[發明專利]通過增材激光制造來制造金屬部件的方法

有效

• 申請號: 201310621038.6
• 申請日: 2013-11-29
• 公開（公告）號: CN103846437B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: T.埃特;M.康特;M.霍伊貝;J.舒爾布
• 申請（專利權）人: 通用電器技術有限公司
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B22F7/06
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 周李軍,林森

技術領域

本發明涉及耐高溫部件的技術，尤其是用于燃氣渦輪的熱氣路徑部件。本發明涉及通過增材制造(additive manufacturing)技術制造金屬部件/三維制品的方法，例如選擇性激光熔融(SLM)、選擇性激光燒結(SLS)或電子束熔融(EBM)。

背景技術

增材制造已成為制造金屬功能原型和部件的越來越有吸引力的解決方案。已知SLM、SLS和EBM方法用粉末材料作為基礎材料。部件或制品直接從粉末床產生。其它增材制造方法，例如激光金屬成形(LMF)、激光工程化凈成形(LENS)或直接金屬沉積(DMD)使材料局部熔融到現有部分上。這種新產生的材料可沉積為線或粉末，其中粉末沉積裝置沿著預定路徑連同自動機或CNC機移動。

圖1顯示現有技術已知的基本SLM布置10，其中三維制品(部件)11通過以下制造：連續增加具有預定的層厚度d、面積和輪廓的粉末層12，然后通過來自激光裝置13并由控制單元15控制的掃描激光束14熔融所述粉末層12。

通常，一個層的掃描矢量在該層內彼此平行(見圖2a)，或者在一個層內，限定的區域(所謂箱板(chest board)圖案)具有掃描矢量之間的固定角度(參見圖3a)。在后繼的層之間(這是指在層n和層n+1之間，在層n+1和層n+2之間，等等)，掃描矢量旋轉例如90°的角度(參見圖2b，3b)或不同于90°或n*90°的角度(參見圖4a，4b)。對于由SLM制造的制品，目前為止這樣做(對于后繼的層或對于制品一個層內的圖案的特定區域，例如箱板，使用交替的掃描器路徑)是為了得到良好品質(最佳的部件/制品密度和幾何精度)。

目前本領域已知的典型SLM軌道布置（track alignment）顯示于圖5中。

由于熔融池中的典型溫度曲線和熔融池鄰近所得的熱梯度，垂直于粉末平面(x-y平面)的較快和優選的晶粒生長是有利的。這得到在z方向(=第一晶粒取向方向，晶體學[001]方向)上顯示伸長晶粒的特征微結構。此方向垂直于x-y平面。因此，以z方向延伸的第一樣品(見圖1)顯示不同于在x-y平面(=第二晶粒取向，第二晶體學方向)內延伸的第二樣品的性質，例如，沿z方向的楊氏模量一般不同于在粉末平面(x-y平面)內的楊氏模量。

因此，基于粉末的技術或其它增材制造技術的一個特征特點是材料性質(例如，楊氏模量、屈服強度、拉伸強度、低循環疲勞性能、蠕變)的強烈各向異性，這歸因于已知的在SLM粉末床處理期間的逐層建造（layer-wise build-up）方法和局部固化條件。

材料性質的這種各向異性可能在若干應用中為缺點。因此，申請人已提交兩個目前為止未公布的專利申請，其披露了通過增材激光制造技術制造的部件的各向異性材料性質可通過適當的“構建后”熱處理來減小，得到更各向同性的材料性質。

在最近三十年間，已開發定向固化(DS)和單晶(SX)的渦輪部件，所述部件通過熔模鑄造來制造，其中在第一和第二晶粒取向(垂直于第一生長方向)上例如楊氏模量的低值與熱機械負荷條件匹配(align)。在此，這種匹配通過施用晶種和晶粒選擇劑（grain selector）而提供，結果是部件性能和壽命的顯著提高。

然而，對于通過SLM生產的零件/部件，迄今未知控制第一和第二晶體學取向的那些技術。

用發生性激光方法(稱為外延激光金屬成形(E-LMF)的技術)控制在單晶(SX)基體上形成的沉積物的微結構也已經變得可能。這些方法可生產具有優選晶粒取向(DS)或無晶粒邊界(SX)的部件。

隨著將來的熱氣路徑部件提高的設計復雜性，當薄壁或雙壁部件的鑄造產量預期下降時，通過鑄造而經濟地制造這些SX或DS零件/部件將變得越來越成問題。另外，外延激光金屬成形僅可適用于其中基礎材料已具有單晶取向的部件。

由于其直接從粉末床產生很復雜的設計的能力，SLM技術能夠制造高性能和復雜成形的部件。因此，如上所述對鑄造SX或DS部件的微結構的類似控制高度有益于用SLM技術或其它增材制造激光技術制造的部件和原型。對楊氏模量的額外控制和匹配會進一步提高這些部件的性能和應用潛力。

發明內容

本發明的一個目的是公開一種通過增材制造方法完全或部分制造具有改進性質的金屬部件/三維制品的方法，根據部件的設計意圖，在其中可按照有利的方式使用各向異性性質，或者在其中可減小或避免各向異性。本發明的又一個目的是公開一種適合的方法，其實現使所述制品的各向異性性質與局部熱機械負荷條件匹配。

通過以下方法達到這個和其它目的：