本發(fā)明涉及用于金屬組件的激光制造和修復的裝置和方法，并且特別涉及通過固化熔池上的電解質液體渣(electrolytic liquid slag)對固化熔池的電化學平滑(electrochemical smoothing)。

發(fā)明背景

通常期望的是在金屬制品上產(chǎn)生平滑表面以控制幾何結構或改進性能或外觀。利用熔劑(flux)材料的金屬沉積方法，例如埋弧焊(submerged arc welding)或藥芯焊絲電弧焊(flux core arc welding)，有時由于氣體例如一氧化碳在熔融金屬和由熔劑的熔融和與碳反應產(chǎn)生的渣之間的界面處的累積產(chǎn)生了麻點表面。本發(fā)明人已經(jīng)開發(fā)了使用激光熱源熔融粉末狀的超合金(superalloy)材料和熔劑來沉積超合金材料的方法。參見例如美國專利申請公開號US2013/0136868 A1。預期此類熔劑輔助激光沉積方法的一些應用可能容易產(chǎn)生麻點或不然可能需要后沉積處理(post-deposition processing)以實現(xiàn)所需的表面光潔度(surface finish)。

電拋光(electropolishing)是去毛刺和平滑金屬制品表面的電化學方法，并且其是一種后沉積方法，其可以用于平滑激光沉積材料的表面。將所述表面浸入電解質(electrolyte)中，并且連接到正向直流，使其成為陽極。電流經(jīng)由自表面移除的金屬離子通過電解質從表面流向陰極。毛刺和其它突起物(projection)成為高電流密度的區(qū)域并且優(yōu)先被侵蝕，這產(chǎn)生了被稱為陽極整平(anodic leveling)的方法。這對于許多表面形狀，包括經(jīng)不起機械平滑的復雜、高分辨率的表面是有效的。電拋光和其它表面平滑方法對于任何材料沉積方法增加了時間和費用，并且因此需要進一步的改進。

附圖簡要說明

基于附圖在以下描述中對本發(fā)明進行說明，所述附圖顯示：

圖1是根據(jù)本發(fā)明方面的裝置的示意性前視圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明進一步的方面的裝置的放大的示意性前視圖。

發(fā)明詳述

本發(fā)明人已經(jīng)設計了通過在沉積物上使用熔融熔劑/熔渣作為電解質電拋光在激光材料沉積修復或制造期間形成的新固化的金屬的技術。組合的熔劑輔助的激光沉積/電拋光方法相比現(xiàn)有技術的相繼的沉積/平滑方法可以更低的成本在更短的時間產(chǎn)生更平滑的表面。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的方面在基材22上操作的裝置20的示意性截面圖。填料材料層24可以位于基材的表面23上。熔劑層26位于填料層24上或直接位于針對無添加修復(non-additive repair)的基材上。放置耐熱陰極(refractory cathode)28使其與熔劑接觸。所述陰極是具有比到達陰極的激光加工溫度更高的熔點的電導體——例如高于填料材料24的熔點。示例性的陰極材料包括鈮、鉬、鉭、鎢和錸。所述陰極可以作為熔劑中的多個線材(wire)形成。所述線材之間的空間使激光能夠熱穿透(heat penetration)至填料材料24或基材。例如，所述線材可為平行的或可形成具有間隙空間的篩網(wǎng)。陰極28和基材(陽極)22連接至DC電源12，如所例示的。將激光束30引導至熔劑26上，產(chǎn)生由形成熔渣34的熔融熔劑材料覆蓋的填料材料和/或基材金屬的熔池32。激光束30在熔劑26上以相對方向36前進，留下熔池和熔渣固化成固化的沉積物(deposit)38和固化的渣40。所述熔池可以具有比熔渣更高的固化溫度，由此熔池32首先固化，留下區(qū)域E，在所述區(qū)域E中固化的沉積物38被熔渣34覆蓋?；蛘?，由于熱傳遞至基材22中，無論熔池32相對于熔渣的固化溫度，熔池32可以首先固化。在DC電源12的影響下，在固化的沉積物38之上的熔渣34的區(qū)域E實現(xiàn)了對沉積的填料材料(或針對無添加實施方案的基材材料)的固化的表面42的一段時間的電拋光(陽極整平)10直至該渣固化。

本發(fā)明人已經(jīng)公開了可用于超合金材料的激光沉積的熔劑組合物。參見美國專利申請公開US 2015/0027993 A1，通過引用將其并入本文。本發(fā)明的熔劑26含有在填料材料的激光加工溫度下為液體的電解質成分(electrolytic constituent)。例如，所述熔劑可以在1013毫巴的大氣壓下在大于1300℃的溫度范圍形成液體渣。熔劑的一個實施方案可以包含以下物質的一種或多種：

a)40-80wt％的CaF₂

b)5-40wt％的Al₂O₃

c)1-15wt％的SiO₂

d)＞0-20wt％的MnO

e)＞0-15wt％的CaO

f)＞0-7wt％的MgO

g)＞0-7wt％的TiO₂

h)＞0-10wt％的Fe₂O₃和/或Fe₃O₄。

在另一個實施方案中，未提供填料層24。熔池32通過熔融基材22的表面23形成用于裂縫修復和表面恢復。已經(jīng)在接近基材的表面消耗的合金成分，例如鋁可以通過在熔劑26中作為純元素、金屬化合物或合金并以包括粉末和薄片的多種形式的成分添加而恢復。

圖2示意性地例示了當其分別通過耐熱陰極28的線材之間或通過耐熱陰極28的線材之上時開啟A和關閉B的激光束30。陰極的線材之間的空間使激光束能夠穿透熔劑至填料金屬24或基材22而沒有直接沖擊到陰極28的線材上，其通過施加的電流12來實現(xiàn)電拋光10。

如由本發(fā)明人在美國專利申請公開2014/0220374 A1中所描述的(其通過引用也并入本文)，使熔劑對于激光光學透明或半透明是有利的。舉例來說，這可以通過構建5-60wt％或20-40wt％的光學透射(optically transmissive)成分的熔劑實現(xiàn)。光學透射成分包括金屬氧化物、金屬鹽、金屬硅酸鹽和各種氟化物。實例包括氧化鋁(Al₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)、氧化鋯(ZrO₂)、硅酸鈉(Na₂SiO₃)、硅酸鉀(K₂SiO₃)、硒化鋅(ZnSe)、氟化鎂、氟化鈣和氟化鋇(MgF₂、CaF₂、BaF₂)和能夠光學傳輸激光能量(例如由Nd：YAG和Yb纖維激光產(chǎn)生的)的其它化合物。一些光學透射成分也是電解質成分。以下列表提供了既光學透射又為電解質的熔劑的成分的示例性范圍：

a)40-80wt％的CaF₂

b)5-40wt％的Al₂O₃

c)1-15wt％的SiO₂

同樣有利的是熔渣具有低粘度以通過表面張力和/或通過促進氣體從熔融金屬和熔劑的界面的釋放來促進沉積物的表面23的整平?？梢酝ㄟ^在熔劑中包括一種或多種降粘(viscosity reducing)成分(其總比例大于任何增粘(viscosity increasing)成分例如Al₂O₃、TiO₂F和SiO₂)來降低粘度。增粘成分(本文中VIC)形成了共價鍵網(wǎng)絡，而降粘成分(本文中VRC)妨礙此種網(wǎng)絡的形成。材料的此種性能可以在可獲得的工具書和在線資源(例如由ASM國際專業(yè)協(xié)會提供)中找到。

降粘成分的實例包括CaO、MnO、Fe₂O₃、CaF₂、Na₃AlF₆、MgO、Na₂O(最多5wt％)和K₂O(最多5wt％)中的一種或多種。低粘度、光學透射、電解質熔劑的一些示例性的范圍示于下表中。一般地，所述熔劑可以含有一種或多種電解質成分；一種或多種光學透射成分(OTC)，包括任何也是光學透射的電解質成分；和一種或多種降粘成分(VRC)，其總wt％大于任何增粘成分(VIC)。

表1

例如，在一個實施方案中，熔劑可以包含1-15wt％的SiO₂作為光學透射和電解質組分；和至少一種其它的選自CaO和MgO的電解質組分；和降粘比例的包括CaF₂的一種或多種組分，其具有比熔劑中任何和全部增粘組分的總wt％更大的總wt％。

在激光加工之后冷卻裝置20時，移除渣以露出平滑的表面42。陰極28被包裹在固化的渣40中并且其可以促進渣從基材22的移除。陰極28可以通過將陰極28的脆性渣機械破壞出去而再次使用。

本發(fā)明克服了以下的障礙：

a)用于現(xiàn)有技術電拋光的電解質在熔融金屬的激光加工溫度下蒸發(fā)。示例性的常規(guī)電解質包括硫酸和磷酸的混合物、具有乙酸酐的高氯酸鹽以及硫酸的甲醇溶液。

b)常規(guī)陰極材料例如鉛、銅和不銹鋼在高溫超合金的激光加工溫度下將熔融。

c)熔劑或熔渣中的陰極可阻擋用于熔融填料或基材的激光束并且可被光束損害。

雖然本文已經(jīng)顯示并且描述了本發(fā)明的各種實施方案，將是明顯的是這樣的實施方案僅通過舉例的方式提供。在不脫離本文的發(fā)明的情況下可以作出多種變化、改變和替代。因此，意欲本發(fā)明僅由所附的權利要求的精神和范圍來限制。