以选择性激光熔化增材制造来制造金属或陶瓷构件的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及抗高温构件，尤其是用于燃气涡轮的热气体路径构件的技术。其涉及用于通过选择性激光恪化(SLM)增材制造技术(additive manufacturing technology)制造金属或陶瓷构件/三维制品的方法。
【背景技术】
[0002]对于制造金属或陶瓷功能原型和构件而言，增材制造已经变成越来越有吸引力的解决方案。例如，SLM和SEBM (选择性电子束熔化)方法使用粉末材料作为基底材料。粉末通过激光或电子束熔化。根据CAD模型，存在粉末层沉积，且所期望的对象在平台上构建。这意味着构件或制品直接从粉末床通过逐层制造生成。
[0003]常规的扫描策略，如当今其在所有SLM机器中应用地那样，使用中心对称激光光斑配置，从而沿所有扫描方向提供均匀照射条件。粉末材料的熔化通过(通常至少部分重叠的)平行激光通路(pass)所谓的轨道实现。在增材制造过程期间，在其中经受激光辐射的选定区域中的粉末熔化成该部分的期望截面。
[0004]在一方面，该过程的生产速率通过粉末熔化参数:能量束的功率、扫描速度、影线距离、光斑大小确定。为了确保粉末在其整个截面中将利用相等量的激光辐射来照射，小直径激光束在多个平行且通常等距的轨线中横过整个截面。总体上，在连续的激光通路之间的距离在整个制造过程期间保持恒定。该所谓的影线距离通过在粉末床处的激光光斑大小以及通过复杂的激光-粉末相互作用现象限定。为了最大化生产率，其通常试图充分利用能量束的可用功率。
[0005]另一重要参数是扫描速度。其可沿扫描轨线保持恒定或可变。这三个关键参数相互联系且不能随意改变。例如，如果例如由于在粉末床处不足的可用激光功率或者太高的扫描速率，在粉末床处的激光能量密度减少得太多，则出现不期望的多孔性。
[0006]另一方面，生产速率显著地依赖于次级“激光闲置”操作，其中能量束被关掉。对于这种“激光闲置”步骤的示例是复位跳跃、在光束复位之前以及之后的光束加速和减速、或者“跳跃”、“标记”和“多(poly)”延迟，其与用于能量束的移动命令相关联。尤其是对于复杂的薄壁部分，其中，截面的再熔涉及大量的短轨道以及能量束的许多复位移动，但是这些延迟积聚成全部制造时间的显著部分。次级“激光闲置”还包括新粉末层的应用和其关联的等待时间(times)。
[0007]例如，SLM机器大体上由控制单元、激光器和激光束聚焦和光学光束成形系统、具有保护气氛的分离的工作腔室、用于从密封容器到工作区的粉末沉积的机械系统。光学激光束成形和光束引导系统典型地由光束扩展器、扫描头和聚焦透镜构成。扫描头负责在粉末床的选定截面处的激光束定位。其通常由附连到两个电马达以将入射激光束对准期望方向的两个镜子构成。期望以一定方式调节过程参数以保持“激光闲置”时间尽可能低，但是其不能减少到零。
[0008]在SLM中的关键过程步骤是粉末层的选择性激光熔化。
[0009]图1示出从现有技术已知的通过激光束照射截面I的典型的常规算法。若干激光轨道2彼此相等地分离影线距离4。激光的轨道长度3可比截面I的宽度w更小、相等或更大。在图1中，轨道长度3等于宽度W。图1a)和图1c)示出典型的单向扫描路径，图1b)和图1d)示出双向扫描过程。
[0010]这种常规的扫描策略以如下方式实现:激光束定位在照射轨线2的开始(加速)区6(参见图1c)和图1d)))，激光的移动开始，且系统将激光打开。所聚焦的激光束沿扫描方向在照射轨线2上平移。在照射轨线2的结束处，激光被关掉、减速(参见虚线7，减速区)，且其然后复位(参加虚线8，复位移动)到沿线性平移方向5的下一个激光轨道2的接下来的开始点。在一些情形中，加速和减速区6、7各自做得非常短，或者其完全消除。在图1a)和图1c)中，邻近的激光轨道2沿相同方向完成，在图1c)和图1d)中，邻近的激光轨道2沿相对方向完成。
[0011]可清楚地看出，照射过程由选择性激光熔化步骤(通过箭头2示出)以及次级“激光闲置”操作步骤(通过虚线箭头6、7和8示出)构成。
[0012]后者是对于对那些增材制造过程的商业成功的主要障碍-低构建速率的一个解释。
[0013]低构建速率导致长的处理时间以及相关联的高制造成本和用于连续生产的仅低到中等产量。例如，若干kg重量的单个构件的制造周期可花费100机器小时和更多。
[0014]已知各种解决方案以增加生产速率。在其中有多光束应用技术、制造区域预热到大约500-900°C的温度、或者修改激光束的强度分布。
[0015]多光束技术使用多个独立的激光束以熔化粉末。实际上，这导致增加的生产速率，但是其同时要求相等的附加投资成本量。
[0016]粉末床的预热是减少熔化粉末材料所要求的能量的量的方法。然而，这种方法的应用要求附加的投资成本，其由许多更复杂的硬件要求导致。其还由于不期望的次级效果而复杂化，例如，粉末在工作区中烧结。
[0017]在聚焦平面中应用非高斯激光功率密度分布可改进SLM过程。该途径的消极方面是其应用所要求的显著的初始投资。
[0018]文献US 2012/267347 Al描述了一种方法，其用于焊接由非常抗热的超级合金所制成的工件，包括焊接填充材料的特定质量供给速率。所公开的现有技术方法是激光金属成型(LMF)过程，其为粉末吹送技术，且其用于被损坏区域的整修，以便恢复原始壁厚度。在文献US 2012/267347 Al中描述的方法因此不是选择性激光熔化(SLM)过程，其从粉末床直接一层接一层地生成新的制品或制品的部件。根据US 2012/267347 Al的方法包括借助于热源在工件表面上生成热输入区，借助于供给装置将焊接填充材料供给到该区内，以及借助于输送装置生成一方面在热源和供给装置之间以及另一方面在热源和工件表面之间的相对移动。这具有不得不移动像CNC桌、机器人臂或激光头的重的部件的缺点。根据该现有技术文献的焊接模式是带有圆形边缘的曲折焊接线。
【发明内容】
[0019]本发明的目的是公开一种方法，其用于以改进的生产速率且在不需要实施功率更大的激光器的情况下完全地或部分地通过SLM增材制造方法制造金属或陶瓷构件/三维制品。本发明的另一目的是公开不需要在SLM机器上实施新的硬件的这样一种方法。
[0020]该目的以及其他目的通过根据权利要求1所述的方法来获得。
[0021]本发明的核心是应用线性或似线性2D热源(激光束)来代替点热源，用于具有减少的次级“闲置”时间的选择性熔化。新的处理策略组合在粉末层的表面上聚焦的激光束的线性平移移动和沿横向和/或纵向方向叠加的高频率正弦曲线振荡。垂直于线性扫描路径的快速振荡偏转产生在粉末层的表面上沿原始扫描方向移动的二维热源轮廓。这种处理计划提供粉末的更加均匀的照射，从而提供优化的固化条件。其还由于新颖的原则最小化“激光闲置”时间，这减少了不可避免的在每个扫描轨道的开始和结束处的延迟和复位移动的数量。所公开的方法的一个优势是生产速率可增加至少25%。创造性元件是通过高能量束的粉末处理的顺序。所公开的方法最大化其中激光发射打开的生产时间。方法可因此用于通过与常规的SLM过程策略相比具有更高的生产速率的SLM制造构件或其元件。特定益处是相比常规的激光影线扫描算法减少闲置时间和跳跃延迟的可能性。在增材制造中的这种新的激光摇摆策略增加了制造过程的生产率以及减少了每个部件的成本。摇摆振荡通过束偏转装置(检流计扫描器，即，成对小的轻质镜子，其在工作单元内部安装在静止的2D或3D扫描器装置上)产生，且该束偏转装置还用于线性定位移动。相对移动因此使用偏转装置以最小的惯性产生，这允许相比已知方法的移动的更高动态性。
[0022]如果摇摆振荡的频率在从10到50000Hz的范围内，且振幅在从0.01 mm到20 mm的范围内，则这是有利的。
[0023]在优选实施例中，摇摆振荡参数，即频率和振幅，以及线性移动参数都调整成使得高能量束在一个半振荡周期期间的线性位移在从粉末床的表面处的束直径的0.01到2.0倍的范围内。
[0024]过程在粉末床上有效，其中，整个粉末层在激光处理之前沉积。在处理步骤中，激光束仅选择性地熔化和固化在特定位置处的粉末。
[0025]方法可尤其用于直接从粉末床一层接一层制造新的，意思是还没有使用过的制品，诸如具有复杂设计的小到中等大小的热气体部件和原型。这种部件可例如在燃气涡轮的第一涡轮级中，在压缩机中或者在燃烧器中发现。
[0026]所述金属基底材料是高温Ni基合金、Co基合金、Fe基合金中的一种或者其组合。
[0027]尤其地，所述合金可包含精细散布的氧化物，特别是Y2O3、A1203、ThO2、HfO2、ZrO2中的一种。
[0028]通过所述方法制造的构件在燃气涡轮的压缩机、燃烧器或涡轮区段中使用，优选地作为叶片、导叶、热屏蔽件或燃烧器旋流器。
【附图说明】
[0029]现在借助于不同的实施例且参考附图更详细地解释本发明。
[0030]图1a)到Id)示出根据现有技术通过激光束照射截面的常规算法，其中，图1a)和图1c)示出典型的单向扫描路径，且图1b)和图1d)示出典型的双向扫描路径；
图2示出根据本发明的第一实施例的振荡热源的第一基本原理；
图3示出根据本发明的第二实施例带有侧向偏移的振荡热源的第二基本原理；
图4a)到4d)示出根据本发明的第三和第四实施例的两个附加的摇摆扫描策略，其中，图4a)和图4c)示出单向扫描路径，且图4b)和图4d)示出双向扫描器，以及图5示出2维摇摆热源的构型，其带有与附加的横向振荡叠加的纵向振荡。
[0031]附图标记 I截面
2激光轨道，照射轨线 3轨道长度，
4影线(hatch)距离 5线性平移方向 6开始(加速)区 7减速区 8复位移动 9侧向偏移 10横向方向 11横向振荡 12纵向振荡 W截面宽度
F纵向或横向振荡的频率 A纵向或横向振荡的振幅。
【具体实施方式】
[0032]如在上文中所述，所述方法的总体想法是通过选择性激光熔化(SLM)使用摇摆扫描策略来生产高设计复杂性的功能元件。这些增材制造过程将从使用新颖的光束扫描技术的更高生产速率中获益。
[0033]这种应用的一个好的示例是用于燃气涡轮的燃烧器旋流器，其中，大尺寸的许多截面不得不通过激光束熔化。这种构件的制造通常要求许多机器小时。然而，整个制造时间的显著部分是“激光闲置”时间，即，次级“非熔化”操作，其中，激光关掉且因此不能生产。典型的示例是新粉末层的沉积，但是还有带有其关联激光开/关延迟的