本申請(qǐng)要求2014年8月24日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.62/041,884的優(yōu)先權(quán)。上述申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用加入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開(kāi)涉及用于單晶超合金和金屬的直寫(xiě)的裝置和方法。

背景技術(shù)：

該部分提供與本公開(kāi)有關(guān)的背景信息，這些背景信息不一定是現(xiàn)有技術(shù)。該部分還提供了對(duì)本公開(kāi)的總體概述，并且不是對(duì)本公開(kāi)的完整范圍和所有特征的全面披露。

諸如葉片或輪葉等的葉片(airfoil)部件通常由等軸的、定向凝固(DS)的或單晶(SX)的超合金形成。與等軸晶體的渦輪機(jī)葉片相比，定向凝固(DS)的或單晶(SX)的渦輪機(jī)葉片具有遠(yuǎn)為優(yōu)良的蠕變強(qiáng)度、熱疲勞抗性以及抗腐蝕性。在特定的用途中，與等軸晶體的渦輪機(jī)葉片相比，DS或SX渦輪機(jī)葉片已證實(shí)在蠕變強(qiáng)度和熱疲勞抗性方面具有高達(dá)九倍的相對(duì)壽命，并且針對(duì)抗腐蝕性，具有高達(dá)三倍以上的相對(duì)壽命。

然而，單晶鑄造是緩慢和昂貴的過(guò)程。如果發(fā)生設(shè)計(jì)變化，則需要制作新的模具。由于鎳超合金的高的熔融溫度，通常需要昂貴的陶瓷模具。另一方面，數(shù)字制造方法(如果被成功地應(yīng)用)能夠形成單晶而不使用模具，并且由此能夠使設(shè)計(jì)變化變得經(jīng)濟(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的原理，公開(kāi)了用于單晶超合金和金屬的直寫(xiě)的方法和裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，將襯底加熱到低于其熔點(diǎn)的預(yù)定溫度，并且使用激光在沉底的表面上形成熔融池。襯底設(shè)置在基板上，并且激光和基板可以相對(duì)彼此移動(dòng)，激光被用于直接金屬沉積并且襯底被加熱到低于其熔點(diǎn)的溫度。將超合金粉末引入到熔融池，并且控制熔融池的溫度以在熔融池的固體和液體界面上保持預(yù)定的熱梯度，以便于在襯底上形成單晶沉積。

根據(jù)該方法，提供了用于單晶超合金和金屬的直寫(xiě)的裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，裝置包括激光，具有功率輸出；基板，被配置為將襯底保持在其上；DMD頭，被配置為將超合金粉末流提供到襯底上；感應(yīng)熱源，被設(shè)置為將基板上的襯底加熱到預(yù)定溫度；以及控制器，用于控制激光的功率輸出以保持預(yù)定溫度?？刂破黜憫?yīng)于以下中的至少一個(gè)的測(cè)量溫度：襯底上的熔融池，以及超合金粉末。

根據(jù)本文提供的描述，其他的適用領(lǐng)域?qū)⒆兊蔑@而易見(jiàn)。本概述中的描述和特定示例僅是出于說(shuō)明目的，而并非是要限制本公開(kāi)的范圍。

附圖說(shuō)明

本文中描述的附圖僅出于對(duì)所選擇的實(shí)施例而非所有可能的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行說(shuō)明的目的，而不是要限制本公開(kāi)的范圍。

圖1示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)裝置；

圖2示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的熔融池溫度控制過(guò)程；以及

圖3示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于熔融池溫度控制器的算法的流程圖。

在附圖的全部多個(gè)視圖中，相對(duì)應(yīng)的附圖標(biāo)記指示相對(duì)應(yīng)的部分。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將參照附圖更完整地描述示例實(shí)施例。提供了示例實(shí)施例以使得本公開(kāi)變得充分，并且將范圍完整地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。闡述了大量的具體細(xì)節(jié)，例如特定部件、設(shè)備、以及方法的示例，以提供對(duì)本公開(kāi)的實(shí)施例的充分理解。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，特定的細(xì)節(jié)不需要被采用、示例實(shí)施例可以以多種不同的方式實(shí)現(xiàn)，并且這些細(xì)節(jié)和實(shí)施例都不應(yīng)該被解釋為限制本公開(kāi)的范圍。在一些示例實(shí)施例中，沒(méi)有詳細(xì)描述公知的過(guò)程、公知的設(shè)備結(jié)構(gòu)、以及公知的技術(shù)。

在本文中使用的術(shù)語(yǔ)僅出于描述特定示例實(shí)施例的目的而非旨在進(jìn)行限制。如本文中使用的，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”、以及“該”可能旨在還包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文明確地另外指示。術(shù)語(yǔ)“包括”、“含有”、“包含”、以及“具有”是開(kāi)放性的并且因此表示存在所描述的特征、單體、步驟、操作、元件、和/或部件，但不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、單體、步驟、元件、部件、和/或其組合的存在或添加。本文中描述的方法步驟、過(guò)程、以及操作不應(yīng)該被解釋為一定要求它們以討論或示出的特定順序來(lái)執(zhí)行，除非它們被特別標(biāo)識(shí)為順序執(zhí)行。還應(yīng)該理解的是，可以采用額外的或可替代的步驟。

直接金屬沉積(DMD，Direct Metal Deposition)，一種數(shù)字增材制造工藝，使用智能的閉環(huán)反饋系統(tǒng)來(lái)提供用于先進(jìn)燃?xì)鉁u輪機(jī)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性的解決方案。本文總體上提供了用于三維單晶形狀的直寫(xiě)的方法和裝置，這樣的直寫(xiě)是通過(guò)將固液界面處的溫度梯度保持在接近常數(shù)的很窄的窗口內(nèi)來(lái)促進(jìn)的。

這樣的三維單晶形狀具有作為燃?xì)鉁u輪機(jī)引擎的葉片的特定用途。然而，應(yīng)該理解的是，本公開(kāi)的教導(dǎo)不應(yīng)該被視為僅限于燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片應(yīng)用，而是還可以在廣闊范圍的應(yīng)用中使用。也就是說(shuō)，本文討論的示例性的合金組合物的使用不限于燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片，并且由此可以在其他制品中采用，其他制品例如是燃?xì)鉁u輪機(jī)噴嘴、輪葉、外罩，或用于燃?xì)鉁u輪引擎或類(lèi)似應(yīng)用的其他部件。

在示例性的實(shí)施例中，部件制品10大體上是單晶。也就是說(shuō)，部件制品10在體積上至少約80％，并且更優(yōu)選地在體積上至少約95％是具有單一晶向的單晶粒?？赡苡形⑿◇w積分?jǐn)?shù)的其他晶向并且還可能有由低角度邊界分隔的區(qū)域。單晶結(jié)構(gòu)是通過(guò)合金組合物的定向凝固來(lái)制備的，通常從籽晶或引起單晶的生長(zhǎng)以及單晶粒取向的其他結(jié)構(gòu)制備。

參照?qǐng)D1，總體上示出了裝置20，其使用與浮區(qū)方法(floating zone method)類(lèi)似的過(guò)程來(lái)為SX生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的溫度梯度和環(huán)境。裝置20一般包括工作臺(tái)21，工作臺(tái)21上布置有其他部件。單晶基板22用于引發(fā)外延生長(zhǎng)。單晶襯底23被示出為設(shè)置在單晶基板22上的平臺(tái)27上。單晶基板22可以相對(duì)于裝置20在垂直方向上移動(dòng)。如所示出的，線性移動(dòng)臺(tái)25設(shè)置在工作臺(tái)21上以控制單晶基板22的垂直移動(dòng)。

在一個(gè)實(shí)施例中，襯底是具有與沉積物大體相同的組成的單晶籽晶。例如，襯底和被沉積的材料兩者都可以是鎳基超合金。

感應(yīng)熱源24被引入以便于在單晶襯底23上保持穩(wěn)定的溫度梯度。如所示出的，感應(yīng)熱源24是相對(duì)于裝置20呈靜態(tài)的加熱線圈。由此，可以相對(duì)于感應(yīng)熱源24垂直地移動(dòng)單晶基板22以控制單晶襯底23與感應(yīng)熱源24間的距離。當(dāng)被設(shè)置在平臺(tái)27上時(shí)，襯底23可以被設(shè)置在感應(yīng)熱源24內(nèi)。

激光26被示出為從DMD頭28出射以在單晶襯底23上生長(zhǎng)單晶。如所示出的，4kW的激光26被用于形成單晶鎳基超合金樣品。然而，具有足夠能量來(lái)熔融金屬粉末的任何激光或熱源(例如，電子束)也適合于該過(guò)程。在示出的實(shí)施例中描述的實(shí)驗(yàn)僅使用了4KW中的幾百瓦特。DMD頭28可以在水平面上移動(dòng)(在X和Y軸二者上移動(dòng))以允許控制激光26的位置。由此，裝置10考慮使用用于形成單晶樣品的3軸移動(dòng)臺(tái)。

如在圖2中更具體地示出的，DMD頭28利用DMD粉末狀金屬傳送系統(tǒng)30來(lái)將超合金粉末32流送或傳送到由激光26生成的熔融池34。在一個(gè)實(shí)施例中，超合金粉末32包括鎳基超合金粉末。然而，如所期望的，任何合適的超合金可以被包括在粉末32中。

通過(guò)使用感應(yīng)熱源24，單晶襯底23的溫度被增加到接近熔融溫度(例如，當(dāng)襯底23是鎳基合金時(shí)，大約1200℃)。感應(yīng)熱源24幫助在固體和液體界面上保持熱梯度。

隨后，當(dāng)由于添加了接觸粉末32和襯底23的激光26而從覆層33形成熔融池34時(shí)，粉末32被沉積到單晶襯底23上。也就是說(shuō)，來(lái)自激光26的能量添加使粉末32和單晶襯底23的局部溫度升高以形成熔融池34。

覆層是與襯底的組成類(lèi)似的組合物。金屬粉末一般是具有合適尺寸和化學(xué)組成的氣霧化(gas-atomized)金屬粉末，以用于在覆層中得到期望的化學(xué)性質(zhì)。

在特定的實(shí)施例中，沉積氣氛由惰性氣體(例如，Ar、He、N₂等)形成以用于氧化保護(hù)。例如，惰性氣體可以流過(guò)包含裝置10的沉積腔室(未示出)。

現(xiàn)在參照?qǐng)D2，總體上示出了熔融池溫度控制器36。熔融池溫度控制器36被配置為保持大體恒定的熔融池溫度，這在固體與液體界面上保持了熱梯度。高溫計(jì)38以及其鏡頭39測(cè)量熔融池34的溫度并且向控制器36發(fā)送模擬信號(hào)。控制器36進(jìn)行處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為熔融池34的實(shí)際溫度，并且在熔融池34的溫度與參考溫度之間進(jìn)行比較，這給出最好質(zhì)量的沉積。

如果熔融池溫度34的溫度高于參考溫度，則控制器36向激光功率控制器40發(fā)送低電壓信號(hào)以降低激光功率。附加地或單獨(dú)地，控制器36還可以向感應(yīng)熱控制器41發(fā)送低壓信號(hào)。在熔融池溫度低于參考溫度的情況下，控制器36增加激光功率和/或感應(yīng)功率。隨著晶體生長(zhǎng)，由于更遠(yuǎn)離激光熱源，下部開(kāi)始冷卻，這導(dǎo)致固液界面溫度梯度的擾動(dòng)。感應(yīng)熱源24糾正了該問(wèn)題。

圖3示出了由控制器36使用的示例性方法42。在44處，讀取高溫計(jì)模擬輸入以確定熔融池的溫度。在46處，沉積過(guò)程開(kāi)始。在47處，激活感應(yīng)熱源24。在48處，將熔融池溫度與參考溫度相比較。如果熔融池溫度高于參考溫度，則在50處，向激光功率控制器40和/或感應(yīng)功率控制器41發(fā)送信號(hào)以分別降低激光功率和/或感應(yīng)功率。相反地，如果熔融池溫度低于參考溫度，則在52處，向激光功率控制器40和/或感應(yīng)功率控制器41發(fā)送信號(hào)以分別增加激光功率和/或感應(yīng)功率。在54處，測(cè)量熔融池溫度，并且過(guò)程重復(fù)。由此，在沉積期間，熔融池溫度可以被實(shí)時(shí)地控制。

在一個(gè)實(shí)施例中，控制器36、激光功率控制器40和/或感應(yīng)功率控制器41可以包括計(jì)算機(jī)或其他合適的處理單元。由此，在多個(gè)實(shí)施例中，控制器36可以包括合適的計(jì)算機(jī)可讀指令，當(dāng)這些指令被實(shí)施時(shí)，將控制器36配置為執(zhí)行各種不同的功能，例如，接收、發(fā)送和/或執(zhí)行激光功率輸出控制信號(hào)。

計(jì)算機(jī)一般包括處理器和存儲(chǔ)器。處理器可以是任何已知的處理設(shè)備。存儲(chǔ)器可以包括任何合適的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或媒體，包括但不限于RAM、ROM、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、閃存驅(qū)動(dòng)器、或其他存儲(chǔ)器設(shè)備。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)可以由處理器訪問(wèn)的信息，包括可以由處理器執(zhí)行的指令。該指令可以是任何指令集，當(dāng)由處理器執(zhí)行時(shí)，使得處理器提供期望的功能。例如，指令可以是以計(jì)算機(jī)可讀形式表示的軟件指令。當(dāng)軟件被使用時(shí)，任何合適的編程語(yǔ)言、腳本語(yǔ)言、或其他類(lèi)型的語(yǔ)言或語(yǔ)言的組合可以被用于實(shí)現(xiàn)包含在本文中的教導(dǎo)。可替代地，指令可以由硬線邏輯或其他電路實(shí)現(xiàn)，包括但不限于專(zhuān)用電路。

存儲(chǔ)器還可以包括可以由處理器取回、操縱或存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。例如，在接收從高溫計(jì)測(cè)量的溫度之后，存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)溫度信息。此外，存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)針對(duì)各種襯底材料和/或粉末材料的參考溫度。

計(jì)算設(shè)備可以包括用于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)訪問(wèn)信息的網(wǎng)絡(luò)接口。網(wǎng)絡(luò)可以包括諸如Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、LAN、WAN、互聯(lián)網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)和/或其他合適的網(wǎng)絡(luò)等的網(wǎng)絡(luò)的組合并且可以包括任何數(shù)量的有線或無(wú)線通信鏈接。例如，計(jì)算設(shè)備可以通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與高溫計(jì)和/或激光功率控制器通信。

如在方程1中所示的，單晶的生長(zhǎng)速率取決于固體中的溫度梯度：

R_max＝(K_s·G_s)/(p_s·H)

其中:R_max是最大晶體生長(zhǎng)速率，K_s是固體沉積晶體的熱導(dǎo)率，G_s是固液界面處的熱梯度，P_s是固體密度，以及H是融化潛熱。應(yīng)該注意到，K_s、P_s、以及H是材料特性并且不能夠由過(guò)程控制，但G_s可以。因此，組合起來(lái)的激光和感應(yīng)加熱提供了增加生長(zhǎng)速率的額外參數(shù)。

本發(fā)明由此去除了對(duì)用于生長(zhǎng)單晶的昂貴的模具的需求并且因此去除了從概念到實(shí)現(xiàn)的交付時(shí)間(lead time)。因此，雙加熱系統(tǒng)提供了工藝靈活性以及提高生產(chǎn)率的途徑?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，在一些實(shí)施例中，可以使用除了激光和感應(yīng)之外的可替代的熱源。這樣的可替代的熱源可以包括電子束、等離子弧、電弧、電阻加熱等。然而，針對(duì)所使用的特定的熱源，可能需要經(jīng)修改的控制算法。

已經(jīng)出于示例和描述的目的，提供了對(duì)實(shí)施例的上述描述。這并不是要窮盡或限制本公開(kāi)。特定實(shí)施例的單獨(dú)的元件或特征一般不限于該特定的實(shí)施例，但是，當(dāng)可以適用時(shí)，這些元件或特征是可互換的并且可以在選擇的實(shí)施例中使用，即使沒(méi)有特別地示出或描述。同一個(gè)實(shí)施例可以以多種方式變化。這樣的變化不應(yīng)該被視為對(duì)本公開(kāi)的偏離，并且所有這樣的修改都旨在被包括在本公開(kāi)的范圍內(nèi)。