CN106141181B - 3-d构件上的增材制造 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3‑D构件上的增材制造。具体而言，一种在构件上形成结构的方法包括：提供具有第一表面的构件；将粉末粘附到第一表面；以及，从定向能量源引导射束来以对应于结构的层的图案熔化粉末。

Description

3-D构件上的增材制造
技术领域
本发明大体涉及增材制造方法，且更特别地涉及用于在二维或三维基底上形成结构的方法。
背景技术
增材制造是其中材料逐层构造以形成构件的过程。与铸造工艺不同，增材制造仅受限于机械的位置辨析率(resolution)且不由如铸造所需的提供倾斜角、避免悬垂等的要求限制。增材制造还通过诸如“分层制造”、“反向加工”、“直接金属激光熔融”(DMLM)和“3-D打印”指出。此用语作为针对本发明的目的的同义词看待。
在现有技术中，增材制造可通过始于粉末床的粉末层的选定区域的激光熔融来执行。第一层固结成图案，然后添加粉末，移除过量粉末(典型地通过沿着平面参考表面刮除)以留出下一层厚度，粉末按照图案被激光熔融，然后重复步骤。这是平面工艺，其仅利用二维(“2-D”)平面层构造整个部件。
虽然对于制造完整的构件是有效的，但是对于在具有非平面或三维(“3-D”)表面的基底上构造结构来说，该工艺缺乏灵活性。
因此，存在对于用于在非平面表面上的结构的增材制造的工艺的需要。
发明内容
该需要通过本文中所述的技术解决，其提供用于现有的2-D或3-D基底上的结构的增材制造的方法。
根据本技术的一个方面，一种在构件上形成结构的方法包括：提供具有第一表面的构件；将粉末粘附到第一表面；以及，从定向能量源引导射束来以对应于结构的层的图案熔化粉末。
根据本技术的另一方面，一种在构件上形成冷却通道的方法包括：提供具有第一表面的构件；将粉末粘附到第一表面；从定向能量源引导射束来以预定图案熔化粉末；以及在循环中重复沉积和熔化的步骤来以逐层方式构造结构，其中，结构包括限定其间的开放通道的间隔开的壁。
技术方案1. 一种在构件上形成结构的方法，包括：
提供具有第一表面的构件；
将粉末粘附到所述第一表面；以及
从定向能量源引导射束来以对应于所述结构的层的图案熔化所述粉末。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述方法还包括在循环中重复沉积和熔化的步骤来以逐层方式构造所述结构。
技术方案3. 根据技术方案2所述的方法，其中，沉积和熔化的重复循环导致所述构件包括熔化和未熔化的粉末两者，所述方法还包括移除所述未熔化的粉末。
技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述第一表面是非平面的。
技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述粉末通过如下项粘附到所述第一表面：
应用粘合剂到所述第一表面；以及
应用粉末到所述粘合剂。
技术方案6. 根据技术方案5所述的方法，其中，所述方法还包括在所述粉末应用到所述粘合剂之后移除过量的粉末。
技术方案7. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述构件包括金属合金。
技术方案8. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述粉末包括金属合金。
技术方案9. 一种在构件上形成冷却通道的方法，包括：
提供具有第一表面的构件；
将粉末粘附到所述第一表面；
从定向能量源引导射束来以预定图案熔化所述粉末；以及
在循环中重复沉积和熔化的步骤来以逐层方式构造所述结构，其中所述结构包括间隔开的壁，其限定在其间的至少一个开放通道。
技术方案10. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述方法还包括在所述构件中形成与所述至少一个开放通道连通的至少一个冷却剂供应孔。
技术方案11. 根据技术方案9所述的方法，其中，所述方法还包括形成跨越所述至少一个开放通道的覆盖物。
技术方案12. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述方法还包括：
在所述至少一个开放通道中留下未熔化的粉末；
形成所述覆盖物；以及
移除所述未熔化的粉末。
技术方案13. 根据技术方案12所述的方法，其中，所述方法还包括形成通过所述覆盖物与所述通道连通的至少一个出口薄膜孔。
技术方案14. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述覆盖物通过如下项形成：
在所述通道上方粘附粉末；
从定向能量源引导射束来以对应于所述覆盖物的层的图案熔化所述粉末；以及
在循环中重复沉积和熔化的步骤来以逐层方式构造所述覆盖物。
技术方案15. 根据技术方案9所述的方法，其中，所述第一表面是非平面的。
技术方案16. 根据技术方案9所述的方法，其中，所述粉末通过如下项粘附到所述第一表面：
应用粘合剂到所述第一表面；以及
应用粉末到所述粘合剂。
技术方案17. 根据技术方案15所述的方法，其中，所述方法还包括在所述粉末应用到所述粘合剂之后移除过量的粉末。
技术方案18. 根据技术方案9所述的方法，其中，所述构件包括金属合金。
技术方案19. 根据技术方案9所述的方法，其中，所述粉末包括金属合金。
附图说明
本发明可通过参考结合附图的以下描述最佳地理解，在附图中：
图1是增材制造工艺的框图；
图2是示例性涡轮构件的示意性截面视图；
图3是图2的涡轮构件的一部分的图解视图，示出形成在基底中的冷却孔；
图4是图2的涡轮构件的一部分的图解视图，示出所应用的粘合剂；
图5是图2的涡轮构件的一部分的图解视图，示出所应用的粉末；
图6是图2的涡轮构件的一部分的图解视图，示出所熔化的粉末；
图7是图2的涡轮构件的一部分的图解视图，示出结构的稍后级；
图8是图2的涡轮构件的一部分的图解视图，示出带有在其中的未熔化粉末的增材结构；
图9是图2的涡轮构件的一部分的图解视图，示出完整的增材结构；
图10是沿着图9的线10-10截取的视图；
图11是燃气涡轮发动机翼型件的一部分的透视图；
图12是沿着图11的线12-12截取的视图；
图13是沿着图11的线13-13截取的视图；
图14是图11的翼型件的一部分的截面视图，示出在其增材制造部分中的层；以及
图15是在图14中示出的增材制造部分的另一截面视图。
具体实施方式
参考附图，其中，贯穿各个视图的相同附图标记表示相同的元件，图1是示出增材制造工艺中的步骤的流程图。该工艺从现有的部件表面开始。用语“部件”指的是以其他方式完成的构件以及处于未完成状态的部件，诸如毛坯铸件、板料、预成型件或通过增材制造工艺制造的部件。根据要求适当地准备表面(框100)，以接受粉末状材料到其的结合。例如，污染物可被移除和/或表面通过溶剂、氟化物离子清洁、喷砂等粗糙化。
接下来，粉末粘附到表面，框102。粉末可为用于增材制造的任何适合材料。例如，粉末可为金属、聚合物、有机物或陶瓷成分。
如在本文中使用地，用语“粘附”指的是导致层利用足够的结合强度粘附到表面以便在随后的粉末熔化工艺期间保持就位的任何方法。“粘附”暗示粉末具有超出在其自身重量下的简单置放就位(如同关于常规的粉末床机械的情形)的结合或连接。例如，表面可涂覆有粘合剂产品，其可通过诸如浸渍或喷射的方法施加。合适的低成本粘合剂的一个非限制性示例是可从美国明尼苏达州55144的圣保罗的3M公司得到的可复原75喷射粘合剂。备选地，粉末可通过诸如静电吸引的其他方法粘附到部件表面，或通过磁化粉末(如果部件是含铁的)。如本文中所用，用语“层”指的是质量的增量添加，且不要求层是平面的或者覆盖特定区域或具有特定厚度。
粉末可通过使粉末落在或者喷射在表面上或者通过将部件浸入粉末中来应用。粉末应用可以可选地根据要求继之以刷、刮除、吹或摇晃以移除过量粉末(框104)，例如获得一致的层。应当注意粉末应用工艺不要求常规的粉末床或平面的工作表面，且部件可通过任何期望的手段支撑，诸如简单的工作台、夹具或固定物。
一旦粘附了粉末，定向能量源(诸如激光或电子射束)用于熔融所构造的结构的层，框106。定向能量源发射射束，且射束操纵设备用于以适当的图案在暴露的粉末表面上方操纵射束。暴露的粉末层由射束加热到允许其熔融、流动和固结的温度。该步骤可称为熔化粉末。
熔化步骤可继之以根据要求移除任何未熔化粉末(例如通过刷、刮除、吹或摇晃)，框107。该步骤是可选的，意思是其对于特定应用可能需要或可能不需要或期望。
粘附粉末、移除过量粉末和然后定向能量熔化粉末的该循环重复，直到整个构件完成为止(框109)。
上述一般工艺可用于形成所期望的任何类型的增材结构。该工艺对于形成燃气涡轮发动机热区段构件上的冷却结构特别有用。图2示出具有翼型件配置的热区段构件10的示例，其代表高压涡轮叶片或喷嘴。如指出的那样，构件10包括基底12，其带有外表面14和内表面16。例如，基底12可为铸件。基底12的内表面16可在用于冷却剂的供应的非限制性示例中限定至少一个中空内部空间或腔18。增材结构20在外表面14的至少一部分上且环绕其至少一部分构造。构件10包括若干表面冷却通道22，其还称为微通道。表面冷却通道22可在基底12中形成，部分地在基底12和增材结构20中形成，或完全在增材结构20中形成。
构件10可由诸如具有良好的抗高温蠕变性能的镍基合金或钴基合金(传统上称为“超级合金”)的材料制成。
图示的构件10的外表面14是非平面或“3-D表面”。以另一方式陈述，其围绕至少一个轴线弯曲。本文中所述的工艺同样适用于2-D和3-D基底。
图3到图10示出了使用上述工艺制造增材结构20的工艺的连续步骤，首先，提供基底12且根据要求准备外表面14。
冷却剂馈送孔24可按照需要通过基底12的壁形成，如图3中所示。冷却剂馈送孔24可利用适当的材料(例如，蜡、聚合物带等)塞入或覆盖，以防止在随后的步骤期间粉末进入它们。塞23作为示例示出。如果表面冷却通道22部分地在基底12中产生，那么这些可能已经作为铸件的部分或者通过常规加工工艺执行而包括在其中。在图3-图10的示例中，表面冷却通道22完全在增材结构20内形成。
粉末P然后粘附到外表面14。在图示的示例中，通过首先应用粘合剂25到外表面14(图4)，例如通过浸渍或喷射，且然后在粘合剂25上方应用粉末P，例如通过滴落或从喷嘴28喷射粉末P而粘附粉末P。过量粉末P可通过机械地刷表面、利用空气射流吹或摇晃基底12来移除。图5示出在应用粉末P的层之后的基底12。
在该示例中，粉末P可由诸如具有良好的抗高温蠕变性能的镍基合金或钴基合金(传统上称为“超级合金”)的材料制成。作为非限制性示例，粉末层的厚度可为大约10微米(0.0004英寸)。
定向能量源30(诸如激光或电子射束枪)用于以呈现期望的结构的预定程序控制的图案熔融粉末P的层，如图6中所示。定向能量源30发射射束“B”，且射束操纵设备用于在暴露的粉末表面上以适当的图案操纵射束B的焦点“S”。粉末P的暴露层由射束B加热到允许其熔融、流动和固结的温度。图6示出射束B，其用于形成多个壁32的第一层。相邻的壁32之间的空间限定表面冷却通道22。每个表面冷却通道22与冷却剂馈送孔24中的一个连通。应当注意，表面冷却通道22可为任何形状，例如底部可为非扁平的形状，侧壁可朝内或朝外弯曲等。
重复粘附粉末和熔化粉末的步骤来以逐层方式构造结构。图7示出在已经应用很多层之后的后续步骤，其中，表面冷却通道22已经到达其完全径向高度“H”。在该示例中，未熔化粉末P留在表面冷却通道22中以用作用于随后的覆盖物的支撑。应当注意，如果结构将不构造在冷却剂馈送孔24或表面冷却通道22上方，或者如果结构将使用如下文中描述的备选方法构造在冷却剂馈送孔24上方，则在表面冷却通道22中示出的未熔化粉末P以及塞23可能不是必要的。在这种环境下，任何未熔化粉末P可在粘附和熔化粉末的步骤的每个循环中清除。
覆盖物可通过继续上述增材工艺形成在表面冷却通道22上方。图8示出形成在表面冷却通道22上方的覆盖物34。覆盖物34限定构件10的外表面。在形成覆盖物34以后，表面冷却通道22中剩余的未熔化粉末P可例如通过空气射流、真空吸出、化学移除、流体冲洗和/或构件10的振动移除(参见图1中的框111)，从而留下如在图9和图10中所见的完成的表面冷却通道22。
覆盖物34可包括多个出口薄膜孔38。应当注意，虽然出口薄膜孔38在图9中示出为是圆的，且如在图10中所示相对于外表面处于一定角度，但这些是非限制示例。薄膜孔还可以是非圆形的孔，且配置成大致垂直于涂层表面或者相对于涂层表面处于任何角度情形，且可以可选地具有各种形状的入口和出口，例如各种类型的扩散出口是本领域中公知的。此外，在实施例中，出口薄膜孔38可不形成为匹配每个表面冷却通道22的一个薄膜孔的离散特征。在此实施例中，可形成一个或多个薄膜槽，其将不止一个表面冷却通道22出口一起连接成连续的出口特征。出口薄膜孔38或类似的孔口可作为增材工艺的部分形成，或者以后通过如在本领域中公知的常规方法加工。
作为对上述增材覆盖方法的备选方案，表面冷却通道22可完成到图7中示出的开放通道级，且然后可使用现有技术方法制成覆盖物。
如上所述，增材制造工艺不要求层是平面的。为了更清楚地示出这一点，图11-图13示出使用任意形状的层构造的构件的进一步的示例，更具体地是高压涡轮翼型件200的末梢部分。翼型件200分别包括在前缘206和后缘208之间延伸的相对的压力侧壁和吸力侧壁202、204。末梢帽210封闭翼型件200的远端。翼型件200还包括“声响器末梢(squealertip)”212，其包括从末梢帽210沿径向朝外延伸的壁。声响器末梢210包括外扩部分214，其从压力侧壁和吸力侧壁202、204的外表面沿侧向朝外延伸，且围绕翼型件的外围的一部分延伸。
声响器末梢212是可使用本文中所述的原理形成的结构的示例。以包括末端帽210以及压力侧壁和吸力侧壁202、204的翼型件基底开始，可使用上述粘附粉末和熔化粉末的重复步骤在一系列层中构造声响器末梢212。在图14和图15中，线216大体表示这些层。(为了说明的目的，层216的厚度非常夸张)。可清楚地看到，层216可采用带有最少的粉末和处理时间的高效结构所需要的任何形状或大小。例如，声响器末梢212的核心218包括多个平面层，而中间部分220包括多个三维包封层，且远端部分222包括在声响器末梢212的表面区域的仅一部分之上延伸的三维层。
本文中所述的工艺相比现有技术具有若干优点。与常规熔模铸造相比，增材制造工艺简单得多，且要求少得多的工艺步骤来产生构件。本文中所述的特定方法不需要使用大的粉末床，且使增材结构能够以低成本构造到现有3-D构件上。
前文已经描述了用于2-D和3-D构件上的结构的增材制造的设备和方法。此说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)和/或如此公开的任何方法或工艺的所有步骤可以以除至少一些此类特征和/或步骤相互排斥的组合外的任何组合来组合。
此说明书中公开的各个特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非明确另外指出。因此，除非明确另外指出，则公开的各个特征仅为普通的一系列等同或类似特征的一个示例。
本发明不限于前述实施例的细节。本发明延伸至此说明书(包括任何所附潜在新颖点、摘要和附图)中公开的任何新颖的一个特征或特征的任何新颖组合，或延伸至如此公开的任何方法或工艺的任何新颖的一个步骤或步骤的任何新颖组合。

Claims (14)

1.一种在构件上形成结构的方法，包括：
提供具有第一表面的构件；
在第一表面上应用粘合剂；
应用粉末至所述粘合剂并将所述粉末中的至少一些粘附到所述第一表面以形成粘附粉末；
在所述粉末应用到所述粘合剂之后移除未粘附到所述第一表面的过量粉末；以及
从定向能量源引导射束来以对应于所述结构的层的图案熔化所述粘附粉末，其中在循环中重复粘附所述粉末以形成粘附粉末、移除过量粉末并定向引导射束以熔化所述粘附粉末，进而以逐层方式构造所述结构直至完成整个所述构件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，粘附和熔化的重复循环导致所述构件包括熔化和未熔化的粉末两者，所述方法还包括移除所述未熔化的粉末。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一表面是非平面的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构件包括金属合金。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末包括金属合金。
6.一种在构件上形成冷却通道的方法，包括：
提供具有第一表面的构件；
在第一表面上应用粘合剂；
应用粉末至所述粘合剂并将所述粉末中的至少一些粘附到所述第一表面；
在所述粉末应用到所述粘合剂之后移除未粘附到所述第一表面的过量粉末；
从定向能量源引导射束来以预定图案熔化所述粉末；以及
在循环中重复粘附、移除和熔化的步骤来以逐层方式构造结构，其中所述结构包括间隔开的壁，其限定在其间的至少一个开放通道。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述构件中形成与所述至少一个开放通道连通的至少一个冷却剂供应孔。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括形成跨越所述至少一个开放通道的覆盖物。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述至少一个开放通道中留下未熔化的粉末；
形成所述覆盖物；以及
移除所述未熔化的粉末。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括形成通过所述覆盖物与所述通道连通的至少一个出口薄膜孔。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述覆盖物通过如下项形成：
在所述通道上方粘附粉末；
从定向能量源引导射束来以对应于所述覆盖物的层的图案熔化所述粉末；以及
在循环中重复粘附和熔化的步骤来以逐层方式构造所述覆盖物。
12.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一表面是非平面的。
13.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述构件包括金属合金。
14.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述粉末包括金属合金。
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