使用粉末状焊剂的选择性激光熔化/烧结的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是于2011年1月13日递交、申请号为13/005,656(公开号为 US2012/0181255A1)的未决美国专利申请的部分继续，其通过引用并入本文。
技术领域
[0002] 本发明通常涉及金属接合的领域，并且更具体地涉及用于超合金材料的增材制造 (additivemanufacturing)方法。
【背景技术】
[0003] 焊接过程取决于被焊接的材料的类型而显著地变化。一些材料在各种条件下更 容易被焊接，而其它材料需要特殊过程以便于实现结构良好的接合而不劣化周围的基底材 料。
[0004] 普通的电弧焊接通常利用自耗电极作为供给材料。为了从针对焊接熔池中的熔融 材料的大气（atmosphere)提供保护，惰性覆盖气体或者焊剂材料可以在焊接许多合金时 被使用，该许多合金例如包括钢、不锈钢以及镍基合金。惰性和组合的惰性和活性气体的过 程包括气体钨电弧焊（GTAW)(也称为钨惰性气体（TIG))和气体金属电弧焊（GMAW)(也称 为金属惰性气体（MIG)和金属活性气体（MAG))。焊剂保护的过程包括通常馈送有焊剂的埋 弧焊（SAW)，焊剂包括在电极的芯中的药芯焊丝电弧焊（FCAW)，以及焊剂被涂布在填料电 极外部上的屏蔽金属电弧焊（SMAW)。
[0005] 利用能量束作为热源进行焊接也是已知的。例如，激光能量已经被用于将预放置 的不锈钢粉末熔化到碳钢基底上，其中粉末状焊剂材料提供熔池的屏蔽。焊剂粉末可以与 不锈钢粉末混合，或者作为单独的覆盖层施加。以本发明人的知识，当焊接超合金材料时并 未使用焊剂材料。
[0006] 已认识到的是，由于超合金材料易受到焊接凝固开裂和应变时效开裂的影响， 超合金材料是最难焊接的材料之一。术语"超合金"在本文中使用，因为它在本领域中被 普遍使用；即，在高温下表现出优异的机械强度和耐蠕变的高度抗腐蚀和抗氧化的合金。 超合金通常包括高镍或钴含量。超合金的示例包括以下列商标和品牌名称销售的合金： Hastelloy,Inconel合金（例如，IN738、IN792、IN939)、Rene合金（例如，ReneN5、 1^1^80、1^116 142)、他71168合金、]\&^]\1、〇1 247、〇1 2471^：、〇263、718、父-750^〇￥ 768、 282、X45、PWA1483和CMSX(例如，CMSX-4)单晶合金。
[0007] 通过将材料预加热到非常高的温度（例如，到高于1600 °F或870°C)以便于在修 复期间显著地增加材料的延展性已成功完成一些超合金材料的焊接修复。该技术被称为在 升高的温度下的热箱焊接或超合金焊接（SWET)焊接修复，并且其通常使用手动GTAW过程 被完成。然而，热箱焊接被维持均匀的部件过程表面温度的困难和维持完全的惰性气体屏 蔽的困难而限制，并且也被施加在于这样高的温度的部件附近工作的操作者的物理困难而 限制。
[0008] -些超合金材料的焊接应用可以使用冷却板以限制基底材料的加热而被执行；从 而限制致使开裂问题的基底热影响和应力的发生。然而，该技术对于部件的几何形状不便 于使用冷却板的许多修复应用而言是不实际的。
[0009]图6是传统的图示了作为其铝和钛含量的函数的各种合金的相对焊接性的图 表。诸如具有这些元素相对较低的浓度以及必然相对较低的丫'（gammaprime)含量的 Inconel?IN718之类的合金被认为是相对可焊的，虽然这样的焊接通常被限制为部件的 低应力区域。诸如具有这些元素相对较高的浓度的丨nconel?IN939之类的合金通常不被 认为是可焊的，或者仅可以利用以上讨论的增大材料的温度/延展性并且最小化过程的热 量输入的特殊过程被焊接。虚线80指示辨识出的可焊接去的上边界。线80在垂直轴线上 相交于3wt% (重量百分比）铝并且在水平轴线上相交于6wt%钛。可焊接区以外的合金 被辨识为利用已知过程是非常难或者不可能焊接的，并且具有最高的铝含量的合金通常被 发现为最难焊接，如箭头所指示的。
[0010] 还已知的是利用选择性激光熔化（SLM)或选择性激光烧结（SLS)以将超合金粉末 颗粒的薄层熔化到超合金基底上。熔池在激光加热期间通过施加诸如氩之类的惰性气体从 大气中屏蔽。这些过程趋向于将附着在颗粒的表面上的氧化物（例如，铝和铬的氧化物） 困在被沉积的材料的层以内，导致孔隙、夹杂物和与被困的氧化物相关联的其它缺陷。过 程后热等静压（HIP)通常被用来瓦解这些空隙、夹杂物和裂缝以便于改进沉积的涂层的性 质。由于对粉末的预放置的要求，这些过程的应用还被限制为水平表面。
[0011] 激光微包覆是能够3D进行的过程，其通过使用激光束以熔化导向表面的粉末的 流将材料的小且薄的层沉积到表面上。该粉末通过气体的喷射向表面推进，并且当粉末是 钢或合金材料时，该气体是氩或其它惰性气体，其将熔融合金与大气中的氧气屏蔽开。激光 微包覆被其低沉积率所限制，诸如在1至6cm3/hr的量级。此外，因为在包覆材料完全冷却 之前保护性氩气屏蔽趋于消散，浅表氧化和氮化可能会发生在沉积的表面上，这在包覆材 料的多个层需要用来实现期望的包覆厚度时是有问题的。
[0012] 对于一些在非可焊区中的超合金材料而言，没有商业上已知的可接受的焊接或修 复过程。此外，由于新的和更高的合金含量超合金继续被发展，针对超合金材料开发商业上 可行的接合过程的挑战继续增长。
【附图说明】
[0013] 本发明根据附图在以下描述中进行解释，该附图示出了：
[0014] 图1图示了使用多层粉末的包覆过程。
[0015] 图2图示了使用混合层粉末的包覆过程。
[0016] 图3图示了使用有芯填充焊丝和冷金属电弧焊炬的包覆过程。
[0017] 图4图示了使用有芯填充焊丝和能量束的包覆过程。
[0018] 图5图不了能量束重置图案。
[0019] 图6是图不了各种超合金的相对焊接性的现有技术图表。
[0020] 图7图示了通过利用粉末状焊剂材料的激光微包覆过程的超合金包覆的应用。
[0021] 图8图示了根据本发明的实施例的增材制造过程的示意图。
【具体实施方式】
[0022] 为方便读者，要注意的是，本文的图1-5和图7图示了本文描述的发明技术的各个 方面和应用，并且以下图8的描述特别涉及到用于选择性激光烧结和选择性激光熔化应用 的发明技术现要求保护的使用。
[0023] 本发明人已开发了一种材料接合过程，其可被成功地用于包覆、接合和修复最难 以焊接的超合金材料。虽然焊剂材料以前未被在焊接超合金材料时使用，本发明方法的实 施例有利地在激光微包覆过程期间施加粉末状焊剂材料。粉末状焊剂材料有效地提供光束 能量陷获、杂质清洗、大气屏蔽、珠整形和冷却温度控制，以便于实现超合金材料的无裂缝 接合而不需要高温热箱焊接或使用冷却板或使用惰性屏蔽气体。虽然本发明的各种元素在 焊接行业已经为人所知几十年，本发明人已经创新性地开发了用于克服针对这些材料的已 知可选择激光熔化和烧结过程的长期限制的超合金增材制造过程的步骤的组合。
[0024] 图1图示了在环境室温下正被沉积到超合金基底材料12上的超合金材料的包覆 10的层而没有基底材料12的任何预加热或使用冷却板的过程。基底材料12例如可以形成 燃气涡轮发动机叶片的一部分，并且在一些实施例中包覆过程可以是修复过程的一部分。 颗粒状粉末14的层被预放置在基底12上，并且激光束16横穿过粉末14的层以熔化粉末 并形成由熔渣18的层覆盖的包覆10的层。包覆10和熔渣18从粉末14的层形成，