制造具有双金属特性的金属部件的方法和制造布置方案与流程

本发明涉及金属部件的制造。其涉及一种用于制造具有双金属特性的金属部件的方法。

其进一步涉及用于实施该方法的制造布置方案。

现有技术

在热涡轮机中，尤其是蒸汽或燃气涡轮中，暴露的金属部件或组件中出现高的热机械应力，这导致部件低的周期寿命。此外，由于不同的热膨胀系数或温度梯度而出现大的形变。那么，在小接触区域处存在高接触力且导致高磨损率。最终，大的间隙导致抖动、大的磨损和裂缝。

为了解决这些问题，可考虑焊接非相似的材料的部件。然而，不同材料的急剧变换在升高的温度下导致相应的焊缝的热影响区(HAZ)中附加的应力。

在现有技术(文件WO2014/202352A1)中公开了一种用于通过选择性激光熔化(SLM)生产三维制品或由以下制成的这样的制品的至少一部分的方法：由伽马'([gamma]')沉淀硬化的镍基超合金制成，该超合金具有高体积分数(>25%)的伽马'相，其为一种难以焊接的超合金；或由钴基超合金制成；或由不可浇铸或难以加工的金属材料制成，在SLM中通过利用激光束将分层沉淀的金属粉末熔化来生产该制品。对SLM加工参数做选择性的调整来局部修整该生产制品或制品的一部分的微观结构和/或孔隙度，并因此优化最终确定的制品/制品的一部分的期望的性质。

另一方面，文件DE 10 2013 210 876 B4公开了一种用于在流体流动机中热控制间隙的复合组件(composite component)以及具有这样的复合成分的使得间隙控制最优地适于应用条件的流体机。包含第一和第二复合组件的复合组件可通过选择性激光熔化(SLM)来制造。

该已知的方法要么不适合用于制造双金属的金属部件(WO2014/202352A1)，要么仍然包含在部件的两种不同金属之间不利的急剧过渡。

技术实现要素：

本发明的目的在于教授一种用于制造具有双金属特性的金属部件的方法，其允许改进和修整部件的热机械性质。

本发明进一步的目的在于提供一种用于实施该方法的制造布置方案。

这些及其它目的通过根据权利要求1的制造方法和根据权利要求5的制造布置方案来实现。根据本发明的用于在增材制造(AM)过程中制造具有双金属特性的金属部件的方法包含以下步骤：

a)提供第一金属粉末，其具有第一热膨胀系数；

b)提供第二金属粉末，其具有与该第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数；

c)通过单独将多层该第一粉末接连地熔化来制造第一纯金属层；

d)通过接连地熔化多层第三粉末来在该第一纯金属层上制造混合层，第三粉末是上述第一和第二粉末的混合物，由此该第一粉末的比例从100%降至0%而该混合层的厚度增加，且由此该第二粉末的比例与此同时从0%升至100%；以及

e)通过单独将多层该第二粉末接连地熔化来制造第二纯金属层。

根据本发明的一实施方案，该第一与第二粉末的该混合物通过从第一粉末贮存器中提取第一数量的该第一粉末以及从第二粉末贮存器中提取第二数量的该第二粉末并将该第一和第二数量在混合器中混合制成，由此，选择该第一和第二数量以产生具有预定混合比的新的粉末层，且在步骤(d)中用该第一和第二粉末的该混合物来制造该混合层。

具体地，通过粉末层产生装置使该第一与第二粉末的该混合物作为未完成的金属部件的粉末层。

根据本发明的另一实施方案，该熔化是通过使用选择性激光熔化(SLM)过程来完成的。

用于实施本发明的方法的制造布置方案包含至少两个粉末贮存器，它们利用其出口连接至混合器，该混合器用于将来自该至少两个粉末贮存器的粉末混合以在该混合器的出口提供混合粉末；进一步包含粉末层产生装置，其接收来自该混合器的该混合粉末并在支撑物上产生该混合粉末的粉末层，且最终包含粉末熔化设备，其与该粉末层相互作用来熔化该粉末层。

根据本发明的一实施方案，该粉末熔化设备包含SLM激光源，其激光光束导向该粉末层上。

根据本发明的另一实施方案提供了控制器用于控制该混合器和该粉末层产生装置的运行以及从该至少两个粉末贮存器中提取的粉末的实际数量。

附图简述

现通过不同的实施方案并参照附图来更为详细地阐述本发明。

图1显示根据本发明的方法制造的双金属的金属部件的示例，由此，(a)示出了横截面而(b)示出了所涉及的两种金属的分别的浓度曲线；

图2显示了根据本发明的制造布置方案的一实施方案；

图3显示了在本发明中可使用的多种金属的热膨胀；以及

图4显示了非相似材料与中间的如图1所示的双金属部件的焊接。

附图标记清单

10金属部件

11,13纯净层

12混合层

14制造布置方案

15控制器

16,17粉末贮存器

18混合器

19 SLM激光源

19a 激光光束

20支撑物

21焊接组件

22,23金属部件

22a,23a焊缝

24粉末层

25粉末层产生装置。

具体实施方式

图1显示了通过根据本发明的方法制造的双金属的金属部件10的(简单)示例，由此，(a)显示了金属部件10的横截面而(b)显示了所涉及的两种金属分别的浓度曲线。金属部件10在上、下表面处包含两个纯净层11和13，由此，纯净层(11)100%地由第一金属材料组成，而纯净层(13)100%地由第二金属材料组成。夹在纯净层11和13之间的是一层混合层12，其中，第一金属的浓度从100%逐渐变化到0%(图1(b)中的点线)，而第二金属的浓度以相反方向从0%逐渐变化到100%(图1(b)中的点划线)。

双金属的金属部件10可通过选择性激光熔化(SLM)由相应的金属粉末制造。图2显示了制造布置方案的简化示意图作为本发明的实施方案，其可用于制造如图1所示的金属部件10。图2的制造布置方案14包含两个粉末贮存器16和17，其被填充以两种带有不同热膨胀行为的金属粉末(参见例如图3中的多种合适的金属的热膨胀曲线)。每个贮存器均有出口，通过其可将预定量的粉末释放到共用混合器18中。正释放的粉末数量由控制器15控制，该控制器15还控制混合器18的运行。

然后将混合粉末或粉末混合物从混合器18转移到粉末层产生装置25，该装置由控制器15控制，并在支撑物20(或在未完成的金属部件10)上产生合适厚度的粉末层24。当粉末层24完成后，通过使用SLM激光源19利用其激光光束19a使粉末熔化。SLM激光源19的控制也由控制器15完成。

对于制造纯净层13，使用纯净的第二金属粉末。之后，在SLM过程期间，粉末由纯净的第二粉末变成第二与第一金属粉末的逐渐变化的混合物(图1中的混合层12)，并最终变成纯净的第一金属粉末(图1中的纯净层11)。如以上所阐述，这可通过将两个(拥有两种不同粉末的)贮存器16和17置于混合器18和粉末层产生装置之上来实现，该粉层产生装置可将粉末分层地置于未完成的工件上。

在将新的粉末层24置于工件或金属部件10上之前，这些粉末以可变比例填入混合器18中。如所述那样，这两种粉末具有不同的热膨胀系数。结果为在一侧处100%由一种材料组成而在另一侧上100%由另一材料组成的金属部件。其间，材料是逐渐变化的(图1)。

在实践中，具有更大热膨胀系数的金属(例如Hast-X，图3中曲线D，或STS18/8，图3中曲线B)用于部件更冷的一侧，而具有更低热膨胀的金属(例如Haynes H230，图3曲线E)用于部件更热的一侧。在热状态下的预期形变限定了从一种粉末到另一种粉末(混合层12的位置)的变化点。热状态下的预期形变可被优化为0连同带有与设计几何之间最小的偏差，或可产生一定的预期形变以优化接触压力和磨损。

如图4所示，如图1所示的金属部件也可用于将非相似材料的部件一同焊接成焊接组件21。通过SLM可制成中间部件(图4中的10)，其带有平滑且限定的从一种到另一种材料的转化。之后仅需执行相似材料的焊接，也就是可将单独的第一金属的金属部件22利用焊缝22a焊接至金属部件10的第一金属的纯净层11，并且可将单独的第二金属的金属部件23利用焊缝23a焊接至金属部件10的第二金属的纯净层13。

那么，例如可将3种或更多种不同的金属材料用于在堆垛中创建两种或更多种双金属过渡。