使用二极管激光器光纤阵列在激光粉末床熔合加性制造中的凝固控制的制作方法

背景

本技术一般涉及使用二极管激光器光纤阵列用于激光粉末床熔合加性制造，例如直接金属激光熔融(dmlm)，其供在制造或修复组件，更具体地，燃气涡轮引擎的组件中的使用。

加性制造是公知的技术，其实现包括金属、陶瓷和塑料的各种材料的组件的“3d打印”。在加性制造中，部件是以逐层的方式通过使金属粉末平整和使用高功率激光束或电子束选择性地把粉末熔合在层内来构建。在每一层之后添加了更多的粉末，并激光器使下一层图案化，同时将其熔合到之前的层，以制造被埋在粉末床中的完整组件。加性制造系统和过程被用于从数字模型制造精密的三维组件。

在当前粉末床系统中制作构建(build)中，激光束或电子束被用于扫描粉末层，以烧结和熔融粉末床的层中期望的图案。对这类系统，每层的典型的扫描时间是在70-100秒的范围中。对于一些应用，构造可能要求数天的处理时间。dmlm的一个应用是在制造和修复用于飞机的燃气涡轮引擎的机翼。机翼的几何结构难以使用常规的铸造技术形成，因此已经提出了使用dmlm过程或电子束熔融过程制造机翼。利用在彼此之上建立的并且逐个截面彼此连接的层，可以产生例如为了修复带有期望的几何结构的机翼或其一部分。机翼可能要求后处理，以提供期望的结构特征。

激光扫描直接金属激光器熔融(dmlm)系统的另一个问题是可能在加性制造构建过程中导致某些合金破裂的快速冷却速度。快速冷却速度还在获得期望的晶粒形貌、图案和尺寸(例如等轴的或柱状的晶粒，垂直于层表面的晶粒生长)中存在困难。

技术实现要素：

根据在此公开技术的一个示例，一种形成或修复具有柱状的或等轴的或定向凝固的或非晶的或单晶的微观结构的超级合金物品的方法，包括：将对应于物品的层的图案的来自二极管激光器光纤阵列的所选光纤的多个激光束发射到所述超级合金的粉末床上以形成熔池；以及控制所述熔池的温度梯度和凝固速度，以形成柱状的或单晶的微观结构。

依照在此公开的技术的另一个示例，通过前段的方法形成了一种超级合金物品或修复(repair)。

本发明提供了一组技术方案，如下：

1.一种形成或修复具有柱状的或等轴的或定向凝固的或非晶的或单晶的微观结构的超级合金物品的方法，所述方法包括：

将对应于物品的层的图案的来自二极管激光器光纤阵列的所选光纤的多个激光束发射到所述超级合金的粉末床上以形成熔池；以及

控制所述熔池的温度梯度和凝固速度以形成所述柱状的或等轴的或定向凝固的或非晶的或单晶的微观结构。

2.根据技术方案1所述的方法，其中控制所述温度梯度和凝固速度包括控制所述多个激光束的每一个的激光能量的衰减速度，以控制所述熔池的冷却周期。

3.根据技术方案2所述的方法，其中所述激光能量以10w/s的速度减小，以提供1s的冷却周期。

4.根据技术方案2所述的方法，其中所述激光能量以1w/s的速度减小，以提供10s的冷却周期。

5.根据技术方案2所述的方法，其中所述激光能量以0.1w/s的速度减小，以提供100s的冷却周期。

6.根据技术方案1所述的方法，其中控制所述温度梯度和凝固速度包括加热支承所述粉末床的衬底和/或加热由先前的熔池的凝固形成的所述物品的先前的层。

7.根据技术方案6所述的方法，其中加热所述衬底包括把所述衬底加热到所述衬底的熔融温度之下的温度。

8.根据技术方案1所述的方法，其中每个二极管激光器的平均输出功率高达5w-10w。

9.根据技术方案1所述的方法，其中每个激光束的直径为0.01mm。

10.根据技术方案1所述的方法，其中每个激光束被发射5-50ms。

11.根据技术方案1所述的方法，其中所述二极管激光器光纤阵列的效率是0.5。

12.根据技术方案1所述的方法，其中每个激光束的能量分布为顶帽。

13.根据技术方案1所述的方法，其中所述熔池具有20μm-150μm的深度。

14.根据技术方案13所述的方法，其中所述熔池具有所述熔池的深度3-100000倍的宽度。

15.根据技术方案1所述的方法，其中超级合金的粉末的粒子尺寸是10μm-150μm。

16.根据技术方案1所述的方法，其中超级合金的粒子尺寸是40μm。

17.根据技术方案1所述的方法，其中超级合金是ni基的超级合金。

18.根据技术方案1所述的方法，其中控制所述熔池的所述温度梯度和所述凝固速度包括控制每个激光束的持续时间、每个二极管激光器的脉冲能量、每个二极管激光器的脉冲宽度、每个二极管激光器的平均输出功率、每个激光束的能量分布、每个激光束的功率密度、每个激光束的功率的减小速度，和/或所述光纤的端部离所述粉末床的的距离中的至少一个。

19.根据技术方案1所述的方法，其中控制所述熔池的所述温度梯度和凝固速度包括从至少邻近所述层的所述图案的光纤发射激光束，并加热邻近所述构建的所述层的所述粉末的所述粉末以控制被熔融的粉末的冷却速度。

20.根据技术方案19所述的方法，其中加热邻近所述层的所述粉末的所述粉末包括在对所述层的所述图案的所述粉末同时熔融之前和/或期间和/或之后的至少一个对所述粉末进行加热。

21.根据技术方案19所述的方法，其中加热邻近所述图案的所述粉末的所述激光束的功率密度在从约100w/cm²到约100000w/cm²的范围中。

22.根据技术方案1所述的方法，其中每个层的厚度在约1μm到约1mm之间。

23.根据技术方案22所述的方法，其中每个层的厚度为约100μm。

24.根据技术方案23所述的方法，其中每个层的厚度为约30μm-50μm。

25.根据技术方案1所述的方法，其中所述超级合金物品是涡轮组件。

26.根据技术方案15所述的方法，其中所述涡轮组件是机翼。

27.根据技术方案1所述的方法，进一步包括：

使所选光纤和所述粉末床相对于彼此移动，以及

在相对运动期间控制所选光纤的所述二极管激光器。

28.一种超级合金物品或修复，器通过技术方案1所述的方法形成。

29.根据技术方案28所述的超级合金物品或修复，其中所述柱状的微观结构是树状的。

30.根据技术方案28所述的超级合金物品或修复，其中所述微观结构的晶粒具有10μm-100μm的尺寸。

31.根据技术方案1所述的方法，其中控制所述熔池的所述温度梯度和所述凝固速度以形成所述柱状的或单晶的微观结构包括二维地控制每个层的冷却速度。

32.根据技术方案31所述的方法，其中二维地控制每个层的所述冷却速度包括控制形成所述物品或修复的表面层的层的冷却速度，以具有预先确定的表面粗糙度和密度的至少一个。

附图说明

当参照附图阅读下面的详细说明时，本技术的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中在附图通篇中，相似的字符表示相似的部件，其中：

图1a示意性地示出了供与本技术一起使用的二极管激光器光纤阵列；

图1b示意性地示出了供与本技术一起使用的另一个二极管激光器光纤阵列；

图1c示意性地示出了供与本技术一起使用的另一个二极管激光器光纤阵列；

图1d示意性地示出了供与本技术一起使用的另一个二极管激光器光纤阵列；

图2示意性示出了根据本技术的示例的用于通过二极管激光器光纤阵列同时熔融粉末床层中的图案的系统；

图3示意性示出了根据本技术的示例的可在二极管激光器光纤阵列中使用的光纤构造；

图4a示意性地示出了可与根据本技术的系统一起使用的光纤阵列；

图4b示意性地示出了可与根据本技术的系统一起使用的另一个光纤阵列：

图5是作为温度梯度(g)和可使用本技术的二极管激光器光纤阵列形成的凝固速度(v)的函数的微观结构的柱状晶向等轴晶(cet)图表。

具体实施方式

参照图1a，二极管激光器阵列101(例如，二极管激光器棒，光纤尾纤，或叠层)包括多个二极管激光器，或发射器103，每一个均发射激光能量束105。多个球面透镜107被定位在二极管激光器103和多个光纤109之间，以把激光能量从每个二极管激光器103耦合到光纤109。所述光纤109可被提供于所述二极管激光器和所述光纤阵列的自由端之间的捆102中，例如如图1a-1c中所示的。然而，应当领会，不使用耦合光学器件的二极管光纤激光器阵列可被与本技术一起使用，如下面讨论的。

参照图1b，所述二极管激光器光纤阵列101可以包括光纤109的端部处的透镜117。所述透镜117可以被配置成提供来自光纤109的准直激光束120。参照图1c，所述二极管激光器光纤阵列101可以不包括所述二极管激光器103和所述光纤109之间的光学器件(例如透镜)，并且激光能量束105可以被在所述二极管激光器103附近的所述光纤109接收。所述光纤109可以在它们相应的端部处具有透镜117。所述透镜117可以被配置成向从所述光纤109发射的激光束120提供预定的发散。还应当领会，除了提供透镜，所述光纤109的端部可被成形以提供准直的或发散的激光束120。参照图1d，所述二极管激光器可以包括被拼接(splice)125到光纤109的输入中的光纤尾纤123。f-theta透镜对来自所述光纤阵列的出射激光束120进行准直。

参照图2，所述二极管激光器光纤阵列101把激光束120从所述光纤109引导到粉末床130，以同时熔融层中所有期望的粉末。为了生成期望的，例如修复或待制造的组件的图案，所要求的激光器103被打开，以影响来自每个光纤109的所期望的同时熔融。对于所期望图案的熔融处理时间可以小于一秒钟，这比当前的扫描过程快至少两个数量级。

所述粉末床130可以被提供用于组件150，例如飞机的燃气涡轮引擎的机翼，其被支撑在支承170上以对所述组件提供修复。尽管本技术可能可适用于组件上的修复功能，应当领会，本技术适用于新制作的组件的加性制造构建。所述粉末床可被提供于所述支承170以及被用于逐层地构建或制造所述组件的所述二极管激光器光纤阵列101上。

所述支承170可通过被配置成在z方向上(即垂直于所述粉末床130)移动所述支承170的致动器或致动器系统175移动，如图2所示。所述致动器或致动器系统175还可被配置成在xy平面中移动所述支承170，如图2所示，尽管在每个光纤109的粉末床的同时熔融期间所述支承170在xy平面中未被移动。所述致动器或致动器系统175可通过被配置成控制所述致动器或致动器系统175以及所述二极管激光器光纤阵列101的控制器135控制。所述致动器或致动器系统175可包括例如一个或多个线性马达和/或一个或多个液压的和/或气动的活塞和/或一个或多个螺杆传动机构和/或输送机。由于所述二极管激光器光纤阵列101为了图案能够同时熔融层中所有要求的粉末，不需要在熔融期间移动所述阵列101或者所述粉末床130，例如，像用当前的系统进行的那样，其中激光束或电子束被用于扫描粉末层。

所述光纤109的阵列(即所述光纤109的端部)和所述粉末床130之间的距离d可通过在z方向上移动所述支承170来控制。距离d可取决于由所述光纤发射109发射的激光束120的类型(例如，不论所述激光束120是准直的还是发散的，以及发散的量)，每个二极管激光器103的平均输出功率、每个二极管激光器103的脉冲能量、每个二极管激光器103的脉冲宽度，和/或束模式(例如高斯，顶帽等分布)。所述光纤109的端部可位于例如所述粉末床130之上约5mm至约150mm，例如约20mm到约80mm处，以便于粉末床130的层的任何区域能通过同时打开所要求二极管激光器103来同时熔融。

所述控制器135控制每个二极管激光器103的导通和关断，以及每个二极管激光器的初始功率。所述控制器还可以控制每一个二极管激光器103在关断时其功率被减小的速度。所述控制器135可以在例如约5到15毫秒或者如果需要的话更长的时间帧内，导通和关断每一个二极管激光器103。对于例如在待修复的机翼之上的粉末130的给定层，所期望的激光器二极管103被激活以按照cad设计以期望的形状把所述粉末熔融，其可以被输入和/或存储到所述控制器135中。此过程可按需要重复多次以建立所要求的修复区域。在所述系统被用于制造组件，例如机翼的情况下，此过程按需要被重复多次以构建所述组件。随着粉末层被添加并随后由所述二极管激光器光纤阵列处理，所述控制器135控制所述致动器或致动器175以向下移动所述支承170。形成的每个层可以是例如约1μm至约1mm厚。在修复机翼的情况下，每层可以被形成，例如，约100μm厚。

所述控制器135可以是计算机处理器或其他基于逻辑的设备、软件组件(例如，软件应用)，和/或硬件组件和软件组件的组合(例如，计算机处理器或其他基于逻辑的设备和相关联的软件应用、具有硬连线控制指令的计算机处理器或其他基于逻辑的设备，等等)。

所述二极管激光器光纤阵列101可以被所述控制器135控制来控制在被熔融的区域附近或与与其邻近的粉末的温度，以控制被熔融的区域的冷却速度。所述控制器135还可以控制所述二极管激光器光纤阵列101，以预加热粉末床130和/或所述组件150。所述二极管激光器103的预加热功率密度可以是从约100-100000watts/cm²。通过预加热所述粉末床130和/或所述组件150和/或加热在被熔融的区域附近或与其邻近的区域，热梯度可以控制成基本上仅在垂直于所述粉末床的方向(即图2中的z方向)上。这可能帮助对快速凝固冷却速度裂纹敏感的材料。用粉末床层的平面冷却可能可以实现垂直于层表面的所期望的晶粒生长。这允许形成定向凝固(ds)型晶粒结构或带有机翼型结构的构建修复的单晶结构。还应当领会，所述二极管激光器103可以被控制来加热所述粉末床130，以控制被熔融的区域的温度和温度梯度。控制被熔融的区域的温度和温度梯度允许控制例如粉末的蒸发、被凝固层的晶粒结构，和/或修复或组件的表面光洁度。对每一个构建层的2d平面中的冷却速度的空间控制允许每一个待控制的构建层的晶粒结构，以及在构建层被添加以形成该构建时在35中的晶粒结构。在每一个构建层的2d平面中的冷却速度的空间控制也实现将形成3d构建或部件的表面的体积的特殊处理。这允许在表面处的表面粗糙度和密度(孔隙率)的控制，其可以改善部件的机械性能，例如疲劳。

在所述粉末床130中的材料可以是金属粉末，例如，cocrmo粉末。应当领会，其他材料例如塑料、陶瓷或玻璃可被用于粉末床。根据在粉末床中的材料，每一个二极管激光器103的功率可以是从约10至约60瓦。所使用的所述二极管激光器103的功率可以与所使用的光纤109的直径相关。为了熔融来自每一个光纤的层内的粉末，来自每一个二极管激光器激光器光纤103的功率密度可以高达约1000000watts/cm²。

所述光纤阵列中的光纤定心位置(centeringposition)(例如，如图4a和4b中所示的)由所述光纤109的涂层115或缓冲层的直径设定。参照图3，所述光纤109包括芯111(其例如由二氧化硅形成)和覆层113(其由例如围绕所述芯111的二氧化硅形成)。为了在所述光纤109内创建多个数值孔径并提供全内反射，所述二氧化硅芯的折射率(refractoryindex)可以大于二氧化硅覆层的折射率。例如，所述二氧化硅芯可具有约1.45的折射率且二氧化硅覆层可以具有约1.43的折射率。所述覆层113可以具有约10μm的厚度。

所述缓冲层或涂层115包围所述覆层113，并且可以由例如丙烯酸酯形成。为了减少所述光纤109之间的中心间距，缓冲层(丙烯酸酯涂层)115可以被更薄的丙烯酸酯涂层代替以降低总的光纤直径。所述缓冲层或涂层115的厚度可以是大约62μm。所述光纤109的总直径可为约200μm至约250μm。

所述纤芯111的直径可以是大约105μm。应当领会，可以使用约60μm直径的纤芯。此外，应当领会，可以使用各种横截面的光纤109。例如，方形或六边形的光纤可用于增加光纤填料(packing)。由来自各光纤109的一个或多个激光束120产生的熔池的尺寸对应于由一个或多个激光束120产生的有效激光器光斑尺寸。在准直激光束120的情况下，熔池尺寸一般对应于纤芯111的直径。然而，来自所述光纤109的激光束120可被控制以产生作为例如所述纤芯111的直径的2到4倍的熔池尺寸。激光束120可以被控制以具有提供大于所述纤芯111的直径的熔池尺寸的发散。在发散激光束120的情况下，从所述阵列101的光纤109的端部到粉末床130的距离d也将影响每一个光纤的熔池尺寸。和激光束模式分布激光束的脉冲宽度也可以被控制，以调节由每一个光纤提供的熔池尺寸。

参照图4a和4b，光纤109的阵列可以是如图4a中所示的线性的或如图4b中所示密集填充布置(packedarrangement)。其他阵列例如六边形可以被使用。还应当领会，阵列可以是对应于待制造的组件的形状的形状。所述光纤109之间的间距可以等于所述缓冲层或涂层115的直径。

如在此讨论的那样，为修复和/或构建组件(诸如燃气涡轮叶片)超级合金的使用由于它们杰出的机械强度、抗热蠕变变形、良好的表面稳定性和抗腐蚀或抗氧化是期望的。目前，单晶超级合金由于其在靠近其熔点的温度的抗载荷、其抗蠕变和氧化能力而被使用。目前使用诸如bridgman铸造的技术形成由单晶超级合金形成的组件。

参照图5，可以使用本技术的二极管激光器光纤阵列形成的微观结构被示为沿着x轴的温度梯度(g)和沿y轴的凝固速度(v)的函数。如所示，例如通过单个激光器扫描进行的常规dmlm系统和过程一般产生柱状的用于ni基的超级合金的微观结构。常规dmlm一般被认为是高温梯度和高凝固速度处理。某些常规dmlm系统和过程可能产生等轴结构。在图中所示的等轴和柱状区域的上面和下面的空间中出现平面生长。图的顶部区域中的高凝固速度导致完全溶质截留(solutetrapping)，因为有限的时间对于发生化学不均一性是可用的。本质上的过冷极限被示于图的右下方，并且平面生长(planargrowth)被期望出现在此区域中，其中液体和固体之间的平坦接口以没有分支产生。减小对成核现象所需的过冷量扩展了等轴区域，同时增加所述量使等轴区域减小。

仍参照图5，发明人已发现，在中间到高温梯度的和低到高的速度凝固前沿的cet图表的区域可提供单晶、定向凝固的(ds)超级合金。微观结构可以通过使用在此公开的那样的二极管激光器光纤阵列系统和过程，控制所述熔池的热梯度g和凝固速度v而获得。如图中所示的矩形区域限定了可获得的微观结构的范围。冷却速度可以从0.1s(秒)到100s变化。可用这些冷却速度来获得的微观结构跨越从矩形区域的左侧上所示的高衬底加热到在右侧上所示的无衬底加热的区域。通过减小粉末层的厚度，在图中所示的矩形区域可以向上和向右进一步扩大，超出所指示的区域。如在此所用的的术语“高衬底加热”意味着加热所述衬底(粉末床下方的物品或组件)到接近但低于所述衬底的熔融温度的温度。应当领会，在衬底上形成或沉积的材料的一个或多个之前的层可以被加热例如被后加热以控制例如减少冷却速度。这些结构具有柱状的、树枝状(即分支或类似树状)结构。由在此公开的系统和过程产生的晶粒可以被认为是大的，例如从10μm至100μm。所述衬底的加热可以通过任何合适的过程，包括辐射加热，感应加热，微波加热等执行。此外，加热可以由所述二极管激光器光纤阵列101提供。

温度梯度g和凝固速度可通过控制所述二极管激光器光纤阵列的功率的衰减速度进行控制。例如，对于每一个二极管激光器的10w的平均输出功率，激光能量可以例如线性地以10w/s的速度(对于1s冷却，如图5中所示)或以1w/s的速度(对于10s冷却，如图5中所示)或0.1w/s(对于100s冷却，如图5中所示)衰减，但并不限于线性衰减。作为另一个示例，来自每一个二极管激光器的输出均可以渐近地降低到设定值，其可对于每一个二极管激光器均不同。还应当领会，每一个二极管激光器的输出功率可以“即时”衰减，即，被关断。

其他可被控制以产生单晶、定向凝固超级合金微观结构的参数包括激光器模式分布(例如顶帽或高斯)激光器光斑直径、激光器功率、激光器导通时间、激光器效率(α)，以及激光束之间的中心线间距。应当领会，参数值(例如，范围)可取决于材料。例如，可以使用顶帽模式分布、0.05-0.2mm的激光器光斑直径、5-60w的激光器功率、5-50毫秒导通时间、0.5的效率α，以及80μm的中心线间距来产生图5中所示的单晶、定向凝固微观结构。

通过控制所述二极管激光器光纤阵列的参数，熔池的形状可以被控制来实现平坦的凝固前沿，以提供受控的ds凝固条件。参数可以被控制，以实现一个准静态熔池。熔池的尺寸包括深度可取决于所述粉末的粒子尺寸。可以使用二极管激光器光纤阵列来形成具有20μ到150μm深度和从3-100000倍深度的宽度的熔池。可与在此公开的所述系统和过程一起使用的粉末的粒子尺寸可以从10μm至150μm变动，例如对于ni基的超级合金的粉末粒子尺寸可以是40μm。

虽然图5的cet图表用于特定的超级合金，但是应当领会，可以生成其他cet图表，以确定可以使用在此公开的所述系统和过程的其他超级合金的微观结构。

通过将以来自所要求的二极管激光束源的同时的激光能量的层进行曝光，本技术的所述二极管激光器光纤阵列也可以被用于处理粉末床层。本技术还允许在一个能够少于1秒的时间帧中熔融层中的完整图案，并当被要求时控制被熔融的区域附近和/或与之邻近的粉末的加热，以控制被熔融的区域的冷却速度。所述二极管激光器光纤阵列允许许可晶粒结构控制。对于二极管激光器光纤阵列系统的商业优点包括更少的所要求的系统，其用来产生与当前系统相同量的部件并把功率床系统适应(tailor)感兴趣的部件的尺寸。在此公开的技术还可以被用来执行烧结，例如直接金属激光器烧结。

通过控制除其他外衬底温度和激光器功率作为时间的函数，本技术的二极管激光器光纤阵列还允许在中温梯度到高温梯度和低凝固速度到高凝固速度的区域上形成微观结构，覆盖用于等轴的或柱状的/树状的(ds/sx)大的可行的区域。

应当理解的是，不一定上面描述的所有这类目标或优点都可以依照任何特定的示例来实现。因此，例如，本领域技术人员将认识到：在此描述的所述系统和技术可被以实现或优化如在此教导的一个优点或一组优点的方式体现或实施，不必要实现如可能在此被教导或建议的其他目标或优点。

虽然在此仅图示和描述了本技术的某些特征，但本领域技术人员将会想到许多修改和变化。因此，应当理解的是，所附权利要求意图覆盖所有这类修改和变化。