利用粉末和箔的材料沉積制造技術

在超合金粉末(16)的激光(20)沉積過程期間鋁含量的損失通過熔化純鋁箔(14)和超合金粉末以增加熔池(24)中的鋁濃度來適應，使得所得的沉積材料(26)的層具有期望的元素組成。任意材料的箔、網或條帶可以與粉末一起熔化，以實現任意期望的熔覆組成，包括穿過熔覆層(50)的厚度的分級組成。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術總體上涉及材料科學領域，并且更具體地涉及材料沉積工藝，并且在一個實施例中涉及粉末超合金材料的激光沉積。
技術介紹
由本專利技術人創作的美國專利申請No.US 2013/0136868 A1公開了用于沉積另外地難以焊接的超合金材料的改進的方法。那些方法包括使粉末超合金材料與粉末焊劑材料一起激光熔化，以在一層保護性熔渣下面形成熔池。除了保護熔融合金材料不受大氣影響之外，該熔渣還執行清潔功能。在固化時，從新沉積的超合金材料移除熔渣以露出無裂紋的表面和沉積物。這些方法已被證實即使對于超出傳統的可焊性范圍之外的超合金材料也是有效的，如圖1所示。附圖說明在以下的描述中考慮下列附圖解釋本專利技術，附圖示出：圖1是現有技術的圖表，其圖示各種超合金材料的相對可焊性。圖2圖示沉積粉末材料的方法。圖3是由圖2圖示的方法產生的具有分級組分的部件的橫截面視圖。圖4是第一箔/粉末組合件(package)的橫截面視圖。具體實施方法本專利技術人已經發現，當在大功率激光熔覆工藝中沉積超合金粉末時，原始粉末材料和熔覆材料之間能夠存在鋁含量的顯著降低。導致該損失的機制被推測為包括元素的蒸發以及鋁與焊劑材料(其使鋁并入熔渣)的氧化、氮化和/或反應，從而使得更少的鋁可用于熔覆金屬合金沉積物。在一些應用中，這種鋁的損失可以是特別有害的，因為鋁對于高溫抗氧化/抗腐蝕是重要的，并且因為鋁促成由伽馬析出相(gamma prime)形成引起的強化。在粉末沉積工藝期間，取決于具體粉末沉積工藝的材料和工藝變量，其它元素組分也可能在各種程度上變得易散(fugitive)。本專利技術人已經研發出一種粉末沉積工藝，該工藝通過將易散材料的熔化的箔與熔化的粉末材料一起合并入熔池中，創造性地補償了在沉積工藝中粉末材料的元素組分的損失。所得的熔池中易散材料的增加的濃度補償了沉積過程中元素的損失，從而產生帶有期望的組成的熔覆材料的沉積。以這種方式，現在沉積材料能夠與原始合金粉末具有相同組成，或者沉積材料能夠具有這種組成在某種程度上有目的地修改的變化。例如，可以使用具有一定厚度的鋁箔，其準確地補償在沉積過程期間鋁損失的量，或者可以有利的是使用更厚的鋁箔，以在沉積熔覆層中提供大于原始粉末合金中存在的鋁濃度的鋁濃度。注意的是，如本文所使用的箔厚度可以包括單層箔，或者可以包括多于一層的箔的復合厚度。當使用多于一層的箔時，層可以被定位成彼此相鄰，或者它們可以由粉末分開。可以預見的是，可以使用一定范圍的箔厚度，在某些實施例中，包括從0.00004到2mm的范圍內的箔。圖2圖示了根據一個實施例的工藝過程。基底材料10，諸如具有大于3wt.％的鋁含量的超合金材料，具有表面12，期望的是通過粉末沉積工藝將額外的材料沉積于該表面上。可以根據期望由現有技術中已知的任何方法清潔或者以其它方式準備表面12，并且這種清潔或準備的細節在本公開的范圍之外。一層箔14定位在基底表面12上，且然后一層粉末金屬16(諸如具有與基底10相同的組成的粉末超合金材料)被放置在箔14上。術語“金屬”以其通常含義在本文中使用，且意味著包括金屬合金，視情況而定。可以理解的是，在其它實施例中，箔14可以放置在粉末金屬層16的頂部上或者其內。然后放置一層焊劑材料18以覆蓋粉末金屬層16，不過焊劑的使用以及焊劑相對于粉末金屬16和箔14的物理位置可以根據具體應用來選擇。例如，焊劑可以與粉末金屬混合，或者焊劑可以與粉末金屬一體化為聚結顆粒。能量束20(諸如激光束)，橫貫22穿過基底10，以熔化粉末18、16以及箔14從而形成熔池24。本領域技術人員將理解的是，基底10的薄表面層也可以被熔化以保證完全粘接，但是為了簡化本文的描述，省略熔池24的該組分。當能量束20向前運動時，熔池24固化以在基底10上形成一層沉積材料26，其由一層熔渣28覆蓋。稍后移除熔渣28(未示出)以暴露新的熔覆表面30。該過程能夠在新的熔覆表面30上重復進行任意次數，以產生具有期望厚度的一層沉積材料。當例如使用圖2圖示的工藝來將合金Mar-M-247粉末沉積到Mar-M-247基底上時，金屬箔14可被選擇為是具有期望厚度的純鋁(即，純度至少為99％)，使得盡管通過激光沉積過程損失了可觀的鋁，該層的沉積材料26仍與Mar-M-247基底的組成相匹配。替代性地，可以使純鋁粉末而不是純鋁箔熔化到熔池中以補償易散的鋁。然而，純鋁粉末呈現每單位體積大的表面積，并且使用純鋁粉末會使大量氧并入熔池內。圖2所圖示的工藝過程避免了該問題，因為箔具有每單位體積相對更低的表面積。此外，使用箔確保遍及熔覆表面12的額外鋁的均勻分布，從而消除了對于均勻地混合鋁粉末與遠為更加致密的超合金粉末的需要。而且，由于爆炸的危險，鋁粉末的擁有是受控的，而純度水平高于99％甚至高達99.999％且厚度小到0.00004mm的鋁箔則可商業地獲得。因此，可以精確地調節添加到熔池24的鋁的量，以適應針對任何具體應用的鋁損失的量。圖2所圖示的工藝可用于補償除了鋁之外的易散材料(例如鈦)或者所沉積的金屬粉末的其它組分元素中的任何元素的損失。此外，可以將非易散的元素或并非所沉積的金屬粉末的組分元素的元素添加到熔池24，或者可以以小于、等于或者大于沉積過程期間損失的元素的量添加易散的元素，從而允許在不需要購買慣常粉末材料的情況下在熔覆材料中得到慣常復合物。在材料沉積工藝中箔與粉末一起熔化提供了對熔覆狀態(as-clad)材料復合物的方便和精確的控制。對于其中具有最小的商業可獲得的厚度的箔提供過多易散元素的應用，可以通過使用呈除了箔之外的形式(諸如呈材料的條帶或者篩網的形式)的金屬預制件來提供更少量的易散材料。由于在熔化過程中通過使能量束20運動生成的大能量焊劑的突然和擾亂性添加所形成的攪拌和循環，熔融的金屬粉末16和熔融的箔14的混合可以在熔池24內自然地實現。焊劑材料18在熔池24內的自然浮力有助于混合效果，并且結果是貫穿該層沉積材料26的一致的化學組成。該層焊劑18在粉末金屬16上和在箔14上的位置被示為有效地保護高度活性的熔融鋁箔不受大氣影響，不過在其它實施例中其它的空間布置也可證實是有利的。也可以使用復合金屬合金/焊劑粉末。盡管額外的粉末的添加可以與加熱同時發生，但是預先放置粉末16、18允許粉末在熔融過程期間將箔14保持在恰當位置。圖3圖示通過以下工藝形成的產品40，其中金屬合金粉末(未示出)連同相應的金屬預制件(未示出)一起熔化進入基底48之上的連續沉積層42、44、46中，以形成具有期望厚度的熔覆層50。通過在層42、44或46中的至少兩層之間使用具有不同參數的金屬預制件，產品40可以獨特地形成為具有穿過熔覆層50的厚度的分級組成。例如，該預制件從一層到另一層可以具有不同厚度，可以具有不同材料組成，和/或可以具有不同的形狀(即，箔、網或條帶)。該箔和粉末組分也可以被制備為組合件并且一起被施加到待熔覆表面上。圖4圖示箔/粉末組合件60的一個實施例，其包括由頂部箔片64和底部箔片66覆蓋的非平面中心箔片62。粉末68占據在限定在片62、64、66之間的內部體積內中。粉末68可以僅是金屬合金或者也可以包括焊劑材料。片62、64、66可以全部具有相同材料和厚度，或者針對各種應用可以本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種材料沉積方法，包括：在基底表面上沉積粉末金屬和金屬箔兩者；用能量束熔化所述粉末金屬和金屬箔，以形成熔池；以及允許所述熔池固化，以在所述基底表面上形成一層沉積材料。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.01.15 US 14/1555601.一種材料沉積方法，包括：在基底表面上沉積粉末金屬和金屬箔兩者；用能量束熔化所述粉末金屬和金屬箔，以形成熔池；以及允許所述熔池固化，以在所述基底表面上形成一層沉積材料。2.如權利要求1所述的方法，還包括：在所述基底表面上沉積粉末焊劑材料與所述粉末金屬和金屬箔；熔化所述粉末焊劑材料與所述粉末金屬和金屬箔，以在所述熔池上形成一層熔渣；以及允許所述層熔渣與所述熔池一起固化；和移除所述層熔渣以露出所述層沉積材料。3.如權利要求2所述的方法，其中，所述粉末金屬包括超合金材料，所述金屬箔包括所述超合金材料的元素組分，且所述能量束包括激光束。4.如權利要求3所述的方法，還包括在所述基底表面上沉積所述粉末金屬和金屬箔作為組合件。5.如權利要求1所述的方法，還包括將所述金屬箔定位在所述基底表面上，以及然后在所述金屬箔上沉積所述粉末金屬。6.如權利要求1所述的方法，還包括在所述基底表面上在一層所述粉末金屬內沉積所述金屬箔。7.如權利要求1所述的方法，還包括在所述基底表面上在一層所述粉末金屬上沉積所述金屬箔。8.如權利要求2所述的方法，還包括在所述粉末金屬和金屬箔上沉積一層所述粉末焊劑材料。9.如權利要求2所述的方法，還包括在所述基底表面上，在所述金屬箔上在一層所述粉末金屬上沉積一層所述粉末焊劑材料。10.如權利要求1所述的方法，其中，沉積粉末金屬和金屬箔兩者、熔化以形成熔池以及允許所述熔池固化的步驟在所述基底表面上被重復多次，以便將多個所述層沉積材料建至期望厚度，并且還包...

【專利技術屬性】
技術研發人員：G·J·布魯克，A·卡邁勒，
申請(專利權)人：西門子能源公司，
類型：發明
國別省市：美國;US