用于通过粉末的选择性熔化来生产零件的方法

摘要

一种通过粉末的选择性熔化来制造零件的方法，所述方法包括下述步骤：沉积第一粉末(2)的第一层(12)，所述第一粉末(2)具有第一元素作为主要元素；在所述第一层上沉积第二粉末(22)的第二层(15)，所述第二粉末(22)具有第二元素作为主要元素，所述第二元素不同于所述第一元素；以及在所述第二层(15)上移动第一能量束(11)例如激光束或电子束，由第一能量束递送的能量使得能引发第一元素和第二元素之间的放热反应，由所述放热反应释放的能量使得能将第一层和第二层(12，15)局部地熔化在一起。

权利要求

1.一种通过选择性熔化粉末来制造零件的方法，所述方法包含下述步骤：沉积第一粉末(2)的第一层(12)，所述第一粉末(2)具有第一元素作为它的主要元素；

在所述第一层上沉积第二粉末(22)的第二层(15)，所述第二粉末(22)具有第二元素作为它的主要元素，所述第二元素不同于所述第一元素；以及在所述第二层(15)上移动第一能量束(11)，由第一能量束递送的能量用于引发第一元素和第二元素之间的放热反应，由所述放热反应放出的能量用于将第一层和第二层(12，

15)局部地熔化在一起。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一能量束是激光束或电子束。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一元素选自下述元素：Nb，Mo，V，Ta，Cr，Fe，Co，Ni；

所述第二元素选自下述元素：Si或Al；以及所述放热反应在第一元素与Si或Al之间进行，并导致形成硅化物或铝化物。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一元素是Nb或Mo。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二元素是Si。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一元素是Ti；

所述第二元素选自下述元素：Si或Al；以及所述放热反应在第一元素与Si或Al之间进行，并导致形成硅化物或铝化物。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二元素是Al。

8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，在沉积第二层(15)之前，在第一层(12)上移动第二能量束(11)，由第二能量束递送的能量用于局部地和在表面处熔化第一层。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，重复如上所述的操作，直到获得所述零件。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述方法应用于制备金属零件，所述金属零件经受600℃-1500℃或高于1500℃的操作温度。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述方法应用于制造涡轮机零件。

说明书

用于通过粉末的选择性熔化来生产零件的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及通过选择性地熔化粉末来制造零件的方法。

[0002] 背景

[0003] 通过选择性地熔化粉末来制造零件的方法是已知的。这些方法包括通过下述方式来制造零件：叠加多个粉末层，一个接一个地沉积每一个层并使用在每一层表面上经过的激光束或电子束局部地熔化所述层。激光在每一层上遵循的路径由系统决定，在所述系统中记录了待制备的相继层的点的三维坐标。这些方法也称为"直接金属激光烧结"，"选择性激光熔化"，"激光束熔化"，或"电子束熔化"。

[0004] 这类方法的已知示例如下面的专利文献所述：WO2012/160291A1、WO2013/060981A2和FR2982182A1。

[0005] 在那些方法中，在每一层中熔化粉末需要非常大量的束能量，和一定量的时间，对应于束在层上的通过时间。因此，使用这些方法制造零件的成本较高，特别是因为与产生高能束相关的能耗。此外，制造时间较长，特别是因为大量的束通过遍数。

[0006] 因此，需要一种新型方法。

[0007] 论文“放热功率组合物的表面激光烧结：热学和SEM/EDX研究”，《热分析和量热学报(Journal of Thermal Analysis and Calorimetry)，卷号：91(2008)，期号：2，页码：427-436，I.V.Shishkovsky等，批露了一种方法，其中在包括镍和铝粉末的混合物的单一粉末层上移动激光束。由激光束放出的能量引发镍和铝之间的放热反应。

[0008] 总体概述

[0009] 本发明涉及一种通过选择性熔化粉末来制造零件的方法，所述方法包含下述步骤：

[0010] 沉积第一粉末的第一层，所述第一粉末具有第一元素作为它的主要元素；

[0011] 在所述第一层上沉积第二粉末的第二层，所述第二粉末具有第二元素作为它的主要元素，所述第二元素不同于所述第一元素；以及

[0012] 在所述第二层上移动第一能量束，例如激光束或电子束，由第一能量束递送的能量用于引发第一元素和第二元素之间的放热反应，由所述放热反应放出的能量用于将第一层和第二层局部地熔化在一起。

[0013] 在这种方法中，局部熔化(或选择性熔化)第二层所需的能量通过引发的放热反应来提供。结果，可将由第一能量束递送的能量选定为小于局部地熔化第二层所需的能量，同时仍然足以引发所述放热反应。

[0014] 通过第一能量束递送到第二层的某些区域的能量取决于束的功率，且取决于束在该区域上通过的速度。因此，减少所需的能量使得能降低束的功率和/或增加束的移动速度。因此，通过降低束的功率和/或增加束在第二层上的移动速度，所述方法使得能降低与产生束相关的能耗。这导致降低制造成本和/或提高零件生产速率。

[0015] 此外，因为用于局部熔化第一层所需的能量也由引发的放热反应来提供，所以能省略在第一层上通过能量束的操作。这还使得能通过降低能耗来降低生产成本和/或通过减少束的总通过遍数来提高生产速率。具体来说，与常规方法相比，本发明的通过遍数可减半。

[0016] 在一些实施方式中，在沉积第二层之前在第一层上移动第二能量束，由第二能量束递送的能量用于在表面处和局部地熔化第一层。这种表面熔化具体地用于固结第一层，从而促进在第一层上沉积第二层。理想地，只熔化位于第一层表面的粉末，且不熔化第一层全部厚度中的粉末。因此，可将由第二能量束递送的能量选定为小于局部完全熔化第一层所需的能量，同时仍然足以在第一层表面处导致局部熔化。在这种情况下，且与常规方法相比，能耗更低和/或生产速率更高。

[0017] 这种方法尤其应用于制造金属零件。术语"金属零件"应理解为包括由纯金属、金属合金或金属陶瓷制成的零件。零件可包含将要在操作中经受高温的金属零件，特别是由耐火合金制成的金属零件。具体来说，这些零件难以通过铸造或浇铸方法正确地制造：发现存在与模具发生化学反应的问题，构成浇铸合金的某些元素与氧的亲和性问题，固化速率过快的问题等，这常常导致合金不平衡，得到的微观结构是无序的并具有显著的冶金缺陷(收缩、分离、裂纹等)。相反，本文提出的制造方法使得能获得具有均匀微观结构和组成、良好冶金质量和/或在环境温度下具有良好韧性的零件。

[0018] 具体来说，这种方法可用于制造涡轮机零件。不作为限制，所考虑的零件可为航空器涡轮喷气发动机的高压或低压涡轮。例如，其可为涡轮叶片。

[0019] 除了如上所述的特征以外，所述方法可具有一个或多个下述特征，其可单独地考虑或以任何可行的组合地考虑：

[0020] 第一粉末是金属粉末；

[0021] 第二粉末是金属粉末；

[0022] 第一元素——即第一粉末的主要元素或大多数元素——选自下述元素：Nb，Mo，Ti，V，Ta，Cr，Fe，Co，Ni；

[0023] 第一元素是Mb，Mo，或Ti，具体来说第一粉末是合金粉末，所述合金包含大多数元素Nb，Mo，或Ti以及其它过渡金属；

[0024] 第一粉末是金属合金粉末，如果第一元素是Nb或Mo，所述金属合金包含选自下述元素的额外元素：Si，Ti，Cr，Al，Hf，Mo，Sn，B，且如果第一元素是Ti，额外元素选自下述元素：Al，Nb，Cr，Ta，W，Mo，B，Hf，Zr，V；

[0025] 第二元素即第二粉末的主要元素或大多数元素选自下述元素：Si或Al；

[0026] 第二粉末是Si粉末或Al粉末；以及

[0027] 放热反应在第一元素与Si或Al之间进行，并导致形成硅化物或铝化物。

[0028] 因为形成硅化物或铝化物的反应是强烈放热的，它们使得能用于局部地将具有如上所述组成的第一粉末和第二粉末熔化在一起。

[0029] 在阅读下面实施方式的详细描述之后，所述方法的特征和优势和其它方面将变得显而易见。这种详细描述参考附图。

[0030] 附图简要说明

[0031] 附图是示意性的，且不按比例绘制，它们首要目的是用于说明本发明的原理。

[0032] 在附图中，不同的附图之间通过相同的附图标记来表示相同的元件(或元件的一些部分)。

[0033] 图1显示用于实施所述方法的装置的示例。

[0034] 图2和3是显示所述方法的不同步骤的示意图。

[0035] 实施方式的详细描述

[0036] 参考附图，在下文中详细描述实施方式。这些实施方式显示了本发明的特征和优势。但是，应指出本发明不限于这些实施方式。

[0037] 用于通过选择性熔化粉末来制造零件的示例装置参见图1。所述装置包括：

[0038] 第一储槽1，其包含第一粉末2，且其底壁3是活动的，且可平移地移动；

[0039] 第二储槽21，其包含第二粉末22，且其底壁23是活动的，且可平移地移动；以及[0040] 容器5，其位于储槽1和储槽21之间，且具有类似地可平移地移动的底壁6。

[0041] 在该实施例中，底壁3，23，和6中的每一种由板构成，使用各自的致动器(例如液压缸)的杆4，7，24，将所述板限制成平移地移动。

[0042] 装置具有滑块8或辊，其用于通过在水平平面A上移动将一定量的粉末2从储槽1带到容器5，以及滑块28或辊，其用于通过在水平平面A上移动将一定量的粉末22从储槽21带到容器5。所述装置还包含用于产生激光束或电子束的设备9，该设备偶连到用于使束11取向和移动的装置10。

[0043] 使用该装置制造零件的步骤如下所述。

[0044] 首先，使储槽1的底部3向上移动，从而使一定量的第一粉末2位于水平平面A以上。然后，使滑块8从左到右(参考图1)移动，从而在储槽1的顶部处擦拭所述粉末2，并将其带入到容器5。确定粉末2的量和容器5中底壁6的位置，从而形成粉末的第一层12，其具有选定的和恒定的厚度。

[0045] 如图2所示，然后激光束或电子束11扫描层12的确定区域，从而在用束扫描的位置处，局部地和在表面处熔化层12中的第一粉末2的表面。熔化的区域固化，并在层12的表面处形成表皮13。应理解，形成表皮13的这个步骤是任选的。

[0046] 然后，降低容器5的底壁6。

[0047] 使储槽21的底部23向上移动，从而使一定量的第二粉末22位于水平平面A以上。然后，使滑块28从右到左(参考图1)移动，从而在储槽21的顶部处擦拭所述粉末22，并将其带入到容器5，且在第一层12中。确定粉末22的量和容器5的底壁6的位置，从而形成粉末的第二层15，其具有选定的和恒定的厚度。

[0048] 如图3所示，然后，使激光束或电子束11扫描第二层15的确定区域，从而将在扫描区域中的第一层和第二层12，15熔化在一起。熔化区域固化和形成材料的第一层17。

[0049] 降低底壁6，以与上述相同的方式连续地将新的粉末2的层12和新的粉末22的层15施加到材料的第一层17上。通过束11的受控移动，在材料的第一层17上形成材料的第二层18，如图1所示。

[0050] 重复这些操作，直到通过叠加多个材料的层制备完整的零件。

[0051] 例如，制造的零件是在操作中经受高温的金属零件，具体来说，经受高于600℃的温度，例如在600℃-1500℃的温度或高于1500℃的温度。这类零件在下文称为“耐火”零件。零件所能耐受的最大操作温度自然取决于所用合金的性质。

[0052] 例如，第一粉末2是铌(Nb)基合金或钼(Mo)基合金的金属粉末。这些粉末的优势是呈现非常高的熔点，高于目前用于制造耐火零件的超级合金的熔点。此外，Nb基合金使得能显著地降低制造的零件的重量，因为它们密度低(与镍基超级合金相比)，同时保留良好的机械性能。这种优势是优选地，特别是在航空领域。

[0053] 如上所述的铌基合金可例如包括选自下述元素的一种或多种额外元素：硅(Si)、钛(Ti)、铬(Cr)、铝(Al)、铪(Hf)、钼(Mo)、锡(Sn)等。如上所述的钼基合金可例如包括选自硅(Si)、硼(B)和锆(Zr)的一种或多种额外元素。

[0054] 例如，第二粉末22是基于硅的粉末。例如，粉末中硅的含量大于80重量％，且可接近100重量％。

[0055] 在另一实施例中，第一粉末2是基于钛(Ti)的合金的金属粉末。如上所述的钛基合金可例如包括选自下述元素的一种或多种额外元素：铝(Al)、铌(Nb)、铬(Cr)、钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)、硼(B)、铪(Hf)、锆(Zr)、钒(V)等。例如，那么第二粉末22是基于铝(Al)的粉末，尽管基于硅(Si)的粉末也是可考虑的。

[0056] 第二粉末22的晶粒尺寸可小于第一粉末2的晶粒尺寸。第一粉末的晶粒尺寸可为20微米(μm)-60微米。

[0057] 第二粉末22的优势在于熔融温度显著低于第一粉末的熔融温度等等。第二粉末22也可用于在形成时“堵塞”在材料的层之内的任何裂纹。

[0058] 本说明书所描述的实施方式通过非限制性说明地方式给出，根据本说明书，本领域普通技术人员可容易地改变这些实施方式或设想其它实施方式，但这仍然在本发明的范围之内。

[0059] 此外，这些实施方式的各种特征可单独地使用或彼此组合地使用。当它们进行组合时，这些特征可如上所述地组合或以不同的方式组合，本发明不限于在本说明书中所述的具体组合。具体来说，除非另有说明，参考任一实施方式描述的特征可以类似的方式应用到任意其它实施方式。