通过熔化粉末制造部件的方法,该粉末颗粒以冷却状态到达熔池的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通过用高能光束（激光束、电子束、…）熔化粉末制作部件的领域。
[0002] 本发明更具体地涉及一种包括以下步骤的方法：
[0003] a)以形成粉末束的粉末颗粒形式供给一种材料；
[0004] b)借助于高能光束加热第一数量的粉末到一个高于粉末的熔化温度Tf的温度，并 在支撑件的表面形成第一熔池，所述第一熔池包括所述熔化的粉末以及所述支撑件的一部 分；
[0005] C)借助于所述高能光束加热所述粉末到一个高于其熔化温度Tf的温度，并在所述 支撑件的表面形成第二熔池，所述第二熔池包括所述熔化的粉末以及从所述第一熔池下游 的所述支撑件的一部分；
[0006] d)重复步骤C)，直到所述部件的第一层形成在所述支撑件上；
[0007] e)借助于高能光束加热第[η]数量的粉末到一个高于其熔化温度Tf的温度，并形 成第[η]熔池，所述第[η]熔池部分地包括在所述第一层的一部分上的所述熔化粉末；
[0008] f)借助于所述高能光束加热第[η+1]数量的粉末到一个高于其熔化温度Tf的温 度，并形成第[η+1]熔池，所述第[η+1]熔池部分地包括从所述第[η+1]熔池下游在所述第 一层的一部分上的所述熔化粉末；
[0009] g)重复步骤f)，以在所述第一层以上形成所述部件的第二层；以及
[0010] h)对于位于已形成层以上的每一层，重复步骤e)到g)，直到所述部件基本处于其 最终形状。
[0011] 在上述方法中，需要[n-l]数量的粉末以形成所述第一层。
【背景技术】
[0012] 可以获得具有三维（3D)形状的复杂机械部件的方法是众所周知的。这些方法 逐层建立一个部件，直到该部件所需的形状已被重组。有利地，该部件可由从用控制该机 器的电脑处理三维计算机辅助设计（CAD)图形文件的数据推断的计算机辅助设计和制造 (CADM)文件直接地重组，该机器从而形成被熔化然后一层在另一层上地固化的连续层的材 料，每一层都由通过从CADM文件定义的尺寸和形状的并列嵌条所构成。
[0013] 例如，构成该粉末的颗粒可以是金属、金属间化合物、陶瓷或聚合物。
[0014] 在本申请中，当该粉末是金属合金时，熔化温度Tf是位于在对于该合金的给定成 分的液相线温度和固相温度之间的温度。
[0015] 该构造支撑件可以是某一其他部件的一部分，其上需要添加额外功能。其成分可 能不同于所喷射的粉末颗粒，因此这可以具有不同的熔化温度。
[0016] 这些方法具体包括通过激光喷射或"直接金属沉淀"（DMD)、"选择性层熔 化"（SLM)，以及"电子束熔化"（EBM)。
[0017] 以下参考图2、4、5解释该DMD方法的操作。
[0018] 在本地保护下或在壳体内在惰性气体的受控高或低压下，通过使粉末颗粒通过喷 嘴190在支撑件80上喷射到该材料上，形成了材料的第一层10。与喷射粉末颗粒60同时， 喷嘴190发出来自发生器90的激光束95。喷嘴190的第一孔191与第二孔192同轴，粉 末通过该第一孔喷射到支撑件80上，激光束95通过该第二孔发射，使得粉末喷射到激光束 95内。该粉末形成了颗粒的锥，该锥是空心的并存在一定厚度（如图4所示的粉末束94)， 并且激光束95是锥形的。
[0019] 工作平面P被定义为包含以下表面的平面，该层被构造和/或形成在该表面上。
[0020] 为了构造该第一层，该表面是支撑件80的顶部（自由）表面S。。为了构建低[n+1] 层，该表面是第[η](整数η，η多1)层的顶部（自由）表面。
[0021] 通过熔化被暴露到激光束的支撑件80的区域，激光束95在支撑件80上形成熔池 102。粉末进入该熔池102,在该熔池中，粉末已经达到熔融状态，该粉末在到达熔池之前在 激光束中的其路径上熔化。
[0022] 或者，举例来说，喷嘴190和激光的焦点可以这种方式被调节和/或定位，使得给 定粒度分布的粉末对于不同尺寸的所有其颗粒不在激光束95中通过足够时间以完全地熔 化，以使它们在到达熔池102时熔化，通过熔化被暴露到激光束95的支撑件80的区域，该 熔池先前已被形成在支撑件80的表面上。
[0023] 工作距离WD被定义为在喷嘴190和工作平面P之间的距离。
[0024] 在正在考虑的工作距离WD上，该粉末同样可不被激光束95熔化或者它可部分地 熔化，仅因为组成该粉末的一些或所有颗粒对它们来说太大而不被熔化。如在图3中可以 看出的，粉末颗粒的平均直径Dp越小，它们被加热的速度越大，但它们被维持在熔化温度的 时间越短，它们的冷却越快。而且，图3示出了当对于给定工作结构它们到达熔池时，尺寸 分布越窄，所有粉末颗粒被熔化的程度越大。
[0025] 在所有情况下，该粉末颗粒在进入该熔池之前通过激光束95被加热。
[0026] 在激光束95(或支撑件80)向下游移动的同时，熔池102被保持并逐步固化，以在 支撑件80上形成固化材料的嵌条105。继续该过程以在支撑件80上形成另一固化嵌条，例 如，该另一嵌条与第一嵌条并列。因此，通过在一个平行于上述工作平面P的平面中移动喷 嘴190或支撑件80,材料的第一层10沉淀在支撑件80上，通过在与在CADM文件中定义的 形状相符的形状的单件中固化第一元件15,该层形成。
[0027] 此后，喷嘴190和激光束95被致使一起实施第二扫描，从而以类似方式在第一元 件15的顶部形成材料的第二层20。该第二层20形成第二固化元件25,并且这两个元件15 和25 -起形成单件块。在第二层20的构造过程中，在第一元件15上形成的熔池102通常 包括第一元件15的至少一部分，该部分与进入熔池102的粉末颗粒一起通过暴露到激光束 95而熔化。
[0028] 考虑由与该支撑件的上表面Stl垂直的垂直轴Z ^以及该支撑件的表面S ^构成的参 考系。该参考系依赖于支撑件80,或者更确切地依赖于被构造部件，对于该部件，参考平面 P在沉淀该第一层材料时由支撑件的表面Stl，或由最近沉淀层的上表面所定义。
[0029] 通常对于一层，该工作平面P不必平行于表面Stl。被定义为垂直于工作平面P的 轴Z因此不必平行于轴Zp
[0030] 在连续两个层之间，喷嘴沿轴Z移动一个理论上等于实际上已经沉淀的材料Happ 的高度的值ΔΖ，该高度应该是恒定的（独立于喷嘴的路径），并且当该构造被优化并且稳 定时是足够大的（图4和5)。图5是在该支撑件中部分地形成的液体熔池的截面，其显示 该熔池的形状。
[0031] 支撑件80的表面Stl是在高度为零的平面。因此，在构造该第一层时，平行于S。并 具有被包含在该支撑件中或（相对于轴Ztl)在该支撑件以下的部分的平面处于负高度，具 有高于该支撑件表面Stl(相对于轴Ztl)的部分的平行于Stl的平面处于正高度。
[0032] 如果一给定工作平面P具有正的，比另一平面的高度大的高度，则关于构造第[η] 层的该给定工作平面P高于被附接到较低层的该另一工作平面。
[0033] 在依赖于该支撑件80以及依赖于该部件的参考系中，第二层20被构建在高于第 一层10的工作平面的工作平面P上，这两个平面间隔一个沿垂直于该工作面P的轴Z测量 的距离ΔΖ。
[0034] 通常，更高层的工作平面不需要平行于前一较低层的工作平面，其中更高层的Z 轴相对于该较低层的工作平面的轴Z处于非零的角度，并且沿后一轴Z在该较低层的每一 点以上测量的距离ΔΖ是一平均值。
[0035] 然后通过在已经形成的组件上添加附加层继续逐层地准备该部件的该过程。
[0036] 显示现有技术的图4更详细地示出了激光束95和粉末束94的结构。激光束95 使喷嘴190在从其焦点^的角度2 β (位于喷嘴190的底部）发散，并且它照射支撑件80 的区域，导致在其中形成熔池102。
[0037] 以粉末颗粒60在激光束95中耗费最大的时间长度以被加热的方式，粉末束94在 朝其焦点Fp以角度2 δ会聚时离开喷嘴190,该焦点位于激光束95内侧并紧接在支撑件80 的表面（工作平面Ρ)之上（或以上）。在激光和从该熔池上游的粉末之间的大量相互作用 的优点是产生当建立该工作部件的表面时经常需要从而修复它们以及当沉淀坚硬涂层时 的高沉淀速率和低稀释。
[0038] 熔化的理论效率被定义为激光束95的直径0l除以粉末束94的直径0Ρ的比值， 这两个直径在该工作平面P中确定。
[0039] 或者，直径0L可由液体熔池的直径0[儿代替（参见图4)，以评估该效率，该效率 取决于所选定的参数设置，具体为激光功率1\，激光束的扫描速度V以及粉末的质量流速 Dm0
[0040] 在其焦点的激光直径（即0u))通常远小于粉末束在粉末焦点的直径0Ρ〇,因此 对于被聚焦的粉末束（其焦点Fp位于工作平面P上），或其焦点F ρ位于工作平面P以上并 在激光焦点^以下的未被聚焦的粉末束，现有技术中的工作结构逻辑上需要激光束不被聚 焦（其焦点^位于工作平面P以上），由于相反正被构造的结构将会不稳定以及不存在对 可接受的熔化效率的保证。如上所述，通常，在该平面P测量的激光束直径并不对应于 液体熔池直径0B1_，该液体熔池直径0BL·大致等于固化后