使用生坯状态增材结构的混合增材制造方法和制品与流程

本文公开的主题涉及增材制造，并且更具体地涉及使用生坯状态增材结构的混合增材制造方法和制品。

背景技术：

相比于减除制造方法，增材制造过程大体上涉及一种或多种材料的累积以制作净形或近净形物体。尽管"增材制造"为工业标准用语(ASTM F2792)，但增材制造包含多种名称下已知的各种制造和原型设计技术，包括自由形态制造、3D打印、快速原型设计/工具等。增材制造技术能够从多种材料制造复杂的构件。大体上，独立的物体可由计算机辅助设计(CAD)模型制造。一种示例性增材制造过程使用能量束，例如，电子束或电磁辐射(诸如激光束)以烧结或熔化粉末材料，产生固体三维物体，其中粉末材料的颗粒结合在一起。可使用不同材料系统，例如，工程塑料、热塑性弹性体、金属和陶瓷。应用可包括用于熔模铸造的模型、用于注射模制和压铸的金属模具，用于砂模铸造的模具和模芯，以及自身相对复杂的构件。在设计周期期间，便于原理的传达和测试的原型物体的制造为增材制造过程的其它潜在用途。类似地，包括更复杂的设计的构件(诸如具有不易于进行包括铸造或锻造的其它制造技术的内部通路的那些)可使用增材制造方法来制造。

激光烧结可表示通过使用激光束来烧结或熔化细粉末的三维(3D)物体。具体而言，烧结可伴有在低于粉末材料的熔点的温度下熔合(凝结)粉末颗粒，而熔化可伴有完全熔化粉末颗粒以形成质密均一块。与激光烧结或激光熔化相关联的物理过程包括至粉末材料的热传递，以及然后烧结或熔化粉末材料。尽管激光烧结和熔化过程可应用于较宽范围的粉末材料，但生产路线的科学和技术方面(例如，烧结或熔化速率)以及层制造过程期间处理参数对微观结构演变的影响可导致多种生产问题。例如，该制造方法可通过多种热、质量和动量传递模式和化学反应来实现。

激光烧结/熔化技术具体可伴有将激光束投射到基部(例如，构造板)上的受控量的粉末材料(例如，粉末金属材料)上，以便在其上形成熔合颗粒或熔融材料的层。然而，这些及其它增材制造技术可与额外的制造时间、成本和考虑对应。例如，将增材制造的构件接合到其它部分可基于其它部分的尺寸而受限，诸如它们包括其中焊接或硬钎焊可能很难的大或厚的区段时。此外，取决于增材制造的构件的特定形状，来自粉末床的多余增材材料可在构造过程中残余地设置在构件中或其上。此材料可能需要在构件可经历其它处理应用之前除去。

因此，使用生坯状态增材结构的备选混合增材制造方法和制品将是本领域中受欢迎的。

技术实现要素：

在一个实施例中，公开了一种混合增材制造方法。该混合增材制造方法包括构造生坯状态增材结构，其中构造生坯状态增材结构包括使用粘结剂将多层增材材料迭接地粘结在一起，以及将生坯状态增材结构接合到基部结构以形成混合制品。

在另一个实施例中，公开了另一种混合增材制造方法。该混合增材制造方法包括构造生坯状态增材结构，其中构造生坯状态增材结构包括使用粘结剂将多个增材材料层迭接地粘结在一起、将热应用到生坯状态的增材结构以至少部分地除去粘结剂来产生至少部分地烧结的增材结构，以及将至少部分地烧结的增材结构接合到基部结构以形成混合制品。

在还有另一个实施例中，公开了一种混合制品。混合制品包括基部结构，其包括表面和接合到基部结构的表面的烧结的增材结构，其中烧结的增材结构包括多层增材材料，其最初经由随后除去的粘结剂熔合在一起。

技术方案1. 一种混合增材制造方法，包括：

构造生坯状态增材结构，其中构造所述生坯状态增材结构包括使用粘结剂将多层增材材料迭接地粘结在一起；以及，

将所述生坯状态增材结构接合到基部结构以形成混合制品。

技术方案2. 根据技术方案1所述的混合增材制造方法，其中，将所述生坯状态增材结构接合到所述基部结构包括应用也足以从所述生坯状态增材结构除去所述粘结剂的热以产生烧结的增材结构。

技术方案3. 根据技术方案1所述的混合增材制造方法，其中，所述方法还包括在将所述生坯状态增材结构接合到所述基部结构之后的额外热应用，其中所述额外热应用从所述生坯状态增材结构除去所述粘结剂以产生烧结的增材结构。

技术方案4. 根据技术方案1所述的混合增材制造方法，其中，所述方法还包括在将所述生坯状态增材结构接合到所述基部结构之前从所述生坯状态增材结构至少部分地除去多余的增材材料。

技术方案5. 根据技术方案1所述的混合增材制造方法，其中，所述生坯状态增材结构包括不同于所述基部结构的材料。

技术方案6. 根据技术方案5所述的混合增材制造方法，其中，所述生坯状态增材结构包括低于所述基部结构的熔化温度。

技术方案7. 根据技术方案1所述的混合增材制造方法，其中，所述基部结构包括镍、钴或铁基超级合金。

技术方案8. 根据技术方案1所述的混合增材制造方法，其中，所述基部结构包括非增材制造的构件。

技术方案9. 根据技术方案1所述的混合增材制造方法，其中，所述基部结构包括增材制造的构件。

技术方案10. 一种混合增材制造方法，包括：

构造生坯状态增材结构，其中构造所述生坯状态增材结构包括使用粘结剂将多层增材材料迭接地粘结在一起；

将热应用到所述生坯状态增材结构以至少部分地除去所述粘结剂来产生至少部分地烧结的增材结构；以及，

将所述至少部分地烧结的增材结构接合到基部结构以形成混合制品。

技术方案11. 根据技术方案10所述的混合增材制造方法，其中，所述基部结构包括非增材制造的构件。

技术方案12. 根据技术方案10所述的混合增材制造方法，其中，所述基部结构包括加工的构件。

技术方案13. 根据技术方案10所述的混合增材制造方法，其中，所述至少部分地烧结的增材结构包括不同于所述基部结构的材料。

技术方案14. 根据技术方案13所述的混合增材制造方法，其中，所述至少部分地烧结的增材结构包括低于所述基部结构的熔化温度。

技术方案15. 根据技术方案10所述的混合增材制造方法，其中，所述基部结构包括镍、钴或铁基超级合金。

技术方案16. 一种混合制品，包括：

包括表面的基部结构；以及，

接合到所述基部结构的表面的烧结的增材结构，其中所述烧结的增材结构包括多层增材材料，所述多层增材材料最初经由随后除去的粘结剂熔合在一起。

技术方案17. 根据技术方案16所述的混合制品，其中，所述烧结的增材结构包括不同于所述基部结构的材料。

技术方案18. 根据技术方案17所述的混合制品，其中，所述烧结的增材结构包括低于所述基部结构的熔化温度。

技术方案19. 根据技术方案17所述的混合制品，其中，所述烧结的增材结构包括低于所述基部结构的抗氧化性。

技术方案20. 根据技术方案16所述的混合制品，其中，所述基部结构包括镍、钴或铁基超级合金。

由本文所论述的实施例提供的这些和额外特征将鉴于连同附图的以下详细描述更完整地理解。

附图说明

附图中阐述的实施例在性质上为示范性和示例性的，且不意在限制由权利要求限定的发明。示范性实施例的以下详细描述可在连同以下附图阅读时理解，其中相似的结构以相似的参考标号指出，且在附图中：

图1为根据本文所示或所述的一个或多个实施例的包括涡轮护罩密封结构的涡轮机的局部示意图；

图2示出了根据本文所示或所述的一个或多个实施例的混合增材制造方法；

图3示出了根据本文所示或所述的一个或多个实施例的另一混合增材制造方法；以及

图4为根据本文所示或所述的一个或多个实施例的包括接合到基部结构的增材结构的混合制品的透视图。

构件清单

1 混合制品(20+30)

2 涡轮机

3 壳体

4 压缩机

10 涡轮

17 燃烧器

20 增材结构

21 特征

30 基部结构

31 表面

50 级

100 混合增材制造方法

110 步骤(构造增材结构)

112 步骤(粘结)

114 步骤(重复 是/否)

120 步骤(烧结)

125 步骤(除去)

130 步骤(接合)。

具体实施方式

下面将描述本发明的一个或多个特定实施例。在致力于提供这些实施例的简明描述中，可不在说明书中描述实际实现方式的所有特征。应当认识到，在任何这样的实际实现方式的开发中，如在任何工程或设计项目中那样，必须作出许多实现方式特定的决定来达到开发者的例如符合系统相关及商业相关的约束的特定目的，其可从一个实现方式变化到另一个实现方式。此外，应当认识到，这样的开发努力可能是复杂和耗时的，但对那些具有本公开内容的益处的普通技术人员来说，这种开发工作将不过是设计、生产和制造的例行任务。

当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词"一个"、"一种"和"该"意在表示存在一个或多个元件。用语"包括"、"包含"和"具有"意在为包含性的，且意思是可存在除所列元件之外的额外元件。

现在参看图1，根据示例性实施例构造的涡轮机大体上在2处指出。涡轮机2包括壳体3，压缩机4布置在壳体3内。压缩机4通过公共压缩机/涡轮轴或转子链接到涡轮10。压缩机4还通过多个沿周向间隔开的燃烧器链接到涡轮10，其中一个燃烧器在17处指出。在所示的示例性实施例中，涡轮10包括第一级、第二级和第三级50，级包括旋转部件或叶轮，其具有相关联的多个涡轮叶片部件或轮叶。叶轮和轮叶连同对应的定子导叶还可限定涡轮10的各个级50。就此布置而言，轮叶紧邻壳体3的内表面旋转。

现在额外地参看图2-图3，示出了混合增材制造方法100和110。混合增材制造方法100和110可用于制造混合制品1(图4中示例性示出)，其可结合到涡轮机2的各种构件中的一个或多个中。

参看图2-图4，混合增材制造方法100大体上可包括在步骤110中构造一个或多个生坯状态增材结构20，以及在步骤130中将一个或多个生坯状态增材结构20接合到基部结构30以形成混合制品1。在一些实施例中，额外热应用可在步骤120中应用以从生坯状态增材结构20进一步除去粘结剂来用于烧结。例如，如混合增材制造方法100中所示，步骤120中的该额外热应用可在生坯状态增材结构20在步骤130中(如果需要)接合到基部结构30之后发生。作为备选或此外，如混合增材制造方法110中所示，步骤120中的该额外热应用可在将生坯状态增材结构20在步骤130中接合到基部结构30之前发生。现在将更详细地论述示例性混合增材制造方法100和110和所得的混合制品1。

如图2和图4中所示，混合增材制造方法100首先包括在步骤110中构造一个或多个生坯状态增材结构20的总体步骤。在步骤110中构造一个或多个生坯状态增材结构20中的各个包括使用粘结剂将多层增材材料迭接地粘结在一起。如本文使用的"使用粘结剂将多层增材材料迭接地粘结在一起"和"增材制造"是指导致三维物体的任何过程，且包括一次一层地按顺序形成物体的形状的步骤。例如，如图2中所示，在步骤110中将多层增材材料迭接地粘结在一起可包括在步骤112中将增材材料的独立层粘结在一起的独立步骤，以及在步骤114中确定另一层是否为需要的。如果生坯状态的增材结构20需要另一层，则构造过程重复步骤112。如果生坯状态增材结构20不需要另一层，则混合增材制造方法100可进行至下一步骤。

增材制造过程可包括粉末床增材制造过程，其中粉末床可包括增材材料床，诸如一种或多种粉末合金材料。增材制造过程可对于各个迭接层通过将粘结剂沉积在增材材料上来粘结增材材料的多层中的每一个。粘合剂可包括将增材材料(例如，粉末合金)的至少一部分暂时地粘结在一起的材料，且可通过如本领域的技术人员认识到的任何适合的技术(例如，打印)应用至粉末床。

由粘结剂粘结在一起的增材材料可包括多种不同的潜在材料，例如，其可取决于增材制造方法的类型和/或混合制品1的特定应用。例如，增材材料可包括任何粉末金属。通过非限制性示例，此粉末金属可包括钴铬合金、铝及其合金、钛及其合金、镍及其合金、不锈钢、钽、铌或它们的组合。在其它实施例中，增材材料可包括粉末陶瓷或粉末塑料。

由于在步骤112中将多个层迭接地粘结在一起直到在步骤114中达到完成，故生坯状态增材结构20可在混合增材制造方法100的步骤110中构造。如本文使用的"生坯状态"可表示仍包括粘结剂的增材结构，其之后在一个或多个随后的热应用(例如，烧结循环)中烧掉。

生坯状态增材结构20因此可包括多种形状和构造。例如，在一些实施例中，生坯状态增材结构20可包括多个特征21，诸如管、销、板等。此实施例可提供用于涡轮机2的一个或多个部分(诸如燃烧构件或热气体通路构件)的各种复杂几何形状。在一些特定实施例中，特征21可包括用于引导燃料或其它可燃材料的一个或多个管。在一些实施例中，特征21可便于冷却特征或其它流体流通路。尽管本文论述和示出了生坯状态增材结构20的特定实施例，但应当认识到的是，这些仅意在为非限制性示例，且还可实现额外或备选的实施例。

在一些实施例中，混合增材制造方法100可选地包括在步骤130中将生坯状态增材结构20接合到基部结构30之前，在步骤125中从生坯状态增材结构20至少部分地除去多余的增材材料。至少部分地除去的多余的增材材料可包括从粉末床除去未经由粘结剂粘结到生坯状态增材结构20但可捕获或留在生坯状态增材结构20中的任何材料。例如，潜在的非粘结增材材料可设置在表面上，或在生坯状态增材结构20的一个或多个空隙或腔中。在此实施例中，在步骤125中从生坯状态增材结构20至少部分地除去多余的增材材料可包括用于将粉末与增材结构20分离的任何适合的技术，诸如翻转、旋转、摇动或真空抽吸生坯状态增材结构20。在一些实施例中，多余的增材材料可从生坯状态增材结构20吹走或吹离，诸如通过使用压缩空气或水。

仍参看图2和图4，混合增材制造方法100可包括在步骤130中将一个或多个生坯状态增材结构20接合到基部结构30。

基部结构30可包括具有增材结构20可接合到其上的表面31的构件的任何类型或部分。例如，在一些实施例中，如图4中所示，基部结构30可包括板或基部。此基部结构30可包括任何相对简单的构造，其相比于增材制造方法可更易于有备选和较廉价的制造方法。例如，在一些实施例中，基部结构30可包括非增材制造的构件，诸如铸造的构件、加工的构件或锻造的构件。在一些实施例中，基部结构30可包括增材制造的构件(例如，使用粉末床或粉末床增材过程制造的构件)。甚至在一些实施例中，基部结构30可包括生坯状态增材制造的构件，比如生坯状态增材结构20。

基部结构30还可包括适合用于与增材结构20的接合应用(例如，硬钎焊或焊接)的任何金属或合金基底。在一些实施例中，基部结构可包括不同于增材结构20的材料。例如，增材结构20可包括低于基部结构30的熔化温度、低于基部结构30的抗氧化性，和/或低于基部结构30的强度。然而，在一些实施例中，增材结构20实际上可具有一个或多个高于基部结构30的性质，诸如但不限于熔化温度、抗氧化性和/或强度。

在一些实施例中，基部结构30可包括镍、钴或铁基超级合金。例如，基部结构30可包括镍基超级合金，诸如René N4, René N5, René 108, GTD-111®, GTD-222®, GTD-444®, IN-738和MarM 247，或钴基超级合金，诸如FSX-414。基部结构30可形成为等轴的、定向凝固的(DS)或单晶的(SX)铸件，以经得起诸如可存在于燃气涡轮或蒸汽涡轮内的相对较高的温度和应力。

在步骤130中将一个或多个生坯状态增材结构20接合到基部结构30可通过任何适合的技术(诸如硬钎焊或焊接)而发生。例如，在步骤130中应用热来将生坯状态的增材结构20接合到基部结构30的表面31可包括任何适合的温度、热源、迭接、斜率、保持时间、循环和任何其它相关参数，以将材料接合(例如，硬钎焊、粘结等)在一起来形成总体混合制品1。在一些实施例中，混合增材制造方法100的步骤130可包括将单个生坯状态增材结构20接合到基部结构30。在一些实施例中，混合增材制造方法100的步骤130可包括将多个生坯状态增材结构20接合到基部结构30。在此实施例中，多个生坯状态增材结构20可同时、在不同时间或以其组合接合到基部结构30。

在一些实施例中，将各个生坯状态的增材结构20接合到基部结构30包括应用也足以从生坯状态增材结构20除去粘结剂的热，以产生烧结的增材结构20。例如，将生坯状态增材结构20充分地接合到接触结构30所需的热可高到足以烧掉生坯状态增材结构20中包含的任何粘结剂。

然而，在一些实施例中，可结合步骤120(其与步骤130中的接合过程分离)中的额外热应用来至少部分地从生坯状态增材结构20除去粘结剂。例如，在一些实施例中，诸如图2中所示，额外的热可选在步骤130中将生坯状态增材结构20接合到基部结构30之后在混合增材制造方法100的步骤120中应用。例如，接合步骤130中应用的热仅可从增材结构20部分地除去粘结剂，使得在步骤120中需要额外的热应用以形成完全烧结的结构。

甚至在一些实施例中，诸如图3中所示，在步骤130中将增材结构20接合到基部结构30之前，额外的热可在混合增材制造方法110的步骤120中应用。在此实施例中，步骤120中应用的热可从生坯状态增材结构20至少部分地除去粘结剂，以在步骤130中与接触结构30接合之前形成至少部分地烧结的增材结构20。步骤130中的接合应用或甚至另一个随后的热应用因此可完成粘结剂从至少部分地烧结的增材结构20的除去。尽管本文中关于不同潜在步骤和其相应顺序呈现了特定实施例，但应当认识到的是，此实施例仅为示例性的，且还可实现额外或备选的变型。

现在另外地参看图4，由于在混合增材制造方法100或110中将一个或多个增材结构20接合到基部结构30，故可产生混合制品1。混合制品1可便于可能更复杂的部分经由增材结构20的制造，同时还允许了可能不太复杂的部分经由基部结构30的时间或成本效益更合算的制造方法。当生坯状态增材结构20中的一些或所有粘结剂可在与基部结构30的随后的接合过程期间烧掉(例如，烧结)时，使用粘结剂将多层增材材料迭接地粘结在一起来构造增材结构20还可便于更流线化的总体制造过程。此外，增材结构20和基部结构30可包括类似或不同的材料，以基于制造和期望的应用考虑来定制各个部分。

混合制品1还可包括多种类型的构件，诸如本文所论述的一个或多个涡轮构件。例如，混合制品1可包括拥有相对复杂和相对基本的特征两者的涡轮构件。在一些实施例中，混合制品1可包括燃料分送器和/或混合器、喷嘴、旋流器、翼型件、喷嘴端壁、护罩、涡轮叶片(或其它类型的旋转翼型件)、涡轮叶片平台，或包括燃烧和热气体通路构件的任何其它类型的涡轮构件。尽管本文公开了特定构件和特征，但应当认识到的是，这些实施例意在为非限制性示例，且还可实现额外或备选的构造。

尽管仅结合了有限数目的实施例详细描述本发明，但应当理解的是，本发明不限于此公开实施例。相反，本发明可改变以包含迄今未描述的但与本发明的精神和范围相当的任何数目的变型、改型、置换或等同布置。此外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但将理解的是，本发明的方面可仅包括一些所述实施例。因此，本发明不应看作前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。