通過增材激光制造來制造金屬部件的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及完全或部分制造三維金屬制品/部件(11)的方法，所述方法包括以下步驟：a)通過用能量束(14)掃描，由增材制造方法從金屬基礎材料(12)連續(xù)建造所述制品/部件(11)，從而b)在制品/部件(11)的第一方向和第二方向上建立受控的晶粒取向，c)其中第二晶粒取向通過應用能量束(14)的特定掃描圖案而實現，所述第二晶粒取向與所述制品/部件(14)的橫截剖面匹配或者與制品/部件(11)的特征負荷條件匹配。
【專利說明】通過增材激光制造來制造金屬部件的方法
[0001]發(fā)明背景
本發(fā)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(fā)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)。
現有技術
[0002]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。
[0003]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(xù)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。
[0004]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(qū)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η和層η+1之間，在層η+1和層η+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(qū)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)。
[0005]目前本領域已知的典型SLM軌道布置(track alignment)顯示于圖5中。
[0006]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(yōu)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χ-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χ-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。
[0007]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(huán)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。
[0008]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。
[0009]在最近三十年間，已開發(fā)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(grainselector)而提供，結果是部件性能和壽命的顯著提高。
[0010]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。
[0011]用發(fā)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(yōu)選晶粒取向(DS)或無晶粒邊界(SX)的部件。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]發(fā)明概述
本發(fā)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(fā)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。
[0015]通過權利要求1的方法達到這個和其它目的。
[0016]本發(fā)明公開對金屬部件/三維制品(例如，部件所用的試件(coupon)、插入件(insert))的晶粒的第二晶體學取向的控制，所述金屬部件/三維制品由通過增材制造技術處理的基于N1、Co或Fe的超合金制成。為此，在制品制造期間適當布置掃描器路徑是重要的。
[0017]有利的是控制所制造的材料的微結構并利用這種特征性的材料各向異性。
[0018]本發(fā)明基于發(fā)現能夠通過掃描和建造控制來控制第二晶體取向。
[0019]根據本發(fā)明制造的部件/制品具有受控的第二晶體學晶粒取向，與根據本領域目前的增材制造方法制造的部件相比，這導致金屬部件和原型的更高壽命和操作性能。
[0020]用于完全或部分制造三維金屬制品/部件的本發(fā)明的方法包括以下步驟:
a)通過用能量束掃描，由增材制造方法從金屬基礎材料連續(xù)建造所述制品/部件，從
而
b)在制品/部件的第一方向和第二方向上建立受控的晶粒取向，
c)其中第二晶粒取向通過應用能量束的特定掃描圖按而實現，所述第二晶粒取向與所述制品/部件的橫截剖面匹配或者與制品/部件的局部負荷條件匹配。
[0021]在本方法的優(yōu)選實施方案中，在期望楊氏模量的最小值之處，通過將掃描器路徑布置為交替地與部件的方向平行(在第一層)和垂直(在下一層)等等，實現對第二晶粒取向的有效控制。
[0022]本方法可尤其用于制造具有復雜設計的小至中尺寸的熱氣路徑部件和原型。這些部件可例如存在于燃氣渦輪的第一渦輪級中、壓縮機中或燃燒器中。一個優(yōu)勢為，本方法可用于新部件制造并且可用于修復/修理過程中。
[0023]根據本發(fā)明的一個實施方案，所述增材制造方法為以下之一:選擇性激光熔融(SLM)、選擇性激光燒結(SLS)或電子束熔融(EBM)，并且使用粉末形式的金屬基礎材料。
[0024]具體地講，所述SLM或SLS或EBM方法包括以下步驟:
a)產生所述制品的三維模型，隨后為切片過程以計算橫截面；
b)隨后，將所述計算的橫截面?zhèn)魉偷綑C器控制單元(15)；
c)提供該過程需要的所述基礎材料的粉末；
d)在基板上或在先前處理的粉末層上制備具有固定和均勻厚度的粉末層(12)；
e)與根據所述控制單元(15)中儲存的三維模型的所述制品的橫截面相對應，通過用能量束(14)掃描來進行熔融；
f)使先前形成的橫截面的上表面降低一個層厚度(d)；
g)重復所述步驟d)至f)，直至達到根據所述三維模型的最后橫截面；和
h)任選加熱處理所述三維制品(11)，其中 在步驟e)中，所述能量束以一定方式掃描，使得:
-掃描矢量在后繼的層之間或在層的每個特定區(qū)域(島)之間垂直，從而建立特定的期望的第二晶體學晶粒取向，或者
-掃描矢量在后繼的層之間或在層的每個特定區(qū)域(島)之間具有隨機角度，從而不建立特定的第二晶體學晶粒取向。
[0025]能量束，例如高密度能量激光束，以特定掃描圖案掃描，使得第二晶體學晶粒取向與部件的設計意圖匹配。
[0026]更具體地講，為了建立制備具有固定和均勻厚度的粉末層所需的良好流動性，針對所述粉末層的層厚度調節(jié)所述粉末的晶粒尺寸分布。根據本發(fā)明的另一個實施方案，粉末晶粒具有球形形狀。
[0027]根據本發(fā)明的另一個實施方案，通過篩分和/或風選(空氣分離)得到粉末的精確的晶粒尺寸分布。
[0028]根據本發(fā)明的另一個實施方案，通過粉末冶金學的方法提供所述粉末，具體為以下之一:氣體或水霧化、等離子旋轉電極方法或機械研磨。
[0029]根據本發(fā)明的另一個實施方案，所述金屬基礎材料為高溫Ni基合金。
[0030]根據本發(fā)明的另一個實施方案，所述金屬基礎材料為高溫Co基合金。
[0031]根據本發(fā)明的另一個實施方案，所述金屬基礎材料為高溫Fe基合金。
[0032]具體地講，所述合金可包含精細分散的氧化物，具體為以下之一:Y203、A103、ThO2,HfO2、ZrO2。
[0033]本發(fā)明的重要方面是優(yōu)選的微結構不必在部件的整個體積內實施的事實。相反，可根據局部機械完整性(MI)的需要，對不同區(qū)域以任意方式開啟和關閉所述匹配。與熔模鑄造或E (外延)-LMF比較這是一個優(yōu)勢，在熔模鑄造或E-LMF中，一旦外延生長條件不再存在，并且已發(fā)生等軸晶粒生長，則失去微結構控制。
[0034]附圖簡述
現在通過不同的實施方案并參考附圖更準確地解釋本發(fā)明。
[0035]圖1顯示根據本領域目前的SLM制造的基本布置，其可用于本發(fā)明。[0036]圖2a、2b顯示用于SLM制造的第一掃描策略(在相鄰層之間具有90°角度的交替掃描矢量);
圖3a、3b顯示用于SLM制造的第二掃描策略(箱板策略)；
圖4a至4c顯示用于SLM制造的兩種另外的掃描策略(在相鄰層之間具有63°角度或具有隨機角度的交替掃描矢量)；
圖5顯示本領域目前已知的典型SLM軌道布置。
[0037]圖6顯示，對于由Hastelloy? X制備的樣品，對兩種不同掃描策略，以室溫和750°C作為試驗溫度，在“建成(as built)”條件下檢測的楊氏模量值；和
圖7顯示在刻蝕條件下的Ni基超合金的光學顯微相片，以及從電子背散射衍射(EBSD)掃描得到的取向圖。
[0038]附圖標記列表 10 SLM布置
11制品(3D)，部件 12粉末層 13激光裝置 14激光束 15控制單元 d層厚度(粉末層)。
[0039]本發(fā)明不同實施方案的詳述
如以上在現有技術中所述，基于粉末的增材制造技術的一個特征特點是由逐層建造方法產生的材料性質的強烈各向異性。
[0040]已證明，沿z方向的機械性質不同于χ-y平面(為粉末平面)內的機械性質。沿z方向(建造方向)的楊氏模量一般低于x-y平面內的楊氏模量。這顯不于圖6中，圖6關于用兩種不同掃描策略(意味著兩種不同的掃描圖案)通過增材制造的由Hastalloy? X制成的樣品，其在室溫RT和750°C溫度下試驗。楊氏模量在“建成”條件下測量。由于在這些方法中基于粉末的制品生產和能量束-材料相互作用的固有高冷卻速率，所述材料就化學組成而言很均勻，并且基本沒有偏析。另外，在“建成”條件下的材料具有很細的微結構(例如，沉淀物和晶粒尺寸)，比常規(guī)鑄造或鍛造的超合金細得多。與不同的掃描策略M比較，利用掃描策略I總是得到顯著更低的楊氏模量。這對于第一取向(z方向)和第二取向(x-y平面)兩者均成立，對于兩個不同的試驗溫度(室溫RT和750°C )也成立。
[0041]對于在[001]方向上柱形晶粒生長的觀察是眾所周知的。然而，類似的方向相關性也存在于χ-y平面中。已發(fā)現，利用特定的過程裝置，可在第二平面(掃描器移動平面)內控制[001]生長。
[0042]用于制造三維金屬制品/部件的本發(fā)明的方法包括以下步驟:
a)通過用能量束掃描，由增材制造方法從金屬基礎材料連續(xù)建造所述制品/部件，從
而
b)在制品/部件的第一方向和第二方向上建立受控的晶粒取向，
c)其中第二晶粒取向通過應用能量束的特定掃描圖按而實現，所述第二晶粒取向與所述制品/部件的橫截剖面匹配或者與制品/部件的局部負荷條件匹配。[0043]對于本發(fā)明，第二晶粒取向與部件的特征負荷條件匹配(例如，沿著部件橫截剖面)是重要的。
[0044]在公開方法的一個實施方案中，在期望楊氏模量的最小值之處，通過將掃描器路徑布置為在后續(xù)的層中交替地與部件的方向平行(在第一層)和垂直(在下一層)等等，實現對第二晶粒取向的有效控制。
[0045]所述增材制造技術尤其為選擇性激光熔融(SLM)、選擇性激光燒結(SLS)和電子束熔融(EBM)?？捎盟龌诜勰┑脑霾闹圃旒夹g完全或部分地建造制品，例如，燃氣渦輪的葉片或葉輪，例如葉冠建造。制品也可以為例如用于整個部件的修理過程的插入件或試件。
[0046]在用選擇性激光熔融SLM、選擇性激光燒結SLS或電子束熔融EBM作為增材制造技術時，本發(fā)明的方法包括以下步驟:
a)產生所述制品的三維模型，隨后為切片過程以計算橫截面；
b)隨后，將所述計算的橫截面?zhèn)魉偷綑C器控制單元(15)；
c)提供該過程需要的所述基礎材料的粉末，例如Ni基超合金的粉末；
d)在基板上或在先前處理的粉末層上制備具有固定和均勻厚度的粉末層(12)；
e)與根據所述控制單元(15)中儲存的三維模型的所述制品的橫截面相對應，通過用能量束(14)掃描來進行熔融；
f)使先前形成的橫截面的上表面降低一個層厚度(d)；
g)重復所述步驟d)至f)，直至達到根據所述三維模型的最后橫截面；和
h)任選加熱處理所述三維制品(11)，其中 在步驟e)中，所述能量束以一定方式掃描，使得:
-掃描矢量在每個后繼層之間或在層的每個特定區(qū)域(島)之間垂直，從而建立特定的期望的第二晶體學晶粒取向，或者
-掃描矢量在每個后繼層之間或在層的每個特定區(qū)域(島)之間具有隨機角度，從而不建立特定的第二晶體學晶粒取向。
[0047]圖7顯示在刻蝕條件下Ni基超合金的光學顯微相片和從電子背散射衍射(EBSD)掃描得到的取向圖。另外，相對于建造方向z顯示由EBSD得到的優(yōu)選晶體取向，表示為極圖(001)和反極圖。所有取向圖通過用相對于建造方向z的標準反極圖(IPF)色鍵來著色。可以看到，晶粒不僅顯示沿z軸的優(yōu)選取向而且顯示在x-y平面內的優(yōu)選取向。另外，第二晶體學晶粒取向相應于所應用的激光移動(例如，在x-y平面內45° )。
[0048]利用這種定制的SLM建造方法，可制造在最重負荷區(qū)域內具有優(yōu)化機械性能的部件，例如燃氣渦輪葉片。為此目的，使具有楊氏模量最小值的方向與葉片的負荷條件匹配。
[0049]重要的是，不僅使晶粒的第一晶體學取向，而且使晶粒的第二晶體學取向有利地與部件的設計意圖匹配，導致產生延長的服務壽命。
[0050]在期望楊氏模量的最小值之處，通過將掃描器路徑布置為與部件的方向平行和垂直，實現對第二晶粒取向的有效控制。在不同層中掃描器路徑方向的角度變化必須總是為90°或此值的倍數(參見圖2a、2b)。
[0051]本發(fā)明涉及發(fā)現使用在每個層之間或在層的每個特定區(qū)域(島)之間垂直的掃描
矢量來建立第二晶體學取向。[0052]也可通過使用掃描矢量消除優(yōu)選的第二取向(得到不顯著的第二取向)，所述掃描矢量在每個層的每個島內平行并且在每個后繼的層內旋轉例如63°角度(參見圖4a、4b)或者使用隨機角度(參見圖4c、4d)改變每個島內和每個層內的掃描方向。用于不顯著的第二取向的最佳掃描圖案為63° /xx°。
[0053]本發(fā)明的一個重要方面是優(yōu)選的微結構不必在部件的整個體積中實施的事實。相反，可根據局部機械完整性(MI)需要，對不同區(qū)域以任意方式開啟和關閉所述匹配。這與熔模鑄造或E-LMF比較是一個優(yōu)勢，在熔模鑄造或E-LMF中，一旦外延生長條件不再存在，并且已發(fā)生等軸晶粒生長，則失去微結構控制。
[0054]優(yōu)選地，針對層厚度d調節(jié)在此SLM、SLS或EBM方法中使用的粉末的晶粒尺寸分布，以具有良好的流動性，這是制備具有固定和均勻厚度d的粉末層所需的。
[0055]優(yōu)選地，在此方法中使用的粉末的粉末晶粒具有球形形狀。通過篩分和/或風選(空氣分離)，可得到粉末的精確的晶粒尺寸分布。另外，通過氣體或水霧化、等離子旋轉電極方法、機械研磨和類似的粉末冶金學的方法，可得到粉末。
[0056]在其它情況下，可用懸浮體代替粉末。
[0057]在所述高溫材料為Ni基合金時,可使用多種市售可得的合金,例如Waspaloy?、Hastelloy? X、IN617?、IN718?、IN625?、Mar_M247?、IN100?、IN738?、1N792?、Mar_M200?、B1900?、RENE 80?、Alloy 713?、Haynes 230?、Haynes 282? 或其它衍生物。
[0058]在所述高溫材料為Co基合金時，可使用多種市售可得的合金，例如FSX 414?、X-40?、X-45?、MAR-M 509? 或 MAR-M 302?。
[0059]在所述高溫材料為Fe基合金時，可使用多種市售可得的合金，例如A 286?、Alloy800 H?、N 155?、S 590?、Alloy 802?、Incoloy MA 956?、Incoloy MA 957? 或PM 2000?。
[0060]這些合金尤其可包含精細分散的氧化物，例如Y203、A103、ThO2, HfO2, Zr02。
[0061]在一個優(yōu)選的實施方案中，用本發(fā)明的方法制造的部件為用于渦輪機的葉片或葉輪。葉片/葉輪包括具有一定剖面的翼片。第二晶粒取向的匹配與翼片剖面相配，并且第二晶粒取向的匹配逐漸并連續(xù)地適配于翼片的形狀。這產生很好的機械和疲勞性質。
[0062]總結:
機械試驗和微結構評估已顯示，通過SLM方法或通過其它增材制造方法建造的樣品具有強烈的各向異性性能。通過掃描和控制能量束，使得第二結晶學晶粒取向與部件設計意圖匹配(與特征負荷條件匹配)，可生產在最重負荷區(qū)域具有優(yōu)化機械性能的部件。為此目的，使具有楊氏模量最小值的方向與部件的負荷條件匹配。
【權利要求】
1.完全或部分制造三維金屬制品/部件(11)的方法，所述方法包括以下步驟: a)通過用能量束(14)掃描，由增材制造方法從金屬基礎材料(12)連續(xù)建造所述制品/部件(11)，從而 b)在所述制品/部件(11)的第一方向和第二方向上建立受控的晶粒取向， c)其中所述受控的晶粒取向通過應用能量束(14)的特定掃描圖案而實現，所述受控的晶粒取向與所述制品/部件(14)的橫截剖面匹配或者與所述制品/部件(11)的局部負荷條件匹配。
2.權利要求1的方法，其特征在于，在期望楊氏模量的最小值之處，通過將掃描器路徑布置為在后繼的層中交替地與所述部件(11)的方向平行和垂直，實現對所述第二晶粒取向的控制。
3.權利要求1的方法，其特征在于為了實現不顯著的第二晶粒取向，在后繼的層中使所述掃描器路徑旋轉隨機角度。
4.權利要求1的方法，其特征在于為了實現不顯著的第二晶粒取向，掃描矢量在每個層的每個島內平行，并且在每個后繼的層中旋轉63°。
5.權利要求1-4中的一項的方法，其特征在于所述增材制造方法為以下之一:選擇性激光熔融(SLM)、選擇性激光燒結(SLS)或電子束熔融(EBM)，特征在于使用粉末形式的金屬基礎材料，且所述方法包括以下步驟: a)產生所述制品的三維模型，隨后為切片過程以計算橫截面； b)隨后，將所述 計算的橫截面?zhèn)魉偷綑C器控制單元(15)； c)提供該過程需要的所述基礎材料的粉末； d)在基板上或在先前處理的粉末層上制備具有固定和均勻厚度的粉末層(12)； e)通過用能量束(14)掃描與根據所述控制單元(15)中儲存的三維模型的所述制品橫截面相對應的區(qū)域來進行熔融； f)使先前形成的橫截面的上表面降低一個層厚度(d)； g)重復所述步驟c)至f)，直至達到根據所述三維模型的最后橫截面；和 h)任選加熱處理所述三維制品(11)，其中 在步驟e)中，所述能量束(14)以一定方式掃描，使得: -掃描矢量在每個后繼層之間或在層的每個特定區(qū)域(島)之間垂直，從而建立特定的期望的第二晶體學晶粒取向，或者 -掃描矢量在每個后繼層之間或在層的每個特定區(qū)域(島)之間具有隨機角度，從而不建立特定的第二晶體學晶粒取向。
6.權利要求5的方法，其特征在于，為了建立制備具有固定和均勻厚度(d)的粉末層(12)所需的良好流動性，針對所述粉末層(12)的層厚度(d)調節(jié)所述粉末的晶粒尺寸分布。
7.權利要求5的方法，其特征在于所述粉末晶粒具有球形形狀，并且特征在于通過篩分和/或風選(空氣分離)得到所述粉末的精確晶粒尺寸分布。
8.權利要求5的方法，其特征在于通過粉末冶金學的方法提供所述粉末，具體為以下之一:氣體或水霧化、等離子旋轉電極方法或機械研磨。
9.權利要求5的方法，其特征在于所述增材制造方法用懸浮體代替粉末。
10.權利要求1-9中的一項的方法，其特征在于所述金屬基礎材料為以下之一:高溫Ni基合金、Co基合金、Fe基合金或它們的組合。
11.權利要求10的方法，其特征在于所述合金包含精細分散的氧化物，具體為以下之一:Y203、A103、Th02、Hf02、Zr02。
12.權利要求1、2、5中的一項的方法，其特征在于僅在指定的子體積中應用所述第二晶粒取向的優(yōu)先匹配。
13.通過權利要求1-12中的一項的方法制造的部件(11)，其特征在于所述部件(11)用于壓縮機、燃燒器或燃氣渦輪的渦輪節(jié)，優(yōu)選作為葉片、葉輪或隔熱罩。
14.權利要求13的部件(11)，其中所述部件包括具有一定剖面的翼片，其特征在于所述第二晶粒取向的匹配與所述翼片的剖面相配，并且特征在于其逐漸并連續(xù)地適配于所述翼片的形狀。
15.權利要求13的部件(11)，其中所述第二晶粒取向的匹配與所述部件的局部負荷條件匹 配。
【文檔編號】B22F7/06GK103846437SQ201310621038
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權日:2012年12月1日
【發(fā)明者】T.埃特, M.康特, M.霍伊貝, J.舒爾布 申請人:阿爾斯通技術有限公司