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(lái)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(guò)多層加工來(lái)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(guò)使用足夠高功率的能量源來(lái)熔化用于三維部件的粉末金屬或粉末合金來(lái)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(lái)應(yīng)用高功率激光束。這些過(guò)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(guò)高。

比如，在Bruck等人的美國(guó)專利公開(kāi)2013/0140278中描述的高沉積激光熔覆技術(shù)解決了速度的問(wèn)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(wèn)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(guò)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(shuō)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(guò)程的特寫(xiě)視圖；

圖4示意性地描繪了具有通過(guò)圖1至圖3中所示過(guò)程形成的冷卻通道的層；

圖5示意地描繪了具有通過(guò)重復(fù)圖1至圖3中所示過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(méi)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(lái)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(guò)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(kāi)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(mén)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(lái)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(lái)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(guò)使用若干已知的過(guò)程中的任意過(guò)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(méi)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(guò)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(guò)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(guò)現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何方式來(lái)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(guò)程的特寫(xiě)。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(guò)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(guò)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(lái)補(bǔ)充進(jìn)行熔化物的攪拌，這通過(guò)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(guò)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?？梢钥吹饺齻€(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(méi)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(méi)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(guò)程期間通過(guò)重復(fù)圖1至圖3中示出的熔覆過(guò)程而形成冷卻通道。該過(guò)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(méi)有冷卻通道。本公開(kāi)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(guò)后續(xù)機(jī)加工來(lái)提供，或者作為熔覆操作的一部分、通過(guò)使用包含豎向延伸腿部的預(yù)成形件來(lái)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(lái)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(guò)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(kāi))、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(guò)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(kāi)的過(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)程實(shí)現(xiàn)了此前這種過(guò)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(guò)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。