單晶合金構(gòu)件的分層制造
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及渦輪構(gòu)件，并且更具體地涉及用于構(gòu)造用于高溫環(huán)境中的單晶渦輪構(gòu)件的設(shè)備及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]典型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括渦輪機(jī)核心，其具有成串流關(guān)系的高壓壓縮機(jī)、燃燒器和高壓渦輪。核心可以以已知方式操作來(lái)生成主氣流。高壓渦輪包括一個(gè)或多個(gè)級(jí)，其從主氣流取得能量。各個(gè)級(jí)均包括靜止渦輪噴嘴，隨后是承載渦輪葉片的下游轉(zhuǎn)子。這些〃熱區(qū)段"構(gòu)件在極高溫度的環(huán)境中操作，其促進(jìn)金屬合金的熱腐蝕和氧化。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，熱區(qū)段構(gòu)件通常由具有良好抗高溫蠕變的鎳基或鈷基合金(通常稱為〃超級(jí)合金〃)鑄造成。這些合金主要設(shè)計(jì)成滿足機(jī)械性質(zhì)要求，諸如蠕變斷裂強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。
[0004]鑄造過(guò)程已知的是產(chǎn)生期望的微觀結(jié)構(gòu)，例如，定向固化(〃DS〃)或單晶(〃SX〃)。單晶微觀結(jié)構(gòu)是指沒(méi)有結(jié)晶晶界的結(jié)構(gòu)。單晶鑄造需要晶種元件(即，用于冷卻的成核點(diǎn))，以及冷卻期間對(duì)溫度的仔細(xì)控制。
[0005]增材制造為鑄造的備選過(guò)程，其中材料逐層構(gòu)建以形成構(gòu)件。不同于鑄造過(guò)程，增材制造僅由機(jī)器的位置辨析率限制，且不由如鑄造所需的提供傾斜角(draft angle)、避免懸垂等的要求限制。增材制造還由諸如〃分層制造〃、〃反向加工〃、〃直接金屬激光熔化〃(DMLM)和"3-D打印"的用語(yǔ)指出。此用語(yǔ)作為針對(duì)本發(fā)明的目的的同義詞看待。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)已知用于使用增材制造來(lái)產(chǎn)生熱區(qū)段構(gòu)件。例如，授予Morris等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公告2011/013592描述了一種工藝，其中構(gòu)件通過(guò)沉積金屬粉末隨后激光熔化的重復(fù)循環(huán)而構(gòu)建。激光熱輸入足以對(duì)于構(gòu)件的一部分保持所需的溶解溫度，但不可產(chǎn)生具有完全的單晶微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。
[0007]因此，所需的是一種用于具有單晶微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)件的增材制造的工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]該需求通過(guò)本發(fā)明解決，其提供了用于單晶合金構(gòu)件的分層制造的設(shè)備和方法。設(shè)備和方法結(jié)合外部熱控制設(shè)備的使用以有效地控制構(gòu)造下的構(gòu)件的溫度。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種制造構(gòu)件的方法包括:將金屬粉末沉積在工作面上；從定向能量源引導(dǎo)射束來(lái)以對(duì)應(yīng)于構(gòu)件的截面層的圖案熔化粉末;在循環(huán)中重復(fù)沉積和熔化的步驟來(lái)以逐層方式構(gòu)造構(gòu)件；以及在沉積和熔化的循環(huán)期間，使用與定向能量源分開(kāi)的外部熱控制設(shè)備保持構(gòu)件的預(yù)定溫度輪廓，使得所得到的構(gòu)件具有定向固化或單晶微觀結(jié)構(gòu)。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，粉末和構(gòu)件支承在構(gòu)造平臺(tái)上，平臺(tái)可沿垂直軸線移動(dòng)。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，該方法還包括在熔化粉末的各個(gè)步驟之后降低構(gòu)造平臺(tái)達(dá)到選擇的層增量。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，外部熱控制設(shè)備包括包繞構(gòu)件的隔熱物的層。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，外部熱控制設(shè)備包括包繞構(gòu)件的加熱器。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，外部熱控制設(shè)備包括定位在構(gòu)件附近的石英燈。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，外部熱控制設(shè)備包括包繞構(gòu)件的至少一個(gè)感應(yīng)線圈。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，外部熱控制設(shè)備用于將構(gòu)件保持在溶解溫度。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，外部熱控制設(shè)備用于在沉積和熔化期間控制構(gòu)件的溫度和加熱速率兩者。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種用于制造金屬構(gòu)件的設(shè)備包括:構(gòu)造封殼，其配置成保持預(yù)定成分的金屬粉末;定向能量源，其可操作成產(chǎn)生適合用于熔化金屬粉末的能量射束;射束操縱設(shè)備，其可操作成引導(dǎo)能量射束以對(duì)應(yīng)于構(gòu)件的截面層的圖案越過(guò)金屬粉末；以及與定向能量源分開(kāi)的外部熱控制設(shè)備，其可操作成保持構(gòu)造封殼內(nèi)的預(yù)定溫度輪廓。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，設(shè)備還包括設(shè)置在構(gòu)造封殼內(nèi)的構(gòu)造平臺(tái)，構(gòu)造平臺(tái)可沿垂直軸線移動(dòng)。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，外部熱控制設(shè)備包括包繞構(gòu)件的隔熱物的層。
[0021 ]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，外部熱控制設(shè)備包括包繞構(gòu)件的加熱器。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，外部熱控制設(shè)備包括定位在構(gòu)件附近的石英燈。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，外部熱控制設(shè)備包括包繞構(gòu)造封殼的至少一個(gè)感應(yīng)線圈。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，感應(yīng)線圈安裝在構(gòu)造封殼上方。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，感應(yīng)線圈通過(guò)連接到促動(dòng)器的臂安裝在構(gòu)造封殼上方，其中促動(dòng)器可操作成使感應(yīng)線圈在使用中的位置與遠(yuǎn)離構(gòu)造封殼的縮回位置之間移動(dòng)。
【附圖說(shuō)明】
[0026]本發(fā)明可連同附圖參照以下描述來(lái)最佳地理解，在附圖中:
圖1為根據(jù)本發(fā)明的方面構(gòu)建的示例性渦輪構(gòu)件的示意性透視圖；
圖2為根據(jù)本發(fā)明的方面構(gòu)建的增材制造設(shè)備的局部截面示意性側(cè)視圖；
圖3為沿圖2的線3-3截取的視圖；
圖4為根據(jù)本發(fā)明的方面構(gòu)建的增材制造設(shè)備的局部截面示意性側(cè)視圖；
圖5為沿圖4的線5-5截取的視圖；
圖6為根據(jù)本發(fā)明的方面構(gòu)建的增材制造設(shè)備的局部截面示意性側(cè)視圖；
圖7為沿圖6的線7-7截取的視圖；以及
圖8為根據(jù)本發(fā)明的方面構(gòu)建的備選渦輪構(gòu)件的示意性透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]參看附圖，其中相同的參考標(biāo)號(hào)表示貫穿各個(gè)視圖的相同元件，圖1示出了示例性渦輪葉片10。渦輪葉片10包括常規(guī)燕尾部12，其可具有包括柄腳的任何適合形式，柄腳接合轉(zhuǎn)子盤(未示出)中的燕尾槽的互補(bǔ)的柄腳，以用于在其在操作期間旋轉(zhuǎn)時(shí)將葉片10固持至盤。葉柄14從燕尾部12沿徑向向上延伸，且終止于平臺(tái)16，平臺(tái)16從柄部14沿側(cè)向向外突出且包繞柄部14。中空翼型件18從平臺(tái)16沿徑向向外延伸且延伸到熱氣流中。翼型件具有在平臺(tái)16和翼型件18的接合處的根部20，以及在其徑向外端處的末梢22。翼型件18具有在前緣28處和在后緣30處接合在一起的凹形壓力側(cè)壁24和凸形吸力側(cè)壁26。翼型件18可采用適合于從熱氣流獲得能量且引起轉(zhuǎn)子盤的旋轉(zhuǎn)的任何構(gòu)造。翼型件18可包括多個(gè)后緣冷卻孔32，或其可在翼型件18的壓力側(cè)壁24上包括一定數(shù)目的后緣放出槽口(未示出)。翼型件18的末梢22由末梢蓋34封閉，末梢蓋34可整體結(jié)合到翼型件18，或單獨(dú)地形成且附接到翼型件18。直立的聲響器末梢36從末梢蓋34沿徑向向外延伸，且設(shè)置成緊鄰組裝的發(fā)動(dòng)機(jī)中的靜止護(hù)罩(未示出)，以便最大限度減少越過(guò)末梢22的氣流損失。聲響器末梢36包括與壓力側(cè)末梢壁40成間隔開(kāi)的關(guān)系設(shè)置的吸力側(cè)末梢壁38。末梢壁40和38整體結(jié)合到翼型件18，且分別形成壓力側(cè)壁24和吸力側(cè)壁26的延伸部。壓力側(cè)末梢壁40和吸力側(cè)末梢壁38的外表面分別形成與壓力側(cè)壁24和吸力側(cè)壁26的外表面連續(xù)的表面。多個(gè)膜冷卻孔44穿過(guò)翼型件18的外壁。膜冷卻孔44與翼型件18的內(nèi)部空間(未示出)連通，內(nèi)部空間可包括由內(nèi)壁限定的冷卻通路的復(fù)雜布置，諸如蛇形構(gòu)造。
[0028]為了具有足夠的蠕變斷裂強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，且為了抵抗熱腐蝕和氧化，渦輪葉片10由諸如具有良好抗高溫蠕變的鎳基或鈷基合金(通常稱為"超級(jí)合金")的材料制成。
[0029]本發(fā)明提供了一種用于使用增材制造方法產(chǎn)生具有單晶(SX)微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)件的方法及設(shè)備。上文所述的渦輪葉片僅為需要此材料和微觀結(jié)構(gòu)且可使用本發(fā)明的原理制造的許多類型的構(gòu)件的一個(gè)示例。當(dāng)描述本發(fā)明的過(guò)程和設(shè)備時(shí)，將使用用語(yǔ)〃構(gòu)件〃，指定為〃C〃。
[0030]圖2示意性地示出了用于執(zhí)行本發(fā)明的制造方法的設(shè)備100?；A(chǔ)構(gòu)件為臺(tái)112、粉末供應(yīng)源114、刮具116、溢出容器118、可選由構(gòu)造封殼