用于通过选择性激光熔融制造部件的方法

专利名称：用于通过选择性激光熔融制造部件的方法
技术领域：
本发明涉及一种通过选择性激光熔融(SLM)制造部件的方法，尤其是制造和进一 步对部件进行热处理。
背景技术：
选择性激光熔融(SLM)是使用激光来熔化金属或非金属粉末以最终产生三维物体 的制造技术。通过对由部件的关于粉末底层表面的三维数据描述而生成的(例如由编程计 算机文件而生成的)横截面进行扫描，激光选择性地熔化粉末状的金属。在每个横截面被扫 描之后，粉末底层被降低一个层厚，将一个新的材料层施加到顶部上，并且重复所述过程直 至部件完全制造好为止。
通过现今大量记载的SLM技术，能够修复设备或产品，或者能够将材料添加到设 备或产品表面上。SLM通常在具有受控大气和具有或不具有提高的工作温度的SLM过程腔 中发生。因为SLM是局部的熔融过程，因此当将材料添加到设备或产品表面上时，即使能够 对SLM进行控制和限制，也不能够避免热量输入到部件或产品中。
在SLM过程中，在SLM期间成为部件的一部分的特定的材料或材料组合能够导致 具有或多或少的期望的材料性质。为了避免任何类型的不期望的材料性质，部件有时需要 热处理或可得益于连贯的过程后热处理。另一方面，在对现有的设备或产品进行修复的情 况下，在所述设备或产品内可能存在多个对高温非常敏感的元件。这些部件被热量输入、尤 其被对构造在所述部件上的部件的过程后热处理负面地影响。通常，在单独的设置或装置 中或者通过在受控的温度环境中使用熔炉来对通过SLM生产的部件进行热处理。发明内容
本发明的目的是提供一种在SLM过程内提供局部热处理的有效率的和经济的方法。
所述目的通过提供一种根据权利要求1所述的通过选择性激光熔融制造部件的 方法来实现。
基本构思为构造热处理设备，所述设备非常适合于部件并且所述设备用于对所述 部件提供热处理，所述热处理作为制造所述部件的上述SLM过程的一部分。在此，优点为具 有在通过SLM制造部件之后借助于仅用于所讨论的部件的尤其适合的热处理设备来提供 热处理的可能性。该方法避免了用于提供热处理的任何的单独设备，因此，通过减少用于制 造的时间而使该过程是成本节约的和快速的。
SLM是借助于层处理的层。在用制造所述部件的相同的激光可熔粉末材料进行的 对所述部件的选择性激光熔融的相同的过程中构造热处理设备使得该方法更适合所述部 件。例如，所构造的热处理设备能够具有与要制造的部件的形状非常相似的轮廓，因此当热 处理设备工作时使热处理设备是有效率的。在所述方法中，到部件完成时也结束对热处理 设备的构造。
在优选的实施方式中，热处理设备在空间上相对于所述部件定位，使得所述热处 理设备适合对部件提供热处理。部件和热处理设备靠近地相对地定位以便在所述部件和所 述热处理设备之间具有热传递，在热处理设备工作时能够提供需要的热处理。热处理能够 借助于辐射或感应。
在替选的实施方式中，部件由导电和导热的材料制成。当热处理设备工作时，这能 够实现在部件中引起感生电流，进而生成用于对部件进行热处理的热量。
在替选的实施方式中，热处理设备是线圈形的并且周向地包围部件。该装置使得， 如果可定义这样的轴线一围绕所述轴线构造线圈形状的热处理设备，那么所述轴线穿过 制造的部件。当交流电通过热处理设备时，该装置有助于在部件内产生促进电磁感应现象 的电磁场。
在替选的实施方式中，将部件制造到设备上，以修复所述设备。这使得所述方法能 够应用在设备修复中，例如应用在类似于修复损坏的涡轮叶片或燃气涡轮机燃烧器中。
在另一个替选的实施方式中，所述方法还包括通过冷却装置对所述设备提供冷 却。如果将材料用于添加到设备或产品上或者修复设备或产品，则出现下述问题设备或 产品的特定的体积必须被加热并且其他区域必须被冷却以便避免热量在设备或产品上的 负面影响。冷却装置有助于对设备中需要的区域提供需要的冷却。冷却机构可以是热交换 器。
在另一个替选的实施方式中，冷却装置还包括用于保持所述部件并且具有集成的 冷却通道的保持件，冷却介质流过所述冷却通道。保持件基本上是冷却装置的一部分。流 过集成的冷却通道的冷却介质基本地冷却保持件。保持件还将在SLM过程和热处理期间传 递至设备的传导热量吸收和射出。
在另一个替选的实施方式中，保持件由电和磁绝缘的材料制成。这能够使保持件 不以任何方式将电流传递到待修复或制造的设备，所述电流可能损坏设备中的敏感的元件 或阻止任何感生电流进入到保持件中。
在另一个替选的实施方式中，在对部件的SLM和对部件的热处理期间对设备提供 冷却。在SLM过程开始时提高的温度通常有益于改进对起始平台的熔化。SLM过程也包含 产生大量热量的高能束。传递到所述设备中的临界区域的热通过冷却过程来控制。例如， 这能够通过对作为热交换器的保持设备中的集成的冷却通道进行操作来实现。在一定程度 上，在SLM过程中用于熔化的金属粉末也能够吸收热量，进而用作冷却机构。当所述粉末的 热量变得过大时，热交换器能够切换到冷却模式。
在另一个替选的实施方式中，在部件的SLM后提供热处理。这确保了一旦部件被 制成就完成了热处理，以便使得部件没有任何不期望的材料性质。例如，是延展性而不是脆 性。
在另一个替选的实施方式中，构造热处理设备包括通过保持件来支撑所述热处理 设备的基部。这能够使保持件用作其上构造热处理设备的平台。
在另一个替选的实施方式中，通过保持件来支撑所述热处理设备包括在所述热处 理设备的基部上通过保持件的延伸区域来支撑所述热处理设备，所述延伸区域具有特定的 高度和带有环绕部件的金属的表面涂层的平坦表面。延伸区域的高度限定出最小补偿量/ 偏差量(offset)，在提供热处理时，在SLM腔中将金属粉末填充直至最小补偿量。金属的表面涂层还能够实现在非金属的保持件的顶部上构造热处理设备。
在另一个替选的实施方式中，热处理在SLM腔中进行。这通过避免通常要涉及更 多的努力和时间完成的将部件或修复的设备带到与用于热处理的SLM腔不同的外部环境 来使整个热处理过程是简单的。
在另一个替选的实施方式中，热处理是感应的热处理。在需要被修复的设备中，存 在对电流非常敏感的多个元件，如果高电流直接通过，能够损坏所述多个元件。感应的热处 理确保了不存在部件与热处理设备的物理接触，因此避免了所述不期望的状况。也用交流 电控制用于热处理所需要的热量的量，所述交流电通常穿过热处理设备，而不是直接进入 到部件中。
在另一个替选的实施方式中，热处理是无接触的热处理。这使热处理设备能够作 为无接触的加热线圈以在热处理期间对部件提供所需要的热量。


以下参考在附图中示出的图示实施方式进一步描述本发明，其中
图1示出用于待修复的设备的添加性制造的现有技术中的SLM过程腔装置的横截 面，
图2示出在实际的添加性制造之前的根据本发明的一个实施方式提出的SLM过程 的SLM过程腔装置的横截面，
图3示出SLM过程腔装置的横截面，显示出连同通过SLM对设备进行修复的提出 的热处理设备的构造，
图4示出SLM过程腔装置的横截面，显示出在SLM修复过程结束时的提出的热处 理设备的构造，
图5示出SLM过程腔装置的横截面，示出了对部件的SM后热处理，
图6示出在SLM后热处理完成时的SLM过程腔的装置，和
图7示出从SLM过程腔装置取出的最终修复好的设备。
具体实施方式
本发明的实践应用能够在于、但是不局限于对燃气涡轮机中的热气部件的制造和 修复或其他的高温应用。例如，尽管如此，涡轮叶片由于在燃气涡轮发动机中的操作而受到 损坏。所述损坏不仅能够实际上是机械的也能够实际上是冶金学的。制造涡轮叶片是昂贵 的，使得从经济的角度来看，只要有可能，都是期望修复叶片而不是替换叶片。
图1示出用于对要修复的设备执行SLM的现有技术中的SLM过程腔装置的横截 面10。设备I是待修复的物品，认为没有涉及到热处理或冷却的特殊要求。图1示出用于 修复的SLM机构,7]\出将第一金属粉末层施加到设备的表面,例如,粉末由合金或超合金制 成。装置具有特别适合用于保持待修复的设备或产品的保持件2。保持件沿周向将所述设 备保持在适当位置上以用于SLM过程。在SLM过程期间，由箭头3示出的，逐步地下移保持 件以能够实现对设备上的多个层的SLM。在所述装置中，将具有根据需要例如为20微米或 30微米或甚至更多的特定厚度的层4放置到待修复的设备的表面上。实际的SLM发生在过 程腔5之内，在所述过程腔中，来自光学系统7的激光束6生成局部熔化点8，在所述局部熔化点8处，金属粉末9熔化为待修复的设备的底层的材料或衬底。典型地，过程腔5被惰性 气体填充以避免在过程期间局部熔化池的氧化。在该方案中，将第一层在待修复的设备的 表面的顶部熔化并且接着在刚刚才烧结的层的顶部熔化，如此重复，直到构造成完整的部 件为止。
实际上，与整个设备相比时，设备的需要修复的部分将或多或少为小的区域。通 常，对于使用SLM的修复，应当对设备进行预先处理以启动SLM过程。通常，在通过SLM过 程重建相同的几何形状或者改进或改变几何形状之前，铣掉或磨掉待修复的区域。
图2示出在实际的SLM之前的根据本发明的一个实施方式所提出的SLM过程的 SLM腔装置。该装置示出在施加一个粉末层之后的提出的SLM过程的设置。设备I是图1中 示出的相应的部件，所述部件需要被修复，并且认为所述部件带有涉及到局部热处理和局 部冷却的特殊要求。第一部段21是设备I中应保持相对较冷的区域，因为该部段可能包括 热敏元件，例如为需要保护的传感器、表面涂层或以减少的材料性质来响应热处理的材料， 由于热量，存在所述部段被氧化、被变形或逐渐变弯的可能性。因此为了避免所述不期望的 问题，需要通过冷却装置来提供对所述区域的冷却。设备I具有第二部段22，所述第二部段 需要适度的过程后热处理，因为所述第二部段将是在SLM过程期间的热影响区域。在该装 置中，示出的冷却装置具有特别改进的保持件23。形成集成的冷却通道28，以容纳冷却入 口 24以使冷却介质进入到保持件和用于将冷却介质从保持件23中排出的冷却排出管25 中。保持件23周向地包围设备I。在SLM过程期间或者在随后的热处理时，或者在这两个 时刻上，冷却介质吸收通过保持件23导入到冷却介质中的热量。然后，热的冷却介质被连 续地排出并且使用没有在图2中示出的储藏装置或供给机构来维持冷却介质的新鲜供给。 冷却介质可为气态或液态。保持件23由电绝缘的和磁绝缘的材料制成。例如，使用的材料 可为、但不局限于塑料、胶木或陶瓷。保持件23包括周向地环绕设备I的延伸区域27，所 述区域在顶部的平坦表面上具有金属的表面涂层29，所述平坦表面能够支撑热处理设备的 构造，将进一步地描述所述热处理设备。在图2中看出延伸区域27的横截面为对称的“杯” 的形状，但是也能够以其他的形状实现。延伸区域的高度限定出最小的补偿量26，将金属粉 末9填充在SLM腔5中直到所述最小的补偿量。
因此，调整和选择补偿量26以在设备I的顶部上提供一层金属粉末9，使得在激光 束扫描通过金属粉末9时发生SLM。一旦完成层的SLM,金属粉末9在设备I的顶部上形成 层。金属的表面涂层29还能够在保持件23的顶部上实现对热处理设备的构造，所述保持 件通常是非金属的。由金属粉末9形成的底层也通过提供电绝缘和热绝缘来保护设备I的 热敏部段。能够控制金属粉末底层的高度、该高度就是补偿量26，以提供所述保护。
图3示出SLM腔装置的横截面30，显示出连同通过SLM对设备的修复的提出的热 处理设备的构造。图3中的SLM设置示出了两个层，也就是层31和层32，作为修复过程的 一部分，层31和层32被添加到设备I上以形成需要在所述设备I上制造的部件的一部分。 已施加第三层33，当通过SLM熔化时，所述第三层将形成部件的一部分。同时地，在层31的 SLM期间，围绕部件构造另一个层34，所述另一个层34的基部36在保持件23的延伸区域 27的平坦表面上。相似地，在层32的SLM期间，围绕部件构造另一个层35。在SLM期间， 对保持件23连续地供应冷却介质以冷却设备I的期望的部段。
图4示出SLM腔装置的横截面40，显示出了在SLM修复过程结束时提出的热处理设备的构造。在SLM修复过程结束之后，伴随着SLM过程腔5仍然完全地由金属粉末9填 充，示出用于修复的SLM设置。在过程期间连续地冷却保持设备。随着在SLM修复过程中 对部件的SLM的结束，完成热处理设备42的构造。最终，构造在保持件23上的热处理设备 为任何期望的线圈形状。热处理设备42在空间上相对于烧结的部件43定位，使得所述热 处理设备42在没有与部件43直接接触的情况下对部件43提供热处理。线圈形状的热处 理设备42周向地包围部件43。所述装置以横截面示出周向地围绕部件43构造的热处理设 备42。示出的部件43具有添加到待修复的设备I的顶部的多个层。能够基于待制造的部 件43的形状来控制需要SLM以用于热处理设备42的构造的区域，以便具有围绕部件43的 相似的轮廓构造以在热处理设备42工作时得到有效率的热处理。
金属粉末9积聚到SLM腔5中以形成层41，所述层41对应于构造成的热处理设备 42的高度。
图5示出SLM过程腔装置的横截面50，示出了对部件的SLM后热处理。装置示出 用于修复的SLM设置，示出为具有与图4中描述的相同的SLM腔5，所述SLM腔直至补偿量 26为止，部分地不含金属粉末9。热处理设备42连接到例如为交流电源的电源51。电连接 件52将电流传递到热处理设备42。如同在图5中示出的，能量的传递通过电磁感应53而 发生。在金属粉末9向下移动到补偿量26的高度后提供SLM后热处理。在所述过程期间， 剩余的金属粉末9将用作电磁绝缘体，因此保护待修复的设备I不受到任何以电磁方式感 应的电流。在所述过程期间，连续地冷却保持件23。
图6示出在SLM后热处理完成时的SLM腔装置的横截面60。装置示出如同在图4 中描述的相同的SLM过程腔5，所述过程腔完全地不含金属粉末9。电源51和电连接件52 也被从热处理设备42拆下。只要待修复的设备在SLM过程腔中，可继续所述冷却。最终， 部件43受到了有利的热处理，并且部段22由于在附近的保持件23的存在和所述保持件对 设备I的冷却作用而经受有限的加热。
图7示出从SLM腔5中取出的已修复的设备。一旦热处理完成，将热处理设备42 从保持件23移走并且丢弃。如果存在相似的待修复的设备，可重复使用保持件。在重复使 用之前，可对保持件23的延伸区域27的金属的表面涂层29进行机械加工和更新。当执行 所述过程时停止冷却。在SLM过程、热处理和冷却结束时，得到具有期望性质的已修复的部 件。
综上所述，本发明介绍了一种通过SLM制造部件和在SLM腔中执行需要的热处理 的方法。所述方法避免了为了需要的热处理将SLM机械加工的部件、设备或产品输送到交 替的环境中。提出的发明也对设备的也需要冷却的区域提供需要的冷却，所述冷却又被提 供在SLM腔自身中。
虽然结合具体的实施方式对本发明进行了描述，该描述不意味着被解释成限制意 义。根据对本发明的描述，公开的实施方式的不同的改进形式和本发明的替选的实施方式 对本领域技术人员是显而易见的。因此，可考虑能够在没有偏离如同本发明限定的实施方 式的情况下得出这些改进形式。
权利要求
1.一种用于通过选择性激光熔融来制造部件(43)的方法，所述方法包括-构造热处理设备(42)，所述热处理设备(42)适合对所述部件(43)提供热处理，所述热处理为用于制造所述部件(43)的所述选择性激光熔融的一部分；和-通过所述热处理设备(42)对所述部件(43)提供热处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热处理设备(42)在空间上相对于所述部件 (43)定位，使得所述热处理设备(42)适合对所述部件(43)提供热处理。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述部件(43)由导电和导热的材料制成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述热处理设备(42)是线圈形的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述线圈形的热处理设备(42)沿周向包围所述部件(43)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述部件(43)是制造到设备(I) 上的，以用于修补所述设备(I)。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括通过冷却装置对所述设备提供冷却。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述冷却装置还包括保持件(23)，所述保持件 (23 )用于保持所述部件并且具有集成的冷却通道(28 )，冷却介质流过所述冷却通道。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述保持件(23)由电绝缘和磁绝缘的材料制成。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，在对所述部件(43)的选择性激光熔融和对所述部件(43)的热处理期间对所述设备(I)提供冷却。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，在对所述部件(43)进行选择性激光熔融之后，对所述部件(43)提供热处理。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，构造所述热处理设备(42)包括通过所述保持件(23 )来支撑所述热处理设备的基部(36 )。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，通过所述保持件支撑所述热处理设备包括通过所述保持件(23)的延伸区域(27)在所述热处理设备的基部(36)处支撑所述热处理设备，所述延伸区域(27)具有特定的高度和环绕所述部件(43)的带有金属表面涂层(29)的平坦表面。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述热处理在选择性激光熔融腔(5)中执行。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述热处理是感应热处理。
全文摘要
本发明提供一种通过选择性激光熔融来制造部件(43)和对所述部件(43)提供热处理的简单的方法。基本构思为构建热处理设备(42)，所述热处理设备对所述部件提供热处理，该热处理作为制造部件(43)的上述选择性激光熔融过程的一部分。
文档编号B23K26/34GK103068516SQ201180038670
公开日2013年4月24日 申请日期2011年7月20日 优先权日2010年8月5日
发明者安德烈亚斯·格赖兴 申请人:西门子公司