制品及形成制品的方法
【专利摘要】提供了一种制品(200)和形成制品(200)的方法(100)。该方法(100)包括提供金属粉末(201)，将金属粉末(201)加热至足以连结金属粉末(201)的至少一部分(301)以形成初始层(203)的温度，通过将金属粉末(201)的分布层(206)设在初始层(203)上且加热金属粉末(201)的分布层(206)来沿建造方向(204)相继形成附加层(205)，重复沿建造方向(204)相继形成附加层(205)的步骤来形成具有沿建造方向(204)形成的中空空间(208)的制品(200)的一部分(301)，以及形成延伸到中空空间(208)中的悬垂特征(209)。制品(200)包括由本文所述的方法(100)形成的制品(200)。
【专利说明】制品及形成制品的方法
[0001]关于联邦政府资助研究的声明
本发明是在能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42643的政府资助下制作出的。政府对本发明有一定权利。
技术领域
[0002]本发明大体上涉及一种制品及形成制品的方法。更具体而言，本发明针对一种具有冷却特征的制品和形成具有冷却特征的制品的方法。
【背景技术】
[0003]涡轮系统在不断改造以提高效率和降低成本。提高涡轮系统的效率的一种方法包括升高涡轮系统的操作温度和/或减少冷却流。为了升高温度或减少冷却，涡轮系统必须由可在继续使用期间经得起此温度的材料构成。
[0004]除改变构件材料和涂层之外，提高涡轮构件的温度能力的一个常用方法包括诸如冷却通道和冷却孔的冷却特征的使用。冷却通道/孔通常形成在用于燃气轮机的高温区域中的金属和合金中。形成冷却通道的一种当前方法包括昂贵的钻孔，诸如利用激光或喷水。形成冷却通道的另一种方法包括昂贵的放电加工。
[0005]就钻孔和放电加工而言，冷却通道难以或不可能形成，导致增加废料，这有助于驱使成本升高。作为备选，考虑了直接金属激光熔化(DMLM)或其它添加制造技术来用于冷却通道和/或冷却孔的形成。尽管添加制造可在水平建造中的冷却通道的形成中提供加强的控制，但很难使用添加制造控制竖直建造中的冷却通道/孔的形状。具体而言，在建造的方向向量在与通道/孔的截面处于相同平面中时，难以控制通道/孔的闭合。
[0006]显示出相比于现有技术的一个或更多个改善的制品和形成制品的方法将是本领域中期望的。
【发明内容】
[0007]在一个实施例中，一种形成制品的方法包括:提供金属粉末，将金属粉末加热至足以连结金属粉末的至少一部分以形成初始层的温度，通过将金属粉末的分布层设在初始层上且将金属粉末的分布层加热至足以连结金属粉末的分布层的至少一部分和将形成的附加层连结到下覆层上的温度来沿建造方向相继形成附加层，重复沿建造方向相继形成附加层的步骤来形成具有沿建造方向形成的中空空间的制品的一部分，以及形成延伸到中空空间中的悬垂特征。
[0008]在另一个实施例中，一种形成制品的方法，包括:将金属粉末沉积在表面上，以聚焦能量源熔化金属粉末，金属粉末的熔化形成初始层，通过将金属粉末的分布层沉积在下覆层上来沿建造方向相继形成附加层，以及以聚焦能量源熔化分布层来连结分布层的至少一部分和将形成的附加层连结到下覆层上，相继形成的附加层形成具有沿建造方向形成的中空空间的制品的一部分，以及形成延伸到中空空间中的悬垂特征。
[0009]在另一个实施例中，一种制品包括通过形成本文所述的制品的方法形成的制品。
[0010]本发明的第一技术方案提供了一种形成制品的方法，所述方法包括:提供金属粉末;将所述金属粉末加热至足以连结所述金属粉末的至少一部分来形成初始层的温度;通过将所述金属粉末的分布层设在所述初始层上且将所述金属粉末的分布层加热至足以连结所述金属粉末的分布层的至少一部分和将形成的附加层连结到下覆层上的温度来沿建造方向相继形成附加层;重复沿所述建造方向相继形成所述附加层的步骤来形成具有沿所述建造方向形成的中空空间的所述制品的一部分，以及形成延伸到所述中空空间中的悬垂特征。
[0011]本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，所述悬垂特征的形成还包括改变由所述金属粉末限定的所述中空空间的几何形状。
[0012]本发明的第三技术方案是在第二技术方案中，所述几何形状的改变包括向所述中空空间的一部分填充所述悬垂特征。
[0013]本发明的第四技术方案是在第三技术方案中，向所述中空空间的一部分填充所述悬垂特征形成基本对称的中空空间。
[0014]本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，所述方法还包括由所述金属粉末限定的基本非对称几何形状形成基本对称的中空空间。
[0015]本发明的第六技术方案是在第五技术方案中，所述基本非对称的几何形状选自卵形、椭圆形、三角形、泪珠形和它们的组合构成的集合。
[0016]本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，加热所述金属粉末包括朝所述金属粉末引导聚焦能量源。
[0017]本发明的第八技术方案是在第七技术方案中，所述聚焦能量源的引导熔化所述金属粉末的至少一部分。
[0018]本发明的第九技术方案是在第八技术方案中，所述金属粉末的熔化形成沿与所述建造方向相反的方向的悬垂特征。
[0019]本发明的第十技术方案是在第一技术方案中，所述悬垂特征中断所述中空空间的周缘。
[0020]本发明的第十一技术方案是在第十技术方案中，所述悬垂特征增大所述中空空间内的表面面积。
[0021]本发明的第十二技术方案是在第十一技术方案中，增大所述中空空间内的表面面积增大了所述中空空间的热传递系数。
[0022]本发明的第十三技术方案提供了一种形成制品的方法，所述方法包括:将金属粉末沉积在表面上；以聚焦能量源熔化所述金属粉末，所述金属粉末的熔化形成初始层;通过将所述金属粉末的分布层沉积在下覆层上来沿建造方向相继形成附加层，以及以所述聚焦能量源熔化分布层来连结分布层的至少一部分和将形成的附加层连结到下覆层上，所述相继形成的附加层形成沿所述建造方向形成的中空空间的所述制品的一部分；以及形成延伸到所述中空空间中的悬垂特征。
[0023]本发明的第十四技术方案是在第十三技术方案中，形成所述悬垂特征包括朝上覆所述中空空间的所述金属粉末层引导所述聚焦的能量源。
[0024]本发明的第十五技术方案是在第十四技术方案中，所述方法还包括形成一个以上的悬垂特征。
[0025]本发明的第十六技术方案是在第十五技术方案中，所述悬垂特征中的至少一个的几何形状不同于另一个悬垂特征的几何形状。
[0026]本发明的第十七技术方案是在第十四技术方案中，所述方法还包括在朝上覆所述中空空间的所述金属粉末层引导所述聚焦能量源期间调整所述聚焦能量源的参数，所述参数的调整改变所述悬垂特征的几何形状。
[0027]本发明的第十八技术方案是在第十七技术方案中，所述参数选自功率、行进速度、角、距离和它们的组合构成的集合。
[0028]本发明的第十九技术方案是在第十七技术方案中，所述方法还包括形成具有沿所述建造方向形成的一个以上的中空空间的所述制品的一部分，所述一个以上的中空空间中的各个均包括在其中延伸的所述悬垂特征。
[0029]本发明的第二十技术方案提供了一种通过权利要求1所述的方法形成的制品。
[0030]本发明的其它特征和优点将从连同附图的以下更详细描述清楚，附图通过举例示出了本发明的原理。
【附图说明】
[0031]图1为用于制造制品的方法的流程图。
[0032]图2为根据本公开内容的实施例的用于制造制品的方法的过程视图。
[0033]图3为根据本公开内容的实施例的用于制造制品的方法的过程视图。
[0034]图4为根据本公开内容的实施例的具有形成在其中的多个悬垂特征的中空空间的立面视图。
[0035]图5为根据本公开内容的实施例的从下方看的中空空间的区段，该区段具有形成在其中的变化的悬垂特征。
[0036]只要可能，则相同的参考标号将在附图各处用于表示相同部分。
【具体实施方式】
[0037]提供的是一种制品和形成制品的方法。例如，相比于并未包括本文公开的一个或更多个特征的构想，本公开内容的实施例增大了冷却孔表面面积、增大了冷却孔的热传递系数、增大了冷却孔热传递、提高了制造效率、提高了冷却孔均匀性、增大了冷却孔表面面积、从添加制造提供了基本对称的冷却孔、提高了使用添加制造的竖直建造期间的冷却孔几何形状的控制、减少了形成之后的冷却孔加工、减少了材料浪费，或它们的组合。
[0038]当介绍本发明的各种实施例的元件时，词语"一个"、"一种"、"该"和"所述"旨在意指存在一个或更多个元件。用语"包括"、"包含"和"具有"旨在为包含性的，且意思是可存在除所列元件之外的附加元件。
[0039]用于生成功率的系统包括但不限于燃气轮机、汽轮机和其它涡轮组件，诸如用于发电的陆基航改物。在某些应用中，包括在其中的涡轮机(例如，涡轮、压缩机和栗)和其它机械的发电系统可包括经历严重磨损条件的制品。例如，制品可包括某些发电系统构件，诸如叶片、轮叶、壳、转子轮、轴、护罩、喷嘴等，可在高热和高回转环境中操作。这些构件可包括在其中形成冷却孔的孔口、开口和/或中空空间。本公开内容提供了在其中形成这些制品和冷却孔的方法。
[0040]参看图1-3，在一个实施例中，用于形成制品200的方法100包括添加方法。添加方法包括用于制作和/或形成净或近净成形结构的任何制造方法。如本文中所使用的，短语"近净〃是指诸如制品200的结构形成有非常类似于结构的最终几何形状和尺寸的几何形状和尺寸，在添加方法之后需要很少或不需要机加工和处理。如本文所使用的，短语〃净〃是指结构形成有不需要机加工和处理的几何形状和尺寸。由添加制造方法形成的结构包括任何适合的几何形状，诸如但不限于，正方形、矩形、三角形、圆形、半圆形、椭圆形、梯形、八边形、角锥形、具有形成在其中的特征的几何形状、任何其它几何形状，或它们的组合。例如，添加方法可包括在制品200中形成冷却特征，诸如一个或更多个孔口、开口、中空空间或其它冷却孔。
[0041]适合的添加制造方法包括但不限于本领域的普通技术人员称为直接金属激光熔化(DMLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、激光工程化净成形(LENS)、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、电子束熔化(EBM)、熔融沉积成型(FDM)或它们的组合的过程。
[0042]如图1-3中所示，在一个实施例中，用于形成制品200的方法100包括提供金属粉末201 (步骤101)、将金属粉末201加热(步骤103)至足以连结金属粉末201的至少一部分来形成初始层203的温度、沿建造方向204相继形成附加层205(步骤105)来形成具有沿建造方向204形成的中空空间208的制品200的一部分，以及形成延伸到中空空间208中的悬垂特征209(步骤107)。在另一个实施例中，该方法100包括重复(步骤106)沿建造方向204相继形成附加层205的步骤来形成具有在其中形成中空空间208的制品200的部分。在另一个实施例中，建造方向204相比于重力方向为竖直或基本竖直的。
[0043]参看图2-3，相继形成附加层205(步骤105)包括将金属粉末201的分布层206设在下覆层207上，以及将分布层206加热至足以连结分布层206的至少一部分和/或将形成的附加层205连结到下覆层207上的温度。下覆层207包括任何之前形成的层，分布层206沉积在下覆层207上，诸如但不限于初始层203和/或直接地或间接地连结到初始层203上的(多个)任何其它附加层205。
[0044]在一个实施例中，金属粉末201的加热(步骤103)包括但不限于熔化金属粉末201、烧结金属粉末201的至少一部分、焊接金属粉末的至少一部分，或它们的组合。例如，在另一个实施例中，将金属粉末201加热(步骤103)至足以连结金属粉末的温度包括朝金属粉末可控制地引导聚焦的能量源210。适合的聚焦能量源包括但不限于激光装置、电子束装置或它们的组合。激光装置包括用于熔化和/或焊接金属粉末201的在一定功率范围和行进速度下操作的任何激光装置，诸如但不限于纤维激光器、CO2激光器或ND-YAG激光器。
[0045]用于聚焦能量源210的适合功率范围包括但不限于125到500瓦之间，150到500瓦之间，150到400瓦之间，或它们的任何组合、子组合、范围或子范围。此外，行进速度包括但不限于400到1200mm/sec之间，500到1200mm/sec之间，500到1000mm/sec之间，或它们的任何组合、子组合、范围或子范围。例如，在一个实施例中，在对于一到三次的轮廓通过的400到1200mm/sec之间的行进速度下，聚焦能量源210在125到500瓦之间的功率范围中操作。在另一个实施例中，聚焦能量源210包括大约0.08_到0.2_之间的填充间距。
[0046]聚焦的能量源210的参数取决于用于形成成形部分210的金属粉末201的材料和/或定向。在一个实施例中，功率和/或行进速度基于金属粉末201中的材料的熔化温度调整。例如，功率和/或行进速度可针对具有相对升高的熔化温度的材料增大。用于金属粉末201的适合材料包括能够通过添加制造来连结的任何材料，诸如但不限于金属、金属合金、超级合金、钢、不锈钢、工具钢、镍、钴、铬、钛、铝或它们的组合。
[0047]在另一个实施例中，功率和/或行进速度基于连结的金属粉末层的数目和/或各个金属粉末层的厚度调整。例如，相比于用于连结单层金属粉末201和/或具有相对减小厚度的金属粉末201的层的功率和/或行进速度，功率和/或行进速度可增大来连结多个金属粉末201层和/或具有增大厚度的金属粉末201层。初始层203和各个附加层205包括以下范围中的厚度:20-100μπι (0.0008-0.004 英寸)，20_80μπι (0.0008-0.0032 英寸)，40_60μπι(0.0016-0.0024英寸)或它们的任何组合、子组合、范围或子范围。初始层203的厚度等于或不类似于各个附加层205的厚度，对于各个附加层205，该厚度保持或变化。基于初始层203和各个附加层205的厚度，制品200的厚度可包括以下范围中的任何适合的厚度:250-350000μπι (0.010-13.78英寸)，250-200000 (0.010-7.87英寸)，250-50000μπι (0.010-1.97英寸)，250-6350ym (0.010-0.250英寸)，或它们的任何组合、子组合、范围或子范围。
[0048]在一个实施例中，悬垂特征209的形成(步骤107)包括朝上覆中空空间208的顶部的分布层206中的一个或更多个可控地引导聚焦的能量源210。如本文所使用的，用语顶部是指如相对于建造方向204确定的中空空间208的上部。在另一个实施例中，朝分布层206中的一个或更多个可控地引导聚焦能量源210包括熔化或部分地熔化(多个)分布层206的金属粉末201，将金属粉末201转变成熔融相和/或液相。熔化或部分地熔化的金属粉末201在中空空间208内前移，且凝固来形成延伸到中空空间208中的悬垂特征209。如本文所使用的，"悬垂特征"是形成由于熔化、流动和/或导致材料在层的凝固或固结之前从粉末加热位置移动的任何其它机制引起的延伸到空间中的特征或凸起的材料。
[0049]中空空间208内的悬垂特征209的几何形状和/或定向由聚焦能量源210的参数确定。在一个实施例中，聚焦能量源210的参数调整来形成具有中空空间208内的任何适合的几何形状和/或定向的悬垂特征209。例如，调整聚焦能量源210的功率、聚焦能量源210的行进速度、聚焦能量源210相对于中空空间208的角、聚焦能量源210离(多个)分布层206的距离、或它们的组合改变由此形成的悬垂特征209的几何形状和/或定向。适合的几何形状包括但不限于三角形、点状、圆形、长菱形、矩形、圆、任何其它几何构造，或它们的组合。
[0050]参看图4，在一个实施例中，一个以上的悬垂特征209形成在中空空间208内。在另一个实施例中，制品200包括一个或更多个中空空间208，各个中空空间208均包括形成在其中的悬垂特征209中的一个或更多个。各个悬垂特征209至少部分地沿中空空间208的长度延伸，且至少部分地沿中空空间208的宽度延伸。在另一个实施例中，一个或更多个悬垂特征209的长度、宽度和/或几何形状在中空空间208内或之间改变。例如，如图5中所示，中空空间208包括多个悬垂特征209，其中至少一个悬垂特征209包括沿中空空间208的整个长度延伸的恒定或基本恒定的宽度和/或几何形状，且至少一个其它悬垂特征209包括沿中空空间208的一部分延伸的变化的宽度和/或几何形状。如本领域的技术人员将理解的那样，本文构想出了包括具有长度、宽度和/或几何形状的任何适合的组合的任何数目的悬垂特征209的备选构造。
[0051 ] 参看图2-3，在形成悬垂特征209之前，中空空间208包括能够通过添加制造形成的任何适合的几何形状。适合的几何形状包括但不限于圆形、基本圆形、卵形、椭圆、三角形、泪珠形、正方形、矩形、多边形或它们的组合。此外，在形成悬垂特征209之前，中空空间208可为对称或非对称的。例如，如图2中所示，在形成悬垂特征209之前，中空空间208为圆形且对称。作为备选，如图3中所示，在形成悬垂特征209之前，中空空间208为卵形且非对称。
[0052]在一个实施例中，如图2中所示，悬垂特征209的形成包括中断中空空间208的周缘211，且形成在中空空间208内延伸的凸起213。在另一个实施例中，凸起213增大中空空间208内的表面面积。中空空间208的增大表面面积增大中空空间208的热传递系数。在另一个实施例中，悬垂特征209增大流出由中空空间208形成的冷却通路的冷却剂的膜冷却有效性。除冲击冷却孔之外，由中空空间208形成的适合的冷却通路包括但不限于膜冷却孔、冷却通道、任何其它冷却孔口或它们的组合。
[0053]作为备选，如图3中所示，悬垂特征209的形成包括改变中空空间208的周缘211来形成改变的周缘303，而没有在中空空间208内延伸的凸起213。在一个实施例中，改变周缘211包括熔化金属粉末201和以悬垂特征209填充中空空间208的部分301。在另一个实施例中，悬垂特征209沿部分301的宽度延伸，且包括对应于不由悬垂特征209覆盖的周缘211的区段的几何形状。熔化的材料的几何形状通过调整聚焦能量源210的参数来控制，提供了形成没有或基本没有凸起211的改变的周缘303。悬垂特征209和未由悬垂特征209覆盖的周缘的区段一起形成改变的周缘303。
[0054]在一个实施例中，部分301包括构造成收纳悬垂特征209而不形成凸起213的几何形状。在另一个实施例中，部分301包括限定非对称几何形状的周缘211的一部分，且构造成收纳悬垂特征209来形成限定对称几何形状的改变的周缘303。在另一个实施例中，改变的周缘303包括相比于由加热之前以基本圆形几何形状设置的金属粉末201的层限定的中空空间208形成的冷却通路增大的尺寸。当用作冲击孔时，具有增大尺寸的改变的周缘303提供冲击射流，其具有关于其截面面积的增大的周缘，这提供了冲击的表面上的增大的热传递系数。
[0055]适合的非对称几何形状包括但不限于卵形、椭圆形、泪珠形、三角形或它们的组合。适合的对称几何形状包括但不限于圆形、基本圆形、正方形或它们的组合。如本领域的技术人员将认识到那样，周缘211和改变的周缘303不限于非对称和对称几何形状，相反，周缘211和改变的周缘303可包括能够通过添加制造和/或通过悬垂特征209的形成而形成的任何适合的几何形状。
[0056]参看图3，在一个实施例中，方法100还可包括处理(步骤109)制品200。适合的处理步骤包括但不限于热等静压压制(HIP)制品200、溶液热处理(固溶化)制品200，或它们的组合。HIP包括在形成具有中空空间208的制品200之后，在足以进一步固结制品200的升高温度和升高压力下压制制品200。例如，在另一个实施例中，制品200在1149°C到1260°C(2100°卩到2300°卩)之间的升高温度和大约68.9510^到137.910^(10，000?51到20，000?51)之间的升高压力下HIP3到5小时。HIP进一步固结制品200来将制品200的密度例如从大约98%到大约99%之间增大到大约99.5%到大约99.8%之间。固溶处理包括在形成制品200和/或HIP制品200之后，在1093°C到1205°C(2000°F到2200°F)之间的升高温度下的真空中将制品200处理I到2小时。升高温度包括足以将隔离的合金元素分配到制品200内的任何温度。本领域的技术人员将认识到的是，HIP温度和热处理温度将高度取决于粉末的成分和期望的性质。
[0057]尽管参照一个或更多个实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将理解的是，可制作出各种变化且等同物可替换其元件，而并未脱离本发明的范围。此外，可制作出许多改型来使特定情形或材料适于本发明的教导内容，而不脱离其基本范围。因此，期望本发明不限于公开为针对执行本发明构想的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。此外，在详细描述中标出的所有数值都应当理解为如同准确值和近似值两者都明确指出那样。
【主权项】
1.一种形成制品(200)的方法(100)，所述方法(100)包括: 提供金属粉末(201); 将所述金属粉末(201)加热至足以连结所述金属粉末(201)的至少一部分(301)来形成初始层(203)的温度； 通过将所述金属粉末(201)的分布层(206)设在所述初始层(203)上且将所述金属粉末(201)的所述分布层(206)加热至足以连结所述金属粉末(201)的所述分布层(206)的至少一部分(301)和将形成的附加层(205)连结到下覆层(207)上的温度来沿建造方向(204)相继形成附加层(205); 重复沿所述建造方向(204)相继形成所述附加层(205)的步骤来形成具有沿所述建造方向(204)形成的中空空间(208)的所述制品(200)的一部分(301);以及 形成延伸到所述中空空间(208)中的悬垂特征(209)。2.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，所述悬垂特征(209)的形成还包括改变由所述金属粉末(201)限定的所述中空空间(208)的几何形状。3.根据权利要求2所述的方法(100)，其特征在于，所述几何形状的改变包括向所述中空空间(208)的一部分(301)填充所述悬垂特征(209)。4.根据权利要求3所述的方法(100)，其特征在于，向所述中空空间(208)的一部分(301)填充所述悬垂特征(209)由通过所述金属粉末(201)限定的基本非对称的几何形状形成基本对称的中空空间(208)。5.根据权利要求4所述的方法(100)，其特征在于，所述基本非对称的几何形状选自卵形、椭圆形、三角形、泪珠形和它们的组合构成的集合。6.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，加热所述金属粉末(201)包括朝所述金属粉末(201)引导聚焦能量源(210)和熔化所述金属粉末(201)的至少一部分(301)。7.根据权利要求6所述的方法(100)，其特征在于，所述金属粉末(201)的熔化形成沿与所述建造方向(204)相反的方向的所述悬垂特征(209)。8.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，所述悬垂特征(209)增大所述中空空间(208)内的表面面积。9.根据权利要求8所述的方法(100)，其特征在于，增大所述中空空间(208)内的表面面积增大了所述中空空间(208)的热传递系数。10.一种形成制品(200)的方法(100)，所述方法(100)包括: 将金属粉末(201)沉积在表面上； 以聚焦能量源(210)熔化所述金属粉末(201)，所述金属粉末(201)的熔化形成初始层(203); 通过将所述金属粉末(201)的分布层(206)沉积在下覆层(207)上来沿建造方向(204)相继形成附加层(205)，以及以所述聚焦能量源(210)熔化所述分布层(206)来连结所述分布层(206)的至少一部分(301)和将形成的附加层(205)连结到所述下覆层(207)上，所述相继形成附加层(205)形成具有沿所述建造方向(204)形成的中空空间(208)的所述制品(200)的一部分(301);以及 形成延伸到所述中空空间(208)中的悬垂特征(209)。
【文档编号】B22F3/24GK106041068SQ201610233419
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】B.P.莱西, S.C.科蒂林加姆, S.杜塔, D.E.施克
【申请人】通用电气公司