CN109641271B - 用于用基于粉末床的增材制造方法来产生构件的方法和用于使用在这样的方法中的粉末 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于用基于粉末床的增材制造方法产生构件（19）的方法，如激光熔化。按照本发明规定，使用一种具有颗粒25的粉末，颗粒由芯（26）和壳（27）构成。颗粒（25）在此作为整体具有构件（19）的合金成分。不过在壳（27）中的更高熔点的合金元素的浓度要比在芯（26）中的低熔点的合金元素更大，因而颗粒（25）的表面与具有恒定不变的合金成分的颗粒相比更高。这有利地防止了在构件（19）制造期间颗粒（25）在粉末床中相互熔结，因而也能用直至1000℃的高的预热温度加载粉末床。本发明也涉及一种适合使用在上述方法中的粉末。

Description

用于用基于粉末床的增材制造方法来产生构件的方法和用于 使用在这样的方法中的粉末

技术领域

本发明涉及一种用于用基于粉末床的增材制造方法、特别是由超级合金产生构件的方法。在该方法中，构件被逐层地在粉末床中通过用能量束、例如电子束或激光束使形成粉末床的颗粒熔融来构造。在颗粒熔融之前和熔融期间，粉末床在此被预热到低于颗粒熔点的温度上。此外，本发明涉及一种由金属合金构成的适合使用在基于粉末床的增材制造方法中的粉末。

背景技术

开头所述类型的方法例如由EP 1 355 760 B1公知。在这个文本中探讨的用于选择性激光熔化（SLM）的方法应当适合加工高熔点的材料。因为令人感兴趣的，也能由高熔点的材料制造具有小程度的固有应力的构件，所以按照该文本建议，在粉末熔融之前先将材料粉末预热到至少500℃的温度上。但这个温度必须仍明确处于粉末的材料的熔点之下。备选的方法是选择性激光烧结（SLS）和电子束熔化（EBM）。

在SLM、SLS和EBM中，构件被逐层地在粉末床中制造。这些方法因此也被称为基于粉末床的增材制造方法。相应地在粉末床中产生了粉末层，粉末层通过能量源（激光或电子束）紧接着在应当产生构件的区域中被局部熔融或烧结。因此逐渐逐层地产生构件并且可以在完成后将该构件从粉末床取出。

此外，按照Y.-C. Hagedorn等的《用高温选择性激光熔化（HT-SLM）处理镍基超级合金MAR M-247》（高价值制造，291页至295页，伦敦2014）一文，存在这样的愿望，即，也能借助选择性激光熔化来加工由超级合金构成的作为粉末的材料。但在此出现了这样的问题，即，所制造的产品承受了高的固有应力，并且可能基于这一事实而出现裂缝。作者们因此建议对粉末进行更强的预热。

另一方面，公知的是，被强烈预热的粉末按照烧结的机制会互相熔结。在选择性激光熔化中因此产生了这样的问题，即，粉末床硬化（verfestigt）并且还可能与所制造的构件的表面熔结。然后就不再能从粉末床干净地分离出（Herauslösung）所制造的构件。此外，当颗粒互相熔结时，就无法再使用粉末。这会增加所述方法的成本，因为必须定期摒弃原材料。粉末床的熔结可能额外导致，粉末床的表面无法保持平坦（eben）。重新涂敷（Auftag）粉末层因此变得困难并且在粉末床的表面中出现了几何上的缺陷。因此有损有待制造的构件的质量。

按照DE 198 23 341 A1已知由一种金属合金构成的粉末。这种粉末的颗粒具有芯和壳，其中，芯由熔点高于壳的合金部分（Legierungsanteil）构成。按照上面说明的文件，这些颗粒应当尤为良好地适用于通过烧结制造构件。对此的理由基于这样的事实，即，与颗粒均匀地由期望的合金成分（Legierungszusammensetzung）制成时相比，颗粒会更为快速地熔化。由此在烧结处理时更小的烧结温度是可行的。在烧结处理期间，在所烧结的构件中最后出现了期望的合金成分。

发明内容

因此本发明的任务是，说明一种用于用基于粉末床的增材制造方法、特别是由超级合金产生构件的方法，用该方法能制造符合对构件提出的要求的构件。此外，本发明的任务是，说明一种使用在这样的方法中的粉末。

按照本发明，该任务用开头所述的方法以如下方式解决，即，使用由金属合金构成的粉末，其中，粉末的颗粒由芯和壳构成。在芯中存在第一种金属合金部分并且在壳中存在第二种金属合金部分。第一种和第二种金属合金部分因此本身能由金属或金属合金构成。按照本发明规定，第一种合金部分具有比第二种合金部分更小的熔点。

由于芯和壳的不同的合金成分，其中，由仅一种金属构成的芯或壳也应当理解为是不同的合金成分，必然（zwangsläufig）造成了无论是芯的合金成分还是壳的合金成分均与颗粒的金属合金的合金成分不同。相关的颗粒的合金成分由此总体上由所有形成颗粒的合金元素构成。因此必须这样分别来选择芯（也称为Core）和壳（也称为Shell）的合金成分，使得总体上在考虑到芯和壳占颗粒的相应的质量份额的情况下形成了粉末的期望的金属合金。然后使用粉末的熔化工序或烧结工序用于最终形成合金，熔化工序或烧结工序造成了合金部分的扩散和期望的金属合金成分的形成（对此在下文中还要更加以阐释）。此外要考虑到的是，合金元素也许在制造工序期间蒸发并且因此必须以平衡了蒸发损失的浓度在颗粒中（也就是说在芯中和/或在壳中）存在。

与在之前说明的DE 198 23 341 A1中所建议的不同的是，按照本发明因此使用较高熔点的合金部分作为颗粒的壳，即使这正好与在该文本中想要的目的相反，即，在较高的温度下才达到颗粒表面的熔化。但已经表明，按本发明的颗粒在基于粉末床的增材制造方法中加工时，更不倾向于在粉末床中（即在有待制造的构件的体积外）相互熔结。因此在如激光熔化和激光烧结这样的方法中，可以避免粉末颗粒的因烧结（Versintern）或至少初步烧结（Ansintern）引起的熔结，从而使这些粉末颗粒有利地可供用于接下来的制造工序。此外有利的是，通过使经涂层的微粒更为不倾斜于初步烧结而方便了从内部的空腔中清除粉末（Pulverentfernung），这使得能制造如例如在燃气轮机叶片（Gasturbinenschaufeln）的前边缘和后边缘上那样的复杂的、易损的结构。

按照本发明，在电子束熔化中更便于将在粉末床中的颗粒仅初步烧结，以便防止所谓的烟效果。将此理解为是金属的颗粒基于电子束熔化时作用的电场而扬起，其中，当在粉末床中产生了颗粒彼此间一定的附着时已经足够了，所述一定的附着优化是可逆的、即能再次解除。因此初步烧结不是指完全的烧结，而且也指的是在颗粒彼此间产生了一定能解除的附着效果。

在颗粒上的层有利地能够具有0.1μm至3μm的厚度。壳的这个厚度足以用于充分遮住（abschirmen）颗粒的芯，因而不会出现结块的效果。在此，颗粒有利地能够具有至少10μm和最大50μm的大小，优选25μm至30μm的平均颗粒大小。这确保了芯具有足够的体积，因此能调整芯和壳之间的期望的合金成分。颗粒直径和因此芯的直径以及壳的厚度的大小设定就此而言能调整总颗粒的合金成分。

有利地使用镍基超级合金作为超级合金。由这些超级合金例如能制造燃气轮机的叶片。粉末在这种材料中被有利地预热到至少800℃和最高1000℃或甚至直至最高1200℃的温度上。此外，借助为了预热的目的而将热输入到粉末床中的装置确保了，在制造构件后用最大1℃/s的速度进行冷却。因此可以有利地达到，在构件中由镍基超级合金形成金属间相的γ´析出物，γ´析出物表征镍基超级合金的典型的组织。为了形成这种析出物，通常公知的是，在过快冷却时，抑制立方体形（kuboiden）的γ´析出物的生长。但若构件以比1℃/s还要慢冷却，那么在低于γ´固相（Solidus）温度时产生了提到的析出物。固相温度为1150℃。为了确保从该温度水平缓慢地冷却，粉末床的温度必须略微更低。在900℃和最高1000℃之间的温度水平在此被证实是有利的。

此外，所述任务通过一种开头所说明的粉末解决，其中，在所述粉末中，颗粒由芯和壳构成。在芯中存在第一种金属的合金部分并且在壳中存在与第一种合金部分不同的合金成分的第二种金属的合金部分。第一种合金部分具有比第二种合金部分更小的熔点。在基于粉末床的增材制造方法中使用这样的按本发明的粉末时，达到了上述同样适用于粉末的优点。

按照所述粉末的一种有利的设计方案规定，颗粒的芯主要含有镍（1455℃）并且颗粒的壳含有下列金属中的一种或多种：钴（1495℃）、铁（1538℃）、铬（1907℃）、钼（2623℃）、钽（3020℃）或钨（3422℃）。括号内的温度说明分别给出了金属的熔点。由此可以达到，芯（在由颗粒预先给定的目标合金上测得）比例过大地含有大量镍并且壳比例过大地含有大量具有比镍熔点更高的元素，如Co、Cr、Mo、Wo、Ta。能用这些金属产生的合金是镍基合金，镍基合金优选适用于高温应用、例如涡轮机构件（Turbinenbauteile）、特别是涡轮叶片。制备成粉末的材料可以有利地使用在增材制造方法中，其中，能加热粉末床，因为具有芯和壳的粉末颗粒的结构有利地避免了粉末床的烧结或使粉末床的烧结有针对性地变得能受影响（初步烧结）。

颗粒例如可以有利地具有合金成分Mar M 247、CM 247 LC或Rene 80，其中，壳优选含有钨或在Rene 80时也含有铬。这些合金的成分可以由表1得出。

表1

此外，合金成分也可以由镍基单晶合金、例如CMSX-4构成。通过适当地冷却粉末床利用冷却能制造具有单晶结构或带有极大碎粒的结构的增材制造的构件。由表2可知用于镍基的单晶合金的示例。

表2

单晶合金的颗粒的壳优选含有钨和/或钽。为了在壳中达到尽量高的熔点，按照本发明的一种有利的设计方案可以规定，壳以大于99%的质量百分比、优选完全由唯一一种金属的合金元素构成。但完全由一种金属元素构成碰到了技术极限，因而可以允许1%的质量百分比的其它的合金组分。壳仅由唯一一种金属的合金元素构成产生的优点在于，在壳中基本上不存在由于形成了共晶体而通常具有比其基本的合金组分更低的熔点的合金成分。由此可以有利地通过选择相应的金属优化地提高熔点，具体提高至上面的相应（所说明的）熔点。壳的熔点的最大的提高可以有利地用颗粒的相关的合金成分的具有最高熔点的合金元素实现。

选择壳的合金元素的前提是，该合金元素在颗粒的合金成分中充分存在。为了能构成有足够厚度的壳，5%的质量百分比的合金份额被视作够用。直至10%的合金份额导致了更厚的壳，更厚的壳有利地还更好地保护了芯。更大的合金份额会导致还要更厚的壳，但这在关于颗粒熔融时就形成合金而言被视作是不利的，因为通过将合金元素分别划分成颗粒的芯和壳会带来合金强烈分裂的后果。因此在这种情况下，按照本发明的一种有利的设计方案规定，壳的至少一种合金元素也在芯中含有，其中，这种合金元素的浓度在芯中要比在壳中更小。换句话说，以必要的厚度制造壳，其中，在一定程度上可以说形成壳的合金元素的剩余的材料不会考虑用于进一步提高壳的厚度，而是作为在芯中的合金元素存在。由此缩短了壳的合金元素到芯中的必要的扩散工序，这有利地在粉末熔融时支持了合金形成或减小了所形成的构件中的必要的扩散过程。

附图说明

接下来借助附图说明本发明的其它的细节。相同的或相应的附图元件分别用相同的附图标记标注并且仅在各个附图之间有区别时才被重复阐释。附图中：

图1剖切示出了激光熔化设备，在该激光熔化设备中执行按本发明的方法的一个实施例；

图2至4示出了在执行按图1的方法时选出的步骤，其中，剖切示出了处于制造中的构件的小的截取部分；以及

图5示出了按本发明的构件的一个实施例的截取部分，该构件按照图2至4制造。

具体实施方式

在图1中示意性示出了用于激光熔化的设备11。该设备具有过程室12，能在该过程室中制造粉末床13。为了制造粉末床13的每一层，形式为刮板（Rakel）14的分配机构运动经过粉末贮存器（Pulvervorrat）15并且紧接着运动经过粉末床13，由此在粉末床13中产生薄薄的粉末层。激光器16然后产生激光束17，激光束借助带有镜（Spiegel）18的光学的转向装置运动经过粉末床13的表面。粉末在此在激光束17的入射点上熔融（aufgeschmolzen），因此产生构件19。

粉末床13在结构平台（Bauplattform）20上产生，该结构平台能通过在罐形的壳体22内的执行器21逐渐相应下沉了粉末层厚度。在壳体22和结构平台20中设有形式为电阻加热装置（感应式线圈备选也是可以的）的加热机构23，所述加热机构能预热正在产生的构件19和粉末床13的颗粒。为了限制用于预热的能量需求，具有小的热导率（Leitfähigkeit）的绝缘结构24处在壳体22外部。

在图2中示出了有待制造的构件19的边缘，该边缘例如能在按图1的设备中制造。该构件处在粉末床13中，粉末床的边缘用虚线示出。此外示出了从粉末床13中选出的颗粒25，所述颗粒由镍基合金的材料构成。有待制造的构件可以例如是涡轮叶片（Turbinenschaufel）。

颗粒25分别由芯26和壳27构成。芯26主要具有镍和镍基合金的其它的组成部分。壳27例如由钨构成并且否则的话则由在技术上无关紧要的范围内的不纯净的合金元素构成。因此颗粒25的表面具有超过3400℃的熔点。这使得能将粉末床预热直至1000℃，而不会使相邻的颗粒25相互熔结（verbacken）。

在图2（以及图3和4）中示意性示出了颗粒25，其中，在芯26和壳27之间的尺寸比不是忠于真实比例的。在芯26和壳27之间的不连续的过渡如在图2中所示那样也不一定是必要的。也可以考虑的是梯度层，在梯度层中，在芯26和壳27之间的过渡不是突然的，而是随浓度差出现（未示出）。这有利地支持了扩散过程，扩散过程通过颗粒的熔融导致了以针对构件的成分构成合金。对在颗粒25的表面上的熔点而言仅必要的是，在那里，壳27具有为了达到在那里存在的熔点所必要的成分。

当在此在芯26内和/或壳27内出现合金元素的一定的扩散过程时，也能在制造颗粒时就已经完成了梯度层的形成。可以例如使用电镀的（galvanische）或无电流的电化学的涂层方法（Beschichtungsverfahren）作为用于颗粒的可能的制造方法，如已经在DE 19823 341 A1中描述的那样。另一种可能性是，用业界中公知的ALD方法（ALD代表原子层沉积）制造。在此，将原子层施加（aufbringen）在颗粒上，以便构成优选极薄的层。为了产生所需的层厚，必要时ALD方法的多个涂层步骤（Beschichtungsschritte）是必要的。

在图3中示出了，如何借助激光束17熔融粉末床13的一部分，即处在构件19的边缘上的那一部分。在此，颗粒25的芯26被熔融。围绕芯26的壳27具有更高的熔点并且起先还保留在熔池中，其中，由此产生的壳的碎片（Fragmente）28保留在熔融的材料中并且在那里溶解（用颗粒的期望的合金成分构成合金）。这个过程能极快地进行并且在此仅典范地示出。

在图4中可以看到，激光17如何运动经过粉末床13，其中，如在图4中所示那样的熔池从左向右移动。在此形成了有待制造的构件19的与粉末床的层厚d对应的层。如果激光束17进一步移动，那么材料在形成构件体积的同时凝固。在图1中示出的加热引起处于制造中的构件19的材料的冷却速度小于1℃/s并且合金构成不会受到过大的冷却速度的干扰。

在图5中可以看到已完成的构件。这个构件被示意性地作为显微照片示出。用来制造构件19的材料是镍基超级合金。通过受到控制的冷却速度，能成功得到高份额的来自金属间相的所谓的γ´析出物30。γ´析出物被埋在构件的矩阵31中。由此可以借助按本发明的选择性激光熔化达到一种构件组织（Bauteilgefüge），如按照现有技术迄今为止仅通过例如铸造涡轮叶片所能产生那样的构件组织。所述组织由此不同于经加工的颗粒的组织。

Claims (17)

1.用于用基于粉末床的增材制造方法产生构件（19）的方法，其中，所述构件（19）被逐层地在粉末床（13）中通过用能量束（17）使形成所述粉末床（13）的颗粒（25）熔融来构造，所述颗粒由金属合金制得，其中，所述粉末床（13）被加热到低于所述颗粒（25）的熔点的温度上，

其特征在于，使用由超级合金构成的粉末，其中，所述粉末的颗粒（25）由芯（26）和壳（27）构成，其中，

·在所述芯（26）中存在第一种金属合金部分并且在所述壳（27）中存在具有与第一种合金部分不同的合金成分的第二种金属合金部分，以及

·第一种合金部分具有比第二种合金部分更小的熔点。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述颗粒（25）上的壳（27）具有至少0.1μm和最大3μm的厚度。

3.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用具有颗粒大小为至少10μm和最大100μm的颗粒（25）。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，使用具有平均颗粒大小为25μm至30μm的颗粒（25）。

5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，实施电子束熔化（EBM）作为增材制造方法，其中所述颗粒（25）在粉末床中被初步烧结。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，使用镍基超级合金作为超级合金。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述粉末床（13）被加热到至少800℃和最高1200℃的温度上。

8.按照权利要求6或7中任一项所述的方法，其特征在于，所述构件（19）在其完成后用最高1℃/s的速度冷却。

9.粉末，适合使用在基于粉末床的增材制造方法中，所述粉末由超级合金构成，

其特征在于，粉末的颗粒（25）由芯（26）和壳（27）构成，其中，

·在芯（26）中存在第一种金属合金部分并且在壳（27）中存在具有与第一种合金部分不同的合金成分的第二种金属合金部分，以及

·第一种合金部分具有比第二种合金部分更小的熔点。

10.按照权利要求9所述的粉末，其特征在于，

·所述颗粒（25）的芯（26）含有镍，以及

·所述颗粒的壳（27）含有钴和/或铁和/或铬和/或钼和/或钽和/或钨。

11.按照权利要求10所述的粉末，其特征在于，所述颗粒具有 Mar M 247、CM 247 LC或Rene 80的合金成分。

12.按照权利要求11所述的粉末，其特征在于，所述壳（27）含有钨或在合金成分是Rene80时含有铬。

13.按照权利要求10所述的粉末，其特征在于，所述颗粒具有镍基单晶合金的合金成分。

14.按照权利要求13所述的粉末，其特征在于，所述壳（27）含有钨和/或钽。

15.按照权利要求9至14中任一项所述的粉末，其特征在于，所述壳（27）以大于99%的质量百分比由唯一一种金属的合金元素构成。

16.按照权利要求9、10、11或14所述的粉末，其特征在于，所述壳（27）以大于99%的质量百分比由在颗粒（25）的合金成分中具有最高熔点的那种金属的合金元素构成。

17.按照权利要求9至14中任一项所述的粉末，其特征在于，所述壳（27）的至少一种合金元素也在所述芯（26）中含有，其中，所述至少一种合金元素的浓度在芯（26）中比在壳（27）中更小。

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