CN106794519B - 形成为一体化体系的包含多种材料的三维部件的激光增材制造 - Google Patents

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Abstract

公开了激光增材制造的方法，其中将多个粉末层(48、50和52)递送到工作表面(54A)上以形成多重粉末沉积物，其包含至少两个接触的相邻粉末层，然后将第一激光能量(74)施加至第一粉末层(48)并将第二激光能量(76)施加至第二粉末层(52)以形成多材料部件的剖面。多重粉末沉积物可包含提供至少一个保护特征的熔剂组合物。可独立地控制第一激光能量和第二激光能量的形状、强度和轨迹使得其宽度小于或等于第一粉末层和第二粉末层的宽度，其强度适配于粉末层的组成，并且其扫描路径限定了多材料部件的最终形状。

Description

形成为一体化体系的包含多种材料的三维部件的激光增材 制造
本申请是于2013年10月1日提交的美国非临时申请号14/043037(代理人案号2012P24077US01)的部分继续申请并于2014年4月10日公开为US 2014/0099476，其要求于2012年10月8日提交的美国临时申请号61/710995(代理人案号2012P24077US)的权益，并且还要求于2012年10月10日提交的美国临时申请号61/711813(代理人案号2012P24278US)的权益，其全部内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本申请一般地涉及材料技术，并且更具体地涉及在任选存在熔剂组合物的情况下使用陶瓷材料和金属材料的激光粉末沉积来制造和修复多材料部件。
背景技术
增材制造使得部件能够通过以层构建所述部件来制造。当应用于金属或陶瓷物体的制造时，将每个层熔化、烧结或以其他方式整合到先前的层上使得每个层可模制为最终物体的切片或剖面(sectional plane)。例如，选择性激光熔融(SLM)和选择性激光烧结(SLS)已用于由粉末床逐层构建部件。在这些方法中，将部件最终材料或前体材料的粉末床沉积到工作表面上，然后将激光能量引导至遵循部件的横截面形状的粉末床上以产生部件的层或切片。然后经沉积的层或切片对于下一层变为新的工作表面。
SLM和SLS通常限于平坦的工作表面，而激光微熔覆是能够3D化的方法，其通过使用激光束熔化指向物体表面的粉末流来将小而薄的材料层沉积到表面上。在激光微熔覆中，通过气体射流将粉末推向表面，并且当粉末是金属材料时，气体通常为保护性惰性气体，例如氩气，其能够保护所得熔融金属免受大气中的氧气响影。然而，激光微熔覆受限于其低沉积速率(其范围为约1cm3/小时至6cm3/小时)。此外，由于保护气体趋向于在覆层材料完全冷却之前消散，所以在沉积物的表面上可能发生表面氧化和氮化。当需要多层覆层材料以获得期望的覆层厚度时，这样的杂质可能尤其成问题。
当使用SLM或SLS制造超级合金部件时，也趋向于发生类似的问题。即使当在激光加热期间通过施加惰性气体(例如氩气)保护经熔融的超级合金材料免受大气的影响时，这些方法也趋向于在所沉积的材料层内捕集氧化物(例如，铝和铬的氧化物)，导致与所捕集的氧化物相关的多孔性、夹杂物和其他机械缺陷(例如，开裂)。为了缓解这个问题，已使用后沉积方法如热等静压(HIP)来使这些空隙、夹杂物和开裂坍塌以改善所沉积的涂层的热特性和机械特性。
已提出了使用粉末状金属合金的静态床的SLM和SLS以通过增材制造来制造超级合金部件。然而，使用这些技术生产的部件由于低生产率和品质而受到限制。由于递增沉积的层往往非常薄，因此使用粉末状材料的静态床大大地限制了生产率。此外，经递增处理的层或平面之间的界面通常遭受缺陷和有问题的物理特性。使用混合床方法也不允许选择性布置不同材料以形成包含多种材料的一体化体系。这种一体化体系可包括例如涂覆有扩散结合MCrAlY涂层的内部超级合金基底，其进一步与外陶瓷热障涂层(TBC)结合。
有必要选择性布置不同的材料以便使用激光增材制造(Laser AdditiveManufacturing，LAM)技术来有效地生产包含一体化体系的多材料部件，如图1所示的燃气轮机翼型20。图1是示例性燃气轮机翼型20的截面图，所述燃气轮机翼型20包括前缘22、后缘24、压力侧26、吸入侧28、金属基底30、冷却通道32、分隔壁34、湍流器36、膜冷却出口孔38、冷却销40和后缘出口孔42。在该实例中，尽管金属基底30、分隔壁34、湍流器36和冷却销40由超级合金材料制成，但是翼型基底30的外表面涂覆有多孔陶瓷热障涂层44。还可在超级合金基底30和热障涂层44之间施加金属结合涂层45(如MCrAlY)以增强超级合金层与陶瓷层之间的结合并进一步保护超级合金材料免受外部氧化剂影响。
因此，使用LAM技术生产多材料部件(如图1的翼型20)不仅需要选择性布置不同的材料，而且还需要能够对这些不同的材料选择性地施加不同的加工条件(即，激光加热的位置和强度)。这是因为选择性熔融超级合金粉末以形成金属基底30通常需要不同于选择性烧结陶瓷粉末以形成热障涂层44的加热条件。另一种严重的复杂性来自对保护超级合金粉末和所得金属基底30避免与大气氧化剂(如氧气和氮气)反应的需要。特别对于大型翼型20，使用LAM技术还可能需要能够在大气条件下进行SLM和SLS而不危害所得部件的化学和/或物理特性的能力。
附图说明
在以下描述中参考附图对本发明进行说明，附图示出了：
图1是一个示例性燃气轮机翼型的剖面图。
图2是示出在工作表面上形成相邻粉末层的粉末递送装置剖面图。
图3是用于生产多材料部件(其包含结合在一起作为一体化体系的超级合金层、结合涂层和陶瓷热障涂层)的剖面的方法的透视图。
图4是用于生产一个示例性燃气轮机翼型的剖面的方法的俯视图，其中单独的激光束加热剖面中的单独层以形成一体化体系。
图5是用于生产一个示例性燃气轮机翼型的剖面的方法的俯视图，其中二极管激光器用于加热剖面中的单独层，并且激光吸收掩模用于部分地限定剖面的形状并控制施加到剖面不同层上的激光能量。
图6是图5的方法的剖面图，其中激光吸收掩模用于控制通过二极管激光器施加到剖面不同层上的激光能量的形状和强度。
发明内容
本发明人已认识到需要发现能够使用激光增材制造(LAM)来制备多材料部件(如图1的示例性翼型20)的方法和材料。理想的方法允许选择性地布置部件的各材料并以简单有效的方式对其进行处理从而避免上述化学缺陷和机械缺陷，同时确保最终部件中一体化体系层的充分的互相结合和尺寸完整性。理想的方法还可允许制备大尺寸的部件而不需要严格使用无空气条件同时仍然使不期望的化学缺陷和机械缺陷最小化。
发明人已发现用于增材制造包含尺寸复杂、三维特征的多材料部件(其包括一体化体系)的方法。在这些方法中，将对应于最终部件的不同结构材料的单独的粉末状材料递送到工作表面上以产生多重粉末沉积物，其中可精确控制多个相邻粉末层的内容物(content)和尺寸(即宽度、厚度和交叠)。然后进行多个相邻粉末层的激光加热使得施加到不同粉末层上的激光能量的形状和强度适配于适应不同粉末层的内容物和尺寸。激光吸收材料也可用于进一步限定激光加热的形状和强度以赋予所得部件复杂的结构特征。激光加热各粉末层引起粉末适当地熔融或烧结以形成作为一体化体系的构成最终部件的剖面(即切片)的金属和/或陶瓷层。敏感金属与大气试剂(例如，O2和N2)的反应也可通过在配制用于激光粉末沉积的熔剂组合物的存在下进行此加热而最小化。
可以以增材的方式进行这些加工步骤的各种组合使得由激光粉末沉积产生的剖面可用作新的工作表面，在其上可沉积另外的剖面以形成尺寸复杂的多种材料的部件，如图1的示例性翼型20。独立控制激光能量的形状、轨迹和强度以适应多个相邻粉末层的内容物和尺寸的能力有望大幅提高所得部件的结构完整性以及增材制造方法的效率。此外，配制用于激光粉末沉积的熔剂组合物的使用有望减少不期望的化学缺陷和机械缺陷，同时避免进行后沉积工艺步骤(如热等静压(HIP))的需要。
图2示出了用于将第一相邻粉末层48、第二相邻粉末层50和第三相邻粉末层52以部件的给定剖面中对应的第一剖面形状、第二剖面形状和第三剖面形状递送到工作表面54A上的方法和装置。所得多重粉末沉积物至少部分地限定了由激光加工形成的所得剖面的形状和组成。第一粉末层48、第二粉末层50和第三粉末层52可包含金属和/或陶瓷组分，使得所得剖面形成包含经由中间结合涂层与陶瓷热涂层(TBC)结合的基底金属的一体化体系。例如，第一粉末层48可为以图1所示的翼型基底30的区域形状递送的结构金属，第二粉末层50可为以结合涂层45的区域形状邻近第一粉末层48递送的结合涂层材料，并且第三粉末层52可为以热障涂层44的区域形状邻近第二粉末层50递送的陶瓷材料。在一些实施方案中，粉末层的至少之一还可包含熔剂组合物，其提供如下所述的至少一个保护特征。在另一些实施方案中，粉末层的至少之一可由单独的熔剂组合物层覆盖。
在一些实施方案中，可通过首先使第一粉末、第二粉末和/或第三粉末各自与粘合物质(如水、醇、漆或粘合剂)接触来增加多重粉末沉积物对工作表面54A的粘合性。用胶状物质对粉末进行这种预润湿还可改善各层的层间粘合性以便控制各层之间交叠区处的材料梯度。可选地或另外的，在一些实施方案中，可通过在粉末沉积之后立即激光加工(熔融或烧结)各粉末层来增加多重粉末沉积物对工作表面54A的粘合性。在这样的实施方案中，可在粉末沉积之后立即同时熔融各层(在相同位置)，或者可沉积各层并立即在不同位置进行熔融。例如，可沉积超级合金粉末48并且首先使用宽的高能量激光束立即将其熔融至工作表面54以形成所得超级合金层，然后可使结合涂层材料50沉积并且使用更聚焦的激光束立即将其熔融至邻近超级合金层的固体边缘以形成结合涂层，最后可随后沉积陶瓷材料52并且使用经调节以加强烧结的激光束立即将其烧结至邻近结合涂层的固体边缘以形成结合涂层。
还可在第一粉末与第二粉末之间递送界面56以形成在两个相邻粉末层48、50之间提供材料梯度过渡的交叠区57。还可在第二粉末层50与第三粉末层52之间递送界面58以形成工程机械互锁。在一个实施方案中，例如，所述工程机械互锁可由交替伸入彼此的第二粉末层50与第三粉末层52的交错指状物形成。这种交错指状物的布置描述于公开号US2014/0099476(申请号14/043037)的图9中，其内容通过引用并入本文。
粉末递送装置60可具有适合于将粉末喷雾64递送到焦点66的一个或更多个喷嘴62。粉末递送装置60可包括相对于工作表面54A的多轴运动61，使得喷嘴可遵循给定水平面中的非线性剖面轮廓，可移动到相对于工作表面54A的不同平面或不同距离，并且可以以变化的速度和变化的角度递送多种粉末。多轴运动61可通过在计算机控制下经由轨道和旋转轴承的工作台55的运动和/或通过粉末递送装置60的运动而发生。可通过离散颗粒建模模拟来预先确定粉末递送参数(如喷嘴移动速度、质量递送速率和喷洒角度)以优化所得剖面层的最终几何形状。
如上所述，用于形成多重粉末沉积物中的相邻粉末层(例如，图2中的层48、层50和层52)的各粉末可在喷涂步骤之前或期间与粘合物质(如水、醇、漆或粘合剂)接触，使得各粉末层保持期望的形状直到发生激光加工将多重粉末沉积物转化为部件的粘合剖面。
在一些实施方案中，根据各材料的加工收缩特性，可以以不同的厚度(高度)递送多重粉末沉积物的各粉末层以在激光加工之后实现均匀厚度的所得剖面。公开号US 2014/0099476(申请号14/043037)的图8中描述了具有不同层厚度的多重粉末沉积物的一个实例，其中第二粉末层50的厚度大于第三粉末层52的厚度，使得第二粉末层50与第三粉末层52之间的所得交叠区77包含了可变厚度的梯度材料过渡。
虽然图2的所得多重粉末沉积物包含位于共同工作表面54A上的三个相邻粉末层48、50和52，但是本公开内容的另一些实施方案可采用位于共同工作表面54A上的少于三个粉末层或可采用多于三个粉末层。此外，虽然图2的所得多重粉末沉积物包含与位于同一工作表面54A上的至少一种其他粉末层直接接触的三个相邻粉末层，但是另一些实施方案可使用其中粉末层的至少之一不与位于同一工作表面上的另一种粉末层(相邻或以其他方式)直接接触的多重粉末沉积物。
在一些实施方案中，多重粉末沉积物的各粉末层不是使用粉末递送装置60递送，而是可被递送到工作表面54A上的至少一个预成型结构中，所述预成型结构由不同隔室(compartment)构成，允许模块化控制各粉末层的布置和激光沉积。在一个实施方案中，例如，将第一粉末层48、第二粉末层50和第三粉末层52递送为包含用于各粉末的三个独立隔室的预成型结构。这种预成型结构还可包含例如分离第一粉末层48与第二粉末层50的至少一个中间隔室，以提供如上所述的第一粉末与第二粉末之间的交叠区57(参见图2)和材料梯度过渡。在另一些实施方案中，可对预成型结构进行图案化使得例如第二粉末层50与第三粉末层52之间的界面58处为由如上所述的交错指状物形成的工程机械互锁的形式。
预成型结构还可包含至少一种熔剂组合物，其作为与各粉末层中一者或更多者的混合物(包含于相同的隔室中)或作为含熔剂组合物的单独层(包含于至少一个单独隔室中)。在一个实施方案中，例如，形状类似于图1的金属基底30的第一隔室包含与第一熔剂组合物混合的超级合金粉末，形状类似于金属结合涂层45的第二隔室包含与第二熔剂组合物混合的MCrAlY粉末，并且形状类似于陶瓷热障涂层44的第三隔室包含还可包含第三熔剂组合物的陶瓷材料。在另一个实施方案中，例如，第一隔室仅包含超级合金粉末，第二隔室仅包含MCrAlY粉末，并且第三隔室仅包含陶瓷材料，但是第一隔室和第二隔室(超级合金/MCrAIY)由含熔剂组合物的第四隔室覆盖。
这样的预成型结构的隔室通常由壁和密封的边缘构成，其中壁可以是任何类型的片(例如保持部件的织物、膜或箔)并且边缘可包含非金属非熔融的激光阻挡材料(例如石墨或氧化锆)。在一些实施方案中，预成型结构可由某些熔剂材料构成，例如氧化铝或二氧化硅纤维的织物，其既用于保持预成型结构的形状和结构完整性又用于提供激光加工期间如下所述的至少一个保护特征。
在使用例如粉末递送装置和/或预成型结构沉积各粉末层(例如图2中的层48、层50和层52)之后，随后对所得多重粉末沉积物进行激光加工以形成所制备的多材料部件的剖面。图3示出了一个非限制性实例，其中多重粉末沉积物包含图2的第一粉末层48、第二粉末层50和第三粉末层52并且经历使用两束单独的激光束74和76的激光加工以形成图1的翼型20的剖面。在图3的实施方案中，第一粉末层48包含超级合金金属粉末65与第一熔剂组合物67的混合物，第二粉末层50包含MCrAlY粉末68与第二熔剂组合物70的混合物，并且第三粉末层52包含陶瓷粉末72。该多重粉末沉积物还包含第一粉末层48与第二粉末层50之间的第一交叠区57和第二粉末层50与第三粉末层52之间的第二交叠区58。这些层都位于任选可移动的工作台55的公共工作表面54A上。如上所述，在一些实施方案中，多重粉末沉积物可保持其形状且粘合到工作表面54A上，原因是第一粉末、第二粉末和/或第三粉末可与粘合物质混合或用粘合物质润湿。
在图3的示例性实施方案中，通过独立控制第一激光束74和第二激光束76的尺寸、形状、强度、轨迹和速度来对各粉末层进行激光加工，使得多重粉末沉积物目标部分的激光加热适配于适应每个相应的粉末层的形状和内容物。在该实例中，相对于超级合金粉末层48的宽度和陶瓷粉末层52的宽度，MCrAlY粉末层50的宽度相对较薄。为了确保适当控制施加到陶瓷粉末层52上的热(以仅影响部分熔融以产生经烧结的TBC层)，本实施方案将第一激光束74施加到超级合金粉末层48上并将第二激光束76施加到陶瓷粉末层52上，并且依赖来自相邻经加热层之一或二者的传导加热使MCrAlY粉末层50熔融。
如图3所示，使第一激光束74成形为使得其宽度大致匹配超级合金粉末层48的宽度，并且使第二激光束76成形为使得其宽度大致匹配陶瓷粉末层52的宽度。在一些实方案中，第一激光束74和/或第二激光束76的宽度小于或等于相应的第一粉末层48和/或第二粉末层52的宽度。在另一些实施方案中，第一激光束74和/或第二激光束76的宽度可超过相应的第一粉末层48和/或第二粉末层52的宽度。
通过第一激光束74施加到超级合金粉末层48上的热使得超级合金金属粉末65和第一熔剂组合物67熔融并形成超级合金熔池80，然后使其冷却并凝固成冷却的超级合金层86。如图3的截面图所示，经冷却的超级合金层86由经第一渣层90覆盖的超级合金覆层88形成。来自超级合金熔池80的热也被传递到相邻的MCrAlY粉末层50，使得MCrAlY粉末68和第二熔剂组合物70熔融并形成MCrAlY熔池82，然后允许其冷却并凝固成冷却的MCrAlY层92。如图3的截面图所示，冷却的MCrAlY层92由经第二渣层96覆盖的MCrAlY结合涂层覆层94形成，使得超级合金覆层88和MCrAlY结合涂层94通过第一交叠区100结合在一起。
通过第二激光束76将热独立地施加到陶瓷粉末层52上使得陶瓷粉末72在陶瓷加热区域84内部分熔融，然后使其冷却并凝固成经烧结的热障涂层98，经烧结的热障涂层98经由第二交叠区102与MCrAlY结合涂层94结合。如图3的截面图所示，冷却的金属层86和92的组合厚度(高度)可超过经烧结的热障涂层98的厚度(高度)，原因是存在覆盖超级合金覆层88和MCrAlY结合涂层94的第一渣层90和第二渣层96。然后使用机械去除和/或化学去除对第一渣层90和第二渣层96随后进行去除，以产生包含结合为一体化体系的超级合金层、MCrAlY结合涂层和陶瓷TBC层的部件的剖面。
在另一些实施方案中，可使用第三激光束单独加热MCrAlY粉末层50，对所述第三激光束进行独立地控制使得其尺寸、形状、强度、轨迹和速度适应MCrAlY粉末层50的形状和内容物。在又一个实施方案中，可通过具有可变输出的单激光发射器或通过对不同粉末层具有不同输出的多激光发射器来提供施加到多重粉末沉积物的各粉末层的激光能量。一些实施方案采用适合于在二维空间上调节激光强度的单激光源来产生多强度激光束，其中，例如第一激光能量和第二激光能量出现在多强度激光束内的不同空间位置处。能够在二维空间上调节激光强度的激光源的一个实例是二极管激光器。在另一些实施方案中，通过适合于例如产生矩形激光束的二极管激光源提供第一激光能量，并且通过适合于产生非矩形激光束的第二激光源提供第二激光能量。
图3的第一激光源74和第二激光源76可包括相对于工作表面54A的多轴运动78A、78B，使得激光器可遵循给定平面中的非线性剖面轮廓，并且可以将其激光束定位并指向期望的角度和点尺寸。可选地或除此之外，工作台55可包括相对于第一激光束74和第二激光束76的多轴运动。
图4示出了图3中描绘的激光加工的一个实施方案的俯视图，其中激光束74和激光束76独立地遵循对应于第一粉末层48和第三粉末层52的非线性剖面形状轮廓的单独路径。所得剖面为图1中描绘的翼型20的切片。如图4所示，使第一激光束74横越(traverse over)超级合金粉末层48表面以形成包含超级合金覆层88的经冷却的超级合金层86(其表示图1中金属基底30的剖面部分)。MCrAlY粉末层50通过相邻超级合金熔池80(或通过正在冷却凝固的超级合金层)进行加热以形成MCrAlY熔池82，其冷却并凝固成MCrAlY结合涂层92(其表示图1中金属结合涂层45的剖面部分)。同时，使第二激光束76横越陶瓷粉末层52表面以形成经烧结的TBC层98(其表示图1中陶瓷TBC 44的剖面部分)。
在一些实施方案中，MCrAlY粉末层50不通过超级合金熔池80进行熔融，而是在形成超级合金层沉积物86之后使其沉积，然后使用单独的激光束进行熔融或者使用来自相邻陶瓷粉末层52(其使用单独的激光束进行烧结)的热进行熔融。在又一些实施方案中，可使MCrAlY粉末层50在形成超级合金层86和陶瓷热障层98二者之后沉积，然后可用激光束单独熔融。在一些情况下，可在超级合金粉末层48熔融之后使MCrAlY粉末层50沉积，使得来自凝固的(但仍然在冷却)的超级合金层86的残余热使得MCrAlY粉末层50熔融以形成不同的MCrAlY层92。
图4中被第一激光束和第二激光束横越的非线性扫描路径可用于在激光束覆盖各粉末材料的区域时使激光强度变化的数目最小化。在另一些实施方案中，激光束可被编程为遵循平行的线性扫描路径，其中对于通过光束加热的每种不同的材料，可改变光束的激光强度。在又一些实施方案中，激光束可被编程为遵循与部件壁垂直或近似垂直的扫描路径。公开号US 2014/0099476(申请号14/043037)的图4至图6描绘了包括平行线性扫描路径(图5)和垂直或近似垂直扫描路径(图6)的示例性扫描路径。
可根据所制造的部件的相应尺寸来控制和改变至少一个激光束的尺寸。例如，可控制激光束的宽度尺寸以对应于部件中的层的变化尺寸(如厚度)。还可在激光束沿着粉末层向前移动时来回光栅扫描(raster)激光束以产生区域能量分布。此外，可同时光栅扫描两个能量束来实现跨表面区域的期望的能量分布，任选地光束图案之间具有一定程度的重叠。
还可控制至少一个激光束的形状和强度以适应所加工的粉末层的尺寸及其组成。虽然图3和图4描绘的非限制性实例中激光束74和激光束76大致是圆形形状，但是另一些实施方案可使用具有不同形状(包括矩形或近似矩形)的激光束。此外，当使用多于一个激光束来加工几个不同的粉末层时，不同的激光束可采用不同的形状以适应不同粉末层的各种尺寸。
用于产生宽区域激光曝光的光学条件和硬件可包括但不限于激光束的散焦、使用在聚焦处产生矩形能量源的一个或更多个二极管激光器、使用集成光学器件(如分块镜)在焦点处产生矩形能量源、在一个或更多个维度上进行激光束的扫描(光栅扫描)、以及使用可变光束直径的聚焦光学器件。如在选择性激光熔融或烧结过程中的，可对光学器件和/或工作表面的运动进行编程以构建定制形状的层沉积物。为此，可控制激光束源使得激光器参数如激光器的激光功率、扫描区域尺寸和激光的横越速度，从而使所得沉积物的厚度(宽度)对应于预先形成的(下层)基底厚度(宽度)或适应于经受激光熔融或烧结的特定材料。
在另一些实施方案中，还可通过使用激光吸收材料来提高对激光能量的尺寸、形状、轨迹和强度的这种高度控制。图5示出了一个实例，其中激光吸收掩模104位于多重粉末沉积物上方，使得由单个二极管激光源106供应的激光能量选择性地发射到第一粉末层48、第二粉末层50和第三粉末层52上。激光吸收掩模104包含阻挡由二极管激光源106发射的激光能量的激光吸收材料，使得掩模104限定了所得多材料部件的内表面和外表面(通过限定中间剖面的内部形状和外部形状)并且还可限定对应于部件中的冷却通道出口孔38的空区域112。
如图5所示，二极管激光源106沿着多重粉末沉积物的非线性剖面形状横越使得到达各粉末层48、50和52表面的激光能量引起熔融或烧结以形成相应的超级合金层86、MCrAlY层92和陶瓷TBC层98。当二极管激光源106横越激光吸收掩模104的一部分时，然后激光能量被吸收而位于掩模104下方的粉末保持不受影响。在形成所得剖面之后可除去未受影响的粉末(连同由于熔剂组合物的存在而形成的任何渣层)以产生包含对应于图1的翼型20中的冷却通道出口孔38的一个或更多个空区域112的剖面。
在一些实施方案中，使用激光吸收材料(如图5中的激光吸收掩模104)还可使单个激光源能够以不同激光强度同时加热多个粉末层。图6的下半部分示出了图5方法的剖面图，其中二极管激光源106与激光吸收掩模104的相对布置允许用不同的激光强度进行选择性加热，所述不同的激光强度基于二极管激光源106产生多强度激光束的能力。图6的上半部分示出了在该实施方案的多强度激光束内的激光能量强度116相对于空间位置118的曲线图114，其中较低强度的激光光子108存在于激光束的中部(内部)中，并且较高强度的激光光子110存在于激光束的侧部(外部)中。在该非限制性实例中，激光吸收掩模104位于二极管激光源106与包含图3的第一粉末层48、第二粉末层50和第三粉末层52的多重粉末沉积物之间。
因为二极管激光源106相对于多重粉末沉积物的宽度向左偏移(也参见图5)，所以从二极管激光源106的左侧发射的较高强度的激光光子110完全被阻挡并且到达不了工作表面54A。因此，仅第一粉末层48的一部分被较低强度的激光光子108加热以形成超级合金熔池80，而第一粉末层48被阻挡的部分保持未加热以产生对应于图1中翼型20的冷却通道出口孔38的空区域112。进一步定位二极管激光源106使得第二粉末层50也被较低强度的激光光子108加热以形成MCrAIY熔池82。重要地，因为第三粉末层52位于二极管激光源106右侧部分的下方，所以陶瓷粉末被较高强度的激光光子110加热以形成陶瓷加热部分84。
在另一些实施方案中，单个激光源(例如二极管激光源106)可用于同时处理不直接接触的两个粉末层(例如，超级合金粉末层48和陶瓷粉末层52)，随后可在所得层之间沉积第三粉末层(例如MCrAlY粉末层50)，并且然后用单独的激光束使其熔融以确保形成独立的层。
如图6的非限制性实施方案所示，基于激光吸收掩模104的形状和位置以及多强度激光束的形状和尺寸，许多不同的加热配置是可能的。激光吸收掩模104可以是静态掩模或由对激光能量不透明的耐激光能量材料构成的可移动掩模。这样的材料可包括对宽范围的激光波长不透明的材料(如石墨)或者可反射某些激光波长的材料(如铜)。可选地使用多于一个的激光吸收掩模104，其中一个或更多个掩模可为静态的或可移动的以产生不同的形状，这不同于可对所制造的多材料部件的每个剖面改变掩模。作为实例，用于涡轮轮叶或叶片的翼型可限定从平台到叶片或轮叶的尖端的逐渐扭转。因此，在制造翼型时，可使激光吸收掩模104围绕中心轴线旋转以产生逐渐扭转。
在另一些实施方案中，激光源106可适合于产生其他多强度激光束(不同于图6中示出的实例)，其中在二维空间上调节激光强度以产生多种强度图案。在多强度激光束内在不同空间位置处产生不同激光强度的能力允许用单个激光源遵循单个扫描图案之后选择性地加热多个粉末层。多于一个的能够发射多强度激光束的激光源还可以用于单独横越不同的扫描图案(如图3和4所示)。
本公开内容的方法可应用于各种场合，包括多壁部件的制造和修复，所述多壁部件由任选地经由中间结合涂层与保护性陶瓷TBC层结合的金属基底构成。术语“金属”在本文中以一般含义用于描述纯元素形式的金属和合金形式的金属的混合物。在一些实施方案中，金属基底可以由超级合金构成。术语“超级合金”在本文中以一般含义用于描述表现出优异的机械强度和高温下抗蠕变性以及良好的表面稳定性的高度耐腐蚀和抗氧化的合金。超级合金通常包含基本合金元素镍、钴或镍-铁。超级合金的实例包括以以下商标和商品名出售的合金：Hastelloy、Inconel合金(例如IN700、IN 738、IN 792、IN 939)、Rene合金(例如Rene N5、Rene 80、Rene 142)、Haynes合金、Mar M、CM 247、CM 247LC、C 263、C 718、X-750、ECY 768、ECY 282、X 45、PWA 1483和CMSX单晶合金(例如CMSX-4、CMSX-8、CMSX-10)。
合适的陶瓷TBC材料包括含氧化锆的材料，特别是化学稳定的氧化锆(例如，与其他金属共混的氧化锆)，例如氧化钇稳定氧化锆(YSZ)。结合涂层通常采用中间粘合层的形式，其通常为式MCrAlX(其中“M”表示Fe、Ni或Co，“X”表示Ta、Re、Y、Zr、Hf、Si、B或C)的合金、简单的铝化合物(aluminide，NiAl)或铂改性的铝化合物((Ni、Pt)Al)。最典型地，结合涂层为包含MCrAlY合金的中间层。
如上所述，一些实施方案使用提供至少一种保护功能的至少一种熔剂组合物。熔剂组合物和所得渣层提供许多有益的功能，改善了使用本公开内容的方法制造的多材料的化学特性和机械特性。
第一，熔剂组合物和渣层可增加以热形式传递到粉末层的激光能量的比例。这种热吸收的增加可能是由于熔剂组合物的组成和/或形式而发生。在组成方面，可将熔剂配制为包含至少一种能够吸收激光束的波长处的激光能量的化合物。增加激光吸收化合物的比例导致施加到粉末层的激光能量(作为热)的量的相应增加。这种热吸收的增加可通过允许使用较小和/或较低功率的激光源来提供更大的通用性，从而能够对沉积的粉末层进行更复杂的激光加工。在一些情况下，激光吸收化合物还可以是在激光照射时分解而释放出额外热的放热化合物。
熔剂组合物的形式还可通过改变其厚度和/或颗粒尺寸来影响激光吸收。如上所述，一些实施方案采用沉积在至少一个粉末层表面上的至少一个单独的熔剂层。在这样的情况下，激光加热的吸收通常随着熔剂组合物层厚度的增加而增加。增加熔剂层的厚度还增加了所得熔渣覆盖层的厚度，这可进一步增强激光能量的吸收。本公开内容的方法中的熔剂层的厚度通常为约1mm至约15mm。在一些情况下，厚度为约3mm至约12mm，而在另一些情况下，厚度为约5mm至约10mm。
减小熔剂组合物的平均颗粒尺寸还引起激光能量吸收的增加(推测是通过增加细颗粒床内的光子散射和通过与增加的总颗粒表面积的相互作用而增加的光子吸收)。在颗粒尺寸方面，尽管商业熔剂的平均颗粒尺寸在直径上(或者如果不是圆形的话则为近似尺寸)通常为约0.5mm至约2mm(500微米至2000微米)，但是本公开内容的一些实施方案中的熔剂组合物的平均颗粒尺寸在直径上为约0.005mm至约0.10mm(5微米至100微米)。在另一些情况下，平均颗粒尺寸为约0.01mm至约5mm，或约0.05mm至约2mm。在另一些情况下，平均颗粒尺寸在直径上为约0.1mm至约1mm，或在直径上为约0.2mm至约0.6mm。
第二，熔剂组合物和所得渣层90、96均可起到保护熔池80、82的区域和凝固的(但仍然热的)金属层88、94免受大气影响的作用。熔渣漂浮到表面以使熔融或热的金属与大气分离，并且可将熔剂组合物配制为产生至少一种屏蔽剂，其在暴露于激光光子或加热时产生至少一种保护气体。屏蔽剂包括金属碳酸盐如碳酸钙(CaCO3)、碳酸铝(Al2(CO3)3)、碳钠铝石(NaAl(CO3)(OH)2)、白云石(CaMg(CO3)2)、碳酸镁(MgCO3)、碳酸锰(MnCO3)、碳酸钴(CoCO3)、碳酸镍(NiCO3)、碳酸镧(La2(CO3)3)和已知形成保护和/或还原气体(例如CO、CO2、H2)的其他试剂。渣层90、96和任选的保护气体的存在可避免在惰性气体(例如氦气和氩气)的存在下或在密封室(例如真空室或惰性气体室)内或使用其他用于排除空气的特定装置进行激光加工的需求或使上述需求最小化。
第三，渣层90、96可充当绝缘层，其允许所得金属层88、94缓慢且均匀地冷却，从而减少可能导致焊后开裂和再热或应变时效开裂的残余应力。这样覆盖在沉积的金属层上方并与其相邻的渣可进一步增强向工作表面54A的热传导，在一些实施方案中这可促进定向凝固以在所得金属基底层88中形成细长(单轴的)晶粒。
第四，渣层90、96有助于成形并支承熔池80、82以使其保持接近期望的高/宽比(例如1/3的高/宽比)。这种形状控制和支承进一步降低凝固应力，否则该凝固应力将施加至所得金属层88、94。
第五，熔剂组合物和渣层90、96可提供清洁效应，用于去除导致较差特性的痕量杂质。这样的清洁可包括熔池80、82的去氧化。因为熔剂组合物与相应的粉末层紧密接触，在实现该功能上特别地有效。一些熔剂组合物还可配制为含有至少一种能够从熔池中除去不期望的杂质的清除剂。清除剂包括金属氧化物和金属氟化物例如氧化钙(CaO)、氟化钙(CaF2)、氧化铁(FeO)、氧化镁(MgO)、氧化锰(MnO、MnO2)、氧化铌(NbO、NbO2、Nb2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)以及已知与有害元素如硫和磷反应的其他试剂，以及已知可产生低熔点共晶体以形成预期“漂浮”在所得渣层中的低密度副产物的元素。
此外，熔剂组合物可配制为补偿在加工期间挥发或反应的元素的损失或者主动地向沉淀物提供不另外由粉末层提供的元素。这样的引导剂(vectoring agent)包括含钛、锆、硼和铝的化合物和材料，例如钛合金(Ti)、氧化钛(TiO2)、榍石(CaTiSiO5)、铝合金(Al)、碳酸铝(Al2(CO3)3)、碳钠铝石(NaAl(CO3)(OH)2)、硼酸盐矿物(例如四水硼砂、硼砂、硼钠钙石、硬硼钙石)、镍钛合金(镍钛诺(Nitinol))、氧化铌(NbO、NbO2、Nb2O5)和用于向熔融合金补充元素的其他含金属的化合物和材料。如以下所描述的某些金属氧酸盐也可用作引导剂。
本公开内容的熔剂组合物可包含选自金属氧化物、金属卤化物、金属氧酸盐和金属碳酸盐的一种或更多种无机化合物。这样的化合物可以用作(i)光学透射载体；(ii)粘度/流动性增强剂；(iii)屏蔽剂；(iv)清除剂；和/或(v)引导剂。
合适的金属氧化物包括如下化合物，举几个来说，例如：
Li2O，BeO，B2O3，B6O，MgO，Al2O3，SiO2，CaO，Sc2O3，TiO，TiO2，Ti2O3，VO，V2O3，V2O4，V2O5，Cr2O3，CrO3，MnO，MnO2，Mn2O3，Mn3O4，FeO，Fe2O3，Fe3O4，CoO，Co3O4，NiO，Ni2O3，Cu2O，CuO，ZnO，Ga2O3，GeO2，AS2O3，Rb2O，SrO，Y2O3，ZrO2，NiO，NiO2，Ni2O5，MoO3，MoO2，RuO2，Rh2O3，RhO2，PdO，Ag2O，CdO，In2O3，SnO，SnO2，Sb2O3，TeO2，TeO3，Cs2O，BaO，HfO2，Ta2O5，WO2，WO3，ReO3，Re2O7，PtO2，Au2O3，La2O3，CeO2，Ce2O3及其混合物。
合适的金属卤化物包括如下化合物，举几个来说，例如：
LiF，LiCl，LiBr，Lil，Li2NiBr4，Li2CuCl4，LiASF6，LiPF6，LiAlCl4，LiGaCl4，Li2PdCl4，NaF，NaCl，NaBr，Na3AlF6，NaSbF6，NaAsF6，NaAuBr4，NaAlCl4，Na2PdCl4，Na2PtCl4，MgF2，MgCl2，MgBr2，AlF3，KCl，KF，KBr，K2RuCl5，K2lrCl6，K2PtCl6，K2PtCl6，K2ReCl6，K3RhCl6，KSbF6，KASF6，K2NiF6，K2TiF6，K2ZrF6，K2Ptl6，KAuBr4，K2PdBr4，K2PdCl4，CaF2，CaF，CaBr2，CaCl2，Cal2，ScBr3，ScCl3，ScF3，Scl3，TiF3，VCl2，VCl3，CrCl3，CrBr3，CrCl2，CrF2，MnCl2，MnBr2，MnF2，MnF3，Mnl2，FeBr2，FeBr3，FeCl2，FeCl3，Fel2，CoBr2，CoCl2，CoF3，CoF2，Col2，NiBr2，NiCl2，NiF2，Nil2，CuBr，CuBr2，CuCl，CuCl2，CuF2，Cul，ZnF2，ZnBr2，ZnCl2，Znl2，GaBr3，Ga2Cl4，GaCl3，GaF3，Gal3，GaBr2，GeBr2，Gel2，Gel4，RbBr，RbCl，RbF，Rbl，SrBr2，SrCl2，SrF2，Srl2，YCl3，YF3，YI3，YBr3，ZrBr4，ZrCl4，Zrl2，YBr，ZrBr4，ZrCl4，ZrF4，Zrl4，NbCl5，NbF5，MoCl3，MoCl5，Rul3，RhCl3，PdBr2，PdCl2，Pdl2，AgCl，AgF，AgF2，AgSbF6，Agl，CdBr2，CdCl2，Cdl2，InBr，InBr3，InCl，lnCl2，InCl3，InF3，Inl，Inl3，SnBr2，SnCl2，Snl2，Snl4，SnCl3，SbF3，Sbl3，CsBr，CsCl，CsF，Csl，BaCl2，BaF2，Bal2，BaCoF4，BaNiF4，HfCl4，HfF4，TaCl5，TaF5，WCl4，WCl6，ReC3，ReCl5，IrCl3，PtBr2，PtCl2，AuBr3，AuCl，AuCl3，AuI，KAuCl4，LaBr3，LaCl3，LaF3，Lal3，CeBr3，CeCl3，CeF3，CeF4，Cel3及其混合物。
合适的金属氧酸盐包括如下化合物，举几个来说，例如：
LilO3，LiBO2，Li2SiO3，LiClO4，Na2B4O7，NaBO3，Na2SiO3，NaVO3，Na2MoO4，Na2SeO4，Na2SeO3，Na2TeO3，K2SiO3，K2CrO4，K2Cr2O7，CaSiO3，BaMnO4及其混合物。
合适的金属碳酸盐包括如下化合物，举几个来说，例如：
Li2CO3，Na2CO3，NaHCO3，MgCO3，K2CO3，CaCO3，Cr2(CO3)3，MnCO3，CoCO3，NiCO3，CuCO3，Rb2CO3，SrCO3，Y2(CO3)3，Ag2CO3，CdCO3，In2(CO3)3，Sb2(CO3)3，C2CO3，BaCO3，La2(CO3)3，Ce2(CO3)3，NaAl(CO3)(OH)2及其混合物。
光学透射载体包括金属氧化物、金属盐和金属硅酸盐如氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化锆(ZrO2)、硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钾(K2SiO3)和能够光学发射激光能量(例如，如从NdYag激光器和Yt光纤激光器产生的激光能量)的其他化合物。
粘度/流动性增强剂包括金属氟化物如氟化钙(CaF2)、冰晶石(Na3AlF6)和在焊接应用中已知的增强粘度和/或流动性的其他试剂(例如，用CaO、MgO、Na2O、K2O降低粘度，用Al2O3和TiO2增加粘度)。
屏蔽剂包括金属碳酸盐例如碳酸钙(CaCO3)、碳酸铝(Al2(CO3)3)、碳钠铝石(NaAl(CO3)(OH)2)、白云石(CaMg(CO3)2)、碳酸镁(MgCO3)、碳酸锰(MnCO3)、碳酸钴(CoCO3)、碳酸镍(NiCO3)、碳酸镧(La2(CO3)3)和其他已知的形成保护气体和/或还原气体(例如CO、CO2、H2)的试剂。
清除剂包括金属氧化物和金属氟化物例如氧化钙(CaO)、氟化钙(CaF2)、氧化铁(FeO)、氧化镁(MgO)、氧化锰(MnO、MnO2)、氧化铌(NbO、NbO2、Nb2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)以及已知与有害元素如硫和磷反应形成低密度副产物的其他试剂，所述低密度副产物预期“漂浮”在所得渣层中。
引导剂包括含钛、锆、硼和铝的化合物和材料，例如钛合金(Ti)、氧化钛(TiO2)、榍石(CaTiSiO5)、铝合金(Al)、碳酸铝(Al2(CO3)3)、碳钠铝石(NaAl(CO3)(OH)2)、硼酸盐矿物(例如四水硼砂、硼砂、硼钠钙石、硬硼钙石)、镍钛合金(镍钛诺(Nitinol))、氧化铌(NbO、NbO2、Nb2O5)和用于为熔融合金补充元素的其他含金属的化合物和材料。
在一些实施方案中，熔剂组合物还可包含某些有机熔剂。表现出熔剂特征的有机化合物的实例包括高分子量烃(例如蜂蜡、石蜡)、碳水化合物类(例如纤维素)、天然和合成油(例如棕榈油)、有机还原剂(例如木炭、焦炭)、羧酸和二羧酸(例如松香酸、异海松酸、新松香酸、脱氢松香酸、松香)、羧酸盐(松香盐)、羧酸衍生物(例如脱氢松香胺)、胺(例如三乙醇胺)、醇(例如高聚二醇、甘油)、天然和合成树脂(例如脂肪酸的多元醇酯)，这样的化合物的混合物及其他有机化合物。
在一些实施方案中，基于熔剂组合物的总重量，本公开内容的熔剂组合物包含：
5重量％至60重量％的金属氧化物；
10重量％至70重量％的金属氟化物；
5重量％至40重量％的金属硅酸盐；和
0重量％至40重量％的金属碳酸盐。
在一些实施方案中，基于熔剂组合物的总重量，本公开内容的熔剂组合物包含：
5重量％至40重量％的Al2O3、SiO2和/或ZrO2；
10重量％至50重量％的金属氟化物；
5重量％至40重量％的金属硅酸盐；
0重量％至40重量％的金属碳酸盐；和
15重量％至30重量％的其他金属氧化物。
在一些实施方案中，基于熔剂组合物的总重量，本公开内容的熔剂组合物包含：
5重量％至60重量％的Al2O3、SiO2、Na2SiO3和K2SiO3中的至少一种；
10重量％至50重量％的CaF2、Na3AlF6、Na2O和K2O中的至少一种；
1重量％至30重量％的CaCO3、Al2(CO3)3、NaAl(CO3)(OH)2、CaMg(CO3)2、MgCO3、MnCO3、CoCO3、NiCO3和La2(CO3)3中的至少一种；
15重量％至30重量％的CaO、MgO、MnO、ZrO2和TiO2中的至少一种；和
0重量％至5重量％的Ti金属、Al金属和CaTiSiO5中的至少一种。
在一些实施方案中，基于熔剂组合物的总重量，本公开内容的熔剂组合物包含：
5重量％至40重量％的Al2O3；
10重量％至50重量％的CaF2；
5重量％至30重量％的SiO2；
1重量％至30重量％的CaCO3、MgCO3和MnCO3中的至少一种；
15重量％至30重量％的CaO、MgO、MnO、ZrO2和TiO2中的至少两种；和
0重量％至5重量％的Ti、Al、CaTiSiO5、Al2(CO3)3和NaAl(CO3)(OH)2中的至少一种。
在一些实施方案中，熔剂组合物包含选自金属氧化物、金属卤化物、金属氧酸盐和金属碳酸盐中的至少两种化合物。在另一些实施方案中，熔剂组合物包含金属氧化物、金属卤化物、金属氧酸盐和金属碳酸盐中的至少三种。在又一些实施方案中，熔剂组合物可包含金属氧化物、金属卤化物、金属氧酸盐和金属碳酸盐。
可通过包含至少一种可充当增稠剂的高熔点金属氧化物来增加熔渣的粘度。因此，在一些实施方案中，配制熔剂组合物以包含至少一种高熔点金属氧化物。高熔点金属氧化物的实例包括熔点超过2000℃的金属氧化物，例如Sc2O3、Cr2O3、Y2O3、ZrO2、HfO2、La2O3、Ce2O3、Al2O3和CeO2。
在一些实施方案中，本公开内容的熔剂组合物包含氧化锆(ZrO2)和至少一种金属硅酸盐、金属氟化物、金属碳酸盐、金属氧化物(除氧化锆之外)或其混合物。在这样的情况下，氧化锆的含量通常大于约7.5重量％，并且通常小于约25重量％。在另一些情况下，氧化锆的含量大于约10重量％且小于20重量％。在又一些情况下，氧化锆的含量大于约3.5重量％且小于约15重量％。在又一些情况下，氧化锆的含量为约8重量％至约12重量％。
在一些实施方案中，本公开内容的熔剂组合物包括金属碳化物和至少一种金属氧化物、金属硅酸盐、金属氟化物、金属碳酸盐或其混合物。在这样的情况下，金属碳化物的含量小于约10重量％。在另一些情况下，金属碳化物的含量等于或大于约0.001重量％且小于约5重量％。在又一些情况下，金属碳化物的含量大于约0.01重量％且小于约2重量％。在又一些情况下，金属碳化物的含量为约0.1重量％至约3重量％。
在一些实施方案中，本公开内容的熔剂组合物包含至少两种金属碳酸盐和至少一种金属氧化物、金属硅酸盐、金属氟化物或其混合物。例如，在一些情况下，熔剂组合物包含碳酸钙(用于磷的控制)及碳酸镁和碳酸锰中的至少一种(用于硫的控制)。在另一些情况下，熔剂组合物包含碳酸钙、碳酸镁和碳酸锰。一些熔剂组合物包含碳酸钙、碳酸镁和碳酸锰的三元混合物使得相对于熔剂材料的总重量，三元混合物的比例等于或小于30重量％。这样的碳酸盐的组合(二元或三元)有益于最有效地清除多种杂质元素。
以上所列举的所有重量百分比(％)均基于熔剂材料的总重量为100％。
在一些实施方案中，可使用市售的熔剂例如以以下名称出售的熔剂：LincolnweldP2007、Bohler Soudokay NiCrW-412、ESAB OK 10.16和ESAB OK 10.90、Special MetalsNT100、Oerlikon OP76、Bavaria WP 380、Sandvik 50SW、59S或SAS1和Avesta 805。这些商业熔剂可在使用前研磨至较小的颗粒尺寸范围，例如上述的颗粒尺寸范围。
如上所述，本公开内容的熔剂组合物可用作与至少一个粉末层(例如，图3中的粉末层48和粉末层50)混合的粉末或者其可作为至少部分覆盖至少一个粉末层的单独层而存在。或者，沉积的粉末层(例如，超级合金粉末层和MCrAlY粉末层)可为包含合金材料和熔剂组合物二者的复合金属-熔剂颗粒的形式。在一些实施方案中使用复合金属-熔剂颗粒可确保合金颗粒与熔剂组合物的最佳接触以使所得金属覆层的保护最大化。在涉及沉积单独的金属粉末层的实施方案中，在一些情况下，单个熔剂组合物可与两种粉末层使用，而在另一些情况下，不同的熔剂组合物可以用于单独的粉末层。例如，在图3示出的实施方案中，第一粉末层48可包含配制成保护超级合金沉积物的熔剂组合物，而第二粉末层50可包含配制成保护MCrAlY沉积物的不同熔剂组合物。
本文所公开的方法和材料相对于已知的激光熔融或烧结工艺的优点包括在每个加工层中高的沉积速率和厚的沉积物，在不使用惰性气体的情况下改善在沉积的金属层上延伸的屏蔽，熔剂可增强沉积物的清洁以除去否则会导致凝固开裂的成分，熔剂可增强激光束吸收并使反射回加工设备的激光最小化，熔渣的形成可成形并支承沉积物并且熔渣的形成包含热能以减慢冷却速率从而减少残余应力(所述残余应力否则会导致焊后热处理期间应变时效(再加热)开裂)，熔剂可补偿元素损失或添加合金元素，并且可使粉末层(和任选的熔剂组合物)有效且选择性地进行递送以产生更厚的沉积物，从而减少制造多材料部件的时间。
本文公开的方法和材料可用于原始设备制造或部件的快速成形。此外，该方法可用于部件修复应用，例如在已从设备上移除以进行翻新的燃气轮机叶片上形成替换叶片尖端。本公开内容消除了对惰性保护气体的需要，提供了精确的激光加工用于严格的容差控制，为长期存在的在选择性激光加热过程中使用的细超级合金粉末上的氧化物问题提供了解决方案，并且允许具有先前已知的可焊性区域以外的组成的超级合金的无开裂沉积。
应理解，粉末状材料的使用还促进了梯度功能材料的沉积，其中沉积材料的组成随时间和空间变化。例如，如果多材料部件是燃气轮机叶片，则叶片的平台部分可为第一组成，并且叶片的翼型部分可为不同的第二组成。在另一些实施方案中，从产品的内壁到外壁或从产品内到其表面附近，合金组成可变化。合金的组成也可以响应于要求不同的机械特性或耐腐蚀特性的预期操作条件并考虑材料的成本而变化。
尽管本文已示出并描述了本发明的多种实施方案，但明显的是这样的实施方案仅以示例的方式提供。可进行大量的变型、修改和替代而不脱离本发明。因此，本发明旨在仅受所附权利要求的精神和范围的限制。

Claims (10)

1.一种多材料的激光增材制造方法，包括：
将多个粉末层(48、50和52)递送到工作表面(54A)上以形成包括至少第一粉末层、第二粉末层和第三粉末层的多重粉末沉积物；以及
同时向所述第一粉末层(48)施加第一强度的第一激光能量(74)以形成结构金属层并向所述第二粉末层(50)施加第二强度的第二激光能量(76)以形成热障涂层，从而形成多材料部件的剖面，其中通过所述多个粉末层各自的形状和内容物至少部分地限定所述剖面的形状和内容物，
其中包含于所述多重粉末沉积物中的熔剂组合物形成覆盖至少部分所述剖面的至少一个渣层；
其中所述第一粉末层包含金属粉末，所述第二粉末层包含陶瓷粉末，位于所述第一粉末层与所述第二粉末层之间的所述第三粉末层包含金属结合涂层粉末；以及
其中从所述第一激光能量和所述第二激光能量中之一间接地传递的热使得所述金属结合涂层粉末形成位于所述结构金属层与所述热障涂层之间并与二者结合的结合涂层。
2.根据权利要求1所述的多材料的激光增材制造方法，还包括：
重复递送步骤和施加步骤用于连续的剖面以制造所述多材料部件。
3.根据权利要求1所述的多材料的激光增材制造方法，其中：
引导所述第一激光能量遵循平行于所述第一粉末层的周边的第一扫描路径；
引导所述第二激光能量遵循平行于所述第二粉末层的周边的第二扫描路径；以及
从所述第一激光能量直接或间接传递的热使所述熔剂组合物形成覆盖所述结构金属层的渣层。
4.根据权利要求3所述的多材料的激光增材制造方法，还包括：
在没有外部施加的保护气体的情况下将所述第一强度控制为有效地使所述金属粉末和所述熔剂组合物完全熔融的强度水平以产生无孔结构金属层；以及
将所述第二强度控制为有效地使所述陶瓷粉末部分熔融的强度水平以产生与所述相邻金属层结合的经烧结的热障涂层。
5.根据权利要求3所述的多材料的激光增材制造方法，其中
所述第一粉末层还包含作为与所述金属粉末混合的熔剂粉末的所述熔剂组合物；或者
所述多重粉末沉积物还包含位于所述第一粉末层之上的熔剂组合物层。
6.根据权利要求1所述的多材料的激光增材制造方法，其中所述多重粉末沉积物包含第一熔剂组合物和第二熔剂组合物，所述第一熔剂组合物和所述第二熔剂组合物是不同的并且形成覆盖所述至少两个相邻粉末层的单独的渣层。
7.根据权利要求1所述的多材料的激光增材制造方法，其中：
通过适合于在二维空间上调节激光强度的单个激光源提供所述第一激光能量和所述第二激光能量以产生多强度激光束，其中所述第一激光能量和所述第二激光能量出现在所述多强度激光束内的不同空间位置处；或者
通过适合于产生矩形激光束的二极管激光源提供所述第一激光能量，通过适合于产生非矩形激光束的第二激光源提供所述第二激光能量，使得所述矩形激光束的宽度大于所述非矩形激光束的宽度。
8.根据权利要求1所述的多材料的激光增材制造方法，还包括以下的至少之一：
控制所述第一激光能量的形状使得冲击所述第一粉末层的所述第一激光能量的宽度小于或等于所述第一粉末层的宽度；以及
控制所述第二激光能量的形状使得冲击所述第二粉末层的所述第二激光能量的宽度小于或等于所述第二粉末层的宽度。
9.根据权利要求1所述的多材料的激光增材制造方法，其中所述熔剂组合物包含：
选自以下的金属氧化物：
Li2O，BeO，B2O3，B6O，MgO，Al2O3，SiO2，CaO，Sc2O3，TiO，TiO2，Ti2O3，VO，V2O3，V2O4，V2O5，Cr2O3，CrO3，MnO，MnO2，Mn2O3，Mn3O4，FeO，Fe2O3，Fe3O4，CoO，Co3O4，NiO，Ni2O3，Cu2O，CuO，ZnO，Ga2O3，GeO2，As2O3，Rb2O，SrO，Y2O3，ZrO2，NiO，NiO2，Ni2O5，MoO3，MoO2，RuO2，Rh2O3，RhO2，PdO，Ag2O，CdO，In2O3，SnO，SnO2，Sb2O3，TeO2，TeO3，Cs2O，BaO，HfO2，Ta2O5，WO2，WO3，ReO3，Re2O7，PtO2，Au2O3，La2O3，CeO2，Ce2O3及其混合物；以及
以下的至少之一：
(i)选自以下的金属卤化物：
LiF，LiCl，LiBr，Lil，Li2NiBr4，Li2CuCl4，LiAsF6，LiPF6，LiAlCl4，LiGaCl4，Li2PdCl4，NaF，NaCl，NaBr，Na3AlF6NaSbF6，NaAsF6，NaAuBr4，NaAlCl4，Na2PdCl4，Na2PtCl4，MgF2，MgCl2，MgBr2，AlF3，KCl，KF，KBr，K2RuCl5，K2lrCl6，K2PtCl6，K2PtCl6，K2ReCl6，K3RhCl6，KSbF6，KAsF6，K2NiF6，K2TiF6，K2ZrF6，K2Ptl6，KAuBr4，K2PdBr4，K2PdCl4，CaF2，CaF，CaBr2，CaCl2，Cal2，ScBr3，ScCl3，ScF3，Scl3，TiF3，VCl2，VCl3，CrCl3，CrBr3，CrCl2，CrF2，MnCl2，MnBr2MnF2，MnF3，Mnl2，FeBr2，FeBr3，FeCl2，FeCl3，Fel2，CoBr2，CoCl2，CoF3，CoF2，Col2，NiBr2，NiCl2，NiF2，Nil2，CuBr，CuBr2，CuCl，CuCl2，CuF2，Cul，ZnF2，ZnBr2，ZnCl2，Znl2，GaBr3，Ga2Cl4，GaCl3，GaF3，Gal3，GaBr2，GeBr2，Gel2，Gel4，RbBr，RbCl，RbF，Rbl，SrBr2，SrCl2，SrF2，Srl2，YCl3，YF3，YI3，YBr3，ZrBr4，ZrCl4，Zrl2，YBr，ZrBr4，ZrCl4，ZrF4，Zrl4，NbCl5，NbF5，MoCl3，MoCl5，Rul3，RhCl3，PdBr2，PdCl2，Pdl2，AgCl，AgF，AgF2，AgSbF6，Agl，CdBr2，CdCl2，Cdl2，InBr，InBr3，InCl，InCl2，InCl3，InF3，Inl，Inl3，SnBr2，SnCl2，Snl2，Snl4，SnCl3，SbF3，Sbl3，CsBr，CsCl，CsF，Csl，BaCl2，BaF2，Bal2，BaCoF4，BaNiF4，HfCl4，HfF4，TaCl5，TaF5，WCl4，WCl6，ReCl3，ReCl5，IrCl3，PtBr2，PtCl2，AuBr3，AuCl，AuCl3，Aul，KAuCl4，LaBr3，LaCl3，LaF3，Lal3，CeBr3，CeCl3，CeF3，CeF4，Cel3及其混合物；
(ii)选自以下的金属氧酸盐：LiIO3、LiBO2、Li2SiO3、LiClO4、Na2B4O7、NaBO3、Na2SiO3、NaVO3、Na2MoO4、Na2SeO4、Na2SeO3、Na2TeO3、K2SiO3、K2CrO4、K2Cr2O7、CaSiO3、BaMnO4及其混合物；以及
(iii)选自以下的金属碳酸盐：
Li2CO3，Na2CO3，NaHCO3，MgCO3，K2CO3，CaCO3，Cr2(CO3)3，MnCO3，CoCO3，NiCO3，CuCO3，Rb2CO3，SrCO3，Y2(CO3)3，Ag2CO3，CdCO3，In2(CO3)3，Sb2(CO3)3，C2CO3，BaCO3，La2(CO3)3，Ce2(CO3)3，NaAl(CO3)(OH)2及其混合物。
10.根据权利要求1所述的多材料的激光增材制造方法，其中所述熔剂组合物包含：
5重量％至60重量％的选自Al2O3、SiO2、Na2SiO3和K2SiO3的至少一种；
10重量％至50重量％的选自CaF2、Na3AlF6、Na2O和K2O的至少一种；
1重量％至30重量％的选自CaCO3、Al2(CO3)3、NaAl(CO3)(OH)2、CaMg(CO3)2、MgCO3、MnCO3、CoCO3、NiCO3和La2(CO3)3的至少一种；
15重量％至30重量％的选自CaO、MgO、MnO、ZrO2和TiO2的至少一种；以及
0重量％至5重量％的选自Ti金属、Al金属、TiO2和CaTiSiO5的至少一种。
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