流态化床的表面下方激光加工的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般设及铸造、形成或修复金属部件和来自粉末状金属床的零件的领域。 更具体地，本发明设及使用粉末状材料的流态化床来铸造或修理零件，其中该粉末状材料 由高溫合金金属和其他材料组成。
【背景技术】
[0002] 取决于被焊接材料的类型，焊接工艺差别很大。一些材料在各种条件下更容易焊 接，而其他材料需要特殊处理，W实现结构良好的接合，而不使周围衬底材料退化。
[0003] 普通电弧焊通常利用消耗电极作为进给材料。为了给烙池内的烙化材料提供大气 保护，当焊接许多合金(包括例如钢、不诱钢W及儀基合金)时，惰性覆盖气体或焊剂材料可 W被使用。惰性及惰性和活性组合气体处理包括气体鹤电弧焊(GTAW)(也称为鹤惰性气体 (TIG))和气体金属电弧焊(GMAWK也称为金属惰性气体(MIG)和金属活性气体(MAG))。焊剂 的保护处理包括:其中焊剂常规进给的埋弧焊(SAW),其中焊剂被包括在电极忍中的焊忍电 弧焊(FCAW)，和其中焊剂被涂覆在填料电极外侧上的保护金属电弧焊(SMAW)。
[0004] 使用能源束作为热源用于焊接也是已知的。例如，激光能量已被用于烙化预放置 不诱钢粉末到碳钢衬底上，碳钢衬底具有提供烙池的屏蔽的粉末状焊剂材料。焊剂粉末可 W与不诱钢粉末混合，或者作为单独的覆盖层施加。W本发明人的知识，当焊接高溫合金材 料时，焊剂材料没有被使用。
[0005] 由于其对焊接凝固裂纹和应变时效开裂（S化ain-age cracking)的敏感性，高溫 合金材料是最难焊接的材料之一。
[0006] 术语"高溫合金"在本文中被使用，因为它是本领域通常使用的；即在高溫下表现 出优异的机械强度和耐蠕变性能的高度耐腐蚀和耐氧化的合金。高溫合金通常包括高的儀 或钻含量。高溫合金的例子包括在售商标和品牌合金：HasteIloy、Inconel合金（例如 IN738、IN792、IN939)、Rene合金（例如ReneN5、Rene80、Renel42)、化ynes合金、MarM、CM 247、CM 24化(：、〔263、718^-750、6〔￥ 768、282心45、？胖4 1483和〔15乂（例如〔15乂-4)单晶合 金〇
[0007] -些高溫合金材料的焊接修复已成功完成，其通过预热材料到非常高的溫度(例 如到高于1600°F或870°C)，W在修复过程中显著增加材料的延展性。运种技术被称为热箱 焊接或在升高溫度(SWET)焊接修复的高溫合金焊接，它通常使用手动GTAW工艺完成。然而， 热箱焊接受到W下各项的限制:保持均匀的部件处理表面溫度的困难、保持完整的惰性气 体防护的困难，W及在运种极端的溫度下在部件附近工作的操作者上施加的身体困难。
[000引一些高溫合金材料的焊接应用可W使用冷却板W限制衬底材料的加热来进行;从 而限制衬底热效应和引起开裂问题的应力的出现。然而，运种技术对于其中零件的几何形 状不便于使用冷却板的许多修复应用是不实际的。
[0009]图9是一个常规图表，其示出了作为其侣含量和铁含量的函数的各种合金的相对 焊接性。合金诸如IiKxmel?iN7i8,其具有相对较低的运些元素的浓度，并因此具有相对较 低的丫 '含量，被认为是相对可焊接的，虽然运种焊接通常被限制到部件的低应力区域。诸 如IneonefiN939的合金具有相对较高的运些元素的浓度，通常不被认为是可焊接的，或 只能使用上面讨论的特殊步骤被焊接，运增加了材料的溫度/延展性并使工艺的热输入最 小化。虚线80表示可焊性区域的可识别的上边界。线80在垂直轴上与3%重量的侣相交，在 横轴上与6%重量的铁相交。可焊性区域W外的合金被认为是使用已知工艺非常困难或不 可能进行焊接的，并且具有最高侣含量的合金一般被发现是最难W焊接的，如由箭头所表 示的。
[0010]还已知的是，利用选择性激光烙化(SLM)或选择性激光烧结(化S)来烙化薄层的高 溫合金粉末状颗粒到高溫合金衬底上。在激光加热期间，通过施加惰性气体(诸如氣气)将 烙池从大气屏蔽。运些工艺往往捕获氧化物(例如侣和铭的氧化物），该氧化物附着在沉积 材料层内的颗粒表面上，造成孔隙、夹杂物，和与被捕获氧化物相关的其他缺陷。后处理热 等静压化IP)经常被用来去除运些空隙、夹杂物和裂缝，W改善沉积涂层的性能。运些工艺 的应用也仅限于由于预放置粉末的要求的水平表面。
[0011] 激光微包覆是3D过程，其通过使用激光束来烙化朝向表面引导的粉末的流而将小 的、薄的材料层沉积在表面上。该粉末通过气体喷射朝向表面推进，而当粉末状是钢或合金 材料时，气体是将烙化合金于大气中的氧气屏蔽的氣气或其它惰性气体。激光微包覆由其 低沉积速率限制，诸如在1至6cm3/hr的量级。此外，因为保护性氣气屏蔽趋于在包覆材料被 完全冷却之前消散，浅表氧化和氮化可能会发生在沉积的表面上，当需要多层的包覆材料 W实现所期望的包覆厚度时，运是有问题的。
[0012] 对于一些高溫合金材料，在非焊接性区域，没有已知的商业上可接受的焊接或修 复工艺。此外，由于新的和更高合金含量的高溫合金持续被开发，研发用于高溫合金材料的 商业上可行的接合工艺所面临的挑战继续增长。
[0013] 对于原始设备制造商(OEM),选择性激光烧结和粉末状金属合金的静态床的选择 性激光烙化已被建议作为替代的制造工艺;然而，使用运些工艺生产的部件具有有限的生 产率和质量。此外，处理时间仍然是一个问题，因为零件是由非常递增沉积层通过垂直向下 转移零件W引入用于烙化的粉末的新层而形成的。此外，递增处理层或平面之间的界面经 受缺陷和可疑物理性能。
[0014] 由粉末状金属的流态化床铸造零件在美国专利4818562('562专利）中被公开，其 内容通过引用完全并入本文。该' 562专利大致公开了引入气体进入粉末状金属床，并且使 用激光选择性地加热粉末状金属区域。特别地，'562专利公开了惰性气体(诸如氣、氮和氛） 的引入。惰性气体被提供W移位可与热或烙化金属反应W形成金属氧化物的任何大气气 体，所述金属氧化物可危及部件的完整性。该'562专利还公开了用于使粉末流态化的气体 可W是反应性气体，诸如甲烧或氮;然而，在没有引入惰性或其他屏蔽机构的情况下，烙化 金属的组分将与可获得的元素发生反应的危险依然存在。此外，在'562专利中所公开的系 统和工艺被限制为处理床的表面，其中零件或部件被浸没在床中。
【附图说明】
[0015] 本发明在W下描述中参照附图被进行说明，所述附图示出：
[0016] 图1是使用包括粉末状金属和粉末状焊剂材料的粉末状材料的流态化床来修复或 制造部件的系统和方法的示意图。
[0017]图視具有可透膜的能量束出射口的局部截面图。
[0018] 图3是本发明的一个实施例，其中能量束源被布置在处理室的外侧，使得激光束穿 过该腔室的透光面板被传送。
[0019] 图4是本发明的一个实施例，其包括位于流态化床上方的能量束源结合表面下方 能量束源。
[0020] 图5是工艺的示意图，其示出了形成在沉积金属衬底上方的烙渣层。
[0021 ]图6是带有附着的烙渣工具的激光管的顶视图。
[0022] 图7是图6的激光管和烙渣工具的正视图。
[0023] 图8图示了能量束重叠图案。
[0024] 图9是现有技术的图表，其图示了各种高溫合金的相对焊接性。
【具体实施方式】
[0025] 本发明人已开发了一种材料接合工艺，其可成功地用于包覆、接合和修复最难W 焊接的高溫合金材料，W及制造或铸造原设备或部件。虽然W前在焊接高溫合金材料时或 在零件或部件的初始制造中，焊剂材料未被使用，但是本发明的系统和工艺的实施例在激 光微包覆工艺和/或激光增材制造工艺中，有利地应用粉末状焊剂材料。粉末状焊剂材料有 效地提供光束能量捕获、杂质清洗、大气屏蔽、起泡整形和冷却溫度控制，W实现高溫合金 材料的无裂缝接合，而无需高溫热箱焊接或冷却板的使用或惰性保护气体的使用。虽然本 发明的各种元件在焊接行业已被知悉几十年，本发明人已