CN108372303B - 用于制造通过粉末冶金制得的零件的包括施加涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造涡轮发动机零件的方法，所述方法包括利用形成所述零件的基材的材料通过粉末冶金来生产所述零件的步骤(101)，然后是精加工操作，该精加工操作包括在粉末冶金生产步骤(101)之后的至少一个第一步骤(103)以及第二步骤(104)，在第一步骤中，将确定的材料沉积到所述零件的基材的至少一个表面(S1)上，第二步骤对应于热处理操作，以形成用于所述表面(S1)的平滑涂层，其特征在于，所述确定的材料是金属材料，以形成金属涂层。

Description

用于制造通过粉末冶金制得的零件的包括施加涂层的方法
技术领域
本发明的领域是制造金属零件的领域，并且更具体地是进行精加工处理以获得通过粉末冶金生产的零件的良好表面状况的领域。
背景技术
现有技术包括以编号US-A1-2015/060403、US-A1-2013/071562、FR-A1-3028436和FR-A1-2994397公布的专利申请以及以编号US-B2-6409795公布的专利。
通过粉末冶金来生产零件在生产率、减少机加工步骤的次数和生产成本方面提供了明显的经济优势。
粉末冶金制造方法特别地包括例如用于增材制造或直接制造的方法，例如激光烧结熔融、粉末注射成型或电子束熔融。这些方法所具有的优点是，能够由金属粉末生产具有接近零件的最终几何形状的几何形状的金属零件。
然而，该方法完成时的表面状况不允许零件被直接使用。实际上，表现出高且不均匀水平的粗糙度的表面状况一般根据生产方法、结构参数和取向以及所用粉末的类型(颗粒大小、粒径分布和化学组成)而获得。这些表面状况被证明在粗糙度(对流动路径区域中的空气动力学性能水平的影响)方面、以及在与这些劣化的表面状况相关的机械疲劳(在操作期间受到振动应力的零件)方面不符合设计室要求。
更进一步地，通过增材制造生产的零件的表面一般会受到污染(氧化物、不良地黏附粉末的颗粒)或者表现出可影响零件的微观结构的厚度范围一般在50μm至200μm之间的冶金缺陷。
存如下技术，即，该技术使得能够通过除去零件的表面上的材料来改善通过增材制造生产的零件的表面状况，以获得符合设计室规定的要求的表面。这些方法可以是机械的(通过机加工或振动精加工来改变表面状况的方法)、化学的(化学或电化学加工)、或者甚至是属于上述两个组的方法的组合。对于具有复杂几何形状的零件而言，这些方法在有效性和可达性方面会受到限制。
另一组方法(如在申请人的文献FR-B1-2978687中所公开的)可以包括通过粉末冶金制造具有低厚度的零件、随后进行精加工操作，该精加工操作涉及沉积环氧涂料涂层，以形成使得能够获得零件的期望表面状态的膜。沉积环氧涂料更容易进行并使得在制造完成时能够产生良好的表面状况。然而，这种方法的缺点在于，涂层不具有与通过粉末冶金获得的零件的基材相同的耐机械性、耐热性和耐化学性。相反，它被保留用于原型零件，但不一定具有生产意图在操作使用期间起作用的零件的特征。事实上，施加有机环氧涂料层可以使表面平滑，或者甚至为基材提供一定的耐腐蚀性。然而，使用仍然受限于最高150/200℃。更进一步地，在流动路径区域中，环氧树脂基有机涂料表现出较差的侵蚀性能。
本发明的目的是通过提出一种用于由金属粉末快速生产结构零件的方法来克服这些缺点，该方法没有现有技术的一些缺点，并且特别地允许获得高质量的表面状况以及在使用期间对零件进行有效的保护。
发明内容
为此，本发明的主题是一种用于制造涡轮发动机零件的方法，所述方法包括利用形成所述零件的基材的材料通过粉末冶金来生产所述零件的步骤，然后是精加工操作，该精加工操作包括在粉末冶金生产步骤之后的至少一个第一步骤以及第二步骤，在第一步骤中，将确定的材料沉积到所述零件的基材的至少一个表面上，第二步骤对应于热处理操作，以形成用于所述表面的平滑涂层，其特征在于，所述确定的材料是金属材料，以形成平滑的金属涂层。
金属材料的使用允许形成金属涂层，从而提供了如下零件：与未经处理的零件相比，该零件具有改善的表面形貌，并且由于表面形貌的改善而具有增强的耐机械性(例如，更好的抗振性)。
优选地，在所述第一精加工步骤期间，使所述金属材料以粉末的形式沉积。
有利地，在所述第一精加工步骤期间，使用粘结剂或黏合剂以促进金属粉末材料黏附在基材的所述表面上。
有利地，基材的材料是确定的金属或金属合金，所述金属粉末材料包括至少一种第一组颗粒，该第一组颗粒由与基材的材料具有相同性质的第一金属或第一合金制成。这允许获得基材与涂层的冶金连续性，从而允许获得基材与涂层的等同性能，这提高了零件的操作效能。
优选地，进行所述第二精加工步骤的热处理操作以熔融所述金属粉末材料中的具有相同性质的至少一组颗粒。
有利地，第一组颗粒不同于在所述第二精加工步骤中被熔融的该组颗粒。
有利地，基材的所述表面具有确定的粗糙度，第一组颗粒的粒径小于所述粗糙度、优选地小于53μm，以形成液体材料滴，在所述第二精加工步骤期间，该液体材料滴适当地填补基材的表面的粗糙度。
优选地，该方法包括在所述第一精加工步骤之前对基材的所述表面进行清洁的步骤，以促进所述金属材料黏附到基材。
在该方法的第一实施例中，所述第一精加工步骤包括将黏合剂沉积到基材的所述表面上的至少一个阶段，以及之后的将所述金属材料的粉末施加到所述表面上以便粉末黏附到所述表面的阶段。
在该方法的第二实施例中，所述第一精加工步骤包括使用所述金属材料的粉末以及至少一种粘结剂和溶剂生产浆料的阶段，和将所述浆料施加到基材的所述表面以便粉末沉积物达到形成涂层所需的厚度的阶段。
有利地，在将所述浆料施加到基材的所述表面的阶段之后，精加工操作包括热固化步骤，以加固粉末沉积物。
优选地，精加工操作包括第二热处理操作，以使所述表面的涂层的厚度均匀化。
有利地，第二热处理操作包括钎焊阶段和扩散阶段。
优选地，精加工操作包括对所述表面的涂层进行机械或化学处理的步骤。
附图说明
通过在下文参照示意性附图对本发明的以说明性和非限制性示例的方式严格给出的实施例进行的详细描述，将更好地理解本发明并且本发明的进一步的目的、细节、特征和优点将变得更加明显，在附图中：
-图1为在增材制造步骤之后由金属粉末生产的零件的表面的示意性截面；
-图2为本发明的第一实施例中的与图1相同的零件的表面在沉积金属粉末层之后的示意性截面；
-图3为本发明的第二实施例中的与图1相同的零件的表面在使用浆料沉积金属粉末层之后的示意性截面；
-图4a、图4b和图4c为图1的表面的特定部分(aspect)的示意性截面，不同大小的钎焊金属粉末滴被黏附在该表面的特定部分上以形成如图5中所示的层；
-图5为与图3相同的零件的表面在根据本发明的第一热处理操作之后的示意性截面；
-图6为与图5相同的零件的表面在根据本发明的第二热处理操作之后的示意性截面；
-图7示出了根据本发明的方法的第一实施例的工作流程图；
-图8示出了根据本发明的方法的第二实施例的工作流程图。
具体实施方式
本发明涉及通过粉末冶金、通过增材制造例如粉末喷涂激光制造(增材激光制造或ALM)、选择性激光熔融(SLM)、金属注射成型(MIM)、粉末注射成型(PIM)、电子束熔融(EBM)等来制造零件。如之前所提到的，增材制造因而允许零件被形成为具有形成基材的金属材料，该零件的表面具有接近最终所需形状的几何形状。本发明所涉及的基材可以是：
-镍、钴、NiCr、CoCr、NiCo、CoNi、CoNiCr、镍基或钴基合金或镍基超合金或钴基超合金；
-钢(马氏体、奥氏体、铸铁等)、FeCrAl等；
-钛和钛合金；
-金属间材料(TiAl等)。
图1示出了这种零件的基材1的表面部分S1的高度放大截面。所述表面S1具有一定数量的垂直于零件的平均表面延伸的波峰和波谷，并且对于该表面而言，最高波峰与最深波谷之间的幅度等于值Rt，该幅度表征表面的粗糙度。所述粗糙度Rt还提供图案Mi的大小的特征性尺寸，图案Mi形成表面S1的凸凹体(asperities)，通常为波谷之间的波峰。
现在将描述根据本发明的方法的其余部分，该方法允许在符合成品零件的形状的同时在表面部分S1上实现低表面粗糙度。该方法将金属涂层施加到表面部分S1，所述涂层的厚度通常在25μm到3000μm之间，这取决于意图是简单地使表面S1平滑还是同时相对于为零件指定的形状而补偿尺寸差。
参照图7，该方法的第一实施例采用在表面S1上施加黏合剂或胶剂来保持用于在表面S1上形成金属涂层的金属粉末或金属粉末的混合物。
有利地，粉末或粉末混合物包括由与基材1具有相同性质的第一金属或者由与基材1的合金具有相同等级或相近等级的第一合金制得的第一粉末。这使得能够形成与零件的基材1具有相同质地的涂层，并确保零件和涂层之间的冶金连续性。在热处理操作期间(例如，该方法中使用的钎焊工艺)通常不可熔融的所述第一粉末优选地具有细小的粒径。颗粒的大小优选地根据粗糙度的特征性尺寸Rt以及图案之间的距离来确定，使得粉末的颗粒可以分布在形成表面S1的凸凹体的图案Mi上。典型地，颗粒的大小小于53μm。
考虑到构成根据本发明的方法的一部分的热处理操作，粉末或粉末混合物优选地包括由第二金属制得的第二粉末，该第二粉末在本实例中是可熔融的并且旨在用于钎焊。有利地，第二钎焊金属的固相线温度低于第一金属的固相线温度和基材1的固相线温度。下面提供了可用于第二金属的金属合金及其熔融温度的示例。下表还包括第一粉末或金属和第二粉末或金属的混合物以及它们的熔融温度。
Figure BDA0001562093400000061
有利地，在将粉末混合物用于下文所述的步骤之前，将粉末混合物在混合器中放置适当均匀化所需的一段时间。
优选地，该方法在零件的增材制造步骤101之后并且在沉积粉末或金属粉末的混合物之前包括初步清洁步骤102，使得待处理的表面S1干净、不油腻且未氧化。该清洁步骤102有利地包括去油和除氧范围。添加氟化类型的气相清洁也是可行的。
随后，在将金属粉末层施加到表面S1上的情况下生产金属涂层的第一步骤103包括两个阶段。
第一阶段131涉及将黏合剂(例如胶剂、炭漆或发胶)沉积到表面S1上。这可以通过以喷雾形式使黏合剂雾化来进行或通过任何其它方式(例如，通过涂抹或喷涂、刷涂、浸渍)来进行。
紧接着的是将薄层粉末或粉末混合物沉积到胶合的表面S1上的第二阶段132。为此，可以借助于之前已内置有粉末的盐瓶(salt shaker)类型的粉末分配器将粉末撒在表面S1上。然后，将粉末均匀地分布在整个待处理的区域上，之后除去任何未被黏附的过剩部分，以便在零件上留下非常薄的粉末层。粉末层的厚度在30μm到150μm之间。
在一个变型中，第二阶段132可以通过将零件浸没在(振动精加工转向器类型的)粉末混合物浴中来完成，以便将粉末黏附到零件的表面。
参照图2，在第二阶段132结束时，金属粉末的混合物3黏附到黏合剂层2，该粘合剂层自身附接到表面S1。该组装可以覆盖关于表面S1的粗糙度的图案Mi，其中黏合剂2填充图案Mi之间的波谷并且该混合物3的粉末层不渗入该波谷。粉末的外表面或沉积的粉末混合物的外表面比表面S1平滑，但未必是足够光滑的，并且该组装还没有形成具有所需性能的涂层。
根据粉末层达到确定的厚度的需要，可以将沉积粉末的步骤103的两个阶段131、132重复多次，从而使得通过在该方法的其余部分过程中施加热处理操作来产生具有所需厚度的金属涂层。
之后，该方法包括热处理操作104，用以减小粗糙度并获得用于表面S1的平滑涂层。在本实例中，这涉及例如通过在炉中进行热处理来向金属粉末层的表面添加能量。也可以使用激光局部地施加热量来熔融至少一部分沉积的粉末，例如，由第二可熔融金属制成的钎焊粉末的颗粒。参照图5，获得的金属涂层5一方面具有更平滑且具有更好的机械性能的外表面S2，另一方面与基材1的表面S1相适配，粘结剂已被去除。
在该处理操作之后可以进行扩散和结构均匀化的热处理操作105。参照图6，第二热处理操作105可以特别地允许金属涂层5的厚度均匀化。
更一般地，为了借助于涂层来优化表面S1的平滑，零件可以经历如以下示例中的钎焊-扩散循环：
-在400℃到600℃之间除气15分钟(在图7中未示出步骤)；
-在950℃下均匀化15分钟(在图7中未示出步骤)；
-在被选择为在960℃到1220℃之间的温度下钎焊10分钟至20分钟(图7中所示的步骤104)；
-在被选择为1100℃以上的温度下使扩散持续一段时间，该时间取决于基材/涂层配对，例如持续2小时至8小时(图7中所示的步骤105)。
这种热处理循环可以在真空、中性气氛或还原气氛中进行，以限制任何氧化现象。
为了完成表面状况的改善，可以进行精加工处理操作106。这种处理可以是机械的，例如振动精加工、砂带打磨或轻型砂磨，或者化学处理，例如化学加工。
参照图8，该方法的第二实施例采用在增材制造101零件之后施加浆料，该浆料中混悬有金属粉末或金属粉末的混合物，该粉末用于在表面S1上形成金属涂层。在零件具有复杂的几何形状(其中，形状复杂)且难以到达需要被覆盖的区域的情况下，该第二实施例可以是有利的。
如在第一实施例中那样，粉末或金属粉末的混合物有利地包括由与基材1的金属类型相同的第一金属或者由与基材1的合金的等级相同或等级相近的第一合金制得的第一粉末。
类似地，粉末或粉末的混合物优选地包括第二粉末，该第二粉末由第二合金形成，该第二合金的固相线温度低于第一金属或第一合金的固相线温度和基材1的固相线温度，以便将钎焊类型的热处理操作应用于该方法中。对于第二实施例而言，所述第二合金优选地使用来自与第一合金同组的合金或者与第一金属相同的金属、但是通过改变其组分来形成，例如通过使用诸如Si、B、P或贵金属例如Cu、Ag、Au、Pd。
优选地，第二实施例在沉积粉末或金属粉末的混合物之前还包括初步清洁步骤202，使得待处理的表面S1干净、不油腻且未氧化。如前述实施例中所述的，该清洁步骤202可以包括去油和脱氧范围。添加氟化类型的气相清洁也是可行的。有利地，所述步骤202相当于去污，并且可以利用对表面S1进行化学去除氧化皮(descaling)来进行，以使表面去氧和活化。举例来说，对于镍基合金基材1而言，去氧浴包含以下混合物：HNO3/HCl/HF和FeCl3可用于对表面S1进行去除氧化皮。可以用该步骤202来替代上述步骤102。
这种清洁通过促进形成粉末或粉末混合物的合金在基材1的表面S1上的良好润湿性而提升了该方法的有效性。事实上，已知的是，液态金属材料在由相同材料制成的固体基材上具有良好的润湿性。
在第二实施例中，沉积粉末或金属粉末混合物的步骤203开始于第一阶段231的制造浆料。这涉及将金属粉末的混合物混悬于溶液或糊剂中，并向其中添加粘结剂和溶剂。粘结剂可以是例如聚环氧乙烷(PEO)或丙烯酸材料的水性有机粘结剂或者例如NiCr或NiCrSi的金属粘结剂。溶剂一般是有机溶剂。
还可以将诸如润湿剂的试剂添加到混合物中，以使得浆料能够很好的黏附和更好的铺展在整个零件上。
沉积步骤203的第二阶段232涉及将浆料施加到表面S1。这可以利用已知的方法来实施，例如通过喷涂(喷射器、喷枪)、浸渍或通过刷子来实施。
参照图3，在步骤203完成时，浆料材料层4渗入在表面S1的图案Mi周围的波谷，这促进了浆料材料的黏附以及涂层在该工艺的后续步骤中的均匀化。
可以进行热固化(图8中未示出)步骤，以加固零件上的沉积并使其能够更易于处理。例如，固化时间的范围可以从10分钟到数个小时，温度范围例如在50℃到150℃之间。
在第二实施例中，该方法进一步包括热处理操作204，如图5中所示的，以获得与基材1的表面S1相适配的并具有平滑外表面S2的均匀的金属涂层5。在这种情况下，将经处理的零件放置在炉中，以便涂层被组装在零件上。为了将涂层组装在零件上而进行的处理的温度和持续时间可以根据基材和涂层的性质而变化。无论如何，处理温度必须高于第二合金的固相线温度。中间温度阶段可以在低于最终处理的温度下实施。这些阶段的目的是蒸发浆料中所含的粘结剂和溶剂。通常，当将该方法应用于镍基合金时，处理温度在800℃到1300℃之间，并且该阶段的持续时间在20分钟至2小时的范围内。
对于这一点应当注意的是，为了促进粉末混合物的良好的润湿性和良好的黏附，金属颗粒的大小需要与待覆盖的表面状况相匹配。如图4中所示的，这允许在热处理操作期间获得熔融的浆料滴6，浆料滴的大小允许在升温和熔融施加到零件表面的混合物时适当地填补粗糙度。图4a示出了滴6的尺寸与粗糙度Rt相当，因此滴6适当地分布在表面S1的图案Mi上。然而，在图4b中，滴6太小并且不会形成均匀的膜，而在图4c中，过大的滴6不会润湿图案Mi之间的波谷。使用颗粒大小小于或等于53μm的细小粒径粉末使得能够获得适合的滴尺寸。该经验对于在第一实施例的热处理操作131期间由被胶合到表面S1的粉末制得的、被熔融的材料的滴同样有效。
在降低该方法的实施成本的情况下，热处理操作可以与旨在获得基体合金的特定微观结构的热处理操作(例如，回火处理)同时进行。热处理操作可以在真空中、中性气体下或甚至还原性气氛(例如存在H2)下进行。
为了促进良好的黏附，可以在初始组装处理完成时可选地进行扩散和/或减压热处理操作205。参照图6，在所述步骤205完成时，基材1和金属涂层5之间的界面呈现出基本上平滑的表面S'1。
如在第一实施例中的那样，可以进行机械或化学精加工处理操作206以完成表面状况的改善。
已经参照小比例结构针对表面S1的一部分示出了该方法的实施例示例。应当清楚的是，该方法可用于制造如下零件：该零件的表面的确定部分必须被处理例如以在特定条件下工作，或者甚至该零件的整个表面均必须被处理。

Claims (15)

1.一种用于制造涡轮发动机的零件的方法，所述方法包括利用形成所述零件的基材的材料通过粉末冶金来生产所述零件的粉末冶金生产步骤(101)，然后是精加工操作，所述精加工操作包括在所述粉末冶金生产步骤(101)之后的至少一个第一精加工步骤(103)以及第二精加工步骤(104)，在所述第一精加工步骤中，将确定的材料沉积在所述零件的所述基材的至少一个表面(S1)上，所述第二精加工步骤对应于热处理操作，以形成用于所述表面(S1)的平滑涂层，其特征在于，所述确定的材料是金属材料，以形成平滑的金属涂层，
其中，所述方法还包括钎焊-扩散循环，所述钎焊-扩散循环包括：
-在400℃到600℃之间除气；
-在950℃下均匀化；
-在被选择为在960℃到1220℃之间的温度下钎焊；
-在被选择为1100℃以上的温度下扩散。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一精加工步骤(103)期间，使所述金属材料以粉末的形式沉积。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述第一精加工步骤(103)期间使用粘结剂或黏合剂，以促进呈粉末形式的所述金属材料黏附到所述基材的所述表面(S1)上。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，所述基材的材料是确定的金属或金属合金，并且其中，呈粉末形式的所述金属材料包括至少一种第一组颗粒，所述第一组颗粒由与所述基材的材料具有相同性质的第一金属或第一合金制成。
5.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，进行所述第二精加工步骤(104)的所述热处理操作，以熔融呈粉末形式的所述金属材料中的至少一组具有相同性质的颗粒。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，进行所述第二精加工步骤(104)的所述热处理操作，以熔融呈粉末形式的所述金属材料中的至少一组具有相同性质的颗粒，所述第一组颗粒不同于在所述第二精加工步骤(104)中被熔融的组的颗粒。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述基材的所述表面(S1)具有确定的粗糙度(Rt)，所述第一组颗粒的粒径小于所述粗糙度。
8.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，所述方法包括在所述第一精加工步骤(103)之前对所述基材的所述表面(S1)进行清洁的步骤(102)，以促进所述金属材料黏附在所述基材上。
9.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，所述第一精加工步骤(103)包括将黏合剂沉积到所述基材的所述表面(S1)上的至少一个阶段(131)，以及之后的将所述金属材料的粉末施加到所述表面(S1)上以便所述粉末黏附到所述表面(S1)的阶段(132)。
10.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，所述第一精加工步骤(103)包括利用所述金属材料的粉末、使用至少一种粘结剂和溶剂来生产浆料的阶段(231)，和将所述浆料施加到所述基材的所述表面(S1)以便粉末沉积物达到形成所述涂层所需的厚度的阶段(232)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在将所述浆料施加到所述基材的所述表面(S1)的阶段(232)之后，所述精加工操作包括热固化步骤，以加固所述粉末沉积物。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述精加工操作包括第二热处理操作，以使所述表面的所述涂层的厚度均匀化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二热处理操作包括钎焊阶段和扩散阶段。
14.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述精加工操作包括对所述表面的所述涂层进行机械或化学处理的步骤。
15.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一组颗粒的粒径小于或等于53μm，以形成液体材料滴，所述液体材料滴在所述第二精加工步骤(104)期间适当地填补所述基材的所述表面(S1)的所述粗糙度。
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