CN108067618A - 制造机械部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造机械部件的方法。所述方法包括应用一种增材制造方法，其中所述方法包括粉末材料的沉积和粉末材料的局部熔化和再凝固，从而提供一种固体实体。所述方法还包括粉末材料的选择性提供，其中γ’相的晶格参数至少在从等于或大于0℃至等于或低于γ’溶线温度的部分温度范围中大于γ相的晶格参数。

Description

制造机械部件的方法

技术领域

本公开涉及一种如在权利要求书中阐述的制造机械部件的方法。

背景技术

通过类似于快速成型的增材制造方法，从材料粉末制造机械部件，例如发动机部件，已变得越来越常见。在应用这样的方法中，不需要用于部件的专门工具。一般来说，所述方法是基于沉积材料粉末，例如金属粉末，并在选择的位置熔化和再凝固粉末，例如从再凝固的材料形成具有特定的几何形状的部件。显而易见，这些方法允许要制造的部件的几何形状的灵活性大，并允许例如制造凸雕(undercuts)，制造几乎封闭的腔等。特别是，粉末逐层沉积，每层测量例如在毫米的十分之几的范围内。进行熔化步骤例如局部熔化粉末和下面的凝固的固体体积表面，以使新熔化的材料，在再凝固后，为结合于已经制造的固体体积的物质。这样的方法例如被称为选择性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)或电子束熔化(Electron Beam Melting, EBM)，而不限于这些具体的方法。

通过上述种类的方法制造的机械部件与从相同合金制得的常规铸造或锻造的部件比较，显示出很大程度上不同的微观结构。例如，当与铸造或锻造的部件比较时，由于在例如SLM或EBM加工期间存在的高冷却速率，晶粒结构是明显更精细的。而且，当从镍或钴基超合金应用增材制造时，高冷却速率在增材制造过程后也产生无γ’微观结构。当制造的制品首次被加热至足够高的温度时，γ’相开始析出。特别是γ’相引起关于升高的温度强度和对蠕动变形的抵抗力的优越材料特性。

因此，制造的部件通常经历热处理步骤以析出γ’相。在γ’析出期间，晶格参数改变。单晶格的尺寸随着相变而增加。这种尺寸变化在部件中产生应力。与由于制造过程在部件表面观察到的高拉伸应力结合，当首次加热部件时达到可导致裂纹萌生的应力水平，也称为应变时效开裂(strain age cracking)，或SAC，且相关的报废率升高。

EP 2 754 515的教导提出通过加入抗裂特性至要制造的部件来克服这一问题。然而，特别是在尖锐的过渡区域或其中存在缺口效应的区域，这些设计改变可能不足以避免应变时效开裂。此外，加入抗裂特性以在某种程度上减少设计的自由度。

根据US 2014/0034626的教导，在部件从粉末材料增材构建期间应用多过程步骤。这些例如包括控制激光功率、扫描速度、避险距离(hedge distance)，和要构建的部件的层厚度，以及例如喷丸法(shoot peening)以在表面引入压缩应力。然而，申请人的经验已显示控制过程参数以显著地减少残留应力，且应用增材过程步骤将显著增加加工时间，减少昂贵工具加工的生产量，降低生产效率，和因此增加成本。

发明内容

本公开的目的是提出一种制造最初提到的种类的机械部件的方法。在一个方面，该方法应适合于制造具有较低的整体内应力的机械部件，其因此较不易于发生应变时效开裂。在一个另外的方面，该方法应是可行的，而不增加在昂贵的制造设备中的加工时间。

这通过在权利要求1中所述的主题实现。

本公开的主题的其它效果和优点，不管是否明确提及，将在考虑到下面提供的本公开后变得显而易见。

公开了一种制造机械部件的方法，其中所述方法包括应用一种增材制造方法。所述增材制造方法包括沉积粉末材料并局部熔化和再凝固所述粉末材料，从而提供一种固体实体。所述方法还包括选择性提供粉末材料，其中γ’相的晶格参数至少在从等于或大于0℃至等于或低于γ’溶线温度的部分温度范围中大于γ相的晶格参数。

粉末材料可特别是一种镍或钴基合金，其中铝和/或钛是合金化的，其中铝和钛的总含量通常少于10重量%。

注意到在本公开的框架内，不定冠词“一”或“一个”的使用绝不是规定单数，而排除多个指定成员或特征的存在。因此它必须在某种意义上读成“至少一个”或“一个或多个”。

γ或γ相是一种具有面心立方晶格结构和各种种类的原子的随机分布的固溶体。γ’或γ’相可被描述为溶质(最通常是铝和/或钛)的面心立方晶格，其中基础材料的原子，通常是镍或钴排列在晶格的面心。由于γ’相析出，晶格转变对晶格尺寸有影响，即当γ’相析出时，晶格参数改变。

γ相和γ’相的晶格参数之间的差别的特征可以为定义为下式的晶格参数错配(lattice parameter misfit)。

在此，α_γ是γ相的晶格参数，而α_γ’是γ’相的晶格参数。如果晶格参数错配小于0，γ’相的晶格参数小于γ相的晶格参数。因此，所述材料在γ’析出期间收缩。技术人员将容易地理解具有负数，即小于0的晶格参数错配，和在γ’相析出时同时加热部件，其中γ’相析出的材料微观结构的部分收缩，而其中γ相维持的邻近部分由于热膨胀而膨胀。技术人员还应理解这导致额外的应力。因此，选择粉末材料并作为其中晶格参数错配是正数的粉末材料选择性提供，或换言之，γ’相的晶格参数至少在其中γ’相的析出发生或疑似发生的部分温度范围下大于γ相的晶格参数。

在另一方面，已通过增材制造方法例如，但不限于，选择性激光熔化制造的部件，将显示出在表面区域中的拉伸应力和部件内的压缩应力。当至少大部分无γ’部件首次被加热时，从表面至中心产生热流，因此产生温度梯度和相应的热膨胀梯度。这种不同的热膨胀导致在表面区域中的压缩应力和部件内的拉伸应力。而且，由于在加热期间的温度梯度，γ’析出在表面开始，以致在加热部件期间γ’相至少临时存在于所述表面或接近所述表面，而在部件的内部仍然至少在很大程度上是不含γ’的。至于负晶格参数错配，即由于γ’相的析出的体积减少，额外的拉伸应力在表面区域中产生，和在部件内产生压缩应力。这些应力被加入到残留应力中，残留应力由制造方法引起并可增强应变时效开裂的危险，从而可增强制造过程的报废率。然而，如果晶格参数错配大于0，即是说，在γ’析出时，体积增加发生，压缩应力被加入表面区域，而拉伸应力被加入部件内。在这种情况下，其中晶格参数错配大于0，由γ’析出引起的应力抵消由制造方法引起的残留应力。应变时效开裂的危险因此显著减少(如果不可避免)，且制造过程的报废率显著减少。

上述方法明显是越有效，在完全热处理条件下γ’相的含量越高。在某些示例性实施方案中，选择性提供粉末材料以在完全热处理条件下，包含30体积%或更多的γ’相。完全热处理条件在这方面可被理解为其中增材制造的部件在足够高的温度下时效处理以实现最大的机械性能的最大γ’析出的条件。例如，镍基合金的部件可在850℃下时效处理至少24小时。理解过程参数，特别是时效处理时间和温度，或温度曲线，可根据所用的特定材料而变化。然而这些参数是技术人员熟知的，或可另外地从常规试验容易地获得。

在某些情形中，可选择性提供粉末材料，其中γ’相的晶格参数至少在从等于或大于0℃至等于或低于1100℃的部分温度范围中大于γ相的晶格参数。在更具体的情形中，可选择性提供粉末材料，其中γ’相的晶格参数至少在从等于或大于400℃至等于或低于1100℃的部分温度范围中大于γ相的晶格参数。在甚至更具体的情形中，该方法可包括选择性提供粉末材料，其中γ’相的晶格参数至少在从等于或大于500℃至等于或低于1000℃的部分温度范围中大于γ相的晶格参数。

在本公开的其它方面，可选择性提供粉末材料，其中γ’相包含镍以及至少一种铝和钛。在更具体的情形中，可选择性提供粉末材料，其中γ’相由镍以及至少一种铝和钛组成。该相在本领域也被称为Ni₃ (Al, Ti)。即是说，在面心立方γ’晶格中，拐角含有铝和/或钛原子，而镍原子在面的中心排列。

在本公开的又其它方面，可选择性提供粉末材料，其中γ’相包含钴以及至少一种钨和铝。在一个更具体的情形中，可选择性提供粉末材料，其中γ’相由钴以及至少一种钨和铝组成。该相在本领域也被称为Co₃ (W, Al)。即是说，在面心立方γ’晶格中，拐角提供钨和/或铝原子，而钴原子在面的中心排列。

Y. Mishima, S. Ochiai，和T. Suzuki, "Lattice parameters of Ni(γ), Ni3Al(γ') and NI3Ga(γ') solid solutions with additions of transition and B- subgroup elements", Acta Metallurgica, vol. 33, no. 6, pp. 1161—1169, Jun.1985，公开了γ和γ’相的晶格参数是如何可能受到合金元素的影响的。因此，组合物的技术选择能够提供其中γ’晶格参数大于γ晶格参数的合金。注意到在钴基超合金中，即具有Co₃(W)或Co₃(Al) γ’相的合金中，γ’晶格参数一般大于γ晶格参数。

理解以上公开的特征和实施方案可彼此结合。还应进一步了解在对于技术人员是明显和显而易见的本公开和要求的主题的范围内进一步的实施方案是可想到的。

附图说明

现在通过在附图中所示的选择的示例性实施方案，对本公开的主题进行更加详细的解释。附图显示

图1 对比温度绘图的第一合金晶格参数，和

图2 对比温度绘图的第二合金晶格参数。

理解附图是高度示意性的，而为了容易理解和叙述，对于指导目的不需要的细节可以省略。应进一步理解附图仅仅显示选择的、示例性实施方案，而未显示的实施方案仍可能完全在本文公开的和/或要求的主题的范围内。

具体实施方式

例如从D. Coutsouradis等人(eds.):"Materials for Advanced Power Engineering 1994: Proceedings of a Conference held in Liège, Belgium, 1994年 10月3-6日, 部分I", Kluwer Academic Publishers, 1994: 877-880已知根据合金元素的组成，一些镍基合金显示出负晶格参数错配，即是说，γ’相的晶格参数小于γ相的晶格参数，而其它显示正晶格错配，即是说，γ’相的晶格参数大于γ相的晶格参数。换言之，当晶格参数错配是负的时，由各种材料构建的机械部件在γ’析出后收缩。当晶格参数错配是正的时，由各种材料构建的机械部件在γ’析出后膨胀。

图1和2中的图表说明对于两个示例性镍基合金(称为TMS63和TMS19)，晶格参数a对比温度。在图1中，TMS63的晶格参数(埃或10^-1 nm)，对比温度(℃)绘图。显而易见，在整个温度范围内，γ相的晶格参数大于γ’相的晶格参数。因而晶格参数错配在整个温度范围内小于0。在图2中，TMS19的晶格参数(埃或10^-1 nm)，对比温度(℃)绘图。显而易见，γ相的晶格参数在整个温度范围内小于γ’相的晶格参数。因而晶格参数错配在整个温度范围内大于0。在本质上，其中晶格参数错配在一定的温度范围内小于0的镍基合金存在，而其中晶格参数错配在相同的温度范围内大于0的其它镍基合金存在。这种特性可受合金组成的影响。

引用的文献陈述负晶格参数错配导致蠕变断裂寿命改善。然而，如上所注明的，当γ’相析出时同时加热部件，且晶格错配是负的时，γ’过渡区的相关收缩抵消总的热膨胀，并因此引起部件中的额外的应力。这些额外的应力可导致上述应变时效开裂。因此发明人得出结论，在选择用于机械部件(其中晶格参数错配至少在其中γ’析出的温度范围内大于0)的增材制造的合金中，应变时效开裂的危险可能至少被显著地减少，且报废率可显著地减少。与文献中的陈述相反，发明人已发现，使用具有正晶格参数错配的合金对通过增材方法，特别是通过如上概述的增材制造方法制造机械部件是大大有利的。

虽然本公开的主题已通过示例性实施方案进行了解释，需要理解这些绝不打算限制要求保护的本发明的范围。应了解，权利要求书涵盖本文尚未明确示出或公开的实施方案，且不偏离在执行本公开的教导的示例性模式中公开的那些的实施方案仍由权利要求书涵盖。

Claims (9)

1.一种制造机械部件的方法，所述方法包括应用一种增材制造方法，其中所述方法包括沉积粉末材料并局部熔化和再凝固所述粉末材料，从而提供一种固体实体，特征在于选择性提供粉末材料，其中γ’相的晶格参数至少在从等于或大于0℃至等于或低于γ’溶线温度的部分温度范围中大于γ相的晶格参数。

2.根据前述权利要求的方法，特征在于选择性提供粉末材料，所述粉末材料包含至少30体积%的在完全热处理条件中的γ’相。

3.根据前述权利要求中任一项的方法，特征在于选择性提供粉末材料，其中γ’相的晶格参数至少在从等于或大于0℃至等于或低于1100℃的部分温度范围中大于γ相的晶格参数。

4.根据前述权利要求中任一项的方法，特征在于选择性提供粉末材料，其中γ’相的晶格参数至少在从等于或大于400℃至等于或低于1100℃的部分温度范围中大于γ相的晶格参数。

5.根据前述权利要求中任一项的方法，特征在于选择性提供粉末材料，其中γ’相的晶格参数至少在从等于或大于500℃至等于或低于1000℃的部分温度范围中大于γ相的晶格参数。

6.根据前述权利要求中任一项的方法，特征在于选择性提供粉末材料，其中γ’相包含镍以及至少一种铝和钛。

7.根据前述权利要求中任一项的方法，特征在于选择性提供粉末材料，其中γ’相由镍以及至少一种铝和钛组成。

8.根据前述权利要求中任一项的方法，特征在于选择性提供粉末材料，其中γ’相包含钴以及至少一种钨和铝。

9.根据前述权利要求中任一项的方法，特征在于选择性提供粉末材料，其中γ’相由钴以及至少一种钨和铝组成。