用于生产三维制品的方法和利用此种方法生产的制品的制作方法
【专利说明】用于生产三维制品的方法和利用此种方法生产的制品
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及借助于选择性激光熔化(SLM)来生产三维制品的技术。其涉及用于生产优选由具有高体积分数(>25%)的γ ’相的γ ’沉淀硬化镍基超级合金或非可铸造或难以加工的材料制成的制品或此种制品的至少一部分的方法，且涉及利用所述方法制成的制品。更具体而言，该方法涉及生产新的或修复用过的和受损的涡轮构件。
【背景技术】
[0003]燃气涡轮机构件(如涡轮叶片)通常具有复杂的三维几何形状，其可具有难以制造和修复的问题。退役的涡轮构件上的材料的堆积(例如，在翻新期间)通常通过常规堆焊，诸如钨极惰性气体(TIG)焊接或激光金属成型(LMF)来进行。这些技术的使用限于具有可接受的可焊性的材料，如具有低到中等量的A1和Ti (例如，Haynes282)的溶液增强(例如，IN625，HeyneS230)或γ ’增强的镍基超级合金。具有高抗氧化性和高γ ’含量(例如>25体积％)的镍基超级合金(意味着具有高组合量的至少5重量%的六1和Ti，诸如IN738LC、MarM-247或CM-247LC)通常难以焊接，且不可由常规堆焊处理而没有较大的微开裂。γ ’相具有L12类型的有序FCC结构，且形成具有低表面能量的共格沉淀。由于共格界面和有序结构，这些沉淀物有效地阻止了位错移动，且较强地改善甚至在高温下的材料强度。低表面能量导致生长的低驱动力，这是它们的长期高温稳定性的原因。除形成γ ’相之外，高Α1含量导致形成稳定的表面氧化物层，从而导致优异的抗高温氧化性。由于异常的高温强度和抗氧化性，故这些材料优选用于高应力涡轮构件中。此种γ ’增强的镍基超级合金的典型实例为:Mar-M247、CM-247LC、IN100、ln738LC、IN792、Mar-M200、B1900、Rene80 和其他衍生物。
[0004]利用常规堆焊技术，例如TIG或LMF，这些γ’增强的超级合金几乎不能得到处理而不大量形成微裂纹。
[0005]不同的开裂机制在文献中区分:开裂可在凝固的末期期间发生，其中树枝状晶体形成阻止液体的回填，从而导致了隔离区段中的裂纹发生。该机制称为“凝固开裂”(sc)。当热影响区域中的沉淀溶解由于焊接期间的快速加热而延迟时，发生所谓的“熔析开裂”(LC)。结果，沉淀物仍在它们不热动力稳定的温度下存在，且共晶成分形成在界面区域处。当温度超过相对低的共晶温度时，该界面区域熔化且润湿晶粒边界。这些弱化的晶粒边界不可再适应热应力，从而导致形成裂纹。当之前处理的层被重新加热到可形成沉淀的温度时，开裂还可发生在固态中。沉淀导致因体积变化引起的应力形成，导致增大的强度且导致延性的损失。与叠加的热应力结合，可局部超过材料的断裂强度且发生开裂。该机制称为“应变时效开裂”(SAC)。
[0006]由于沉淀物的高分数和所得的高机械强度，缓解热应力的能力较大地降低。出于此原因，γ ’沉淀硬化超级合金尤其倾向于这些开裂机制，且很难焊接。
[0007]另一个问题是，现有技术水平的翻新过程由于涉及许多处理步骤而通常花费很长时间。例如，在涡轮叶片的修复中，叶冠板替换、末梢替换和/或片(coupon)修复需要不同的处理步骤。这导致了高成本和长交付时间。
[0008]燃气涡轮的效率随升高的工作温度而提高。由于所使用的材料的温度能力有限，故冷却系统结合到涡轮构件中。存在不同的冷却技术，诸如膜冷却、泻流冷却或流逸冷却。然而，冷却系统的复杂性受到制造处理的限制。现有技术水平涡轮构件考虑这些受限的制造处理而设计，它们在大多数情况中妨碍最佳技术解决方案。流逸冷却具有目前有限的应用，因为那些多孔结构具有与机械和热应力对抗的问题。
[0009]常规涡轮叶片的另一缺陷在于它们需要抽出铸芯，且因此必须具有打开的带冠末梢。带冠末梢随后必须通过信箱硬焊(letter box brazing)来封闭，这是制造期间的附加关键步骤。除这些几何限制之外，现有技术制造处理通常在材料选择上受限，且需要可铸造或可焊接的材料。
[0010]还已知的现有技术是耐磨涂层或蜂窝件添加到导叶和热屏障上，以便避免将导致效率降低的气体泄漏。涡轮叶片末梢在磨合过程期间切入该耐磨结构中，这带来了良好的密封。然而，由于涡轮叶片末梢的高磨损效果，故耐磨层在此过程期间通常受到极强的破坏，且因此通常在各次工作间歇之后需要完全替换。由于有限的材料选择，故末梢的氧化损失是另一常见冋题。
[0011]用于将材料直接堆积在新的或待修复/翻新的涡轮构件上的选择性激光熔化(SLM)具有若干优点，且可克服上述不足。
[0012]由于SLM期间的极端局部熔化和所得的很快的凝固，故合金化元素的分离和沉淀物的形成显著地减少。相比于常规堆焊技术，这导致了降低的开裂敏感性。相比于其他现有技术的技术，SLM允许了不可铸造、难以加工或难以焊接的材料(如含有高Al+Ti的合金(例如，IN738LC))的近净形处理。此种高温强度和抗氧化材料的使用显著地改善了堆积的涡轮叶片区段的性能。
[0013]孔隙率是添加制造(如SLM领域)中的已知现象。除医疗应用之外，孔隙率的出现是必须最小化的效果，因为孔隙率不利地影响材料性能，如强度、硬度和表面品质。尤其对于燃气涡轮构件而言，SLM处理参数因此通常针对最高密度而优化。残余孔隙率认为是不利的，且因此是非期望的。
[0014]相比于铸造和常规修复技术(例如，堆焊)，SLM提供了高得多的设计自由度，且允许产生了很复杂的结构(“自由复杂性(complexity for free)” )。此外，SLM的使用可通过将不同修复过程组合在单一过程中来减少处理步骤的量。
[0015]在文献W0 2009/156316 A1中，公开了一种借助于选择性激光熔化来生产具有涂层区域的构件的方法。涂层区域具有与基底材料成分不同的成分。这通过在SLM过程期间间歇地引入与粉末材料反应的反应气体来实现。因此，在构件的生产期间，出现层区域，这可确保构件的特定功能，例如，硬化的表面。
[0016]文献EP2319641 A1描述了一种利用选择性激光熔化过程施加多种材料的方法，其提出了使用箔片/带/片或三维重整以替代不同于待施加的之前材料(基于粉末)的第二和附加材料的不同粉末。这些箔片、带、片或预成型坯可应用在三维制品的不同区段/部分上，例如，具有耐磨材料的边缘上，或表面上以改善热传递，以便可实现考虑构件/制品的期望性质来调整微观结构/化学成分。
[0017]文献US2008/0182017 A1公开了一种用于通过沉积材料珠来激光净形制造零件或修复零件区域的方法，其中，沉积材料可在沉积期间改变或变化，使得材料珠由不同材料形成。
[0018]文献EP2586548 A1描述了一种用于借助于选择性激光熔化SLM来制造构件或片的方法，其中具有取决于保养/操作期间构件的预期温度和/或应力和/或应变的分布的对准的粒度分布，使得构件的寿命相对于具有基本上一致的粒度的