专利名称：采用适应性加工路径沉积方法进行的激光净成形生产的制作方法
技术领域：
本发明涉及零件，例如涡轮部件如叶盘(BLISK)、压缩机叶片或 者涡轮叶片的生产和修补工序。
背景技术：
飞行器燃气涡轮发动机或喷气式发动机利用轴流式压缩机吸入空 气并对空气进行压缩，使压缩空气与燃料相混合，燃烧所述混合物， 并且将燃烧气体通过轴流式涡轮排出从而为压缩机提供功率。该压缩 机包括具有叶片从其外周伸出的盘。该盘在轴上面快速旋转，并且所 述弯曲的叶片吸入空气并对空气进行压缩。在当前的生产实践中，通过将压缩机盘锻造成周边带有槽的单一 部件而制成压缩机。所述压缩机叶片被独立铸造或锻造成具有配合在 盘中形成的槽中的被称作燕尾榫的根部部段的形状。通过使叶片的燕 尾榫部段滑动进入到盘中的槽中而完成组装过程。如果叶片未适当装配，在运行过程中失效或者受到损伤，那么通过反向进行所述组装工 序从而除去叶片且提供新的叶片，进而可以容易地进行更换。叶片还可与盘一体成形，前述二者的组合体被称作叶盘或者 BLISK。该組合体也被公知为一体地带有叶片的转子。采用BLISK手段 进行生产通过减轻重量从而提供了提高性能的潜在可能。这样一种制品 可被铸造或者被锻造成周边处具有过量金属的较大的盘。然后，所述叶 片由一体地被附接到盘上面的过量金属机加工而成。由于最终产品需要 进行大量的高精度机加工作业，因此制造最终产品的成本较高。对其中 一个叶片进行机加工的误差可能会导致整个BLISK被废弃或报废或者导致修补比较昂贵和耗时。对BLISK或者涡轮叶片上面的受损的叶片部分进行的更换或修补 对铸造机和锻造机或机加工手段提出了难题。如果例如叶片的全部或者 一部分在工作过程中由于外来物体的影响作用而折断，那么BLISK就会 失去平衡。可通过将过量金属焊接到受损区域中并且对金属进行机加工以形成合适的形状或者通过切除受损区域并且借助将新部件扩散结合到受损区域中而更换切除的材料，从而对受损BLISK进行修补。然而， 这种方式昂贵，且有可能会导致性能和耐久性降低。一种不同的用于生产和修补BLISK的手段已在美国专利5， 038， 014中被披露，所述专利在此作为参考而被引用。该手段利用将粉末供应到 要进行修补的表面上的熔融材料中的激光包覆或者焊接技术，所述技术 产生一层新材料。通过以一层一层的方式重复进行该工艺方法，这些层 彼此积聚在一起从而成形出新零件或者对受损零件进行修补。后激光包覆技术已导致由于在连续层之间缺少完全熔合或沉积层 中广泛存在的多孔性所致在成形和修补零件中产生缺陷和夹杂物。这些 缺陷和夹杂物常常与成形和修补零件的复杂的几何结构相关联。因此， 需要提供一种能够解决与过去的生产和修补技术相关联的问题的分层 制造4支术。激光净成形生产(LNSM)工艺方法提供了一种用于成形出且修复 BLISK、压缩机叶片和涡轮部件的经济且高度灵活的方法。所述LNSM技 术基于激光包覆，其中激光被用于通过将金属粉末薄层精确地包覆在基 底材料上面而形成三维几何形状。激光净成形生产(LNSM )工艺方法可被用于制造新零件且对受损零 件进行修补。要进行制造的零件的计算机辅助设计(CAD)模型沿所需 的材料积聚方向被均匀地切片。粉末沿加工路径进行施加且进行熔合， 从而形成材料层，然后多个层叠合在彼此之上直至生产出所迷零件。多 条加工路径已被用于施加粉末，所述路径最普通地呈之字形图案或呈压 合线图案，这取决于所述材料是形成所述零件的内部区域还是形成所述 零件的表面区域。然而，现有的激光净成形生产(LNSM)工艺方法会导 致在新生产的或经过修补的零件中加杂熔合缺陷和孔隙度，从而要求所 述零件或是被废弃，或是受到进一步处理以对缺陷进行修补。另外，用 于进行制造和修补的后激光沉积方法重点不在于生产出精确的形状和 几何结构。因此，需要开发出一种用于精确地进行加工的激光净成形生产 (LNSM)工艺方法，所述工艺方法减少了允许生产和修补包括BLISK、 压缩机叶片和涡轮叶片的涡轮部件的熔合缺陷和孔隙度。发明内容根据本发明的第一实施例，披露了一种制造制品的工艺，所述工艺包括以下步骤提供衬底；在衬底上面沿加工路径沉积出具有第一 确定的可变熔珠宽度的材料；沿着与具有第一确定的可变熔珠宽度的 沉积材料相重叠的加工路径沉积出相邻的具有第二确定的可变熔珠宽 度的材料；继续沉积多层重叠的相邻的具有确定的可变熔珠宽度的材 料，直至形成第一材料层；通过在第一材料层的顶部上面沉积出多层 重叠的具有确定的可变熔珠宽度的材料从而成形出第二材料层，且在 沉积材料层的顶部上面继续沉积材料层，直至完成包覆。所述沉积材 料的可变熔珠宽度由具有多个输入参数的计算机进行控制，从而保持 大致恒定百分比的熔珠宽度重合度。根据本发明的第二实施例，披露了一种激光净成形生产或修补方 法，所述方法包括以下步骤提供衬底；在衬底上面沿加工路径激光 包覆具有第一确定的可变熔珠宽度的材料而进行成形；沿着与具有第 一确定的可变熔珠宽度的沉积材料相重叠的加工路径激光包覆相邻的 具有第二确定的可变熔珠宽度的材料而进行成形；继续沉积多层重叠 的相邻的具有确定的可变熔珠宽度的材料，直至形成第一材料层；通 过在第一材料层的顶部上面沉积出重叠的具有确定的可变熔珠宽度的 材料从而激光包覆第二粉末层而进行成形，且在沉积材料层的顶部上 面继续沉积材料层，直至完成包覆并且生产出或修补了净成形制品。 所述沉积材料的可变熔珠宽度由具有多个输入参数的计算机进行控 制，从而保持大致恒定百分比的熔珠宽度重合度。才艮据本发明的该第 二实施例可以生产或修补BLISK、压缩机叶片、涡轮叶片或涡轮部件。根据本发明的一个特定的实施例，披露了一种修补BLISK、压缩 机叶片、涡轮叶片或涡轮部件的方法，所述方法包括以下步骤提供受 到损伤的BLISK、涡轮叶片或涡轮部件并且预备所述受到损伤的BLISK、 涡轮叶片或涡轮部件以形成衬底表面，在衬底上面沿加工^各径沉积出具 有第一确定的可变熔珠宽度的材料；沿着与沉积出的具有第一确定的 可变熔珠宽度的沉积材^l"相邻和相重叠的加工^各径沉积出具有第二确 定的可变熔珠宽度的材料；继续沉积相邻的多层重叠的具有预定的可 变熔珠宽度的材料，直至形成第一材料层；通过在第一材料层的顶部 上面沉积出重叠的具有预定的可变熔珠宽度的材料从而成形出第二材料层，且在沉积材料层的顶部上面继续沉积材料层，直至完成包覆。 所述沉积材料的熔珠宽度由具有多个输入参数的计算机进行控制，从 而保持材料的相邻可变熔珠宽度具有大致恒定百分比的可变熔珠宽度 重合度且每一沉积出的可变熔珠宽度可发生变化。根据本发明的该特定实施例可以生产或修补BLISK、压缩才几叶片、涡4仑叶片或涡4仑部件。根据本发明的另 一个实施例，披露了 一种对衬底进行激光包覆的 方法，所述方法包括以下步骤提供衬底；在衬底上面沿加工路径沉 积出至少一层具有第一确定的可变熔珠宽度的材料从而形成第一材料 层；通过在第一材料层的顶部上面沉积出至少一层具有可变熔珠宽度 的材料而成形出第二材料层；且通过在沉积材料层的顶部上面继续沉 积由至少一层具有可变熔珠宽度的材料形成的材料层，直至完成包覆。 根据本发明的又一个实施例，披露了一种激光净成形生产或修补 方法，所述方法包括以下步骤提供衬底；在衬底上面沿加工路径激 光包覆至少一层具有第一确定的可变熔珠宽度的粉末材料而进行成形 从而形成第一材料层；通过在第一粉末层的顶部上面沉积出相重叠的 具有确定的可变熔珠宽度的粉末材料从而对第二材料层进行激光包覆 而进行成形；且在沉积粉末层的顶部上面继续沉积粉末层，直至完成 包覆并且生产出或修补了净成形制品。通过以下对本发明优选实施例的更详细地描述并结合通过实例示 出本发明原理的附图，本发明的其它特征和优点变得显而易见。然而， 本发明的范围不受这些优选实施例的限制。
图1是一种普通的LNSM沉积系统的一见图； 图2是一种示例性的BLISK的透—见图；图3是所述适应性加工^^径沉积方法的一种实施方式的框图；图4是一种示例性的受到损伤的BLISK叶片的视图；和图5是在示例性的受到损伤的BLISK叶片上积聚的材料的视图。
具体实施方式
本发明提供了 一种用于制造和修补制品例如BLISKS 、压缩机叶片、 涡轮叶片和压缩机部件的激光净成形生产(LNSM)方法，所述方法解决了与现有技术相关的问题。所述LNSM技术基于激光包覆金属粉末，其 中激光被用于通过采用适应性加工路径沉积方法将粉末材料薄层精确 地包覆在基底衬底上面而形成三维几何形状。所述适应性加工路径沉积 方法包括在沉积层内设置预定的可变熔珠宽度。所述基底衬底可以是 BLISK表面，例如BLISK压缩才几盘、或者BLISK叶片边缘。虽然下文中 所讨论的具体实施例是针对BLISKS的，但是本发明同样可应用于其它 零件的LNSM，所述其它零件包括包含压缩机叶片和涡轮叶片的多种涡轮 零件。为了采用LNSM技术形成成形的沉积物，根据计算机辅助设计(CAD ) 程序的描述提供所述零件或修补部段的尺寸和总体几何结构。必须采用 数学方式对修补部段的几何结构进行描述。通过使用CAD系统对所述形 状进行建模，并且由这些表示法，生成加工路径以驱动LNSM工艺。为了驱动LNSM计算机数字控制(CNC)系统，由包含CNC可理解的 指令的商用计算机辅助生产(CAM)软件生成加工路径文件。所述指令 被装载到内存中并被执行。典型的指令是告知CNC以给定速度移动至新 的一点，接通/断开激光和粉末流的移动指令。这些指令在生成时全部 都直接内置于部分程序中并且在程序中的特定点处受到触发。 一些控制 所述工艺的参数在对零件进行加工处理的过程中必须动态地进行变化， 所述参数包括，但不限于，激光功率、加工行进速度、粉末供给速度和 重合度。作为彼此平行的多个部段或多个切片的组件可对许多制品进行分 析。随后，通过规定每个部段的图案，也就是其形状和尺寸、每个部 段的位置，即其与相邻部段之间的关系，从而对所述制品进行限定。 按照这种方式，BLISK叶片可被成形在BLISK压缩机盘周边的周围。每 个部段的图案可适于由沉积材料熔珠成形，其中熔珠为典型地通过相 对于热源移动衬底而形成的细长的沉积物。在这种情况下，通过按照 上文中所列出的发明方式沉积出具有可变宽度的熔珠或者多个具有可 变宽度的并排熔珠，可以将所述制品成形为部段图案的形状，然后使 沉积设备向上增量达到熔珠高度，此后沉积具有下 一个部段的图案且 具有相对于之前沉积的熔珠的所需位置的另一熔珠。在每一道次操作 过程中，激光焊接沉积装置在第一道次中使之前沉积的熔珠的上部或 者衬底熔化；并且通过其粉末供给加入更多材料从而形成上覆重叠的熔珠。所述新加入的材料和之前沉积的熔珠部分地相互混合并且固化 在一起，从而确保穿过熔珠的基本上没有缺陷的连续坚固的结构。必 要时多次重复进行所述工艺从而成形出制品。采用这种手段可制成多种形状和部段构造。通过在彼此之上敷设 多个具有可变宽度的熔珠可形成立体外形。根据本发明如上文所述通 过在每一层中以并排方式敷设多个具有可变宽度的熔珠，然后在该层 上面加入更多熔珠从而实现厚度的增加。通过改变在所述层中的具有 可变宽度的重叠熔珠的数量从而制成具有变化的厚度的零件。通过将 熔珠沉积成外壁的形状，然后在另一熔珠的顶部上面沉积附加的重叠 熔珠，从而成形出中空翼面或其它中空形状。除外壁以外，通过为每 一部段加上内部加强筋等而制成具有内部结构如冷却通道的中空部 段。几乎任何形状可被定义为熔珠集合，并且当前的手段对于制造多 种形状而言具有通用性。典型地，飞行器发动机应用中包括压缩机叶 片、涡轮叶片、风扇叶片、管道和机箱，且后者具有正方形、矩形或 不规则形状的横截面。通过用数字特征定义制品例如附图中的叶片或者采用更常规的方 法如机加工法制备出的零件，的形状，从而实现对沉积进行控制。一 旦所述零件的形状用数字特征进行定义，例如通过计算机辅助设计(CAD)制品的实体模型，则采用现有的数控计算机程序对零件或等效 的沉积熔头(deposition head)的移动进行编程，从而生成指令图， 已被公知为作为随着在每一道次过程中零件的移动和各道次之间的横 向位移的转移函数。这些被开发出的转移函数保持了确定的可变熔珠 宽度和根据本发明的沉积材料的恒定重合度。所获得的制品非常精确 地复制出了包括翼面复杂曲线的用数字特征定义的形状，达到净成形 或近净成形规范。用于按照这种方式对制品进行制造和修补的LNSM方法通过将粉末 供给到已被激光束辐照过的熔融材料中而使粉末熔化。这种手段是可控 的并且能够产生可复制的精确的效果。在采用这种方法制造制品的过程 中，在制造整个制品的过程中粉末供给物的组分可保持恒定。另一种可 选方式是，在任何熔珠内或者在连续熔珠之间可以有意地改变粉末供给 物的组分，乂人而生产出遍布整个制品的可控组分变化。例如，在压缩才几 叶片中，可在基座附近使用更坚硬的合金成分，而在尖端附近可使用硬质耐磨或耐磨损的合金。为了对包括BLISK、压缩机叶片、涡轮叶片和涡轮部件的制品进行 修补，有必要仅重复进行之前所述方法中的沉积工序中的一部分。例如， 如果压缩机叶片在中点附近发生破裂，那么仅仅在叶片上面研磨出与最 靠近的剩余未受损部段相对应的平整表面，然后对叶片的剩余部分重复 进行受计算机控制的沉积，是必要的。由于使用了相同的设备且采用了 同样的形状控制图，因此修补好的叶片与原来制造成的叶片几乎是难以 进行区分的。通常，对BLISK、压缩机叶片、涡轮叶片或涡轮部件的损伤呈不平 坦、形状不规则损伤的形式。为了准备用于进行修补的BLISK或涡轮叶 片，可以通过在接近受损部位的区域中机加工去除材料以便成形出切口 和/或平整受损表面从而制备受损区。优选在被编程以成形出接近受损 区域处的预定切口的多轴数控铣床上自动地进行4几加工去除受损部位 的操作。然后，根据需要，使用含水清洁剂和/或溶剂对修补区域进行 清洗，并且进行干燥，随后是对叶片的剩余部分重复进行受计算机控制 的沉积。在对叶片的基底进行精加工或间断之后，该经过修补的部分没 有宏观上能够检测到的粘合层，这是因为在生产叶片时上述二者采用相 同的方式已被焊接在一起。采用本发明的手4殳可沉积多种材料。例如，可沉积包括钬和钛合 金、镍和镍合金、钴和钴合金以及铁和铁合金的金属和金属合金，包 括镍基、钴基和铁基超级合金的超级合金，以及陶资、金属陶瓷和塑 料。对控制材料沉积和粘合的参数的选择以及这些参数是如何控制沉 积的对于将制品修补达到净成形或近净成形且达到完全密度的工艺的 能力而言是关键的。这些参数被转化为通过转移函数控制LNSM沉积的 指令。图1中示出了一种激光净成形生产(LNSM)系统。如图1所示， 粉末供应物(图中未示出)供给粉末喷嘴2用于沉积在衬底3上面。激在激光4打到粉末和衬底3表面上的位置处附近形成熔池5。系统1和 衬底3相对进行移动，从而在熔池5冷却时形成固化沉积材料7层。激光4沿衬底3前进的路径一皮称为加工i 各径(toolpath)。沉积材料7被称作材料熔珠。沉积材料7沿加工路径的宽度被称为熔珠宽度。 当激光4沿衬底3进行移动时，所形成的熔池5冷却并且产生固化。— 种以上的粉末供给物可被用于形成沉积材料7，并且在该图中，图中示 出了有助于固化的沉积材料7的第二粉末喷嘴8。激光4通过熔化粉末 供给物和衬底3的表面，从而形成了坚固粘合的沉积材料7 。在形成沉积材料7的第一熔珠时，喷嘴2和激光4被定位且相对于 衬底3进行移动，从而使得相邻的沉积材料7的第二熔珠可沿第一熔珠 的側部进行沉积，所述第二熔珠的宽度与第一熔珠的宽度相重合。重合 度可被选定在约10%-90%之间。重复进行该工艺直至形成一层沉积材料 7。在该层上面，重复进行该工艺从而积聚多层沉积材料7直至形成或 修补好零件。根据本发明，开发出转移函数以与包括激光功率、加工行进速度、 粉末供给速度、与熔珠宽度的基础沉积几何结构之间的散焦距离等的关 键工艺参数相互关联。已经开发出转移函数从而允许通过在沿加工路径 进行扫描时改变激光功率或者激光的行进速度而得到适应的加工路径。 按照这种方式，可沿加工路径沉积出可变熔珠宽度的材料。所述材料沉 积熔珠的宽度可在单次沉积过程中和在沉积材料的相邻熔珠的沉积过程中产生变化。本发明提供的沉积材料的可变熔珠宽度在约0. 2毫米与约5. 0毫米 之间，优选在约0. 76毫米与约1. 52毫米之间，最优选在约O. 89毫米 与约1.42毫米之间。层内沉积出的可变熔珠宽度的范围取决于包括沉 积材料组成和成形制品几何结构等的沉积参数。通过采用这种方法，可获得沉积材料的相邻熔珠之间的恒定的熔珠 重合度，所述恒定的熔珠重合度有效地消除了熔合缺陷。本发明的发明 人已经确定从约10%-约90%范围内选出的恒定的重合度会导致积聚性能 得到改进。此外，本发明的发明人已经确定通过使用大小为约0.76毫 米与约1. 52毫米之间的层内可变熔珠宽度，可以实现得到改进的沉积 质量，有效地消除了沉积材料中的间隙。在施加到悬突区域上时具有恒定重合度的适应熔珠宽度的沉积积 聚出没有表面波痕的多个层。悬突区域典型地被视为相对于垂直方向呈 小于大致35度的倾角的区域。在这些区域中，更大的熔池需要具有更 高的粉末捕获效率，从而使得所述沉积层中具有足够的材料以支撑下一层，而不会产生坍陷。适应性加工路径沉积解决了与在冷衬底上沉积材料相关的现有技 术问题。这种新方法使得能够降低积聚层上面的激光功率，从而确保在 冷衬底上面沉积第一多个层时能够获得恒定的熔珠宽度。另外，在将最 后多个层沉积在叶片的狭窄顶端附近的过程中所述功率可以降低。特别是，初始高激光功率被选定且在头2-100个沉积材料层上面被降低至恒 定的激光功率，达到预定恒定的激光功率。该预定恒定的激光功率被用 于沉积连续材料层直至要沉积最终材料层为止。在沉积最终材料层时， 所述激光功率再次被降低。优选地，对于接近狭窄顶端处或者位于新制 造或经过修补的零件或叶片表面处的最后3-100层而言降低激光功率。 应该注意到所述层数被提供用于示例性的目的，且不表示对本发明的 限制。在其上面调节激光功率的所述多个层的范围取决于衬底的几何结 构和衬底与粉末材料的热物理特性。当设计用于修补BLISK的加工路径时，根据零件的实物模型计算出加工路径的重合度以及在每一插值点处的悬突角。然后根据转移函 数在加工路径G代码的适当部段的位置处将该信息转化成激光功率或 者速度指令。该方法使得能够对BLISK叶片进行近净成形制造或修补，从而节 省材料和用于进行后机加工的劳动力。由于LNSM工艺方法能够制造出 和修复整个叶片，即便是严重受损的叶片也可进行修复。图2中示出了 BLISK 10的透详见图。BLISK 10由BLISK叶片20和 BLISK压缩片几盘30形成。在本发明的一个特定实施例中，可以通过更 换BLISK叶片20上的受损材料从而对BLISK 10进行修补。另外，在 本发明的第二特定实施例中，可通过在BLISK压缩才几盘30上面成形出 BLISK叶片20而生产出BLISK。图3中示出了构成用于修补BLISK的方法的一个特定实施例的框 图。所述方法包括以下步骤确定要被输入到控制器中的初始工艺参 数，所述控制器包括引导沉积区沿加工路径进行移动并且提供控制信 号以调节设备功能例如激光功率和激光束的速度，如使沉积熔珠移动 的激光束的速度、以及向沿加工^各径移动的沉积区的粉末的速度的数 字计算机。如图3所示，所述初始参数包括，但不限于，激光功率、激光扫描速度、粉末供给速度和重合度。这些初始参数被提供给控制器，并 且随后经过编程的转移函数确定与所需成形材料的几何结构内的所需 位置相对应的熔珠宽度和高度的基本沉积特征。所述层的数据按照计算机数控(CNC) G代码被转化成加工路径数据。然后，这些代码被使 用以驱动用于积聚沉积材料层的制造工具。根据如图4所示的本发明的一个特定实施例，受损的压缩机叶片 320得到修补。如图4所示，压缩机叶片320中包含受损材料340。从 大致平整的表面350上除去受损材料340。虽然也可以采用其它材料去 除方法，但是通过进行研磨去除受损材料340。如图中所示受损部件为 压缩机叶片320,但是受损部件可以是BLISK上的受损叶片。如图5所示，所述压缩机叶片420包括在受损材料已被去除以对 压缩机叶片420进行修补之后积聚在平整衬底450上面的多层材料 460。在该特定实施例中，所述材料460为已公知为IN718的镍基超级 合金Inconel 718。所述材料460根据如图2所示出的且在下文中进一 步得到披露的发明方法进行沉积。本发明的实践导致在修补后不需要 附加进行机加工的条件下将压缩机叶片430修补达到净成形形式。应 该理解所述材料460不限于特定实施例，但是可在本发明领域中已 公知的结构材料中进行选择。通过沿加工^各径以恒定的重合度沉积出可变的熔珠宽度，可以有 效地减少固体沉积物中的欠熔合缺陷。在该特定实施例中，使用大小 为约0. 89毫米与约1. 42毫米之间的可变熔珠宽度和大约50%的重合度 以对压缩机叶片420进行修补，并且成形出基本上没有包括间隙缺陷和 孔隙等缺陷的熔珠沉积物。在悬突区域处进行的功率控制解决了现有技术中存在的积聚压缩 机叶片表面上的表面波痕问题。通过使用略微更高的激光功率和与内部 压合加工路径相比更慢的用于外部轮廓加工路径的速度，从而提高积聚 压缩机叶片420的表面粗糙度。当前的发明允许降低积聚层上面的激光功率，从而允许沉积出可变 的熔珠宽度和压缩机叶片420的积聚材料中的散热速率。该被克服的问 题例如为在冷表面450上进行沉积时在初始层出产生的欠熔合。另外， 在接近压缩机叶片420的狭窄顶端时通过适应性地降低所述多个层上面 的激光功率，可将由于过热而导致产生的较厚的熔珠宽度和表面氧化减至最小。另外，单层具有可变熔珠宽度的沉积材料可形成层。按照这种方式， 由多层具有可变熔珠宽度的沉积材料形成的多个层可被沉积在由多个 相邻的材料熔珠形成的多个层上面。此外，通过在由具有单个熔珠宽度 沉积材料形成的多个层上面成形出具有单个熔珠宽度的多个层以形成 或修补零件，可以制造出零件。根据本发明的第二特定实施例，生产出如图2所示的BLISK 10。 虽然可采用其它方法例如锻造或机加工法成形出盘，但是根据该实施 例，采用常规的铸造制造方法成形出BLISK压缩机盘30。 BLISK压缩 机盘30的外表面为衬底提供了在其上面形成的BLISK叶片20。在本实例中，BLISK叶片的材料是已公知为IN718的镍基超级合 金Inconel 718。所述BLISK叶片的材料被用以在BUSK压缩冲几盘30 上面形成BLISK叶片20。所述IN718材料才艮据如图2所示出的且在下 文中进一步得到披露的发明方法进行沉积。本发明的实践导致在制造 后不需要附加进行机加工的条件下将压缩机叶片2 0制造达到净成形形 式。通过以恒定的重合度沿加工路径沉积出可变的熔珠宽度，可有效 地减少在固体沉积物中存在的欠熔合缺陷的数量。在该特定实施例中， 使用大小为约0. 89毫米与约1. 42毫米之间的层内可变熔珠宽度和大约 50%的重合度以制造出基本上没有包括间隙缺陷等缺陷的BLISK叶片 20。在悬突区域处进行的功率控制解决了现有技术中存在的积聚 BLISK叶片20表面上的表面波痕问题。通过使用略微更高的激光功率 和与内部压合加工路径相比更慢的用于外部轮廓加工路径的速度，从而提高积聚BLISK叶片20的表面粗糙度。当前的发明允许降低积聚层上面的激光功率，从而允许沉积出可变 的熔珠宽度和积聚零件中的散热速率。该被克服的问题例如为在BLISK 压缩机盘30表面的冷衬底上进行沉积时在初始层处产生的欠熔合缺 陷。另外，在接近BLISK叶片20的狭窄顶端时通过适应性地降低所述 多个层上面的激光功率，可将由于过热而导致产生的表面氧化减至最小 程度。根据本发明进行修补后，BLISK的性能并未下降。这种方法允许BLISK被修补多次，同时不会由于在没有进行修补的区域中其尺寸过度 减小达到低于最小规定值而使BLISK的功能性受损。该方法可适用于新的零件积聚以及修补。在新零件的积聚过程中， 初始层^皮沉积在牺对生性衬底上面，或者，当成形出BLISK时，可以在 零件的一体部段例如BLISK压缩机盘上面进行材料积聚。对初始层、 悬突区域和边缘区域的加工路径的适应性控制与在修补应用中的控制 是相同的。本发明相对于现有技术的分层沉积方法而言具有许多优势。第一， 通过以恒定的重合度沿加工路径沉积出可变的熔珠宽度，在固体沉积 物中存在的欠熔合缺陷的数量可被减少。第二，在悬突区域处的功率 控制可通过对这些区域的加热实施更加有效地控制乂人而解决所存在的 积聚在刀片表面上的表面波痕问题。第三，通过使用更高的激光功率和 与内部压合加工3各径相比更慢的用于外部轮廓加工^各径的速度，从而提 高了积聚材料的表面粗糙度。第四，通过降低积聚层上面的激光功率， 可在积聚零件中保持恒定的熔珠宽度和散热速率。通过适应性地降低所 述沉积层上面的激光功率，所述被克服的问题例如在"冷"衬底上进行 沉积时在初始层处产生的欠熔合缺陷和孔隙问题以及在接近狭窄的叶 片顶端进行沉积时将由于过热而导致产生的表面氧化问题可得到解决。虽然已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技 术人员应该理解在不偏离本发明的范围的条件下可对本发明作出多 种改变且可使用等效方式来替代本发明中的元素。另外，在不偏离本 发明的实质范围的情况下已经作出多种改进从而使特定的情况或内容 适应于本发明的教导。因此，本发明旨在不受在此作为最佳实施方式 所披露的特定实施例的限制，本发明将包括落入由所附权利要求书限 定出的范围内的所有实施例。
权利要求
1、一种对衬底进行激光包覆的方法，所述方法包括以下步骤提供衬底；在衬底上面沿加工路径沉积出具有第一确定的可变熔珠宽度的材料；沿着与具有第一确定的可变熔珠宽度的沉积材料相重叠的加工路径沉积出相邻的具有第二确定的可变熔珠宽度的材料；继续沉积多层重叠的相邻的具有确定的可变熔珠宽度的材料，直至形成第一材料层；通过在第一材料层的顶部上面沉积出多层重叠的具有确定的可变熔珠宽度的材料从而成形出第二材料层；且在沉积材料层的顶部上面继续沉积材料层，直至完成包覆；其中所述沉积材料的可变熔珠宽度由具有多个输入参数的计算机进行控制，从而保持大致恒定百分比的熔珠宽度重合度。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中层中材料的每一沉积可变熔 珠宽度在约0. 2毫米与约5. 0毫米之间变化。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中所述重合度被保持在约10%-约90%之间。
4、 根据权利要求1所述的方法，进一步包括向计算机中输入转移函数以对多个参数进行控制，从而获得大致恒 定的熔珠宽度重合度，所述参数包括激光功率、激光速度、散焦距离和 粉末供给速度。
5、 根据权利要求1所述的方法，进一步包括 在沉积顶部3-IOO层的过程中降低激光功率。
6、 根据权利要求1所述的方法，进一步包括起初为头2-IOO层沉积粉末层使用更高的激光功率，然后为剩余的 粉末层降低功率水平。
7、 根据权利要求1所述的方法，其中层中每一个成形的可变熔珠 宽度在约0. 2毫米与约5. 0毫米之间变化。
8、 根据权利要求4所述的方法，其中所述重合度被保持在约10%-约90%之间。
9、 根据权利要求7所述的方法，进一步包括向计算机中输入转移函数以对多个参数进行控制，从而通过调节办 工路径获得大致恒定的可变熔珠宽度重合度，所述参数包括激光功率、 激光速度、散焦距离和粉末供给速度。
10、根据权利要求7所述的激光净成形生产方法，进一步包括 在沉积顶部3-IOO层的过程中降低激光功率。
全文摘要
披露了一种对衬底进行激光包覆的方法，所述方法包括以下步骤提供衬底；在衬底上面沿加工路径沉积出具有第一确定的可变熔珠宽度的材料；沿着与具有第一确定的可变熔珠宽度的沉积材料相重叠的加工路径沉积出相邻的具有第二确定的可变熔珠宽度的材料；继续沉积多层重叠的相邻的具有确定的可变熔珠宽度的材料，直至形成第一材料层；通过在第一材料层的顶部上面沉积出多层重叠的具有确定的可变熔珠宽度的材料从而成形出第二材料层，且在沉积材料层的顶部上面继续沉积材料层，直至完成包覆；其中所述沉积材料的可变熔珠宽度由具有多个输入参数的计算机进行控制，从而保持大致恒定百分比的熔珠宽度重合度。
文档编号C23C24/10GK101235499SQ20081000927
公开日2008年8月6日 申请日期2008年1月31日 优先权日2007年1月31日
发明者M·N·阿泽尔, P·辛格, 欢 齐 申请人:通用电气公司