用于生产三维制品的方法和利用此种方法生产的制品的制作方法
用于生产三维制品的方法和利用此种方法生产的制品的制作方法
【专利说明】用于生产三维制品的方法和利用此种方法生产的制品
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及借助于选择性激光熔化(SLM)来生产三维制品的技术。其涉及用于生产优选由具有高体积分数(>25%)的γ ’相的γ ’沉淀硬化镍基超级合金或非可铸造或难以加工的材料制成的制品或此种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。更具体而言，该方法涉及生产新的或修复用过的和受损的涡轮构件。
【背景技术】
[0003]燃气涡轮机构件(如涡轮叶片)通常具有复杂的三维几何形状，其可具有难以制造和修复的问题。退役的涡轮构件上的材料的堆积(例如，在翻新期间)通常通过常规堆焊，诸如钨极惰性气体(TIG)焊接或激光金属成型(LMF)来进行。这些技术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)的溶液增强(例如，IN625，HeyneS230)或γ ’增强的镍基超级合金。具有高抗氧化性和高γ ’含量(例如>25体积％)的镍基超级合金(意味着具有高组合量的至少5重量%的六1和Ti，诸如IN738LC、MarM-247或CM-247LC)通常难以焊接，且不可由常规堆焊处理而没有较大的微开裂。γ ’相具有L12类型的有序FCC结构，且形成具有低表面能量的共格沉淀。由于共格界面和有序结构，这些沉淀物有效地阻止了位错移动，且较强地改善甚至在高温下的材料强度。低表面能量导致生长的低驱动力，这是它们的长期高温稳定性的原因。除形成γ ’相之外，高Α1含量导致形成稳定的表面氧化物层，从而导致优异的抗高温氧化性。由于异常的高温强度和抗氧化性，故这些材料优选用于高应力涡轮构件中。此种γ ’增强的镍基超级合金的典型实例为:Mar-M247、CM-247LC、IN100、ln738LC、IN792、Mar-M200、B1900、Rene80 和其他衍生物。
[0004]利用常规堆焊技术，例如TIG或LMF，这些γ’增强的超级合金几乎不能得到处理而不大量形成微裂纹。
[0005]不同的开裂机制在文献中区分:开裂可在凝固的末期期间发生，其中树枝状晶体形成阻止液体的回填，从而导致了隔离区段中的裂纹发生。该机制称为“凝固开裂”(sc)。当热影响区域中的沉淀溶解由于焊接期间的快速加热而延迟时，发生所谓的“熔析开裂”(LC)。结果，沉淀物仍在它们不热动力稳定的温度下存在，且共晶成分形成在界面区域处。当温度超过相对低的共晶温度时，该界面区域熔化且润湿晶粒边界。这些弱化的晶粒边界不可再适应热应力，从而导致形成裂纹。当之前处理的层被重新加热到可形成沉淀的温度时，开裂还可发生在固态中。沉淀导致因体积变化引起的应力形成，导致增大的强度且导致延性的损失。与叠加的热应力结合，可局部超过材料的断裂强度且发生开裂。该机制称为“应变时效开裂”(SAC)。
[0006]由于沉淀物的高分数和所得的高机械强度，缓解热应力的能力较大地降低。出于此原因，γ ’沉淀硬化超级合金尤其倾向于这些开裂机制，且很难焊接。
[0007]另一个问题是，现有技术水平的翻新过程由于涉及许多处理步骤而通常花费很长时间。例如，在涡轮叶片的修复中，叶冠板替换、末梢替换和/或片(coupon)修复需要不同的处理步骤。这导致了高成本和长交付时间。
[0008]燃气涡轮的效率随升高的工作温度而提高。由于所使用的材料的温度能力有限，故冷却系统结合到涡轮构件中。存在不同的冷却技术，诸如膜冷却、泻流冷却或流逸冷却。然而，冷却系统的复杂性受到制造处理的限制。现有技术水平涡轮构件考虑这些受限的制造处理而设计，它们在大多数情况中妨碍最佳技术解决方案。流逸冷却具有目前有限的应用，因为那些多孔结构具有与机械和热应力对抗的问题。
[0009]常规涡轮叶片的另一缺陷在于它们需要抽出铸芯，且因此必须具有打开的带冠末梢。带冠末梢随后必须通过信箱硬焊(letter box brazing)来封闭，这是制造期间的附加关键步骤。除这些几何限制之外，现有技术制造处理通常在材料选择上受限，且需要可铸造或可焊接的材料。
[0010]还已知的现有技术是耐磨涂层或蜂窝件添加到导叶和热屏障上，以便避免将导致效率降低的气体泄漏。涡轮叶片末梢在磨合过程期间切入该耐磨结构中，这带来了良好的密封。然而，由于涡轮叶片末梢的高磨损效果，故耐磨层在此过程期间通常受到极强的破坏，且因此通常在各次工作间歇之后需要完全替换。由于有限的材料选择，故末梢的氧化损失是另一常见冋题。
[0011]用于将材料直接堆积在新的或待修复/翻新的涡轮构件上的选择性激光熔化(SLM)具有若干优点，且可克服上述不足。
[0012]由于SLM期间的极端局部熔化和所得的很快的凝固，故合金化元素的分离和沉淀物的形成显著地减少。相比于常规堆焊技术，这导致了降低的开裂敏感性。相比于其他现有技术的技术，SLM允许了不可铸造、难以加工或难以焊接的材料(如含有高Al+Ti的合金(例如，IN738LC))的近净形处理。此种高温强度和抗氧化材料的使用显著地改善了堆积的涡轮叶片区段的性能。
[0013]孔隙率是添加制造(如SLM领域)中的已知现象。除医疗应用之外，孔隙率的出现是必须最小化的效果，因为孔隙率不利地影响材料性能，如强度、硬度和表面品质。尤其对于燃气涡轮构件而言，SLM处理参数因此通常针对最高密度而优化。残余孔隙率认为是不利的，且因此是非期望的。
[0014]相比于铸造和常规修复技术(例如，堆焊)，SLM提供了高得多的设计自由度，且允许产生了很复杂的结构(“自由复杂性(complexity for free)” )。此外，SLM的使用可通过将不同修复过程组合在单一过程中来减少处理步骤的量。
[0015]在文献W0 2009/156316 A1中，公开了一种借助于选择性激光熔化来生产具有涂层区域的构件的方法。涂层区域具有与基底材料成分不同的成分。这通过在SLM过程期间间歇地引入与粉末材料反应的反应气体来实现。因此，在构件的生产期间，出现层区域，这可确保构件的特定功能，例如，硬化的表面。
[0016]文献EP2319641 A1描述了一种利用选择性激光熔化过程施加多种材料的方法，其提出了使用箔片/带/片或三维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。这些箔片、带、片或预成型坯可应用在三维制品的不同区段/部分上，例如，具有耐磨材料的边缘上，或表面上以改善热传递，以便可实现考虑构件/制品的期望性质来调整微观结构/化学成分。
[0017]文献US2008/0182017 A1公开了一种用于通过沉积材料珠来激光净形制造零件或修复零件区域的方法，其中，沉积材料可在沉积期间改变或变化，使得材料珠由不同材料形成。
[0018]文献EP2586548 A1描述了一种用于借助于选择性激光熔化SLM来制造构件或片的方法，其中具有取决于保养/操作期间构件的预期温度和/或应力和/或应变的分布的对准的粒度分布，使得构件的寿命相对于具有基本上一致的粒度的 类似构件得到改善。
【发明内容】
[0019]本发明的目的在于提供一种用于生产制品或此种制品的至少一部分的方法，和利用所述方法制成的制品，该制品或此种制品的至少一部分由难以焊接的具有高体积分数(>25%)的γ ’相的γ ’沉淀硬化镍基超合金制成，或由不可铸造或难以加工的材料制成。更具体而言，该方法涉及生产新的或修复用过的和受损的涡轮构件。
[0020]根据独立权利要求1的前序部分，该方法涉及借助于选择性激光熔化(SLM)生产三维制品或此种制品的至少一部分，该三维制品或此种制品的至少一部分由为难以焊接的超级合金的具有高体积分数(>25%)的γ ’相的γ ’沉淀硬化镍基超级合金制成，或由钴基超级合金制成，或由不可铸造或难以加工的金属材料制成，其中制品通过利用激光束熔化层方向沉积的金属粉末来产生。该方法的特征在于选择性地调整SLM处理参数来局部地定制所生产的制品或制品的一部分的微观结构和/或孔隙率，且因此优化最终制品/制品的一部分的期望性能。
[0021]利用根据本发明的方法生产的三维制品或此种制品的至少一部分是燃气涡轮构件或燃气涡轮构件的区段/部分。
[0022]本发明的优选实施例在从属权利要求中描述，其例如公开了:
-应用用于进一步调整微观结构的后续热处理步骤，
-待调整的处理参数是以下中的中的至少一个或组合:激光功率、扫描速度(scanvelocity)、扫描间距(hatch distance)、粉末形状、粉末尺寸分布、处理气氛，
-沉积层的所得的微观结构和/或孔隙率是不同的，
-所得的微观结构和/或孔隙率沿制品的径向和/或侧向方向逐渐地变化，
-所得的孔隙率是封闭或开放孔隙率，
-选择性地引入的孔隙率用于调整质量相关的性能，优选本征频率，且平衡构件上额外添加的材料的影响。
[0023]-定制的微观结构包括原位生成的次生相颗粒，优选硬相颗粒或固体润滑剂，
-形成次生相颗粒的元素至少部分地由反应气体(处理气氛)并且/或者由SLM金属粉末或者由基础金属(合金)供应，
-反应气体的成分在SLM过程期间活动地变化，
-供应Re、T1、N1、W、Mo、B以用于在高温下形成高润滑氧化物，
-形成次生相颗粒的元素为碳化物、硼化物、氮化物、氧化物或形成元素的其组合，诸$nAl、S1、Zr、Cr、Re、T1、N1、W、Mo、Zn、V，
-制品中的现有的孔或通道在SLM层的堆积之前填充有聚合物质和无机填料材料，且聚合填料在随后的热处理步骤期间烧掉， -该方法用于生产新的或修复用过的和受损的涡轮构件，
-所生产的制品具有局部定制的微观结构(材料成分、层、梯度和/或孔隙率)，
-制品包括具有开放多孔结构的至少一个部分，
-制品包括开放多孔外层和完全致密内层，该完全致密内层包括设计成用于将冷却介质引导至开放多孔外层的冷却通道，该冷却通道或者在与开放多孔外层的界面处终止，或者部分地或完全地穿透开放多孔外层。
[0024]-开放多孔表面热障涂层应用到该开放多孔外层上，
-制品包括复杂设计结构，但没有具有2 45°的角度或具有尖锐凹入边缘的悬置区域， -制品为涡轮叶片叶冠，
-制品为涡轮构件，在该涡轮构件上构造的区段是新的或退役的构件，
本发明涉及借助于选择性激光熔化(SLM)在现有涡轮叶片上由具有局部定制的微观结构的γ ’沉淀硬化镍基超级合金添加堆积涡轮叶片区段。提出了使用SLM在涡轮构件(新的或修复的)上直接堆积材料，其具有若干优点:
-由于SLM期间极端局部的熔化和所得的很快凝固，故合金化元素的分离和沉淀物的形成显著减少。相比于常规堆焊技术，这导致降低的开裂敏感性。相比于其他现有技术的技术，SLM允许不可铸造、难以加工或难以焊接的材料(如含有高Al+Ti的合金(例如，IN738LC))的近净形处理。此种高温强度和抗氧化材料的使用显著地改善了堆积的涡轮叶片区段的性能。
[0025]-在堆焊和添加制造方法中，处理的材料中的所得密度较强地取决于处理参数。除医疗应用之外，处理参数通常针对最高密度优化，且残余孔隙率被认为是不利的，且因此是非期望的。然而，通过在SLM期间局部地调整处理参数来选择性地定制材料中的微观结构和孔隙率与其增大的设计自由度组合展开了材料性能设计中的新的潜力。益处的一个实例可为减小涡轮叶片叶冠的磨损效果以降低蜂窝件破坏。另一实例可为使用导致开放孔隙率的处理参数来制造区段，从而允许流逸冷却。此外，具有分级或分层的微观结构的结构可在单一制造过程中制造。例如，这允许了生产具有致密(用于强度)和开放多孔(用于冷却)的层的结构，且因此具有克服制造流逸冷却的当前缺陷的潜力。通过多孔结构，还可影响所制造零件的质量，这可用于调节本征频率或施加到转子上的影响离心力(例如，与用于改造升级的叶片延伸组合)，或以任何其他特定或普通方式影响质量。双金属效果也可嵌入具有不同热膨胀性质的添加材料中。
[0026]-相比于铸造和常规修复技术(例如，堆焊)，SLM提供了高得多的设计自由度，且允许产生很复杂的结构(“自由复杂性”)。
[0027]- SLM的使用可通过将不同修复过程组合在单一过程中来减少处理步骤的量。实例是叶片叶冠和末梢在单一过程中的组合替换。在小体积或分别处理的片的修复的情况下，当片通过SLM制造时，相比于铸造，成本和交付时间可显著缩短，因为构件根据CAD文件直接制造，且不需要铸造工具。SLM的使用因此可导致减少的成本和交付时间。
[0028]在本公开中，提出了使用SLM以用于在新部分上或在翻新用过的构件期间堆积涡轮构件(旋转或静止、耐磨或磨损)区段:
-使用仍不可处理的难以焊接、不可铸造或难以加工的材料，诸如含有高Al + Ti的合金(例如，IN738LC)。
[0029]-通过作为设计元素选择性地引入孔隙来定制堆积区段的微观结构，以根据局部需要来调整材料的物理和机械性能。
[0030]-利用SLM过程的设计自由度来将特殊特征(如孔隙或通道，例如，用于冷却)并入堆积的涡轮构件区段中。
[0031]-使用SLM优化设计诸如圆形内缘以替代尖锐边缘，来使所需的支承结构最小化。
[0032]-减少翻新中的交付时间/通过时间和成本。
【附图说明】
[0033]现在将借助于不同实施例且参照附图来更详细地阐释本发明。
[0034]图1作为第一实施例示出了具有叶片叶冠和相对布置的耐磨物(热屏障，SLM生成，具有定制的孔隙率)的末梢；
图2示出过程中运行之后的图1的一部分；
图3示出了根据公开的方法处理的IN738LC试件的金相切面，示出了 SLM之后的高孔隙率；
图4示出了根据公开的方法处理的IN738LC试件的金相切面，示出了 SLM之后的中等孔隙率；
图5、6作为本发明的两个附加实施例示出了穿过壁例如末梢的切 面，其具有不同的层和用于泻流/流逸冷却的冷却通道；
图7示出了具有致密区域和开放多孔堆积叶片叶冠的涡轮叶片的类似实施例；
图8示出了类似于图7的附加实施例，但在开放多孔结构中具有肋条；
图9示出了类似于图6的附加实施例，但在叶片生产(叶片的短工作时间)之后在开放多孔构造中具有肋条；
图10示出了具有受损区域15的在燃气涡轮的长工作时间之后的根据图9的实施例；
图11示出了用于具有修改的翼型件截面的修改的涡轮叶片和修改的压缩机叶片的本发明的两个实施例；
图12示出了图11的细节，且
图13、14示出了如图12中指出的翼型件16’的不同长度处的根据图12的叶片的截面。
【具体实施方式】
[0035]第一实施例:
本发明的第一实施例为通过SLM进行的具有选择性地调整的孔隙结构4的燃气涡轮叶片末梢1的叶片叶冠3和热屏障2堆积，以通过所得的减小磨蚀性来降低磨损。图1和2展示了本发明的该第一实施例，图2示出了具有叶片末梢1和热屏障2的最小破坏的甚至在过程中运行之后的最佳密封。
[0036]为了得到高效率，在叶片末梢1与热屏障2之间的气体泄漏必须最小化(见图1)。良好的密封通常通过加热期间由热膨胀引起的涡轮叶片的过程中挤压来实现。大体上，叶片叶冠3设计为磨蚀性构件，其延伸到设计为耐磨的热屏障2中。工作期间的热循环导致叶片末梢1与护罩2之间的变化的距离。末梢1有时可接触护罩2，且所得的摩擦破坏叶片末梢1和头部屏障2。增大间隙宽度将导致更高的泄漏和更低的效率，且是不合乎需要的。
[0037]需要耐磨物和磨蚀物的最佳设计匹配来获得有效、持久的末梢密封。此外，需要考虑若干其他性能，诸如抗氧化性，这可阻止最佳磨蚀物/耐磨物相互作用。此外，现有技术制造处理中的限制妨碍了最佳材料选择，尤其是在燃气涡轮构件的翻新期间。
[0038]本发明的实现方式为使用选择性激光熔化来制造具有朝末梢增大的孔隙率的叶片叶冠3。该设置的优点是双重的:通过使用SLM用于堆积过程，可应用不可通过常规修复方法处理的材料。而且，次生相颗粒的原位生成允许磨蚀物和耐磨物之间的磨损/磨蚀的最佳调节。这可在磨合过程期间减小耐磨物的过度损坏。
[0039]在另一实现方式中，并入次生相颗粒，这导致了固态自润滑。
[0040]孔隙率也可作为设计结构而以3DCAD模型的形成引入，其然后在SLM堆积期间或通过以所得结构不是完全致密的方式调整处理参数(例如，激光功率、扫描速度、扫描间距、层厚度)来再现。
[0041]对于镍基超级合金IN738LC，图3和图4中示出了根据公开的方法的处理参数调整生成的孔隙率的两个实例。
[0042]图3示出了以下处理参数的具有高孔隙率的微观结构:
扫描速度:400mm/s
功率: 100W 扫描间距:140um 层厚度: 30μηι。
[0043]图4示出了以下处理参数的具有中等孔隙率的微观结构:
扫描速度:240mm/s
功率: 180W 扫描间距:llOum 层厚度: 30μηι。
[0044]附加实现方式(见图5)通过调整处理参数在SLM制造的涡轮区段中并入开放孔隙率，从而并入堆积区段的主动泻流/流逸冷却9。开放多孔区段6可为独立的或构造在致密结构5上，以提高机械稳定性。在第二情况(见图5)中，冷却空气通过冷却孔8供应至开放多孔区段6。致密区段5可以是已经存在的(例如，通过铸造)，或者制造成在相同的单个SLM过程中与多孔部分6—起并入冷却孔8。这允许了在单一过程步骤中容易地制备组合的泻流/流逸和/或近壁冷却。
[0045]不同类型的此种通道的可并入堆积区段中。冷却空气精细地分布在多孔层中，且均匀地离开表面，从而导致叶片表面的有效流逸冷却。开放多孔结构示出了当致密时的低热导率，这进一步减小了致密结构层的热负载。开放多孔热障涂层可应用到开放多孔表面层，以便进一步减小温度负载，而不阻止流逸冷却。
[0046]冷却通路8可在与开放多孔层的界面处停止，或者部分或完全地穿透开放多孔层。不同类型的此种通道8可并入堆积区段中。
[0047]图7作为实例示出退役构件的修复的涡轮叶片的一部分。具有现有的冷却孔8的原来的叶片结构10借助于具有并入的冷却孔8、8’的SLM堆积结构11而覆盖有致密物，冷却孔
8、8’可延伸到SLM堆积开放多孔叶片叶冠3中。公开的方法避免了信箱硬焊的需要，且允许利用单一过程将冷却特征并入叶冠中，这意味着具有并入的冷却孔/通道8、8’的堆积致密结构11和堆积的开放多孔叶片叶冠3在单一 SLM过程中构造。这是重要的优点。
[0048]为了不用金属粉末填充现有冷却通道，叶片开口可填充有聚合物质和无机填料材料，它们可在SLM过程之后在随后的热处理步骤中烧掉。该程序分别允许现有冷却通道的继续、堆积区段中的更复杂且高级的冷却构想(例如，流逸冷却)的连接、基础构件中的空气供应。
[0049]堆积区段的设计针对利用SLM过程的制造而优化，且避免尖锐边缘或大的悬置面积。
[0050]与上述叶片叶冠组合，具有选择性地定制的孔隙率的耐磨配对物可利用SLM堆积，以降低叶片末梢处的磨损，且优化叶片末梢密封，例如，使用SLM在叶片末梢接触区域处制造具有朝热屏障表面增大的孔隙率的热屏障。因此，热屏障的耐磨蚀性可在叶片末梢的接触区域处选择性地增大，而不降低其他位置处的材料性质。利用孔隙率的优化几何形状引入，可降低叶片末梢的磨损，而不危害密封性能(见图1和2)。
[0051]在另一实现方式中，可引入孔隙率来降低导热率，且从而增大热屏障的隔离性能。
[0052]第二实施例:
本发明的第二实施例为通过分层结构进行的涡轮叶片的流逸冷却，该分层结构是通过单个添加制造过程(见图6)制作的。叶片壁的内层5由具有并入的冷却通道8的完全致密的材料构成，以便对第二开放多孔层6提供机械强度和冷却空气供应。引入外开放多孔层中的空气(用箭头示出)导致外叶片表面的流逸冷却9，从而导致表面相对于热气体的有效屏蔽。与多孔层6的降低的导热率结合，内结构层上的热负载显著地减小。
[0053]如果需要，则附加的开放多孔陶瓷热障涂层7可在第二过程步骤中应用在多孔金属层6上，以提供附加(也是流逸冷却)的热屏障。
[0054]冷却通道8可在与开放多孔层的界面处停止，或者部分或完全地穿透开放多孔层
6、7。不同类型的此种通道8可并入堆积区段中。
[0055]在另一实施例中，还可能将基础材料的外致密层应用在多孔金属层6上。
[0056]第三实施例:
该实施例涉及多孔结构的分离，以防止热气体穿透。
[0057]沿翼型件的气体温度标图示出了热气体通路中的次级流的延伸。这对涡轮叶片冷却和叶片中的材料分布具有影响。可示出对应的恒压线(在此未示出)。其中此种线较密，压力梯度很高。在那些区域中，开放多孔结构将由实心肋条12中断，实心肋条1 2具有错流障碍效果，以防止热气体转移。肋条12将吸力侧13与压力侧14分离。这在图8中可看到，图8示出了类似于图7的涡轮叶片末梢。
[0058]图9和图10中示出了附加的实现方式。图9类似于图6，但具有不同肋条12作为错流障碍在开放多孔金属层6中的布置。图9示出了在制造/短工作时间之后具有完整表面的构件，图10示出了在工作之后具有受损区域15的同一构件。此种区域15可为氧化区域或F0D(外来物体破坏)的区域。肋条12为氧化和/或F0D之后沿流方向的障碍。
[0059]第四实施例:
本发明的另一个实施例为具有泡沫类型结构以防止增加质量的翼型件延伸。
[0060]图11在左部示出了涡轮叶片的翼型件16、16’，且在右部示出流动通路增大之前(用于现有截面的连续线)和之后(用于修改的截面的虚线)的压缩机叶片的翼型件16、16’以及涡轮和压缩机的流路轮廓。制作此种流动通路以与增大的质量流对抗。转子上的拉力是有限的，且可需要翼型件16、16’的轻质延伸。16为现有的翼型件，16’为修改的翼型件。这可利用前文所述且利用调整的SLM过程施加的多孔结构实现。图11的细节在图12、图13和图14中示出。
[0061]在图12的左部，翼型件16示为具有原来的长度L，在图12的右部，延伸的翼型件16’示为具有额外的长度EL。轻质结构核心结构17补偿额外长度EL。在此，核心结构利用实心壳结构18部分地嵌入。
[0062]图13和图14为如图12中所示的翼型件16’的不同长度处的两个截面。图13示出了硬焊界面19，其可具有或没有核心17与翼型件16之间的机械互锁。图14示出了添加堆积的核心轻质结构17和壳结构18。可存在2个件，它们具有一个或多个硬焊界面、轻质核心和涂布的顶层/多个顶层、或轻质核心和硬焊片和覆盖涂层。
[0063]当然，本发明不限于所描述的实施例。其可有利地用于生产具有较宽范围的定制微观结构/孔隙率/梯度/材料等的任何三维制品或此种制品的至少一部分。该方法用于生产制品/构件或用于修复已用过和受损的制品/构件。制品优选由难以焊接的超级合金或不可铸造或难以加工的材料制成，且是涡轮、压缩机等的构件或构件部分。
【主权项】
1.一种用于借助于选择性激光熔化(SLM)生产三维制品或此种制品的至少一部分的方法，所述三维制品或此种制品的至少一部分由为难以焊接的超级合金的具有高体积分数(>25%)的γ ’相的γ ’沉淀硬化镍基超级合金制成，或由钴基超级合金制成，或由不可铸造或难以加工的金属材料制成，其中所述制品通过利用激光束熔化层方向沉积的金属粉末来生产，其特征在于，选择性地调整SLM处理参数来局部地定制所生产的制品或该制品的一部分的微观结构和/或孔隙率，且因此优化该最终制品/制品的一部分的期望性能。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，应用用于进一步调整所述微观结构的随后的热处理步骤。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，待调整的处理参数为以下中的至少一个或组合:激光功率、扫描速度、扫描间距、粉末形状、粉末尺寸分布、处理气氛。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沉积层的所得微观结构和/或孔隙率不同。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所得的微观结构和/或孔隙率沿所述制品的径向或侧向方向逐渐地变化。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所得的孔隙率为封闭或开放孔隙率。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该选择性地引入的孔隙率用于调整质量相关的性能，优选本征频率，或者以平衡构件上额外添加的材料的影响。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该定制的微观结构包括原位生成的次生相颗粒，优选硬相颗粒或固体润滑剂。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，形成所述次生相颗粒的元素至少部分地由反应气体(处理气氛)并且/或者由SLM金属粉末并且/或者由合金供应。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述反应气体的成分在所述SLM过程期间活动地变化。11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，供应1^、1^、附、￥、10、8以用于在高温下形成高润滑性氧化物。12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，形成次生相颗粒的元素为碳化物、硼化物、氮化物、氧化物或形成元素的其组合，诸如Al、S1、Zr、Cr、Re、T1、N1、W、Mo、Zn、V。13.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，所述制品中的现有的孔或通道在SLM层的堆积之前填充有聚合物质和无机填料材料，且聚合填料在随后的热处理步骤期间烧掉。14.根据权利要求1至13中的一项所述的方法，其特征在于，所述方法用于生产新的或修复用过的和受损的涡轮构件。15.—种利用根据权利要求1至14中的一项的方法生产的三维制品或此种三维制品的至少一部分，其特征在于，所述制品为燃气涡轮构件或燃气涡轮构件的区段/部分。16.根据权利要求15所述的制品，其特征在于，所述制品具有局部定制的微观结构(材料成分、层、梯度和/或孔隙率)。17.根据权利要求15所述的制品，其特征在于，所述制品包括具有开放多孔结构的至少一个部分。18.根据权利要求17所述的制品，其特征在于，所述制品包括开放多孔外层和完全致密内层，该完全致密内层包括设计成用于将冷却介质引导至所述开放多孔外层的冷却通道，所述冷却通道或者在与所述开放多孔外层的界面处终止，或者部分地或完全地穿透所述开放多孔外层。19.根据权利要求7所述的制品，其特征在于，开放多孔表面热障涂层应用到所述开放多孔外层上。20.根据权利要求15所述的制品，其特征在于，所述制品包括复杂设计结构，但没有具有2 45°的角度或具有尖锐凹入边缘的悬置区域。21.根据权利要求15所述的制品，其特征在于，所述制品为涡轮叶片叶冠。22.根据权利要求15所述的制品，其特征在于，所述制品为涡轮构件，在该涡轮构件上构造的区段是新构件或退役构件。
【专利摘要】本发明涉及一种用于借助于选择性激光熔化(SLM)生产三维制品或此种制品的至少一部分的方法，所述三维制品或此种制品的至少一部分由为难以焊接的超级合金的具有高体积分数(＞25%)的γˊ相的γˊ沉淀硬化镍基超级合金制成，或由钴基超级合金制成，或由不可铸造或难以加工的金属材料制成，其中制品通过利用激光束熔化层方向沉积的金属粉末来生产，其特征在于，选择性地调整SLM处理参数来局部地定制所生产的制品或该制品的一部分的微观结构和/或孔隙率，且因此优化最终制品/制品的一部分的期望性能。
【IPC分类】C22C1/10, C22C19/03, C22C1/04, B22F5/00, B22F3/105
【公开号】CN105492145
【申请号】CN201480035031
【发明人】R.恩格里, S.霍伊维, A.斯坦科维斯基, T.埃特, H.哈伊恩勒
【申请人】通用电器技术有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年5月27日
【公告号】CA2923006A1, EP2815823A1, EP3010671A1, US20160090848, WO2014202352A1
【专利说明】用于生产三维制品的方法和利用此种方法生产的制品
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及借助于选择性激光熔化(SLM)来生产三维制品的技术。其涉及用于生产优选由具有高体积分数(>25%)的γ ’相的γ ’沉淀硬化镍基超级合金或非可铸造或难以加工的材料制成的制品或此种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。更具体而言，该方法涉及生产新的或修复用过的和受损的涡轮构件。
【背景技术】
[0003]燃气涡轮机构件(如涡轮叶片)通常具有复杂的三维几何形状，其可具有难以制造和修复的问题。退役的涡轮构件上的材料的堆积(例如，在翻新期间)通常通过常规堆焊，诸如钨极惰性气体(TIG)焊接或激光金属成型(LMF)来进行。这些技术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)的溶液增强(例如，IN625，HeyneS230)或γ ’增强的镍基超级合金。具有高抗氧化性和高γ ’含量(例如>25体积％)的镍基超级合金(意味着具有高组合量的至少5重量%的六1和Ti，诸如IN738LC、MarM-247或CM-247LC)通常难以焊接，且不可由常规堆焊处理而没有较大的微开裂。γ ’相具有L12类型的有序FCC结构，且形成具有低表面能量的共格沉淀。由于共格界面和有序结构，这些沉淀物有效地阻止了位错移动，且较强地改善甚至在高温下的材料强度。低表面能量导致生长的低驱动力，这是它们的长期高温稳定性的原因。除形成γ ’相之外，高Α1含量导致形成稳定的表面氧化物层，从而导致优异的抗高温氧化性。由于异常的高温强度和抗氧化性，故这些材料优选用于高应力涡轮构件中。此种γ ’增强的镍基超级合金的典型实例为:Mar-M247、CM-247LC、IN100、ln738LC、IN792、Mar-M200、B1900、Rene80 和其他衍生物。
[0004]利用常规堆焊技术，例如TIG或LMF，这些γ’增强的超级合金几乎不能得到处理而不大量形成微裂纹。
[0005]不同的开裂机制在文献中区分:开裂可在凝固的末期期间发生，其中树枝状晶体形成阻止液体的回填，从而导致了隔离区段中的裂纹发生。该机制称为“凝固开裂”(sc)。当热影响区域中的沉淀溶解由于焊接期间的快速加热而延迟时，发生所谓的“熔析开裂”(LC)。结果，沉淀物仍在它们不热动力稳定的温度下存在，且共晶成分形成在界面区域处。当温度超过相对低的共晶温度时，该界面区域熔化且润湿晶粒边界。这些弱化的晶粒边界不可再适应热应力，从而导致形成裂纹。当之前处理的层被重新加热到可形成沉淀的温度时，开裂还可发生在固态中。沉淀导致因体积变化引起的应力形成，导致增大的强度且导致延性的损失。与叠加的热应力结合，可局部超过材料的断裂强度且发生开裂。该机制称为“应变时效开裂”(SAC)。
[0006]由于沉淀物的高分数和所得的高机械强度，缓解热应力的能力较大地降低。出于此原因，γ ’沉淀硬化超级合金尤其倾向于这些开裂机制，且很难焊接。
[0007]另一个问题是，现有技术水平的翻新过程由于涉及许多处理步骤而通常花费很长时间。例如，在涡轮叶片的修复中，叶冠板替换、末梢替换和/或片(coupon)修复需要不同的处理步骤。这导致了高成本和长交付时间。
[0008]燃气涡轮的效率随升高的工作温度而提高。由于所使用的材料的温度能力有限，故冷却系统结合到涡轮构件中。存在不同的冷却技术，诸如膜冷却、泻流冷却或流逸冷却。然而，冷却系统的复杂性受到制造处理的限制。现有技术水平涡轮构件考虑这些受限的制造处理而设计，它们在大多数情况中妨碍最佳技术解决方案。流逸冷却具有目前有限的应用，因为那些多孔结构具有与机械和热应力对抗的问题。
[0009]常规涡轮叶片的另一缺陷在于它们需要抽出铸芯，且因此必须具有打开的带冠末梢。带冠末梢随后必须通过信箱硬焊(letter box brazing)来封闭，这是制造期间的附加关键步骤。除这些几何限制之外，现有技术制造处理通常在材料选择上受限，且需要可铸造或可焊接的材料。
[0010]还已知的现有技术是耐磨涂层或蜂窝件添加到导叶和热屏障上，以便避免将导致效率降低的气体泄漏。涡轮叶片末梢在磨合过程期间切入该耐磨结构中，这带来了良好的密封。然而，由于涡轮叶片末梢的高磨损效果，故耐磨层在此过程期间通常受到极强的破坏，且因此通常在各次工作间歇之后需要完全替换。由于有限的材料选择，故末梢的氧化损失是另一常见冋题。
[0011]用于将材料直接堆积在新的或待修复/翻新的涡轮构件上的选择性激光熔化(SLM)具有若干优点，且可克服上述不足。
[0012]由于SLM期间的极端局部熔化和所得的很快的凝固，故合金化元素的分离和沉淀物的形成显著地减少。相比于常规堆焊技术，这导致了降低的开裂敏感性。相比于其他现有技术的技术，SLM允许了不可铸造、难以加工或难以焊接的材料(如含有高Al+Ti的合金(例如，IN738LC))的近净形处理。此种高温强度和抗氧化材料的使用显著地改善了堆积的涡轮叶片区段的性能。
[0013]孔隙率是添加制造(如SLM领域)中的已知现象。除医疗应用之外，孔隙率的出现是必须最小化的效果，因为孔隙率不利地影响材料性能，如强度、硬度和表面品质。尤其对于燃气涡轮构件而言，SLM处理参数因此通常针对最高密度而优化。残余孔隙率认为是不利的，且因此是非期望的。
[0014]相比于铸造和常规修复技术(例如，堆焊)，SLM提供了高得多的设计自由度，且允许产生了很复杂的结构(“自由复杂性(complexity for free)” )。此外，SLM的使用可通过将不同修复过程组合在单一过程中来减少处理步骤的量。
[0015]在文献W0 2009/156316 A1中，公开了一种借助于选择性激光熔化来生产具有涂层区域的构件的方法。涂层区域具有与基底材料成分不同的成分。这通过在SLM过程期间间歇地引入与粉末材料反应的反应气体来实现。因此，在构件的生产期间，出现层区域，这可确保构件的特定功能，例如，硬化的表面。
[0016]文献EP2319641 A1描述了一种利用选择性激光熔化过程施加多种材料的方法，其提出了使用箔片/带/片或三维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。这些箔片、带、片或预成型坯可应用在三维制品的不同区段/部分上，例如，具有耐磨材料的边缘上，或表面上以改善热传递，以便可实现考虑构件/制品的期望性质来调整微观结构/化学成分。
[0017]文献US2008/0182017 A1公开了一种用于通过沉积材料珠来激光净形制造零件或修复零件区域的方法，其中，沉积材料可在沉积期间改变或变化，使得材料珠由不同材料形成。
[0018]文献EP2586548 A1描述了一种用于借助于选择性激光熔化SLM来制造构件或片的方法，其中具有取决于保养/操作期间构件的预期温度和/或应力和/或应变的分布的对准的粒度分布，使得构件的寿命相对于具有基本上一致的粒度的 类似构件得到改善。
【发明内容】
[0019]本发明的目的在于提供一种用于生产制品或此种制品的至少一部分的方法，和利用所述方法制成的制品，该制品或此种制品的至少一部分由难以焊接的具有高体积分数(>25%)的γ ’相的γ ’沉淀硬化镍基超合金制成，或由不可铸造或难以加工的材料制成。更具体而言，该方法涉及生产新的或修复用过的和受损的涡轮构件。
[0020]根据独立权利要求1的前序部分，该方法涉及借助于选择性激光熔化(SLM)生产三维制品或此种制品的至少一部分，该三维制品或此种制品的至少一部分由为难以焊接的超级合金的具有高体积分数(>25%)的γ ’相的γ ’沉淀硬化镍基超级合金制成，或由钴基超级合金制成，或由不可铸造或难以加工的金属材料制成，其中制品通过利用激光束熔化层方向沉积的金属粉末来产生。该方法的特征在于选择性地调整SLM处理参数来局部地定制所生产的制品或制品的一部分的微观结构和/或孔隙率，且因此优化最终制品/制品的一部分的期望性能。
[0021]利用根据本发明的方法生产的三维制品或此种制品的至少一部分是燃气涡轮构件或燃气涡轮构件的区段/部分。
[0022]本发明的优选实施例在从属权利要求中描述，其例如公开了:
-应用用于进一步调整微观结构的后续热处理步骤，
-待调整的处理参数是以下中的中的至少一个或组合:激光功率、扫描速度(scanvelocity)、扫描间距(hatch distance)、粉末形状、粉末尺寸分布、处理气氛，
-沉积层的所得的微观结构和/或孔隙率是不同的，
-所得的微观结构和/或孔隙率沿制品的径向和/或侧向方向逐渐地变化，
-所得的孔隙率是封闭或开放孔隙率，
-选择性地引入的孔隙率用于调整质量相关的性能，优选本征频率，且平衡构件上额外添加的材料的影响。
[0023]-定制的微观结构包括原位生成的次生相颗粒，优选硬相颗粒或固体润滑剂，
-形成次生相颗粒的元素至少部分地由反应气体(处理气氛)并且/或者由SLM金属粉末或者由基础金属(合金)供应，
-反应气体的成分在SLM过程期间活动地变化，
-供应Re、T1、N1、W、Mo、B以用于在高温下形成高润滑氧化物，
-形成次生相颗粒的元素为碳化物、硼化物、氮化物、氧化物或形成元素的其组合，诸$nAl、S1、Zr、Cr、Re、T1、N1、W、Mo、Zn、V，
-制品中的现有的孔或通道在SLM层的堆积之前填充有聚合物质和无机填料材料，且聚合填料在随后的热处理步骤期间烧掉， -该方法用于生产新的或修复用过的和受损的涡轮构件，
-所生产的制品具有局部定制的微观结构(材料成分、层、梯度和/或孔隙率)，
-制品包括具有开放多孔结构的至少一个部分，
-制品包括开放多孔外层和完全致密内层，该完全致密内层包括设计成用于将冷却介质引导至开放多孔外层的冷却通道，该冷却通道或者在与开放多孔外层的界面处终止，或者部分地或完全地穿透开放多孔外层。
[0024]-开放多孔表面热障涂层应用到该开放多孔外层上，
-制品包括复杂设计结构，但没有具有2 45°的角度或具有尖锐凹入边缘的悬置区域， -制品为涡轮叶片叶冠，
-制品为涡轮构件，在该涡轮构件上构造的区段是新的或退役的构件，
本发明涉及借助于选择性激光熔化(SLM)在现有涡轮叶片上由具有局部定制的微观结构的γ ’沉淀硬化镍基超级合金添加堆积涡轮叶片区段。提出了使用SLM在涡轮构件(新的或修复的)上直接堆积材料，其具有若干优点:
-由于SLM期间极端局部的熔化和所得的很快凝固，故合金化元素的分离和沉淀物的形成显著减少。相比于常规堆焊技术，这导致降低的开裂敏感性。相比于其他现有技术的技术，SLM允许不可铸造、难以加工或难以焊接的材料(如含有高Al+Ti的合金(例如，IN738LC))的近净形处理。此种高温强度和抗氧化材料的使用显著地改善了堆积的涡轮叶片区段的性能。
[0025]-在堆焊和添加制造方法中，处理的材料中的所得密度较强地取决于处理参数。除医疗应用之外，处理参数通常针对最高密度优化，且残余孔隙率被认为是不利的，且因此是非期望的。然而，通过在SLM期间局部地调整处理参数来选择性地定制材料中的微观结构和孔隙率与其增大的设计自由度组合展开了材料性能设计中的新的潜力。益处的一个实例可为减小涡轮叶片叶冠的磨损效果以降低蜂窝件破坏。另一实例可为使用导致开放孔隙率的处理参数来制造区段，从而允许流逸冷却。此外，具有分级或分层的微观结构的结构可在单一制造过程中制造。例如，这允许了生产具有致密(用于强度)和开放多孔(用于冷却)的层的结构，且因此具有克服制造流逸冷却的当前缺陷的潜力。通过多孔结构，还可影响所制造零件的质量，这可用于调节本征频率或施加到转子上的影响离心力(例如，与用于改造升级的叶片延伸组合)，或以任何其他特定或普通方式影响质量。双金属效果也可嵌入具有不同热膨胀性质的添加材料中。
[0026]-相比于铸造和常规修复技术(例如，堆焊)，SLM提供了高得多的设计自由度，且允许产生很复杂的结构(“自由复杂性”)。
[0027]- SLM的使用可通过将不同修复过程组合在单一过程中来减少处理步骤的量。实例是叶片叶冠和末梢在单一过程中的组合替换。在小体积或分别处理的片的修复的情况下，当片通过SLM制造时，相比于铸造，成本和交付时间可显著缩短，因为构件根据CAD文件直接制造，且不需要铸造工具。SLM的使用因此可导致减少的成本和交付时间。
[0028]在本公开中，提出了使用SLM以用于在新部分上或在翻新用过的构件期间堆积涡轮构件(旋转或静止、耐磨或磨损)区段:
-使用仍不可处理的难以焊接、不可铸造或难以加工的材料，诸如含有高Al + Ti的合金(例如，IN738LC)。
[0029]-通过作为设计元素选择性地引入孔隙来定制堆积区段的微观结构，以根据局部需要来调整材料的物理和机械性能。
[0030]-利用SLM过程的设计自由度来将特殊特征(如孔隙或通道，例如，用于冷却)并入堆积的涡轮构件区段中。
[0031]-使用SLM优化设计诸如圆形内缘以替代尖锐边缘，来使所需的支承结构最小化。
[0032]-减少翻新中的交付时间/通过时间和成本。
【附图说明】
[0033]现在将借助于不同实施例且参照附图来更详细地阐释本发明。
[0034]图1作为第一实施例示出了具有叶片叶冠和相对布置的耐磨物(热屏障，SLM生成，具有定制的孔隙率)的末梢；
图2示出过程中运行之后的图1的一部分；
图3示出了根据公开的方法处理的IN738LC试件的金相切面，示出了 SLM之后的高孔隙率；
图4示出了根据公开的方法处理的IN738LC试件的金相切面，示出了 SLM之后的中等孔隙率；
图5、6作为本发明的两个附加实施例示出了穿过壁例如末梢的切 面，其具有不同的层和用于泻流/流逸冷却的冷却通道；
图7示出了具有致密区域和开放多孔堆积叶片叶冠的涡轮叶片的类似实施例；
图8示出了类似于图7的附加实施例，但在开放多孔结构中具有肋条；
图9示出了类似于图6的附加实施例，但在叶片生产(叶片的短工作时间)之后在开放多孔构造中具有肋条；
图10示出了具有受损区域15的在燃气涡轮的长工作时间之后的根据图9的实施例；
图11示出了用于具有修改的翼型件截面的修改的涡轮叶片和修改的压缩机叶片的本发明的两个实施例；
图12示出了图11的细节，且
图13、14示出了如图12中指出的翼型件16’的不同长度处的根据图12的叶片的截面。
【具体实施方式】
[0035]第一实施例:
本发明的第一实施例为通过SLM进行的具有选择性地调整的孔隙结构4的燃气涡轮叶片末梢1的叶片叶冠3和热屏障2堆积，以通过所得的减小磨蚀性来降低磨损。图1和2展示了本发明的该第一实施例，图2示出了具有叶片末梢1和热屏障2的最小破坏的甚至在过程中运行之后的最佳密封。
[0036]为了得到高效率，在叶片末梢1与热屏障2之间的气体泄漏必须最小化(见图1)。良好的密封通常通过加热期间由热膨胀引起的涡轮叶片的过程中挤压来实现。大体上，叶片叶冠3设计为磨蚀性构件，其延伸到设计为耐磨的热屏障2中。工作期间的热循环导致叶片末梢1与护罩2之间的变化的距离。末梢1有时可接触护罩2，且所得的摩擦破坏叶片末梢1和头部屏障2。增大间隙宽度将导致更高的泄漏和更低的效率，且是不合乎需要的。
[0037]需要耐磨物和磨蚀物的最佳设计匹配来获得有效、持久的末梢密封。此外，需要考虑若干其他性能，诸如抗氧化性，这可阻止最佳磨蚀物/耐磨物相互作用。此外，现有技术制造处理中的限制妨碍了最佳材料选择，尤其是在燃气涡轮构件的翻新期间。
[0038]本发明的实现方式为使用选择性激光熔化来制造具有朝末梢增大的孔隙率的叶片叶冠3。该设置的优点是双重的:通过使用SLM用于堆积过程，可应用不可通过常规修复方法处理的材料。而且，次生相颗粒的原位生成允许磨蚀物和耐磨物之间的磨损/磨蚀的最佳调节。这可在磨合过程期间减小耐磨物的过度损坏。
[0039]在另一实现方式中，并入次生相颗粒，这导致了固态自润滑。
[0040]孔隙率也可作为设计结构而以3DCAD模型的形成引入，其然后在SLM堆积期间或通过以所得结构不是完全致密的方式调整处理参数(例如，激光功率、扫描速度、扫描间距、层厚度)来再现。
[0041]对于镍基超级合金IN738LC，图3和图4中示出了根据公开的方法的处理参数调整生成的孔隙率的两个实例。
[0042]图3示出了以下处理参数的具有高孔隙率的微观结构:
扫描速度:400mm/s
功率: 100W 扫描间距:140um 层厚度: 30μηι。
[0043]图4示出了以下处理参数的具有中等孔隙率的微观结构:
扫描速度:240mm/s
功率: 180W 扫描间距:llOum 层厚度: 30μηι。
[0044]附加实现方式(见图5)通过调整处理参数在SLM制造的涡轮区段中并入开放孔隙率，从而并入堆积区段的主动泻流/流逸冷却9。开放多孔区段6可为独立的或构造在致密结构5上，以提高机械稳定性。在第二情况(见图5)中，冷却空气通过冷却孔8供应至开放多孔区段6。致密区段5可以是已经存在的(例如，通过铸造)，或者制造成在相同的单个SLM过程中与多孔部分6—起并入冷却孔8。这允许了在单一过程步骤中容易地制备组合的泻流/流逸和/或近壁冷却。
[0045]不同类型的此种通道的可并入堆积区段中。冷却空气精细地分布在多孔层中，且均匀地离开表面，从而导致叶片表面的有效流逸冷却。开放多孔结构示出了当致密时的低热导率，这进一步减小了致密结构层的热负载。开放多孔热障涂层可应用到开放多孔表面层，以便进一步减小温度负载，而不阻止流逸冷却。
[0046]冷却通路8可在与开放多孔层的界面处停止，或者部分或完全地穿透开放多孔层。不同类型的此种通道8可并入堆积区段中。
[0047]图7作为实例示出退役构件的修复的涡轮叶片的一部分。具有现有的冷却孔8的原来的叶片结构10借助于具有并入的冷却孔8、8’的SLM堆积结构11而覆盖有致密物，冷却孔
8、8’可延伸到SLM堆积开放多孔叶片叶冠3中。公开的方法避免了信箱硬焊的需要，且允许利用单一过程将冷却特征并入叶冠中，这意味着具有并入的冷却孔/通道8、8’的堆积致密结构11和堆积的开放多孔叶片叶冠3在单一 SLM过程中构造。这是重要的优点。
[0048]为了不用金属粉末填充现有冷却通道，叶片开口可填充有聚合物质和无机填料材料，它们可在SLM过程之后在随后的热处理步骤中烧掉。该程序分别允许现有冷却通道的继续、堆积区段中的更复杂且高级的冷却构想(例如，流逸冷却)的连接、基础构件中的空气供应。
[0049]堆积区段的设计针对利用SLM过程的制造而优化，且避免尖锐边缘或大的悬置面积。
[0050]与上述叶片叶冠组合，具有选择性地定制的孔隙率的耐磨配对物可利用SLM堆积，以降低叶片末梢处的磨损，且优化叶片末梢密封，例如，使用SLM在叶片末梢接触区域处制造具有朝热屏障表面增大的孔隙率的热屏障。因此，热屏障的耐磨蚀性可在叶片末梢的接触区域处选择性地增大，而不降低其他位置处的材料性质。利用孔隙率的优化几何形状引入，可降低叶片末梢的磨损，而不危害密封性能(见图1和2)。
[0051]在另一实现方式中，可引入孔隙率来降低导热率，且从而增大热屏障的隔离性能。
[0052]第二实施例:
本发明的第二实施例为通过分层结构进行的涡轮叶片的流逸冷却，该分层结构是通过单个添加制造过程(见图6)制作的。叶片壁的内层5由具有并入的冷却通道8的完全致密的材料构成，以便对第二开放多孔层6提供机械强度和冷却空气供应。引入外开放多孔层中的空气(用箭头示出)导致外叶片表面的流逸冷却9，从而导致表面相对于热气体的有效屏蔽。与多孔层6的降低的导热率结合，内结构层上的热负载显著地减小。
[0053]如果需要，则附加的开放多孔陶瓷热障涂层7可在第二过程步骤中应用在多孔金属层6上，以提供附加(也是流逸冷却)的热屏障。
[0054]冷却通道8可在与开放多孔层的界面处停止，或者部分或完全地穿透开放多孔层
6、7。不同类型的此种通道8可并入堆积区段中。
[0055]在另一实施例中，还可能将基础材料的外致密层应用在多孔金属层6上。
[0056]第三实施例:
该实施例涉及多孔结构的分离，以防止热气体穿透。
[0057]沿翼型件的气体温度标图示出了热气体通路中的次级流的延伸。这对涡轮叶片冷却和叶片中的材料分布具有影响。可示出对应的恒压线(在此未示出)。其中此种线较密，压力梯度很高。在那些区域中，开放多孔结构将由实心肋条12中断，实心肋条1 2具有错流障碍效果，以防止热气体转移。肋条12将吸力侧13与压力侧14分离。这在图8中可看到，图8示出了类似于图7的涡轮叶片末梢。
[0058]图9和图10中示出了附加的实现方式。图9类似于图6，但具有不同肋条12作为错流障碍在开放多孔金属层6中的布置。图9示出了在制造/短工作时间之后具有完整表面的构件，图10示出了在工作之后具有受损区域15的同一构件。此种区域15可为氧化区域或F0D(外来物体破坏)的区域。肋条12为氧化和/或F0D之后沿流方向的障碍。
[0059]第四实施例:
本发明的另一个实施例为具有泡沫类型结构以防止增加质量的翼型件延伸。
[0060]图11在左部示出了涡轮叶片的翼型件16、16’，且在右部示出流动通路增大之前(用于现有截面的连续线)和之后(用于修改的截面的虚线)的压缩机叶片的翼型件16、16’以及涡轮和压缩机的流路轮廓。制作此种流动通路以与增大的质量流对抗。转子上的拉力是有限的，且可需要翼型件16、16’的轻质延伸。16为现有的翼型件，16’为修改的翼型件。这可利用前文所述且利用调整的SLM过程施加的多孔结构实现。图11的细节在图12、图13和图14中示出。
[0061]在图12的左部，翼型件16示为具有原来的长度L，在图12的右部，延伸的翼型件16’示为具有额外的长度EL。轻质结构核心结构17补偿额外长度EL。在此，核心结构利用实心壳结构18部分地嵌入。
[0062]图13和图14为如图12中所示的翼型件16’的不同长度处的两个截面。图13示出了硬焊界面19，其可具有或没有核心17与翼型件16之间的机械互锁。图14示出了添加堆积的核心轻质结构17和壳结构18。可存在2个件，它们具有一个或多个硬焊界面、轻质核心和涂布的顶层/多个顶层、或轻质核心和硬焊片和覆盖涂层。
[0063]当然，本发明不限于所描述的实施例。其可有利地用于生产具有较宽范围的定制微观结构/孔隙率/梯度/材料等的任何三维制品或此种制品的至少一部分。该方法用于生产制品/构件或用于修复已用过和受损的制品/构件。制品优选由难以焊接的超级合金或不可铸造或难以加工的材料制成，且是涡轮、压缩机等的构件或构件部分。
【主权项】
1.一种用于借助于选择性激光熔化(SLM)生产三维制品或此种制品的至少一部分的方法，所述三维制品或此种制品的至少一部分由为难以焊接的超级合金的具有高体积分数(>25%)的γ ’相的γ ’沉淀硬化镍基超级合金制成，或由钴基超级合金制成，或由不可铸造或难以加工的金属材料制成，其中所述制品通过利用激光束熔化层方向沉积的金属粉末来生产，其特征在于，选择性地调整SLM处理参数来局部地定制所生产的制品或该制品的一部分的微观结构和/或孔隙率，且因此优化该最终制品/制品的一部分的期望性能。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，应用用于进一步调整所述微观结构的随后的热处理步骤。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，待调整的处理参数为以下中的至少一个或组合:激光功率、扫描速度、扫描间距、粉末形状、粉末尺寸分布、处理气氛。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沉积层的所得微观结构和/或孔隙率不同。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所得的微观结构和/或孔隙率沿所述制品的径向或侧向方向逐渐地变化。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所得的孔隙率为封闭或开放孔隙率。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该选择性地引入的孔隙率用于调整质量相关的性能，优选本征频率，或者以平衡构件上额外添加的材料的影响。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该定制的微观结构包括原位生成的次生相颗粒，优选硬相颗粒或固体润滑剂。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，形成所述次生相颗粒的元素至少部分地由反应气体(处理气氛)并且/或者由SLM金属粉末并且/或者由合金供应。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述反应气体的成分在所述SLM过程期间活动地变化。11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，供应1^、1^、附、￥、10、8以用于在高温下形成高润滑性氧化物。12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，形成次生相颗粒的元素为碳化物、硼化物、氮化物、氧化物或形成元素的其组合，诸如Al、S1、Zr、Cr、Re、T1、N1、W、Mo、Zn、V。13.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，所述制品中的现有的孔或通道在SLM层的堆积之前填充有聚合物质和无机填料材料，且聚合填料在随后的热处理步骤期间烧掉。14.根据权利要求1至13中的一项所述的方法，其特征在于，所述方法用于生产新的或修复用过的和受损的涡轮构件。15.—种利用根据权利要求1至14中的一项的方法生产的三维制品或此种三维制品的至少一部分，其特征在于，所述制品为燃气涡轮构件或燃气涡轮构件的区段/部分。16.根据权利要求15所述的制品，其特征在于，所述制品具有局部定制的微观结构(材料成分、层、梯度和/或孔隙率)。17.根据权利要求15所述的制品，其特征在于，所述制品包括具有开放多孔结构的至少一个部分。18.根据权利要求17所述的制品，其特征在于，所述制品包括开放多孔外层和完全致密内层，该完全致密内层包括设计成用于将冷却介质引导至所述开放多孔外层的冷却通道，所述冷却通道或者在与所述开放多孔外层的界面处终止，或者部分地或完全地穿透所述开放多孔外层。19.根据权利要求7所述的制品，其特征在于，开放多孔表面热障涂层应用到所述开放多孔外层上。20.根据权利要求15所述的制品，其特征在于，所述制品包括复杂设计结构，但没有具有2 45°的角度或具有尖锐凹入边缘的悬置区域。21.根据权利要求15所述的制品，其特征在于，所述制品为涡轮叶片叶冠。22.根据权利要求15所述的制品，其特征在于，所述制品为涡轮构件，在该涡轮构件上构造的区段是新构件或退役构件。
【专利摘要】本发明涉及一种用于借助于选择性激光熔化(SLM)生产三维制品或此种制品的至少一部分的方法，所述三维制品或此种制品的至少一部分由为难以焊接的超级合金的具有高体积分数(＞25%)的γˊ相的γˊ沉淀硬化镍基超级合金制成，或由钴基超级合金制成，或由不可铸造或难以加工的金属材料制成，其中制品通过利用激光束熔化层方向沉积的金属粉末来生产，其特征在于，选择性地调整SLM处理参数来局部地定制所生产的制品或该制品的一部分的微观结构和/或孔隙率，且因此优化最终制品/制品的一部分的期望性能。
【IPC分类】C22C1/10, C22C19/03, C22C1/04, B22F5/00, B22F3/105
【公开号】CN105492145
【申请号】CN201480035031
【发明人】R.恩格里, S.霍伊维, A.斯坦科维斯基, T.埃特, H.哈伊恩勒
【申请人】通用电器技术有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年5月27日
【公告号】CA2923006A1, EP2815823A1, EP3010671A1, US20160090848, WO2014202352A1
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