CN106607587A - 形成具有一体的通道的熔覆层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种方法，该方法包括：将陶瓷的预成形件(10)浸入粉末超合金材料(14)的层(12)中，其中，预成形件限定待形成在超合金材料的层(42)中的通道(60、62、64、78)的期望形状；将在预成形件周围的粉末超合金材料熔化而不熔化预成形件；并且将预成形件周围的粉末超合金材料冷却并重新固化，以形成超合金材料的层，其中由预成形件限定超合金材料的层中的通道的形状。

Description

形成具有一体的通道的熔覆层的方法
技术领域
本发明总体上涉及增材制造，并且更具体地涉及形成具有精细细节的内部空隙或通道的材料层，并且在一个实施方式中，使用高沉积速率的熔覆操作来形成包含精密冷却通道的超合金熔覆层。
背景技术
通常认为，增材制造是通过多层加工来构成三维部件，其中每一层代表三维部件的一部分。三维部件可以通过使用足够高功率的能量源来熔化用于三维部件的粉末金属或粉末合金来制造。例如，通常以激光逐层烧结或熔合粉末金属或粉末合金的方式来应用高功率激光束。这些过程包括选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、激光近净成形(LENS)等。在加工许多微小的层之后，这些工艺构造出部件。然而，这些工艺具有缺点和局限性。例如，如果需要许多部件、或者如果部件相对较大，则有些工艺极其缓慢且成本过高。
比如，在Bruck等人的美国专利公开2013/0140278中描述的高沉积激光熔覆技术解决了速度的问题，并且以全文引用的方式并入本文。然而，用于导引热气体的多个燃气涡轮发动机部件需要在表面附近布置在零件中的冷却通道。这些冷却通道包括使用如上所述工艺尚无法实现的精细细节。因此，现有技术中仍然存在改进的空间。
发明内容
根据本发明的方法和部件解决了上述技术问题。
根据本发明，提供了一种方法，包括：将陶瓷预成形件浸入粉末超合金材料的层中，其中，预成形件限定出将要在超合金材料的层中形成的空隙的期望形状；将预成形件周围的粉末超合金材料熔化而不熔化预成形件；以及将预成形件周围的被熔化的超合金材料冷却并重新固化，以形成超合金材料的层，其中预成形件限定超合金材料的层中的空隙的形状。
本发明还提供了一种包括在增材制造过程期间形成的多个层的部件，多个层中的一个层由上述方法形成。
附图说明
参照附图在以下描述中对本发明进行阐述，在附图中：
图1示意性地示出了将预成形件定位在粉末超合金材料的层中；
图2示意性示出了将预成形件周围的超合金材料熔化而不熔化预成形件，以及将超合金材料冷却并重新固化；
图3是沉积过程的特写视图；
图4示意性地描绘了具有通过图1至图3中所示过程形成的冷却通道的层；
图5示意地描绘了具有通过重复图1至图3中所示过程形成的冷却通道的部件；以及
图6示意性地描绘了具有结构性表面细节的预成形件。
具体实施方式
发明人提出：使用具有精细细节的预成形件，并且该预成形件在高沉积速率熔覆过程期间不会熔化，从而在超合金熔覆层内形成具有精细细节的通道(也称为空隙)。取决于应用场合，所述通道可以用于冷却、诊断或其他目的。在本文中选择冷却通道的示例性实施方式来进行讨论。然而，该工艺也能够适用于其它空隙，比如端部封装的通道，用于容纳比如热电偶等仪器。一旦完成熔覆过程并且由此形成了熔覆层，就可以移除预成形件以露出通道。替代性地，预成形件可以保留在熔覆层中并且可以限定在其内部的通道。本发明人已经认识到，浸渍在合金熔池内的陶瓷预成形件可能没有被完全润湿，特别是在预成形件的表面包含精细的结构性细节的情况下尤为如此。因此，本发明的预成形件可以涂覆有与超合金材料相容的金属或金属合金。该金属涂层可以改善被熔化的超合金材料对预成形件的几何形状的润湿，由此在随后被冷却的熔覆层中保留预成形件表面的精细细节。
图1示意性地示出了将预成形件10定位在布置于基底16(或加工床)上的粉末超合金材料14的层12中。粉末熔剂20的层18可以被布置在粉末超合金材料14的层12上。替代性地，粉末超合金材料14与粉末熔剂20可以混合在一起。在另一替代的示例性实施方式中，可以使用惰性保护气体或真空来替代粉末熔剂20(或除了粉末熔剂20之外还使用惰性保护气体或真空)以避免在加工期间发生大气反应。预成形件10可以由在熔覆操作期间不会熔化的任何材料制成。预成形件10可以是实心的(例如细丝)或可以具有以下形状：其限定出穿过预成形件10的通道(例如管或具有相互连通的孔隙的泡沫)。预成形件的尺寸和形状与最终零件中期望的开口或空隙的几何细节相对应。示例预成形件材料包括陶瓷，比如氧化铝和氧化锆。目前能够得到直径小到0.28mm的氧化铝棒(细丝)。目前能够从例如加利福尼亚州的萨克拉门托市的Ortech Advanced Ceramics(Ortech精密陶瓷公司)得到直径小到1.6mm的氧化锆棒(细丝)。可以从例如科罗拉多州的高登市的CoorsTek公司得到管状的氧化铝和莫来石(3Al2O32SiO2)。
可选地，预成形件10的外表面30可以涂覆有涂层32(例如金属涂层)以促进激光熔覆操作期间的润湿。合适的预成形件10的材料包括氧化铝、氧化铍、蓝宝石、氧化锆、二氧化硅、氧化镁、氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳化硅、硅酸铝(包括莫来石)、硅酸镁和任何其他合适的陶瓷。合适的涂层材料包括钼-锰、钨锰、钼钨锰、钛、铪、锆、铬和铌。可以使用上述预成形件材料和涂层材料的任意组合。
在示例性实施方式中，氧化铝、氧化铍或蓝宝石的预成形件10可以涂覆有钼-锰、钨锰和钼钨锰中的任一者。预成形件10可以通过使用若干已知的过程中的任意过程进行涂覆，包括：刷涂、丝网印刷、喷涂、浸涂、镀覆、溅射和针涂布(needle application)。典型地，涂层32的厚度可以为二十五微米，具有十微米的公差。当涂层32是镀层时，涂层32的厚度可以为二微米至十微米。因此，在一些情况下，可以在没有中间涂层的情况下将用于实现润湿的镀层直接施加于预成形件10。可选地，可以将第二涂层34施加于涂层32的表面36以进一步促进润湿。第二涂层34可以包括与粉末超合金材料14相容的金属或合金，该金属或合金在镀覆过程中施加，在这种情况下，该第二涂层34是镀层。例如，对于镍基的粉末超合金材料而言，可以将镍用于第二涂层34。同样，镀层，以及由其形成的第二涂层34的厚度为二微米至十微米。预成形件10的金属化的可选的最终步骤可以包括热处理。在示例性实施方式中，氧化铝的预成形件10涂覆有镀镍的钼-锰。
在替代的示例性实施方式中，氧化锆的预成形件10可以涂覆(借助于物理气相沉积)有钛(通过德国Jülich(尤利希)的Forschungszentrum Jülich(尤利希研究中心)商购获得)。适于涂覆氧化锆(借助于物理气相沉积)的其他材料包括铪、锆、铬和铌。
涂层32和可选的第二涂层34改善了在熔覆操作期间被熔化的超合金材料对预成形件的润湿。在熔覆操作期间，涂层32和可选的第二涂层34可能消耗也可能不消耗。如果消耗，则被熔化的超合金材料将与预成形件10的外表面30直接吻合。如果未消耗，则当仅存在涂层32时、被熔化的超合金材料将与涂层32的外表面36相吻合，或当存在第二涂层34时、被熔化的超合金材料将与第二涂层34的外表面38相吻合。由于预成形件10的外表面30的形状限定了涂层32的外表面36的形状以及第二涂层34的外表面38的形状，因此被熔化的超合金材料仍与预成形件10的外表面30的形状相吻合。被熔化的超合金材料围绕细节的固化将细节保留在熔覆层中。
如果涂层32和/或第二涂层34在熔覆操作期间被消耗，则将不会对熔覆层产生不利的影响，这是因为涂层32和第二涂层34中存在的元素优选地已经存在于相关合金(例如镍基的超合金)中，并且所添加的材料的量非常少，以至于其将不会对熔覆层成分或者机械特性或物理特性产生显著的影响。
图2示意性示出了在不熔化预成形件10情况下将预成形件10周围的粉末超合金材料14进行熔化。该熔化可以通过现有技术中已知的任何方式来实现。在示例性实施方式中，激光束40选择性地加热粉末超合金材料14，以形成熔化的超合金材料的熔池。被熔化的超合金材料冷却且固化以形成由熔渣44的层覆盖的熔覆层42。预成形件10在熔覆层42内保持完整。
图3是熔化过程的特写。当激光束40沿行程50的方向移动时，激光束40使粉末超合金材料14和熔剂材料20熔化以形成由熔渣44覆盖的熔池52。在到达预成形件10时，行进的熔池52包围预成形件10，并且随着被熔化的超合金材料围绕预成形件固化而保留了预成形件10中存在的任何细节。在涂层32存留的情况下，当预成形件10被移除时，将由涂层32的内表面54限定冷却通道。在涂层32被消耗的情况下，当预成形件10被移除时，将由熔覆层42的内表面限定冷却通道。
在加热过程期间，常规的激光加热可以将激光束40定位在预成形件10的大致上方。因此，在预成形件10下方的被遮挡区域56(例如被遮挡而不受激光直射)中的粉末超合金材料14不会被激光束40直接加热。为了确保在被遮挡区域56中的粉末超合金材料14被熔化并且被熔化的超合金材料到达预成形件10的下侧58，因此激光束40在接近预成形件10时可以减慢其行进速度。通过增加向预成形件10附近的熔池52传递的热，可以增加向被遮挡区域56中的粉末超合金材料14的传导式热传递。高导热系数的预成形件材料、比如氧化铝可以增强对于被遮挡区域56的加热。这能够促进被遮挡区域56中的粉末超合金材料14更好的加热和熔化。随后，将由于温度梯度(Rayleigh–Bénard对流)以及表面张力梯度(Marangoni对流)使这些材料与熔池52的其余部分混合。可以由机械搅动来补充进行熔化物的搅拌，这通过对流作用而促进润湿。例如，预成形件本身能够振动或旋转以增强润湿。激光束40还可以随着其靠近预成形件10(例如，接近预成形件)而呈不同的角度，从而允许激光束40到达被遮挡区域56的部分或全部，在其它激光过程中使用的激光束40的取向未进行调整的情况下，激光束40无法到达该被遮挡区域56。由涂层32和/或第二涂层34提供的改善的润湿还将有利于被熔化的材料沿着预成形件10的下侧表面运动。减慢的激光行进、成角度的激光、传导性的预成形件、对流作用、表面张力作用和机械搅动的单独作用或组合作用能够促进被熔化的超合金材料完全包围预成形件10并且吻合预成形件10的外表面30的形状。可以在激光束40靠近预成形件10(即足够接近预成形件10以对被遮挡区域56产生作用)时，采用上述单独的作用或组合作用。
图4示出了移除熔渣44的层之后的熔覆层42。该熔覆层42可以是部件上的修补，或是新部件的层。可以看到三个冷却通道60、62和64。在示例性实施方式中，已经移除了预成形件10并且第一冷却通道60由熔覆层42的内表面66限定。这种情况可能会在预成形件10上没有涂层32和第二涂层34时发生，或者涂层32和第二涂层34在熔覆操作期间被消耗时发生。在这种情况下，被熔化的材料与预成形件10的外表面30相吻合。预成形件10可以通过机械方式或化学方式或本领域中已知的其他方式来移除。例如，可以使用超声波能量使预成形件破裂且粉碎并且使其碎成粉末，随后通过使用诸如加压的空气或冲洗剂之类的流体而将所述粉末冲掉。泡沫或压粉结构的预成形件可能相对易碎，因而方便上述移除。当预成形件10包括诸如管、泡沫等中空形状时，可通过热冲击而将预成形件10破裂、粉碎及移除。例如，可将液态氮冲洗通过预成形件10而导致其破裂，在此期间或之后可以移除预成形件10。替代性地或另外地，当中空时，可以通过机械冲击(例如超声波)将预成形件10破裂、粉碎及移除。
在示例性实施方式中，预成形件10已经被移除并且第二冷却通道62由涂层32的内表面54限定。在预成形件10具有涂层32和可选的第二涂层34、并且在图3的熔覆操作期间涂层32没有被消耗(无论第二涂层34是否被消耗)时，可能发生这种情况。
在示例性实施方式中，保留了预成形件10并且第三冷却通道64由预成形件10的内表面68限定，该预成形件10为例如中空的管或泡沫。当预成形件10是留在原处的泡沫时，泡沫的连通孔隙可以增强冷却通道64的冷却效果。中空的预成形件10可以被(也可以不被)涂覆及可选地镀覆。
图5示意性地描绘了具有冷却通道的部件70，在增材制造过程期间通过重复图1至图3中示出的熔覆过程而形成冷却通道。该过程的每次重复形成相应的熔覆层42。部件70可以具有一个熔覆层42、若干熔覆层42，或者部件70可以全部由熔覆层42组成。在形成多个熔覆层42之间和/或在施加全部熔覆层42之后，可以对部件进行机加工。在示出的示例性实施方式中，多个熔覆层42包括相应的冷却通道，但是不需要每个熔覆层42都具有相应的冷却通道。
每个熔覆层42可以具有相应的一种或多种类型的冷却通道，并且这些冷却通道可以具有任何取向、尺寸和截面形状。第一熔覆层72包括由熔覆层42的内表面66限定的且呈一个取向的冷却通道60。第二熔覆层74包括由预成形件10的内表面68限定的且呈不同取向的冷却通道64。第三熔覆层76包括呈另一不同取向的不同的多边形冷却通道78。第四熔覆层80没有冷却通道。本公开的范围内的示例性实施方式可以将冷却通道从一个熔覆层42连接至另一个熔覆层42。该连接可以通过后续机加工来提供，或者作为熔覆操作的一部分、通过使用包含竖向延伸腿部的预成形件来形成连接通道。以此方式，冷却通道可以从一个熔覆层42横向地(在相应的熔覆层42内)以及竖向地延伸至另一个熔覆层42。尽管已经描述了用于冷却的连接通道，但是可以包括用于其他目的通道。例如，终止于重要位置处的诊断用通道可以由具有相同端部的管状预成形件来提供。在完成零件之后，可以将诸如热电偶之类的仪器插入穿过管状预成形件或插入到由预成形件形成的通道中。
图6示意性地描述了在外表面30中具有细节的预成形件10，这些细节被复制在随后形成的冷却通道中。这些细节的示例性类型包括凸出的或凹入的鳍状部80(由Kakac等人在“Heat Transfer Enhancement of Heat Exchangers(热交换器的热传递改进)”中公开)、凸出的或凹入的绊条(trip strip)82、凸出的或凹入的V形部84、以及凸出的或凹入的小点86或在本领域已知的布置在预成形件的内表面或外表面上的任何其他特征。这些细节可以例如提高向冷却通道中的冷却流体的热传递，并且/或者调节穿过冷却通道流动的冷却流体的流量。
预成形件10也可以使用除了线/细丝和管之外的几何形状。例如，在半导体应用中可以使用平的板。例如，在防弹衣应用中可以使用单曲板和双曲板。对于例如用于测量血液的部件，可以形成具有精确尺寸孔的阀。对于例如整形外科植入物，可以使用杯形和特定的轮廓。这些非限制性示例仅代表本文公开的过程的一些可能的应用。
从前文所述可以看出，发明人已经开发了以下新的并且新颖的方法：借助于相对高温的预成形件、利用高速熔覆过程，形成包含内部空隙的材料层，该内部空隙具有非常细微的内表面几何形状。该过程实现了此前这种过程无法实现的精细水平，并且可被用于增材制造过程，从而以前所未有的速度形成零件。因此，这体现出本领域中的改进。
尽管本文已经示出且描述了本发明的各种实施方式，然而，明显的是，提供这些实施方式仅出于示例的目的。在不背离本文发明的情况下可以进行多种变型、改变和替换。因此，本发明仅应由所附权利要求的精神和范围限定。

Claims (10)

1.一种方法，包括：
将陶瓷的预成形件(10)浸入粉末超合金材料(14)的层(12)中，其中，所述预成形件限定出将要在超合金材料的层(42)中形成的空隙(60、62、64、78)的期望形状；
将所述预成形件周围的粉末超合金材料熔化而不熔化所述预成形件；以及
将所述预成形件周围的被熔化的超合金材料冷却并重新固化，以形成超合金材料的层，其中所述预成形件限定超合金材料的层中的所述空隙的形状。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预成形件包括中空的陶瓷管。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括通过机械冲击或热冲击工艺将所述中空的陶瓷管移除。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括在浸入步骤和熔化步骤之前涂覆陶瓷的所述预成形件的外表面，以便于被熔化的超合金材料润湿所述预成形件。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述预成形件的外表面涂覆有钼-锰、钛、钨锰、钼钨锰、铪、铬、锆和铌中的至少一者的涂层。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括在浸入步骤和熔化步骤之前将所述涂层镀上镀层，其中，所述涂层和镀层促进被熔化的超合金材料润湿所述预成形件。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预成形件包括位于外表面或内表面上的凸出或凹入的表面特征(80、82、84、86)，所述方法还包括用以下材料的层来涂覆外表面上的所有凸出的或凹入的表面特征：该材料起到在熔化步骤期间促进被熔化的超合金材料润湿所述预成形件的作用。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括在加热步骤期间形成熔池，并且通过下述各项中的至少一者来促进所述熔池润湿所述预成形件：减慢用于熔化所述预成形件附近的粉末超合金材料的激光的行进速度、改变用于熔化所述预成形件附近的粉末超合金材料的处理激光的角度、调节所述预成形件附近的对流作用、调节所述预成形件附近的表面张力作用、旋转所述预成形件以及搅动所述预成形件。
9.一种包括在增材制造过程期间形成的多个层的部件，其中，所述多个层中的一个层通过权利要求1所述的方法形成。
10.一种包括在增材制造过程期间形成的多个层的部件，其中，所述多个层中的一个层通过权利要求2所述的方法形成。
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