CN106232269A - 用能量束处理部件的方法 - Google Patents

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Abstract

用能量束（13）处理部件（10）的方法包括用能量束（13）同时扫描并加热该部件的第一部分（12）和第二相邻部分（14）。在该部件的两部分的分叉点或分叉区域处，控制能量束在部件的两部分之间来回重复地移动。部件的相邻部分（12、14）的这个同时加热被构造成将部件的热致变形保持在预先限定的公差内。这个双路径处理可以在流化粉末材料床上执行，该流化粉末材料包括粉末金属材料和粉末熔剂材料。

Description

用能量束处理部件的方法
技术领域
当前发明一般涉及用于形成或修复部件的制造技术，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部件的方法，该方法涉及诸如激光束的能量束的使用。
背景技术
燃烧涡轮发动机，诸如燃气涡轮发动机，典型地包括具有部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这些叶片，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。热气、燃烧产生的碳烟、在热气流内的颗粒以及其他异物也磨损涡轮叶片和静叶，并且侵蚀叶片、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，当叶尖摩擦外壳的护罩时，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部件的裂纹。
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部件。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是部件的传统的单路径能量束处理的示意图解；
图2是部件的双路径能量束处理的示意图解；
图3是部件的双路径能量束处理的另一个实施方式的示意图；
图4是部件的双路径能量束处理的示意图，其图示路径间的熔体池；
图5是部件的双路径能量束处理的另一个实施方式。
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部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层熔合和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。
在图1中，关于涡轮叶尖10的附加修复或制造的现有技术的激光处理路径被示意性地表示，或者其还可以表示用于涡轮叶片的翼面。现有能量束处理技术使用低功率（例如，300W）的能量束处理。处于这样的低功率下所产生的叶尖10的热量输入足够低，使得不论什么路径前进，叶片都没有变形。发明人已经发现使用高功率（例如，2000W）的能量束处理以及以连续的顺时针（或逆时针）路径包住叶片的一个道次，如在图1中所示，热量累积足够引起下面提及的变形。叶尖10可以根据上面所描述的激光处理修复或制造，该激光处理使用与激光束同轴的进给材料或使用诸如在粉末金属材料床中的预先放置的材料。叶尖10包括凸形侧12和凹形侧14，该两者是存在于初始铸件中的基底，并且其可以由激光熔覆沉积进一步延伸或修复。从点A到点B，由箭头66代表的单光栅（rastered）编程激光路径沿叶尖10的凸形叶片边缘12显示。斜杠代表能量束13，诸如激光束。在处理期间，凸形叶片边缘12作为附加的（多种）金属沉积物加热；然而，凸形边缘12的加热能够引起沿着叶尖10的凹形边缘14的收缩应变和变形。因此，当激光处理到达叶尖10的凹形边缘14时，存在与凹形叶片边缘14和激光路径的错位。
发明人已经发现的是，同时扫描并加热凸形边缘12和凹形边缘14导致平衡的应变，降低边缘12、14的变形。关于图2，从起点C到终点D显示光栅编程的双路径能量束处理。如图所示，在点C处或邻近点C处，凸形侧12和凹形边缘14是整体连接的，并且然后沿着由箭头16A、16B代表的能量束路径从点C向下游分叉。可以设置“引入板”（run on tab）使得当束13到达部件10时，束13导致稳定的状态以及适合尺寸的沉积。在实施方式中，当处理朝向点D并且沿着边缘12、14前进时，激光束13被加宽。例如，该束可以从大约4mm加宽至大约12mm。三维扫描光学器件可用于处理高达10kW的处理功率。对于这个加宽的束，可能需要大约1kW至2kW的处理功率。随着边缘12、14沿着束路径继续分叉，控制束13从一个边缘（例如，12）移动至另一个边缘（例如，14）以沿着相应的束路径16A、16B同时地并且选择性地加热粉末金属至边缘12、14上。当扫描束16A、16B时，束的宽度可以降低至例如4mm宽。功率可以增加至大约3kW，或者可以减慢行进速度以确保在金属沉积物和下层基底之间的良好熔合。束13可以以3m/s的跳跃速度从一个边缘移动至另一个边缘，在该速度下，不可能产生足够的热量以在边缘12、14之间熔化任何粉末金属。
控制束13在边缘12、14之间停止移动，并且当束13接近终点D时将其加宽至（例如，12mm宽），并且然后渐细至更小的宽度束（例如，4mm）至例如“引出”板（run-off tab）上。束13的移动和光栅扫描可以用已知的多维振镜（galvanometer）驱动的激光扫描光学器件实现。
叶尖10的凸形边缘和凹形边缘12、14的这个同时加热和熔覆提供平衡的收缩，其导致平衡的应变，并且降低变形，由此阻止上面所描述的错位。这个多路径同时扫描和加热的另一个优点是其涉及单道次/单层，并且熔化的金属沉积物不与之前凝固的金属沉积物重叠。关于图3和图4，显示了带有凸形边缘和凹形边缘12、14的涡轮叶尖10的示意性截面图。如上面所描述，这样的几何形状要求极为接近的同时的双处理。例如，能量束13可以开始处理并且被控制在边缘12、14之间在点E和点F处移动。在这样的位置处的同时的双路径处理可以导致熔体池，该熔体池趋于一起熔化成形成路径间沉积物15的单个的、宽的熔体，该路径间沉积物15没有完全地熔合至下层基底。这个路径间熔体15可以防止从点E、F向下游立即的金属沉积，在这里，控制束13从一个边缘移动至另一个边缘。这可以是路径间熔体15的表面张力的结果，该表面张力阻止熔体15分离至两个路径中。
这个问题的解决方案在图4中图示，其显示包括错开的起点G、H的双路径激光处理。如图所示，允许沿着路径16A的束13的处理前进经过束路径16B的起点H至点G，在此时，激光处理在点H处沿着束路径16B开始。如上面描述的，可以控制束13在边缘12/14之间移动以同时扫描并加热在边缘12、14上的粉末金属材料。当束13沿着束路径16B（边缘14）在起点H处开始扫描时，沿着束路径16A（边缘12）的金属沉积物凝固并且有些冷却。此外，使用上面描述的粉末熔剂材料在当前沉积的金属上形成一层熔渣，并且这层熔渣使金属沉积物隔离，并且提供沉积物再熔化的阻力。沿着束路径16A沉积的金属因此不与路径16B的金属沉积物合并。
在图4中所示的实施方式中，束路径16A沿着叶尖10的凸形侧（边缘12）；因此，束路径16A比沿着叶尖10的凹形侧（边缘14）的束路径16B更长。因此，允许沿着第一路径16A的处理前进经过在第二束路径16B上的起点H，使得沿着路径16A、16B的向前的处理速度类似或基本上相同。在点G和起点H之间的错开的量值可以在5到10毫米的量级上以避免路径间的熔化。在另一个实施方式中，可以附加“引入”板至第二束路径的基底以允许束路径16A、16B的附加分离。当束13接近两个边缘12、14会聚的终点时，控制束13在边缘12、14之间停止移动，并且可以加宽束13（例如，12mm）以覆盖边缘12、14在点I处会聚的区域。可以设置“引出”板并且当束13移动跨过包括在“引出”板上的点I的会聚区域时，可以渐细束13（例如，至4mm）。
在叶尖10（还称为鸣声器）的制造或修复中，上面所描述的错位的延迟起始、再熔化发生在点H处。这是适当的，至少部分地是因为叶尖沿着凹形边缘14经常具有短的（例如，10或20mm）间隙，在凹形边缘14处没有尖端要求。因此，第二起始实际上发生在点H处，其与沿着凸形边缘12的路径16A不连接。
在图5中图示双路径工艺的另一个实施方式，其中，双路径激光处理从叶尖10的相对端部开始。也就是说，扫描在更大或更宽的端部10A处开始，其中，边缘的分叉比在端部10B处的边缘12、14的分叉更突然。如上面所描述的，可以在端部10A处设置“引入”板以开始扫描并加热粉末材料。加宽束13以覆盖边缘12、14的会聚或分叉区域。束13继续在凹形侧（边缘14）上沿路径16C向下以及在凸形侧（边缘12）上沿路径16D向下，并且沿着每一侧的束扫描宽度变窄，例如对于每一个路径变窄至大约4mm。在路径16C、16D之间的更宽的分叉角度能够在克服表面张力以及在实现熔体分离方面有优势。
凹形路径16C比凸形路径16D更短，因此对于相等的路径行进速度，凹形路径16C首先结束。参考图5以进一步图示这个错开的结束，当能量束13沿着束路径16C到达点J时，能量束13沿着凸形束路径16D位于点K处。然后，随着凸形路径16D前进经过凹形路径16C的端部10B，覆盖凹形路径16C沉积物的熔渣（来自熔化并冷却的熔剂材料）防止下层沉积物的再熔化。与在路径中延迟起始不同，这个实施方式涉及路径的延迟结束。当束13沿着束路径16D完成扫描时，沉积在边缘12上的金属已经被充分地冷却以避免上面提及的路径间的熔体，该熔体位于极为接近的相邻的基底处。而且，如果使用熔剂材料的话，熔渣层使下层最近沉积的金属隔离，提供熔化的阻力。
上面描述的双路径能量束处理的实施方式可以在粉末金属材料和粉末熔剂材料的预置床或流化床中执行，或者通过专门进给这样的粉末执行。如果要求多道次沉积物，并且因为熔渣层将在金属沉积物上形成，所以可以提供熔渣去除工具以从沉积金属层上去除熔渣。
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 (20)

1.一种工艺，包括：
提供粉末金属材料以发展相邻的金属基底；以及
沿着第一束路径以及相邻的第二束路径用能量束同时选择性地扫描并加热所述粉末金属材料以发展两个相邻的基底，其中，所述同时加热被构造成将所述基底的一个或两个的热致变形保持在预定的公差内。
2.如权利要求1所述的工艺，其中，扫描和加热所述粉末金属材料的步骤包括：控制所述能量束重复地从一个束路径移动到另一个束路径以沿着相应的束路径扫描并加热所述粉末金属材料。
3.如权利要求1所述的工艺，其中，所述工艺进一步包括：用所述能量束首先扫描所述粉末金属材料，其中，所述能量束具有覆盖两束路径的宽度尺寸，并且然后控制所述能量束在所述束路径的分叉点处开始重复地从一个束路径移动到另一个束路径，以沿着两束路径扫描并加热所述粉末金属材料。
4.如权利要求3所述的工艺，进一步包括：当控制所述能量束重复地从一个束路径移动到另一个束路径时，降低所述能量束的所述宽度尺寸。
5.如权利要求4所述的工艺，其中，所述第一和第二束路径在所述束路径的分叉处的下游会聚，并且所述工艺进一步包括：停止从一个束路径到另一个束路径的所述能量束的重复移动，并且增加所述能量束的所述宽度以在所述束路径的会聚区域处扫描所述粉末金属材料。
6.如权利要求3所述的工艺，其中，处理功率与所述能量束相关联，并且所述工艺进一步包括：当控制所述能量束重复地从一个束路径移动到另一个束路径时，在扫描所述粉末金属材料期间增加所述能量束的处理功率。
7.如权利要求3所述的工艺，其中，当所述能量束沿着所述束路径扫描并加热所述粉末金属材料时，处理速度与所述能量束相关联，并且所述工艺进一步包括：当控制所述能量束重复地从一个束路径移动到另一个束路径时，沿着所述束路径降低所述处理速度。
8.如权利要求1所述的工艺，其中，选择性地扫描并加热所述粉末金属材料的步骤包括：沿着所述束路径之一开始扫描并加热，并且在沿着另一个束路径开始扫描之前，使所述扫描前进至预定点。
9.如权利要求8所述的工艺，其中，沿着两束的所述能量束的处理速度沿着两束路径是基本上相同的。
10.如权利要求1所述的工艺，其中，提供所述粉末金属材料的步骤包括提供粉末金属材料床。
11.如权利要求1所述的工艺，其中，提供所述粉末金属材料的步骤包括邻近于所述能量束地进给所述粉末金属材料。
12.一种工艺，包括：
用能量束同时扫描并加热部件的第一部分和第二相邻部分；
控制所述能量束的移动以重复地从所述部件的所述第一部分移动到所述部件的所述第二部分；以及，
其中，所述同时加热被构造成将所述部件的热致变形保持在预先限定的公差内。
13.如权利要求12所述的工艺，进一步包括：首先用所述能量束扫描并加热所述部件，没有所述能量束的重复移动，并且然后根据所述部件的预定轮廓，在所述部分的分叉点处控制所述能量束从所述部件的所述第一部分到所述第二部分的重复移动。
14.如权利要求13所述的工艺，其中，在控制所述能量束重复地从所述第一部分移动到所述第二部分之前，所述能量束具有第一宽度尺寸，并且所述工艺进一步包括：当控制所述能量束重复地从所述部件的所述第一部分移动到所述第二部分时，降低所述能量束的所述宽度尺寸。
15.如权利要求14所述的工艺，进一步包括：沿着所述第一或第二部分之一用能量束开始扫描，并且在沿着所述第一或第二部分的另一个开始扫描之前，使所述能量束前进至预定点。
16.如权利要求14所述的工艺，控制扫描的处理速度来以基本上相同的处理速度沿着两部分前进。
17.一种工艺，包括：
流化粉末材料床，所述粉末材料包括粉末金属材料和粉末熔剂材料；
沿着第一束路径用能量束选择性地扫描所述粉末材料以形成凝固的沉积物；
沿着与第一束路径相邻的第二束路径用能量束选择性地扫描所述粉末材料以形成凝固的沉积物；以及
控制所述能量束的移动在所述第一和第二束路径之间来回重复地移动，以根据待形成或待修复的部件的预定形状来沿着相应的第一和第二束路径扫描并加热所述粉末金属材料的所述部分，同时保持热致变形在预先限定的公差内。
18.如权利要求17所述的工艺，进一步包括：根据所述部件的所述预定形状，控制沿初始束路径到初始束路径的分叉点的所述能量束的移动，并且然后控制所述能量束在所述第一和第二束路径之间的重复移动。
19.如权利要求18所述的工艺，其中，在所述初始束路径处的所述能量束具有宽度尺寸，并且所述工艺进一步包括：当控制所述能量束重复地从所述第一束路径移动到所述第二束路径时，降低所述能量束的所述宽度至预定宽度。
20.如权利要求17所述的工艺，进一步包括：在沿着另一个束路径开始扫描所述粉末材料之前，沿着所述束路径之一开始扫描所述粉末材料经过预定的时间或距离。
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