通过熔化粉末制造部件的方法,该粉末颗粒以冷却状态到达熔池的制作方法
通过熔化粉末制造部件的方法,该粉末颗粒以冷却状态到达熔池的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通过用高能光束（激光束、电子束、…）熔化粉末制作部件的领域。
[0002] 本发明更具体地涉及一种包括以下步骤的方法：
[0003] a)以形成粉末束的粉末颗粒形式供给一种材料；
[0004] b)借助于高能光束加热第一数量的粉末到一个高于粉末的熔化温度Tf的温度，并 在支撑件的表面形成第一熔池，所述第一熔池包括所述熔化的粉末以及所述支撑件的一部 分；
[0005] C)借助于所述高能光束加热所述粉末到一个高于其熔化温度Tf的温度，并在所述 支撑件的表面形成第二熔池，所述第二熔池包括所述熔化的粉末以及从所述第一熔池下游 的所述支撑件的一部分；
[0006] d)重复步骤C)，直到所述部件的第一层形成在所述支撑件上；
[0007] e)借助于高能光束加热第[η]数量的粉末到一个高于其熔化温度Tf的温度，并形 成第[η]熔池，所述第[η]熔池部分地包括在所述第一层的一部分上的所述熔化粉末；
[0008] f)借助于所述高能光束加热第[η+1]数量的粉末到一个高于其熔化温度Tf的温 度，并形成第[η+1]熔池，所述第[η+1]熔池部分地包括从所述第[η+1]熔池下游在所述第 一层的一部分上的所述熔化粉末；
[0009] g)重复步骤f)，以在所述第一层以上形成所述部件的第二层；以及
[0010] h)对于位于已形成层以上的每一层，重复步骤e)到g)，直到所述部件基本处于其 最终形状。
[0011] 在上述方法中，需要[n-l]数量的粉末以形成所述第一层。
【背景技术】
[0012] 可以获得具有三维（3D)形状的复杂机械部件的方法是众所周知的。这些方法 逐层建立一个部件，直到该部件所需的形状已被重组。有利地，该部件可由从用控制该机 器的电脑处理三维计算机辅助设计（CAD)图形文件的数据推断的计算机辅助设计和制造 (CADM)文件直接地重组，该机器从而形成被熔化然后一层在另一层上地固化的连续层的材 料，每一层都由通过从CADM文件定义的尺寸和形状的并列嵌条所构成。
[0013] 例如，构成该粉末的颗粒可以是金属、金属间化合物、陶瓷或聚合物。
[0014] 在本申请中，当该粉末是金属合金时，熔化温度Tf是位于在对于该合金的给定成 分的液相线温度和固相温度之间的温度。
[0015] 该构造支撑件可以是某一其他部件的一部分，其上需要添加额外功能。其成分可 能不同于所喷射的粉末颗粒，因此这可以具有不同的熔化温度。
[0016] 这些方法具体包括通过激光喷射或"直接金属沉淀"（DMD)、"选择性层熔 化"（SLM)，以及"电子束熔化"（EBM)。
[0017] 以下参考图2、4、5解释该DMD方法的操作。
[0018] 在本地保护下或在壳体内在惰性气体的受控高或低压下，通过使粉末颗粒通过喷 嘴190在支撑件80上喷射到该材料上，形成了材料的第一层10。与喷射粉末颗粒60同时， 喷嘴190发出来自发生器90的激光束95。喷嘴190的第一孔191与第二孔192同轴，粉 末通过该第一孔喷射到支撑件80上，激光束95通过该第二孔发射，使得粉末喷射到激光束 95内。该粉末形成了颗粒的锥，该锥是空心的并存在一定厚度（如图4所示的粉末束94)， 并且激光束95是锥形的。
[0019] 工作平面P被定义为包含以下表面的平面，该层被构造和/或形成在该表面上。
[0020] 为了构造该第一层，该表面是支撑件80的顶部（自由）表面S。。为了构建低[n+1] 层，该表面是第[η](整数η，η多1)层的顶部（自由）表面。
[0021] 通过熔化被暴露到激光束的支撑件80的区域，激光束95在支撑件80上形成熔池 102。粉末进入该熔池102,在该熔池中，粉末已经达到熔融状态，该粉末在到达熔池之前在 激光束中的其路径上熔化。
[0022] 或者，举例来说，喷嘴190和激光的焦点可以这种方式被调节和/或定位，使得给 定粒度分布的粉末对于不同尺寸的所有其颗粒不在激光束95中通过足够时间以完全地熔 化，以使它们在到达熔池102时熔化，通过熔化被暴露到激光束95的支撑件80的区域，该 熔池先前已被形成在支撑件80的表面上。
[0023] 工作距离WD被定义为在喷嘴190和工作平面P之间的距离。
[0024] 在正在考虑的工作距离WD上，该粉末同样可不被激光束95熔化或者它可部分地 熔化，仅因为组成该粉末的一些或所有颗粒对它们来说太大而不被熔化。如在图3中可以 看出的，粉末颗粒的平均直径Dp越小，它们被加热的速度越大，但它们被维持在熔化温度的 时间越短，它们的冷却越快。而且，图3示出了当对于给定工作结构它们到达熔池时，尺寸 分布越窄，所有粉末颗粒被熔化的程度越大。
[0025] 在所有情况下，该粉末颗粒在进入该熔池之前通过激光束95被加热。
[0026] 在激光束95(或支撑件80)向下游移动的同时，熔池102被保持并逐步固化，以在 支撑件80上形成固化材料的嵌条105。继续该过程以在支撑件80上形成另一固化嵌条，例 如，该另一嵌条与第一嵌条并列。因此，通过在一个平行于上述工作平面P的平面中移动喷 嘴190或支撑件80,材料的第一层10沉淀在支撑件80上，通过在与在CADM文件中定义的 形状相符的形状的单件中固化第一元件15,该层形成。
[0027] 此后，喷嘴190和激光束95被致使一起实施第二扫描，从而以类似方式在第一元 件15的顶部形成材料的第二层20。该第二层20形成第二固化元件25,并且这两个元件15 和25 -起形成单件块。在第二层20的构造过程中，在第一元件15上形成的熔池102通常 包括第一元件15的至少一部分，该部分与进入熔池102的粉末颗粒一起通过暴露到激光束 95而熔化。
[0028] 考虑由与该支撑件的上表面Stl垂直的垂直轴Z ^以及该支撑件的表面S ^构成的参 考系。该参考系依赖于支撑件80,或者更确切地依赖于被构造部件，对于该部件，参考平面 P在沉淀该第一层材料时由支撑件的表面Stl，或由最近沉淀层的上表面所定义。
[0029] 通常对于一层，该工作平面P不必平行于表面Stl。被定义为垂直于工作平面P的 轴Z因此不必平行于轴Zp
[0030] 在连续两个层之间，喷嘴沿轴Z移动一个理论上等于实际上已经沉淀的材料Happ 的高度的值ΔΖ，该高度应该是恒定的（独立于喷嘴的路径），并且当该构造被优化并且稳 定时是足够大的（图4和5)。图5是在该支撑件中部分地形成的液体熔池的截面，其显示 该熔池的形状。
[0031] 支撑件80的表面Stl是在高度为零的平面。因此，在构造该第一层时，平行于S。并 具有被包含在该支撑件中或（相对于轴Ztl)在该支撑件以下的部分的平面处于负高度，具 有高于该支撑件表面Stl(相对于轴Ztl)的部分的平行于Stl的平面处于正高度。
[0032] 如果一给定工作平面P具有正的，比另一平面的高度大的高度，则关于构造第[η] 层的该给定工作平面P高于被附接到较低层的该另一工作平面。
[0033] 在依赖于该支撑件80以及依赖于该部件的参考系中，第二层20被构建在高于第 一层10的工作平面的工作平面P上，这两个平面间隔一个沿垂直于该工作面P的轴Z测量 的距离ΔΖ。
[0034] 通常，更高层的工作平面不需要平行于前一较低层的工作平面，其中更高层的Z 轴相对于该较低层的工作平面的轴Z处于非零的角度，并且沿后一轴Z在该较低层的每一 点以上测量的距离ΔΖ是一平均值。
[0035] 然后通过在已经形成的组件上添加附加层继续逐层地准备该部件的该过程。
[0036] 显示现有技术的图4更详细地示出了激光束95和粉末束94的结构。激光束95 使喷嘴190在从其焦点^的角度2 β (位于喷嘴190的底部）发散，并且它照射支撑件80 的区域，导致在其中形成熔池102。
[0037] 以粉末颗粒60在激光束95中耗费最大的时间长度以被加热的方式，粉末束94在 朝其焦点Fp以角度2 δ会聚时离开喷嘴190,该焦点位于激光束95内侧并紧接在支撑件80 的表面（工作平面Ρ)之上（或以上）。在激光和从该熔池上游的粉末之间的大量相互作用 的优点是产生当建立该工作部件的表面时经常需要从而修复它们以及当沉淀坚硬涂层时 的高沉淀速率和低稀释。
[0038] 熔化的理论效率被定义为激光束95的直径0l除以粉末束94的直径0Ρ的比值， 这两个直径在该工作平面P中确定。
[0039] 或者，直径0L可由液体熔池的直径0[儿代替（参见图4)，以评估该效率，该效率 取决于所选定的参数设置，具体为激光功率1\，激光束的扫描速度V以及粉末的质量流速 Dm0
[0040] 在其焦点的激光直径（即0u))通常远小于粉末束在粉末焦点的直径0Ρ〇,因此 对于被聚焦的粉末束（其焦点Fp位于工作平面P上），或其焦点F ρ位于工作平面P以上并 在激光焦点^以下的未被聚焦的粉末束，现有技术中的工作结构逻辑上需要激光束不被聚 焦（其焦点^位于工作平面P以上），由于相反正被构造的结构将会不稳定以及不存在对 可接受的熔化效率的保证。如上所述，通常，在该平面P测量的激光束直径并不对应于 液体熔池直径0B1_，该液体熔池直径0BL·大致等于固化后 嵌条的宽度（写作eapp)(图4和 5) 〇
[0041] 假设液体熔池的直径0BL为0L、因此0LO、同样由三联体（Pp V、Dm)定义的设 置、以及各种粉末颗粒的尺寸Dp及它们的速度Vp的函数，除了取决于它们的热物理性质之 外。
[0042] 在逐层地构造该部件的过程中，喷嘴190特别地垂直移动，在保持点^和F p之间 距离不变（即Defoclj-Defocp=常数）的同时，其中Defoe L和Defoe p分别表示如下所定义 的激光散焦和粉末散焦：
[0043] DefocL= {:从F L到工作平面P的距离}
[0044] 以及
[0045] Defocp= {:从F p到工作平面P的距离}
[0046] 这可从图4看出。
[0047] 因此，粉末束94的焦点Fp保持在激光束95内侧并紧接在先前构造层的表面（工 作平面P)之上。
[0048] 因此，在平面P上存在散焦的激光束（DefocpO)以及散焦的粉末束（Defocp= 0) 或在该平面P之上的散焦的（DefocpX))，并且需要以这种方式配置这两个角度2β和2δ， 使得首先在喷嘴出口和平面P之间的工作距离WD足够大，以避免通过来自熔池的辐射损坏 喷嘴的底部，其次确保在喷嘴出口的激光束的孔保持小于内锥的直径。
[0049] 移动支撑件80或扫描包括喷嘴190和激光束95的组件可以赋予每层一个独立于 相邻层的形状。该部件的较低层退火，然后随着形成该部件的更高层，它们逐步地冷却。
[0050] 然而，需要提高熔化质量效率Rm(即形成被精加工部件的材料量与通过喷嘴喷射 以形成该部件的材料量之比值），该回收粉末质量效率ζ (即，如在筛选后获得的形态学 上完整的粉末和凝聚体的量与被喷射的材料量之比值），在该部件表面形成的熔池的稳定 性，以及被制造部件的材料安定性，对于参数设置的给定非穷举组合（粉末颗粒的尺寸分 布DP、粉末材料的性质，粉末质量流率Dm、包括喷嘴和激光束的组件的行进速度V、由激光供 给的电源，在工作平面P上的功率密度分布、激光源（固体或气体）的类型、模式（脉冲 的或连续的）、同轴喷嘴、携带粉末颗粒的气体性质及其流速Dgp、穿过喷嘴轴线的保护气体 及其流速Dgl，角度2 β和2 δ，以及同样以上定义的直径0ω和0PO,等）。
【发明内容】
[0051] 本发明旨在提出一种方法，并且特别地一种对于该DMD方法优化的工作结构（由 Defoes Def〇Cp、WD所定义），其用于首先提高熔池的稳定性、其次提高熔化质量效率、回收 粉末质量效率、材料安定性以及构造速度（使Z最大化提升了喷嘴的增量，写作Λ Z)。
[0052] 通过以下事实实现了该目的：该粉末颗粒在相对于熔池温度很冷的温度下到达每 个熔池。
[0053] 通过这些提供，当粉末颗粒很热甚至部分或完全地熔化到达熔池时，被定义为熔 化质量效率（Rni)加上回收粉末效率（Gmct)之和的该方法的质量效率η 1)大于该方法的质 量效率。此外，在到达该熔池时，该粉末颗粒用于减少液体熔池 Τ%的温度（因为它们比熔 池更冷，该颗粒在渗透到该熔池之前基本处于环境温度下），同时增加了熔池的体积并且特 别地在平面P以上的体积，而不增加稀释区域的宽度和高度（位于该平面P以下的熔池体 积）。这不可避免地导致在液体表面和熔池蒸汽之间的表面张力的快速增长，从而导致熔池 的更好稳定性。
[0054] 此外，以这种方式在每个沉淀层中促进大量的稀释用于使制作缺陷最小化。
[0055] 有利地，所述高能光束焦点^位于工作平面P或在该平面中，以及所述粉末光束 焦点Fp位于工作平面P以下，使得该粉末颗粒在任何时候不与高能光束在喷嘴的出口和工 作平面P之间交叉。特别地，粉末光束焦点Fp可能位于支撑件内，特别地当沉淀初始层时。 在一定数量的层已经沉淀后，粉末光束焦点Fp可能位于先前沉淀层内。
[0056] 因此，当它们到达先前在该部件的已构造部分上形成的熔池之前，大部分粉末颗 粒很冷。
[0057] 这些颗粒然后渗透到足够宽（0ΒΙ>0Ρ )和足够深（HZK>Happ:参见以上参考图5 给出的定义）的熔池内，以吸收在激光/熔池相互作用过程中由喷嘴喷射的所有颗粒的最 大数量和最大部分，该相互作用由与的V比值所定义。
[0058] 此外，由于剩余的粉末颗粒是完整的，未被高能光束加热，它们完全地适用于回 收。
[0059] 此外，粉末束和高能光束可基本同轴，即它们的轴线可在它们之间形成一个小于 30°的角度，优选地小于20°，更优选地小于10°，更优选地小于5°。高能光束因此在形 状复杂部件的制作过程中能够很容易地遵循粉末束。当抵消了喷射或熔化时，即当粉末束 和高能光束基本不同轴时，更难跟踪所制作部件的形状。
【附图说明】
[0060] 可以很好地理解本发明，并且在阅读经由非限制性示例给出的一种实施方式的以 下详细描述后，其优点更好地出现。本描述参考附图，其中：
[0061] 图1是示出了在本发明的方法中，用于定位该高能光束和粉末束的一种可能性的 图表；
[0062] 图2,如上所述，是用于解释现有技术方法并示出用于该DMD方法的装置的图表；
[0063] 图3,如上所述，示出了当它们到达液体熔池时，Ti-6A1-4V粉末的颗粒直径DP在 其出口温度上的效应；
[0064] 图4,如上所述，是示出现有技术方法中高能光束以及粉末束的定位的图表；以及
[0065] 图5,如上所述，是在该支撑件中形成的液体熔池的图解截面。
【具体实施方式】
[0066] 在本发明中，当粉末颗粒到达在前一层（或支撑件）的表面形成的熔池时，粉末颗 粒是冷的。术语"冷"意味着颗粒的温度比熔池的温度低很多。在渗透到熔池中之前，颗粒 的温度基本等于环境温度，如大约20°C。
[0067] 相比之下，液体熔池的温度高于构成该粉末的材料的熔化温度T F，但低于该 材料的沸点温度Tevap。该熔化温度对于铝合金来说高于550°C，对于镍基合金来说高于 1300°C，对于钢来说高于1450°C，对于钛合金来说高于1550°C。
[0068] 图1示出了本发明的一种实施方式，该实施方式能使当粉末颗粒到达在前一层 (或支撑件）的表面中形成的熔池时，粉末颗粒是冷的。这种实施方式也存在更容易地例如 通过电荷耦合器件（CCD)相机在轴线上查看熔池的优点，以在线监测该方法，其对于使该 方法工业化是有用的。
[0069] 图1是支撑件80连同已经沉淀在支撑件80上的材料的第一层10的截面视图。 第二层20然后沉淀在第一层10上。在第二层20的嵌条105被构造时被显示，该嵌条105 从左到右以及从上游到下游前进（嵌条105的向前行进方向，或与液体熔池102等同的方 式）。熔池102因此位于嵌条105的紧下游在喷嘴190下，从该喷嘴出现了激光束95和粉 末束94。第一层10的上表面然后相对于第二层构成工作平面P，该第二层正被构造并且从 该第二层测量了以下值：激光散焦距离Defoq、粉末散焦距离Def〇Cp、工作距离WD、激光束 直径0L、粉末束直径0P。
[0070] 在喷射粉末颗粒60的同时，喷嘴190发出来自发生器90的激光束95。喷嘴190 的第一孔191与第二孔192同轴，粉末通过该第一孔被喷射到支撑件80上，激光束95通过 该第二孔发射，使得粉末在激光束95中喷射。粉末形成颗粒的锥形，该中空锥存在一定厚 度（粉末束94)，激光束是锥形的。
[0071 ] 在本发明中，喷嘴190被配置并定位为使得高能光束95的焦点匕位于该工作平面 P以上或在该平面中，粉末束94的焦点Fp位于工作平面P以下，使得粉末颗粒60在任何时 候都不与高能光束在喷嘴出口和工作平面P之间交叉。
[0072] 在不同于如图1所示的实施方式中，粉末束的焦点Fp可位于该支撑件内。在这种 情况下，粉末散焦距离Defocp小于如图1中所示的。其结果是，对于给定参数设置（Pp V、 Dm)，在该平面P中激光束的直径更接近于在该平面P中粉末束的直径0P。
[0073] 例如，在该平面P中激光束的直径0L稍微小于在该平面P中粉末束的直径0 P。
[0074] 如图1所示，通过相对于现有技术结构移动喷嘴190更接近工作平面P (图4)，即 通过减少工作距离WD，而获得了这样的结构。
[0075] 这样的工作结构特别地适于制造宽的嵌条105,即嵌条105的宽度大于高能光束 95在激光焦点的直径0LO。
[0076] 液体熔池的直径0BL.更大，更多的冷粉末颗粒到达液体熔池 102,这如上所解释 是有益的。
[0077] 高能光束95的焦点^也可位于工作平面P中，当制造更小宽度的精细嵌条时，这 是优选的。在这种情况下，粉末束94的焦点Fp可位于工作平面P中。粉末束94的焦点Fp也可位于工作平面P以下。
[0078] 为了优化本发明的方法，可以相应地适用某些参数设置，特别是激光功率1\、扫描 速度V和/或粉末质量流率Dm。
[0079] 然而，在图1所示的实施方式中，可能需要提供（额外）的对喷嘴190的冷却，因 为喷嘴190由于其接近液体熔池102而通过辐射被加热。这种冷却需要昂贵的设备。
[0080] 为了减轻这个问题，因而保存足够的工作距离WD (喷嘴到熔池的距离） ，同时避免 粉末束与高能光束交叉，发明人已经构思了一种实施方式，该实施方式有利地在于减少距 离Defcx^，或减少激光束95相对于轴Z的发散半角β，每种方式都相当于减少0Ll以确保 它小于0p。
[0081] 或者，增加粉末束94的距离DefocP，以弥补当增加 WD时0p的减少，从而保持0P 大于0|
[0082] 可以共同实施对距离Defoq和角度β的减少，以及对距离Defoe p的增加。
[0083] 这三个变量中的这些变化可独立地实施或结合增加工作距离WD。实际上，喷嘴 190因此以这种方式被配置和定位，使得粉末颗粒60在由激光束95所覆盖的工作平面P的 区域的紧外侧到达该工作平面Ρ。
[0084] 这样，假设液体熔池 102通过传导延伸超越该区域一点，大部分的粉末颗粒60落 入熔池102,而不与激光束95相互作用。粉末颗粒60因此在它们渗入熔池102之前仍然是 冷的。在激光和熔池102上游的粉末之间不存在相互作用的一个优点是避免形状的任何变 化，以避免凝聚体形成，以及避免粉末颗粒60的有害氧化。
[0085] 这解释了为何发明人进行的测试表明在本发明方法中的熔化质量效率Rm高于当 粉末在很热或甚至部分或完全地熔化时到达熔池时的熔化质量效率。
[0086] 而且，熔池 102更热稳定，因为粉末颗粒60快速地冷却熔池 102 (从而增加在该液 体和熔池的蒸汽之间的表面张力，以及通过添加"冷"粉末和通过改变熔池内的温度梯度而 在液体密度中的变化，非常肯定地导致在熔池内对流运动的变化）。
[0087] 本发明方法的另一优点是，未参与形成液体熔池的粉末颗粒60 (因为它们落在熔 池102的外侧）仍是冷的，从而适合再应用。本发明的（熔化+回收）方法的总质量效率 因此确实比现有技术方法的总质量效率更大。
[0088] 有利地，一旦稳定的温度状况已经在熔池周围在被构造部件中局部地建立后，对 于熔池102的更大稳定性以及对于更好的材料安定性，该熔池具有由Θ〈90°、Happ/eapp〈l 以及HZK/Happ> 0.6所定义的长方形形状，其中Θ是由熔池102的顶表面与工作平面P - 起制成的角度，Happ是嵌条的外观高度（在工作平面P以上的浴槽102的部分），e app是其 宽度，以及Hzk是再熔区域或稀释区域（在工作平面P以下的熔池的部分）的高度（参见图 5) 〇
[0089] 优选地，这三个量Θ、Happ/eapp以及H ZK/Happ满足以下的关系：
[0090] 15。彡 Θ 彡 60°，0.04 彡 Happ/eapp彡 0.75,以及 1 彡 HZr/Happ彡 6。
[0091] 当材料在部件上构造用于维修目的时，这些量优选地满足以下关系：
[0092] 30。彡 Θ 彡 60。，0· 15 彡 Happ/eapp彡 0· 25,以及 0· 01 彡 HZr/Happ彡 0· 025。
[0093] 有利地，粉末颗粒60的尺寸分布很窄（其对应于都具有基本相同尺寸的颗粒，该 尺寸对液体熔池的温度和体积是合适的，从而在激光/熔池相互作用的整个持续时间中在 任何时候被熔化）。在这种情况下，所有粉末颗粒60在激光束95已经继续前进（以及因此 停止加热熔池102)之前具有足够时间以在熔池102中熔化的可能性很高。由于熔池的温度 更快地下降以及嵌条的外观高度变得更大，本方法在于使冷的并具有窄的粒径分布的粉末 颗粒进入熔池在稳定性和构建速度方面更有效。由于熔池的温度随着颗粒渗透到熔池102 中而逐渐地下降并保持恒定（达到了固化阈值），该外观高度随着更精细的颗粒而增加。
[0094] 例如，粉末颗粒60具有25微米（μ m)到75 μ m的尺寸范围。优选地，这些尺寸在 25 μ m到45 μ m的范围内。
[0095] 在现有技术方法中，粉末颗粒60的更广泛分布是更有害的。在激光与粉末之间存 在相互作用的情况下，在不同温度下到达熔池的不同尺寸的粉末颗粒60导致熔池温度的 波动，并存在使熔池不稳定的风险。
[0096] 有利地，喷嘴190的定位，即工作距离WD，被伺服控制到该工作平面P的空间变化 (在被构造部件的层的固化材料高度Happ的变化，同时在喷嘴190的Z轴上的升高增量Λ Z 由预先编制的程序来保持恒定），使得对于每个层，激光束95的焦点^位于工作平面P以 上的相同高度，并且粉末束94的焦点Fp位于工作平面P以下的相同高度。
[0097] 或者，该增量ΛΖ可被伺服控制成在层的固化材料高度Happ中的变量。
[0098] 通过使用已知类型的处理控制程序实施这种伺服控制，该处理控制程序在本文中 不需要描述。
【主权项】
1. 一种制造部件的方法，所述方法包括以下步骤： a) 以形成粉末束（94)的粉末颗粒（60)的形式供应一种材料； b) 借助于一高能束（95)加热第一量的粉末到一高于该粉末的熔化温度Tf的温度，并 在一支撑件（80)的表面形成第一熔池，该第一熔池包括所述熔化的粉末以及所述支撑件 (80)的一部分； c) 借助于所述高能束（95)加热第二量的所述粉末到一高于其熔化温度Tf的温度，并 在所述支撑件（80)的表面形成第二熔池，该第二熔池包括所述熔化的粉末以及所述第一 熔池下游的所述支撑件（80)的一部分； d) 重复步骤c)，直到所述部件的第一层（10)形成在所述支撑件（80)上； e) 借助于一高能束（95)加热第n量的所述粉末到一高于其熔化温度Tf的温度，并形 成第n个熔池，所述第n个熔池部分地包括在所述第一层（10)的一部分之上的所述熔化粉 末； f) 借助于所述高能束（95)加热第n+1量的所述粉末到一高于其熔化温度Tf的温度，并 形成第n+1个熔池，所述第n+1个熔池部分地包括所述第n个熔池下游在所述第一层（10) 的一部分之上的所述熔化粉末； g) 重复步骤f)，以在所述第一层（10)之上形成所述部件的第二层（20);以及 h) 对于位于已形成的层之上的每一层，重复步骤e)到g)，直到所述部件基本处于其最 终形状； 所述方法的特征在于，所述粉末束（94)和所述高能束（95)基本上同轴，所述粉末颗粒 (60)在相对于所述熔池的温度较冷的温度下到达各熔池。2. 根据权利要求1所述的制造部件的方法，其特征在于，所述高能束（95)的焦点FjT 于所述工作平面P之上或在所述平面中，所述粉末束（94)的焦点Fp位于所述工作平面P之 下，使得粉末颗粒在任何时候都不与所述高能束（95)在一喷嘴（190)的出口与所述工作平 面P之间交叉，所述工作平面P被定义为包含表面的平面，所述层形成于该表面上。3. 根据权利要求2所述的制造部件的方法，其特征在于，为了获得根据权利要求2所述 的高能束（95)的焦点^和粉末束（94)的焦点FP，增加所述粉末束（94)的散焦距离Def〇Cp， 和/或减少所述激光束（95)相对于垂直于所述工作平面P的发散半角0，或减少所述高能 激光束（95)的散焦距离Defoc^4. 根据权利要求1到3中任何一项所述的制造部件的方法，其特征在于，所述粉末颗粒 (60)的粒度分布很窄。5. 根据权利要求1到4中任何一项所述的制造部件的方法，其特征在于，每个所述熔 池都具有由0〈9〇°、Happ/eapp〈l以及HZK/Happ彡0.6所定义的形状，其中0表示在所述熔 池的上表面与所述工作平面P之间的角度，Happ表示所述嵌条的外观高度，eapp表示其宽度， Hzk表示再熔区域的高度。6. 根据权利要求5所述的制造部件的方法，其特征在于，这三个量0、Happ/eapp以及Hzk/ Happ满足以下的关系： 15。彡 0 彡 60°，0.04 彡Happ/eapp彡 0.75,以及1 彡HZr/Happ彡 6。
【专利摘要】本发明涉及一种制造部件的方法，所述方法包括以下步骤：a)提供粉末颗粒(60)形式的材料；b)借助于高能束(95)加热第一量的粉末到一高于该粉末的熔化温度TF的温度，并在一支撑件(80)的表面形成第一个熔池，该第一个熔池包括该熔化的粉末以及该支撑件(80)的一部分；c)同样，加热该粉末，并在该支撑件(80)的表面形成第二个熔池，该第二个熔池包括该第一个熔池下游的该熔化的粉末；d)重复步骤c)，直到所述部件的第一层(10)形成在所述支撑件(80)上；e)同样，加热第n量的所述粉末，并形成第n个熔池，该第n个熔池部分地包括在所述第一层(10)的一部分上的该熔化粉末；f)同样，加热第n+1量的粉末，并形成第n+1个熔池，该第n+1个熔池部分地包括所述第n个熔池下游在所述第一层(10)的一部分上的该熔化粉末；g)重复步骤f)，以在所述第一层(10)以上形成该部件的第二层(20)；以及h)对于位于已形成层以上的每一层，重复步骤e)到g)，直到该部件基本处于其最终形状。该粉末颗粒(60)在远低于该熔池温度的温度下到达每个熔池。
【IPC分类】B29C67/00, B22F3/105
【公开号】CN104903030
【申请号】CN201380062771
【发明人】克里斯托弗·科林, 朱莉·梅宗讷夫, 杰拉德·索热尔
【申请人】斯奈克玛, 法国Mbda
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月29日
【公告号】CA2892848A1, EP2925471A1, US20150298259, WO2014083291A1
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通过用高能光束（激光束、电子束、…）熔化粉末制作部件的领域。
[0002] 本发明更具体地涉及一种包括以下步骤的方法：
[0003] a)以形成粉末束的粉末颗粒形式供给一种材料；
[0004] b)借助于高能光束加热第一数量的粉末到一个高于粉末的熔化温度Tf的温度，并 在支撑件的表面形成第一熔池，所述第一熔池包括所述熔化的粉末以及所述支撑件的一部 分；
[0005] C)借助于所述高能光束加热所述粉末到一个高于其熔化温度Tf的温度，并在所述 支撑件的表面形成第二熔池，所述第二熔池包括所述熔化的粉末以及从所述第一熔池下游 的所述支撑件的一部分；
[0006] d)重复步骤C)，直到所述部件的第一层形成在所述支撑件上；
[0007] e)借助于高能光束加热第[η]数量的粉末到一个高于其熔化温度Tf的温度，并形 成第[η]熔池，所述第[η]熔池部分地包括在所述第一层的一部分上的所述熔化粉末；
[0008] f)借助于所述高能光束加热第[η+1]数量的粉末到一个高于其熔化温度Tf的温 度，并形成第[η+1]熔池，所述第[η+1]熔池部分地包括从所述第[η+1]熔池下游在所述第 一层的一部分上的所述熔化粉末；
[0009] g)重复步骤f)，以在所述第一层以上形成所述部件的第二层；以及
[0010] h)对于位于已形成层以上的每一层，重复步骤e)到g)，直到所述部件基本处于其 最终形状。
[0011] 在上述方法中，需要[n-l]数量的粉末以形成所述第一层。
【背景技术】
[0012] 可以获得具有三维（3D)形状的复杂机械部件的方法是众所周知的。这些方法 逐层建立一个部件，直到该部件所需的形状已被重组。有利地，该部件可由从用控制该机 器的电脑处理三维计算机辅助设计（CAD)图形文件的数据推断的计算机辅助设计和制造 (CADM)文件直接地重组，该机器从而形成被熔化然后一层在另一层上地固化的连续层的材 料，每一层都由通过从CADM文件定义的尺寸和形状的并列嵌条所构成。
[0013] 例如，构成该粉末的颗粒可以是金属、金属间化合物、陶瓷或聚合物。
[0014] 在本申请中，当该粉末是金属合金时，熔化温度Tf是位于在对于该合金的给定成 分的液相线温度和固相温度之间的温度。
[0015] 该构造支撑件可以是某一其他部件的一部分，其上需要添加额外功能。其成分可 能不同于所喷射的粉末颗粒，因此这可以具有不同的熔化温度。
[0016] 这些方法具体包括通过激光喷射或"直接金属沉淀"（DMD)、"选择性层熔 化"（SLM)，以及"电子束熔化"（EBM)。
[0017] 以下参考图2、4、5解释该DMD方法的操作。
[0018] 在本地保护下或在壳体内在惰性气体的受控高或低压下，通过使粉末颗粒通过喷 嘴190在支撑件80上喷射到该材料上，形成了材料的第一层10。与喷射粉末颗粒60同时， 喷嘴190发出来自发生器90的激光束95。喷嘴190的第一孔191与第二孔192同轴，粉 末通过该第一孔喷射到支撑件80上，激光束95通过该第二孔发射，使得粉末喷射到激光束 95内。该粉末形成了颗粒的锥，该锥是空心的并存在一定厚度（如图4所示的粉末束94)， 并且激光束95是锥形的。
[0019] 工作平面P被定义为包含以下表面的平面，该层被构造和/或形成在该表面上。
[0020] 为了构造该第一层，该表面是支撑件80的顶部（自由）表面S。。为了构建低[n+1] 层，该表面是第[η](整数η，η多1)层的顶部（自由）表面。
[0021] 通过熔化被暴露到激光束的支撑件80的区域，激光束95在支撑件80上形成熔池 102。粉末进入该熔池102,在该熔池中，粉末已经达到熔融状态，该粉末在到达熔池之前在 激光束中的其路径上熔化。
[0022] 或者，举例来说，喷嘴190和激光的焦点可以这种方式被调节和/或定位，使得给 定粒度分布的粉末对于不同尺寸的所有其颗粒不在激光束95中通过足够时间以完全地熔 化，以使它们在到达熔池102时熔化，通过熔化被暴露到激光束95的支撑件80的区域，该 熔池先前已被形成在支撑件80的表面上。
[0023] 工作距离WD被定义为在喷嘴190和工作平面P之间的距离。
[0024] 在正在考虑的工作距离WD上，该粉末同样可不被激光束95熔化或者它可部分地 熔化，仅因为组成该粉末的一些或所有颗粒对它们来说太大而不被熔化。如在图3中可以 看出的，粉末颗粒的平均直径Dp越小，它们被加热的速度越大，但它们被维持在熔化温度的 时间越短，它们的冷却越快。而且，图3示出了当对于给定工作结构它们到达熔池时，尺寸 分布越窄，所有粉末颗粒被熔化的程度越大。
[0025] 在所有情况下，该粉末颗粒在进入该熔池之前通过激光束95被加热。
[0026] 在激光束95(或支撑件80)向下游移动的同时，熔池102被保持并逐步固化，以在 支撑件80上形成固化材料的嵌条105。继续该过程以在支撑件80上形成另一固化嵌条，例 如，该另一嵌条与第一嵌条并列。因此，通过在一个平行于上述工作平面P的平面中移动喷 嘴190或支撑件80,材料的第一层10沉淀在支撑件80上，通过在与在CADM文件中定义的 形状相符的形状的单件中固化第一元件15,该层形成。
[0027] 此后，喷嘴190和激光束95被致使一起实施第二扫描，从而以类似方式在第一元 件15的顶部形成材料的第二层20。该第二层20形成第二固化元件25,并且这两个元件15 和25 -起形成单件块。在第二层20的构造过程中，在第一元件15上形成的熔池102通常 包括第一元件15的至少一部分，该部分与进入熔池102的粉末颗粒一起通过暴露到激光束 95而熔化。
[0028] 考虑由与该支撑件的上表面Stl垂直的垂直轴Z ^以及该支撑件的表面S ^构成的参 考系。该参考系依赖于支撑件80,或者更确切地依赖于被构造部件，对于该部件，参考平面 P在沉淀该第一层材料时由支撑件的表面Stl，或由最近沉淀层的上表面所定义。
[0029] 通常对于一层，该工作平面P不必平行于表面Stl。被定义为垂直于工作平面P的 轴Z因此不必平行于轴Zp
[0030] 在连续两个层之间，喷嘴沿轴Z移动一个理论上等于实际上已经沉淀的材料Happ 的高度的值ΔΖ，该高度应该是恒定的（独立于喷嘴的路径），并且当该构造被优化并且稳 定时是足够大的（图4和5)。图5是在该支撑件中部分地形成的液体熔池的截面，其显示 该熔池的形状。
[0031] 支撑件80的表面Stl是在高度为零的平面。因此，在构造该第一层时，平行于S。并 具有被包含在该支撑件中或（相对于轴Ztl)在该支撑件以下的部分的平面处于负高度，具 有高于该支撑件表面Stl(相对于轴Ztl)的部分的平行于Stl的平面处于正高度。
[0032] 如果一给定工作平面P具有正的，比另一平面的高度大的高度，则关于构造第[η] 层的该给定工作平面P高于被附接到较低层的该另一工作平面。
[0033] 在依赖于该支撑件80以及依赖于该部件的参考系中，第二层20被构建在高于第 一层10的工作平面的工作平面P上，这两个平面间隔一个沿垂直于该工作面P的轴Z测量 的距离ΔΖ。
[0034] 通常，更高层的工作平面不需要平行于前一较低层的工作平面，其中更高层的Z 轴相对于该较低层的工作平面的轴Z处于非零的角度，并且沿后一轴Z在该较低层的每一 点以上测量的距离ΔΖ是一平均值。
[0035] 然后通过在已经形成的组件上添加附加层继续逐层地准备该部件的该过程。
[0036] 显示现有技术的图4更详细地示出了激光束95和粉末束94的结构。激光束95 使喷嘴190在从其焦点^的角度2 β (位于喷嘴190的底部）发散，并且它照射支撑件80 的区域，导致在其中形成熔池102。
[0037] 以粉末颗粒60在激光束95中耗费最大的时间长度以被加热的方式，粉末束94在 朝其焦点Fp以角度2 δ会聚时离开喷嘴190,该焦点位于激光束95内侧并紧接在支撑件80 的表面（工作平面Ρ)之上（或以上）。在激光和从该熔池上游的粉末之间的大量相互作用 的优点是产生当建立该工作部件的表面时经常需要从而修复它们以及当沉淀坚硬涂层时 的高沉淀速率和低稀释。
[0038] 熔化的理论效率被定义为激光束95的直径0l除以粉末束94的直径0Ρ的比值， 这两个直径在该工作平面P中确定。
[0039] 或者，直径0L可由液体熔池的直径0[儿代替（参见图4)，以评估该效率，该效率 取决于所选定的参数设置，具体为激光功率1\，激光束的扫描速度V以及粉末的质量流速 Dm0
[0040] 在其焦点的激光直径（即0u))通常远小于粉末束在粉末焦点的直径0Ρ〇,因此 对于被聚焦的粉末束（其焦点Fp位于工作平面P上），或其焦点F ρ位于工作平面P以上并 在激光焦点^以下的未被聚焦的粉末束，现有技术中的工作结构逻辑上需要激光束不被聚 焦（其焦点^位于工作平面P以上），由于相反正被构造的结构将会不稳定以及不存在对 可接受的熔化效率的保证。如上所述，通常，在该平面P测量的激光束直径并不对应于 液体熔池直径0B1_，该液体熔池直径0BL·大致等于固化后 嵌条的宽度（写作eapp)(图4和 5) 〇
[0041] 假设液体熔池的直径0BL为0L、因此0LO、同样由三联体（Pp V、Dm)定义的设 置、以及各种粉末颗粒的尺寸Dp及它们的速度Vp的函数，除了取决于它们的热物理性质之 外。
[0042] 在逐层地构造该部件的过程中，喷嘴190特别地垂直移动，在保持点^和F p之间 距离不变（即Defoclj-Defocp=常数）的同时，其中Defoe L和Defoe p分别表示如下所定义 的激光散焦和粉末散焦：
[0043] DefocL= {:从F L到工作平面P的距离}
[0044] 以及
[0045] Defocp= {:从F p到工作平面P的距离}
[0046] 这可从图4看出。
[0047] 因此，粉末束94的焦点Fp保持在激光束95内侧并紧接在先前构造层的表面（工 作平面P)之上。
[0048] 因此，在平面P上存在散焦的激光束（DefocpO)以及散焦的粉末束（Defocp= 0) 或在该平面P之上的散焦的（DefocpX))，并且需要以这种方式配置这两个角度2β和2δ， 使得首先在喷嘴出口和平面P之间的工作距离WD足够大，以避免通过来自熔池的辐射损坏 喷嘴的底部，其次确保在喷嘴出口的激光束的孔保持小于内锥的直径。
[0049] 移动支撑件80或扫描包括喷嘴190和激光束95的组件可以赋予每层一个独立于 相邻层的形状。该部件的较低层退火，然后随着形成该部件的更高层，它们逐步地冷却。
[0050] 然而，需要提高熔化质量效率Rm(即形成被精加工部件的材料量与通过喷嘴喷射 以形成该部件的材料量之比值），该回收粉末质量效率ζ (即，如在筛选后获得的形态学 上完整的粉末和凝聚体的量与被喷射的材料量之比值），在该部件表面形成的熔池的稳定 性，以及被制造部件的材料安定性，对于参数设置的给定非穷举组合（粉末颗粒的尺寸分 布DP、粉末材料的性质，粉末质量流率Dm、包括喷嘴和激光束的组件的行进速度V、由激光供 给的电源，在工作平面P上的功率密度分布、激光源（固体或气体）的类型、模式（脉冲 的或连续的）、同轴喷嘴、携带粉末颗粒的气体性质及其流速Dgp、穿过喷嘴轴线的保护气体 及其流速Dgl，角度2 β和2 δ，以及同样以上定义的直径0ω和0PO,等）。
【发明内容】
[0051] 本发明旨在提出一种方法，并且特别地一种对于该DMD方法优化的工作结构（由 Defoes Def〇Cp、WD所定义），其用于首先提高熔池的稳定性、其次提高熔化质量效率、回收 粉末质量效率、材料安定性以及构造速度（使Z最大化提升了喷嘴的增量，写作Λ Z)。
[0052] 通过以下事实实现了该目的：该粉末颗粒在相对于熔池温度很冷的温度下到达每 个熔池。
[0053] 通过这些提供，当粉末颗粒很热甚至部分或完全地熔化到达熔池时，被定义为熔 化质量效率（Rni)加上回收粉末效率（Gmct)之和的该方法的质量效率η 1)大于该方法的质 量效率。此外，在到达该熔池时，该粉末颗粒用于减少液体熔池 Τ%的温度（因为它们比熔 池更冷，该颗粒在渗透到该熔池之前基本处于环境温度下），同时增加了熔池的体积并且特 别地在平面P以上的体积，而不增加稀释区域的宽度和高度（位于该平面P以下的熔池体 积）。这不可避免地导致在液体表面和熔池蒸汽之间的表面张力的快速增长，从而导致熔池 的更好稳定性。
[0054] 此外，以这种方式在每个沉淀层中促进大量的稀释用于使制作缺陷最小化。
[0055] 有利地，所述高能光束焦点^位于工作平面P或在该平面中，以及所述粉末光束 焦点Fp位于工作平面P以下，使得该粉末颗粒在任何时候不与高能光束在喷嘴的出口和工 作平面P之间交叉。特别地，粉末光束焦点Fp可能位于支撑件内，特别地当沉淀初始层时。 在一定数量的层已经沉淀后，粉末光束焦点Fp可能位于先前沉淀层内。
[0056] 因此，当它们到达先前在该部件的已构造部分上形成的熔池之前，大部分粉末颗 粒很冷。
[0057] 这些颗粒然后渗透到足够宽（0ΒΙ>0Ρ )和足够深（HZK>Happ:参见以上参考图5 给出的定义）的熔池内，以吸收在激光/熔池相互作用过程中由喷嘴喷射的所有颗粒的最 大数量和最大部分，该相互作用由与的V比值所定义。
[0058] 此外，由于剩余的粉末颗粒是完整的，未被高能光束加热，它们完全地适用于回 收。
[0059] 此外，粉末束和高能光束可基本同轴，即它们的轴线可在它们之间形成一个小于 30°的角度，优选地小于20°，更优选地小于10°，更优选地小于5°。高能光束因此在形 状复杂部件的制作过程中能够很容易地遵循粉末束。当抵消了喷射或熔化时，即当粉末束 和高能光束基本不同轴时，更难跟踪所制作部件的形状。
【附图说明】
[0060] 可以很好地理解本发明，并且在阅读经由非限制性示例给出的一种实施方式的以 下详细描述后，其优点更好地出现。本描述参考附图，其中：
[0061] 图1是示出了在本发明的方法中，用于定位该高能光束和粉末束的一种可能性的 图表；
[0062] 图2,如上所述，是用于解释现有技术方法并示出用于该DMD方法的装置的图表；
[0063] 图3,如上所述，示出了当它们到达液体熔池时，Ti-6A1-4V粉末的颗粒直径DP在 其出口温度上的效应；
[0064] 图4,如上所述，是示出现有技术方法中高能光束以及粉末束的定位的图表；以及
[0065] 图5,如上所述，是在该支撑件中形成的液体熔池的图解截面。
【具体实施方式】
[0066] 在本发明中，当粉末颗粒到达在前一层（或支撑件）的表面形成的熔池时，粉末颗 粒是冷的。术语"冷"意味着颗粒的温度比熔池的温度低很多。在渗透到熔池中之前，颗粒 的温度基本等于环境温度，如大约20°C。
[0067] 相比之下，液体熔池的温度高于构成该粉末的材料的熔化温度T F，但低于该 材料的沸点温度Tevap。该熔化温度对于铝合金来说高于550°C，对于镍基合金来说高于 1300°C，对于钢来说高于1450°C，对于钛合金来说高于1550°C。
[0068] 图1示出了本发明的一种实施方式，该实施方式能使当粉末颗粒到达在前一层 (或支撑件）的表面中形成的熔池时，粉末颗粒是冷的。这种实施方式也存在更容易地例如 通过电荷耦合器件（CCD)相机在轴线上查看熔池的优点，以在线监测该方法，其对于使该 方法工业化是有用的。
[0069] 图1是支撑件80连同已经沉淀在支撑件80上的材料的第一层10的截面视图。 第二层20然后沉淀在第一层10上。在第二层20的嵌条105被构造时被显示，该嵌条105 从左到右以及从上游到下游前进（嵌条105的向前行进方向，或与液体熔池102等同的方 式）。熔池102因此位于嵌条105的紧下游在喷嘴190下，从该喷嘴出现了激光束95和粉 末束94。第一层10的上表面然后相对于第二层构成工作平面P，该第二层正被构造并且从 该第二层测量了以下值：激光散焦距离Defoq、粉末散焦距离Def〇Cp、工作距离WD、激光束 直径0L、粉末束直径0P。
[0070] 在喷射粉末颗粒60的同时，喷嘴190发出来自发生器90的激光束95。喷嘴190 的第一孔191与第二孔192同轴，粉末通过该第一孔被喷射到支撑件80上，激光束95通过 该第二孔发射，使得粉末在激光束95中喷射。粉末形成颗粒的锥形，该中空锥存在一定厚 度（粉末束94)，激光束是锥形的。
[0071 ] 在本发明中，喷嘴190被配置并定位为使得高能光束95的焦点匕位于该工作平面 P以上或在该平面中，粉末束94的焦点Fp位于工作平面P以下，使得粉末颗粒60在任何时 候都不与高能光束在喷嘴出口和工作平面P之间交叉。
[0072] 在不同于如图1所示的实施方式中，粉末束的焦点Fp可位于该支撑件内。在这种 情况下，粉末散焦距离Defocp小于如图1中所示的。其结果是，对于给定参数设置（Pp V、 Dm)，在该平面P中激光束的直径更接近于在该平面P中粉末束的直径0P。
[0073] 例如，在该平面P中激光束的直径0L稍微小于在该平面P中粉末束的直径0 P。
[0074] 如图1所示，通过相对于现有技术结构移动喷嘴190更接近工作平面P (图4)，即 通过减少工作距离WD，而获得了这样的结构。
[0075] 这样的工作结构特别地适于制造宽的嵌条105,即嵌条105的宽度大于高能光束 95在激光焦点的直径0LO。
[0076] 液体熔池的直径0BL.更大，更多的冷粉末颗粒到达液体熔池 102,这如上所解释 是有益的。
[0077] 高能光束95的焦点^也可位于工作平面P中，当制造更小宽度的精细嵌条时，这 是优选的。在这种情况下，粉末束94的焦点Fp可位于工作平面P中。粉末束94的焦点Fp也可位于工作平面P以下。
[0078] 为了优化本发明的方法，可以相应地适用某些参数设置，特别是激光功率1\、扫描 速度V和/或粉末质量流率Dm。
[0079] 然而，在图1所示的实施方式中，可能需要提供（额外）的对喷嘴190的冷却，因 为喷嘴190由于其接近液体熔池102而通过辐射被加热。这种冷却需要昂贵的设备。
[0080] 为了减轻这个问题，因而保存足够的工作距离WD (喷嘴到熔池的距离） ，同时避免 粉末束与高能光束交叉，发明人已经构思了一种实施方式，该实施方式有利地在于减少距 离Defcx^，或减少激光束95相对于轴Z的发散半角β，每种方式都相当于减少0Ll以确保 它小于0p。
[0081] 或者，增加粉末束94的距离DefocP，以弥补当增加 WD时0p的减少，从而保持0P 大于0|
[0082] 可以共同实施对距离Defoq和角度β的减少，以及对距离Defoe p的增加。
[0083] 这三个变量中的这些变化可独立地实施或结合增加工作距离WD。实际上，喷嘴 190因此以这种方式被配置和定位，使得粉末颗粒60在由激光束95所覆盖的工作平面P的 区域的紧外侧到达该工作平面Ρ。
[0084] 这样，假设液体熔池 102通过传导延伸超越该区域一点，大部分的粉末颗粒60落 入熔池102,而不与激光束95相互作用。粉末颗粒60因此在它们渗入熔池102之前仍然是 冷的。在激光和熔池102上游的粉末之间不存在相互作用的一个优点是避免形状的任何变 化，以避免凝聚体形成，以及避免粉末颗粒60的有害氧化。
[0085] 这解释了为何发明人进行的测试表明在本发明方法中的熔化质量效率Rm高于当 粉末在很热或甚至部分或完全地熔化时到达熔池时的熔化质量效率。
[0086] 而且，熔池 102更热稳定，因为粉末颗粒60快速地冷却熔池 102 (从而增加在该液 体和熔池的蒸汽之间的表面张力，以及通过添加"冷"粉末和通过改变熔池内的温度梯度而 在液体密度中的变化，非常肯定地导致在熔池内对流运动的变化）。
[0087] 本发明方法的另一优点是，未参与形成液体熔池的粉末颗粒60 (因为它们落在熔 池102的外侧）仍是冷的，从而适合再应用。本发明的（熔化+回收）方法的总质量效率 因此确实比现有技术方法的总质量效率更大。
[0088] 有利地，一旦稳定的温度状况已经在熔池周围在被构造部件中局部地建立后，对 于熔池102的更大稳定性以及对于更好的材料安定性，该熔池具有由Θ〈90°、Happ/eapp〈l 以及HZK/Happ> 0.6所定义的长方形形状，其中Θ是由熔池102的顶表面与工作平面P - 起制成的角度，Happ是嵌条的外观高度（在工作平面P以上的浴槽102的部分），e app是其 宽度，以及Hzk是再熔区域或稀释区域（在工作平面P以下的熔池的部分）的高度（参见图 5) 〇
[0089] 优选地，这三个量Θ、Happ/eapp以及H ZK/Happ满足以下的关系：
[0090] 15。彡 Θ 彡 60°，0.04 彡 Happ/eapp彡 0.75,以及 1 彡 HZr/Happ彡 6。
[0091] 当材料在部件上构造用于维修目的时，这些量优选地满足以下关系：
[0092] 30。彡 Θ 彡 60。，0· 15 彡 Happ/eapp彡 0· 25,以及 0· 01 彡 HZr/Happ彡 0· 025。
[0093] 有利地，粉末颗粒60的尺寸分布很窄（其对应于都具有基本相同尺寸的颗粒，该 尺寸对液体熔池的温度和体积是合适的，从而在激光/熔池相互作用的整个持续时间中在 任何时候被熔化）。在这种情况下，所有粉末颗粒60在激光束95已经继续前进（以及因此 停止加热熔池102)之前具有足够时间以在熔池102中熔化的可能性很高。由于熔池的温度 更快地下降以及嵌条的外观高度变得更大，本方法在于使冷的并具有窄的粒径分布的粉末 颗粒进入熔池在稳定性和构建速度方面更有效。由于熔池的温度随着颗粒渗透到熔池102 中而逐渐地下降并保持恒定（达到了固化阈值），该外观高度随着更精细的颗粒而增加。
[0094] 例如，粉末颗粒60具有25微米（μ m)到75 μ m的尺寸范围。优选地，这些尺寸在 25 μ m到45 μ m的范围内。
[0095] 在现有技术方法中，粉末颗粒60的更广泛分布是更有害的。在激光与粉末之间存 在相互作用的情况下，在不同温度下到达熔池的不同尺寸的粉末颗粒60导致熔池温度的 波动，并存在使熔池不稳定的风险。
[0096] 有利地，喷嘴190的定位，即工作距离WD，被伺服控制到该工作平面P的空间变化 (在被构造部件的层的固化材料高度Happ的变化，同时在喷嘴190的Z轴上的升高增量Λ Z 由预先编制的程序来保持恒定），使得对于每个层，激光束95的焦点^位于工作平面P以 上的相同高度，并且粉末束94的焦点Fp位于工作平面P以下的相同高度。
[0097] 或者，该增量ΛΖ可被伺服控制成在层的固化材料高度Happ中的变量。
[0098] 通过使用已知类型的处理控制程序实施这种伺服控制，该处理控制程序在本文中 不需要描述。
【主权项】
1. 一种制造部件的方法，所述方法包括以下步骤： a) 以形成粉末束（94)的粉末颗粒（60)的形式供应一种材料； b) 借助于一高能束（95)加热第一量的粉末到一高于该粉末的熔化温度Tf的温度，并 在一支撑件（80)的表面形成第一熔池，该第一熔池包括所述熔化的粉末以及所述支撑件 (80)的一部分； c) 借助于所述高能束（95)加热第二量的所述粉末到一高于其熔化温度Tf的温度，并 在所述支撑件（80)的表面形成第二熔池，该第二熔池包括所述熔化的粉末以及所述第一 熔池下游的所述支撑件（80)的一部分； d) 重复步骤c)，直到所述部件的第一层（10)形成在所述支撑件（80)上； e) 借助于一高能束（95)加热第n量的所述粉末到一高于其熔化温度Tf的温度，并形 成第n个熔池，所述第n个熔池部分地包括在所述第一层（10)的一部分之上的所述熔化粉 末； f) 借助于所述高能束（95)加热第n+1量的所述粉末到一高于其熔化温度Tf的温度，并 形成第n+1个熔池，所述第n+1个熔池部分地包括所述第n个熔池下游在所述第一层（10) 的一部分之上的所述熔化粉末； g) 重复步骤f)，以在所述第一层（10)之上形成所述部件的第二层（20);以及 h) 对于位于已形成的层之上的每一层，重复步骤e)到g)，直到所述部件基本处于其最 终形状； 所述方法的特征在于，所述粉末束（94)和所述高能束（95)基本上同轴，所述粉末颗粒 (60)在相对于所述熔池的温度较冷的温度下到达各熔池。2. 根据权利要求1所述的制造部件的方法，其特征在于，所述高能束（95)的焦点FjT 于所述工作平面P之上或在所述平面中，所述粉末束（94)的焦点Fp位于所述工作平面P之 下，使得粉末颗粒在任何时候都不与所述高能束（95)在一喷嘴（190)的出口与所述工作平 面P之间交叉，所述工作平面P被定义为包含表面的平面，所述层形成于该表面上。3. 根据权利要求2所述的制造部件的方法，其特征在于，为了获得根据权利要求2所述 的高能束（95)的焦点^和粉末束（94)的焦点FP，增加所述粉末束（94)的散焦距离Def〇Cp， 和/或减少所述激光束（95)相对于垂直于所述工作平面P的发散半角0，或减少所述高能 激光束（95)的散焦距离Defoc^4. 根据权利要求1到3中任何一项所述的制造部件的方法，其特征在于，所述粉末颗粒 (60)的粒度分布很窄。5. 根据权利要求1到4中任何一项所述的制造部件的方法，其特征在于，每个所述熔 池都具有由0〈9〇°、Happ/eapp〈l以及HZK/Happ彡0.6所定义的形状，其中0表示在所述熔 池的上表面与所述工作平面P之间的角度，Happ表示所述嵌条的外观高度，eapp表示其宽度， Hzk表示再熔区域的高度。6. 根据权利要求5所述的制造部件的方法，其特征在于，这三个量0、Happ/eapp以及Hzk/ Happ满足以下的关系： 15。彡 0 彡 60°，0.04 彡Happ/eapp彡 0.75,以及1 彡HZr/Happ彡 6。
【专利摘要】本发明涉及一种制造部件的方法，所述方法包括以下步骤：a)提供粉末颗粒(60)形式的材料；b)借助于高能束(95)加热第一量的粉末到一高于该粉末的熔化温度TF的温度，并在一支撑件(80)的表面形成第一个熔池，该第一个熔池包括该熔化的粉末以及该支撑件(80)的一部分；c)同样，加热该粉末，并在该支撑件(80)的表面形成第二个熔池，该第二个熔池包括该第一个熔池下游的该熔化的粉末；d)重复步骤c)，直到所述部件的第一层(10)形成在所述支撑件(80)上；e)同样，加热第n量的所述粉末，并形成第n个熔池，该第n个熔池部分地包括在所述第一层(10)的一部分上的该熔化粉末；f)同样，加热第n+1量的粉末，并形成第n+1个熔池，该第n+1个熔池部分地包括所述第n个熔池下游在所述第一层(10)的一部分上的该熔化粉末；g)重复步骤f)，以在所述第一层(10)以上形成该部件的第二层(20)；以及h)对于位于已形成层以上的每一层，重复步骤e)到g)，直到该部件基本处于其最终形状。该粉末颗粒(60)在远低于该熔池温度的温度下到达每个熔池。
【IPC分类】B29C67/00, B22F3/105
【公开号】CN104903030
【申请号】CN201380062771
【发明人】克里斯托弗·科林, 朱莉·梅宗讷夫, 杰拉德·索热尔
【申请人】斯奈克玛, 法国Mbda
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月29日
【公告号】CA2892848A1, EP2925471A1, US20150298259, WO2014083291A1
最新回复(0)