通過光透射的熔渣的材料加工的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請要求于2013年1月31日遞交的美國臨時(shí)專利申請?zhí)?1/758, 795的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明通常涉及材料技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及使用能量束熔化供給材料的添加方 法，并且在一個(gè)實(shí)施例中涉及用于使用激光熱源沉積金屬的方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 電渣焊（ESW)是一種傳統(tǒng)的方法。ESW通過連續(xù)使電流通過一個(gè)或多個(gè)供給金屬 絲、經(jīng)由熔化的和導(dǎo)電的熔渣到基底表面以生成熔化的合金池。在該過程中沒有電弧，但在 熔渣和金屬中的電阻生成熱量并且連續(xù)地熔化供給金屬，由此加入熔化的金屬池。隨著熔 池的深度增大，在該池的底部的金屬被冷卻并且在豎直方向上固化，由此向基底加入新鑄 造的材料。這種類型的方法通常被用來接合非常厚的板，諸如用于橋梁或儲油罐。在那些 應(yīng)用中，正在被接合的板的邊緣含有熔池的兩個(gè)側(cè)面并且水冷銅滑塊被用來含有其它兩個(gè) 側(cè)面。
[0004] 電渣焊的缺點(diǎn)是通常由初始硬件設(shè)置所固定的填充金屬和電能的遞送缺乏靈活 性。這使得一旦它正在進(jìn)行則難以優(yōu)化熱分布、改變填充金屬、或以其它方式修改該方法。 其結(jié)果是，ESW不是普遍被用來修復(fù)現(xiàn)有部件的方法。
【附圖說明】
[0005] 本發(fā)明根據(jù)附圖在以下描述中進(jìn)行解釋，該幅圖示出了：
[0006] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面操作的裝置的示意性前剖面圖。
[0007] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例操作的裝置的示意性前剖面圖。
[0008] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例操作的裝置的示意性前剖面圖。
[0009] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的方面的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的剖面圖。
[0010] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的方面的材料沉積過程的示意性前剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面操作的裝置20。該裝置包括模具22,它例如可 以是具有或不具有冷卻和/或加熱的水冷銅?；蚰腿劢饘倩蛱沾赡＞摺：辖鸹?4被沉 積及累積在模具22上。隨著金屬合金熔池28在熔化的熔渣層30下方固化，合金基底24 可以單軸地26生長。合金粉末32可以通過供給設(shè)備34被沉積到熔渣層30上或噴到熔渣 層30中。合金粉末32可通過熔化的熔渣層30的表面張力被噴灑，或者合金粉末32可以 在熔化之前或熔化期間由于其重量而浸沒。激光束36沿著一個(gè)或多個(gè)路徑38被引導(dǎo)，如 后所述，其可以被掃描并光柵化以便于形成期望的熔融區(qū)域。
[0012] 本發(fā)明施加諸如激光能量36之類的能量束到粉末32以添加至熔池28,用于修復(fù)、 焊接或制作。覆蓋熔池28的熔渣層30對激光能量至少是部分透射的。正如傳統(tǒng)的ESW過 程，熔渣層30隔離熔融金屬28并屏蔽該熔融材料與空氣的反應(yīng)。熔渣材料可以被選擇用 于與空氣進(jìn)行低反應(yīng)。以合金粉末32形式的填充金屬（用于熔池的給料）被供給到池中， 由激光能量熔化并且被允許固化以添加至合金基底24。熔渣可以是對激光能量部分地光 學(xué)吸收的或半透明的以從激光36吸收足夠的能量從而保持熔融。熔渣層30提供針對熔池 28的熱絕緣并且可以保持被熔化的金屬28充分加熱，而不需要像在一些實(shí)施例中是對激 光能量部分吸收的。
[0013] 圖2示出了在其中給料以絲或帶的形式提供的實(shí)施例40,該給料諸如為具有可含 有期望的合金24的成分的粉末狀合金芯44的中空供給絲42。一些超合金難以制作成絲但 作為粉末可用。中空絲42可以從期望的合金的可擠出的子集來制作，其中粉末的芯44含 有剩余的成分。例如，NiCoCrAIY超合金可能難以提取或擠出成絲。然而，鎳絲可以利用含 有Co、Cr、A1和Y的粉末的中空芯制成。這些粉末可以由以合金的形式和/或作為元素或 化合物形式的顆粒形成。焊劑材料和/或其它熔渣增強(qiáng)成分也可以被包含在芯中。在熔池 中的成分的混合可以通過熔融物的電磁攪拌和/或通過供給絲的攪拌運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)或其它 方式加以改進(jìn)。這樣的混合改進(jìn)了合金24中的成分比例的均勻性，并加速熔渣和釋放的氣 體從熔池30的分離。
[0014] 在另一實(shí)施例中，供給絲和粉末狀金屬的組合可以作為供給材料被使用。粉末狀 給料的組成可以在加工期間通過調(diào)節(jié)到粉末供給件34的供應(yīng)或者通過調(diào)節(jié)多個(gè)粉末供給 件而被改變，以便于形成具有梯度組成的成品金屬修復(fù)層或制作。
[0015] 柔性激光光學(xué)器件沿著期望的加熱路徑38移動(dòng)激光束36,并且在其沿著路徑行 進(jìn)時(shí)可以使激光束橫向于該路徑進(jìn)行掃描，或者可以使激光束遵循預(yù)定義的矢量進(jìn)行掃 描，并可以光柵掃描激光束（在通過連續(xù)的并行掃描正在被繪制的形狀的邊緣處開啟/關(guān) 閉）。激光掃描是激光束的例如使用移動(dòng)反射鏡或棱鏡或其它器件的受控偏轉(zhuǎn)。這提供了 自定義可編程的、無限形狀的光能量束，促進(jìn)了針對每個(gè)應(yīng)用的每個(gè)部分的最佳能量整形。 在加工過程中其允許改變光束曝光區(qū)域的形狀而不停止，其適應(yīng)正在被修復(fù)的表面或者正 在被焊接的接合的變化。電渣焊不能利用相同的靈活性和控制能力做到這一點(diǎn)，因?yàn)樵贓SW 中所生成的熱能的形狀主要是由在加工期間更難且更慢連續(xù)地控制的（多個(gè)）供給絲的形 狀和布置或者通過改變難以控制的熔融物和熔渣中的電阻的分布而確定的。
[0016] 熔渣層30通過最初沉積粉末狀焊劑材料的層并且然后加熱及熔化該焊劑材料以 形成熔化的熔渣層30而被形成。用于本發(fā)明的實(shí)施例的加工金屬合金的熔渣/焊劑材料 可以包括以下特性：
[0017] 1、在低于該金屬合金的熔點(diǎn)（例如小于1260°c )的溫度被熔化。這在來自下面的 熔化的金屬的熱量基本上保持熔渣的覆蓋層處于熔融狀態(tài)的情況下是有用的。
[0018] 2、可替代地，在金屬合金的熔點(diǎn)處或適度高于該熔點(diǎn)的溫度被融化。這在除了能 量從熔化的金屬被吸收以外來自激光的附加能量也被熔渣吸收以將它維持在升高的溫度 的情況下是有用的。
[0019] 3、對激光波長完全透射或者至少部分光學(xué)透射以不吸收激光能量或者足夠的激 光能量從而保持恪融。
[0020] 4、將熔化的金屬從與空氣的反應(yīng)中屏蔽。
[0021] 5、是不與空氣反應(yīng)的，除非惰性氣體的表面屏蔽提供了這樣的保護(hù)。
[0022] 滿足這些要求的材料包含用來制造纖維、透鏡、和用于金屬加工激光的窗，以及磷 酸鹽、硅酸鹽和ZBLAN玻璃的至少一些材料。示例列于下面的表1中：
[0025] 表 1
[0026] 在該表中的透射的波長是針對固體材料的。用于流體材料的等效數(shù)據(jù)不可用一一 可能是因?yàn)闆]有人考慮在液體狀態(tài)下使用這種材料。一些材料具有在液態(tài)下改進(jìn)的透光 率。例如，氦氖激光束具有通過固體冰相對較弱的透射率；然而，它具有通過液體水的高透 射率。由William J. O'Sullivan發(fā)表（NASA Langley)的另一個(gè)示例是在玻璃板之間包括 一層石蠟的可變透明壁。當(dāng)暴露到強(qiáng)光時(shí)，本不透明的或半透明的石蠟熔化并變得透光，從 而允許該壁自調(diào)節(jié)其溫度。以上引用的ZBLAN玻璃的族具有優(yōu)于硅石的透射率并且具有用 于激光光纖應(yīng)用的潛力，但僅當(dāng)該材料可在沒有微晶的情況下被制造時(shí)。這樣的制造可能 僅在零重力下是可能的。然而，在考慮用于本發(fā)明的液體狀態(tài)時(shí)，材料將不具有微晶并預(yù)期 有優(yōu)越的透射率。此外，使用ZBLAN玻璃通常被其脆弱性限制，當(dāng)如本文公開的以粉末和液 體形式使用時(shí)這不是一個(gè)問題。
[0027] 對于本申請可使用的超合金包括但不限于：CM247、Rene 80、Rene 142、Rene N5， Inconel 7183750、738、792 和 939、？歡 1483 和 1484、〇2634〇丫768、〇15父-4和父45。根據(jù) 本發(fā)明，甚至傳統(tǒng)上被認(rèn)為是不可焊接的超合金（即，多于3wt%的鋁和/或多于6wt%的 鈦）也可被成功沉積。諸如熱等靜壓（HIP)之類的焊前和焊后熱處理和加工可以被添加。
[0028] 本文公開的過程可以用來以高沉積率修復(fù)傳統(tǒng)鍛造的、定向固化的和單晶的超合 金而沒有缺陷，使得該修復(fù)具有原始鍛造結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。諸如MAR-M-247之類的高體積百分 比 γ'（gamma prime)強(qiáng)化的鎳基超合金（以 wt% :Ni 60%、C〇 10%、W 10%、Cr 8.3%、 A1 5. 5%、Ta 3%、Hf 1. 5%、Ti l%、Mo 0· 7%、C 0· l%、Zr 0· 1% )可在待被修復(fù)的類似 的材料表面上被鍛造。本發(fā)明提供了高金屬沉積率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了在形狀、微結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上復(fù) 制原始制造的單軸鍛造堆積。應(yīng)用包括但不限于燃?xì)鉁u輪葉片和輪葉的修復(fù)。其也可以被 應(yīng)用到除了超合金以及除了金屬以外的其它材料。
[0029] 對于涉及修復(fù)現(xiàn)有部件的本發(fā)明的應(yīng)用中，圖中的模具22的容納功能可以由現(xiàn) 有部件的一部分來實(shí)現(xiàn)。例如，如果燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片平臺通過磨削平臺的開裂部分然 后利用以上所述的過程沉積新的材料而被修復(fù)，熔池28和熔化的熔渣30可以至少部分地 由現(xiàn)有平臺的未挖掘的部分包含。如果平臺具有靠近其邊緣的缺陷，例如，平臺的該邊緣將 被移除，并且未挖掘材料的剩余壁將部分地包含熔池和爐渣，而附加的銅、石墨或陶瓷滑塊 將被定位在該平臺邊緣處以在該平臺新重整的邊緣處含有熔池和熔渣。
[0030] 圖3圖示了對于具有復(fù)雜幾何形狀的部件的制作有用的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)