使用增材制造工艺的机械接合的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通过将部件借助逐层增材制造工艺在原位形成组件的机械接合。
【背景技术】
[0002]在燃气涡轮发动机领域，单个部件的各种部分可能具有宽范围变化的操作要求。某些材料可以很好地适合于各种部分中的一个部分的操作要求，而另一材料可以更好地适合于另一个的操作要求。模块化部件因此可以用来适配用于变化的操作要求的材料。在该方式中，更昂贵或难以制作的材料可以限于部件的在需要处的那些部分，而别处可以使用不太昂贵或易于制作的材料。此外，制造部件的该模块化途径允许单个模块而不是整个部件的更换，以延长部件的服务寿命。
[0003]这些部件的接合传统上包括诸如焊接和钎焊等的冶金接合。然而，存在着非常难以焊接而不龟裂的很多高温涡轮机材料。这对于钎焊接头不算问题，但是钎焊接头仅如钎焊材料一样强。机械接合在接合异种材料或难以焊接的材料时提供优点。然而，存在着机械接头可能在服务期间失效并且使硬件释放到发动机内的频繁的担忧。结果，在本领域中仍然存在着用于改进的空间。
【附图说明】
[0004]在以下描述中鉴于【附图说明】发明，附图示出:
[0005]图1是组件的示例性实施例的示意性图。
[0006]图2是组件的可选示例性实施例的示意性图。
[0007]图3是组件的又另一可选示例性实施例的示意性图。
【具体实施方式】
[0008]本发明人设计出一种用于接合部件以形成组件的创新途径。具体地，组件的部件被相对于彼此保持处于它们在当它们是部件的一部分时所具有的位置关系。当部件被保持处于期望的位置关系时，完成组件的锁定部件借助增材制造工艺被形成在组件的其他部件中的一个上的适当位置处，其中锁定部件被逐层地形成。组件内的互锁关系将组件保持在一起，并且锁定部件确保互锁关系的互锁元件保持处于彼此接合的状态。锁定部件因此形成组件的一部分并且有效地确保互锁关系保持完好不变，由此将组件保持在一起。
[0009]图1示出具有类似于翼型的长形形状的组件10的示例性实施例的示意性纵向截面。组件10包括第一部件12、第二部件14和锁定部件16。在该示例性实施例中，组件10通过由彼此接合的第一互锁特征20和第二互锁特征22形成的两个互锁关系18被保持在一起。只要互锁特征20、22彼此接合就形成互锁关系18并且这将组件10保持在一起。因此，锁定部件16被配置成作为组件10的一部分并且同时确保互锁关系18保持完好不变。在该示例性实施例中，用于各互锁关系18的第一互锁特征20被形成为锁定部件16的一部分。然而，锁定部件16可以包括或可以不包括形成互锁关系18的一部分的几何形状。而是，锁定部件16被形成为确保互锁关系18保持完好不变，而不管组件10中的哪个部件实际上包括形成互锁关系18的几何形状特征。
[0010]锁定部件16可以通过可被限定为将材料接合以从数据模型制成三维固态物体的工艺的增材制造工艺层层地形成。这与依靠使用诸如切割、钻孔、铣削和研磨等的技术进行的材料的去除的消减制造方法学形成对比。被设想用于该方法的增材制造工艺的许多可能的示例中的一个是激光工程化净成形(LENS)。在该工艺中，金属粉末被注射到由激光束创建的熔池内。正被形成的部件坐落在可在激光的焦点下方移动的表面上，并且激光可以在形成层之后被升高以便在已形成的层的顶部形成另一层。所形成的部件被认为是完全致密(完全烧结)的并因此当达到最终形状时被完全形成。此外，锁定部件可以是陶瓷的，或者如示例性实施例中那样，它可以是金属的。
[0011]作为该逐层途径的结果，借助逐层增材工艺形成的粉末冶金部件具有当与使用其他粉末冶金工艺制成的部件相比时独特的微观结构。首先，部件的颗粒结构中的颗粒大小被限制为颗粒驻留所在的沉积层的厚度，因为由工艺形成的熔化的材料池的大小被限制为近似层的厚度，并且焊池的大小限制了颗粒的大小。(焊池的大小进而由来自激光的热输入和粉末层的厚度控制)。小体积的熔融材料和快速的冷却速率有效地防止颗粒生长。因此，由于各层在被沉积时基本上完全形成，所以层内的任何颗粒不能生长得比它的层的厚度还厚。当形成在第一层的顶部的随后的层可以使第一层的上侧部分熔化以便结合至其上时，第一层中存在的任何颗粒都不会生长到第二层内。
[0012]其次，在逐层途径中，部件中的颗粒将会具有作为层叠工艺的结果的层状结构。相比之下，在传统粉末冶金工艺中，单个粉末颗粒在暴露于烧结工艺中的高温(在熔点之下)时不会熔化，而是它们通过互相扩散接合在一起。粉末颗粒具有相对于彼此随机的定向并且颗粒之间的界面变成晶界。这导致在传统粉末冶金工艺中更均匀地各方等轴的结构。由逐层工艺产生的层状结构可以导致各向异性性质，(其中，可以存在有在平行于建立方向测量的性质中的与相对于建立方向成90度的性质相比不同的差异)。
[0013]可以从形成该类型的组件的该方法实现几个优点。例如，如果图1的组件10是燃气涡轮发动机中使用的翼型，并且如果第一部件12是翼型部分而第二部件14是顶部挂件(coupon)，(在这样的示例性实施例中锁定部件16可以采取环或筒的形状)，则这些部件两者可以从具有不同组合物受益。具体地，翼型部分可能在燃气涡轮发动机中的诸如由热燃烧气体所创建的那些等的环境中要求具有较大的抗蠕变性，但是不一定需要特别地是磨蚀的。可能会遇到护罩或环段的耐磨损部分的顶部挂件部分可能需要较大的磨蚀性质。但经常出现在燃气涡轮机组件中时，用于第一部件12的材料的最佳选择可能与用于第二部件14的材料的最佳选择在冶金上不兼容。该不兼容性使得通过焊接将部件接合即使不是不可能但也是非常困难的。所产生的任何这样的焊接都可能归因于龟裂等而小于期望的。强度要求可以排除钎焊的使用，并且碎肩的担忧可以防止传统机械接合的组件(例如螺栓连接)的使用。因此，在一些实例中尚不能形成冶金上理想的组件。该方法通过准许满足组件的变化的冶金、成本和可靠性需要等而没有与焊接、钎焊及传统机械接合相关联的任何担心的组件的创建而克服了该问题。另一优点包括更换单个部件而不是整个组件以延长服务寿命的能力。为了便于组件的分解和单个部件的更换，或者出于被认为是重要的任何其他原因，可能期望如下地形成锁定部件:使得在锁定部件与组件的部件的表面(锁定部件的第一层被沉积在其上)之间没有冶金结合。例如，在图1的示例性实施例中，锁定部件16被形成在第一部件12的表面24和第二部件14的表面26两者上。另一方面，如果冶金结合待形成在第一部件12的表面24与锁定部件16之间的界面28和/或第二部件14的表面26与锁定部件16之间的界面30处，那么表面24、26可以被适当地清洁以准许冶金结合形成。适当的清洁对于本领域技术人员已知类似于焊接操作中以准许合适的焊接的形成所必要的清洁。相比之下，如果没有冶金结合待形成在界面28或界面30处，那么可以消除清洁步骤。可选地，如果没有结合待形成，则氧化物层可以被允许形成在第一部件12的表面24和第二部件14的表面26中的任一个或两者上。氧化物层在增材制造工艺的第一层的施加期间可能被烧掉或者可能不被烧掉，但是在任一种情况中都很可能防止锁定部件16与被用作用于第一层的基部的任何表面之间的冶金结合的形成。
[0014]然涡轮发动机组件经