流態(tài)化床的表面下方激光加工的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般設(shè)及鑄造、形成或修復(fù)金屬部件和來(lái)自粉末狀金屬床的零件的領(lǐng)域。 更具體地，本發(fā)明設(shè)及使用粉末狀材料的流態(tài)化床來(lái)鑄造或修理零件，其中該粉末狀材料 由高溫合金金屬和其他材料組成。
【背景技術(shù)】
[0002] 取決于被焊接材料的類(lèi)型，焊接工藝差別很大。一些材料在各種條件下更容易焊 接，而其他材料需要特殊處理，W實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)良好的接合，而不使周?chē)r底材料退化。
[0003] 普通電弧焊通常利用消耗電極作為進(jìn)給材料。為了給烙池內(nèi)的烙化材料提供大氣 保護(hù)，當(dāng)焊接許多合金(包括例如鋼、不誘鋼W及儀基合金)時(shí)，惰性覆蓋氣體或焊劑材料可 W被使用。惰性及惰性和活性組合氣體處理包括氣體鶴電弧焊(GTAW)(也稱(chēng)為鶴惰性氣體 (TIG))和氣體金屬電弧焊(GMAWK也稱(chēng)為金屬惰性氣體(MIG)和金屬活性氣體(MAG))。焊劑 的保護(hù)處理包括:其中焊劑常規(guī)進(jìn)給的埋弧焊(SAW),其中焊劑被包括在電極忍中的焊忍電 弧焊(FCAW)，和其中焊劑被涂覆在填料電極外側(cè)上的保護(hù)金屬電弧焊(SMAW)。
[0004] 使用能源束作為熱源用于焊接也是已知的。例如，激光能量已被用于烙化預(yù)放置 不誘鋼粉末到碳鋼襯底上，碳鋼襯底具有提供烙池的屏蔽的粉末狀焊劑材料。焊劑粉末可 W與不誘鋼粉末混合，或者作為單獨(dú)的覆蓋層施加。W本發(fā)明人的知識(shí)，當(dāng)焊接高溫合金材 料時(shí)，焊劑材料沒(méi)有被使用。
[0005] 由于其對(duì)焊接凝固裂紋和應(yīng)變時(shí)效開(kāi)裂（S化ain-age cracking)的敏感性，高溫 合金材料是最難焊接的材料之一。
[0006] 術(shù)語(yǔ)"高溫合金"在本文中被使用，因?yàn)樗潜绢I(lǐng)域通常使用的；即在高溫下表現(xiàn) 出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和耐蠕變性能的高度耐腐蝕和耐氧化的合金。高溫合金通常包括高的儀 或鉆含量。高溫合金的例子包括在售商標(biāo)和品牌合金：HasteIloy、Inconel合金（例如 IN738、IN792、IN939)、Rene合金（例如ReneN5、Rene80、Renel42)、化ynes合金、MarM、CM 247、CM 24化(：、〔263、718^-750、6〔￥ 768、282心45、？胖4 1483和〔15乂（例如〔15乂-4)單晶合 金〇
[0007] -些高溫合金材料的焊接修復(fù)已成功完成，其通過(guò)預(yù)熱材料到非常高的溫度(例 如到高于1600°F或870°C)，W在修復(fù)過(guò)程中顯著增加材料的延展性。運(yùn)種技術(shù)被稱(chēng)為熱箱 焊接或在升高溫度(SWET)焊接修復(fù)的高溫合金焊接，它通常使用手動(dòng)GTAW工藝完成。然而， 熱箱焊接受到W下各項(xiàng)的限制:保持均勻的部件處理表面溫度的困難、保持完整的惰性氣 體防護(hù)的困難，W及在運(yùn)種極端的溫度下在部件附近工作的操作者上施加的身體困難。
[000引一些高溫合金材料的焊接應(yīng)用可W使用冷卻板W限制襯底材料的加熱來(lái)進(jìn)行;從 而限制襯底熱效應(yīng)和引起開(kāi)裂問(wèn)題的應(yīng)力的出現(xiàn)。然而，運(yùn)種技術(shù)對(duì)于其中零件的幾何形 狀不便于使用冷卻板的許多修復(fù)應(yīng)用是不實(shí)際的。
[0009]圖9是一個(gè)常規(guī)圖表，其示出了作為其侶含量和鐵含量的函數(shù)的各種合金的相對(duì) 焊接性。合金諸如IiKxmel?iN7i8,其具有相對(duì)較低的運(yùn)些元素的濃度，并因此具有相對(duì)較 低的丫 '含量，被認(rèn)為是相對(duì)可焊接的，雖然運(yùn)種焊接通常被限制到部件的低應(yīng)力區(qū)域。諸 如IneonefiN939的合金具有相對(duì)較高的運(yùn)些元素的濃度，通常不被認(rèn)為是可焊接的，或 只能使用上面討論的特殊步驟被焊接，運(yùn)增加了材料的溫度/延展性并使工藝的熱輸入最 小化。虛線80表示可焊性區(qū)域的可識(shí)別的上邊界。線80在垂直軸上與3%重量的侶相交，在 橫軸上與6%重量的鐵相交?？珊感詤^(qū)域W外的合金被認(rèn)為是使用已知工藝非常困難或不 可能進(jìn)行焊接的，并且具有最高侶含量的合金一般被發(fā)現(xiàn)是最難W焊接的，如由箭頭所表 示的。
[0010]還已知的是，利用選擇性激光烙化(SLM)或選擇性激光燒結(jié)(化S)來(lái)烙化薄層的高 溫合金粉末狀顆粒到高溫合金襯底上。在激光加熱期間，通過(guò)施加惰性氣體(諸如氣氣)將 烙池從大氣屏蔽。運(yùn)些工藝往往捕獲氧化物(例如侶和銘的氧化物），該氧化物附著在沉積 材料層內(nèi)的顆粒表面上，造成孔隙、夾雜物，和與被捕獲氧化物相關(guān)的其他缺陷。后處理熱 等靜壓化IP)經(jīng)常被用來(lái)去除運(yùn)些空隙、夾雜物和裂縫，W改善沉積涂層的性能。運(yùn)些工藝 的應(yīng)用也僅限于由于預(yù)放置粉末的要求的水平表面。
[0011] 激光微包覆是3D過(guò)程，其通過(guò)使用激光束來(lái)烙化朝向表面引導(dǎo)的粉末的流而將小 的、薄的材料層沉積在表面上。該粉末通過(guò)氣體噴射朝向表面推進(jìn)，而當(dāng)粉末狀是鋼或合金 材料時(shí)，氣體是將烙化合金于大氣中的氧氣屏蔽的氣氣或其它惰性氣體。激光微包覆由其 低沉積速率限制，諸如在1至6cm3/hr的量級(jí)。此外，因?yàn)楸Ｗo(hù)性氣氣屏蔽趨于在包覆材料被 完全冷卻之前消散，淺表氧化和氮化可能會(huì)發(fā)生在沉積的表面上，當(dāng)需要多層的包覆材料 W實(shí)現(xiàn)所期望的包覆厚度時(shí)，運(yùn)是有問(wèn)題的。
[0012] 對(duì)于一些高溫合金材料，在非焊接性區(qū)域，沒(méi)有已知的商業(yè)上可接受的焊接或修 復(fù)工藝。此外，由于新的和更高合金含量的高溫合金持續(xù)被開(kāi)發(fā)，研發(fā)用于高溫合金材料的 商業(yè)上可行的接合工藝所面臨的挑戰(zhàn)繼續(xù)增長(zhǎng)。
[0013] 對(duì)于原始設(shè)備制造商(OEM),選擇性激光燒結(jié)和粉末狀金屬合金的靜態(tài)床的選擇 性激光烙化已被建議作為替代的制造工藝;然而，使用運(yùn)些工藝生產(chǎn)的部件具有有限的生 產(chǎn)率和質(zhì)量。此外，處理時(shí)間仍然是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)榱慵怯煞浅＿f增沉積層通過(guò)垂直向下 轉(zhuǎn)移零件W引入用于烙化的粉末的新層而形成的。此外，遞增處理層或平面之間的界面經(jīng) 受缺陷和可疑物理性能。
[0014] 由粉末狀金屬的流態(tài)化床鑄造零件在美國(guó)專(zhuān)利4818562('562專(zhuān)利）中被公開(kāi)，其 內(nèi)容通過(guò)引用完全并入本文。該' 562專(zhuān)利大致公開(kāi)了引入氣體進(jìn)入粉末狀金屬床，并且使 用激光選擇性地加熱粉末狀金屬區(qū)域。特別地，'562專(zhuān)利公開(kāi)了惰性氣體(諸如氣、氮和氛） 的引入。惰性氣體被提供W移位可與熱或烙化金屬反應(yīng)W形成金屬氧化物的任何大氣氣 體，所述金屬氧化物可危及部件的完整性。該'562專(zhuān)利還公開(kāi)了用于使粉末流態(tài)化的氣體 可W是反應(yīng)性氣體，諸如甲燒或氮;然而，在沒(méi)有引入惰性或其他屏蔽機(jī)構(gòu)的情況下，烙化 金屬的組分將與可獲得的元素發(fā)生反應(yīng)的危險(xiǎn)依然存在。此外，在'562專(zhuān)利中所公開(kāi)的系 統(tǒng)和工藝被限制為處理床的表面，其中零件或部件被浸沒(méi)在床中。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 本發(fā)明在W下描述中參照附圖被進(jìn)行說(shuō)明，所述附圖示出：
[0016] 圖1是使用包括粉末狀金屬和粉末狀焊劑材料的粉末狀材料的流態(tài)化床來(lái)修復(fù)或 制造部件的系統(tǒng)和方法的示意圖。
[0017]圖視具有可透膜的能量束出射口的局部截面圖。
[0018] 圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中能量束源被布置在處理室的外側(cè)，使得激光束穿 過(guò)該腔室的透光面板被傳送。
[0019] 圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其包括位于流態(tài)化床上方的能量束源結(jié)合表面下方 能量束源。
[0020] 圖5是工藝的示意圖，其示出了形成在沉積金屬襯底上方的烙渣層。
[0021 ]圖6是帶有附著的烙渣工具的激光管的頂視圖。
[0022] 圖7是圖6的激光管和烙渣工具的正視圖。
[0023] 圖8圖示了能量束重疊圖案。
[0024] 圖9是現(xiàn)有技術(shù)的圖表，其圖示了各種高溫合金的相對(duì)焊接性。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 本發(fā)明人已開(kāi)發(fā)了一種材料接合工藝，其可成功地用于包覆、接合和修復(fù)最難W 焊接的高溫合金材料，W及制造或鑄造原設(shè)備或部件。雖然W前在焊接高溫合金材料時(shí)或 在零件或部件的初始制造中，焊劑材料未被使用，但是本發(fā)明的系統(tǒng)和工藝的實(shí)施例在激 光微包覆工藝和/或激光增材制造工藝中，有利地應(yīng)用粉末狀焊劑材料。粉末狀焊劑材料有 效地提供光束能量捕獲、雜質(zhì)清洗、大氣屏蔽、起泡整形和冷卻溫度控制，W實(shí)現(xiàn)高溫合金 材料的無(wú)裂縫接合，而無(wú)需高溫?zé)嵯浜附踊蚶鋮s板的使用或惰性保護(hù)氣體的使用。雖然本 發(fā)明的各種元件在焊接行業(yè)已被知悉幾十年，本發(fā)明人已