单晶合金构件的分层制造
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及涡轮构件，并且更具体地涉及用于构造用于高温环境中的单晶涡轮构件的设备及方法。
【背景技术】
[0002]典型燃气涡轮发动机包括涡轮机核心，其具有成串流关系的高压压缩机、燃烧器和高压涡轮。核心可以以已知方式操作来生成主气流。高压涡轮包括一个或多个级，其从主气流取得能量。各个级均包括静止涡轮喷嘴，随后是承载涡轮叶片的下游转子。这些〃热区段"构件在极高温度的环境中操作，其促进金属合金的热腐蚀和氧化。
[0003]在现有技术中，热区段构件通常由具有良好抗高温蠕变的镍基或钴基合金(通常称为〃超级合金〃)铸造成。这些合金主要设计成满足机械性质要求，诸如蠕变断裂强度和疲劳强度。
[0004]铸造过程已知的是产生期望的微观结构，例如，定向固化(〃DS〃)或单晶(〃SX〃)。单晶微观结构是指没有结晶晶界的结构。单晶铸造需要晶种元件(即，用于冷却的成核点)，以及冷却期间对温度的仔细控制。
[0005]增材制造为铸造的备选过程，其中材料逐层构建以形成构件。不同于铸造过程，增材制造仅由机器的位置辨析率限制，且不由如铸造所需的提供倾斜角(draft angle)、避免悬垂等的要求限制。增材制造还由诸如〃分层制造〃、〃反向加工〃、〃直接金属激光熔化〃(DMLM)和"3-D打印"的用语指出。此用语作为针对本发明的目的的同义词看待。
[0006]现有技术已知用于使用增材制造来产生热区段构件。例如，授予Morris等人的美国专利申请公告2011/013592描述了一种工艺，其中构件通过沉积金属粉末随后激光熔化的重复循环而构建。激光热输入足以对于构件的一部分保持所需的溶解温度，但不可产生具有完全的单晶微观结构的构件。
[0007]因此，所需的是一种用于具有单晶微观结构的构件的增材制造的工艺。
【发明内容】
[0008]该需求通过本发明解决，其提供了用于单晶合金构件的分层制造的设备和方法。设备和方法结合外部热控制设备的使用以有效地控制构造下的构件的温度。
[0009]根据本发明的一个方面，一种制造构件的方法包括:将金属粉末沉积在工作面上；从定向能量源引导射束来以对应于构件的截面层的图案熔化粉末;在循环中重复沉积和熔化的步骤来以逐层方式构造构件；以及在沉积和熔化的循环期间，使用与定向能量源分开的外部热控制设备保持构件的预定温度轮廓，使得所得到的构件具有定向固化或单晶微观结构。
[0010]根据本发明的另一个方面，粉末和构件支承在构造平台上，平台可沿垂直轴线移动。
[0011]根据本发明的另一个方面，该方法还包括在熔化粉末的各个步骤之后降低构造平台达到选择的层增量。
[0012]根据本发明的另一个方面，外部热控制设备包括包绕构件的隔热物的层。
[0013]根据本发明的另一个方面，外部热控制设备包括包绕构件的加热器。
[0014]根据本发明的另一个方面，外部热控制设备包括定位在构件附近的石英灯。
[0015]根据本发明的另一个方面，外部热控制设备包括包绕构件的至少一个感应线圈。
[0016]根据本发明的另一个方面，外部热控制设备用于将构件保持在溶解温度。
[0017]根据本发明的另一个方面，外部热控制设备用于在沉积和熔化期间控制构件的温度和加热速率两者。
[0018]根据本发明的另一个方面，一种用于制造金属构件的设备包括:构造封壳，其配置成保持预定成分的金属粉末;定向能量源，其可操作成产生适合用于熔化金属粉末的能量射束;射束操纵设备，其可操作成引导能量射束以对应于构件的截面层的图案越过金属粉末；以及与定向能量源分开的外部热控制设备，其可操作成保持构造封壳内的预定温度轮廓。
[0019]根据本发明的另一个方面，设备还包括设置在构造封壳内的构造平台，构造平台可沿垂直轴线移动。
[0020]根据本发明的另一个方面，外部热控制设备包括包绕构件的隔热物的层。
[0021 ]根据本发明的另一个方面，外部热控制设备包括包绕构件的加热器。
[0022]根据本发明的另一个方面，外部热控制设备包括定位在构件附近的石英灯。
[0023]根据本发明的另一个方面，外部热控制设备包括包绕构造封壳的至少一个感应线圈。
[0024]根据本发明的另一个方面，感应线圈安装在构造封壳上方。
[0025]根据本发明的另一个方面，感应线圈通过连接到促动器的臂安装在构造封壳上方，其中促动器可操作成使感应线圈在使用中的位置与远离构造封壳的缩回位置之间移动。
【附图说明】
[0026]本发明可连同附图参照以下描述来最佳地理解，在附图中:
图1为根据本发明的方面构建的示例性涡轮构件的示意性透视图；
图2为根据本发明的方面构建的增材制造设备的局部截面示意性侧视图；
图3为沿图2的线3-3截取的视图；
图4为根据本发明的方面构建的增材制造设备的局部截面示意性侧视图；
图5为沿图4的线5-5截取的视图；
图6为根据本发明的方面构建的增材制造设备的局部截面示意性侧视图；
图7为沿图6的线7-7截取的视图；以及
图8为根据本发明的方面构建的备选涡轮构件的示意性透视图。
【具体实施方式】
[0027]参看附图，其中相同的参考标号表示贯穿各个视图的相同元件，图1示出了示例性涡轮叶片10。涡轮叶片10包括常规燕尾部12，其可具有包括柄脚的任何适合形式，柄脚接合转子盘(未示出)中的燕尾槽的互补的柄脚，以用于在其在操作期间旋转时将叶片10固持至盘。叶柄14从燕尾部12沿径向向上延伸，且终止于平台16，平台16从柄部14沿侧向向外突出且包绕柄部14。中空翼型件18从平台16沿径向向外延伸且延伸到热气流中。翼型件具有在平台16和翼型件18的接合处的根部20，以及在其径向外端处的末梢22。翼型件18具有在前缘28处和在后缘30处接合在一起的凹形压力侧壁24和凸形吸力侧壁26。翼型件18可采用适合于从热气流获得能量且引起转子盘的旋转的任何构造。翼型件18可包括多个后缘冷却孔32，或其可在翼型件18的压力侧壁24上包括一定数目的后缘放出槽口(未示出)。翼型件18的末梢22由末梢盖34封闭，末梢盖34可整体结合到翼型件18，或单独地形成且附接到翼型件18。直立的声响器末梢36从末梢盖34沿径向向外延伸，且设置成紧邻组装的发动机中的静止护罩(未示出)，以便最大限度减少越过末梢22的气流损失。声响器末梢36包括与压力侧末梢壁40成间隔开的关系设置的吸力侧末梢壁38。末梢壁40和38整体结合到翼型件18，且分别形成压力侧壁24和吸力侧壁26的延伸部。压力侧末梢壁40和吸力侧末梢壁38的外表面分别形成与压力侧壁24和吸力侧壁26的外表面连续的表面。多个膜冷却孔44穿过翼型件18的外壁。膜冷却孔44与翼型件18的内部空间(未示出)连通，内部空间可包括由内壁限定的冷却通路的复杂布置，诸如蛇形构造。
[0028]为了具有足够的蠕变断裂强度和疲劳强度，且为了抵抗热腐蚀和氧化，涡轮叶片10由诸如具有良好抗高温蠕变的镍基或钴基合金(通常称为"超级合金")的材料制成。
[0029]本发明提供了一种用于使用增材制造方法产生具有单晶(SX)微观结构的构件的方法及设备。上文所述的涡轮叶片仅为需要此材料和微观结构且可使用本发明的原理制造的许多类型的构件的一个示例。当描述本发明的过程和设备时，将使用用语〃构件〃，指定为〃C〃。
[0030]图2示意性地示出了用于执行本发明的制造方法的设备100。基础构件为台112、粉末供应源114、刮具116、溢出容器118、可选由构造封壳