可能。各层被熔化、烧结、或结合到前一层上。可将各层模型化为该部件的数值实体模型的薄片。高温合金材料由于它们对熔体凝固裂纹和应变时效裂纹的敏感性因而是最难以制造和修复的材料。本文中所使用的术语“高温合金”，正如在本领域所通常使用的，表示在高温下具有优异的机械强度和抗蠕变性的高度耐腐蚀和耐氧化的合金。高温合金通常具有较高的镍或钴含量。高温合金的例子包括以商标和品牌名称Hastellov、Inconel合金（例如IN 738、IN 792、IN 939）、Rene合金（例如Rene N5、Rene 80、Rene142）、Haynes合金、Mar M、CM 247、CM 247 LC、C263、718、X-750、ECY 768、282、X45、PWA1483和CMSX（例如CMSX-4）单晶合金而销售的合金。

高温合金部件的焊接修复已通过将基体预热到高温（例如超过1600℉或870℃）以增加修复期间材料的延性而实现。该技术被称为热芯盒焊接或者高温下高温合金焊接（SWET）。它通常是采用手工气体钨极电弧焊（GTAW）而完成。然而，热芯盒焊接受到维持均匀部件加工表面温度的难度和维持完全惰性气体保护的难度的限制，并且受到被施加到高温下在部件附近工作的操作者身体因素的限制。

一些高温合金焊接应用可以通过使用冷板来限制基体材料的加热而加以改进；由此限制基体热影响和导致裂纹问题的应力的出现。然而，该技术对于其中零件的几何形状不便于冷板使用的许多修复应用而言是不实用的。

图1示出了作为其铝和钛含量的函数的、各种合金的相对可焊性。具有相对较低浓度的这些元素因此具有相对较低的γ′相含量的合金（如Inconel^® IN718）被看作是相对地可焊接的，尽管这种焊接一般被限制于部件的低应力区。具有相对较高浓度的这些元素的合金（如Inconel^® IN939）传统上不被看作是可焊接的，或者仅利用提高材料的温度/延性并使工艺的热输入最小化的上述特殊步骤而变得可焊接。虚线18表示经验证的可焊接区的上边界。虚线18与垂直轴上的3 wt%铝和水平轴上的6 wt%钛相交。在可焊接区外部的合金被认定为非常难以或无法用传统工艺进行焊接，并且具有最高铝含量的合金总体上发现是最难以进行焊接的，如由箭头所表示。

选择性激光熔化（SLM）的DMLF工艺已被用于使一薄层的高温合金粉末颗粒熔化到高温合金基体上以便进行修复，并且使这种颗粒的薄床在连续层中熔化以便实行实体自由成形制造。在激光加热期间，利用惰性气体（如氩气）将熔池与大气隔离。这些工艺往往会使颗粒表面上的氧化物（例如，氧化铝和氧化铬）滞留在沉积材料层中，从而导致孔隙、夹杂和与滞留氧化物相关的其它缺陷。加工后热等静压（HIP）常常被用于消除这些孔隙、夹杂和裂纹从而改善沉积涂层的性能。

选择性激光熔化（SLM）是通过施加局部的激光热使粉末熔化并且形成熔池（该熔池凝固为材料的固结层，该固结层形成固体截面）而使粉末床中的金属颗粒熔化。当激光辐射与金属粉末发生相互作用时，能量沉积高度依赖于粉末偶联机制。粉末颗粒之间的多次反射导致与固体材料相比更高的光穿透深度。然而，各种形式的SLM具有部分或全部的以下缺点：

a）局限于在一个室中的平直水平表面上的加工，以便在激光加工期间利用重力来保持粉末。

b）局限于例如图1中所示的可焊接材料。

c）慢速过程，因为各层必须是较薄的，例如20微米。使用较厚的层可能需要较高的能量密度，这会导致裂纹。

d）需要惰性保护气体以避免氧化。

e）需要基体和/或粉末的预热以避免裂纹。

f）受到可用能量密度的限制。能量密度的增加导致更大程度的熔化，从而导致材料形成球形的球而不是形成一致的层。

g）需要加工后操作（例如喷丸处理和热等静压（HIP））以便去除孔隙和污染物。

h）工艺对粉末制造方法高度敏感。

激光熔覆是一种常用的替代SFF工艺。它通常是用于使金属填充材料沉积到基体表面上从而形成金属层以便实行修复或增材制造。激光使基体的表面熔化而形成熔池，金属填充材料被连续地注入该熔池中，因此在表面上形成金属层或“包层”。一个替代形式的激光熔覆使用在基体表面上的预放置的粉末。各种形式的激光熔覆具有部分或全部的以下缺点：

a）慢速过程，因为各层必须是较薄的，例如0.5 mm。

b）对于难焊接的材料甚至更慢，如图1中所示。

c）需要惰性保护气体以避免氧化。

d）需要基体的高预热或快速冷却以避免裂纹。

e）在一些情况下，存在对粉末制造方法的敏感性。

因为新的高温合金继续被开发出来，所以开发用于高温合金材料的工业上可行的连接工艺的挑战亦继续增加。这些连接工艺对高温合金的修复和SFF应用具有直接影响。选择性激光熔化和激光熔覆两者取决于激光耦合效率，该激光耦合效率取决于许多因素，其中有粉末粒度、粉末质量和激光能量密度。将在用于等离子喷涂、高速氧燃料喷涂（HVOF）、低压等离子喷涂（LPPS）、冷气体喷涂、选择性激光熔化（SLM）、燃烧喷涂、等离子转移弧喷焊、和激光熔覆的典型的基于粉末的工艺中所采用的粉末粒度示于图2。可用粉末粒度分布根据工艺而不同，尤其在SLM与激光熔覆之间是不同的。这在激光耦合的优化和粒度的定制（由于其它原因）的两个方面构成对用于高温合金的SFF的这些工艺中的每个工艺的限制。较大的颗粒由于较低的表面积因而减少了工艺氧化。较小的颗粒提供部件中各结构特征的较精细界定。因此，用于高温合金SFF工艺优化的较大范围的粒度将会是有用的。

附图说明

在以下的描述中基于附图来说明本发明，在附图中：

图1示出了各种高温合金的相对可焊性。

图2示出了用于现有的增材工艺的粒度范围。

图3是揭示本发明一个实施例的各方面的预制体的侧面剖视图。

图4是双壁燃气涡轮机叶片的横向剖视图。

图5是形成图4的叶片的一层的预制体的俯视剖面图。

图6示出了根据本发明各方面的实体自由成形制造的工艺。

图7是由容纳用于不同叠加层的不同材料的管所制成的预制体的透视剖面图。

图8是用适形的预制体所包裹的芯棒的横向剖视图。

图9是具有保持涡轮机翼型的预制体的空腔的分割模型板的俯视图。

图10是具有激光阻挡材料的内部块的预制体的侧面剖视图，该内部块提供在部件的一层或外表面中的凹槽。

图11是由图10的预制体所形成部件的基体和带凹槽表面的侧面剖视图。

图12是具有用于激光阻挡材料的内部块的预制体的透视剖面图，该内部块具有用于其它添加材料的空腔。

图13是由图12的预制体所形成部件的基体和表面的侧面剖视图。

图14是具有用于表面张力去除的预烧结多孔金属的内部块的一个预制体实施例的俯视剖面图。

图15示出了利用放电等离子烧结而形成金属/熔剂预制体的工艺。

图16示出了使用金属/熔剂预制体对部件进行修复的工艺。

图17是具有退化表面（degraded surface）的一个部件的剖面图。

图18示出了用于形成一部分的燃气涡轮机翼型的一组或一堆的预制体。

图19示出了根据本发明一个方面的具有用预制体重建的凹槽叶顶（squealer tip）的燃气涡轮机叶片的尖端部。

具体实施方式

本发明的发明人开发出了一种用于实体自由成形制造和修复的工艺及装置，该工艺及装置具有以下优点：

a）可以在现有的三维表面上制造。不限于水平的平直表面。

b）高建造率，例如每层超过3或4 mm。

c）可用于难焊接的金属。

d）可适应新损伤模式的可靠工艺。

e）无需预热或快速冷却。

f）无需用惰性气体来保护熔池。

g）大范围的粉末粒度。

h）对粉末制造方法的敏感性降低。

本发明的一个实施例包括这里所描述的步骤。形成金属粉末和熔剂粉末的预制体，该预制体含有被添加到正在被增材制造或修复的部件中的金属。预制体中的金属可被限制于限定部件的一层或薄片的形状的分布中。将预制体预置于工作面（例如工作台）、用于修复的部件表面、或者增材制造中以前的一层上。然后，利用定向能量（例如激光束或其它形式的能量）使预制体熔化。由此形成金属层、和在加工期间保护并隔离该金属层的熔渣的覆盖层。然后将熔渣去除，并且可添加后继的层。

图3示出了预制体22A的剖面侧视图，该预制体具体化为容纳金属32、34和熔剂33的未结合颗粒的封闭容器，例如袋、封套、套管、或管。“未结合”表示松散的，与被共同地固结、压缩、和/或烧结成块或其它自支撑形态相反。未结合颗粒的一个益处是激光能量通过在颗粒之间的发射而穿透到比例如在下文中所描述的固体预制体更大的深度。这些颗粒可构成以预定的体积比混合的各自的金属和熔剂颗粒，或者这些颗粒可构成用熔剂涂覆或者含有熔剂的金属颗粒，例如在公开日期为2013年5月30日的美国专利申请公开US 2013/0136868中所描述的，该专利申请公开的内容以参考的方式并入本文中。该容器具有带密封周边28的壁24、26。这些壁可以是任何类型的薄片，例如保持粉末的织物、膜、或金属箔。这些薄片可由不产生有害的烟和灰的材料所制成，并且可有利于熔剂（例如铝箔、或者氧化铝或氧化硅纤维的织物）。可用分隔部29对该容器进行缝制或细分以便保持颗粒分布，该颗粒分布响应于能量束而形成金属层的期望形状。这种分隔部29也可用于非水平的材料沉积用途。预制体的厚度中的一些变化是可容许的，因为熔池自流平达到某种程度。这些分隔部可提供用于不同尺寸和/或不同材料的颗粒32、34的室，该室被优化用于在部件的截面上方的不同要求。较大的粒度可提供用于较大的结构特征，较小的粒度可用于较小的更精细的结构特征。以织物作为壁的室可具有适合于保持各自的粒度并因此视情况可在整个预制体上改变的筛网尺寸，或者该室可例如用铝箔装衬里以便保持细粉状颗粒。然后，铝成为合金熔体的一个成分。

任选地，周边28可包含非金属的非熔化的激光阻挡材料30，例如石墨或氧化锆，该材料提供用于在熔池外部的激光扫描线的能量吸收转向区。这避免了对该层的周边的过度加热。激光阻挡材料30可形成固体外围框架，可用高温水泥将壁24、26的周边28附接到该框架。该框架提供制造部件的高度限定的外表面。具有高导热率的激光阻挡材料（例如石墨）通过促进快速冷却而包括在凝固金属中的细晶粒结构。具有低导热率的激光阻挡材料（例如氧化锆）可用于通过将热排出的方向主要限制在优选晶粒取向的方向上而导致定向凝固。因此，通过对周围材料的选择，可以定制和改变在部件上方的金属的晶粒结构。利用此方法，能够维持从等轴晶粒结构到柱状晶粒结构的明确转变，因此在特定的区域提供具有柱状特征和等轴特征这两种特征的层。任选地，可将干冰颗粒与金属和熔剂的颗粒32混合，或者可将干冰颗粒容纳于外周室或内部室内以代替激光阻挡材料30或者除激光阻挡材料30外，从而控制加热以及提供CO₂气体的氧化保护。

图4是通过本发明工艺及装置的一个实施例所形成的双壁燃气涡轮机叶片35的简化横向剖视图。外壁36比内壁37厚，代表具有不同粒度要求的区域。

图5是被设计用于形成图4的叶片的截面层的预制体实施例的俯视剖面图。该预制体包括用于形成外壁36的较大颗粒32的第一异形部、和用于形成内壁37的较小颗粒34的第二异形部。该预制体还可包括激光阻挡边界30，例如用于激光转向区的石墨。该预制体也可包括内部激光阻挡部31，用于提供部件内表面的高限定并且控制晶粒结构。没有内壁部34的类似的预制体可以便于对燃气涡轮机叶片的凹槽叶顶的修复。凹槽叶顶是在叶片尖端上的周边脊部，该脊部在使用中变得磨损或者有裂纹。根据本发明的一个实施例，可对磨损的脊部进行研磨并且可利用预制体在经研磨脊部或叶片尖端的顶部上用一层或多层进行重建。

石墨不粘附到金属，因此在对各层的激光加工后可以容易地将激光阻挡部30、31去除。该激光阻挡部可以是颗粒或固体。任选地，可是激光阻挡部逐层地堆积直到制造完成，因此将各激光阻挡部支撑在前一个激光阻挡部上。固体激光阻挡部可具有配准特征，例如在上表面上的突起和在其下表面上的凹陷，以便当前的预制体相对于前一个预制体对准。

图6示出了根据本发明各方面的自由成形增材制造工艺。在工作面42上逐层40A-D地制造部件（例如燃气涡轮机叶片）。各层提供用于下一层的新工作面42A-C，该工作面是通过将含有金属和熔剂的颗粒32的预制体22置于最后一个工作面42C上并且将能量58引导到预制体22上而添加。可将最初的工作面42和/或能量发射器50移动到多个轴52上，使得能量束58可沿路径（例如将金属充分加热从而使其与前一个层结合在一起的大体上平行或曲折的路径）的进程中以任何期望的图案在整个预制体上穿过或扫描或移动。可在定向能量58在预制体上的焦点或撞击点处形成熔池54。任选地，可允许预制体的石墨边界30堆积直到制造完成。这将当前的边界支撑在前一个边界上，由此支持边界对准从而使该部件的外表面41变得完善。

图6的工艺还可包括制作多金属成分的颗粒32，这些颗粒在熔化工艺期间形成期望的最终高温合金材料，该材料在制造时构成金属层40A-D。这允许通过改变各成分的比例而定制各金属层40A-D以便获得期望的性能。这可用于形成各成分的梯度、和随着层40A-D的深度而变化的相应特性。

熔剂和所产生的熔渣56可用于吸收定向能量并且/或者对于该定向能量是透明或半透明的。可使用的熔剂材料的例子包括市售的熔剂，例如以商品名Lincolnweld P2007、Bohler Soudokay NiCrW-412、ESAB OK 10.16或10.90、Special Metals NT100、Oerlikon OP76、Sandvik 50SW或SAS1而销售的熔剂。可利用本发明的工艺来制造、连接、修复、或涂覆任何目前可获得的用于高温用途（例如燃气涡轮机发动机）的基于铁、镍或钴的高温合金，包括本文中所提及且在图1中所标注的前述高温合金。

熔剂可包含在定向能量58的吸收和/或传输方面控制熔渣性能的成分。例如，可包含提供激光能量经过熔渣的光传输以及对熔池的保护和隔离的材料。这种材料可包括部分或全部的以下特征：

1. 在低于金属合金的熔点的温度下（例如低于1260℃）熔化。

2. 至少部分地对能量束波长为光学透射。

3. 防止熔化的金属与空气的反应。

4. 任选地可包含添加到合金熔体中的成分。

5. 任选地可包含减小熔池的表面张力或粘度的温度系数以改善自流平的元素。

熔剂材料和所产生的熔渣56层提供有利于防止新的层40D和下面的基体材料或前一个层40C产生裂纹的功能。第一，熔渣的功能是保护熔池54和新近凝固的金属不受在定向能量58下游区域的大气的影响，将熔化的热金属与大气隔离。第二，熔渣起到允许固化材料缓慢且均匀冷却的包层的作用，由此减小可以促成焊后再热或应变时效裂纹的残余应力。第三，熔剂材料提供用于去除促成焊接凝固裂纹的痕量杂质（例如硫和磷）的清洁效果。这种清洁包括金属粉末的脱氧。最后，熔剂材料可提供能量吸收和捕集功能以便更有效地将定向能量58转换成热，因此便于对热输入的精确控制（例如在2%内）、和因此在加工期间对材料温度的严密控制。此外，熔剂可用于补偿加工期间挥发元素的损失或者主动地将不能由金属粉末本身所提供的元素增添到沉积物中。共同地，这些益处使得用于传统地被认为只可采用热盒工艺或者通过使用冷板而连接的材料的室温下在高温合金基体上的无裂纹加层成为可能。此外，熔剂可用于添加降低熔池表面张力或粘度的元素，因此避免通常已知的在SLM中的表面张力“成球”效应。

图7是由容纳一种或多种添加材料的一层或多层的管44所组成的预制体实施例22C的透视剖面图。这些管可由织物制成，例如使用氧化铝或氧化硅纤维。可将这些管缝合、编织、或用水泥粘结到一起。另一方面，可将这些管挤压并且用水泥粘结到一起。任选地，如图所示，可将多层的管合并在单个预制体中以容纳用于不同层的不同添加材料。例如，第一层可容纳结构高温合金和熔剂的颗粒32，第二层可容纳金属-陶瓷粘接涂层材料（例如MCrAIY合金）和熔剂的颗粒45，第三层可容纳陶瓷隔热材料的颗粒46。这种多层预制体可用于修复一个部件（例如燃气涡轮机叶片或平台）中的表面裂纹并且/或者用于恢复老化表面（包括隔热层）。这些管可以是平行的（如图所示），或者在不同层中互相垂直，或者它们可跟随部件（例如图4的叶片部的弯曲壁36、37）的轮廓。在一个实施例中，将各层的金属-陶瓷粘接涂层45和陶瓷隔热层46设置在单个预制体中，以便将隔热层添加到现有的或新制造的基体中或者在去除老的基体之后恢复隔热层。

图8是用用于形成涡轮机叶片外壁的适形的预制体（例如实施例22C）所包裹的芯棒47的横向剖视图。例如，用于涡轮机壁的最内部预制体可含有全部的金属和熔剂颗粒32，外预制体可含有用于粘接涂层和陶瓷隔热层的材料。

图9是具有两个以上可分离零件60A、60B的分割模型板（模具）的俯视图，这些部件是在空腔61周围用于保持涡轮机翼型的预制体31、32。此分割模型板可用于限定预制体以便使其对准并且准确地限定其周边。分割模型板可具有一个或多个预制体的厚度。任选地，分割模型板可以足够地厚以便在制造该部件结构时相继地保持多个预制体，因此高度地限定该部件的外表面。可对分割模型板的材料进行选择以控制凝固速率并因此以类似于前述能量阻挡材料的方式控制工件的实心内部结构。可利用不同材料的不同分割模型板来制造连续的层，从而通过改变其冷却参数而改变沿该部件高度或跨度的该部件的晶粒结构。较高导热率材料将倾向于更快速地将热从熔化的金属中传递出，因此促进较小的晶粒尺寸，而较低导热率材料将倾向于更缓慢地将热从熔化的金属中传递出，因此促进较大的晶粒尺寸。分割模型板的零件60A、60B可由不同材料制成，以改变在该部件周围的晶粒结构。例如，所形成的涡轮机叶片的压力侧可具有不同于吸力侧的晶粒结构。因此，通过对分割模型板的材料的选择，可以定制和改变在该部件上方的晶粒结构。利用此方法，能够维持从等轴结构到柱状结构的明确转变，因此提供具有柱状区域和等轴区域这两种区域的晶粒结构。可将内部激光阻挡部31设置在预制体中，如前所述。用于分割模型板和用于内部激光阻挡部的示例性材料为石墨以便获得高导热率，或者氧化锆以便获得低导热率。

图10是具有包围金属和熔剂颗粒32的壁24、26的预制体实施例22D的侧面剖视图。周边28可包括激光阻挡材料30的周边框架。可提供能量阻挡材料31（例如石墨）的内部块或纤维，以便实现表面层的织构化，如图11中所示。通过使用这种预制体22D，基体63的层62可具备任意尺寸和深度的凹槽或凹陷64，以便例如保持随后施加的隔热层。

图12是具有激光阻挡材料31的内部块的预制体的透视剖面图，该内部块包括用于容纳其它添加材料67的空腔66，该其它添加材料可以是与预制体的第一添加材料32为相同或不同类型的材料。图13是由用于基体63的层62的这种预制体22E所制造的部件结构的侧面剖视图。该结构具有凹槽64和柱68两者。这可用于例如将隔热层保持在部件的表面上，其中柱68可提供粘接涂层材料。

图14是具有预烧结金属的内部夹杂（例如具有高百分率的开放孔隙（例如通过放电等离子烧结）的流道或块70）的预制体实施例22F的附图剖面图。在颗粒32的激光熔化期间，预烧结块70通过粘附和毛细管作用吸引熔体，因此利用表面张力防止熔体的成球。金属块70可由相同或不同合金的颗粒32所制成。这些块可具有至少40%的孔隙度，因此在激光加工期间用类似海绵的熔体来填充这些孔隙。金属块70可构造成十字形图案（如图所示）或者其它图案（例如平行的直线或曲线）。多孔的预烧结块减小该部件中的最终热应力，特别是在图示的十字形图案中。

任选地，预制体可包含热致变色过渡金属氧化物，该金属氧化物的例子包括二氧化钛、氧化钒、或者氧化铬与氧化铝的混合物。至少一部分的金属部件在制造后可包含热致变色材料，例如在部件的顶层中具有这种材料，以便在随后的操作期间显示在部件表面上的温度。可替代地，预制体可包含压电材料，例如合成陶瓷或无铅压电陶瓷。至少一部分的金属部件（例如表面部）可在制造后包含压电材料，以便利用在表面上可获得的电压来显示截面或表面应变，例如利用通过用于形成该部件的预制体的限制性设计也被成型进入部件中的隔离的电导体而获得电压。预烧结的金属块可利用放电等离子烧结、粉末注射成形或者能够控制金属块的孔隙度的任何工艺而制造。

图15示出了通过放电等离子烧结100（SPS）并利用压缩102而形成预制体的替代工艺。模具箱104可具备第一电极106和第二电极108，其中的至少一个电极可以是可移动的，以便对金属合金粉末110和熔剂粉末112实施压紧和烧结。可在相同时间、或者在两个不同步骤中，利用不同的电压对这两种粉末进行压缩和烧结。可将这两种粉末设置在两个不同的层中（如图所示），并且/或者可将它们均匀地或者以梯度组成加以混合。对粉末配比及它们的相对位置和形状的精确控制可以通过以这种方式将它们预成型而实现，这与在增材熔化或者将粉末设置在开放的粉末床中时的粉末添加相反。可将织构化特征114（例如凹陷或凸点）成型于金属粉末部110的外表面上，以提供益处（例如在该部件上的保护涂层的锚固）。该织构化可通过在使用上电极106底部的导电成形模板的金属粉末110的第一烧结步骤中而形成，接着去除该模板，然后在第二步骤对熔剂粉末实行沉积和烧结。

可将中空的陶瓷球体（未图示）与金属粉末110混合，以便将预定的孔隙率加到金属层中以降低其导热性。另一方面，预制体的金属粉末部可具有由电压、压缩、及放电等离子烧结的持续时间和金属粉末110的粒度分布所决定的孔隙度。在增材加工期间可限制被引导能量束的功率和持续时间，以保持该部件中的一部分的孔隙度。

图16示出了使用与表面122适形的预制体22G对具有非平面或非水平表面122的部件120进行修复的工艺。这示出了在开放的粉末床上方的预制体的一个益处，这些预制体可以在非水平的表面上滑动并且熔池可以向下移动。预制体22G将熔池54保持在所有的侧部124上，从而允许对相对于水平方向超过10或20度的表面进行修复。可以将定向能量58集中或者加以控制以形成具有预定尺寸和粘度的熔池，使得熔池的表面张力以一系列非水平角度将熔池保持在周围的固体侧124内。可将一些熔剂材料设置在预制体22G的底部并且/或者与金属材料110混合以便熔化的金属将裂纹126填充，由此密封并消除这些裂纹。预制体将外层40加到该部件和待去除的熔渣层56上。

图17示出了具有由于受损部128而退化的表面122的部件120的一部分。可通过研磨或其它方式而去除受损部128，从而在表面中形成凹陷130。预制体的形状可被设计成填充该凹陷。另一方面，可以期望的修复形状而形成预制体，并且可对凹陷130进行研磨从而与预制体的形状相匹配。

图18示出了用于形成一部分的燃气涡轮机翼型的一组132或一堆的预制体22E-S。可将根据本发明各方面的预制体设置在一组或多组中，以便形成部分或全部的部件。利用此方法，可以维持较高程度的在元素分布和晶粒尺寸方面的均匀性。可以将如前所述的具有内部多孔金属块的预制体使用于交替的层中，以减小热应力并因此减小最终零件变形。

图19示出了燃气涡轮机叶片134的尖端136，该尖端136具有在该尖端周边附近的径向延伸的脊部138或“凹槽叶顶”，以便实现尖端-护罩间隙控制。根据本发明的各方面，可以利用用于形成层40E、40F的一个或多个预制体来制造、修复、或更换该脊部。例如，可将受损的凹槽叶顶部分地或完全地研磨掉，并且利用一个或多个预制体进行重建。如果需要，可以以这种方式重建叶片的整个端部。

本文中所描述的定向能量58可以是能量束，例如电子束、一个或多个圆形激光束、扫描激光束（一维、二维或三维地进行扫描）、整体式激光束，等。具有矩形截面的二极管激光束可尤其有利于具有相对较大的待加工面积的实施例。由二极管激光器所产生的宽面光束有助于减小热密度、热影响区、由于基体和残余应力的稀释，所有这些都降低通常与高温合金修复相关的裂纹影响的倾向。用于产生宽面激光暴露的光学条件和光学部件可包括但不限于：激光束的散焦；在焦点处形成矩形能量源的二极管激光器的使用；一体化光学部件的使用，例如用于在焦点处形成矩形能量源的拼接镜；在一个或多个维度上的激光束的扫描（扫描(rastering)）；和可变光束直径（例如，从精细加工点处的0.5 mm变化到较不精细的加工点处的2.0 mm）的聚焦光学部件的使用。

该工艺相比已知的激光熔化或烧结工艺的优点包括：允许存在大范围的可用金属粒度；在各加工层中的高沉积速率和厚沉积；在无需惰性气体的情况下改善在热沉积金属上方延伸的保护；熔剂增强的对（除了其它情况以外）会导致凝固裂纹的各成分沉积物的清洁；熔剂增强的激光束吸收和到加工设备的最小反射；和在非水平的弯曲表面上的制造/修复。熔渣形成成形并支撑沉积物，保留了热量并减慢冷却速度，由此减小（除了其它情况以外）会促成焊接后热处理期间的应变时效（再热）裂纹的残余应力。熔剂可补偿元素损失或者添加合金元素。将金属粉末和熔剂预置于预制体中可以减少与全部部件制造相关的时间，因为它允许较大厚度的沉积。

根据本发明各实施例的用于高温合金材料的修复工艺可包括：准备通过研磨或者根据需要通过其它材料去除工艺进行修复从而将缺陷去除的高温合金材料表面；清洗表面；然后制备与所准备的表面相匹配的预制体。在将预制体置于凹陷上之前，可将一些金属和熔剂粉末置于通过表面研磨所形成的凹陷中，由此将这种粉末保持就位。然后使该能量束穿越该表面以使粉末和基体的上层熔化进入具有漂浮熔渣层的熔池中，然后让熔池和熔渣凝固。由此使基体表面的任何表面缺陷变得完整，从而在通过已知的机械和/或化学工艺将熔渣去除时留下更新的表面。

预制体可由第一金属合金的第一层、第二金属合金的第二层、和熔剂粉末的第三层所构成，从而基于定向能量参数在指定的最后层中形成合金的混合物或组合物和/或合金的梯度。

虽然在本文中已图示并描述本发明的各种实施例，但显而易见的是这种实施例只是通过举例而提供。在不背离本发明的前提下，在本文中可作出许多变型、变更和替换。因此，意图是本发明仅由所附权利要求的精神和范围所限制。

Claims

1. 一种工艺，包括：

形成包含金属和熔剂的预制体，其中响应于金属部件的金属层的期望形状而将所述金属分布于所述预制体中；

将所述预制体置于工作面上；

将能量束引导到所述预制体上以使所述金属熔化，从而形成被熔渣层所覆盖的所述金属层；和

去除所述熔渣层。

2. 如权利要求1所述的工艺，还包括以包围所述金属和熔剂的未结合颗粒的容器的形式而形成所述预制体。

3. 如权利要求2所述的工艺，还包括将所述容器分隔成多个室，其中所述室中的至少第一室包围所述金属和熔剂的未结合颗粒。

4. 如权利要求3所述的工艺，还包括用非金属的能量束阻挡材料装载所述室中的至少第二室。

5. 如权利要求3所述的工艺，还包括将干冰加入所述室的至少一个室中。

6. 如权利要求1所述的工艺，还包括：

以被分隔成多个室的容器的形式而形成所述预制体；

用包含具有第一平均颗粒直径的金属的第一颗粒装载所述室中的第一室；和

用包含具有第二、不同平均颗粒直径的金属的第二颗粒装载所述室中的第二室。

7. 如权利要求1所述的工艺，还包括以具有相对的第一壁和第二壁的容器的形式而形成所述预制体，所述第一壁和第二壁将所述金属和熔剂的颗粒包围在两者之间，其中所述壁包括被密封到非金属能量束阻挡材料的周边框架的各自周边。

8. 如权利要求1所述的工艺，还包括用一系列的共同附接的管形成所述预制体，所述管中至少一个管容纳所述金属和熔剂的第一颗粒。

9. 如权利要求8所述的工艺，其中所述管中的至少第二个管容纳非金属能量束阻挡材料。

10. 如权利要求1所述的工艺，还包括由容纳第一增材制造材料的颗粒的共同附接管的第一层、和容纳第二增材制造材料的颗粒的共同附接管的第二层形成所述预制体。

11. 如权利要求10所述的工艺，其中所述第一增材制造材料包括金属-陶瓷粘接涂层材料，并且所述第二增材制造材料包括陶瓷隔热材料。

12. 如权利要求10所述的工艺，还包括在引导所述能量束之前使所述预制体与芯棒适形，其中所述芯棒包括被成形而形成所述金属部件的弯曲外壁的所述工作面。

13. 如权利要求1所述的工艺，还包括在引导所述能量束之前将所述预制体置于由分割模型板的可分离部所包围的空腔中，其中所述空腔限定所述金属部件的外表面的形状。

14. 如权利要求13的所述的工艺，还包括：

重复成形、放置、引导和移动的步骤，从而形成多个金属层；和

利用分别具有不同导热系数的多个分割模型板来控制在所述金属部件的高度上方的所述多层的晶粒结构。

15. 如权利要求1所述的工艺，还包括：在引导所述能量之前将能量阻挡材料设置在所述预制体中；和在所述层的凝固之后将所述块去除，由此在所述层中形成凹槽或凹陷。

16. 如权利要求1所述的工艺，还包括：在引导所述能量之前将能量阻挡材料的内部块设置在所述预制体中，其中所述内部块包括容纳第二金属的空腔；和在所述层的凝固之后去除所述块，由此在所述层中形成凹槽并且所述第二金属的柱是在所述凹槽中。

17. 如权利要求1所述的工艺，还包括：将所述金属设置在未结合颗粒形式中；和将预烧结金属的内部块设置在包括具有至少40%孔隙度的开放孔隙的所述预制体中，所述块在所述预制体中被配置在平行直线或平行曲线中。

18. 如权利要求1所述的工艺，还包括：将热致变色材料设置在所述预制体中，其中至少一部分的所述金属部件在其制造之后包含所述热致变色材料。

19. 如权利要求1所述的工艺，还包括：将压电材料设置在所述预制体中，其中至少一部分的所述金属部件在其制造之后包含所述压电材料。

20. 如权利要求1所述的工艺，还包括：由在所述熔化期间混合的不同组成的颗粒构成所述金属，从而形成构成所述金属层的最终高温合金材料。

21. 如权利要求1所述的工艺，还包括：以燃气涡轮机叶片凹槽叶顶的至少一部分的形状来分布所述预制体的金属。

22. 如权利要求1所述的工艺，还包括：通过所述金属和熔剂的放电等离子烧结而形成所述预制体。

23. 如权利要求22所述的工艺，还包括：将所述金属和熔剂以两个各自分开层的形式形成于所述预制体中。

24. 如权利要求22所述的工艺，还包括：利用第一金属合金的第一层、第二金属合金的第二层、和所述熔剂的第三层形成所述预制体。

25. 如权利要求1所述的工艺，其中，所述工作面是所述金属部件的退化表面，并且还包括：

形成在所述工作面中的凹陷以便去除其受损部；

将所述预制体置于所述凹陷中；和

利用所述能量束使所述预制体熔化从而形成修复的表面。

26. 如权利要求25所述的工艺，还包括：

以预定的修复形状形成所述预制体；和

响应于所述预定的修复形状而形成所述工作面中的凹陷以便接纳所述预制体。

27. 如权利要求1所述的工艺，还包括将所述金属粉末分布在所述预制体中从而形成超过3 mm厚度的所述金属层。

28. 如权利要求1所述的工艺，还包括：以超过被限定于标绘钛含量与铝含量的高温合金的图中的可焊接区的高温合金组成而提供所述金属，其中所述可焊接区的上边界是在6wt%处与所述钛含量轴相交且在3wt%处与所述铝含量轴相交的直线。

29. 如权利要求1所述的工艺，还包括：以包含氧化铝、氧化硅或铝箔的容器的形式而形成所述预制体。

30. 一种用于通过增材制造而制造部件的层的预制体，所述预制体包含金属和熔剂，其中，将所述金属以如下分布限制于所述预制体中，所述分布响应于利用能量束使所述预制体熔化而形成金属部件的金属层的期望形状。

31. 如权利要求30所述的预制体，其中，所述金属和熔剂是处于未结合颗粒形式，并且所述预制体还包括封闭的容器，所述容器限制所述金属和熔剂的分布以便形成所述期望形状。

32. 如权利要求30所述的预制体，其中，通过所述金属和熔剂的放电等离子烧结而将所述金属和熔剂限制于所述预制体中。