CN111212703A - 具有冷却效应的高γ′超级合金的激光金属沉积 - Google Patents

Abstract

一种由基础材料（10）增材制造或修复部件的系统（100）和方法（1000）。所述系统可以包括激光金属沉积（LMD）系统（200），其可操作地连接到用于在沉积在基础材料上的熔池中的增材材料的激光加工期间冷却（300）基础材料的装置。所述LMD系统包括激光能量源（202），所述激光能量源（202）被配置成朝向所述基础材料引导激光能量以在其上形成熔池并且加工所沉积的增材材料以在固化时在基础材料上形成若干层。用于冷却的装置可以被配置成在LMD过程期间使基础材料冷却到冷却温度范围内，这导致例如冷却/冷冻效应。此冷却效应缩短激光加工期间的固化周期，并且允许焊接热量从基础材料释放。

Description

具有冷却效应的高γ′超级合金的激光金属沉积

技术领域

本公开总体涉及材料技术的领域，并且更特定来说涉及使用具有冷却效应的高γ′超级合金的激光金属沉积的增材制造和修复方法。

背景技术

由于优化这些合金以实现的高强度（以及对应的低延展性），超级合金的焊接提出多种技术挑战。正应用热源（例如激光和电弧）来构建增材制造的（AM）部分或修复受损的超级合金部件。令人遗憾的是，这些合金在例如激光金属沉积（LMD）过程和后续热处理期间非常易于热裂。室温下焊接期间的热裂通常发生在熔池中的固液界面处，这在结构上危害AM或经修复部件的完整性。因此，仍然需要在焊接期间抑制热裂发生的LMD系统或过程。

发明内容

应了解，本发明人已经认识到上述限制，并且现在公开一种例如通过利用冷却效应（例如，深度冷却效应）以及后续钎焊的高γ′超级合金的新的激光金属沉积过程。

在一个示例性实施例中，提供一种由基础材料增材制造（AMR）或修复超级合金部件的系统。所述AMR系统可以至少包括激光金属沉积（LMD）系统，所述激光金属沉积（LMD）系统可操作地连接到用于在增材材料在基础材料上的激光加工累积期间冷却所述基础材料的装置。所述LMD系统可以包括激光能量源，所述激光能量源可操作地配置成朝向所述基础材料引导激光能量以在其上形成熔池。所述激光能量加工沉积到所述熔池中（例如，基础材料上）的增材材料以在固化时形成增材材料的若干层。

用于冷却所述基础材料的装置可以被配置成例如经由冷却介质将基础材料冷却到在激光加工期间导致例如基础材料的冷却/冷冻效应的冷却温度范围内的所期望的温度，这可以导致激光加工期间的较短固化周期。应了解，所期望的温度范围可以是所使用的冷却介质的类型（例如，液氮、液氩等等）特有的，并且应该是至少部分由于基础材料的冷却/冷冻效应而允许焊接热量在激光加工期间从所述基础材料释放的温度范围内的温度。对于液氮，冷却范围的示例可以是-100° C至-150°C；对于液氩，冷却范围的示例可以是-100° C至-150°C。另外地或可替代地，应了解，除了所述范围基于所利用的冷却介质的类型变化以外或者代替所述范围基于所利用的冷却介质的类型变化，所述范围可以取决于施加到基础材料和/或基础材料的成分的热量（例如，高温）。例如，具有较高熔化温度的基础材料在激光加工期间可能需要更多热量，这可能需要更深度的冷却范围（即，较低范围），以便在激光加工期间从基础材料释放任何焊接热量。换句话说，所期望的冷却范围可以部分基于冷却介质类型、来自激光能量源的热温度以及基础材料类型中的一者或更多者。

在另一示例性实施例中，提供一种增材制造或修复方法。所述方法可以包括将基础材料衬底（BMS）例如提供在器皿中，以及制备所述BMS以用于激光金属沉积（LMD）加工。所述方法还可以包括例如经由冷却装置将BMS冷却到导致BMS经历冷却或冷冻效应以从BMS释放焊接热量的冷却温度范围内的温度。应了解，可以贯穿整个LMD过程维持冷却温度，并且如果需要，则部分基于冷却装置的冷却介质或BMS中的一者或更多者的温度对其进行调节。在冷却BMS时，BMS或BMS的至少若干部分可以经历激光加工以在BMS上形成增材材料的若干层以完成所期望的部件。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中相似的附图标记表示相似的对象，并且其中：

图1示意性地示出根据本文中提供的公开的用于经由激光金属沉积（LMD）增材制造和/或修复超级合金部件的系统；并且

图2示出根据本文中提供的公开的增材制造或修复过程的框图。

具体实施方式

下文中描述为构成各种实施例的部件和材料旨在是说明性且不是限制性的。将实施与本文中描述的材料相同或类似的功能的许多合适部件和材料旨在包括在本发明的实施例的范围内。

本发明人已经开发出一种新颖的增材制造（AM）和/或修复方法，其涉及激光金属沉积（LMD）过程的变体，其中冷却系统（例如，深度冷却系统）与LMD系统组合以冷却超级合金基础材料/衬底/部件（例如，燃气涡轮机叶片、导叶、叶片表面等等），并且减少或完全消除在焊接过程或后续热处理期间发生的热裂。

现在参考附图，其中所述附图仅出于示出本文中的主题的实施例并且不限制其的目的，图1示出经由激光金属沉积（LMD）由基础材料/衬底增材制造部件和/或修复超级合金部件10的系统100。

系统100可以包括LMD系统200，LMD系统200用于经由激光能量源202向下面的衬底施加激光能量，并且用于将增材/累积材料沉积到由激光能量形成的下面的/基础衬底10的熔池中（或累积材料的固化层上）以形成累积材料的若干层，从而用于制造或修复所期望的超级合金部件，例如，叶片、叶片平台侧面（示出在图1中）、叶片尖端、导叶或其它部件。激光能量源202可以可操作地配置成从其并且朝向基础材料10引导或发射激光能量以便熔化基础材料10的若干部分（或先前固化的累积层）以形成熔池。

另外地或可替代地，LMD系统200还可以包括激光沉积工具210，激光沉积工具210可操作地连接到激光能量源202，并且在激光能量源202附近或可操作地耦接到激光能量源202以便将累积（增材）材料沉积到由激光能量形成的熔池中和基础材料10上。

另外地或可替代地，激光能量源202可以可操作地配置成充当激光沉积工具，以用于将累积材料沉积到熔池中。即，除了经由沉积工具210沉积以外或者代替经由沉积工具210沉积，增材材料可以经由激光能量源202或者更特定来说经由连接到与激光能量源202共享的壳体的馈送管线224来沉积。LMD系统可以进一步包括一个或更多个粉末馈送系统（220、222）或者可操作地连接到一个或更多个粉末馈送系统（220、222）。粉末馈送系统220、222可以被配置成将累积材料馈送（递送）到激光能量源202或激光沉积工具210中的一者或更多者，以用于将累积材料沉积到熔池中和/或基础材料10上以形成增材材料的若干层，以便形成所期望的部件。

累积（增材）材料可以包括例如基础合金粉末材料，其可以包括形成基础材料10相同或类似的材料。所述基础金属粉末可以经由粉末馈送系统（220）馈送通过LMD系统200，并且在LMD过程期间沉积到熔池中或基础衬底10上。累积材料还可以包括钎焊合金粉末材料等等，其可以经由与基础金属粉末相同的馈送系统或者其自己的粉末馈送系统（222）馈送通过激光能量源202，并且沉积到熔池中或下面的衬底10上，用于在LMD过程期间通过例如激光能量进行激光加工。粉末馈送系统220可以经由用于将来自例如材料容器的累积材料馈送到下面的衬底10的一个或更多个馈送管线224可操作地连接到LMD系统200、或者更特定来说激光沉积工具210。另外地或可替代地，控制器（未示出）可以可操作地连接到LMD系统200或粉末馈送系统220中的一者或两者，并且可以被配置成控制累积材料在LMD过程期间通过例如激光工具210的馈送速率。

在LMD过程期间沉积的累积材料（例如，基础合金材料和钎焊合金材料）中的每一者可以由其自己的粉末馈送系统220馈送/提供，即，单个系统用于每一材料，或者在另一个实施例中，可以使用单个粉末馈送系统220来馈送两种类型的累积材料。应了解，如果在LMD过程期间利用多于两种类型的材料，则可以使用额外的粉末馈送系统220来馈送额外的材料，或者单个粉末馈送系统可以被配置成根据需要馈送所述材料中的每一者。

继续参考附图，系统100还可以包括用于例如在LMD过程期间冷却基础衬底10的冷却装置，以减少或消除与LMD过程、钎焊过程或任何后续热处理过程相关联的任何热裂。在一个示例性实施例中，冷却装置300可以是冷却系统，例如，深度冷却系统，其可以包括器皿、腔室或类似容器302，器皿、腔室或类似容器302可以被确定大小和调适成用于至少部分地接收待在其中修复的基础衬底10或其它超级合金部件，并且器皿、腔室或类似容器302可以限定一体积以用于在其中容纳冷却介质310和/或使冷却介质310流过其以便冷却器皿302中的基础衬底10。器皿302可以包括适于接收冷却介质310的入口304以及用于例如从器皿排放冷却介质的出口306。另外地或可替代地，基础衬底10可以放置在流动冷却介质310的路径中，例如，用于在经历增材制造或修复过程时获得深度冷却效应。

冷却系统300可以进一步包括一个或更多个泵（未示出）或类似泵送/馈送系统350，以用于向器皿302提供冷却介质310以便冷却其中的衬底10。应了解，所述泵可以由任何系统100或LMD系统200控制器控制，或者另外地或可替代地，所述泵系统可以包括其自己的控制器，所述控制器可操作地配置成用于控制填充或流过器皿302的冷却介质310的流速和含量以便在器皿302内或通过器皿302并且在LMD过程期间维持冷却介质的所期望的冷却温度范围。

冷却介质310可以例如是液氮、液氩、液氦等等，或者能够被馈送到器皿302中以实现所期望的冷却温度范围以便从正处理的基础衬底10或部件移除任何焊接热量的任何其它液体介质。在一个实施例中，冷却范围可以在之间。

继续参考附图，系统100可以进一步包括传感器系统400，传感器系统400可操作地连接到LMD系统200和冷却装置300中的一者或更多者，以用于在冷却和LMD过程期间感测温度，并且用于将所感测的温度发送或通信到任何系统控制器，用于确定是否已经实现所期望的冷却范围，和/或用于调节加热和/或冷却参数。

在一个实施例中，传感器系统400可以包括一个或更多个传感器402，一个或更多个传感器402可操作地配置成感测温度并且例如经由一个或更多个发射器将所感测的温度通信到传感器控制器或任何系统控制器，用于在LMD和/或冷却过程期间使用所感测的温度。传感器402可以按任何配置均匀地布置或布置在器皿内或其附近，以感测冷却介质310、衬底10和/或周围区域中的一者或更多者的温度。如图1中所示，传感器402可以定位在器皿302内，例如，附接到器皿的壁，（部分或完全）浸入冷却介质310中，和/或可移除地固定到激光源202、激光源的壳体或其附近。

例如，在LMD过程期间并且为了确定是否已经实现和/或维持用于在LMD过程期间冷却或深度冷却衬底10的所期望的温度范围，传感器可以将所感测的温度发送或以其它方式通信到控制器，其中可以至少部分基于所感测的温度来调节任何加热和/或冷却参数。例如，在冷却系统300中，可以根据需要并且基于所感测的温度来调节冷却介质的流量和/或含量，以实现所期望的冷却温度范围，例如，至少对于镍基超级合金来说，-100°C至-150°C。

应了解，所期望的温度范围可以根据正处理的超级合金基础材料10的类型而变化，例如，± 20至40° C。另外地或可替代地，可以基于所感测的温度来调节（即，增加或减少）由激光能量源202发射的热量。

继续参考附图并且现在参考图2，提供LMD过程（方法）1000的实施例。应了解，本文中公开的任何步骤无需按任何特定次序实施，并且从而出于示例性目的提供。例如，用冷却介质310填充器皿302的步骤可以在将基础材料10放置或固定在器皿中用于LMD加工的步骤之前或之后发生。

方法1000可以包括将待修复的基础材料10或其它部件放置到器皿302中的步骤（1010）。在此步骤中，可以将基础材料/衬底10或受损部件可移除地固定在器皿302中并且固定到例如平台（未示出），以用于累积和/或修复。应了解，在其中修复部件的实施例中，方法1000可以包括如下步骤：从工业机器移除所述部件；以及例如通过挖凿所述部件的任何受损部分并且在将所述部件放置在器皿中以进行LMD过程之前预热或固溶处理所述部件来制备所述部件以用于LMD。

在制备所述部件和/或将所述部件或基础衬底10放置在器皿302中时，方法1000可以包括经由冷却装置冷却基础衬底10或其至少若干部分（1020）。在此步骤中，可以将衬底10或其若干部分浸入至少部分填充器皿302的冷却介质310中。在一个示例性实施例中，器皿302可以填充有冷却介质310，使得衬底10的至少一部分可以浸入冷却介质中，以用于在LMD过程期间深度冷却衬底。冷却介质310可以是液氮或能够将衬底10冷却到所期望的温度范围的任何其它液体介质，使得可以从衬底10释放或移除任何焊接热量。应了解，通过使用液氮，基础材料10（例如，涡轮机叶片或导叶）可以在器皿内部冷却到-100°C至-150°C的范围内的温度。

在衬底冷却（即，维持在所期望的温度范围）时，方法1000可以包括如下步骤（1030）：将累积（增材）粉末材料（例如，下面的基础金属合金粉末和钎焊合金材料）沉积到衬底上并且激光加工衬底10上的累积材料。为维持冷却温度和深度冷却效应，可以增加温度梯度/冷却速率以例如在焊接过程期间实现最小破裂。在此步骤中，应了解，粉末累积（增材）材料（例如，基础合金材料和钎焊合金材料）可以经由粉末馈送系统馈送通过例如激光源工具，并且沉积到衬底10上或衬底的熔池中。应了解，熔池可以由保护气体（例如，氩气、氦气或其混合物）保护。另外地或可替代地，应进一步了解，增材材料可以使用保护气体输运（例如载运）到熔池。

在沉积时，激光能量加工/熔化累积材料，累积材料随后固化以形成超级合金材料的层，以用于形成所期望的部分或部件。应了解，可以逐层验证基础合金和钎焊合金粉末的混合物，并且可以重复沉积和激光加工步骤，直到实现所期望部件的形状和/或几何形状。部件经由发明人的新颖的LMD过程的修复允许所述部件通过使用与基础材料相同的材料的相同基础合金材料来进行结构修复。即，LMD过程允许部件通过具有例如与下面的（基础）衬底10相同或接近相同的成分的材料（增材材料）来进行修复。

由冷却系统300导致的深度冷冻效应允许衬底10在LMD过程期间保持冷却，这导致对例如待抑制的熔池中的固液界面处的任何热裂的抑制。此抑制由极短固化过程导致，所述极短固化过程直接由如下原因导致：衬底被冷却到所期望的温度和/或衬底10的冷却温度范围内，以实现衬底10的深度冷却和/或冷冻效应，使得可以从衬底10释放任何焊接热量。

另外地或可替代地，方法1000可以包括衬底10的高温钎焊，例如，焊炬钎焊、炉内钎焊等等（1040）。应了解，在后续高温钎焊过程1040期间，可以至少部分由于LMD过程期间的钎焊合金材料沉积而实现衬底10或所期望部件的自修复。这可能导致在焊接过程期间可能已经发生的最小破裂通过例如最终高温钎焊过程移除。另外地或可替代地，方法1000可以包括用于完成所期望部件的步骤。应了解，用于修复受损部件的过程可能需要从例如涡轮机发动机移除受损部件的步骤，并且因此，除了在所述部件经历LMD过程或后续钎焊过程之前预热处理或固溶处理所述部件以外，修复方法1000还可以包括用于移除所述部件的步骤。

应了解，本文中公开的示例性系统（例如，LMD系统、粉末馈送和/或泵系统、传感器系统等等）的若干方面可以由任何适当处理器系统使用任何适当编程语言或编程技术来实现。系统可以采用任何适当电路系统的形式，例如可以涉及硬件实施例、软件实施例或包括硬件和软件元件两者的实施例。在一个实施例中，系统可以通过软件和硬件（例如，处理器、传感器等等）来实现，所述软件和硬件可以包括（但不限于）固件、驻存软件、微代码等等。

此外，处理器系统的若干部分可以采用可从处理器可用或处理器可读介质获得的计算机程序产品的形式，所述处理器可用或处理器可读介质提供由处理器或任何指令执行系统使用或结合处理器或任何指令执行系统使用的程序代码。处理器可读介质的示例可以包括非暂时性有形处理器可读介质，例如半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机磁盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、刚性磁盘和光盘。光盘的当前示例包括光盘只读存储器（CD-ROM）、光盘读/写（CD-R/W）和DVD。

虽然已经详细描述具体实施例，但是本领域普通技术人员将了解，可以根据本公开的整体教示开发那些细节的各种修改和替代方案。例如，可以组合关于不同实施例描述的元件。因此，所公开的特定布置仅旨在是说明性的，并且不应被解释为限制权利要求书或本公开的范围，权利要求书或本公开的范围将由所附权利要求的全部范围及其任何和所有等效方案给出。应注意，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，并且冠词“一（a）”或“一（an）”的使用并不排除多个。

Claims (19)

1.一种用于由基础材料（10）增材制造或修复超级合金部件的系统（100），其包括：

激光金属沉积（LMD）系统（200），所述激光金属沉积（LMD）系统（200）包括：

激光能量源（202），所述激光能量源（202）可操作地配置成朝向所述基础材料引导激光能量，以用于在其上形成熔池并且用于激光加工沉积到所述熔池中的增材材料，以便在所述基础材料上形成一层增材材料；以及

用于在激光加工期间冷却（300）所述基础材料的装置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述增材材料包括基础金属粉末和钎焊金属粉末中的至少一者。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，用于冷却所述基础材料的装置是冷却系统，所述冷却系统包括器皿（302），所述器皿（302）适于在激光加工期间支撑所述基础材料并且可操作地连接到用于将冷却介质施配到所述器皿中以使所述基础材料冷却到所期望的冷却温度的装置。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述器皿包括用于控制其中的冷却介质流的入口（304）和出口（306）。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，用于施配所述冷却介质的装置是泵系统（350），所述泵系统（350）可操作地至少连接到所述器皿的所述入口，以用于在其中施配所述冷却介质。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述泵系统包括连接到所述入口以用于施配所述冷却介质的泵以及用于控制所述冷却介质的流量和含量以实现所期望的冷却温度的控制器。

7.根据权利要求6所述的系统，其进一步包括传感器系统（400），所述传感器系统（400）可操作地连接到所述泵系统，用于感测所述器皿内的所述基础材料和冷却介质中的至少一者的温度，并且用于将所感测的温度提供到所述控制器，以用于控制所述流量和含量，从而实现所期望的冷却温度并且维持所期望的冷却温度，以便从所述基础材料释放焊接热量。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述LMD系统进一步包括：

沉积工具（210），所述沉积工具（210）可操作地连接到粉末馈送系统，并且被配置成一旦沉积便递送增材材料以用于激光加工。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述沉积工具可操作地连接到所述激光能量源，以用于所递送的增材材料的激光加工。

10.一种增材制造或修复方法，其包括：

制备基础材料衬底（BMS）以用于激光金属沉积（LMD）加工；

使所述BMS冷却到导致所述BMS的冷却效应的冷却温度范围内的温度，并且使所述温度维持在所述冷却温度范围内；

在维持所述BMS的温度时或者在实现所述冷却温度范围时，通过熔化所述BMS的至少若干部分并且将增材材料沉积到所述熔化部分中以在所述BMS上形成增材材料的累积层来开始所述BMS的LMD加工。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，制备所述BMS的步骤包括：将所述BMS提供在器皿中，并且其中，冷却装置可操作地连接到所述器皿，以用于使所述BMS冷却到所述冷却温度范围内。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述冷却装置包括冷却介质分配系统，所述冷却介质分配系统可操作地连接到所述器皿，并且被配置成将冷却介质施配到所述器皿中，以用于冷却所述BMS并且控制所述冷却介质的流量和含量，以便在所述冷却温度范围内实现所期望的温度。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述冷却介质分配系统包括泵系统，所述泵系统可操作地配置成施配所述冷却介质并且控制所述器皿中的所述冷却介质的流量和含量。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述冷却介质分配系统可操作地连接到被配置成用于感测冷却介质温度或BMS温度中的一者或更多者的传感器系统，并且其中，所述泵系统部分基于由所述传感器系统感测到的温度来调节所述冷却介质的流量和含量。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述冷却介质选自液氮、液氩和液氦中的一者或更多者。

16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述增材材料包括基础金属粉末和钎焊金属粉末中的至少一者。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述增材材料包括与所述BMS类似或相同的化学成分。

18.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：

钎焊所述BMS或其至少若干部分，以实现所期望的部件。

19.根据权利要求10所述的方法，其中，所述基础材料是超级合金基础材料。

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