CN117677456A - 用于增材制造的结构的表面成型 - Google Patents

Abstract

提出一种用于对从粉末床中增材制造的结构(10)进行表面处理的方法，其中增材构造的结构(10)承受脉冲(1)，并且其中结构(10)的表面区域中的残余拉应力通过脉冲(1)降低。还提出一种用于执行方法的设备(100)、一种对应的用于增材制造构件的方法以及一种以所述方式制造的由传统不可焊接的合金构成的构件。

Description

用于增材制造的结构的表面成型

技术领域

本发明涉及一种对增材制造的、优选地从粉末床增材制造的结构进行表面处理、尤其表面变型或表面改性的方法。此外，提出一种用于执行所述方法的设备、一种用于构件的制造方法以及一种对应制造的构件，所述方法包括用于进行表面处理的方法。

背景技术

构件优选地设为用于在燃气轮机的热气路径中使用。据此，构件可以优选地由超合金和/或(可硬化的)镍基材料或钴基材料制成。例如，构件涉及具有薄壁的或精细的设计的应冷却的部件。替选地或附加地，构件可以是用于在汽车行业或航空领域中使用的部件。

高性能机器部件是持续改进的主题，以便尤其提高其使用效率。然而，这在热力发动机、尤其燃气轮机的情况下尤其引起越来越高的使用温度。尤其在第一级中的可高负荷的构件、如涡轮机转子叶片的金属材料和部件设计在其强度、使用寿命、抗蠕变性和热机械疲劳方面不断地得到改进。

生成式或增材生产由于技术发展对于批量制造上文提及的构件、例如可热学高负荷的部件而言也越来越令人感兴趣。

增材制造方法(AM：“additive manufacturing”)，通俗地也称为3D打印，例如作为粉末床方法包括选择性激光熔化(SLM)或激光烧结(SLS)、或电子束熔化(EBM)。其他增材方法例如是“Directed Energy Deposition，定向能量沉积(DED)”方法，尤其激光堆焊、电子束或等离子粉末焊接、线焊、金属粉末注塑、所谓的“sheet lamination，薄材叠层”方法或热喷射方法(VPS LPPS，GDCS)。

用于借助脉冲式辐照进行选择性激光熔化的方法例如从EP 3 022 008B1中已知。

此外，对于复杂地或精细地设计的构件，例如迷宫状结构、冷却结构和/或轻质结构，增材生产方法被证明为是特别有利的。尤其地，增材生产由于特别短的工艺步骤链是有利的，因为构件的制造或生产步骤可以在很大程度上基于对应的CAD文件和对应的生产参数的选择进行。

借助于所描述的基于粉末床的方法(“LPBF”英文代表“Laser Powder Bed Fusion(激光粉末床熔合)”)制造燃气轮机叶片能够有利地实现实施新的几何形状、构思、解决方案和/或设计，这可以降低制造成本或者构造和产出时间，优化制造过程，并且例如改进部件的热机械设计或耐久性。

以传统的方式、例如铸造技术制造的部件例如在其造型自由度方面以及也在所需的产出时间和与产出时间关联的高的成本以及生产技术耗费方面明显不如增材生产流程。

然而，通过粉末床工艺在构件结构中固有地产生高的热应力。尤其地，过短地安排的辐照路径或矢量引起强烈的过热，所述强烈的过热又引起结构的翘曲或裂纹。构造工艺期间的强烈的翘曲还易于引起结构上的脱离、热变形或超出所允许的公差的几何偏差。

在增材构造之后对特定的合金(超合金)进行热处理时，由于一方面从AM工艺中的高热梯度得出的、另一方面通过热处理中的γ'相(γ')的沉积引起的残余应力的叠加，出现裂纹形成。所述现象称为“应变时效裂纹(Strain Age Cracking)”(SAC)并且引起特定的合金视为是不可焊接的或只能困难地焊接，从而对于焊接工艺、尤其LPBF工艺而言是大的挑战，或者甚至根本无法描述。SAC，在其他地方也称为“焊后热处理”(post-weld heattreatment，PWHT)裂纹，尤其在γ'相沉积时引起，由于γ和γ'的不同的晶格常数引起残余应力，所述残余应力引起对应的材料的裂纹倾向。

通过不同的方法来应对所述问题；然而，迄今没有在此在不强制性地降低对应的材料的材料特性——和尤其高温强度和/或持久强度——的情况下解决所述问题的令人满意的解决方案可用。

例如已经尝试：调整待焊接的材料的化学组成。为此，通常减少贡献于形成γ'相的合金元素的含量。但是，在强度或者热学和/或机械耐受性方面的材料特性也不利地与此关联。

另一方法涉及通过所谓的HIP循环(热等静压)来调整或整合热处理。借此，可以将缺乏可焊接性或易于断裂的问题保持或抑制在一定界限内。然而，在特别高强度的合金(例如CM247)的情况下，所述方法在任何情况下部分地起作用。此外，如果存在尤其表面开放性缺陷，那么甚至通过在HIP循环中加载压力，也不能闭合裂纹和防止裂纹扩展(裂纹发展)。

也可行的是，在第一次热处理之前，构件表面经受喷丸强化工艺(Kugelstrahlprozess)(参见“peening”)，以便在靠近表面的区域中减少引起裂纹和/或应力的残余拉应力并且在理想情况下甚至产生残余压应力。借此虽然可以有效地降低SAC。然而，所述措施是相当耗费的并且仅可不充分地再现。

此外，通过喷丸强化的覆盖是有限的。尤其在窄的间隙或切口中，喷射工艺的可触及性是不充分的。因为，恰好在复杂的增材制造的几何形状的所述难以触及的和/或精细的区域中，通常出现应力集中和/或切口效应，所述应力集中和/或切口效应明显加强SAC易受影响性。此外，通过喷丸强化完全不能到达位于内部的区域、例如涡轮叶片中的冷却通道，使得在此残余拉应力不能降低。

喷丸强化时的另一挑战在于避免喷丸材料进入到内部结构(例如冷却通道)中，所述喷丸材料然后在随后的热处理中烧结或甚至熔化，从而可能封闭腔室或通道。那么，所提及的封闭(在经济上)不能再被清除，这引起构件不可用于其符合规定的使用。此外，在喷丸强化工艺中存在如下危险：由于限制在局部的作用区，构件区域可能过度变形。这尤其适用于涡轮叶片的增材生产的离开棱边，但是在任何其他精细设计的构件的情况下也适用。

发明内容

因此，本发明的目的是，以其他更有效的方式来解决所提及的问题，而在此不损害构件的其他决定性的特性。

所述目的通过独立权利要求的主题来实现。有利的设计方案是从属权利要求的主题。

本发明的一个方面涉及一种用于对从粉末床中增材制造的结构进行表面处理或表面成型的方法，其中增材构造的结构经受脉冲或能量脉冲，其中结构的表面区域中的残余拉应力通过脉冲降低。

脉冲尤其可以指的是压力波或压力脉冲。

通过本文描述的方法可以有利地实现整个构件表面、优选地在所有表面区域中的均匀的加载，由此可以统一地和全面地降低SAC的风险。换言之，所描述的用于进行表面处理或表面改性的方法对于所有相关的构件区域而言是统一可用的，所述构件区域也包括切口底部和处于内部的表面，如冷却通道面。

此外，有利地不存在构件的内部腔室通过喷丸材料或(其他)烧结效应封闭或堵塞的风险。

此外，有利地固有地防止：喷丸材料残余物留在构件中并且(在物理或化学上)损害功能性。尤其地，可以有利地防止(在金属喷丸材料的情况下)形成金属间相或在玻璃状的喷丸材料的情况下形成低熔共晶相的风险。

此外，通过对构件或其表面区域的各向同性的或均匀的压力或压力脉冲，还可以有利地防止构件作为整体变形。这在精细设计时是特别重要的。

只要所有构件能够在共同的成型工具中加载脉冲，那么表面处理的工艺甚至可以扩展到同时处理多个(小型的或大型的)增材制造的构件。

在一个设计方案中，脉冲不是热脉冲或不仅仅是热脉冲。

在一个设计方案中，对构件的结构加载脉冲，使得各向同性地和/或统一地作用于表面区域或成型所述表面区域。

在一个设计方案中，通过工艺在结构的表面区域中感生压应力。通过所述设计方案，有利地，不仅构件的残余拉应力可以降低，而且通过压应力可以更有效地抵消构件结构的SAC倾向。

在一个设计方案中，通过脉冲引起表面区域的高能成型或高速成型，所述高能成型或高速成型限制在局部，使得结构整体上不产生塑性变形。通过所述设计方案，尤其地，用于表面处理的能量耗费因为限制在局部也是适度的。

在一个设计方案中，表面区域包括构件结构的内表面或者位于内部的表面和/或外表面。

在一个设计方案中，结构的表面区域具有细的或尖棱的几何形状(参见上文)。

在一个设计方案中，为了应用脉冲，使用与待处理的表面区域接触的不可压缩或几乎不可压缩的介质或作用介质。由此有利地实现表面区域的均匀的脉冲加载，并且此外，构件结构的位于内部的表面也均匀地和有效地加载。

在一个设计方案中，所提及的作用介质包括水或油或者由这些物质构成。

例如，通过应用作用介质可以同时预设用于压力波产生的介质和用于传输脉冲的机构。

在一个设计方案中，通过水力脉冲成型来应用脉冲。这例如可以通过或经由爆炸、压力波、射弹或落锤(Fallgewicht)来实现。

在一个设计方案中，通过放电、电动液压成型或水电成型来应用脉冲。

在一个设计方案中，通过电动成型或电磁成型、尤其磁压脉冲来应用脉冲。

在一个设计方案中，所应用的脉冲的脉冲强度对应于大于0.1mmA的Almen强度。

在一个设计方案中，所应用的脉冲的脉冲强度对应于大于0.14mmA的Almen强度。

通过所述设计方案可以尤其类似于在相近的喷射或喷丸强化工艺中的情况有效地或以脉动地作用于表面。

在一个设计方案中，结构由镍基合金或钴基合金制成。

本发明的另一方面涉及一种用于执行所描述的方法的设备，其中设备还包括模具和用于应用脉冲的装置和介质(如在上文中描述的)。

本发明的另一方面涉及一种用于增材制造构件的方法，所述方法包括通过粉末床方法、如选择性激光熔化或电子束熔化来增材构造构件结构。

所述方法还包括对结构加载脉冲，其中结构的尤其通过所谓的“应变时效裂纹(Strain Age Cracking)”引起的裂纹倾向降低，并且优选地包括对结构进行热处理。

本发明的另一方面涉及一种构件，所述构件根据所描述的一个或多个方法制造或可制造，其中构件由(传统)不可焊接的合金制成。

在本文中与用于进行表面处理的方法或对应的设备有关的设计方案、特征和/或优点还可以直接涉及所描述的增材制造方法以及对应制造的构件，并且反之亦然。

在此使用的表达“和/或”当其在一系列的两个或更多个元件中使用时意味着，可以单独地使用所列出的元件中的每个元件，或者可以使用所列出的元件中的两个或更多个元件的每个组合。

附图说明

下面，根据附图描述本发明的其他细节。

图1示出增材制造的构件结构的示意性剖视图，以及用于执行本文描述的方法的设备。

图2示出表明根据本发明的方法步骤的示意性流程图。

在实施例和附图中，相同的或起相同作用的元件可以分别设有相同的附图标记。所示出的元件及其彼此间的大小关系原则上不应视为是符合比例的，更确切地说，为了更好的可视性和/或为了更好的理解，个别元件可以以过厚或过大的尺寸示出。

具体实施方式

用于例如通过选择性激光烧结、选择性激光熔化或电子束熔化的基于粉末床的增材制造的制造设施在现有技术中是充分已知的。

构件结构的增材制造如其在上文中所描述的那样优选地涉及刚才提及的方法。据此，如在图1中所描述的构件结构10可以在LPBF设施(未明确在图中表示)中制造。替选地，所述设施也可以涉及用于电子束熔化的设施。

所述方法的共同之处是，对应的制造设施通常具有构造平台，在所述构造平台上，通过选择性辐照粉末床中的粉末对应地逐层地辐照构件10。粉末在此通过覆层装置逐层地分布在构造平台上。

在涂覆每个粉末层之后，由辐照装置借助能量束、例如激光或电子束根据构件10的预设的几何形状选择性地熔化并且随后固化层的区域。

在每个层之后，构造平台优选地降低对应于层厚度L的量值。厚度通常仅在20μm和40μm之间，使得整个过程可以容易地包括对数千至数万个层进行选择性辐照。

在此，由于仅非常局部地起作用的能量输入，可能出现高的温度梯度、例如10⁶K/s或更高的温度梯度。当然，在构造期间和之后，构件的应力状态也与此对应地高，这使得增材制造过程相当复杂。一方面，所述应力状态出自AM工艺中的高的热梯度。另一方面，在增材构造之后的在其中例如引起相沉淀、尤其γ'相的相沉淀的沉淀热处理时，建立通过相沉积本身引起的应力。所述现象称为“应变时效裂纹”(SAC)并且引起：特定的合金视为是几乎不可焊接的或根本不可焊接的，从而不能够以AM焊接技术加工。

本文描述的构件10尤其可以是流体机械的构件，例如用于燃气轮机的热气路径的构件。尤其地，构件可以表示转子叶片或导向叶片、环形区段、燃烧室或燃烧器部件，如燃烧器尖部、边框、屏蔽件、热屏、喷嘴、密封件、过滤器、通口或喷枪、谐振器、冲头或涡流器，或者对应的过渡部、插入件或者对应的改装件。

尤其地，构件10优选地以增材方式和由(可沉淀硬化的)超级合金和/或镍基或钴基合金、尤其优选地由传统或通常不可焊接的合金(增材)制造。

图1示意性地示出用于执行本文描述的用于表面处理的方法的设备100。对此，设备100尤其包括用于应用能量或压力脉冲或对应的压力波的装置101和介质102，以及用附图标记103表示的成形工具或成型模具。

通过设备100可以尽可能均一地、各向同性地和/或均匀地对在图1中所示出的以增材方式制造的构件结构10加载所提及的脉冲(参见图1中的用于产生脉冲101的装置与构件结构10之间的箭头)，其中可以有效地降低结构的表面区域中的残余拉应力。优选地，通过在表面区域中的所描述的处理甚至可以感生压应力，所述压应力进一步显著地降低或甚至完全防止SAC裂纹倾向。

通过所描述的方法，脉冲1还可以特别有利地仅应用于表面区域或限制在局部地应用于成型构件结构，其中例如也可以避免结构整体上的塑性变形。

脉冲的均一作用优选地可以经由介质102引起，其中介质优选地是作用介质，如水和/或油。在应用表面处理时，所提及的作用介质102符合目的地与构件结构10的表面区域或表面直接接触。为了应用或传递脉冲，作用介质102符合目的地是不可压缩的、似乎不可压缩的或几乎不可压缩的，以便至少在表面区域中也有效地引起构件结构的压缩或机械脉冲。表面区域可以是构件的所有靠近表面的区域、即内表面12以及外表面13或者构件10的特别精细的区域11或棱边区域。

在图1中还示出，构件具有腔室14，例如功能空腔或冷却通道，所述功能空腔或冷却通道的内表面12因此同样可以通过所描述的方法可靠地改性，从而有效地抵消触发SAC的残余拉应力状态。

脉冲1优选地不是或不仅仅是热性质的。纯热处理不能解决通过本发明所针对的问题；尽管对于进一步的或一般的应力消除以及对于沉淀硬化(与构件和材料相关地)可能需要热处理。

根据本发明，脉冲1或对应的压力波例如可以通过水力脉冲成型来应用。为此，装置101以及对应的作用介质102优选地专门设计用于所述类型的成型。

类似的情况适用于通过放电、电动液压或水电成型所引起的脉冲，所述脉冲同样可以涉及所述方法的一个根据本发明的设计方案。

在所描述的发明中，也可以应用电动或电磁成型(通过磁压脉冲进行的变型)。

按照根据本发明的表面处理的一个设计方案，所应用的脉冲1的脉冲强度优选地对应于大于0.1mmA或0.14mmA的Almen强度。

只要在构件结构10的基于粉末床的增材制造之后仍需要清除粉末(Entpulverung)或清除腔室14中的粉末残留物，那么所描述的表面成型优选地在所述清除粉末之后进行，但是同时在还随后的为了上述目的所进行的热处理之前进行。

图2借助示意性的流程图还表明根据本发明的用于由高性能合金制造或制成构件的方法过程。所描述的方法包括(a)通过粉末床方法、如选择性激光熔化或电子束熔化来增材构造构件结构1。

如在上文中所表明的，方法步骤aa)描述一个可选的清除粉末的方法步骤，根据构件的几何形状，所述方法步骤能够是可有可无的。

所述方法还包括，在(b)中，如在上文中描述的那样，对结构10加载脉冲1，其中结构的尤其通过所谓的“应变时效裂纹”引起的裂纹倾向降低，并且在(c)中，对结构进行热处理，所述热处理对于上述目的可以是需要的。

Claims (15)

1.一种用于对从粉末床中增材制造的结构(10)进行表面处理的方法，其中增材构造的所述结构(10)经受脉冲(1)，其中所述结构(10)的表面区域(10)中的残余拉应力通过所述脉冲(1)降低，其中所述表面区域包括所述结构(10)的内表面(12)和/或外表面(13)，并且其中所述结构的表面区域具有细的或尖棱的几何形状(11)。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中所述脉冲(1)不是热性质的或不仅仅是热性质的。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其中对所述结构(10)加载所述脉冲，使得各向同性地和/或统一地作用于所述表面区域(11，12，13)。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中——通过所述工艺——在所述结构(10)的所述表面区域中感生压应力。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中通过所述脉冲引起所述表面区域的高能成型，所述高能成型限制在局部，使得所述结构(10)整体上不产生塑性变形。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中——为了应用所述脉冲(1)——使用(101)与所述表面区域接触的不可压缩的或几乎不可压缩的作用介质。

7.根据权利要求6所述的方法，

其中所述作用介质包括水或油或者由所述物质中的一种物质构成。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中通过水力脉冲成型来应用所述脉冲(1)。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中通过放电、电动液压成型或水电成型来应用所述脉冲(1)。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中通过电动成型或电磁成型来应用所述脉冲(1)。

11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述脉冲(1)的脉冲强度对应于大于0.14mmA的Almen强度。

12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述结构(1)由镍基或钴基合金制成。

13.一种用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法的设备(100)，所述设备包括成形工具(103)和用于应用所述脉冲(1)的装置(101)和介质(102)。

14.一种用于增材制造构件的方法，所述方法包括：

-(a)通过粉末床方法、如选择性激光熔化或电子束熔化来增材构造构件结构(1)，

-(b)根据上述权利要求中任一项的方式，对所述结构(10)加载脉冲(1)，其中所述结构的尤其通过所谓的“应变时效裂纹”引起的裂纹倾向降低，以及

-(c)对所述结构进行热处理。

15.一种构件(10)，所述构件按照根据权利要求14所述的方法制造，其中所述构件(10)由传统不可焊接的合金制成。