用于生產(chǎn)三維制品的方法和利用此種方法生產(chǎn)的制品的制作方法
【專利說明】用于生產(chǎn)三維制品的方法和利用此種方法生產(chǎn)的制品
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及借助于選擇性激光熔化(SLM)來生產(chǎn)三維制品的技術(shù)。其涉及用于生產(chǎn)優(yōu)選由具有高體積分數(shù)(>25%)的γ ’相的γ ’沉淀硬化鎳基超級合金或非可鑄造或難以加工的材料制成的制品或此種制品的至少一部分的方法，且涉及利用所述方法制成的制品。更具體而言，該方法涉及生產(chǎn)新的或修復(fù)用過的和受損的渦輪構(gòu)件。
【背景技術(shù)】
[0003]燃氣渦輪機構(gòu)件(如渦輪葉片)通常具有復(fù)雜的三維幾何形狀，其可具有難以制造和修復(fù)的問題。退役的渦輪構(gòu)件上的材料的堆積(例如，在翻新期間)通常通過常規(guī)堆焊，諸如鎢極惰性氣體(TIG)焊接或激光金屬成型(LMF)來進行。這些技術(shù)的使用限于具有可接受的可焊性的材料，如具有低到中等量的A1和Ti (例如，Haynes282)的溶液增強(例如，IN625，HeyneS230)或γ ’增強的鎳基超級合金。具有高抗氧化性和高γ ’含量(例如>25體積％)的鎳基超級合金(意味著具有高組合量的至少5重量%的六1和Ti，諸如IN738LC、MarM-247或CM-247LC)通常難以焊接，且不可由常規(guī)堆焊處理而沒有較大的微開裂。γ ’相具有L12類型的有序FCC結(jié)構(gòu)，且形成具有低表面能量的共格沉淀。由于共格界面和有序結(jié)構(gòu)，這些沉淀物有效地阻止了位錯移動，且較強地改善甚至在高溫下的材料強度。低表面能量導(dǎo)致生長的低驅(qū)動力，這是它們的長期高溫穩(wěn)定性的原因。除形成γ ’相之外，高Α1含量導(dǎo)致形成穩(wěn)定的表面氧化物層，從而導(dǎo)致優(yōu)異的抗高溫氧化性。由于異常的高溫強度和抗氧化性，故這些材料優(yōu)選用于高應(yīng)力渦輪構(gòu)件中。此種γ ’增強的鎳基超級合金的典型實例為:Mar-M247、CM-247LC、IN100、ln738LC、IN792、Mar-M200、B1900、Rene80 和其他衍生物。
[0004]利用常規(guī)堆焊技術(shù)，例如TIG或LMF，這些γ’增強的超級合金幾乎不能得到處理而不大量形成微裂紋。
[0005]不同的開裂機制在文獻中區(qū)分:開裂可在凝固的末期期間發(fā)生，其中樹枝狀晶體形成阻止液體的回填，從而導(dǎo)致了隔離區(qū)段中的裂紋發(fā)生。該機制稱為“凝固開裂”(sc)。當(dāng)熱影響區(qū)域中的沉淀溶解由于焊接期間的快速加熱而延遲時，發(fā)生所謂的“熔析開裂”(LC)。結(jié)果，沉淀物仍在它們不熱動力穩(wěn)定的溫度下存在，且共晶成分形成在界面區(qū)域處。當(dāng)溫度超過相對低的共晶溫度時，該界面區(qū)域熔化且潤濕晶粒邊界。這些弱化的晶粒邊界不可再適應(yīng)熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致形成裂紋。當(dāng)之前處理的層被重新加熱到可形成沉淀的溫度時，開裂還可發(fā)生在固態(tài)中。沉淀導(dǎo)致因體積變化引起的應(yīng)力形成，導(dǎo)致增大的強度且導(dǎo)致延性的損失。與疊加的熱應(yīng)力結(jié)合，可局部超過材料的斷裂強度且發(fā)生開裂。該機制稱為“應(yīng)變時效開裂”(SAC)。
[0006]由于沉淀物的高分數(shù)和所得的高機械強度，緩解熱應(yīng)力的能力較大地降低。出于此原因，γ ’沉淀硬化超級合金尤其傾向于這些開裂機制，且很難焊接。
[0007]另一個問題是，現(xiàn)有技術(shù)水平的翻新過程由于涉及許多處理步驟而通?；ㄙM很長時間。例如，在渦輪葉片的修復(fù)中，葉冠板替換、末梢替換和/或片(coupon)修復(fù)需要不同的處理步驟。這導(dǎo)致了高成本和長交付時間。
[0008]燃氣渦輪的效率隨升高的工作溫度而提高。由于所使用的材料的溫度能力有限，故冷卻系統(tǒng)結(jié)合到渦輪構(gòu)件中。存在不同的冷卻技術(shù)，諸如膜冷卻、瀉流冷卻或流逸冷卻。然而，冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性受到制造處理的限制。現(xiàn)有技術(shù)水平渦輪構(gòu)件考慮這些受限的制造處理而設(shè)計，它們在大多數(shù)情況中妨礙最佳技術(shù)解決方案。流逸冷卻具有目前有限的應(yīng)用，因為那些多孔結(jié)構(gòu)具有與機械和熱應(yīng)力對抗的問題。
[0009]常規(guī)渦輪葉片的另一缺陷在于它們需要抽出鑄芯，且因此必須具有打開的帶冠末梢。帶冠末梢隨后必須通過信箱硬焊(letter box brazing)來封閉，這是制造期間的附加關(guān)鍵步驟。除這些幾何限制之外，現(xiàn)有技術(shù)制造處理通常在材料選擇上受限，且需要可鑄造或可焊接的材料。
[0010]還已知的現(xiàn)有技術(shù)是耐磨涂層或蜂窩件添加到導(dǎo)葉和熱屏障上，以便避免將導(dǎo)致效率降低的氣體泄漏。渦輪葉片末梢在磨合過程期間切入該耐磨結(jié)構(gòu)中，這帶來了良好的密封。然而，由于渦輪葉片末梢的高磨損效果，故耐磨層在此過程期間通常受到極強的破壞，且因此通常在各次工作間歇之后需要完全替換。由于有限的材料選擇，故末梢的氧化損失是另一常見冋題。
[0011]用于將材料直接堆積在新的或待修復(fù)/翻新的渦輪構(gòu)件上的選擇性激光熔化(SLM)具有若干優(yōu)點，且可克服上述不足。
[0012]由于SLM期間的極端局部熔化和所得的很快的凝固，故合金化元素的分離和沉淀物的形成顯著地減少。相比于常規(guī)堆焊技術(shù)，這導(dǎo)致了降低的開裂敏感性。相比于其他現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)，SLM允許了不可鑄造、難以加工或難以焊接的材料(如含有高Al+Ti的合金(例如，IN738LC))的近凈形處理。此種高溫強度和抗氧化材料的使用顯著地改善了堆積的渦輪葉片區(qū)段的性能。
[0013]孔隙率是添加制造(如SLM領(lǐng)域)中的已知現(xiàn)象。除醫(yī)療應(yīng)用之外，孔隙率的出現(xiàn)是必須最小化的效果，因為孔隙率不利地影響材料性能，如強度、硬度和表面品質(zhì)。尤其對于燃氣渦輪構(gòu)件而言，SLM處理參數(shù)因此通常針對最高密度而優(yōu)化。殘余孔隙率認為是不利的，且因此是非期望的。
[0014]相比于鑄造和常規(guī)修復(fù)技術(shù)(例如，堆焊)，SLM提供了高得多的設(shè)計自由度，且允許產(chǎn)生了很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)(“自由復(fù)雜性(complexity for free)” )。此外，SLM的使用可通過將不同修復(fù)過程組合在單一過程中來減少處理步驟的量。
[0015]在文獻W0 2009/156316 A1中，公開了一種借助于選擇性激光熔化來生產(chǎn)具有涂層區(qū)域的構(gòu)件的方法。涂層區(qū)域具有與基底材料成分不同的成分。這通過在SLM過程期間間歇地引入與粉末材料反應(yīng)的反應(yīng)氣體來實現(xiàn)。因此，在構(gòu)件的生產(chǎn)期間，出現(xiàn)層區(qū)域，這可確保構(gòu)件的特定功能，例如，硬化的表面。
[0016]文獻EP2319641 A1描述了一種利用選擇性激光熔化過程施加多種材料的方法，其提出了使用箔片/帶/片或三維重整以替代不同于待施加的之前材料(基于粉末)的第二和附加材料的不同粉末。這些箔片、帶、片或預(yù)成型坯可應(yīng)用在三維制品的不同區(qū)段/部分上，例如，具有耐磨材料的邊緣上，或表面上以改善熱傳遞，以便可實現(xiàn)考慮構(gòu)件/制品的期望性質(zhì)來調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)/化學(xué)成分。
[0017]文獻US2008/0182017 A1公開了一種用于通過沉積材料珠來激光凈形制造零件或修復(fù)零件區(qū)域的方法，其中，沉積材料可在沉積期間改變或變化，使得材料珠由不同材料形成。
[0018]文獻EP2586548 A1描述了一種用于借助于選擇性激光熔化SLM來制造構(gòu)件或片的方法，其中具有取決于保養(yǎng)/操作期間構(gòu)件的預(yù)期溫度和/或應(yīng)力和/或應(yīng)變的分布的對準的粒度分布，使得構(gòu)件的壽命相對于具有基本上一致的粒度的