CN111315960A - 用于难焊接材料的制造方法 - Google Patents

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Abstract

提出了一种通过束辅助增材制造工艺制造难焊接材料的方法。该方法包括：将用于材料的第一层沉积到基底上，第一层包括较大比例的用于部件的基材和较小比例的焊料；沉积用于部件的基材的第二层；以及层布置的热处理。热处理包括：在高于1200℃的第一温度下持续时间超过3小时的第一热循环，在高于1000℃的第二温度下进行超过2小时的随后第二热循环，以及在高于700℃的第三温度下进行超过12小时的随后第三热循环。还呈现了一种制造的部件。

Description

用于难焊接材料的制造方法
技术领域
本申请大体上涉及用于诸如金属合金的难焊接材料的制造或沉积方法，并且更具体地涉及通过束辅助增材制造工艺制造用于部件的难焊接材料的方法。
背景技术
在一个实施例中，所述材料被应用于涡轮机中使用的部件，例如在燃气轮机的流路径中使用。部件可以是动叶片（或为叶片，blade）或静叶片。因此，部件可以包括超级合金或镍基材料。
增材制造技术可以包括粉末床方法，诸如选择性激光熔化（SLM）、选择性激光烧结（SLS）或电子束熔化（EBM）。激光金属沉积（LMD）和激光熔覆方法也能够作为增材制造方法进行。
例如，在WO 2015/150019中描述了一种激光焊接方法。
燃气轮机的叶片在其预期操作期间通常暴露在高热负荷。因此，这些部件需要通常基于镍的高耐热超级合金。尽管已经将沉淀、时效或分散硬化应用于这些部件的基材，但是所述材料在包覆或沉积工艺和/或随后热处理工艺期间容易产生裂纹。
上述裂纹通常出现在相应制造或修理方法的熔池中的液-固界面处。由于部件操作期间的高机械负荷，所述裂纹能够导致对部件以及整个涡轮机的严重损坏。
由于由给定的超级合金制造涡轮机动叶片和类似部件既复杂又昂贵，因此需要进一步优化或改进所提及部件的制造并延长其寿命周期。这可以通过新的改进的制造方法来实现，例如所提及的增材工艺。
燃气轮机中操作的涡轮机动叶片构成了必须定期维护和翻新的备件。对于翻新，主要是叶片的尖端通常被机加工回来，并且然后通过激光焊接或激光熔覆方法进行涂覆，以在翻新期间重新建立磨损的尖端材料。
涡轮机部件的制造或翻新的一个主要且已知的缺点是通过常规的焊接方法制造高耐热超级合金的复杂性。即使通过焊接的材料沉积是可能的，所提供的材料通常缺乏所需的结构材料特性，例如在机械（高温）强度、抗裂纹、断裂、氧化、腐蚀或对应的疲劳方面。转而，有可能同时提供具有特别好的高温强度和甚至可能地抗氧化性的材料。然而，这种材料不能再通过焊接技术加工。
特别高比例的金属间伽玛（ϒ）、伽玛（ϒ'）相已被证明有利于赋予所提及材料良好的机械强度。
本文所述的制造方法可以涉及自下而上的制造，或者涉及例如通过诸如LMD的束辅助增材制造方法在预先制造的基底或叶片根部的顶部上进行沉积，其中，连续激光束可以用于重熔基材。所述基材可以通过对应的粉末束喂给来提供。
本公开的一个目的是增材地提供一种超级合金材料，其具有特别低的裂纹中心密度或显示裂纹或断裂的趋势，从而使所述材料具有改进的结构质量，并且同时允许改进的可焊接性。
因此，安装在这种涡轮机中的涡轮机或燃气轮机部件能够更有效率地工作，并且可能需要更少的维修或维护工作。
发明内容
简而言之，本公开的方面涉及一种通过束辅助增材制造工艺制造用于部件的难焊接的材料的方法、根据该方法制造的部件，以及用于通过激光金属沉积制造部件的结构的设备。
第一方面提供了一种制造的方法，包括：通过束辅助增材制造工艺来沉积或构建用于部件的难焊接的材料。该方法包括：将用于材料的第一层沉积到基底上，第一层包括较大比例或占主要比例的用于部件的基材和较小比例的焊料。该方法还包括沉积用于部件的基材的第二层。该方法还包括对包括第一层和第二层的层布置进行热处理。热处理包括在高于1200 ℃的第一温度下持续时间超过2小时的第一加热循环。第一温度可以是铜焊（brazing）或锡焊（soldering）温度。热处理还包括在高于1000 ℃的第二温度下进行至少2小时的随后第二热循环。第二温度可以是扩散温度。热处理还包括在高于700 ℃的第三温度下进行超过12小时的随后第三热循环。第三温度可以是后扩散或应力松弛温度。
第二方面提供了一种部件，其中，该部件根据所述方法制造或可制造。部件可以是应用于燃气轮机的热气路径中的部件，诸如动叶片或静叶片。如所描述的，部件可以进一步由多个堆叠的或连续沉积的层组成或包括多个堆叠的或连续沉积的层。因此，可以借助于沉积的层或子层中的每一个的相应焊珠来识别这些层，例如在横截面中识别。
第三方面提供了一种用于通过激光金属沉积制造部件的结构（诸如涡轮机动叶片或静叶片）的设备，该设备被配置成例如经由粉末喂给中的开关选择性地提供多种不同的粉末状物质，并且该物质例如包括镍基超级合金和如上所述的类似焊料材料。
附图说明
图1示出了分层结构的示意性截面指示，其指示了根据实施例的方法步骤，
图2示出了在其自下而上制造期间的涡轮机动叶片或静叶片的示意性指示，
图3示出了涡轮机动叶片或静叶片的增材修理或翻新工艺的示意性指示，以及
图4指示了根据实施例的根据制造方法的方法步骤。
相似的元件、相同种类的元件和作用相同的元件在附图中可以提供有相同的附图标记。
具体实施方式
为了便于理解本公开的实施例、原理和特征，下文将参考说明性实施例中的实施方式来解释它们。然而，本公开的实施例不限于在所描述的系统或方法中使用。
在下文描述为组成各种实施例的部件和材料旨在为说明性的而非限制性的。将进行与本文所述材料相同或相似功能的许多合适的部件和材料旨在包含在本公开的实施例的范围内。
可以调整所提出的热处理循环，以显示多个超级合金在裂纹或断裂趋势或孔隙率方面的最佳结构结果。
本文使用的术语“难焊接材料”可以包括所提及的基材以及所提及的焊料或焊料的剩余部分。
在一个实施例中，热处理描述了铜焊或锡焊处理。热处理可以是硬锡焊和/或高温锡焊。
通过给定的措施，给定材料的增材沉积具有特别低的显示裂纹的趋势，无论是作为完整的能生产的（generative）制造还是用于修理或翻新应用，都能够被促进。此外，能够证明给定合金的可焊接性以及有利的结构质量。
在一个实施例中，基材类似于焊料材料。换句话说，焊料材料可以包括与基材相同的构成部分或主要成分。
在一个实施例中，基材包括很大比例的金属间相。基材可以包括ϒ或ϒ'相。
在一个实施例中，第一层和/或第二层经由激光金属沉积来沉积。在另一个实施例中，第一层和/或第二层经由激光金属粉末沉积来沉积。根据这些实施例，沉积在室温下进行，并且能够以对于基于粉末床的工艺（诸如SLM）不可行的速率进行。
在一个实施例中，基材是镍基超级合金的粉末，该镍基超级合金诸如为“Inconel738”“Rene80”或“Alloy247”。
在一个实施例中，基材是沉淀或分散硬化的，或者相应地是可硬化的。
在一个实施例中，焊料包括材料“AmdryBRB”、“Amdry DF-4B”和“Ni1248”中的至少一种。
在一个实施例中，焊料或锡焊工艺没有熔点降低剂，诸如硼或硅。这提供了这样的优点，即能够保持基材和焊料的材料组成的相似性，因此该工艺包括在制造或任何制造后热处理期间显示裂纹或断裂的最佳或有利的低趋势。
在一个实施例中，第一层的层厚度在200和400 μm之间选择。在另一个实施例中，层厚度选择成300 μm ±20 μm。
在一个实施例中，第二层（层堆叠）由基材的三个子层组成和/或经由其沉积，子层中的每一个包括200和400 μm之间的层厚度。在另一个实施例中，第二层（层堆叠）由基材的三个子层组成和/或经由其沉积，子层中的每一个包括300 ±20 μm的层厚度。
在一个实施例中，第二层的子层的层厚度在200和400 μm之间选择。在另一个实施例中，第二层的子层的层厚度选择成300 μm ±20 μm。
为了达到待沉积以用于待制造的部件的结构的整个高度，多个第一层和第二层可以交替沉积和堆叠。
在一个实施例中，第一层以2和10 cm3/h之间的速率沉积。在另一个实施例中，第一层以高于6 cm3/h的速率沉积。
在一个实施例中，第二层以2和10 cm3/h之间的速率沉积。在另一个实施例中，第二层以高于6 cm3/h的速率沉积。
在一个实施例中，第一层直接沉积到基底上，以便防止开裂，诸如在制造期间或热处理期间的基材中的热开裂或断裂。
在一个实施例中，方法是混合制造、修理或翻新工艺。
在一个实施例中，方法是能生产的、自下而上的和/或从头开始的制造工艺。
在一个实施例中，部件包括不具有或没有开裂中心的微观结构，其具有特别低的显示裂纹或孔隙的趋势。
在一个实施例中，部件包含小于300 μm的（残余）孔隙率或孔直径。所述孔直径可以表示相应孔隙率的最大孔直径和/或平均孔直径。
图1示出了元件10的层堆叠的示意性截面图，例如在其增材制造期间。所述制造可以通过束辅助增材制造工艺（诸如在基底1上的激光金属沉积）来进行。在一个实施例中，激光金属沉积可以是基底1上的激光粉末金属沉积。
借助于图1，图示了所提出的方法的至少一部分。
本文使用的术语“基底”可以涉及仅用于支撑待制造部件的结构的基板。图2示出了用于支撑待制造的部件10的结构的基底1的示例。因此，所提出的方法可以涉及能生产的、自下而上的和/或从头开始的制造工艺。
替代地，基底可以涉及预先存在或预先制造的部件。在一个实施例中，如图3中所示，基底1可以是用于燃气轮机的动叶片或静叶片的翼面的已经机加工的区段。因此，所提出的方法可以涉及混合制造、修理或翻新工艺。
如图1和2的实施例中所示，通过给定的手段直接在所述基底1的顶部上沉积或制造L1层。由此，层L1可以粘合地或冶金地连接到基底1。
用于部件的材料的第一层L1包括较大比例的用于部件10的基材BM和较小比例的焊料S或铜焊材料。焊料旨在形成如图1中所示的层堆叠的粘合或冶金连接。
术语“较大比例”可以涉及第一层L1的全部材料的例如60%的比例。术语“较小比例”可以相应地涉及第一层L1的全部材料的例如40%的比例。除了这些百分比之外，第一层L1的材料可以分别由基材BM和焊料S的任何其它关系组成。
例如，层L1在基底1上的直接沉积有利地允许防止在构建和任何随后热处理期间在基材BM中的开裂或开裂趋势。
在一个实施例中，基材BM可以包括金属的粉末，诸如镍基超级合金的粉末。这些粉末可以包括Inconel738、Rene80或Alloy247。
在一个实施例中，焊料可以包括物质“AmdryBRB”、“Amdry DF-4B”和“Ni1248”中的至少一种。
在一个实施例中，焊料S进一步没有或缺乏熔点降低剂，诸如硼。同样，在一个实施例中，焊接工艺不使用任何熔点降低剂。
基材BM可以包括很大比例的金属间相，诸如ϒ或ϒ'相。
第一层L1的层厚度可以在200和400 μm之间选择。在一个实施例中，第一层L1的层厚度是300 μm，精度或变化为 ±50。在另一个实施例中，第一层L1的层厚度为300 μm，精度或变化为 ±20。
在第一层1的顶部上，根据所提出的方法沉积基材BM的第二层L2。
在一个实施例中，第二层L2通过与层L1相同的手段沉积。第二层L2还可以包括与层1的材料相比具有至少部分不同的材料组成的材料。
在一个实施例中，层L2进一步构成或包括子层SL1、SL2和SL3的顺序的子堆叠。子层作为单层被连续沉积，并且可以通过激光焊接或激光熔覆技术沉积。每个子层可以被沉积或提供有200和400 μm之间的层厚度。在一个实施例中，第一层L1的层厚度为300 μm，精度或变化为 ±50。在另一个实施例中，第一层L1的层厚度为300 μm，精度或变化为 ±20。因此，整个层L2可以包括大约900 μm的层厚度。
第一L1和/或第二层L2可以以高于6 cm3/h的速率沉积。
如图1中所示，部件10或沉积物可以由交替布置的第一和第二层L2、L2组成。根据所提出的方法，然后可以交替地沉积层，直到达到部件10的最终高度或设计。
图2指示了在其通过设备100自下而上制造期间的部件10。设备100可以适合用于沉积部件的结构，在本例中是涡轮机动叶片或其翼面。
设备100可以进一步被配置成选择性地提供多种不同的粉末状物质，例如经由粉末喂给中的开关。所述物质例如包括针对基材BM和焊料S所列的材料。
当完全组装、构建或制造时，部件10可以包括优良的材料和/或表面特性以及改善的微观结构。在一个实施例中，通过其制造工艺，部件10的结构固有地被授予低的或没有显示断裂或裂纹的趋势。这转而允许在更恶劣的环境中应用沉积的材料或部件，即，在常规材料或制造方法的情况下的更高的操作或气体温度下应用。
所制造的部件10可以包括小于300 μm、小于200 μm或小于150 μm的残余孔隙率或孔直径。
与图2相比，图3示出了类似的情况，其中，部件10仅通过所提出的方法进行修理或翻新，而不是完全增材制造。因此，部件可以包括预先存在的“基底”1，并且在预先存在的部分或根部的顶部上制造另外的层L1和L2。
图4借助于示意性流程图指示了所提出的方法的方法步骤。
如上所述，方法包括：a）将用于材料的第一层L1沉积到基底1上，第一层1包括较大比例的用于部件10的基材BM和较小比例的焊料S。
方法还包括：b）沉积用于部件10的基材BM的第二层L2，以及c）层布置的热处理。
在一个实施例中，热处理包括：c1）在高于1000 ℃的第一温度下的第一热循环。在另一个实施例中，热处理包括在高于1100 ℃的第一温度下的第一热循环。在另一个实施例中，热处理包括在高于1200 ℃的第一温度下的第一热循环。例如，第一温度可以是1248 ℃±15 ℃，持续时间超过1.5小时。在另一个示例中，持续时间可以是2-4小时。
所描述的第一热循环可以是铜焊或锡焊循环。
在一个实施例中，所述热处理还包括：c2）在高于800 ℃的第二温度下的（随后的）第二热循环。在另一个实施例中，所述热处理处于高于900 ℃的第二温度下。在另一个实施例中，所述热处理处于高于1000 ℃的第二温度下。例如，热处理可以在1160 ℃下持续超过1-2小时。在一个实施例中，热处理持续超过3小时。
所描述的第二热循环可以是扩散循环。
热处理还可以包括：c3）随后的第三热循环和高于700 ℃的第三温度。在另一个实施例中，第三热循环在高于800 ℃下进行。例如，热处理可以在870 ℃下进行超过8小时。在另一个实施例中，热处理可以进行超过10小时，诸如12小时或更长。
在一个实施例中，第三循环可以是两步或二元（binary）热循环，其中部件10在高于900 ℃的温度下进行第一加热或退火或子循环。例如，温度可以高于1000 ℃，诸如1080℃，持续时间超过1.5小时。在一个实施例中，第三循环可以进行2小时。
第二加热、退火或子循环可以包括在高于600 ℃的温度下加热部件。在一个实施例中，第二加热可以包括在高于700 ℃的温度下加热部件。例如，第二加热可以包括在诸如870 ℃的温度下加热部件，持续时间超过10小时，诸如超过12小时。在另一个实施例中，第二加热的持续时间可以是20小时。
所描述的第三热循环可以是后扩散或弛豫循环。
本发明的保护范围不限于上文给出的示例。本发明体现在每个新的特征和特征的每个组合中，其特别包括权利要求中陈述的任何特征的每个组合，即使该特征或特征的该组合没有在权利要求或实施例中明确陈述。
虽然已经以示例性形式公开了本公开的实施例，但是对于本领域技术人员来说将明显的是，在不脱离如所附权利要求所阐述的本发明及其等同物的精神和范围的情况下，能够在其中进行许多修改、添加和删除。

Claims (19)

1.一种通过束辅助增材制造工艺制造用于部件（10）的难焊接材料的方法，包括：
将用于所述材料的第一层（L1）沉积到基底（1）上，所述第一层包括较大比例的用于所述部件（10）的基材（BM）和较小比例的焊料（S）；
沉积用于所述部件（10）的所述基材（BM）的第二层（L2）；以及
热处理所述第一层和第二层（L1、L2），包括：
在高于1200 ℃的第一温度下持续时间超过2小时的第一热循环，
在高于1000 ℃的第二温度下进行超过2小时的第二热循环，以及
在高于700 ℃的第三温度下进行超过12小时的第三热循环。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一层（L1）和/或所述第二层（L2）经由激光金属沉积来沉积。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一层（L1）和/或所述第二层（L2）经由激光粉末金属沉积来沉积。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基材（BM）是镍基超级合金的粉末，选自由Inconel738、Rene80和Alloy247组成的组。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊料（S）包括选自由AmdryBRB、Amdry DF-4B和Ni1248组成的组的材料中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊料（S）或钎焊工艺没有熔点降低剂。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述降低剂是硼。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一层（L1）的层厚度在200和400 μm之间选择。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一层（L1）的层厚度为300 μm ±20 μm。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二层（L2）由所述基材（BM）的三个子层（SL1-SL3）组成和/或经由所述三个子层沉积，所述子层中的每一个包括200和400 μm之间的层厚度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第二层（L2）由所述基材（BM）的三个子层（SL1-SL3）组成和/或经由所述三个子层沉积，所述子层中的每一个包括300 μm ±20 μm的层厚度。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一层（L1）和/或所述第二层（L2）以高于6cm3 /h的速率沉积。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一层直接沉积到所述基底（1）上，以便防止在热处理期间在所述基材（BM）中的开裂。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法是能生产的或自下而上的制造工艺。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述难焊接材料是金属合金。
16.一种根据权利要求1的方法制造的部件（10），包括：
一种应用于燃气轮机的热气路径中的部件，包括多个堆叠的层（L1、L2）。
17.根据权利要求16所述的部件（10），包括没有开裂中心的微观结构。
18.根据权利要求16所述的部件，其中，所述部件包括小于300 μm的孔直径。
19.一种用于通过激光金属沉积制造部件的结构的设备（100），包括：
设备，所述设备配置成经由粉末喂给中的开关选择性地提供多种不同的粉末状物质，
其中，所述物质包括镍基超级合金（BM）和焊料材料（S）。
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