包括加热邻近熔池的区域的用于熔化粉末的方法
包括加热邻近熔池的区域的用于熔化粉末的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通过利用高能束(激光束、电子束……)熔化粉末来制造零件的领域。
【背景技术】
[0002]本发明更具体地涉及一种包括如下步骤的方法:
[0003]a)提供粉末颗粒形式的材料；
[0004]b)在高能束的协助下将第一数量的粉末加热到高于粉末的熔化温度Tf的温度，并且在支撑件的表面形成包括支撑件的一部分和已熔化粉末的第一池；
[0005]c)在高能束的协助下将第二数量的粉末加热到高于它的熔化温度Tf的温度，并且在支撑件的表面形成包括支撑件的一部分和已熔化粉末、位于第一池下游的第二池；
[0006]d)重复步骤c)直至在支撑件上形成零件的第一层；
[0007]e)在高能束的协助下将第η数量的粉末加热到高于它的熔化温度Tf的温度，并且形成部分地包括已熔化粉末、在第一层的一部分之上的第η池；
[0008]f)在高能束的协助下将第n+1数量的粉末加热到高于它的熔化温度Tf的温度，并且形成部分地包括已熔化粉末、在所述第一层的一部分之上、位于所述第η池下游的第n+1池；
[0009]g)重复步骤f)以在第一层之上形成零件的第二层；以及
[0010]h)重复步骤e)至g)形成位于已经形成的层之上的每层，直至零件基本具有其最终形状。
[0011]在上面的方法中，需要η-1数量的粉末形成第一层。
[0012]现有已知的方法能够获得具有复杂三维(3D)形状的机械零件。这些方法一层一层地形成零件直至已重构出零件的期望形状。有利地，零件可以直接从计算机辅助设计和制造(CADM)文件使用计算机控制机器来重构，该计算机辅助设计和制造文件从处理3D计算机辅助设计(CAD)图形文件的数据推导出来，该机器以一层在另一层之上的方式形成被熔化并随后固化的材料的连续层，每层由具有CADM文件定义的尺寸和形状的并列的平边构成。
[0013]举例来说，构成粉末颗粒可以为金属的、金属间化合的、陶瓷的或聚合物的。
[0014]在本申请中，当粉末为金属合金，对于给定的合金成分，熔化温度Tf介于液相线温度和固相线温度之间。
[0015]建造支撑物可以为某些其它零件的一部分，在其上期望增加附加的功能。它的成分可以不同于喷射的粉末颗粒的成分，并且由此可以具有不同的熔化温度。
[0016]这些方法具体地包括激光喷射(project1n by laser)或直接“直接金属沉积，，(direct metal deposit1n，DMD)、“选择性层恪化”(selective layer melting，SLM)和“电子束恪化”(electron beam melting，EBM)。下面简要概括DMD和SLM方法的特点和操作。
[0017]下面参考图1解释DMD方法的操作。
[0018]在局部保护下或在规定的高压或低压的惰性气体的外壳中，通过喷嘴190将粉末颗粒喷射到在支撑件80上的材料上，形成材料的第一层10。与喷射粉末颗粒60同时地，喷嘴190发射来自发生器90的激光束。喷嘴190的第一孔口 191同轴地围绕第二孔口 192，通过第一孔口粉末被喷射到支撑件80上，通过第二孔口激光束95被发射，这样粉末被喷射到激光束95中。粉末形成颗粒的圆锥体，圆锥体是中空的，并且具有特定厚度，并且激光束是圆锥形的。
[0019]激光束95通过熔化暴露于激光束的支撑件80的区域，在支撑件80上形成池102。粉末供应给池102，粉末以熔化状态进入池，粉末在到达池之前在激光束中在它的路径上被熔化。
[0020]作为一种选择，并且举例来说，喷嘴190可以以这样一种方式控制和/或定位，使得粉末没有在激光束95中经历足够的时间以使所有粉末被完全熔化，并且它到达池102后熔化，该池是通过熔化支撑件80的暴露于激光束95的区域预先形成在支撑件80的表面上的。
[0021]粉末也能够根本不被激光束95熔化，或者能够仅部分被熔化，原因是一些或所有构成粉末颗粒的尺寸对它们来说太大而不能熔化。
[0022]当激光束95 (或支撑件80)向下游移动时，池102被保持并且渐渐固化以在支撑件80上形成固化材料105的平边。该过程继续进行以在支撑件80上形成另一个固化的平边，该另外的平边与例如第一平边并列。这样，通过在平行于工作平面的平面内移动喷嘴190或支撑件80，材料的第一层10沉积在支撑件80上，该层通过固化符合CADM文件定义的形状的一件式的第一元件15形成。工作平面P被定义为包含在其上建造和/或形成层的表面的平面。
[0023]此后，使喷嘴190和激光束95 —起执行第二遍扫掠，以便以相似的方式在第一元件15的顶面形成材料的第二层20。该第二层20形成第二固结元件25，并且这两个元件15和25 —起形成一件式的块。在建造第二层20期间形成在第一元件15上的池102通常包括被暴露于激光束95而已被熔化的第一元件15的至少一部分以及供应给该池102的粉末颗粒。
[0024]参考由垂直于支撑件的表面Stl的竖直轴线Ztl和支撑件的表面构成的参考坐标系。支撑件的该表面Stl为高度为零的平面。包含在支撑件内或在表面S ^以下(并且垂直于竖直轴线Ztl)的平面平面具有负高度，并且在支撑件的表面Stl以上(并且垂直于竖直轴线Ztl)的平面具有正高度。如果给定平面具有大于另一平面的高度的正高度，那么给定平面在该平面之上。
[0025]在该参考坐标系中，第二层20位于在第一层10的平面之上的平面内。
[0026]通常来说对于层，工作平面P并不必须平行于表面因此定义为垂直于工作平面P的轴线Z也不必须平行于轴线Zp通常，较高层的工作平面无需平行于先前的较低层的工作平面，其中较高层的轴线Z相对于较低层的工作平面的轴线Z成非零度角，并且沿后者的轴线Z测量的在较低层的每个点之上的距离△ Z为平均值。
[0027]这种一层一层地制备零件的过程然后通过在已经形成的组件上增加附加的层继续进行。
[0028]支撑件80的移动或喷嘴190和激光束95的一起的扫掠使每层获得独立于相邻层的形状的形状。当形成零件的较高层时零件的较低层被退火并逐渐地被冷却。
[0029]下面参考图2解释SLM方法的操作。
[0030]粉末由设置在供应仓70内的颗粒60组成，供应仓具有高度可调节的底部。例如在辊子30 (或任何其它沉积装置)的协助下，材料的粉末的第一层10被沉积在建造支撑件80上，其中粉末从供应仓70传递。
[0031]建造支撑件80在建造仓85内滑动，建造仓85的侧壁用来在侧向上限制粉末。辊子30还用来以连续经过的方式在建造支撑件80上散播粉末，并且能够用来压实粉末。多余的粉末被回收到与建造仓85相邻定位的回收仓40。
[0032]此后，粉末的第一层10的区域通过被由发生器90发射的激光束95扫掠而加热到高于粉末的熔化温度Tf的温度。
[0033]在第一层10的该区域内的粉末颗粒60由此被熔化并形成第--件式的元件15。
在该阶段期间，支撑件80可能也被部分熔化，因此它被附着在第一元件15上。
[0034]支撑件80被降低以相应于第一层已经确定的高度(在20微米(μπι)至100 μ m的范围内， 并且通常在30μπι至50μπι的范围内)的高度。用于熔化的粉末层的厚度保持层与层之间能够变化的值，因为它强烈地依赖于粉末床的孔隙度和它的平整度。
[0035]粉末的第二层20被沉积在第一层10上(使用上面定义的参考坐标系)。
[0036]此后，第二层20的区域通过暴露于激光束95被加热，该层至少部分位于第一固结元件15上，使得在第二层20的该区域的粉末颗粒熔化并形成第二固结元件25，在激光束95的影响下至少部分恪化第一元件15所导致的结果是，当两个元件15和25固化时，如图2所示，这两个元件一起形成一件式的块。
[0037]取决于将要建造的零件的轮廓，并且特别是如果它具有下切表面，那么能够出现被熔化并且随后固化的第二层20的上面提到的区域不会接触第一层10的熔化的并且固化的区域，于是使得第一固结元件15和第二固结元件25不会形成一件式的块。
[0038]这种一层一层地制备零件的方法然后通过在已经形成的组件上增加附加的粉末层继续进行。
[0039]对于某些形状的零件，由激光束95扫掠的一个或多个给定层的区域可以在那层内形成多个独立的元件，这些元件随后被分离。
[0040]给定层的区域可以由整层构成。
[0041]当给激光束一个与将制作的零件的形状匹配的形状，扫掠激光束95使得能够固结每层。当零件的较高层被建造时，零件的较低层冷却。
[0042]该激光束95的扫掠由控制系统执行。例如，在SLM方法中，控制系统50包括一个或多个可操纵的反光镜55，激光束95在它到达粉末层之前在其上被反射，反光镜55的角位置由检流计头装置控制，使得激光束扫掠粉末层的区域，并且从而跟随零件先前建立的轮廓。检流计头装置由CADM文件控制，CADM文件通过处理将被制造的零件的CAD数据而得到。
[0043]在DMD方法中，控制系统50 (图1中未示出)一起移动支撑件80或喷嘴190和激光束95。
[0044]DMD方法或SLM方法可使用任何高能束代替激光束95，只要束具有足够熔化粉末颗粒和材料的一部分的能量即可，在该部分下固化材料的平边形成。
[0045]然而，SLM和DMD方法存在缺点。
[0046]所有粉末通过直接暴露于激光束95或进入被激光束95加热并保持的液体池(粉末间接熔化)被加热到它的熔化温度Tf之上。，已熔化粉末的材料由此要承受当池固化时温度冷却到介于它的熔化温度Tf和周围温度之间的所谓的“退火”温度之后温度上升的循环。
[0047]由于激光束95在非常短的时间内给予材料大量的能量，池被非常快地加热。
[0048]池也非常快地冷却，因为热被在池下面已经固化的先前形成的层从池吸走，其中这些已经固化的层形成实心块。此外，在非常短的时间(和激光束95的扫掠速度成反比)内，池因暴露于激光束从非常热的环境经历至更接近周围环境而不是它的熔化温度Tf的温度的环境，这相当于在空气中淬火。
[0049]这种在建造期间零件的部分的快速连续的加热和冷却，取决于零件的形状、零件的尺寸和零件的加固，在零件内产生应力或导致零件的变形，术语“加固”被用来指利用起加强零件的薄部以避免薄部变形的作用的加强件。
[0050]如果被建造的零件是实心的，并且因此不是非常容易变形，当它被制造时应力积累在零件中，这些应力以残余应力的形式存在，或者如果它们超过材料的破坏应力实际上为裂缝。以后，在使用中，如果零件的操作温度太高，那么由于它的残余应力的释放零件将变形。
[0051]如果被建造的零件具有带有小的加固的薄的壁(即，它们的维度之一相比其它两维度是小的，并且为自由移动的)，那么当零件被建造时在每个池的冷却期间产生的应力具有使零件变形的效果。因此，这种变形导致被制造的零件具有不如期望的形状和尺寸精度。
[0052]此外，零件的这种变形会干扰它的制造方法。具体地，假设层的平边的定位取决于从处理将制造的零件的CAD数据推导出的CADM文件，其中该数据表示零件的体积，那么由于下面的层已经相对于它的由CADM文件最初指定的位置变形并移动，上面的层例如存在没有完全形成在下面的层上的风险。
【发明内容】
[0053]本发明试图弥补这些缺陷。
[0054]本发明试图提出一种方法，其能够降低或者甚至消除在池的形成期间产生的由池的快速加热以及随后的突然冷却导致的应力。
[0055]该目的通过以下技术手段获得，至少当形成每个池102时，辅助加热被用于将位于邻近池的区内的材料加热至低于熔化温度Tf的温度，该区包括从位于池的上游(S卩，后面)的上游区域和位于池的下游(即，前面)的区域中选择的至少一个区域。
[0056]通过这些设置，由于形成连续的粉末的液体池的材料较少的突然加热和冷却，零件内形成的内应力更小。这起到避免在零件内形成过度的残余应力和裂缝的作用。
[0057]有利地，材料在位于池上游的上游区域中被加热，以将材料的冷却速率降低为小于它的自然冷却速率。
[0058]这起到避免材料过快冷却的作用，而过快冷却将产生残余应力。
[0059]本发明还提供一种用于通过在高能束的协助下熔化粉末来制造零件的装置，该装置包括:
[0060]-用于接收至少一个粉末层的建造支撑件；以及
[0061]-高能束发生器，其适于将粉末颗粒升高到高于它们的熔化温度Tf的温度，并且用于形成包括已熔化粉末颗粒的液体池。
[0062]根据本发明，该装置还包括辅助加热器装置，辅助加热器装置适于将位于与池相连(邻近池)的区内的材料加热至低于熔化温度Tf的温度，该区包括从位于池的上游的上游区域和位于池的下游的下游区域中选择的至少一个区域。
【附图说明】
[0063]通过阅读下面的以非限制性实例给出的实施例的详细说明，能够更好地理解本发明，并且更好地表现它的优点。说明引用如下附图，其中:
[0064]图1为用于解释现有技术的方法、示出使用DMD方法的装置的示意图，如上所述；
[0065]图2为解释现有技术的方法、示出用在SLM方法中的装置的示意图，如上所述；
[0066]图3为示出相对于池的上游区域和下游区域的定位的示意图；以及
[0067]图4为示出当使用DMD方法时本发明的方法的示意图。
【具体实施方式】
[0068]在下文的说明中，用于熔化粉末颗粒60的束为激光束95。然而，在DMD方法或SLM方法中，能够使用任何种类的高能束95代替激光束95，只要高能束具有足够的能量熔化粉末颗粒以及支撑件或下面的层的一部分即可。
[0069]在下文的说明中，术语“上游”和“下游”被定义为相对于液体池的行进方向。该池被供应粉末颗粒。
[0070]这样，激光束95被定位在池102上面，使得池或者通过将粉末加热至高于它的熔化温度Tf的温度或者通过加热零件的表面(然后粉末颗粒熔化与池102接触)而刚好形成在零件的表面中。零件的与池102相邻并且随后被暴露于激光束95以便被加热的区域103构成相对于池102下游的区域，并且零件的与池102连接并且刚才已经暴露于激光束95并且被冷却降温的区域101构成相对于池102上游的区域。
[0071]由此，液体池102的向前方向是从(上游)区域101到(下游)区域103，池的向前方向由图3中从左到 右的箭头A表示。
[0072]图3示出了在DMD方法的情况下，在当第二层20将要被沉积在已经被沉积在支撑件80上的第一层10上的阶段，这些不同的区域的定位。这些不同的区域的定位与在SLM方法的情况下一致，并且不管哪一层正在被沉积。
[0073]在DMD方法的情况下，或者喷嘴190和激光束95 —起被移动，或者支撑件80被移动。在SLM方法的情况下，激光束95被移动。
[0074]在本发明的第一种可能性中，位于池102上游的材料，即在上游区域101中的材料，在辅助加热的协助下被加热至粉末颗粒60的熔化温度Tf以下。
[0075]该加热至少当池102正在形成时，即当池正在被加热时，执行。该辅助加热也可在池102形成之后持续进行。
[0076]这起到阻止上游区域101的材料冷却过快的作用。换句话说，该区域的冷却速率被降到小于它的自然冷却速率(在空气中或优选为惰性气体的某些其它气体中在用在池中的温度下淬火)。结果，曾经由在上游区域101中的材料的过快冷却产生的应力得到降低，或者甚至被消除。
[0077]在本发明的第二种可能性中，位于池102下游的材料，即在下游区域103中的材料，在辅助加热的协助下被加热至粉末颗粒60的熔化温度Tf以下。
[0078]该加热至少当池102形成时，即当池正在被加热时，执行。该辅助加热也可更早地开始，即在池102形成之前。
[0079]在DMD方法的情况下，表面由此被预加热，其中粉末颗粒60将在后来利用喷嘴190 (当形成后续的池时)被沉积于该表面上。
[0080]在SLM方法的情况下，在下游区域103内的粉末颗粒60被预加热。
[0081]在两种方法中，由于当新的池在该下游区域(其然后变成新的池区域102)开始形成时，下游区域103已经被预加热，该区域加热至熔化温度Tf的速率比它的自然加热速率(在不存在辅助加热的情况下直接从周围温度到由激光束95导致的温度)慢，由于在激光束95到达的时刻在该区域中的材料的温度更接近于熔化温度TF，并且因此它没有被激光束那么快地加热以达到高于温度Tf的温度。结果，曾经在该下游区域103的材料中由于该材料被过快地加热产生的应力或裂缝被降低或者甚至消除。使用对加热时的热冲击敏感的材料，或者当使用在温度更接近周围环境而不是熔化温度Tf时坚硬度、粗糙度或韧性低的材料，或者在温度相对较高(约Tf/2)时呈现柔韧性-易碎性过渡的材料是特别有利的。柔韧性-易碎性过渡被定义为某温度，低于该温度材料不再接受塑性变形，并且直接从弹性状态到破坏状态。
[0082]应该看出，在本发明中，除利用来自池102的热传导的自然加热之外，邻近池102的区的加热还由辅助加热执行。而且，这样的自然加热只在池102的直接的外周(受热影响的区或TAZ)发生，并且具有当形成池102时其不足以对在零件内产生的应力具有任何显著的影响的程度(参见上文)。
[0083]结果，利用本发明的方法，当形成连续的液体池102时在零件内产生的应力被减小或者甚至消除。
[0084]此外，当利用辅助加热的上游区域101的加热将上游区域101提高到接近温度Tf的温度时，零件的粗糙度(表面状态)减小。术语“接近温度Tf的温度”被用来指在0.9xTf到Tf范围内的温度。
[0085]在本发明的方法中，辅助加热器装置被用来加热邻近或至连接池102(即，接触池102)并且包括从相对于池102的上游区域101和下游区域103中选择的区域的区。由此，该区可以包括在它自身上的上游区域，或在它自身上的下游区域，或者全部两个区域。
[0086]除了一个或全部两个区域，该区还可以包括相对于池102侧向地定位的区域，并且特别是在正在被建造的相同的层内。发明人已经发现在这种情况下，本发明的辅助加热对降低零件内的应力更加有效。
[0087]有利地，被辅助加热加热的相邻的区从池102延伸的足够远，以覆盖至少池102之前的池位于在该区域内的区域，，和/或覆盖至少池102之后的池位于在该区域内的区域，。
[0088]假设邻近池的该区的至少一部分与池102的位置无关地被加热，那么用于加热该区的装置与激光束95的发生器同步地移动。
[0089]发明人已经发现如果该区被辅助加热加热到达的温度落在粉末的熔化温度的1/4至4/5之间的范围内，即约Tf/4至4TF/5，那么当形成液体池102时在零件内产生的应力被最小化。
[0090]有利地，发明人已经发现该加热温度可以落在Tf/3至Tf/2之间的范围，并且主要取决于池的行进速率、由激光束传递的粉末、被熔化粉末的数量(并且由此池的范围)和取决于邻近池的区上将被加热的面积。
[0091]当该相邻的区包括下游区域103时，对于加热温度优选为在粉末材料的柔韧性-易碎性过渡的温度之上，以降低它的任何由于热冲击导致的(即，它的温度以高速速率升高导致的)破裂的风险。
[0092]邻近池102的该区可以使用不同的加热器装置加热。
[0093]例如，能够利用烤炉加热整个零件，零件和支撑件80被放在烤炉中。
[0094]也能够使用加热板，加热板位于支撑件80的下表面，零件在支撑件上被建造。
[0095]有利地，可以在液体池102周围，即单独地在邻近液体池102的区内，用施加于上游区域101和/或下游区域103的加热执行局部加热。
[0096]举例来说，该局部加热可以采用感应法执行，利用覆盖至少上游区域101和/或下游区域103并与激光束95的发生器90同步地移动的感应线圈。
[0097]该局部加热也可以采用高能束执行，高能束将邻近液体池102的区加热至低于熔化温度Tf的温度。在这种情况下，该区完全包围池102。
[0098]举例来说，高能束为由第二发生器发射的第二激光束，使得第二束优选地与加热液体池102的激光束95同轴。第二激光束也可以相对于第一激光束95横向地(即非同轴地)设置。
[0099]第二激光束或者具有比形成液体池102的激光束95低的功率，或者具有不同的波长，或者为不聚焦的，以便将邻近液体池102的区的足够广阔的区域加热至低于熔化温度Tf的温度。
[0100]作为一种选择，高能束由激光束95的不聚焦的外周部99构造。这样，激光束95的中心部91形成液体池102，可能同时也加热粉末颗粒，而激光束95的外周部99将液体池102周围的区，包括上游区域101和下游区域103，加热至低于熔化温度Tf的温度。该实施例以DMD方法示出在图4中。
[0101]该效果也可以由具有随距离激光束的中心的距离增加而降低的能量分布(或功率密度分布)的激光束95获得，使得束的外周部提供比它的中心部更少的加热。
[0102]该技术方案具有只要求一束激光束95的优势，并且因此只需要一个激光束发生器90。
[0103]在某些情况下，获得不具有气孔的零件可能是必要的。
[0104]在DMD和SLM方法中，气孔常常形成在零件中和零件的表面上。向外界开放的开气孔和不向外界开放的闭气孔之间存在差别。一般地，开气孔是由于选择不合适的操作参数和/或不适于平边和/或层和/或建造策略而导致形成的。闭气孔优选地由于雾化形成的闭塞在粉末颗粒中的气体、和/或来自喷嘴190或来自正在被制造的零件处于其中的外壳中的气体(例如氩Ar)而导致形 成的，当它们快速冷却时这些气体被困在池中。
[0105]为了去除闭气孔，可以在制造零件之后执行热均衡压制工艺(HIP)。然后零件被放在气体外壳中，并且在外壳中的温度和压力增加:这降低了材料的弹性极限，因此在气体压力的作用下促进闭气孔的吸收。某些气孔完全消失，而其它的只是直径降低，原因是在这些气孔内的压力等于外加压力。此外，在冷却过程中并且随着外加压力的去除，例如如果气孔很接近自由表面，那么它们会爆裂，因此严重地损坏零件。
[0106]此外，气体填充的开气孔仍然存在。
[0107]为了在零件制造过程中去除开气孔，在每层中形成这样的区域，该区域比构造零件的中心部的剩余的区域更加小心地形成零件的表面(或外皮)，使得零件的表面(或外皮)一旦形成则基本不包括开气孔。
[0108]这种更加小心的形成通过使用不同于用在位于零件的中心部内的剩余的区域的参数的参数扫掠位于零件的表面(或外皮)的区域执行。这种零件的中心和外侧的参数的差别可以定义在CADM文件中(例如，可以为激光束扫描的速率的差别)。
[0109]作为一种选择，或者另外的，在零件的最外层的开气孔和一些闭气孔(例如没有被HIP再吸收的气孔)一起存在的某些区，可以进行再熔化，例如通过使用激光束对它进行扫掠。例如，激光束可以将在这些区的材料温度升高到落在材料的熔化温度的I倍到1.5倍的范围内的温度。
[0110]在该再熔化过程中，表面层的温度升高允许材料流动，由此使零件的表面光滑并且处理了开气孔和闭气孔。这样，在表面仍然存在的开气孔和闭气孔被再吸收。
[0111]这样，当零件随后经历HIP处理时，零件的表面层作为不漏的表皮，并且这促使在零件的较为中心部位存在的闭气孔的再吸收。在HIP处理之后，零件没有开气孔，以及包括更少的闭气孔或没有闭气孔。
【主权项】
1.一种制造零件的方法，所述方法包括如下步骤: a)提供粉末颗粒形式的材料(60); b)在高能束(95)的协助下将第一数量的所述粉末加热到高于所述粉末的熔化温度Tf的温度，并且在支撑件(80)的表面形成包括所述支撑件(80)的一部分和已熔化粉末的第一池； c)在所述高能束(95)的协助下将第二数量的所述粉末加热到高于它的熔化温度Tf的温度，并且在所述支撑件(80)的表面形成包括支撑件(80)的一部分和已熔化粉末、位于所述第一池下游的第二池； d)重复步骤c)直至在所述支撑件(80)上形成所述零件的第一层(10); e)在高能束(95)的协助下将第η数量的所述粉末加热到高于其熔化温度Tf的温度，并且形成部分地包括已熔化粉末、在所述第一层(10)的一部分之上的第η池； f)在所述高能束(95)的协助下将第n+1数量的所述粉末加热到高于其熔化温度1的温度，并且形成部分地包括已熔化粉末、在所述第一层(10)的一部分之上、位于所述第η池下游的第η+1池； g)重复步骤f)以在所述第一层(10)之上形成所述零件的第二层(20);以及 h)重复步骤e)至g)形成位于已经形成的层之上的每层，直至所述零件基本具有其最终形状； 所述方法的特征在于:至少当形成每个所述池(102)时，辅助加热被用于将位于邻近所述池(102)的区内的材料加热至落在所述熔化温度Tf的1/4至4/5的范围内的温度，所述区包括从位于所述池(102)的上游的上游区域(101)和位于所述池(102)的下游的下游区域(103)中选择的至少一个区域。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:在位于所述池(102)的上游的所述上游区域(102)中的材料被加热以将所述材料的冷却速率降低为小于它的自然冷却速率。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于:在位于所述池(102)的下游的所述下游区域(103)中的材料被加热以将该材料的加热速率降低为低于它的自然加热至所述熔化温度的速率。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于:在位于邻近所述池(102)的所述区的至少一部分中的材料被加热至落在所述熔化温度Tf的1/3至1/2的范围内的温度。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于:使用从包括烤炉、加热盘、感应线圈和高能束的组中选择的加热器装置加热所述材料。6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于:使用所述高能束(95)的未聚焦部分加热所述材料。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于:在步骤h)之后，使用高能束再熔化所述零件的最外层的特定区，以再吸收存在的开气孔和在所述零件的表面形成的特定闭气孔。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于:在所述再熔化之后，在所述零件上执行热均衡压制工艺，以再吸收所述零件内的气孔。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于:在步骤h)之后，每层中将形成所述零件的表面的区域形成为使得所述零件的所述表面一旦形成就不包括任何开气孔或闭气孔。10.—种用于通过在高能束(95)的协助下熔化粉末来制造零件的装置，所述装置包括: -用于接收至少一个粉末层(60)的建造支撑件(80);以及 -高能束发生器(90)，所述高能束发生器适于将所述粉末颗粒(60)升高到高于它们的熔化温度Tf的温度，并且用于形成至少包括该已熔化粉末的颗粒的液体池(102); 所述装置的特征在于:它还包括辅助加热器装置，所述辅助加热器装置适于将位于邻近所述池(102)的区内的材料加热至低于所述熔化温度Tf的温度，所述区包括从位于所述池(102)的上游的上游区域(101)和位于所述池(102)的下游的下游区域(103)中选择的至少一个区域。
【专利摘要】本发明涉及一种制造零件的方法，所述方法包括如下步骤：a)形成粉末颗粒形式的材料(60)；b)在高能束(95)的协助下将第一数量的所述粉末加热到高于它的熔化温度TF的温度，并且在支撑件(80)的表面形成包括所述支撑件(80)的一部分和已熔化粉末的第一池；c)同样加热第二数量的所述粉末，并且在所述支撑件(80)的表面形成包括已熔化粉末、位于所述第一池下游的第二池；d)重复步骤c)直至在所述支撑件(80)上形成所述零件的第一层(10)；e)同样加热第n数量的所述粉末，并且形成包括已熔化粉末、在所述第一层(10)的一部分之上的第n池；f)同样加热第n+1数量的所述粉末，并且形成包括已熔化粉末、位于所述第n池下游的第n+1池；g)重复步骤f)以在所述第一层(10)之上形成所述零件的第二层(20)；以及h)重复步骤e)至g)形成位于已经形成的粉末层之上的每个粉末层，直至所述零件基本具有其最终形状。至少当形成每个所述池(102)时，辅助加热被用于将位于邻近所述池(102)的区内的材料加热至低于所述熔化温度TF的温度，该区包括从位于所述池(102)的上游的上游区域(101)和位于所述池(102)的下游的下游区域(103)中选择至少一个的区域。
【IPC分类】B22F3/10, B22F3/105, B29C67/00
【公开号】CN104903028
【申请号】CN201380062483
【发明人】克里斯托夫·科林, 吉恩-弗朗索瓦·弗罗芒坦, 杰勒德·索热尔
【申请人】法国Mbda公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月29日
【公告号】CA2891298A1, EP2737964A1, US20150306820, WO2014083292A1
【技术领域】
[0001]本发明涉及通过利用高能束(激光束、电子束……)熔化粉末来制造零件的领域。
【背景技术】
[0002]本发明更具体地涉及一种包括如下步骤的方法:
[0003]a)提供粉末颗粒形式的材料；
[0004]b)在高能束的协助下将第一数量的粉末加热到高于粉末的熔化温度Tf的温度，并且在支撑件的表面形成包括支撑件的一部分和已熔化粉末的第一池；
[0005]c)在高能束的协助下将第二数量的粉末加热到高于它的熔化温度Tf的温度，并且在支撑件的表面形成包括支撑件的一部分和已熔化粉末、位于第一池下游的第二池；
[0006]d)重复步骤c)直至在支撑件上形成零件的第一层；
[0007]e)在高能束的协助下将第η数量的粉末加热到高于它的熔化温度Tf的温度，并且形成部分地包括已熔化粉末、在第一层的一部分之上的第η池；
[0008]f)在高能束的协助下将第n+1数量的粉末加热到高于它的熔化温度Tf的温度，并且形成部分地包括已熔化粉末、在所述第一层的一部分之上、位于所述第η池下游的第n+1池；
[0009]g)重复步骤f)以在第一层之上形成零件的第二层；以及
[0010]h)重复步骤e)至g)形成位于已经形成的层之上的每层，直至零件基本具有其最终形状。
[0011]在上面的方法中，需要η-1数量的粉末形成第一层。
[0012]现有已知的方法能够获得具有复杂三维(3D)形状的机械零件。这些方法一层一层地形成零件直至已重构出零件的期望形状。有利地，零件可以直接从计算机辅助设计和制造(CADM)文件使用计算机控制机器来重构，该计算机辅助设计和制造文件从处理3D计算机辅助设计(CAD)图形文件的数据推导出来，该机器以一层在另一层之上的方式形成被熔化并随后固化的材料的连续层，每层由具有CADM文件定义的尺寸和形状的并列的平边构成。
[0013]举例来说，构成粉末颗粒可以为金属的、金属间化合的、陶瓷的或聚合物的。
[0014]在本申请中，当粉末为金属合金，对于给定的合金成分，熔化温度Tf介于液相线温度和固相线温度之间。
[0015]建造支撑物可以为某些其它零件的一部分，在其上期望增加附加的功能。它的成分可以不同于喷射的粉末颗粒的成分，并且由此可以具有不同的熔化温度。
[0016]这些方法具体地包括激光喷射(project1n by laser)或直接“直接金属沉积，，(direct metal deposit1n，DMD)、“选择性层恪化”(selective layer melting，SLM)和“电子束恪化”(electron beam melting，EBM)。下面简要概括DMD和SLM方法的特点和操作。
[0017]下面参考图1解释DMD方法的操作。
[0018]在局部保护下或在规定的高压或低压的惰性气体的外壳中，通过喷嘴190将粉末颗粒喷射到在支撑件80上的材料上，形成材料的第一层10。与喷射粉末颗粒60同时地，喷嘴190发射来自发生器90的激光束。喷嘴190的第一孔口 191同轴地围绕第二孔口 192，通过第一孔口粉末被喷射到支撑件80上，通过第二孔口激光束95被发射，这样粉末被喷射到激光束95中。粉末形成颗粒的圆锥体，圆锥体是中空的，并且具有特定厚度，并且激光束是圆锥形的。
[0019]激光束95通过熔化暴露于激光束的支撑件80的区域，在支撑件80上形成池102。粉末供应给池102，粉末以熔化状态进入池，粉末在到达池之前在激光束中在它的路径上被熔化。
[0020]作为一种选择，并且举例来说，喷嘴190可以以这样一种方式控制和/或定位，使得粉末没有在激光束95中经历足够的时间以使所有粉末被完全熔化，并且它到达池102后熔化，该池是通过熔化支撑件80的暴露于激光束95的区域预先形成在支撑件80的表面上的。
[0021]粉末也能够根本不被激光束95熔化，或者能够仅部分被熔化，原因是一些或所有构成粉末颗粒的尺寸对它们来说太大而不能熔化。
[0022]当激光束95 (或支撑件80)向下游移动时，池102被保持并且渐渐固化以在支撑件80上形成固化材料105的平边。该过程继续进行以在支撑件80上形成另一个固化的平边，该另外的平边与例如第一平边并列。这样，通过在平行于工作平面的平面内移动喷嘴190或支撑件80，材料的第一层10沉积在支撑件80上，该层通过固化符合CADM文件定义的形状的一件式的第一元件15形成。工作平面P被定义为包含在其上建造和/或形成层的表面的平面。
[0023]此后，使喷嘴190和激光束95 —起执行第二遍扫掠，以便以相似的方式在第一元件15的顶面形成材料的第二层20。该第二层20形成第二固结元件25，并且这两个元件15和25 —起形成一件式的块。在建造第二层20期间形成在第一元件15上的池102通常包括被暴露于激光束95而已被熔化的第一元件15的至少一部分以及供应给该池102的粉末颗粒。
[0024]参考由垂直于支撑件的表面Stl的竖直轴线Ztl和支撑件的表面构成的参考坐标系。支撑件的该表面Stl为高度为零的平面。包含在支撑件内或在表面S ^以下(并且垂直于竖直轴线Ztl)的平面平面具有负高度，并且在支撑件的表面Stl以上(并且垂直于竖直轴线Ztl)的平面具有正高度。如果给定平面具有大于另一平面的高度的正高度，那么给定平面在该平面之上。
[0025]在该参考坐标系中，第二层20位于在第一层10的平面之上的平面内。
[0026]通常来说对于层，工作平面P并不必须平行于表面因此定义为垂直于工作平面P的轴线Z也不必须平行于轴线Zp通常，较高层的工作平面无需平行于先前的较低层的工作平面，其中较高层的轴线Z相对于较低层的工作平面的轴线Z成非零度角，并且沿后者的轴线Z测量的在较低层的每个点之上的距离△ Z为平均值。
[0027]这种一层一层地制备零件的过程然后通过在已经形成的组件上增加附加的层继续进行。
[0028]支撑件80的移动或喷嘴190和激光束95的一起的扫掠使每层获得独立于相邻层的形状的形状。当形成零件的较高层时零件的较低层被退火并逐渐地被冷却。
[0029]下面参考图2解释SLM方法的操作。
[0030]粉末由设置在供应仓70内的颗粒60组成，供应仓具有高度可调节的底部。例如在辊子30 (或任何其它沉积装置)的协助下，材料的粉末的第一层10被沉积在建造支撑件80上，其中粉末从供应仓70传递。
[0031]建造支撑件80在建造仓85内滑动，建造仓85的侧壁用来在侧向上限制粉末。辊子30还用来以连续经过的方式在建造支撑件80上散播粉末，并且能够用来压实粉末。多余的粉末被回收到与建造仓85相邻定位的回收仓40。
[0032]此后，粉末的第一层10的区域通过被由发生器90发射的激光束95扫掠而加热到高于粉末的熔化温度Tf的温度。
[0033]在第一层10的该区域内的粉末颗粒60由此被熔化并形成第--件式的元件15。
在该阶段期间，支撑件80可能也被部分熔化，因此它被附着在第一元件15上。
[0034]支撑件80被降低以相应于第一层已经确定的高度(在20微米(μπι)至100 μ m的范围内， 并且通常在30μπι至50μπι的范围内)的高度。用于熔化的粉末层的厚度保持层与层之间能够变化的值，因为它强烈地依赖于粉末床的孔隙度和它的平整度。
[0035]粉末的第二层20被沉积在第一层10上(使用上面定义的参考坐标系)。
[0036]此后，第二层20的区域通过暴露于激光束95被加热，该层至少部分位于第一固结元件15上，使得在第二层20的该区域的粉末颗粒熔化并形成第二固结元件25，在激光束95的影响下至少部分恪化第一元件15所导致的结果是，当两个元件15和25固化时，如图2所示，这两个元件一起形成一件式的块。
[0037]取决于将要建造的零件的轮廓，并且特别是如果它具有下切表面，那么能够出现被熔化并且随后固化的第二层20的上面提到的区域不会接触第一层10的熔化的并且固化的区域，于是使得第一固结元件15和第二固结元件25不会形成一件式的块。
[0038]这种一层一层地制备零件的方法然后通过在已经形成的组件上增加附加的粉末层继续进行。
[0039]对于某些形状的零件，由激光束95扫掠的一个或多个给定层的区域可以在那层内形成多个独立的元件，这些元件随后被分离。
[0040]给定层的区域可以由整层构成。
[0041]当给激光束一个与将制作的零件的形状匹配的形状，扫掠激光束95使得能够固结每层。当零件的较高层被建造时，零件的较低层冷却。
[0042]该激光束95的扫掠由控制系统执行。例如，在SLM方法中，控制系统50包括一个或多个可操纵的反光镜55，激光束95在它到达粉末层之前在其上被反射，反光镜55的角位置由检流计头装置控制，使得激光束扫掠粉末层的区域，并且从而跟随零件先前建立的轮廓。检流计头装置由CADM文件控制，CADM文件通过处理将被制造的零件的CAD数据而得到。
[0043]在DMD方法中，控制系统50 (图1中未示出)一起移动支撑件80或喷嘴190和激光束95。
[0044]DMD方法或SLM方法可使用任何高能束代替激光束95，只要束具有足够熔化粉末颗粒和材料的一部分的能量即可，在该部分下固化材料的平边形成。
[0045]然而，SLM和DMD方法存在缺点。
[0046]所有粉末通过直接暴露于激光束95或进入被激光束95加热并保持的液体池(粉末间接熔化)被加热到它的熔化温度Tf之上。，已熔化粉末的材料由此要承受当池固化时温度冷却到介于它的熔化温度Tf和周围温度之间的所谓的“退火”温度之后温度上升的循环。
[0047]由于激光束95在非常短的时间内给予材料大量的能量，池被非常快地加热。
[0048]池也非常快地冷却，因为热被在池下面已经固化的先前形成的层从池吸走，其中这些已经固化的层形成实心块。此外，在非常短的时间(和激光束95的扫掠速度成反比)内，池因暴露于激光束从非常热的环境经历至更接近周围环境而不是它的熔化温度Tf的温度的环境，这相当于在空气中淬火。
[0049]这种在建造期间零件的部分的快速连续的加热和冷却，取决于零件的形状、零件的尺寸和零件的加固，在零件内产生应力或导致零件的变形，术语“加固”被用来指利用起加强零件的薄部以避免薄部变形的作用的加强件。
[0050]如果被建造的零件是实心的，并且因此不是非常容易变形，当它被制造时应力积累在零件中，这些应力以残余应力的形式存在，或者如果它们超过材料的破坏应力实际上为裂缝。以后，在使用中，如果零件的操作温度太高，那么由于它的残余应力的释放零件将变形。
[0051]如果被建造的零件具有带有小的加固的薄的壁(即，它们的维度之一相比其它两维度是小的，并且为自由移动的)，那么当零件被建造时在每个池的冷却期间产生的应力具有使零件变形的效果。因此，这种变形导致被制造的零件具有不如期望的形状和尺寸精度。
[0052]此外，零件的这种变形会干扰它的制造方法。具体地，假设层的平边的定位取决于从处理将制造的零件的CAD数据推导出的CADM文件，其中该数据表示零件的体积，那么由于下面的层已经相对于它的由CADM文件最初指定的位置变形并移动，上面的层例如存在没有完全形成在下面的层上的风险。
【发明内容】
[0053]本发明试图弥补这些缺陷。
[0054]本发明试图提出一种方法，其能够降低或者甚至消除在池的形成期间产生的由池的快速加热以及随后的突然冷却导致的应力。
[0055]该目的通过以下技术手段获得，至少当形成每个池102时，辅助加热被用于将位于邻近池的区内的材料加热至低于熔化温度Tf的温度，该区包括从位于池的上游(S卩，后面)的上游区域和位于池的下游(即，前面)的区域中选择的至少一个区域。
[0056]通过这些设置，由于形成连续的粉末的液体池的材料较少的突然加热和冷却，零件内形成的内应力更小。这起到避免在零件内形成过度的残余应力和裂缝的作用。
[0057]有利地，材料在位于池上游的上游区域中被加热，以将材料的冷却速率降低为小于它的自然冷却速率。
[0058]这起到避免材料过快冷却的作用，而过快冷却将产生残余应力。
[0059]本发明还提供一种用于通过在高能束的协助下熔化粉末来制造零件的装置，该装置包括:
[0060]-用于接收至少一个粉末层的建造支撑件；以及
[0061]-高能束发生器，其适于将粉末颗粒升高到高于它们的熔化温度Tf的温度，并且用于形成包括已熔化粉末颗粒的液体池。
[0062]根据本发明，该装置还包括辅助加热器装置，辅助加热器装置适于将位于与池相连(邻近池)的区内的材料加热至低于熔化温度Tf的温度，该区包括从位于池的上游的上游区域和位于池的下游的下游区域中选择的至少一个区域。
【附图说明】
[0063]通过阅读下面的以非限制性实例给出的实施例的详细说明，能够更好地理解本发明，并且更好地表现它的优点。说明引用如下附图，其中:
[0064]图1为用于解释现有技术的方法、示出使用DMD方法的装置的示意图，如上所述；
[0065]图2为解释现有技术的方法、示出用在SLM方法中的装置的示意图，如上所述；
[0066]图3为示出相对于池的上游区域和下游区域的定位的示意图；以及
[0067]图4为示出当使用DMD方法时本发明的方法的示意图。
【具体实施方式】
[0068]在下文的说明中，用于熔化粉末颗粒60的束为激光束95。然而，在DMD方法或SLM方法中，能够使用任何种类的高能束95代替激光束95，只要高能束具有足够的能量熔化粉末颗粒以及支撑件或下面的层的一部分即可。
[0069]在下文的说明中，术语“上游”和“下游”被定义为相对于液体池的行进方向。该池被供应粉末颗粒。
[0070]这样，激光束95被定位在池102上面，使得池或者通过将粉末加热至高于它的熔化温度Tf的温度或者通过加热零件的表面(然后粉末颗粒熔化与池102接触)而刚好形成在零件的表面中。零件的与池102相邻并且随后被暴露于激光束95以便被加热的区域103构成相对于池102下游的区域，并且零件的与池102连接并且刚才已经暴露于激光束95并且被冷却降温的区域101构成相对于池102上游的区域。
[0071]由此，液体池102的向前方向是从(上游)区域101到(下游)区域103，池的向前方向由图3中从左到 右的箭头A表示。
[0072]图3示出了在DMD方法的情况下，在当第二层20将要被沉积在已经被沉积在支撑件80上的第一层10上的阶段，这些不同的区域的定位。这些不同的区域的定位与在SLM方法的情况下一致，并且不管哪一层正在被沉积。
[0073]在DMD方法的情况下，或者喷嘴190和激光束95 —起被移动，或者支撑件80被移动。在SLM方法的情况下，激光束95被移动。
[0074]在本发明的第一种可能性中，位于池102上游的材料，即在上游区域101中的材料，在辅助加热的协助下被加热至粉末颗粒60的熔化温度Tf以下。
[0075]该加热至少当池102正在形成时，即当池正在被加热时，执行。该辅助加热也可在池102形成之后持续进行。
[0076]这起到阻止上游区域101的材料冷却过快的作用。换句话说，该区域的冷却速率被降到小于它的自然冷却速率(在空气中或优选为惰性气体的某些其它气体中在用在池中的温度下淬火)。结果，曾经由在上游区域101中的材料的过快冷却产生的应力得到降低，或者甚至被消除。
[0077]在本发明的第二种可能性中，位于池102下游的材料，即在下游区域103中的材料，在辅助加热的协助下被加热至粉末颗粒60的熔化温度Tf以下。
[0078]该加热至少当池102形成时，即当池正在被加热时，执行。该辅助加热也可更早地开始，即在池102形成之前。
[0079]在DMD方法的情况下，表面由此被预加热，其中粉末颗粒60将在后来利用喷嘴190 (当形成后续的池时)被沉积于该表面上。
[0080]在SLM方法的情况下，在下游区域103内的粉末颗粒60被预加热。
[0081]在两种方法中，由于当新的池在该下游区域(其然后变成新的池区域102)开始形成时，下游区域103已经被预加热，该区域加热至熔化温度Tf的速率比它的自然加热速率(在不存在辅助加热的情况下直接从周围温度到由激光束95导致的温度)慢，由于在激光束95到达的时刻在该区域中的材料的温度更接近于熔化温度TF，并且因此它没有被激光束那么快地加热以达到高于温度Tf的温度。结果，曾经在该下游区域103的材料中由于该材料被过快地加热产生的应力或裂缝被降低或者甚至消除。使用对加热时的热冲击敏感的材料，或者当使用在温度更接近周围环境而不是熔化温度Tf时坚硬度、粗糙度或韧性低的材料，或者在温度相对较高(约Tf/2)时呈现柔韧性-易碎性过渡的材料是特别有利的。柔韧性-易碎性过渡被定义为某温度，低于该温度材料不再接受塑性变形，并且直接从弹性状态到破坏状态。
[0082]应该看出，在本发明中，除利用来自池102的热传导的自然加热之外，邻近池102的区的加热还由辅助加热执行。而且，这样的自然加热只在池102的直接的外周(受热影响的区或TAZ)发生，并且具有当形成池102时其不足以对在零件内产生的应力具有任何显著的影响的程度(参见上文)。
[0083]结果，利用本发明的方法，当形成连续的液体池102时在零件内产生的应力被减小或者甚至消除。
[0084]此外，当利用辅助加热的上游区域101的加热将上游区域101提高到接近温度Tf的温度时，零件的粗糙度(表面状态)减小。术语“接近温度Tf的温度”被用来指在0.9xTf到Tf范围内的温度。
[0085]在本发明的方法中，辅助加热器装置被用来加热邻近或至连接池102(即，接触池102)并且包括从相对于池102的上游区域101和下游区域103中选择的区域的区。由此，该区可以包括在它自身上的上游区域，或在它自身上的下游区域，或者全部两个区域。
[0086]除了一个或全部两个区域，该区还可以包括相对于池102侧向地定位的区域，并且特别是在正在被建造的相同的层内。发明人已经发现在这种情况下，本发明的辅助加热对降低零件内的应力更加有效。
[0087]有利地，被辅助加热加热的相邻的区从池102延伸的足够远，以覆盖至少池102之前的池位于在该区域内的区域，，和/或覆盖至少池102之后的池位于在该区域内的区域，。
[0088]假设邻近池的该区的至少一部分与池102的位置无关地被加热，那么用于加热该区的装置与激光束95的发生器同步地移动。
[0089]发明人已经发现如果该区被辅助加热加热到达的温度落在粉末的熔化温度的1/4至4/5之间的范围内，即约Tf/4至4TF/5，那么当形成液体池102时在零件内产生的应力被最小化。
[0090]有利地，发明人已经发现该加热温度可以落在Tf/3至Tf/2之间的范围，并且主要取决于池的行进速率、由激光束传递的粉末、被熔化粉末的数量(并且由此池的范围)和取决于邻近池的区上将被加热的面积。
[0091]当该相邻的区包括下游区域103时，对于加热温度优选为在粉末材料的柔韧性-易碎性过渡的温度之上，以降低它的任何由于热冲击导致的(即，它的温度以高速速率升高导致的)破裂的风险。
[0092]邻近池102的该区可以使用不同的加热器装置加热。
[0093]例如，能够利用烤炉加热整个零件，零件和支撑件80被放在烤炉中。
[0094]也能够使用加热板，加热板位于支撑件80的下表面，零件在支撑件上被建造。
[0095]有利地，可以在液体池102周围，即单独地在邻近液体池102的区内，用施加于上游区域101和/或下游区域103的加热执行局部加热。
[0096]举例来说，该局部加热可以采用感应法执行，利用覆盖至少上游区域101和/或下游区域103并与激光束95的发生器90同步地移动的感应线圈。
[0097]该局部加热也可以采用高能束执行，高能束将邻近液体池102的区加热至低于熔化温度Tf的温度。在这种情况下，该区完全包围池102。
[0098]举例来说，高能束为由第二发生器发射的第二激光束，使得第二束优选地与加热液体池102的激光束95同轴。第二激光束也可以相对于第一激光束95横向地(即非同轴地)设置。
[0099]第二激光束或者具有比形成液体池102的激光束95低的功率，或者具有不同的波长，或者为不聚焦的，以便将邻近液体池102的区的足够广阔的区域加热至低于熔化温度Tf的温度。
[0100]作为一种选择，高能束由激光束95的不聚焦的外周部99构造。这样，激光束95的中心部91形成液体池102，可能同时也加热粉末颗粒，而激光束95的外周部99将液体池102周围的区，包括上游区域101和下游区域103，加热至低于熔化温度Tf的温度。该实施例以DMD方法示出在图4中。
[0101]该效果也可以由具有随距离激光束的中心的距离增加而降低的能量分布(或功率密度分布)的激光束95获得，使得束的外周部提供比它的中心部更少的加热。
[0102]该技术方案具有只要求一束激光束95的优势，并且因此只需要一个激光束发生器90。
[0103]在某些情况下，获得不具有气孔的零件可能是必要的。
[0104]在DMD和SLM方法中，气孔常常形成在零件中和零件的表面上。向外界开放的开气孔和不向外界开放的闭气孔之间存在差别。一般地，开气孔是由于选择不合适的操作参数和/或不适于平边和/或层和/或建造策略而导致形成的。闭气孔优选地由于雾化形成的闭塞在粉末颗粒中的气体、和/或来自喷嘴190或来自正在被制造的零件处于其中的外壳中的气体(例如氩Ar)而导致形 成的，当它们快速冷却时这些气体被困在池中。
[0105]为了去除闭气孔，可以在制造零件之后执行热均衡压制工艺(HIP)。然后零件被放在气体外壳中，并且在外壳中的温度和压力增加:这降低了材料的弹性极限，因此在气体压力的作用下促进闭气孔的吸收。某些气孔完全消失，而其它的只是直径降低，原因是在这些气孔内的压力等于外加压力。此外，在冷却过程中并且随着外加压力的去除，例如如果气孔很接近自由表面，那么它们会爆裂，因此严重地损坏零件。
[0106]此外，气体填充的开气孔仍然存在。
[0107]为了在零件制造过程中去除开气孔，在每层中形成这样的区域，该区域比构造零件的中心部的剩余的区域更加小心地形成零件的表面(或外皮)，使得零件的表面(或外皮)一旦形成则基本不包括开气孔。
[0108]这种更加小心的形成通过使用不同于用在位于零件的中心部内的剩余的区域的参数的参数扫掠位于零件的表面(或外皮)的区域执行。这种零件的中心和外侧的参数的差别可以定义在CADM文件中(例如，可以为激光束扫描的速率的差别)。
[0109]作为一种选择，或者另外的，在零件的最外层的开气孔和一些闭气孔(例如没有被HIP再吸收的气孔)一起存在的某些区，可以进行再熔化，例如通过使用激光束对它进行扫掠。例如，激光束可以将在这些区的材料温度升高到落在材料的熔化温度的I倍到1.5倍的范围内的温度。
[0110]在该再熔化过程中，表面层的温度升高允许材料流动，由此使零件的表面光滑并且处理了开气孔和闭气孔。这样，在表面仍然存在的开气孔和闭气孔被再吸收。
[0111]这样，当零件随后经历HIP处理时，零件的表面层作为不漏的表皮，并且这促使在零件的较为中心部位存在的闭气孔的再吸收。在HIP处理之后，零件没有开气孔，以及包括更少的闭气孔或没有闭气孔。
【主权项】
1.一种制造零件的方法，所述方法包括如下步骤: a)提供粉末颗粒形式的材料(60); b)在高能束(95)的协助下将第一数量的所述粉末加热到高于所述粉末的熔化温度Tf的温度，并且在支撑件(80)的表面形成包括所述支撑件(80)的一部分和已熔化粉末的第一池； c)在所述高能束(95)的协助下将第二数量的所述粉末加热到高于它的熔化温度Tf的温度，并且在所述支撑件(80)的表面形成包括支撑件(80)的一部分和已熔化粉末、位于所述第一池下游的第二池； d)重复步骤c)直至在所述支撑件(80)上形成所述零件的第一层(10); e)在高能束(95)的协助下将第η数量的所述粉末加热到高于其熔化温度Tf的温度，并且形成部分地包括已熔化粉末、在所述第一层(10)的一部分之上的第η池； f)在所述高能束(95)的协助下将第n+1数量的所述粉末加热到高于其熔化温度1的温度，并且形成部分地包括已熔化粉末、在所述第一层(10)的一部分之上、位于所述第η池下游的第η+1池； g)重复步骤f)以在所述第一层(10)之上形成所述零件的第二层(20);以及 h)重复步骤e)至g)形成位于已经形成的层之上的每层，直至所述零件基本具有其最终形状； 所述方法的特征在于:至少当形成每个所述池(102)时，辅助加热被用于将位于邻近所述池(102)的区内的材料加热至落在所述熔化温度Tf的1/4至4/5的范围内的温度，所述区包括从位于所述池(102)的上游的上游区域(101)和位于所述池(102)的下游的下游区域(103)中选择的至少一个区域。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:在位于所述池(102)的上游的所述上游区域(102)中的材料被加热以将所述材料的冷却速率降低为小于它的自然冷却速率。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于:在位于所述池(102)的下游的所述下游区域(103)中的材料被加热以将该材料的加热速率降低为低于它的自然加热至所述熔化温度的速率。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于:在位于邻近所述池(102)的所述区的至少一部分中的材料被加热至落在所述熔化温度Tf的1/3至1/2的范围内的温度。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于:使用从包括烤炉、加热盘、感应线圈和高能束的组中选择的加热器装置加热所述材料。6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于:使用所述高能束(95)的未聚焦部分加热所述材料。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于:在步骤h)之后，使用高能束再熔化所述零件的最外层的特定区，以再吸收存在的开气孔和在所述零件的表面形成的特定闭气孔。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于:在所述再熔化之后，在所述零件上执行热均衡压制工艺，以再吸收所述零件内的气孔。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于:在步骤h)之后，每层中将形成所述零件的表面的区域形成为使得所述零件的所述表面一旦形成就不包括任何开气孔或闭气孔。10.—种用于通过在高能束(95)的协助下熔化粉末来制造零件的装置，所述装置包括: -用于接收至少一个粉末层(60)的建造支撑件(80);以及 -高能束发生器(90)，所述高能束发生器适于将所述粉末颗粒(60)升高到高于它们的熔化温度Tf的温度，并且用于形成至少包括该已熔化粉末的颗粒的液体池(102); 所述装置的特征在于:它还包括辅助加热器装置，所述辅助加热器装置适于将位于邻近所述池(102)的区内的材料加热至低于所述熔化温度Tf的温度，所述区包括从位于所述池(102)的上游的上游区域(101)和位于所述池(102)的下游的下游区域(103)中选择的至少一个区域。
【专利摘要】本发明涉及一种制造零件的方法，所述方法包括如下步骤：a)形成粉末颗粒形式的材料(60)；b)在高能束(95)的协助下将第一数量的所述粉末加热到高于它的熔化温度TF的温度，并且在支撑件(80)的表面形成包括所述支撑件(80)的一部分和已熔化粉末的第一池；c)同样加热第二数量的所述粉末，并且在所述支撑件(80)的表面形成包括已熔化粉末、位于所述第一池下游的第二池；d)重复步骤c)直至在所述支撑件(80)上形成所述零件的第一层(10)；e)同样加热第n数量的所述粉末，并且形成包括已熔化粉末、在所述第一层(10)的一部分之上的第n池；f)同样加热第n+1数量的所述粉末，并且形成包括已熔化粉末、位于所述第n池下游的第n+1池；g)重复步骤f)以在所述第一层(10)之上形成所述零件的第二层(20)；以及h)重复步骤e)至g)形成位于已经形成的粉末层之上的每个粉末层，直至所述零件基本具有其最终形状。至少当形成每个所述池(102)时，辅助加热被用于将位于邻近所述池(102)的区内的材料加热至低于所述熔化温度TF的温度，该区包括从位于所述池(102)的上游的上游区域(101)和位于所述池(102)的下游的下游区域(103)中选择至少一个的区域。
【IPC分类】B22F3/10, B22F3/105, B29C67/00
【公开号】CN104903028
【申请号】CN201380062483
【发明人】克里斯托夫·科林, 吉恩-弗朗索瓦·弗罗芒坦, 杰勒德·索热尔
【申请人】法国Mbda公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月29日
【公告号】CA2891298A1, EP2737964A1, US20150306820, WO2014083292A1
最新回复(0)