CN114126786A - 用于金属零件的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过在形成基板(3)的零件上沉积材料进行增材制造的方法，所述形成基板的零件由金属合金制成，并且所述方法包括：在预定义的要沉积的表面上进行对应于小于400J/mm2的表面能的低能沉积以形成底座层(1；1a)的步骤；以及通过在已经形成的所述底座层上沉积金属丝进行对应于大于500J/mm2的表面能的高能沉积的步骤。

Description

用于金属零件的增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于金属零件的增材制造的方法。本发明具体涉及薄金属合金零件，并且尤其涉及可以作为飞行器的涡轮机一部分的零件。
背景技术
在本文中，“增材制造方法”是指零件的初始制造和已经制造的零件的修复(通过任何技术)两者以及通过“增材制造”(即，通过材料输入)对区域进行再次充填，所述材料输入可以是如下的LMD方法。
例如，增材制造方法是已知的，其涉及利用局部化能量输入将材料沉积在形成基板的零件上，所述局部化能量输入允许材料局部达到熔融温度。
如果使用激光提供能量，这些方法被称为激光金属沉积，缩略为“LMD”。
当想要通过这种增材制造方法形成显著高度的凸台时，增材制造方法之一在于通过金属丝(被称为LMD金属丝的技术)添加材料。以这种方式，可以通过熔融用作填充金属的金属丝来形成若干股材料，优选地彼此相邻。热源例如是激光束。通过堆叠若干层熔融金属丝，可以形成相对于基板若干毫米高的凸台。
然而，对于形成基板的薄金属合金零件，通常零件厚度小于2mm，使用金属丝沉积的LMD技术需要显著的能量输入，并且这种能量输入倾向于影响形成基板的零件并使所述零件变形，沉积在所述基板上进行。
例如，如果采用如壳体护罩等结构零件，这通常是在大的表面积上延伸的零件，其局部厚度小于2mm，并且这种零件必须带有多个局部形式，以将辅助设备附接到其上。
此外，制造时间存在约束，这鼓励使用快速方法来获得期望的零件。
因此，需要提供一种解决方案，通过增材制造方法在厚度小于2mm的零件上快速创建凸台，而基本上不会使所述零件变形。
在对现有零件进行再次充填的配置中，可能期望通过添加材料引起的变形不超过预定值，例如0.5mm或1mm，否则在一些情况下可能会出现零件的屈曲或对微观结构的负面影响，但是这必须相对于非常低的沉积速率进行评估，这意味着过长的制造时间和成本。
发明内容
正是在此上下文中，提出了一种通过在形成基板的零件上沉积材料进行增材制造的方法，所述形成基板的零件由金属合金制成，所述方法包括：
/a/-至少一个在预定义的要沉积的表面上进行对应于小于400J/mm2的表面能的低能沉积以形成底座层的步骤；
/b/-至少一个通过在已经形成的所述底座层上沉积金属丝(理解为至少一根金属丝)进行对应于大于500J/mm2的表面能的高能沉积的步骤。
由于这些布置，热影响区域相对有限，因为底座层是通过低能沉积步骤制成的，并且关于高能沉积步骤，底座层自然地提供了屏蔽效果，所述屏蔽效果减轻了高能沉积对形成基板的零件的热影响。也就是说，高能沉积步骤用于在尽可能短的方法时间内产生期望的形式，因为不需要在零件上进一步机加工或成形。
为了获得期望的表面能，确定以下3个参数：束功率、影响区域的表面和进料速率。
在本发明的各个实施例中，可以任选地另外单独或组合使用以下规定中的一个或两个。
一方面，所述形成基板的零件在沉积的目标位置处的厚度(e3)小于2mm。在这种情况下，目标将优选地是通过所提出的方法引起的小于0.3mm、优选地小于0.2mm的变形。因此，所提出的方法使得可以加工薄零件，如某些壳体或护罩，可以在飞行器中并且具体地是涡轮机中找到的各个装饰零件。在这种情况下，对于初始制造，可以简化铸造步骤，并且然后可以使用所提出的方法添加任何期望的形式。
根据另一方面，还制定了最大变形应力，所述形成基板(3)的零件必须经受小于1mm的变形。有利地，无论形成基板的零件的厚度如何，都可以应用所述方法，形成限制应力的参数是零件在再次充填方法期间经受的变形，或者如果零件非常薄，则甚至是在其初始制造期间经受的变形。
另一方面，低能沉积步骤以介于50J/mm2与200J/mm2之间的表面能进行，由此有利地观察到对基板的低热影响。一方面，一个遍次允许材料沉积到约0.5mm的高度。
另一方面，高能沉积步骤以介于800J/mm2与1200J/mm2之间的表面能进行。一方面，一个遍次允许材料沉积到介于1mm与1.5mm之间的高度。这允许快速执行金属丝遍次。
另一方面，在低能沉积步骤(/a/)期间，呈粉末形式的金属被供应并通过能量源喷涂到基板上。这赋予了本方法灵活性和可控性。除了用粉末代替金属丝之外，这种技术可以用与上文呈现的LMD金属丝技术相同的方式进行总结。
另一方面，能量源是激光。第一激光源可以用于低能沉积步骤，其中功率为约500W(10％以内)；所谓的粉末LMD技术。第二激光源可以用于高能沉积步骤，其中功率为约1000W(10％以内)；所谓的金属丝LMD技术。
然而，应当注意，对于高能沉积步骤，可以使用除激光之外的源。因此，可以使用例如以下众所周知的方法来代替金属丝LMD沉积技术：
-在存在填充金属的情况下(如果必要的话)，使用非熔融电极的TIG方法(电弧焊方法)。TIG是钨惰性气体的首字母缩略语，其中钨是电极，并且惰性气体是所使用的等离子气体类型，
-或CMT(冷金属过渡)法，与更常规的MIG/MAG焊接相比，这种焊接方法通过从热到冷的永久转变而相对较冷。
然而，激光的优势在于，它可以完美地控制能量束的影响区域并且维持所递送的能量。
另一方面，所述形成基板的零件由基于填充有镍或钛的钢的金属合金形成。这些是用于飞行器涡轮机零件的高性能材料。
另一方面，形成基板的零件由INCONEL 718形成。
另一方面，形成基板的零件由TA6V钛形成。
另一方面，可以规定步骤/a/与步骤/b/之间的等待时间。然后，在材料沉积在其顶部之前，可以允许所沉积的材料的温度下降，因此限制对底层基板零件的热影响。
另一方面，可以规定若干个连续的低能沉积步骤。任选地，可以规定不同低能沉积遍次之间的等待时间。这限制了温度上升以及具体地在沉积下方形成基板的零件中的局部峰值温度，因此限制了热影响区域的范围。
另一方面，低能层的高度具有与热影响区域的横向偏移(R1)相等的尺寸。在此，热影响区域的横向偏移被理解为是指已经接受沉积并且被其热影响的区域周围的区域。例如，对于盘状沉积，在盘状形式周围会看到花冠状区域。
根据另一方面，其中可以规定若干个连续的高能沉积步骤。因此，通过使用若干个高能沉积遍次，可以形成任何期望高度、甚至非常大的突出部。
另一方面，所供应的粉末和/或金属丝材料与基板材料相同。这导致了相干融合和最佳结晶键。
在另一方面，由底座层(其是沉积在基板上的第一层)和额外的层(随后沉积在底座层上)形成的最终形式在层沉积位置处形成高度(下文中为H5)大于基板厚度(下文中为e3)的凸台。然后，对要制作的形式的高度没有真正的限制。
根据另一方面，规定使用热废料零件，所述热废料零件邻近形成与沉积区域相对的基板的零件布置。例如，这种废料零件可以由铜制成，并且用作热桥以进行散热。
废料零件被定义为与工作零件的工作面相对放置并且对其施加力以抵靠工作零件保持的零件。优选地，所述废料零件至少局部地具有与工作零件相同的形式。所述废料零件允许通过机械支撑来减少零件的变形和在再次充填区域上添加凸台时可能存在的坍落度。另外，这种废料零件由铜制成，并且因此允许更好地排出零件中积聚的热。这限制了操作期间零件的变形。
本发明还涉及一种用于飞行器的涡轮机中间壳体护罩，考虑到其全部或部分特性，所述涡轮机中间壳体护罩包括通过上文描述的方法获得的一个或多个凸台。
附图说明
本发明的另外的方面、目的和优点将从以下对本发明的实施例的非限制性实例的描述中变得显而易见。参考附图，还将更好地理解本发明，在附图中：
[图1]展示了根据本发明的一个实施例的在金属基板零件上进行的低能沉积步骤，
[图2]展示了在低能沉积步骤之后在金属基板零件上进行的高能沉积步骤，
[图3]展示了通过所提出的方法获得的最终形式，
[图4]展示了一系列步骤的实例。
[图5]示出了涡轮机壳体护罩的一部分，
[图6]展示了用于飞行器的涡轮机中间壳体护罩的实例。
在航空领域，涡轮机是由大量技术零件构成的复杂机器。为了制造这种技术零件，通常使用如铸造、锻造、冲压、机加工、电蚀、表面处理和热处理等制造方法。此外，增材制造技术正在经受重大发展，并且这是以下介绍的主题。
在各个附图中，相同的附图标记指代相同或类似的元件。
具体实施方式
图6展示了用于飞行器的涡轮机中间壳体护罩，笼统地标记为9。期望来自壳体90的主体的突出部的多种形式，即在高度方向或厚度方向上的外部突出部，高度或厚度这两个术语是同义的；这些形式通常用附图标记5标识。
假设零件是平坦的，厚度是零件的尺寸，该尺寸比其它尺寸(长度和宽度)之一分别至少小10倍。在中间壳体护罩9的情况下，厚度或高度沿Z轴，在正交参考系X、Y、Z中，(环形)护罩的轴是(安装在涡轮机中的护罩)X轴，所述X轴是涡轮机的纵轴，或者转子零件(涡轮机/压缩机)相对于定子零件(例如，壳体)的旋转轴。
所提出的方法涉及在形成基板(附图标记为3)的零件上进行金属沉积。所述形成基板的零件在沉积的目标位置处的厚度e3小于2mm。对于介于1mm与2mm之间的任何厚度e3，所提出的本方法都可以考虑应用。
形成基板的零件由金属合金制成。零件的材料可以是N18型镍合金。零件的材料可以是AstroloyTM型合金。零件的材料可以是INCONEL 718型合金。零件的材料可以是TA6V型钛合金。
所提出的本方法提供了对形成基板的零件具有低热影响的材料进行第一沉积，并且然后进行第二、更有生产力的材料沉积，所述材料沉积允许大量材料快速沉积在第一沉积上。
更精确地，规定了第一步骤，附图标记为/a/。
/a/是低能沉积步骤。这种低能输入实际上由小于400J/mm2的表面能量化。优选地，可以在介于50J/mm2与200J/mm2之间的表面能下进行沉积。材料以粉末形式11供应。这是一种金属材料，与基板零件的金属材料类似或相同。
功率为约500W的第一激光源4可以用于低能沉积步骤。
另一方面，对于低能沉积步骤，激光功率可以介于200W与700W之间。激光的扫描速度可以介于1200毫米/秒与2000毫米/秒之间。激光照射的表面的直径可以介于100μm与1mm之间。激光功率、影响区域和扫描速度的组合允许针对如上文所提到的低表面能输入实现期望的表面能。
利用这种低能输入，可以执行一个或多个沉积遍次。有利地，每个遍次将材料沉积到0.5mm的高度(在20％以内)。
因此形成了底座层，第一遍次的附图标记为1，并且后续遍次的附图标记分别为1a、1b。这些遍次可以被视为第一步骤/a/的子步骤(图4中的附图标记为a2、a3)。
在第一步骤之后，规定了第二步骤，附图标记为/b/。
/b/是使用高能输入进行沉积的步骤。这种高能输入实际上被量化为超过500J/mm2的表面能。优选地，可以在介于800J/mm2与1200J/mm之间的表面能下进行沉积。
材料以金属丝21形式供应。所讨论的金属丝是金属材料，与基板零件的金属材料类似或相同。所讨论的金属丝可以通过挤出方法生产，并且储存在线轴或卷轴中。根据一种配置，这种金属丝的横截面是圆形的。然而，不排除不同的横截面，例如六边形、八边形、十边形等。
熔融金属丝沉积在已经形成的底座层上。功率为约1000W或更大的第二激光源4'可以用于高能沉积步骤。由激光头63，例如CO2、YAG或其它激光器发射源。
另一方面，对于高能沉积步骤，激光功率可以介于800W与1000W之间。激光的扫描速度可以介于100毫米/秒与1500毫米/秒之间。所照射的表面的直径可以介于100μm与1mm之间。激光功率、影响区域和扫描速度的组合允许获得针对如上文所提到的高表面能输入的期望的表面能。
在步骤/b/中，形成了额外的层，第一遍次的附图标记为2，并且后续遍次的附图标记为2a、2b、2c、2d。这些遍次可以被视为第二步骤/b/的子步骤(附图标记为b2、b3)。
注意，可以规定步骤/a/与步骤/b/之间的等待时间。同时等待所沉积的材料的温度下降，以便再次在顶部上沉积材料，这限制了底层基板零件中的热影响；这在深度和横向偏移两者上限制了热影响区域ZAT的范围。
以粉末和/或金属丝形式供应的材料优选地与基板材料相同。然而，所提供的材料，无论呈粉末形式还是呈金属丝形式，都可以具有与基板3的材料不同的色调。
通常，可以在申请人的文件FR3046739中找到关于如何执行/b/步骤的更多详细信息。
在图1中，示出了金属粉末沉积头61、环形粉末分配喷嘴11、环形氩气流分配喷嘴16，其中激光束4以A轴为中心。与激光束相关联的这种类型的金属粉末分配头本身是已知的，并且因此在本文件中不再进一步详细描述。
在所示实例中，沉积头向右移动，并且在激光束14的影响点处，粉末熔融并且然后固化为所沉积的材料的珠13。
在图2中，示出了金属丝沉积头62，其中激光源63发射以A轴为中心的激光束4'，当沉积头62移动时，沉积头在轴的前方延伸。
在所示实例中，沉积头向右前进，并且在激光束24的影响点处，金属丝熔融并且然后固化为所沉积的材料的珠23。所述方法可以来回移动，以彼此形成若干股熔融金属丝。
任选地，规定了使用热废料零件，附图标记为8，所述热废料零件邻近基板的内表面30布置。
例如，所述废料零件8可以由铜制成，并且用作热桥以进行散热并且避免形成基板3的零件内的温度峰值。
由于所述废料零件8的存在，热影响区域的深度(附图标记为“e”)可以被限制并且保持相对适中，尤其是当与作为第一步骤的高能沉积进行比较时。
图4展示了各个等待时间。在第一步骤/a/与第二步骤/b/之间提供了Tempo2等待时间。在第一步骤的前两个子步骤之间提供了Tempo1等待时间。在第一步骤的另外两个子步骤之间提供了Tempo11等待时间。
在图3中，可以看出低能层的高度H1具有与热影响区域(ZAT)的横向偏移R1相等的尺寸。热影响区域的横向偏移可以具有不同的形式；它围绕接收沉积物并且由此被热影响的区域延伸。例如，对于盘状沉积，在盘状形式周围可看到花冠状区域。
通常，H1和R1在2-5mm的范围内。
通常，通过所提出的方法实现的总沉积速率可以达到每小时800cm3。例如，对于低能沉积步骤，沉积速率可以为约100cm3/h；对于高能沉积步骤，沉积速率可以为约1000cm3/h。
根据表面积与高度的比率，表面积越大高度越低，与高能方法比较，低能方法将被更多地使用。
图5示出了通过上文描述的方法可以实现若干种形式的刷涂。例如具有稍宽底座的第一圆柱形凸台5、另一个纯圆柱形凸台5'以及具有圆形顶部的凸台5”。
在图中未示出的另一种配置中，形成基板的零件的厚度不受限制(e3>2mm)，但是所述方法需要最大变形应力。例如，所述形成基板3的零件必须经受小于0.5mm或小于1mm的变形。通过从一个或多个低能步骤开始，并且然后继续一个或多个高能步骤，也可以限制对零件的热影响，并且热影响区域ZAT可以保持尽可能小。
注意，作为替代移动沉积头，也可以在保持激光头静止的同时可替代地移动零件3以进行沉积。

Claims (12)

1.用于通过在形成基板(3)的零件上沉积材料进行增材制造的方法，所述形成基板的零件由金属合金制成，并且所述方法包括：
/a/-至少一个在预定义的要沉积的表面上进行对应于小于400J/mm2的表面能的低能沉积以形成底座层(1；1a)的步骤；
/b/-至少一个通过在已经形成的所述底座层上沉积金属丝进行对应于大于500J/mm2的表面能的高能沉积的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成基板(3)的零件在沉积的目标位置处的厚度(e3)小于2mm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，进一步制定最大变形应力，所述形成基板(3)的零件必须经受小于1mm的变形。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述低能沉积步骤(/a/)期间，提供呈粉末形式(11)的金属。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，能量源是激光(4；4')。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的方法，其特征在于，所述形成基板的零件由基于填充有镍或钛的钢的金属合金形成。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的方法，其特征在于，规定了步骤/a/与步骤/b/之间的等待时间(Tempo1)。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的方法，其特征在于，规定了若干个连续的低能沉积步骤。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的方法，其特征在于，规定了若干个连续的高能沉积步骤。
10.根据权利要求1到7中任一项所述的方法，其特征在于，以粉末和/或金属丝形式供应的材料与所述形成基板的零件的材料相同。
11.根据权利要求1到9中任一项所述的方法，其特征在于，由底座层(1；1a；1b)和沉积在所述底座层上的额外的层(2；2a；2b)形成的最终形式(5)在所述沉积的位置处形成高度(H5)大于所述形成基板的零件的所述厚度(e3)的凸台。
12.一种涡轮机中间壳体护罩(9)，其包括通过根据权利要求1到9中任一项所述的方法获得的一个或多个凸台。
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