本發(fā)明總體上涉及增材制造，并且更具體地涉及形成具有精細(xì)細(xì)節(jié)的內(nèi)部空隙或通道的材料層，并且在一個(gè)實(shí)施方式中，使用高沉積速率的熔覆操作來形成包含精密冷卻通道的超合金熔覆層。

背景技術(shù)：

通常認(rèn)為，增材制造是通過多層加工來構(gòu)成三維部件，其中每一層代表三維部件的一部分。三維部件可以通過使用足夠高功率的能量源來熔化用于三維部件的粉末金屬或粉末合金來制造。例如，通常以激光逐層燒結(jié)或熔合粉末金屬或粉末合金的方式來應(yīng)用高功率激光束。這些過程包括選擇性激光燒結(jié)(SLS)、選擇性激光熔化(SLM)、直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、激光近凈成形(LENS)等。在加工許多微小的層之后，這些工藝構(gòu)造出部件。然而，這些工藝具有缺點(diǎn)和局限性。例如，如果需要許多部件、或者如果部件相對(duì)較大，則有些工藝極其緩慢且成本過高。

比如，在Bruck等人的美國(guó)專利公開2013/0140278中描述的高沉積激光熔覆技術(shù)解決了速度的問題，并且以全文引用的方式并入本文。然而，用于導(dǎo)引熱氣體的多個(gè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件需要在表面附近布置在零件中的冷卻通道。這些冷卻通道包括使用如上所述工藝尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)的精細(xì)細(xì)節(jié)。因此，現(xiàn)有技術(shù)中仍然存在改進(jìn)的空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的方法和部件解決了上述技術(shù)問題。

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種方法，包括：將陶瓷預(yù)成形件浸入粉末超合金材料的層中，其中，預(yù)成形件限定出將要在超合金材料的層中形成的空隙的期望形狀；將預(yù)成形件周圍的粉末超合金材料熔化而不熔化預(yù)成形件；以及將預(yù)成形件周圍的被熔化的超合金材料冷卻并重新固化，以形成超合金材料的層，其中預(yù)成形件限定超合金材料的層中的空隙的形狀。

本發(fā)明還提供了一種包括在增材制造過程期間形成的多個(gè)層的部件，多個(gè)層中的一個(gè)層由上述方法形成。

附圖說明

參照附圖在以下描述中對(duì)本發(fā)明進(jìn)行闡述，在附圖中：

圖1示意性地示出了將預(yù)成形件定位在粉末超合金材料的層中；

圖2示意性示出了將預(yù)成形件周圍的超合金材料熔化而不熔化預(yù)成形件，以及將超合金材料冷卻并重新固化；

圖3是沉積過程的特寫視圖；

圖4示意性地描繪了具有通過圖1至圖3中所示過程形成的冷卻通道的層；

圖5示意地描繪了具有通過重復(fù)圖1至圖3中所示過程形成的冷卻通道的部件；以及

圖6示意性地描繪了具有結(jié)構(gòu)性表面細(xì)節(jié)的預(yù)成形件。

具體實(shí)施方式

發(fā)明人提出：使用具有精細(xì)細(xì)節(jié)的預(yù)成形件，并且該預(yù)成形件在高沉積速率熔覆過程期間不會(huì)熔化，從而在超合金熔覆層內(nèi)形成具有精細(xì)細(xì)節(jié)的通道(也稱為空隙)。取決于應(yīng)用場(chǎng)合，所述通道可以用于冷卻、診斷或其他目的。在本文中選擇冷卻通道的示例性實(shí)施方式來進(jìn)行討論。然而，該工藝也能夠適用于其它空隙，比如端部封裝的通道，用于容納比如熱電偶等儀器。一旦完成熔覆過程并且由此形成了熔覆層，就可以移除預(yù)成形件以露出通道。替代性地，預(yù)成形件可以保留在熔覆層中并且可以限定在其內(nèi)部的通道。本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，浸漬在合金熔池內(nèi)的陶瓷預(yù)成形件可能沒有被完全潤(rùn)濕，特別是在預(yù)成形件的表面包含精細(xì)的結(jié)構(gòu)性細(xì)節(jié)的情況下尤為如此。因此，本發(fā)明的預(yù)成形件可以涂覆有與超合金材料相容的金屬或金屬合金。該金屬涂層可以改善被熔化的超合金材料對(duì)預(yù)成形件的幾何形狀的潤(rùn)濕，由此在隨后被冷卻的熔覆層中保留預(yù)成形件表面的精細(xì)細(xì)節(jié)。

圖1示意性地示出了將預(yù)成形件10定位在布置于基底16(或加工床)上的粉末超合金材料14的層12中。粉末熔劑20的層18可以被布置在粉末超合金材料14的層12上。替代性地，粉末超合金材料14與粉末熔劑20可以混合在一起。在另一替代的示例性實(shí)施方式中，可以使用惰性保護(hù)氣體或真空來替代粉末熔劑20(或除了粉末熔劑20之外還使用惰性保護(hù)氣體或真空)以避免在加工期間發(fā)生大氣反應(yīng)。預(yù)成形件10可以由在熔覆操作期間不會(huì)熔化的任何材料制成。預(yù)成形件10可以是實(shí)心的(例如細(xì)絲)或可以具有以下形狀：其限定出穿過預(yù)成形件10的通道(例如管或具有相互連通的孔隙的泡沫)。預(yù)成形件的尺寸和形狀與最終零件中期望的開口或空隙的幾何細(xì)節(jié)相對(duì)應(yīng)。示例預(yù)成形件材料包括陶瓷，比如氧化鋁和氧化鋯。目前能夠得到直徑小到0.28mm的氧化鋁棒(細(xì)絲)。目前能夠從例如加利福尼亞州的薩克拉門托市的Ortech Advanced Ceramics(Ortech精密陶瓷公司)得到直徑小到1.6mm的氧化鋯棒(細(xì)絲)?？梢詮睦缈屏_拉多州的高登市的CoorsTek公司得到管狀的氧化鋁和莫來石(3Al₂O₃2SiO₂)。

可選地，預(yù)成形件10的外表面30可以涂覆有涂層32(例如金屬涂層)以促進(jìn)激光熔覆操作期間的潤(rùn)濕。合適的預(yù)成形件10的材料包括氧化鋁、氧化鈹、藍(lán)寶石、氧化鋯、二氧化硅、氧化鎂、氮化硼、氮化鋁、氮化硅、碳化硅、硅酸鋁(包括莫來石)、硅酸鎂和任何其他合適的陶瓷。合適的涂層材料包括鉬-錳、鎢錳、鉬鎢錳、鈦、鉿、鋯、鉻和鈮。可以使用上述預(yù)成形件材料和涂層材料的任意組合。

在示例性實(shí)施方式中，氧化鋁、氧化鈹或藍(lán)寶石的預(yù)成形件10可以涂覆有鉬-錳、鎢錳和鉬鎢錳中的任一者。預(yù)成形件10可以通過使用若干已知的過程中的任意過程進(jìn)行涂覆，包括：刷涂、絲網(wǎng)印刷、噴涂、浸涂、鍍覆、濺射和針涂布(needle application)。典型地，涂層32的厚度可以為二十五微米，具有十微米的公差。當(dāng)涂層32是鍍層時(shí)，涂層32的厚度可以為二微米至十微米。因此，在一些情況下，可以在沒有中間涂層的情況下將用于實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕的鍍層直接施加于預(yù)成形件10?？蛇x地，可以將第二涂層34施加于涂層32的表面36以進(jìn)一步促進(jìn)潤(rùn)濕。第二涂層34可以包括與粉末超合金材料14相容的金屬或合金，該金屬或合金在鍍覆過程中施加，在這種情況下，該第二涂層34是鍍層。例如，對(duì)于鎳基的粉末超合金材料而言，可以將鎳用于第二涂層34。同樣，鍍層，以及由其形成的第二涂層34的厚度為二微米至十微米。預(yù)成形件10的金屬化的可選的最終步驟可以包括熱處理。在示例性實(shí)施方式中，氧化鋁的預(yù)成形件10涂覆有鍍鎳的鉬-錳。

在替代的示例性實(shí)施方式中，氧化鋯的預(yù)成形件10可以涂覆(借助于物理氣相沉積)有鈦(通過德國(guó)Jülich(尤利希)的Forschungszentrum Jülich(尤利希研究中心)商購(gòu)獲得)。適于涂覆氧化鋯(借助于物理氣相沉積)的其他材料包括鉿、鋯、鉻和鈮。

涂層32和可選的第二涂層34改善了在熔覆操作期間被熔化的超合金材料對(duì)預(yù)成形件的潤(rùn)濕。在熔覆操作期間，涂層32和可選的第二涂層34可能消耗也可能不消耗。如果消耗，則被熔化的超合金材料將與預(yù)成形件10的外表面30直接吻合。如果未消耗，則當(dāng)僅存在涂層32時(shí)、被熔化的超合金材料將與涂層32的外表面36相吻合，或當(dāng)存在第二涂層34時(shí)、被熔化的超合金材料將與第二涂層34的外表面38相吻合。由于預(yù)成形件10的外表面30的形狀限定了涂層32的外表面36的形狀以及第二涂層34的外表面38的形狀，因此被熔化的超合金材料仍與預(yù)成形件10的外表面30的形狀相吻合。被熔化的超合金材料圍繞細(xì)節(jié)的固化將細(xì)節(jié)保留在熔覆層中。

如果涂層32和/或第二涂層34在熔覆操作期間被消耗，則將不會(huì)對(duì)熔覆層產(chǎn)生不利的影響，這是因?yàn)橥繉?2和第二涂層34中存在的元素優(yōu)選地已經(jīng)存在于相關(guān)合金(例如鎳基的超合金)中，并且所添加的材料的量非常少，以至于其將不會(huì)對(duì)熔覆層成分或者機(jī)械特性或物理特性產(chǎn)生顯著的影響。

圖2示意性示出了在不熔化預(yù)成形件10情況下將預(yù)成形件10周圍的粉末超合金材料14進(jìn)行熔化。該熔化可以通過現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何方式來實(shí)現(xiàn)。在示例性實(shí)施方式中，激光束40選擇性地加熱粉末超合金材料14，以形成熔化的超合金材料的熔池。被熔化的超合金材料冷卻且固化以形成由熔渣44的層覆蓋的熔覆層42。預(yù)成形件10在熔覆層42內(nèi)保持完整。

圖3是熔化過程的特寫。當(dāng)激光束40沿行程50的方向移動(dòng)時(shí)，激光束40使粉末超合金材料14和熔劑材料20熔化以形成由熔渣44覆蓋的熔池52。在到達(dá)預(yù)成形件10時(shí)，行進(jìn)的熔池52包圍預(yù)成形件10，并且隨著被熔化的超合金材料圍繞預(yù)成形件固化而保留了預(yù)成形件10中存在的任何細(xì)節(jié)。在涂層32存留的情況下，當(dāng)預(yù)成形件10被移除時(shí)，將由涂層32的內(nèi)表面54限定冷卻通道。在涂層32被消耗的情況下，當(dāng)預(yù)成形件10被移除時(shí)，將由熔覆層42的內(nèi)表面限定冷卻通道。

在加熱過程期間，常規(guī)的激光加熱可以將激光束40定位在預(yù)成形件10的大致上方。因此，在預(yù)成形件10下方的被遮擋區(qū)域56(例如被遮擋而不受激光直射)中的粉末超合金材料14不會(huì)被激光束40直接加熱。為了確保在被遮擋區(qū)域56中的粉末超合金材料14被熔化并且被熔化的超合金材料到達(dá)預(yù)成形件10的下側(cè)58，因此激光束40在接近預(yù)成形件10時(shí)可以減慢其行進(jìn)速度。通過增加向預(yù)成形件10附近的熔池52傳遞的熱，可以增加向被遮擋區(qū)域56中的粉末超合金材料14的傳導(dǎo)式熱傳遞。高導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)成形件材料、比如氧化鋁可以增強(qiáng)對(duì)于被遮擋區(qū)域56的加熱。這能夠促進(jìn)被遮擋區(qū)域56中的粉末超合金材料14更好的加熱和熔化。隨后，將由于溫度梯度(Rayleigh–Bénard對(duì)流)以及表面張力梯度(Marangoni對(duì)流)使這些材料與熔池52的其余部分混合?？梢杂蓹C(jī)械攪動(dòng)來補(bǔ)充進(jìn)行熔化物的攪拌，這通過對(duì)流作用而促進(jìn)潤(rùn)濕。例如，預(yù)成形件本身能夠振動(dòng)或旋轉(zhuǎn)以增強(qiáng)潤(rùn)濕。激光束40還可以隨著其靠近預(yù)成形件10(例如，接近預(yù)成形件)而呈不同的角度，從而允許激光束40到達(dá)被遮擋區(qū)域56的部分或全部，在其它激光過程中使用的激光束40的取向未進(jìn)行調(diào)整的情況下，激光束40無(wú)法到達(dá)該被遮擋區(qū)域56。由涂層32和/或第二涂層34提供的改善的潤(rùn)濕還將有利于被熔化的材料沿著預(yù)成形件10的下側(cè)表面運(yùn)動(dòng)。減慢的激光行進(jìn)、成角度的激光、傳導(dǎo)性的預(yù)成形件、對(duì)流作用、表面張力作用和機(jī)械攪動(dòng)的單獨(dú)作用或組合作用能夠促進(jìn)被熔化的超合金材料完全包圍預(yù)成形件10并且吻合預(yù)成形件10的外表面30的形狀?？梢栽诩す馐?0靠近預(yù)成形件10(即足夠接近預(yù)成形件10以對(duì)被遮擋區(qū)域56產(chǎn)生作用)時(shí)，采用上述單獨(dú)的作用或組合作用。

圖4示出了移除熔渣44的層之后的熔覆層42。該熔覆層42可以是部件上的修補(bǔ)，或是新部件的層。可以看到三個(gè)冷卻通道60、62和64。在示例性實(shí)施方式中，已經(jīng)移除了預(yù)成形件10并且第一冷卻通道60由熔覆層42的內(nèi)表面66限定。這種情況可能會(huì)在預(yù)成形件10上沒有涂層32和第二涂層34時(shí)發(fā)生，或者涂層32和第二涂層34在熔覆操作期間被消耗時(shí)發(fā)生。在這種情況下，被熔化的材料與預(yù)成形件10的外表面30相吻合。預(yù)成形件10可以通過機(jī)械方式或化學(xué)方式或本領(lǐng)域中已知的其他方式來移除。例如，可以使用超聲波能量使預(yù)成形件破裂且粉碎并且使其碎成粉末，隨后通過使用諸如加壓的空氣或沖洗劑之類的流體而將所述粉末沖掉。泡沫或壓粉結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件可能相對(duì)易碎，因而方便上述移除。當(dāng)預(yù)成形件10包括諸如管、泡沫等中空形狀時(shí)，可通過熱沖擊而將預(yù)成形件10破裂、粉碎及移除。例如，可將液態(tài)氮沖洗通過預(yù)成形件10而導(dǎo)致其破裂，在此期間或之后可以移除預(yù)成形件10。替代性地或另外地，當(dāng)中空時(shí)，可以通過機(jī)械沖擊(例如超聲波)將預(yù)成形件10破裂、粉碎及移除。

在示例性實(shí)施方式中，預(yù)成形件10已經(jīng)被移除并且第二冷卻通道62由涂層32的內(nèi)表面54限定。在預(yù)成形件10具有涂層32和可選的第二涂層34、并且在圖3的熔覆操作期間涂層32沒有被消耗(無(wú)論第二涂層34是否被消耗)時(shí)，可能發(fā)生這種情況。

在示例性實(shí)施方式中，保留了預(yù)成形件10并且第三冷卻通道64由預(yù)成形件10的內(nèi)表面68限定，該預(yù)成形件10為例如中空的管或泡沫。當(dāng)預(yù)成形件10是留在原處的泡沫時(shí)，泡沫的連通孔隙可以增強(qiáng)冷卻通道64的冷卻效果。中空的預(yù)成形件10可以被(也可以不被)涂覆及可選地鍍覆。

圖5示意性地描繪了具有冷卻通道的部件70，在增材制造過程期間通過重復(fù)圖1至圖3中示出的熔覆過程而形成冷卻通道。該過程的每次重復(fù)形成相應(yīng)的熔覆層42。部件70可以具有一個(gè)熔覆層42、若干熔覆層42，或者部件70可以全部由熔覆層42組成。在形成多個(gè)熔覆層42之間和/或在施加全部熔覆層42之后，可以對(duì)部件進(jìn)行機(jī)加工。在示出的示例性實(shí)施方式中，多個(gè)熔覆層42包括相應(yīng)的冷卻通道，但是不需要每個(gè)熔覆層42都具有相應(yīng)的冷卻通道。

每個(gè)熔覆層42可以具有相應(yīng)的一種或多種類型的冷卻通道，并且這些冷卻通道可以具有任何取向、尺寸和截面形狀。第一熔覆層72包括由熔覆層42的內(nèi)表面66限定的且呈一個(gè)取向的冷卻通道60。第二熔覆層74包括由預(yù)成形件10的內(nèi)表面68限定的且呈不同取向的冷卻通道64。第三熔覆層76包括呈另一不同取向的不同的多邊形冷卻通道78。第四熔覆層80沒有冷卻通道。本公開的范圍內(nèi)的示例性實(shí)施方式可以將冷卻通道從一個(gè)熔覆層42連接至另一個(gè)熔覆層42。該連接可以通過后續(xù)機(jī)加工來提供，或者作為熔覆操作的一部分、通過使用包含豎向延伸腿部的預(yù)成形件來形成連接通道。以此方式，冷卻通道可以從一個(gè)熔覆層42橫向地(在相應(yīng)的熔覆層42內(nèi))以及豎向地延伸至另一個(gè)熔覆層42。盡管已經(jīng)描述了用于冷卻的連接通道，但是可以包括用于其他目的通道。例如，終止于重要位置處的診斷用通道可以由具有相同端部的管狀預(yù)成形件來提供。在完成零件之后，可以將諸如熱電偶之類的儀器插入穿過管狀預(yù)成形件或插入到由預(yù)成形件形成的通道中。

圖6示意性地描述了在外表面30中具有細(xì)節(jié)的預(yù)成形件10，這些細(xì)節(jié)被復(fù)制在隨后形成的冷卻通道中。這些細(xì)節(jié)的示例性類型包括凸出的或凹入的鰭狀部80(由Kakac等人在“Heat Transfer Enhancement of Heat Exchangers(熱交換器的熱傳遞改進(jìn))”中公開)、凸出的或凹入的絆條(trip strip)82、凸出的或凹入的V形部84、以及凸出的或凹入的小點(diǎn)86或在本領(lǐng)域已知的布置在預(yù)成形件的內(nèi)表面或外表面上的任何其他特征。這些細(xì)節(jié)可以例如提高向冷卻通道中的冷卻流體的熱傳遞，并且/或者調(diào)節(jié)穿過冷卻通道流動(dòng)的冷卻流體的流量。

預(yù)成形件10也可以使用除了線/細(xì)絲和管之外的幾何形狀。例如，在半導(dǎo)體應(yīng)用中可以使用平的板。例如，在防彈衣應(yīng)用中可以使用單曲板和雙曲板。對(duì)于例如用于測(cè)量血液的部件，可以形成具有精確尺寸孔的閥。對(duì)于例如整形外科植入物，可以使用杯形和特定的輪廓。這些非限制性示例僅代表本文公開的過程的一些可能的應(yīng)用。

從前文所述可以看出，發(fā)明人已經(jīng)開發(fā)了以下新的并且新穎的方法：借助于相對(duì)高溫的預(yù)成形件、利用高速熔覆過程，形成包含內(nèi)部空隙的材料層，該內(nèi)部空隙具有非常細(xì)微的內(nèi)表面幾何形狀。該過程實(shí)現(xiàn)了此前這種過程無(wú)法實(shí)現(xiàn)的精細(xì)水平，并且可被用于增材制造過程，從而以前所未有的速度形成零件。因此，這體現(xiàn)出本領(lǐng)域中的改進(jìn)。

盡管本文已經(jīng)示出且描述了本發(fā)明的各種實(shí)施方式，然而，明顯的是，提供這些實(shí)施方式僅出于示例的目的。在不背離本文發(fā)明的情況下可以進(jìn)行多種變型、改變和替換。因此，本發(fā)明僅應(yīng)由所附權(quán)利要求的精神和范圍限定。