零件和用于使用混合增材制造技术生产零件的方法与流程

本公开涉及一种使用混合制造技术生产构件的改进方法。本公开提供了一种生产构件的改进方法，以用于减少加工(tooling)/制造时间、减少成本、减少材料浪费。此外，本公开提供了一种生产在结构上优化的构件的改进方法，以用于以下特性中的一个或多个：构件的结构完整性、热-机械负荷承载能力、抗弯曲性、容纳性和提高的寿命。

背景技术：

燃气涡轮发动机一般包括至少一个压缩机和至少一个涡轮区段，其各自具有容纳在发动机壳体内的旋转叶片。设计发动机壳体的目标中的一个是维持轻量的结构，同时仍然提供足够的强度以容纳可能断裂的任何旋转叶片(即，叶片容纳性)。由于任何断裂的叶片必须容纳在壳体内，故发动机壳体的壁必须制造成确保断裂的叶片不会刺破壳体。

用以减轻重量、增强涡轮壳和/或用以减少成本和提高制造效率的提案依赖于增材制造(am)技术。当制造用于在涡轮中使用的环形结构时，可利用am来以净形或以近净形形成环形和/或圆柱形构件以用于进一步精加工。am技术在环形构件和其它构件的制造过程期间是有利的，这是因为am技术提供高的几何灵活性，并且在与减材制造技术或铸造技术相比时可进一步提供成本节省和使得能够在生产过程期间进行改变而无需重新加工的灵活性。然而，使用am技术制造的构件可能不会表现出使用更常规的制造技术(例如锻造)形成的材料的期望性质。此外，在上文提到的示例性过程期间，增材制造的构件一般形成在一次性或牺牲性的和/或可重复使用的基座衬底上。在完成构件之后，移除基座衬底，这是因为基座衬底的唯一目的是提供用于形成am构件的基座和/或支承。

技术实现要素：

通过使用增材制造技术，可在基座衬底上形成发动机构件，通过采用下文讨论的用以形成构件的新颖过程，可形成结合基座材料来作为成品结构的部分的构件，由此从该过程移除制造步骤。此外，通过采用所公开的技术，实现了以下优点中的任何一个或其组合：减少材料浪费、减少成本和/或减少制造时间。所公开的构件和所公开的技术进一步允许制造利用混合结构的构件，从而允许优化构件的各个部分的结构；因此，构件可形成为在构件的期望特定材料品质的位置处具有多种材料和生产过程的品质。将在以下描述中部分地阐述这些方面的额外优点和新颖特征，并且对于本领域技术人员而言，在研究以下内容时或在通过实践本公开而学习时，这些方面的额外优点和新颖特征将部分地变得更加显而易见。

附图说明

结合到本说明书中并构成本说明书的部分的附图示出了本公开的一个或多个示例性方面，并且与详细的描述一起用来阐释其原理和实施方式。

图1是描绘形成根据本公开的一个方面的构件的方法的流程图；

图2是用于形成根据本公开的一个方面的构件的至少部分的常规增材制造技术的侧视图和俯视图图示；

图3是用于形成根据本公开的一个方面的构件的至少部分的常规增材制造技术的图示；

图4是显示用于增材制造的常规设备的示例的示意性图示；

图5是描绘用于形成根据本公开的一个方面的构件的部分的基座的俯视图；

图6是描绘根据本公开的一个方面的用于在图6的示例性基座上形成构件的至少部分的增材制造技术的侧视图；

图7是描绘根据本公开的一个方面的用于在图6的示例性基座上形成构件的至少部分的增材制造技术的侧视图；

图8是描绘使用根据本公开的一个方面的制造技术来生产的构件的透视图；

图9是描绘使用根据本公开的一个方面的制造技术来生产的构件的透视图；

图10a是描绘显示将使用根据本公开的一个方面的制造技术来机加工的凸缘的部分的构件的横截面视图；

图10b是图11a中的构件的放大的横截面视图，其显示了将使用根据本公开的一个方面的制造技术来机加工的凸缘的部分；

图10c是图11a中的构件的放大的横截面视图，其显示了在根据本公开的一个方面的机加工之后的在图10b中显示的凸缘的部分；

图11是使用根据本公开的一个方面的制造技术来形成的凸台的透视图；

图12是具有使用根据本公开的一个方面的制造技术来形成的凸台的构件的透视图。

具体实施方式

典型地，涡轮包括压缩机部分、燃烧部分和涡轮部分。涡轮部分可包括气体发生器涡轮(gt)和动力涡轮(pt)。下文的描述中的大部分描述了发动机的环形部分。因此，本发明可应用于涡轮部分、压缩机部分或涡轮的任何其它环形构件中的任何一个。以下详细的描述将制造环形壳的方法和所生产的环形发动机壳设定为示例。例如，所公开的方面可在高压涡轮(hpt)或低压涡轮(lpt)、高压压缩机(hpc)或低压压缩机(lpc)、涡轮中心框架(tcf)和燃烧器的生产中实施。本描述应该清楚地使本领域普通技术人员能够制造和使用该制造方法和构件，并且本描述通过示例的方式来阐述环形构件的若干方面、改造、变化、备选方案和用途。本文中描述的制造环形构件的方法被称为应用于几个方面，即应用于环形发动机壳的构造和由此得到的环形发动机壳。然而，设想的是，制作环形结构的方法可在广泛范围的系统和/或除了涡轮发动机的环形构件的制造之外的多种商业、工业和/或消费者应用中具有普遍的应用。

可使用增材制造(am)技术来制造上文提到的环形构件，作为示例，增材制造技术可包括电子束自由成型制作、激光金属沉积(lmd)、基于丝的激光金属沉积(lmd-w)、气体金属电弧焊接、激光工程化净成形(lens)、激光烧结(sls)、直接金属激光烧结(dmls)、电子束熔化(ebm)、粉末馈送定向能量沉积(ded)和三维打印(3dp)。上文的增材制造技术中的任何技术可用于由不锈钢、铝、钛、inconel625、inconel718、inconel188、钴铬以及其它金属材料或任何合金形成发动机壳或环形构件。例如，上文的合金可包括具有商品名称haynes188®、haynes625®、superalloyinconel625tm、chronin®625、altemp®625、nickelvac®625、nicrofer®6020、inconel188的材料，以及具有对使用上文提到的技术来形成环形构件有吸引力的材料性质的任何其它材料。与减材制造方法对比，am过程一般涉及累积一种或多种材料以制造净形或近净形(nns)物体。尽管“增材制造”是工业标准用语(astmf2792)，但am包含在多种名称下已知的多种制造和原型制作技术，其包括自由成型制作、3d打印、快速原型制作/加工等。am技术能够由广泛种类的材料制作复杂的构件。一般地，可根据计算机辅助设计(cad)模型来制作独立式物体。作为示例，特定类型的am过程使用能量束(例如，电子束或电磁辐射(诸如激光束))来使粉末材料和/或丝材(wire-stock)烧结或熔化，从而形成材料粘结在一起的实体(solid)的三维物体。

选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔化和直接激光熔化是常见的工业用语，其用于指代通过使用激光束来使精细粉末烧结或熔化而生产三维(3d)物体。例如，美国专利no.4863538和美国专利no.5460758描述了常规的激光烧结技术。更准确地，烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下使粉末颗粒熔合(凝聚)，而熔化需要使粉末颗粒充分熔化以形成实体的均质体。与激光烧结或激光熔化相关联的物理过程包括将热传递到粉末材料，且然后使粉末材料烧结或熔化。一般地，在构建平台上执行上文提到的过程，构建平台可为可重复使用的或牺牲性的衬底。在上文提到的过程中，常规地，在完成构件构建之后，从所形成的构件移除构建平台。

图2是显示示例性的常规的送丝am设备和方法的示意性图示。该设备可构造成通过馈送由送丝设备34馈送的丝材36且使用能量源37来使丝烧结和/或熔化而以逐层的方式构建物体(例如零件38)，能量源37可为例如电子束或电磁辐射(诸如激光束)。可在衬底32上构建零件38。能量源37可形成熔化池40，熔化池40固化以形成零件38的至少部分。可降低和/或移动送丝am设备、衬底或两者，同时使丝材在衬底38的任何部分上和/或在先前固化的零件38上熔化，直到零件由多个由熔化的丝材形成的熔珠(bead)完整地构建而成。能量源37可由包括处理器和存储器的计算机系统控制。计算机系统可确定预先确定的路径，以用于根据预先编程的路径来形成各个熔化池和随后固化的熔珠并且使能量源37照射丝材料。在完成零件38的制作之后，多种后处理程序可应用于零件38。后处理程序包括例如通过机加工、砂磨或介质喷射来移除多余的熔化的丝材材料。在过去，常规的后处理还涉及通过例如机加工来从构建平台/衬底32移除零件38。其它后处理程序可包括应力释放过程、热后处理程序和/或化学后处理程序以精加工零件38。作为另外的示例，美国专利no.6143378和美国专利no.8546717描述了常规的送丝am过程，并且由此通过引用而结合。

图3是显示用于构建am构件的另一示例性的常规的基于粉末的系统的示意性图示。设备55用于通过使由粉末馈送源50通过喷嘴馈送的粉末材料52烧结或熔化来构建构件(例如，使用堆叠层44形成的零件)。粉末52与通过保护气体源48的保护气体47一起馈送。当馈送粉末时，粉末通过能量源49而熔化成熔化池46和/或烧结。能量源49可设为例如电子束或设为电磁辐射(诸如激光束)。可在衬底42上构建零件44。在能量源使粉末51熔化和/或烧结时形成的熔化池46固化以形成零件44的至少部分。可降低和/或移动粉末馈送am设备、衬底或两者，以使丝在衬底42的任何部分上和/或在先前固化的零件44上熔化，直到零件由多个由熔化的粉末51构建的沉积层44完整地构建而成。能量源49可由包括处理器和存储器的计算机系统控制。计算机系统可确定预先确定的路径，以用于根据预先编程的路径来形成各个熔化池和随后固化的熔珠并且使能量源49照射粉末材料。在完成零件44的制作之后，多种后处理程序可应用于零件44。后处理程序包括例如通过吹扫或抽真空、机加工、砂磨或介质喷射来移除多余的粉末。此外，常规的后处理可涉及通过例如机加工来从构建平台/衬底42移除零件44。零件可进一步经受应力释放过程。另外，可使用热后处理程序和化学后处理程序来精加工零件42。

图4是显示用于直接金属激光烧结(dmls)或直接金属激光熔化(dmlm)的示例性常规系统100的横截面视图的示意性图示。设备100通过使用由诸如激光器120的源生成的能量束136来使粉末材料(未显示)烧结或熔化而以逐层的方式构建物体(例如零件122)。将通过能量束来熔化的粉末由贮存器126供应，且使用再涂覆机臂116来使粉末均匀地遍布在构建板114上，再涂覆机臂116沿方向134行进，以使粉末维持在水平面118处，且将延伸超出粉末水平面118的多余的粉末材料移除到废物容器128。在振镜(galvo)扫描器132的控制下，能量束136使正在构建的物体的横截面层烧结或熔化。降低构建板114，并且使另一粉末层遍布在构建板和正在构建的物体上，接着通过激光器120来使粉末连续地熔化/烧结。重复该过程，直到零件122由熔化/烧结的粉末材料完整地构建而成。激光器120可由包括处理器和存储器的计算机系统控制。计算机系统可针对各个层来确定扫描型式，且控制激光器120以根据扫描型式来照射粉末材料。在完成零件122的制作之后，多种后处理程序可应用于零件122。后处理程序包括例如通过吹扫或抽真空、机加工、砂磨或介质喷射来移除多余的粉末。此外，常规的后处理可涉及通过例如机加工来从构建平台/衬底移除零件122。其它后处理程序包括应力释放过程。另外，可使用热后处理程序和化学后处理程序来精加工零件122。

上文提到的am过程中的任何am过程可由执行控制程序的计算机控制。例如，设备110包括处理器(例如微处理器)，其执行固件、操作系统或提供设备110与操作者之间的接口的其它软件。计算机接收将形成的物体的三维模型来作为输入。例如，使用计算机辅助设计(cad)程序来生成三维模型。计算机分析模型，且针对各物体而提出在模型内的刀具路径。操作者可限定或调节扫描型式的多种参数，诸如功率、速度和间隔，但一般不直接对刀具路径进行编程。本领域普通技术人员将充分认识到，上文提到的控制程序可应用于上文提到的am过程中的任何am过程。此外，上文提到的计算机控制可应用于在任何后处理或混合过程中采用的任何减材制造或任何预处理或后处理技术。

图1中的流程图描绘了本公开的一个方面。参考标号17涉及基座衬底(其示例在图6中显示)的选择或形成。基座衬底可由任何合适的材料形成。基座衬底62可作为原材料来供应或可应用任何制备过程。例如，可对材料进行砂磨、介质喷射，且/或可通过机加工、锻造和/或退火来制备材料。此外，可对基座衬底进行化学处理。基座衬底可进一步设为供应的锻造衬底，并且可在应用下文提到的am过程之前和/或之后对基座衬底进行机加工。例如，如图6中显示的那样，基座衬底可被机加工成圆形衬底，并且可具有至少单个机加工台阶部分64，其用于夹紧到加工表面66或用于形成成品的期望几何形状的区段。此外，基座衬底可设有环形的凸起部分和/或沟槽(未显示)，其可与am构建将应用于其处的衬底部分对应。可进一步对基座部分62进行钻孔以辅助将衬底62安装到基座66，且/或可对基座部分62进行钻孔以获得成品零件上所需的孔。衬底62可进一步被机加工或设为具有中心开口的圈(如图10中显示的那样)。

基座部分66可预先形成为凸缘，其具有任何期望的安装孔、部件(provision)或部分，以允许在组装完成的构件时将凸缘与期望的配合表面密封或配合。凸缘和/或基座衬底62可为具有针对与基座部分相关联的成品几何形状的最佳特性的材料。例如，凸缘部分可能需要锻造材料的机械和材料特性(例如，改进的伸长率、屈服强度、极限抗张强度)。此外，凸缘可经受任何处理(例如，热加工、冷加工、退火和/或硬化)以优化机械特性以供使用。用于作为基座衬底的合金或材料可相对于用于下文提到的am过程的材料而变化或不同。如图11a和11b中显示的那样，基座108的衬底可在am构建之前被获得或机加工以具有至少一个孔110，并且可被机加工或锻造以具有台阶部分112。可预期着凸缘部分106的最终机加工来选择和制备基座108。

如以图1的参考标号13显示的那样，am技术可应用于衬底。作为示例，上文提到的基于丝的激光am过程中的任何一个可应用于基座衬底以构建构件的环形部分。如图6-8中描绘的示例性构件中显示的那样，上文提到的am过程可用于在基座衬底62上形成构件72的环形部分。构件的环形部分可通过am设备84的旋转和/或基座部分66的旋转而逐层地形成。此外，基座部分66和/或am设备84可在构建过程期间成角度以形成第二凸缘140，第二凸缘的示例在图10和13中显示。环形部分可由上文提到的材料中的任何材料形成且可使用上文提到的am过程中的任何一个或其组合来形成，并且不限于此。可基于构建的期望成本、准确性、可重复性、分辨率、稳定性和/或机械性质和/或期望的构建速率来选择am过程。例如，当形成具有环形结构的大构件时，上文提到的基于丝的激光am过程中的一个可以以分辨率和准确性为代价来提供更快且更高效的构建的益处。此外，环形部分72可形成为具有与基座部分62不同的材料性质。例如，使用am过程形成的构件的环形部分可表现出处于铸件与锻造材料之间的材料性质(例如，屈服强度、极限抗张强度、伸长率)，这在环形构件经受的应力和/或完成的构件的成本效益方面可为合乎期望的。锻造基座部分62可优选作为凸缘，这是因为锻造材料可相比于使用am过程形成的环形部分72而表现出更高的屈服强度、更高的极限抗张强度、伸长率和降低的孔隙率和/或材料各处减少的腔和空隙。因此，作为一个示例，通过将基座部分62设为成品构件的部分，可实现用于凸缘的锻造材料和使用am过程形成的环形结构两者的优点。

基于上文提到的示例，由与锻造基座材料(其屈服强度由变量x表示)相同的材料形成的环形部分72在600℃下的屈服强度(由变量c表示)可满足以下方程：

方程1.................................................c≤0.87x

此外，作为示例，由与锻造基座材料(其极限抗张强度由变量g表示)相同的材料形成的环形部分72在600℃下的极限抗张强度(由变量y表示)可满足以下方程：

方程2............................................................y≤0.85g

由与锻造基座材料(其伸长率由变量f表示)相同的材料形成的环形部分72在600℃下的伸长率(由变量t表示)可满足以下方程：

方程3...........................................................t≤0.82f。

如图8、9、10和12中显示的那样，一旦在基座62、112、108上执行净形am过程，基座和/或构件的所构建的am部分的表面就可经受应力消除和/或热处理过程(图2，参考标号21)。步骤21可包括可应用于构建的退火、应力消除退火、热处理、喷丸处理、振动应力消除、回火、淬火和/或任何化学过程。如图2中显示的那样，在步骤22中，可进一步对外部和/或内部环形结构进行机加工，以移除在am构建过程期间赋予的任何多余材料。可在构件的环形am部分72的机加工之前和/或之后或期间进一步对凸缘或基座部分62、112、108进行机加工。

如以图1的参考标号23显示的那样，环形表面72(图13，参考标号142)可进一步经受额外的am过程。可采用额外的am过程来形成包括至少单个或多个凸台134或部件136的构件部分。可使用上文提到的am过程中的任何一个来形成凸台和/或部件，并且可使用与用于形成构件的环形部分72、142的过程不同的am过程来形成凸台和/或部件。可基于构建的期望成本、准确性、可重复性、分辨率、稳定性和/或机械性质和/或将在环形表面72上形成的构件部分的期望构建速率来选择步骤23中的am过程。例如，如图10、12和13中显示的那样，可采用如上文描述且在图4中显示的基于粉末的am过程来形成凸台122、124、135、136和部件136。通过采用上文提到的基于粉末的am过程，可例如相比于基于丝的am过程而在更高分辨率的情况下且在更高准确性的情况下形成各个凸台。各个凸台可包括期望的轮廓，其可包括诸如外凸缘126、内凸缘129和台阶部分129的特定几何形状。在完成am过程之后，凸台和/或部件可进一步经受后处理。例如，凸台中的各个可包括例如通过吹扫或抽真空、机加工、砂磨或介质喷射来移除多余的粉末。其它后处理程序可包括应力释放过程。另外，可使用热后处理程序和化学后处理程序来精加工上文提到的凸台和/或部件中的任何一个。

虽然已结合上文概述的示例性方面描述了本文中描述的方面，但对于本领域普通技术人员而言，多种备选方案、修改、变化、改进和/或实质等同体(不管是已知的还是目前未预见的或可能目前未预见的)可变得显而易见。因此，如上文阐述的示例性方面旨在是说明性的而非限制性的。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可进行多种改变。因此，本公开旨在包含所有已知的或以后开发的备选方案、修改、变化、改进和/或实质等同体。