CN107427915B - 通过基于粉末床的增材制造工艺由超合金制造部件的方法和由超合金制成的部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过例如激光熔融来制造部件的方法。在此，在粉末床(13)中制造部件(19)，其中粉末被激光束(17)熔融。如果部件(19)例如由镍基超合金制备，则对于该合金典型的具有γ'析出物的微结构仅当根据本发明正在凝固和冷却的材料(在由激光束(17)产生熔池后不久)的冷却速率保持小于1℃/秒时才产生。为此，根据本发明规定，借助加热装置(23)预热所述粉末床。根据本发明，将粉末预热至约1000℃的温度范围仅能通过如下方式实现，即，由镍基超合金构成的粉末涂覆有例如由氧化铝形成的薄层。由此防止了粉末床中没有参与部件(19)的形成的那些颗粒的结块。因此，在制造工序结束后，所述粉末可被有利地轻易去除并且多次使用。

Description

通过基于粉末床的增材制造工艺由超合金制造部件的方法和 由超合金制成的部件

本发明涉及通过基于粉末床的增材制造工艺(additivenHerstellungsverfahren)由超合金制造部件的方法。在该方法中，逐层地在粉末床中通过用诸如电子束或激光束的能量束使构成粉末床的颗粒熔融来制造所述部件。在此，在颗粒熔融之前和期间将粉末床预热至低于颗粒的熔融温度的温度。本发明还涉及由超合金制成的部件，其可以例如是根据所述方法制造的。

上述类型的方法例如从EP 1 355 760 B1已知。该文献中讨论的选择性激光熔融方法应当适用于加工高熔点材料。由于还对由高熔点材料制造固有应力低的部件感兴趣，因而根据该文献提出，在熔融材料粉末之前将所述粉末预热到至少500℃的温度。然而，该温度必需仍明显低于粉末材料的熔点。

此外，根据Y.-C.Hagedorn等人的“Processing of nickel-based superalloyMAR M-247by means of High Temperature-Selective Laser Melting(HT-SLM)”，HighValue Manufacturing，第291-295页，2014年伦敦，还希望通过选择性激光熔融来加工作为粉末的超合金材料。然而，在此出现的问题是所制造的产品经受高的内应力，并且由于这个事实而可能会出现裂纹。因此，作者建议更加强烈地预热所述粉末。

另一方面已知的是，根据烧结机理，经强烈预热的粉末会相互结块(粘结)。在选择性激光熔融期间，这引起的问题是粉末床固化并且另外会与所制造的部件的表面结块。所制造的部件则不再能够完全从粉末床分离出来。此外，如果颗粒相互结块，则所述粉末不能再次使用。这使得该方法成本高昂，因为必须定期丢弃原料。粉末床的结块另外可以导致粉末床的表面不保持水平。这使得难以重新施加粉末层，并且在粉末床的表面中会出现几何缺陷。由此损害了所制造的部件的品质。

因此，本发明的目的在于提供通过基于粉末床的增材制造工艺由超合金制造部件的方法，通过该方法能够由超合金制备这样的部件，其满足对部件所提出的要求。本发明的目的还在于提供这样的部件，该部件能够廉价地以高的可靠性制造。

根据本发明，该目的通过本文开头提出的方法如下实现，即，使用这样的粉末，该粉末的颗粒涂覆有陶瓷层。涂覆颗粒具有这样的优点，即它们可以预热至更高的温度，而不会与相邻的颗粒结块。对此的解释是，在不会发生颗粒结块的前提下陶瓷材料可被加热到更高的温度。因此，根据本发明，使用仅涂覆有陶瓷层的粉末具有以下优点：颗粒的芯具有基于材料选择所需的材料性质。陶瓷层可以说是作为这些颗粒的掩蔽物起作用，这些颗粒在由于粉末预热而导致的结块问题方面表现得像陶瓷颗粒。虽然位于颗粒上的层的成分会被引入正形成的部件中，但这部分占很小的比例，因为颗粒上的层是非常薄的层。所述层可以例如具有至少1nm且至多20nm的厚度。这已有利地足以有效防止与相邻的颗粒结块。在有利地选择至少10μm且最多50μm的粒径，优选25μm至30μm的平均粒径的情况下，确保了陶瓷的含量相对于整个颗粒材料而言非常低。假设例如采用具有3nm的涂层的、直径为30μm的颗粒，则陶瓷所占的体积含量仅为0.06％(3nm×3nm/15μm)。这可以将合金中的污染物限制到最小程度，所述污染物在粉末熔融过程中通过包覆物的材料被引入该部件中而得到。此外，已经发现，当粉末被加热直到熔融时，非常薄的陶瓷层从粉末剥落。其原因是，形成颗粒的芯的金属合金在加热下比陶瓷层更大程度地膨胀。有利的是，当所述陶瓷层由于颗粒的加热而从颗粒的芯剥离时，陶瓷层也可以防止相邻颗粒的结块。在颗粒彼此接触的区域中，层的残余物即使在从芯的表面剥离之后也保留在各个颗粒之间，从而防止结块。

根据本发明的一个特别的设计方式规定，所述陶瓷含有这样的金属，所述金属也是超合金的合金成分。有利地，这些金属比合金中不含的(非合金化的)金属少得多地干扰合金的组成，因为它们仅无足轻重地改变所制造部件的合金中的合金含量。与之相反，非合金化的合金成分可在改变部件材料的性质方面具有更大的影响。

特别有利地规定，与超合金的期望合金的组成相比，颗粒的芯中的超合金的那些如上所述地在陶瓷中也含有的合金成分的合金含量减少。根据本发明，所述减少以这样的程度实现，即，基于整个颗粒(包括层)，该合金成分达到或超过超合金的目标合金组成的合金含量。换句话说，对合金组成的可能变化的补偿通过在制造部件期间就已将其考虑在内来抵消。

层的材料然后在熔融颗粒期间被吸收到正在形成的部件的材料中，并在那里补偿颗粒中缺乏的合金含量，该合金含量在考虑该效应的情况下被有意省略。该措施的前提条件是所涉及的合金成分具有足够的扩散能力，其中该扩散能力经由部件的因预热而降低的冷却速率来预设。

本发明的另一个扩展方式规定，陶瓷是氧化物或氮化物。有利地，作为超合金中的合金成分的氧和氮可在一定程度上被接受，而不会使合金在其性能特性上过分改变。

有利地使用镍基超合金作为超合金。例如，可以由这些超合金制造燃气轮机的叶片。在这种材料的情况下，有利地将粉末预热到至少800℃且至多1000℃的温度。此外，通过如下的装置，即，为了预热目的而将热量引入粉末床的装置，来确保在制造部件之后的冷却以每秒至多1℃的速率进行。由此有利地实现了如下效果：在由镍基超合金制成的部件中可以形成表征镍基超合金的典型微结构的金属间相的γ’沉淀物(析出物)。对于这些析出物的形成，普遍已知的是立方形γ’析出物的生长在冷却太快的情况下被抑制。如果部件冷却慢于每秒1℃，则当温度低于γ’固相线温度时产生所述析出物。所述固相线温度为1150℃。为了确保从该温度水平缓慢冷却，粉末床的温度必须稍低。在900℃至最高1000℃之间的温度水平已被证明是有利的。

如果使用氧化物或氮化物陶瓷作为颗粒上的层(有利的是氧化铝，氧化钛，氧化硅，氧化锆，氧化钇和氮化铝)，则在部件中形成含有氧或氮或这两种合金成分的微结构。这样的部件有利地实现了本文开头提出的目的，即可通过选择性激光熔融来制造所述部件，其中使用所描述的粉末。

根据部件的有利设计方式规定，氧的含量或氮的含量不超过0.3体积％，优选不超过0.1体积％。由此有利地一方面确保了颗粒上的层可以具有足够的厚度以产生其效果。另一方面，由此得到的氮或氧的含量如此之低，使得其不会负面地影响部件的合金化。

另一方面规定，氧的含量或氮的含量至少为0.03体积％，由此使颗粒上的陶瓷层可以具有足够的厚度。

以下基于附图对本发明的进一步的细节进行说明。相同或相应的附图元件分别设有相同的附图标记，并且仅在各个图之间存在差异的情况下才作详细的解释。在图中：

图1示出了激光熔融装置的剖视图，在所述激光熔融装置中实施根据本发明的方法的示例性实施例，

图2至图4示出了在实施根据图1的方法时所选择的步骤，其中以剖视图示出处于制造中的部件的小的细节，以及

图5示出了根据图2至图4制造的根据本发明的部件的示例性实施例的细节。

在图1中示意性示出了用于激光熔融的设备11。该设备11具有处理室12，其中可以制造粉末床13。为了分别制造一层粉末床13，使以刮刀14形式的分配装置移动经过粉末储器15并且随后经过粉末床13，由此在粉末床13中产生薄的粉末层。然后，激光器16产生激光束17，激光束17通过具有反射镜18的光学偏转装置移动经过粉末床13的表面。这种情况下，粉末在激光束17的撞击点处熔融，由此形成部件19。

粉末床13在构建平台20上形成，该构建平台20可以通过致动器21在锅形壳体22中逐步地相应下沉一个粉末层厚度。在壳体22以及构建平台20中设有电阻加热器的形式的加热装置23，其可预热正在形成的部件19以及粉末床13的颗粒。为了限制所述预热的能量需求，在壳体22的外部存在低导热性的绝缘体24。

在图2中示出的是待制造的部件19的边缘，所述部件19例如可在根据图1的设备中制造。该部件处于粉末床13中，其边界由虚线表示。还示出了从粉末床13选出的颗粒25，所述颗粒25由镍基合金的材料形成。待制造的部件可以例如是涡轮叶片。

所述颗粒各自包括芯26，芯26由部件19的实际材料(原始材料)构成，在本实施例中由镍基合金构成。此外，颗粒19的芯26也被层27包围，层27分别完全包覆所述芯并由氧化铝构成。这使得可以将粉末床预热至1000℃，而不会使相邻的颗粒25相互结块。

在图3中示出了如何通过激光束17熔融粉末床13的一部分，特别是位于部件19的边缘处的部分。在此，颗粒25的芯26熔化。然而，在发生熔化之前，由金属材料构成的芯26膨胀。这种情况下，层27部分地从芯26剥离，其中由此产生的层碎片28保留在经熔融的材料中并且在那里分解(溶解)(形成合金)。然而，除去层碎片28的一部分至这样的程度，使得它们余留在由激光束17形成的熔池29的外部。

图4中可以看出激光束17移动经过粉末床13的方式，其中熔池如图4中所示地从左向右行进。在此形成待制造的部件19的与粉末床的层厚d相对应的层。在激光束17进一步行进时，材料凝固且同时形成部件的体积。图1中所示的加热导致正在制造的部件19的材料的冷却速度小于1℃/秒。

在图5中可以看到完成的部件。这示意性地作为显微照片示出。用于制造部件19的材料是镍基超合金。通过控制冷却速率成功地实现了高比例的由金属间相构成的所谓的γ’析出物30。这些析出物嵌入到部件的基体31中。因此，可以通过根据本发明的选择性激光熔融来实现诸如根据现有技术迄今仅可通过铸造例如涡轮叶片才能形成的部件微结构。

Claims (10)

1.通过基于粉末床的增材制造工艺由超合金制造部件(19)的方法，其中通过用能量束(17)使形成粉末床(13)的颗粒(25)熔融在粉末床(13)中逐层地制造部件(19)，其中在颗粒(25)熔融之前和期间，将粉末床(13)预热至低于颗粒(25)的熔融温度的温度，其特征在于，使用其颗粒(25)被陶瓷层(27)完全涂覆的粉末，

其中颗粒(25)上的层(27)具有至少1nm且至多20nm的厚度，以及

其中所述陶瓷选自以下材料的组：氧化铝、氧化钛、氧化硅、氧化锆、氧化钇和氮化铝。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷含有金属，所述金属也是所述超合金的合金成分。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，与超合金的目标合金组成相比，超合金的那些在陶瓷中也含有的合金成分的合金含量减少至这样的程度，使得该合金成分对于经涂覆的颗粒(25)在考虑相关的包含在层(27)中的金属的量的情况下达到或超过所述目标合金组成的合金含量。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述陶瓷是经氧化的或经氮化的。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，使用具有至少10μm且至多50μm的粒径的颗粒(25)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使用具有25μm至30μm的平均粒径的颗粒(25)。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，使用镍基超合金作为所述超合金。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将粉末床(13)预热到至少800℃且至多1000℃的温度。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，部件(19)在其完成后以至多1℃/秒的速率冷却。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，部件(19)在其完成后以至多1℃/秒的速率冷却。