CN107249790A - 通过激光工艺生产涡轮机零件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过激光工艺制造涡轮机零件的方法。根据本发明，通过激光束制造零件，其具有朝衬底(5)喷洒金属粉末的喷嘴(1)。首先，以预定的方式限定喷嘴的轨迹，然后在零件(7)的生产过程中，先前已经记录的理论参考距离D0以及然后测量的实际距离作比较，并且基于所述距离之间的偏差阈值修改喷嘴的轨迹。

Description

通过激光工艺生产涡轮机零件的方法
本发明涉及一种通过激光束生产或修复涡轮机零件的方法。其也涉及使用该方法生产的涡轮机零件。
在也称为“激光金属沉积”的这种方法中，喷嘴朝衬底喷洒金属粉末，从而在沉积方向上通过层或珠一个在另一个上的连续沉积生产该零件。通常是金属粉末混合物的所考虑的粉末通过激光束熔化。每个珠的厚度通常在0.05mm到1mm之间的范围。如果需要优化表面状态，低厚度应该是优选的。
该方法可以生产大尺寸零件，特别地在高度(标准正交的X、Y、Z系统中的Z轴)方面。然而，很难获得因此生产的零件(或零件的部分)的有保证的最终尺寸。
粉末速率的变化、喷洒喷嘴的重新加载速度、激光功率或零件的温度，可导致尺寸的变化，特别地在沉积层高度方面的变化。局部地，这些变化可具有很小的影响；但是，当以及随着这些层沉积时，这些可增加并且甚至引起一种导致产生锯齿状沉积的不稳定沉积。
这里一个目标是为所有或部分的上述缺点提供一种解决方案。
为此，通过使用激光束喷洒金属粉末来生产或修复的所提出方法的特征在于：
-首先，预定喷嘴的轨迹，
-然后，在该零件的生产过程中：
-参考平行于所述层沉积方向的定向，先前已经记录的理论参考距离D0以及然后测量的实际距离作比较，并且
基于理论参考距离和所测量的实际距离之间的非空偏差阈值修改喷嘴的轨迹。
通过喷嘴的初始限定轨迹中的一个或多个修改，时间设定初始生产程序将可以更接近于该零件的预期最终尺寸特征。
因此，可以预期一种更好的表面状态，锯齿不像以前那样明显。
由于这影响了一个或多个几何参数，该解决方案进一步避免了需要修改工艺参数：激光功率、两个连续沉积层之间的重新加载速度、粉末速率…。
为了能够保证所沉积材料的高度是所预期的高度，需要建议的是，所实施的调整测试应该：
-用于喷嘴的预定轨迹的限定，以包括沿Z轴所述轨迹的限定，所述Z轴对应于层沉积的所述方向以及该零件的高度，
-用于沿所述Z轴测量的实际距离，
-以及用于沿所述Z轴修改喷嘴的轨迹。
当实施以上操作时，已经发现的是，不修改喷嘴和与之相对层的顶部之间的距离，可能更有效，并且更确切地，优选地，
-在所述层的沉积方向上以连续步骤生产该零件，同时使喷嘴远离衬底(并且因此，从第二层远离先前沉积的层)，
-以及，-喷嘴的预定轨迹包括预定数量的这些步骤；-以及通过改变所述预定数量的步骤修改喷嘴的轨迹。
相似地，提供了：
-要沉积的预定数量的所述层应该对应于喷嘴的预定轨迹(在机器程序中)，
-仍需要沉积的修改数量的所述层应对应于喷嘴的修改轨迹，
-并且通过用需要沉积的所述预定数量的层替换仍需要沉积的修改数量的层，应该修改喷嘴的轨迹。
在该零件的生产过程中，当连续地沉积层和/或仍需要沉积的层数量，随时间修改步骤的数量与改变这些层的厚度相比将先验地更容易和更安全地实施和控制。
与此相关，另外提出了：
-对于每层，通过将喷嘴移动远离衬底，即层沉积的方向，通过连续地沉积具有相同厚度的层生产该零件，
-和/或：
-在衬底和与所述衬底相对的喷嘴一端之间的确定距离应该对应于理论参考距离，
-并且在该零件的生产过程中，在每层的沉积开始或结束时应保持该确定的距离。
保持这种“确定距离”和/或旨在沉积具有相同厚度的堆叠层的沉积条件，将增强该解决方案的稳定性。
该解决方案的一个优点也在于快速生产。此外，还发现的是，等待一段时间对于测量精度的不确定性足够低是非常必要的。
这就是其中在该零件的生产过程中所提供的环境，-应该测量所述实际距离，-和/或修改的轨迹，
仅在已经沉积几个层后，如果达到了所述偏差。
优选地，在该零件的生产过程中需要建议的是：
-实施所述实际距离几个连续测量，
-并且，如果达到了所述偏差，-与先前的测量相比，仅在已经沉积了几层后修改喷嘴的轨迹。
需要解决的另一问题是限定如何获得上述距离数据。
一种使用测量自动聚焦相机的解决方案是优选的。
因此已经提出了使用一种带有自动聚焦系统的相机来获取理论参考距离和实际距离。
需要解决的另一问题是获得可靠的测量，这并不依赖于沿激光轴相对产生的零件上熔池的形成条件。
具体地，当沿所述Z轴发射激光束时，平行于该轴或以一种具有平行于所述Z轴的投影的角度(A)，测量远离所述Z轴的理论参考和实际距离是优选的。
这将可以防止相机瞄准熔池。
在阅读参照附图时通过非限制性示例给出的以下描述后，将会更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将会显而易见，其中：
图1示意性地示出了在“激光金属沉积”型的选择性粉末熔化机中的粉末喷嘴的一端，
图2、3、4示意性地示出了这种喷洒喷嘴，其然后配备有分别在开始(图1)和在生产过程中，测量理论参考距离以及在该零件的生产过程中实际距离的设备，
图5是本发明的控制过程的框图，其旨在保证达到(至少部分地)该零件的预期最终尺寸特征，以及
图6示意性地示出了使用该技术获得的零件。
图1示出了激光金属沉积机2的已知喷嘴1。喷嘴喷洒金属粉末3a、3b的混合物3到衬底5上(图2到4)，从而生产在图6中具有附图标记7的零件。
衬底5是该领域的常规支撑件，并适用于沉积在其上的被喷洒材料的连续层111、112、113、…、11i…(图3、4)，与朝这种衬底发射的激光束13相关。该粉末或混合物然后被熔化，以在也被熔化的表面上产生均匀和致密的沉积。通常，这种连续沉积或堆叠在整个生产过程中通过中性气体保护，以防止任何氧化问题。该技术可以执行4-5毫米数量级的广泛沉积，以及更薄沉积(500μm宽)。由于快速生产的喷嘴和衬底不接触，不发生磨损。
以下，我们将公开一种情况，其中，如图所示，喷嘴1在层沉积方向上，这里(基本)垂直地，沿Z轴朝衬底喷洒金属粉末3，用于制造期望零件的高度(部分)。
激光束13因此朝衬底沿Z轴发射，并且在这种情况下，以上提到的理论参考和实际距离将平行于该轴或以一种具有平行于Z轴的投影的角度A(图4)被测量。
这里所研发的方法然而可沿常规的标准正交X、Y、Z系统(图2)的另外两个X、Y轴的任一个来实施。可因此沿X、Y轴之一想象测量相机15的水平瞄准。
在所示出的优选示例中：喷嘴1包括与Z轴共轴的两个同心圆锥部16a、16b。
源于激光源17，并且如果需要的话，使用镜面19，激光束13朝衬底5在中心圆锥部16a的中心垂直地发射。
金属粉末3a、3b的混合物3在外圆锥部16b中循环，并且它向下朝衬底5经由载气21b从该外圆锥部被喷洒出来。另一气体21a在内圆锥部16a中围绕激光束13。
由于激光束13，由混合物3所产生的材料的沉积可能不均匀。例如，如果两个圆锥部不再定心，更多材料可散布在一侧，而不是另一侧。
金属粉末可以是钛合金(TA6V、Ti71、6242、…)，镍和钴基合金(Inco718、Hastelloy X、René77、René125、HA188)和钢(Z12CNDV12，17-4PH)。
材料层111、112、113…11i…的连续沉积因此将堆叠在衬底5上，直到获得期望零件7。
图5的框图是生产这种零件的主要步骤的综合，在本发明的一个优选实施方式中表示喷嘴并且更通常地沉积机2控制程序，该框图已经与如下步骤一起形成：
-步骤27：首先，在开始生产该零件之前，在衬底5的表面和喷嘴的一个位置1a之间测量(在27a中使用自动聚焦45；见下文)和计算(27b)理论参考距离D0并存储到存储器29内，这里与其一起沿Z轴移动。一种相机自动聚焦系统与所要生产(或在修复的情况下被重新装载)零件的初始相关性的校准将保证精度和质量；
-步骤31：最初和至少开始生产该零件时，定义和存储适用于该零件生产的喷嘴1的预定轨迹到存储器29内，以使得喷嘴遵循。
在该零件的生产过程中，然后按顺序连续地实施以下步骤：
-步骤33：尽管喷嘴由控制程序34驱动已经在其预定轨迹上移动，在喷嘴的位置1a和该层(最后一层，如果几层已经沉积到衬底上，如图5所示)，层11i的自由表面35i(i＝1、2…n)之间测量(在33a使用自动聚焦45)和计算(在33b)真实距离Di(i＝1、2…n)并存储到存储器29内，
-步骤37：在理论参考距离D0和实际距离Di之间作比较，同时参照这两个距离(D0-Di)之间的预定偏差阈值。
两个选项然后存在：
-步骤42：如果达到(或超过)了偏差阈值，修改喷嘴的轨迹(并记录在存储器29中)，或者
-步骤44：如果未达到偏差阈值，则保持喷嘴的预定轨迹。
在平均时间内，再次使用两个选项已经分别实施了测试步骤39或41：
-或者制造步骤不是最后步骤(即，所涉及的沉积不是最后一层11i的)，然后实施前述步骤42或44，
-或者所涉及的沉积是最后一层11i(基于初始设定的数量或修改数量，在以下公开的优选选择情况下)，然后制造过程在步骤46或48以适当方式结束。
如果已经达到了步骤42或44，这意味着至少一个沉积步骤仍需要实施，并且在这两种情况下在一个路线50上再次在步骤33中提供了返回，即循环，从而重复步骤33到39或41一定数量的次数，并且因此如果有必要，定期地重启制造程序34，并且实时地适应喷嘴的轨迹，同时在每一步骤33测量真实距离Di。
至于在步骤42中轨迹的修改，作用在形成该层的步骤上，并且具体地在仍需要沉积的层数上已经是优选的。
具体地，已经从以上理解的是，通过在连续步骤中移动喷嘴1远离衬底5，并且当一层已经从沉积材料的先前一层11i沉积时，当并且随着层堆叠时，获得了该零件7的生产。
在步骤31中，定义喷嘴1的预定轨迹并存储到存储器29内将因此优选地包括预定数量的这些沉积步骤的定义和存储。
并且，通过改变预定数量的步骤，将可以改变喷嘴1的轨迹。
实际上，需要建议的是，以上层11之一的执行应对应于一个沉积步骤。
因此：
-在步骤31中，当定义和存储到存储器29中这种喷嘴1的预定轨迹进入链接驱动程序34时，需要沉积的预定数量的层111，…11i将与其对应。
-然后，如果达到了步骤42，仍需要沉积的修改数量的这种层将对应于在程序中喷嘴的修改轨迹。
在这种情况下，通过用仍需要沉积的修改数量nc的层111、…11i替换需要沉积的所述预定数量的层，将在存储器29中修改喷嘴的轨迹，nc是正或负的整数。
在这方面，导致步骤39或41的上述阈值(D0-Di)将有利地等同于层11i的厚度，即通常为0.1mm。
然后，如果距离Di比D0短超过0.1mm，例如0.2mm，该程序将添加两个沉积步骤，即两层。但是，如果读数和计算表明与D0相比，距离Di为+0.3mm，那么将移除三层。并且如果读数和计算表明距离Di与D0相比短或长小于0.1毫米，则不存在修改。
如上所述，在所示出的示例中，这是根据(特别地)沿Z轴(或与其基本平行)的零件7的高度：
-最初，具体地定义喷嘴1的预定轨迹，
-测量理论参考D0和真实D1、D2…Di距离，
-并且计划修改喷嘴的轨迹。
实际上，需要建议的是，当重置喷嘴的轨迹时，在所测量的对于接近喷嘴1所位于的X和Y值的X和Y值的Z坐标(D1…Di)，应该执行重新加载程序中上述提到的该/每个“跳过”。重启程序也可相应地用于管理激光功率和/或重新加载速度。
在沿Z轴控制生产的这种情况下，也需要建议的是，对于每一层通过移动喷嘴远离衬底，这里沿Z轴，应该通过在彼此之上的都具有相同厚度e的层35a…35i的连续沉积来实施该零件7的预期完成。
这将简化对该零件高度的正确进展的控制，并将进一步避免产生其他表面不规则性(以上提到的锯齿)。
优选地，对于符合该零件的尺寸约束的相对简单控制的寻找也将涉及测量D1…Di和/或喷嘴轨迹中修改的限制。
因此，需要建议的是，在该零件的生产过程中，应测量真实距离Di，并且如果达到所述偏差，仅在几层11i的沉积后修改轨迹。
在这方面，可以特别地假定实施所述实际距离的几个连续测量，并且(如果达到了所述偏差)，从而仅在几层的沉积后相对于先前测量改变喷嘴1的轨迹。
在图2到4中，需要注意的是，测量理论参考D0和实际D1…Di距离的图解设备包括一个配备有自动聚焦系统45(自动聚焦)的相机(测量相机15)。
因此，优选地，通过瞄准最后沉积层11i的表面35i，将会通过使用自动聚焦计算和记录初始距离D0(当没有沉积层时)以及相机15的透镜的光学系统15a的实际位置(以上区域1)。一旦图像由于自动聚焦而清晰，喷嘴相对于零件的位置就可以推断出来。
照相将提供与朝衬底引导的激光束13平行，即沿Z轴(或与其基本平行)的测量。
参照上述解释，关于这些距离测量，装置然后将按以下指示操作：
首先，如图2所示，喷嘴1的下自由端10(同心圆锥部末端15a、15b与Z轴同轴)被定位在一个所谓的重载距离Dc(其因此是这种端部10和，首先衬底的自由表面5a，以及然后材料沉积层11的表面35i之间的最佳距离)。
因此，应该理解的是，对于每个沉积层11i，这种重新加载距离Dc在零件生产的每一步骤中将优选地保持不变，喷嘴远离一层的厚度e移动。
事实上，需要推荐的是，如果在衬底和面对衬底的喷嘴一端之间的这种确定距离Dc与理论参考距离D0匹配，在零件生产过程中应保持该距离Dc，优选地当开始沉积每层时。
以距离Dc设置喷嘴，使用相应地调节的自动聚焦45，在该初始时间通过相机获取的衬底5的自由表面5a的清晰图像，将从而限定理论参考距离D0。然后优选地校准自动聚焦45。
然后，如上所解释地在零件的生产过程中将连续地测量真实距离D1、D2，…Di，使用相应地调节的自动聚焦45并且如图3所示，喷嘴仍然先验地因此被定位，以符合重新加载距离Dc。
图4具体地示出了距离D0、D1、....Di测量设备(测量自动聚焦相机15的光学轴Z0)和喷嘴1的相对位置，其中心由激光束13穿过(这里为Z轴)。
为了防止相机沿Z轴瞄准熔池，这可能使相机的聚焦不准确，特别地当接收激光束的表面熔化时，Z0轴在这里偏移到旁边(距离e1)。
与其相关，两种操作模式是可能的：
-光学轴保持垂直；参考透镜15a；垂直轴Z0；
-或者相机150(等同于以上提到的相机15)与平行于Z轴的投影13a成角度A倾斜。
图6还示出了，所产生的零件7可以是可与圆盘集成(一个单一零件)的航天器涡轮机的圆盘49的基本径向叶片或桨叶47的环形列的桨叶之一。叶片12在其径向内端连接到在圆盘的外部边缘延伸的环形平台51。
除了其可以使用以上公开的技术生产这一事实之外，在磨损的情况下，桨叶7还可被修复。标记53也指代旨在被替换的这种叶片的截面平面。仍在适当位置的叶片的区段7a的自由端表面将限定衬底5的上述表面5a。

Claims (10)

1.一种通过激光束(13)生产或修复涡轮机零件的方法，其中，喷嘴(1)朝衬底(5)喷洒金属粉末(3)，从而通过在一个方向上，在彼此之上层(11)的连续沉积生产该零件(7)，因此使喷嘴遵循轨迹，其特征在于，首先以预定方式限定喷嘴的轨迹，然后，在该零件的生产过程中：
-参照平行于层(11i)沉积方向的定向，比较先前已经记录的理论参考距离(D0)和然后测量的实际距离(Di)，并且
-基于在理论参考距离和实测距离之间的非零偏差阈值，修改喷嘴的轨迹。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
-限定喷嘴的预定轨迹首先包括沿Z轴限定所述轨迹，所述Z轴对应于层(11i)的所述沉积方向和该零件(7)的高度，
-沿所述Z轴测量该实际距离(Di)，
-并且沿Z轴修改喷嘴的轨迹。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中：
-在远离衬底(5)逐步地移动喷嘴的同时在层(11i)的所述沉积方向上生产该零件(7)，
-喷嘴(1)的预定轨迹包括预定数量的这些步骤，
-并且，通过改变所述预定数量的步骤修改该喷嘴的轨迹。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其中：
-要沉积的预定数量的所述层(11i)对应于喷嘴(1)的预定轨迹，
-仍需要沉积的修改数量的层对应于喷嘴的修改轨迹，
-并且，通过用需要沉积的所述预定数量的层替换仍需要沉积的修改数量的层，修改喷嘴的轨迹。
5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的方法，其中，对于每层，通过在所述层(11i)的沉积方向上，将喷嘴移动远离衬底(5)，通过在彼此之上连续地沉积具有相同厚度的层(11i)，生产该零件(7)。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中，在该零件的生产过程中，测量所述实际距离和/或仅在几层(11i)沉积之后，如果达到所述偏差，修改该轨迹。
7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中，在理论参考距离(D0)和所测量的实际距离(D1、Di)之间的所述偏差阈值等于一层的厚度(e)。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中，使用具有自动聚焦系统(45)的相机(15)以获得理论参考距离和实际距离。
9.单独或与权利要求3到8任一相结合的根据权利要求2所述的方法，，其中：
-沿所述Z轴发射激光光束(13)，
-并且，平行于该轴或以一种具有平行于所述Z轴的投影(13a)的角度(A)，远离所述Z轴测量理论参考(D0)和实际(Di)距离。
10.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中，在沉积层(11i)的所述方向上，在衬底(5)和面对所述衬底的喷嘴(1)一端(10)之间的确定距离(Dc)对应于理论参考距离(D0)，并且在每层(11i)的沉积开始或结束时，在该零件的生产过程中保持该确定的距离。
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