技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)一般地涉及材料技術(shù)，并且更具體地涉及在任選存在熔劑組合物的情況下使用陶瓷材料和金屬材料的激光粉末沉積來(lái)制造和修復(fù)多材料部件。

背景技術(shù)：

增材制造使得部件能夠通過(guò)以層構(gòu)建所述部件來(lái)制造。當(dāng)應(yīng)用于金屬或陶瓷物體的制造時(shí)，將每個(gè)層熔化、燒結(jié)或以其他方式整合到先前的層上使得每個(gè)層可模制為最終物體的切片或剖面(sectional plane)。例如，選擇性激光熔融(SLM)和選擇性激光燒結(jié)(SLS)已用于由粉末床逐層構(gòu)建部件。在這些方法中，將部件最終材料或前體材料的粉末床沉積到工作表面上，然后將激光能量引導(dǎo)至遵循部件的橫截面形狀的粉末床上以產(chǎn)生部件的層或切片。然后經(jīng)沉積的層或切片對(duì)于下一層變?yōu)樾碌墓ぷ鞅砻妗?/p>

SLM和SLS通常限于平坦的工作表面，而激光微熔覆是能夠3D化的方法，其通過(guò)使用激光束熔化指向物體表面的粉末流來(lái)將小而薄的材料層沉積到表面上。在激光微熔覆中，通過(guò)氣體射流將粉末推向表面，并且當(dāng)粉末是金屬材料時(shí)，氣體通常為保護(hù)性惰性氣體，例如氬氣，其能夠保護(hù)所得熔融金屬免受大氣中的氧氣響影。然而，激光微熔覆受限于其低沉積速率(其范圍為約1cm³/小時(shí)至6cm³/小時(shí))。此外，由于保護(hù)氣體趨向于在覆層材料完全冷卻之前消散，所以在沉積物的表面上可能發(fā)生表面氧化和氮化。當(dāng)需要多層覆層材料以獲得期望的覆層厚度時(shí)，這樣的雜質(zhì)可能尤其成問(wèn)題。

當(dāng)使用SLM或SLS制造超級(jí)合金部件時(shí)，也趨向于發(fā)生類(lèi)似的問(wèn)題。即使當(dāng)在激光加熱期間通過(guò)施加惰性氣體(例如氬氣)保護(hù)經(jīng)熔融的超級(jí)合金材料免受大氣的影響時(shí)，這些方法也趨向于在所沉積的材料層內(nèi)捕集氧化物(例如，鋁和鉻的氧化物)，導(dǎo)致與所捕集的氧化物相關(guān)的多孔性、夾雜物和其他機(jī)械缺陷(例如，開(kāi)裂)。為了緩解這個(gè)問(wèn)題，已使用后沉積方法如熱等靜壓(HIP)來(lái)使這些空隙、夾雜物和開(kāi)裂坍塌以改善所沉積的涂層的熱特性和機(jī)械特性。

已提出了使用粉末狀金屬合金的靜態(tài)床的SLM和SLS以通過(guò)增材制造來(lái)制造超級(jí)合金部件。然而，使用這些技術(shù)生產(chǎn)的部件由于低生產(chǎn)率和品質(zhì)而受到限制。由于遞增沉積的層往往非常薄，因此使用粉末狀材料的靜態(tài)床大大地限制了生產(chǎn)率。此外，經(jīng)遞增處理的層或平面之間的界面通常遭受缺陷和有問(wèn)題的物理特性。使用混合床方法也不允許選擇性布置不同材料以形成包含多種材料的一體化體系。這種一體化體系可包括例如涂覆有擴(kuò)散結(jié)合MCrAlY涂層的內(nèi)部超級(jí)合金基底，其進(jìn)一步與外陶瓷熱障涂層(TBC)結(jié)合。

有必要選擇性布置不同的材料以便使用激光增材制造(Laser Additive Manufacturing，LAM)技術(shù)來(lái)有效地生產(chǎn)包含一體化體系的多材料部件，如圖1所示的燃?xì)廨啓C(jī)翼型20。圖1是示例性燃?xì)廨啓C(jī)翼型20的截面圖，所述燃?xì)廨啓C(jī)翼型20包括前緣22、后緣24、壓力側(cè)26、吸入側(cè)28、金屬基底30、冷卻通道32、分隔壁34、湍流器36、膜冷卻出口孔38、冷卻銷(xiāo)40和后緣出口孔42。在該實(shí)例中，盡管金屬基底30、分隔壁34、湍流器36和冷卻銷(xiāo)40由超級(jí)合金材料制成，但是翼型基底30的外表面涂覆有多孔陶瓷熱障涂層44。還可在超級(jí)合金基底30和熱障涂層44之間施加金屬結(jié)合涂層45(如MCrAlY)以增強(qiáng)超級(jí)合金層與陶瓷層之間的結(jié)合并進(jìn)一步保護(hù)超級(jí)合金材料免受外部氧化劑影響。

因此，使用LAM技術(shù)生產(chǎn)多材料部件(如圖1的翼型20)不僅需要選擇性布置不同的材料，而且還需要能夠?qū)@些不同的材料選擇性地施加不同的加工條件(即，激光加熱的位置和強(qiáng)度)。這是因?yàn)檫x擇性熔融超級(jí)合金粉末以形成金屬基底30通常需要不同于選擇性燒結(jié)陶瓷粉末以形成熱障涂層44的加熱條件。另一種嚴(yán)重的復(fù)雜性來(lái)自對(duì)保護(hù)超級(jí)合金粉末和所得金屬基底30避免與大氣氧化劑(如氧氣和氮?dú)?反應(yīng)的需要。特別對(duì)于大型翼型20，使用LAM技術(shù)還可能需要能夠在大氣條件下進(jìn)行SLM和SLS而不危害所得部件的化學(xué)和/或物理特性的能力。

附圖說(shuō)明

在以下描述中參考附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，附圖示出了：

圖1是一個(gè)示例性燃?xì)廨啓C(jī)翼型的剖面圖。

圖2是示出在工作表面上形成相鄰粉末層的粉末遞送裝置剖面圖。

圖3是用于生產(chǎn)多材料部件(其包含結(jié)合在一起作為一體化體系的超級(jí)合金層、結(jié)合涂層和陶瓷熱障涂層)的剖面的方法的透視圖。

圖4是用于生產(chǎn)一個(gè)示例性燃?xì)廨啓C(jī)翼型的剖面的方法的俯視圖，其中單獨(dú)的激光束加熱剖面中的單獨(dú)層以形成一體化體系。

圖5是用于生產(chǎn)一個(gè)示例性燃?xì)廨啓C(jī)翼型的剖面的方法的俯視圖，其中二極管激光器用于加熱剖面中的單獨(dú)層，并且激光吸收掩模用于部分地限定剖面的形狀并控制施加到剖面不同層上的激光能量。

圖6是圖5的方法的剖面圖，其中激光吸收掩模用于控制通過(guò)二極管激光器施加到剖面不同層上的激光能量的形狀和強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到需要發(fā)現(xiàn)能夠使用激光增材制造(LAM)來(lái)制備多材料部件(如圖1的示例性翼型20)的方法和材料。理想的方法允許選擇性地布置部件的各材料并以簡(jiǎn)單有效的方式對(duì)其進(jìn)行處理從而避免上述化學(xué)缺陷和機(jī)械缺陷，同時(shí)確保最終部件中一體化體系層的充分的互相結(jié)合和尺寸完整性。理想的方法還可允許制備大尺寸的部件而不需要嚴(yán)格使用無(wú)空氣條件同時(shí)仍然使不期望的化學(xué)缺陷和機(jī)械缺陷最小化。

發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)用于增材制造包含尺寸復(fù)雜、三維特征的多材料部件(其包括一體化體系)的方法。在這些方法中，將對(duì)應(yīng)于最終部件的不同結(jié)構(gòu)材料的單獨(dú)的粉末狀材料遞送到工作表面上以產(chǎn)生多重粉末沉積物，其中可精確控制多個(gè)相鄰粉末層的內(nèi)容物(content)和尺寸(即寬度、厚度和交疊)。然后進(jìn)行多個(gè)相鄰粉末層的激光加熱使得施加到不同粉末層上的激光能量的形狀和強(qiáng)度適配于適應(yīng)不同粉末層的內(nèi)容物和尺寸。激光吸收材料也可用于進(jìn)一步限定激光加熱的形狀和強(qiáng)度以賦予所得部件復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征。激光加熱各粉末層引起粉末適當(dāng)?shù)厝廴诨驘Y(jié)以形成作為一體化體系的構(gòu)成最終部件的剖面(即切片)的金屬和/或陶瓷層。敏感金屬與大氣試劑(例如，O₂和N₂)的反應(yīng)也可通過(guò)在配制用于激光粉末沉積的熔劑組合物的存在下進(jìn)行此加熱而最小化。

可以以增材的方式進(jìn)行這些加工步驟的各種組合使得由激光粉末沉積產(chǎn)生的剖面可用作新的工作表面，在其上可沉積另外的剖面以形成尺寸復(fù)雜的多種材料的部件，如圖1的示例性翼型20。獨(dú)立控制激光能量的形狀、軌跡和強(qiáng)度以適應(yīng)多個(gè)相鄰粉末層的內(nèi)容物和尺寸的能力有望大幅提高所得部件的結(jié)構(gòu)完整性以及增材制造方法的效率。此外，配制用于激光粉末沉積的熔劑組合物的使用有望減少不期望的化學(xué)缺陷和機(jī)械缺陷，同時(shí)避免進(jìn)行后沉積工藝步驟(如熱等靜壓(HIP))的需要。

圖2示出了用于將第一相鄰粉末層48、第二相鄰粉末層50和第三相鄰粉末層52以部件的給定剖面中對(duì)應(yīng)的第一剖面形狀、第二剖面形狀和第三剖面形狀遞送到工作表面54A上的方法和裝置。所得多重粉末沉積物至少部分地限定了由激光加工形成的所得剖面的形狀和組成。第一粉末層48、第二粉末層50和第三粉末層52可包含金屬和/或陶瓷組分，使得所得剖面形成包含經(jīng)由中間結(jié)合涂層與陶瓷熱涂層(TBC)結(jié)合的基底金屬的一體化體系。例如，第一粉末層48可為以圖1所示的翼型基底30的區(qū)域形狀遞送的結(jié)構(gòu)金屬，第二粉末層50可為以結(jié)合涂層45的區(qū)域形狀鄰近第一粉末層48遞送的結(jié)合涂層材料，并且第三粉末層52可為以熱障涂層44的區(qū)域形狀鄰近第二粉末層50遞送的陶瓷材料。在一些實(shí)施方案中，粉末層的至少之一還可包含熔劑組合物，其提供如下所述的至少一個(gè)保護(hù)特征。在另一些實(shí)施方案中，粉末層的至少之一可由單獨(dú)的熔劑組合物層覆蓋。

在一些實(shí)施方案中，可通過(guò)首先使第一粉末、第二粉末和/或第三粉末各自與粘合物質(zhì)(如水、醇、漆或粘合劑)接觸來(lái)增加多重粉末沉積物對(duì)工作表面54A的粘合性。用膠狀物質(zhì)對(duì)粉末進(jìn)行這種預(yù)潤(rùn)濕還可改善各層的層間粘合性以便控制各層之間交疊區(qū)處的材料梯度。可選地或另外的，在一些實(shí)施方案中，可通過(guò)在粉末沉積之后立即激光加工(熔融或燒結(jié))各粉末層來(lái)增加多重粉末沉積物對(duì)工作表面54A的粘合性。在這樣的實(shí)施方案中，可在粉末沉積之后立即同時(shí)熔融各層(在相同位置)，或者可沉積各層并立即在不同位置進(jìn)行熔融。例如，可沉積超級(jí)合金粉末48并且首先使用寬的高能量激光束立即將其熔融至工作表面54以形成所得超級(jí)合金層，然后可使結(jié)合涂層材料50沉積并且使用更聚焦的激光束立即將其熔融至鄰近超級(jí)合金層的固體邊緣以形成結(jié)合涂層，最后可隨后沉積陶瓷材料52并且使用經(jīng)調(diào)節(jié)以加強(qiáng)燒結(jié)的激光束立即將其燒結(jié)至鄰近結(jié)合涂層的固體邊緣以形成結(jié)合涂層。

還可在第一粉末與第二粉末之間遞送界面56以形成在兩個(gè)相鄰粉末層48、50之間提供材料梯度過(guò)渡的交疊區(qū)57。還可在第二粉末層50與第三粉末層52之間遞送界面58以形成工程機(jī)械互鎖。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述工程機(jī)械互鎖可由交替伸入彼此的第二粉末層50與第三粉末層52的交錯(cuò)指狀物形成。這種交錯(cuò)指狀物的布置描述于公開(kāi)號(hào)US2014/0099476(申請(qǐng)?zhí)?4/043037)的圖9中，其內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。

粉末遞送裝置60可具有適合于將粉末噴霧64遞送到焦點(diǎn)66的一個(gè)或更多個(gè)噴嘴62。粉末遞送裝置60可包括相對(duì)于工作表面54A的多軸運(yùn)動(dòng)61，使得噴嘴可遵循給定水平面中的非線性剖面輪廓，可移動(dòng)到相對(duì)于工作表面54A的不同平面或不同距離，并且可以以變化的速度和變化的角度遞送多種粉末。多軸運(yùn)動(dòng)61可通過(guò)在計(jì)算機(jī)控制下經(jīng)由軌道和旋轉(zhuǎn)軸承的工作臺(tái)55的運(yùn)動(dòng)和/或通過(guò)粉末遞送裝置60的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生。可通過(guò)離散顆粒建模模擬來(lái)預(yù)先確定粉末遞送參數(shù)(如噴嘴移動(dòng)速度、質(zhì)量遞送速率和噴灑角度)以?xún)?yōu)化所得剖面層的最終幾何形狀。

如上所述，用于形成多重粉末沉積物中的相鄰粉末層(例如，圖2中的層48、層50和層52)的各粉末可在噴涂步驟之前或期間與粘合物質(zhì)(如水、醇、漆或粘合劑)接觸，使得各粉末層保持期望的形狀直到發(fā)生激光加工將多重粉末沉積物轉(zhuǎn)化為部件的粘合剖面。

在一些實(shí)施方案中，根據(jù)各材料的加工收縮特性，可以以不同的厚度(高度)遞送多重粉末沉積物的各粉末層以在激光加工之后實(shí)現(xiàn)均勻厚度的所得剖面。公開(kāi)號(hào)US 2014/0099476(申請(qǐng)?zhí)?4/043037)的圖8中描述了具有不同層厚度的多重粉末沉積物的一個(gè)實(shí)例，其中第二粉末層50的厚度大于第三粉末層52的厚度，使得第二粉末層50與第三粉末層52之間的所得交疊區(qū)77包含了可變厚度的梯度材料過(guò)渡。

雖然圖2的所得多重粉末沉積物包含位于共同工作表面54A上的三個(gè)相鄰粉末層48、50和52，但是本公開(kāi)內(nèi)容的另一些實(shí)施方案可采用位于共同工作表面54A上的少于三個(gè)粉末層或可采用多于三個(gè)粉末層。此外，雖然圖2的所得多重粉末沉積物包含與位于同一工作表面54A上的至少一種其他粉末層直接接觸的三個(gè)相鄰粉末層，但是另一些實(shí)施方案可使用其中粉末層的至少之一不與位于同一工作表面上的另一種粉末層(相鄰或以其他方式)直接接觸的多重粉末沉積物。

在一些實(shí)施方案中，多重粉末沉積物的各粉末層不是使用粉末遞送裝置60遞送，而是可被遞送到工作表面54A上的至少一個(gè)預(yù)成型結(jié)構(gòu)中，所述預(yù)成型結(jié)構(gòu)由不同隔室(compartment)構(gòu)成，允許模塊化控制各粉末層的布置和激光沉積。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，將第一粉末層48、第二粉末層50和第三粉末層52遞送為包含用于各粉末的三個(gè)獨(dú)立隔室的預(yù)成型結(jié)構(gòu)。這種預(yù)成型結(jié)構(gòu)還可包含例如分離第一粉末層48與第二粉末層50的至少一個(gè)中間隔室，以提供如上所述的第一粉末與第二粉末之間的交疊區(qū)57(參見(jiàn)圖2)和材料梯度過(guò)渡。在另一些實(shí)施方案中，可對(duì)預(yù)成型結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖案化使得例如第二粉末層50與第三粉末層52之間的界面58處為由如上所述的交錯(cuò)指狀物形成的工程機(jī)械互鎖的形式。

預(yù)成型結(jié)構(gòu)還可包含至少一種熔劑組合物，其作為與各粉末層中一者或更多者的混合物(包含于相同的隔室中)或作為含熔劑組合物的單獨(dú)層(包含于至少一個(gè)單獨(dú)隔室中)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，形狀類(lèi)似于圖1的金屬基底30的第一隔室包含與第一熔劑組合物混合的超級(jí)合金粉末，形狀類(lèi)似于金屬結(jié)合涂層45的第二隔室包含與第二熔劑組合物混合的MCrAlY粉末，并且形狀類(lèi)似于陶瓷熱障涂層44的第三隔室包含還可包含第三熔劑組合物的陶瓷材料。在另一個(gè)實(shí)施方案中，例如，第一隔室僅包含超級(jí)合金粉末，第二隔室僅包含MCrAlY粉末，并且第三隔室僅包含陶瓷材料，但是第一隔室和第二隔室(超級(jí)合金/MCrAIY)由含熔劑組合物的第四隔室覆蓋。

這樣的預(yù)成型結(jié)構(gòu)的隔室通常由壁和密封的邊緣構(gòu)成，其中壁可以是任何類(lèi)型的片(例如保持部件的織物、膜或箔)并且邊緣可包含非金屬非熔融的激光阻擋材料(例如石墨或氧化鋯)。在一些實(shí)施方案中，預(yù)成型結(jié)構(gòu)可由某些熔劑材料構(gòu)成，例如氧化鋁或二氧化硅纖維的織物，其既用于保持預(yù)成型結(jié)構(gòu)的形狀和結(jié)構(gòu)完整性又用于提供激光加工期間如下所述的至少一個(gè)保護(hù)特征。

在使用例如粉末遞送裝置和/或預(yù)成型結(jié)構(gòu)沉積各粉末層(例如圖2中的層48、層50和層52)之后，隨后對(duì)所得多重粉末沉積物進(jìn)行激光加工以形成所制備的多材料部件的剖面。圖3示出了一個(gè)非限制性實(shí)例，其中多重粉末沉積物包含圖2的第一粉末層48、第二粉末層50和第三粉末層52并且經(jīng)歷使用兩束單獨(dú)的激光束74和76的激光加工以形成圖1的翼型20的剖面。在圖3的實(shí)施方案中，第一粉末層48包含超級(jí)合金金屬粉末65與第一熔劑組合物67的混合物，第二粉末層50包含MCrAlY粉末68與第二熔劑組合物70的混合物，并且第三粉末層52包含陶瓷粉末72。該多重粉末沉積物還包含第一粉末層48與第二粉末層50之間的第一交疊區(qū)57和第二粉末層50與第三粉末層52之間的第二交疊區(qū)58。這些層都位于任選可移動(dòng)的工作臺(tái)55的公共工作表面54A上。如上所述，在一些實(shí)施方案中，多重粉末沉積物可保持其形狀且粘合到工作表面54A上，原因是第一粉末、第二粉末和/或第三粉末可與粘合物質(zhì)混合或用粘合物質(zhì)潤(rùn)濕。

在圖3的示例性實(shí)施方案中，通過(guò)獨(dú)立控制第一激光束74和第二激光束76的尺寸、形狀、強(qiáng)度、軌跡和速度來(lái)對(duì)各粉末層進(jìn)行激光加工，使得多重粉末沉積物目標(biāo)部分的激光加熱適配于適應(yīng)每個(gè)相應(yīng)的粉末層的形狀和內(nèi)容物。在該實(shí)例中，相對(duì)于超級(jí)合金粉末層48的寬度和陶瓷粉末層52的寬度，MCrAlY粉末層50的寬度相對(duì)較薄。為了確保適當(dāng)控制施加到陶瓷粉末層52上的熱(以?xún)H影響部分熔融以產(chǎn)生經(jīng)燒結(jié)的TBC層)，本實(shí)施方案將第一激光束74施加到超級(jí)合金粉末層48上并將第二激光束76施加到陶瓷粉末層52上，并且依賴(lài)來(lái)自相鄰經(jīng)加熱層之一或二者的傳導(dǎo)加熱使MCrAlY粉末層50熔融。

如圖3所示，使第一激光束74成形為使得其寬度大致匹配超級(jí)合金粉末層48的寬度，并且使第二激光束76成形為使得其寬度大致匹配陶瓷粉末層52的寬度。在一些實(shí)方案中，第一激光束74和/或第二激光束76的寬度小于或等于相應(yīng)的第一粉末層48和/或第二粉末層52的寬度。在另一些實(shí)施方案中，第一激光束74和/或第二激光束76的寬度可超過(guò)相應(yīng)的第一粉末層48和/或第二粉末層52的寬度。

通過(guò)第一激光束74施加到超級(jí)合金粉末層48上的熱使得超級(jí)合金金屬粉末65和第一熔劑組合物67熔融并形成超級(jí)合金熔池80，然后使其冷卻并凝固成冷卻的超級(jí)合金層86。如圖3的截面圖所示，經(jīng)冷卻的超級(jí)合金層86由經(jīng)第一渣層90覆蓋的超級(jí)合金覆層88形成。來(lái)自超級(jí)合金熔池80的熱也被傳遞到相鄰的MCrAlY粉末層50，使得MCrAlY粉末68和第二熔劑組合物70熔融并形成MCrAlY熔池82，然后允許其冷卻并凝固成冷卻的MCrAlY層92。如圖3的截面圖所示，冷卻的MCrAlY層92由經(jīng)第二渣層96覆蓋的MCrAlY結(jié)合涂層覆層94形成，使得超級(jí)合金覆層88和MCrAlY結(jié)合涂層94通過(guò)第一交疊區(qū)100結(jié)合在一起。

通過(guò)第二激光束76將熱獨(dú)立地施加到陶瓷粉末層52上使得陶瓷粉末72在陶瓷加熱區(qū)域84內(nèi)部分熔融，然后使其冷卻并凝固成經(jīng)燒結(jié)的熱障涂層98，經(jīng)燒結(jié)的熱障涂層98經(jīng)由第二交疊區(qū)102與MCrAlY結(jié)合涂層94結(jié)合。如圖3的截面圖所示，冷卻的金屬層86和92的組合厚度(高度)可超過(guò)經(jīng)燒結(jié)的熱障涂層98的厚度(高度)，原因是存在覆蓋超級(jí)合金覆層88和MCrAlY結(jié)合涂層94的第一渣層90和第二渣層96。然后使用機(jī)械去除和/或化學(xué)去除對(duì)第一渣層90和第二渣層96隨后進(jìn)行去除，以產(chǎn)生包含結(jié)合為一體化體系的超級(jí)合金層、MCrAlY結(jié)合涂層和陶瓷TBC層的部件的剖面。

在另一些實(shí)施方案中，可使用第三激光束單獨(dú)加熱MCrAlY粉末層50，對(duì)所述第三激光束進(jìn)行獨(dú)立地控制使得其尺寸、形狀、強(qiáng)度、軌跡和速度適應(yīng)MCrAlY粉末層50的形狀和內(nèi)容物。在又一個(gè)實(shí)施方案中，可通過(guò)具有可變輸出的單激光發(fā)射器或通過(guò)對(duì)不同粉末層具有不同輸出的多激光發(fā)射器來(lái)提供施加到多重粉末沉積物的各粉末層的激光能量。一些實(shí)施方案采用適合于在二維空間上調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度的單激光源來(lái)產(chǎn)生多強(qiáng)度激光束，其中，例如第一激光能量和第二激光能量出現(xiàn)在多強(qiáng)度激光束內(nèi)的不同空間位置處。能夠在二維空間上調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度的激光源的一個(gè)實(shí)例是二極管激光器。在另一些實(shí)施方案中，通過(guò)適合于例如產(chǎn)生矩形激光束的二極管激光源提供第一激光能量，并且通過(guò)適合于產(chǎn)生非矩形激光束的第二激光源提供第二激光能量。

圖3的第一激光源74和第二激光源76可包括相對(duì)于工作表面54A的多軸運(yùn)動(dòng)78A、78B，使得激光器可遵循給定平面中的非線性剖面輪廓，并且可以將其激光束定位并指向期望的角度和點(diǎn)尺寸。可選地或除此之外，工作臺(tái)55可包括相對(duì)于第一激光束74和第二激光束76的多軸運(yùn)動(dòng)。

圖4示出了圖3中描繪的激光加工的一個(gè)實(shí)施方案的俯視圖，其中激光束74和激光束76獨(dú)立地遵循對(duì)應(yīng)于第一粉末層48和第三粉末層52的非線性剖面形狀輪廓的單獨(dú)路徑。所得剖面為圖1中描繪的翼型20的切片。如圖4所示，使第一激光束74橫越(traverse over)超級(jí)合金粉末層48表面以形成包含超級(jí)合金覆層88的經(jīng)冷卻的超級(jí)合金層86(其表示圖1中金屬基底30的剖面部分)。MCrAlY粉末層50通過(guò)相鄰超級(jí)合金熔池80(或通過(guò)正在冷卻凝固的超級(jí)合金層)進(jìn)行加熱以形成MCrAlY熔池82，其冷卻并凝固成MCrAlY結(jié)合涂層92(其表示圖1中金屬結(jié)合涂層45的剖面部分)。同時(shí)，使第二激光束76橫越陶瓷粉末層52表面以形成經(jīng)燒結(jié)的TBC層98(其表示圖1中陶瓷TBC 44的剖面部分)。

在一些實(shí)施方案中，MCrAlY粉末層50不通過(guò)超級(jí)合金熔池80進(jìn)行熔融，而是在形成超級(jí)合金層沉積物86之后使其沉積，然后使用單獨(dú)的激光束進(jìn)行熔融或者使用來(lái)自相鄰陶瓷粉末層52(其使用單獨(dú)的激光束進(jìn)行燒結(jié))的熱進(jìn)行熔融。在又一些實(shí)施方案中，可使MCrAlY粉末層50在形成超級(jí)合金層86和陶瓷熱障層98二者之后沉積，然后可用激光束單獨(dú)熔融。在一些情況下，可在超級(jí)合金粉末層48熔融之后使MCrAlY粉末層50沉積，使得來(lái)自凝固的(但仍然在冷卻)的超級(jí)合金層86的殘余熱使得MCrAlY粉末層50熔融以形成不同的MCrAlY層92。

圖4中被第一激光束和第二激光束橫越的非線性?huà)呙杪窂娇捎糜谠诩す馐采w各粉末材料的區(qū)域時(shí)使激光強(qiáng)度變化的數(shù)目最小化。在另一些實(shí)施方案中，激光束可被編程為遵循平行的線性?huà)呙杪窂?，其中?duì)于通過(guò)光束加熱的每種不同的材料，可改變光束的激光強(qiáng)度。在又一些實(shí)施方案中，激光束可被編程為遵循與部件壁垂直或近似垂直的掃描路徑。公開(kāi)號(hào)US 2014/0099476(申請(qǐng)?zhí)?4/043037)的圖4至圖6描繪了包括平行線性?huà)呙杪窂?圖5)和垂直或近似垂直掃描路徑(圖6)的示例性?huà)呙杪窂健?/p>

可根據(jù)所制造的部件的相應(yīng)尺寸來(lái)控制和改變至少一個(gè)激光束的尺寸。例如，可控制激光束的寬度尺寸以對(duì)應(yīng)于部件中的層的變化尺寸(如厚度)。還可在激光束沿著粉末層向前移動(dòng)時(shí)來(lái)回光柵掃描(raster)激光束以產(chǎn)生區(qū)域能量分布。此外，可同時(shí)光柵掃描兩個(gè)能量束來(lái)實(shí)現(xiàn)跨表面區(qū)域的期望的能量分布，任選地光束圖案之間具有一定程度的重疊。

還可控制至少一個(gè)激光束的形狀和強(qiáng)度以適應(yīng)所加工的粉末層的尺寸及其組成。雖然圖3和圖4描繪的非限制性實(shí)例中激光束74和激光束76大致是圓形形狀，但是另一些實(shí)施方案可使用具有不同形狀(包括矩形或近似矩形)的激光束。此外，當(dāng)使用多于一個(gè)激光束來(lái)加工幾個(gè)不同的粉末層時(shí)，不同的激光束可采用不同的形狀以適應(yīng)不同粉末層的各種尺寸。

用于產(chǎn)生寬區(qū)域激光曝光的光學(xué)條件和硬件可包括但不限于激光束的散焦、使用在聚焦處產(chǎn)生矩形能量源的一個(gè)或更多個(gè)二極管激光器、使用集成光學(xué)器件(如分塊鏡)在焦點(diǎn)處產(chǎn)生矩形能量源、在一個(gè)或更多個(gè)維度上進(jìn)行激光束的掃描(光柵掃描)、以及使用可變光束直徑的聚焦光學(xué)器件。如在選擇性激光熔融或燒結(jié)過(guò)程中的，可對(duì)光學(xué)器件和/或工作表面的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行編程以構(gòu)建定制形狀的層沉積物。為此，可控制激光束源使得激光器參數(shù)如激光器的激光功率、掃描區(qū)域尺寸和激光的橫越速度，從而使所得沉積物的厚度(寬度)對(duì)應(yīng)于預(yù)先形成的(下層)基底厚度(寬度)或適應(yīng)于經(jīng)受激光熔融或燒結(jié)的特定材料。

在另一些實(shí)施方案中，還可通過(guò)使用激光吸收材料來(lái)提高對(duì)激光能量的尺寸、形狀、軌跡和強(qiáng)度的這種高度控制。圖5示出了一個(gè)實(shí)例，其中激光吸收掩模104位于多重粉末沉積物上方，使得由單個(gè)二極管激光源106供應(yīng)的激光能量選擇性地發(fā)射到第一粉末層48、第二粉末層50和第三粉末層52上。激光吸收掩模104包含阻擋由二極管激光源106發(fā)射的激光能量的激光吸收材料，使得掩模104限定了所得多材料部件的內(nèi)表面和外表面(通過(guò)限定中間剖面的內(nèi)部形狀和外部形狀)并且還可限定對(duì)應(yīng)于部件中的冷卻通道出口孔38的空區(qū)域112。

如圖5所示，二極管激光源106沿著多重粉末沉積物的非線性剖面形狀橫越使得到達(dá)各粉末層48、50和52表面的激光能量引起熔融或燒結(jié)以形成相應(yīng)的超級(jí)合金層86、MCrAlY層92和陶瓷TBC層98。當(dāng)二極管激光源106橫越激光吸收掩模104的一部分時(shí)，然后激光能量被吸收而位于掩模104下方的粉末保持不受影響。在形成所得剖面之后可除去未受影響的粉末(連同由于熔劑組合物的存在而形成的任何渣層)以產(chǎn)生包含對(duì)應(yīng)于圖1的翼型20中的冷卻通道出口孔38的一個(gè)或更多個(gè)空區(qū)域112的剖面。

在一些實(shí)施方案中，使用激光吸收材料(如圖5中的激光吸收掩模104)還可使單個(gè)激光源能夠以不同激光強(qiáng)度同時(shí)加熱多個(gè)粉末層。圖6的下半部分示出了圖5方法的剖面圖，其中二極管激光源106與激光吸收掩模104的相對(duì)布置允許用不同的激光強(qiáng)度進(jìn)行選擇性加熱，所述不同的激光強(qiáng)度基于二極管激光源106產(chǎn)生多強(qiáng)度激光束的能力。圖6的上半部分示出了在該實(shí)施方案的多強(qiáng)度激光束內(nèi)的激光能量強(qiáng)度116相對(duì)于空間位置118的曲線圖114，其中較低強(qiáng)度的激光光子108存在于激光束的中部(內(nèi)部)中，并且較高強(qiáng)度的激光光子110存在于激光束的側(cè)部(外部)中。在該非限制性實(shí)例中，激光吸收掩模104位于二極管激光源106與包含圖3的第一粉末層48、第二粉末層50和第三粉末層52的多重粉末沉積物之間。

因?yàn)槎O管激光源106相對(duì)于多重粉末沉積物的寬度向左偏移(也參見(jiàn)圖5)，所以從二極管激光源106的左側(cè)發(fā)射的較高強(qiáng)度的激光光子110完全被阻擋并且到達(dá)不了工作表面54A。因此，僅第一粉末層48的一部分被較低強(qiáng)度的激光光子108加熱以形成超級(jí)合金熔池80，而第一粉末層48被阻擋的部分保持未加熱以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于圖1中翼型20的冷卻通道出口孔38的空區(qū)域112。進(jìn)一步定位二極管激光源106使得第二粉末層50也被較低強(qiáng)度的激光光子108加熱以形成MCrAIY熔池82。重要地，因?yàn)榈谌勰?2位于二極管激光源106右側(cè)部分的下方，所以陶瓷粉末被較高強(qiáng)度的激光光子110加熱以形成陶瓷加熱部分84。

在另一些實(shí)施方案中，單個(gè)激光源(例如二極管激光源106)可用于同時(shí)處理不直接接觸的兩個(gè)粉末層(例如，超級(jí)合金粉末層48和陶瓷粉末層52)，隨后可在所得層之間沉積第三粉末層(例如MCrAlY粉末層50)，并且然后用單獨(dú)的激光束使其熔融以確保形成獨(dú)立的層。

如圖6的非限制性實(shí)施方案所示，基于激光吸收掩模104的形狀和位置以及多強(qiáng)度激光束的形狀和尺寸，許多不同的加熱配置是可能的。激光吸收掩模104可以是靜態(tài)掩模或由對(duì)激光能量不透明的耐激光能量材料構(gòu)成的可移動(dòng)掩模。這樣的材料可包括對(duì)寬范圍的激光波長(zhǎng)不透明的材料(如石墨)或者可反射某些激光波長(zhǎng)的材料(如銅)?？蛇x地使用多于一個(gè)的激光吸收掩模104，其中一個(gè)或更多個(gè)掩?？蔀殪o態(tài)的或可移動(dòng)的以產(chǎn)生不同的形狀，這不同于可對(duì)所制造的多材料部件的每個(gè)剖面改變掩模。作為實(shí)例，用于渦輪輪葉或葉片的翼型可限定從平臺(tái)到葉片或輪葉的尖端的逐漸扭轉(zhuǎn)。因此，在制造翼型時(shí)，可使激光吸收掩模104圍繞中心軸線旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生逐漸扭轉(zhuǎn)。

在另一些實(shí)施方案中，激光源106可適合于產(chǎn)生其他多強(qiáng)度激光束(不同于圖6中示出的實(shí)例)，其中在二維空間上調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度以產(chǎn)生多種強(qiáng)度圖案。在多強(qiáng)度激光束內(nèi)在不同空間位置處產(chǎn)生不同激光強(qiáng)度的能力允許用單個(gè)激光源遵循單個(gè)掃描圖案之后選擇性地加熱多個(gè)粉末層。多于一個(gè)的能夠發(fā)射多強(qiáng)度激光束的激光源還可以用于單獨(dú)橫越不同的掃描圖案(如圖3和4所示)。

本公開(kāi)內(nèi)容的方法可應(yīng)用于各種場(chǎng)合，包括多壁部件的制造和修復(fù)，所述多壁部件由任選地經(jīng)由中間結(jié)合涂層與保護(hù)性陶瓷TBC層結(jié)合的金屬基底構(gòu)成。術(shù)語(yǔ)“金屬”在本文中以一般含義用于描述純?cè)匦问降慕饘俸秃辖鹦问降慕饘俚幕旌衔?。在一些?shí)施方案中，金屬基底可以由超級(jí)合金構(gòu)成。術(shù)語(yǔ)“超級(jí)合金”在本文中以一般含義用于描述表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和高溫下抗蠕變性以及良好的表面穩(wěn)定性的高度耐腐蝕和抗氧化的合金。超級(jí)合金通常包含基本合金元素鎳、鈷或鎳-鐵。超級(jí)合金的實(shí)例包括以以下商標(biāo)和商品名出售的合金：Hastelloy、Inconel合金(例如IN700、IN 738、IN 792、IN 939)、Rene合金(例如Rene N5、Rene 80、Rene 142)、Haynes合金、Mar M、CM 247、CM 247LC、C 263、C 718、X-750、ECY 768、ECY 282、X 45、PWA 1483和CMSX單晶合金(例如CMSX-4、CMSX-8、CMSX-10)。

合適的陶瓷TBC材料包括含氧化鋯的材料，特別是化學(xué)穩(wěn)定的氧化鋯(例如，與其他金屬共混的氧化鋯)，例如氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)。結(jié)合涂層通常采用中間粘合層的形式，其通常為式MCrAlX(其中“M”表示Fe、Ni或Co，“X”表示Ta、Re、Y、Zr、Hf、Si、B或C)的合金、簡(jiǎn)單的鋁化合物(aluminide，NiAl)或鉑改性的鋁化合物((Ni、Pt)Al)。最典型地，結(jié)合涂層為包含MCrAlY合金的中間層。

如上所述，一些實(shí)施方案使用提供至少一種保護(hù)功能的至少一種熔劑組合物。熔劑組合物和所得渣層提供許多有益的功能，改善了使用本公開(kāi)內(nèi)容的方法制造的多材料的化學(xué)特性和機(jī)械特性。

第一，熔劑組合物和渣層可增加以熱形式傳遞到粉末層的激光能量的比例。這種熱吸收的增加可能是由于熔劑組合物的組成和/或形式而發(fā)生。在組成方面，可將熔劑配制為包含至少一種能夠吸收激光束的波長(zhǎng)處的激光能量的化合物。增加激光吸收化合物的比例導(dǎo)致施加到粉末層的激光能量(作為熱)的量的相應(yīng)增加。這種熱吸收的增加可通過(guò)允許使用較小和/或較低功率的激光源來(lái)提供更大的通用性，從而能夠?qū)Τ练e的粉末層進(jìn)行更復(fù)雜的激光加工。在一些情況下，激光吸收化合物還可以是在激光照射時(shí)分解而釋放出額外熱的放熱化合物。

熔劑組合物的形式還可通過(guò)改變其厚度和/或顆粒尺寸來(lái)影響激光吸收。如上所述，一些實(shí)施方案采用沉積在至少一個(gè)粉末層表面上的至少一個(gè)單獨(dú)的熔劑層。在這樣的情況下，激光加熱的吸收通常隨著熔劑組合物層厚度的增加而增加。增加熔劑層的厚度還增加了所得熔渣覆蓋層的厚度，這可進(jìn)一步增強(qiáng)激光能量的吸收。本公開(kāi)內(nèi)容的方法中的熔劑層的厚度通常為約1mm至約15mm。在一些情況下，厚度為約3mm至約12mm，而在另一些情況下，厚度為約5mm至約10mm。

減小熔劑組合物的平均顆粒尺寸還引起激光能量吸收的增加(推測(cè)是通過(guò)增加細(xì)顆粒床內(nèi)的光子散射和通過(guò)與增加的總顆粒表面積的相互作用而增加的光子吸收)。在顆粒尺寸方面，盡管商業(yè)熔劑的平均顆粒尺寸在直徑上(或者如果不是圓形的話(huà)則為近似尺寸)通常為約0.5mm至約2mm(500微米至2000微米)，但是本公開(kāi)內(nèi)容的一些實(shí)施方案中的熔劑組合物的平均顆粒尺寸在直徑上為約0.005mm至約0.10mm(5微米至100微米)。在另一些情況下，平均顆粒尺寸為約0.01mm至約5mm，或約0.05mm至約2mm。在另一些情況下，平均顆粒尺寸在直徑上為約0.1mm至約1mm，或在直徑上為約0.2mm至約0.6mm。

第二，熔劑組合物和所得渣層90、96均可起到保護(hù)熔池80、82的區(qū)域和凝固的(但仍然熱的)金屬層88、94免受大氣影響的作用。熔渣漂浮到表面以使熔融或熱的金屬與大氣分離，并且可將熔劑組合物配制為產(chǎn)生至少一種屏蔽劑，其在暴露于激光光子或加熱時(shí)產(chǎn)生至少一種保護(hù)氣體。屏蔽劑包括金屬碳酸鹽如碳酸鈣(CaCO₃)、碳酸鋁(Al₂(CO₃)₃)、碳鈉鋁石(NaAl(CO₃)(OH)₂)、白云石(CaMg(CO₃)₂)、碳酸鎂(MgCO₃)、碳酸錳(MnCO₃)、碳酸鈷(CoCO₃)、碳酸鎳(NiCO₃)、碳酸鑭(La₂(CO₃)₃)和已知形成保護(hù)和/或還原氣體(例如CO、CO₂、H₂)的其他試劑。渣層90、96和任選的保護(hù)氣體的存在可避免在惰性氣體(例如氦氣和氬氣)的存在下或在密封室(例如真空室或惰性氣體室)內(nèi)或使用其他用于排除空氣的特定裝置進(jìn)行激光加工的需求或使上述需求最小化。

第三，渣層90、96可充當(dāng)絕緣層，其允許所得金屬層88、94緩慢且均勻地冷卻，從而減少可能導(dǎo)致焊后開(kāi)裂和再熱或應(yīng)變時(shí)效開(kāi)裂的殘余應(yīng)力。這樣覆蓋在沉積的金屬層上方并與其相鄰的渣可進(jìn)一步增強(qiáng)向工作表面54A的熱傳導(dǎo)，在一些實(shí)施方案中這可促進(jìn)定向凝固以在所得金屬基底層88中形成細(xì)長(zhǎng)(單軸的)晶粒。

第四，渣層90、96有助于成形并支承熔池80、82以使其保持接近期望的高/寬比(例如1/3的高/寬比)。這種形狀控制和支承進(jìn)一步降低凝固應(yīng)力，否則該凝固應(yīng)力將施加至所得金屬層88、94。

第五，熔劑組合物和渣層90、96可提供清潔效應(yīng)，用于去除導(dǎo)致較差特性的痕量雜質(zhì)。這樣的清潔可包括熔池80、82的去氧化。因?yàn)槿蹌┙M合物與相應(yīng)的粉末層緊密接觸，在實(shí)現(xiàn)該功能上特別地有效。一些熔劑組合物還可配制為含有至少一種能夠從熔池中除去不期望的雜質(zhì)的清除劑。清除劑包括金屬氧化物和金屬氟化物例如氧化鈣(CaO)、氟化鈣(CaF₂)、氧化鐵(FeO)、氧化鎂(MgO)、氧化錳(MnO、MnO₂)、氧化鈮(NbO、NbO₂、Nb₂O₅)、氧化鈦(TiO₂)、氧化鋯(ZrO₂)以及已知與有害元素如硫和磷反應(yīng)的其他試劑，以及已知可產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶體以形成預(yù)期“漂浮”在所得渣層中的低密度副產(chǎn)物的元素。

此外，熔劑組合物可配制為補(bǔ)償在加工期間揮發(fā)或反應(yīng)的元素的損失或者主動(dòng)地向沉淀物提供不另外由粉末層提供的元素。這樣的引導(dǎo)劑(vectoring agent)包括含鈦、鋯、硼和鋁的化合物和材料，例如鈦合金(Ti)、氧化鈦(TiO₂)、榍石(CaTiSiO₅)、鋁合金(Al)、碳酸鋁(Al₂(CO₃)₃)、碳鈉鋁石(NaAl(CO₃)(OH)₂)、硼酸鹽礦物(例如四水硼砂、硼砂、硼鈉鈣石、硬硼鈣石)、鎳鈦合金(鎳鈦諾(Nitinol))、氧化鈮(NbO、NbO₂、Nb₂O₅)和用于向熔融合金補(bǔ)充元素的其他含金屬的化合物和材料。如以下所描述的某些金屬氧酸鹽也可用作引導(dǎo)劑。

本公開(kāi)內(nèi)容的熔劑組合物可包含選自金屬氧化物、金屬鹵化物、金屬氧酸鹽和金屬碳酸鹽的一種或更多種無(wú)機(jī)化合物。這樣的化合物可以用作(i)光學(xué)透射載體；(ii)粘度/流動(dòng)性增強(qiáng)劑；(iii)屏蔽劑；(iv)清除劑；和/或(v)引導(dǎo)劑。

合適的金屬氧化物包括如下化合物，舉幾個(gè)來(lái)說(shuō)，例如：

Li₂O，BeO，B₂O₃，B₆O，MgO，Al₂O₃，SiO₂，CaO，Sc₂O₃，TiO，TiO₂，Ti₂O₃，VO，V₂O₃，V₂O₄，V₂O₅，Cr₂O₃，CrO₃，MnO，MnO₂，Mn₂O₃，Mn₃O₄，F(xiàn)eO，F(xiàn)e₂O₃，F(xiàn)e₃O₄，CoO，Co₃O₄，NiO，Ni₂O₃，Cu₂O，CuO，ZnO，Ga₂O₃，GeO₂，AS₂O₃，Rb₂O，SrO，Y₂O₃，ZrO₂，NiO，NiO₂，Ni₂O₅，MoO₃，MoO₂，RuO₂，Rh₂O₃，RhO₂，PdO，Ag₂O，CdO，In₂O₃，SnO，SnO₂，Sb₂O₃，TeO₂，TeO₃，Cs₂O，BaO，HfO₂，Ta₂O₅，WO₂，WO₃，ReO₃，Re₂O₇，PtO₂，Au₂O₃，La₂O₃，CeO₂，Ce₂O₃及其混合物。

合適的金屬鹵化物包括如下化合物，舉幾個(gè)來(lái)說(shuō)，例如：

LiF，LiCl，LiBr，Lil，Li₂NiBr₄，Li₂CuCl₄，LiASF₆，LiPF₆，LiAlCl₄，LiGaCl₄，Li₂PdCl₄，NaF，NaCl，NaBr，Na₃AlF₆，NaSbF₆，NaAsF₆，NaAuBr₄，NaAlCl₄，Na₂PdCl₄，Na₂PtCl₄，MgF₂，MgCl₂，MgBr₂，AlF₃，KCl，KF，KBr，K₂RuCl₅，K₂lrCl₆，K₂PtCl₆，K₂PtCl₆，K₂ReCl₆，K₃RhCl₆，KSbF₆，KASF₆，K₂NiF₆，K₂TiF₆，K₂ZrF₆，K₂Ptl₆，KAuBr₄，K₂PdBr₄，K₂PdCl₄，CaF₂，CaF，CaBr₂，CaCl₂，Cal₂，ScBr₃，ScCl₃，ScF₃，Scl₃，TiF₃，VCl₂，VCl₃，CrCl₃，CrBr₃，CrCl₂，CrF₂，MnCl₂，MnBr₂，MnF₂，MnF₃，Mnl₂，F(xiàn)eBr₂，F(xiàn)eBr₃，F(xiàn)eCl₂，F(xiàn)eCl₃，F(xiàn)el₂，CoBr₂，CoCl₂，CoF₃，CoF₂，Col₂，NiBr₂，NiCl₂，NiF₂，Nil₂，CuBr，CuBr₂，CuCl，CuCl₂，CuF₂，Cul，ZnF₂，ZnBr₂，ZnCl₂，Znl₂，GaBr₃，Ga₂Cl₄，GaCl₃，GaF₃，Gal₃，GaBr₂，GeBr₂，Gel₂，Gel₄，RbBr，RbCl，RbF，Rbl，SrBr₂，SrCl₂，SrF₂，Srl₂，YCl₃，YF₃，YI₃，YBr₃，ZrBr₄，ZrCl₄，Zrl₂，YBr，ZrBr₄，ZrCl₄，ZrF₄，Zrl₄，NbCl₅，NbF₅，MoCl₃，MoCl₅，Rul₃，RhCl₃，PdBr₂，PdCl₂，Pdl₂，AgCl，AgF，AgF₂，AgSbF₆，Agl，CdBr₂，CdCl₂，Cdl₂，InBr，InBr₃，InCl，lnCl₂，InCl₃，InF₃，Inl，Inl₃，SnBr₂，SnCl₂，Snl₂，Snl₄，SnCl₃，SbF₃，Sbl₃，CsBr，CsCl，CsF，Csl，BaCl₂，BaF₂，Bal₂，BaCoF₄，BaNiF₄，HfCl₄，HfF₄，TaCl₅，TaF₅，WCl₄，WCl₆，ReC₃，ReCl₅，IrCl₃，PtBr₂，PtCl₂，AuBr₃，AuCl，AuCl₃，AuI，KAuCl₄，LaBr₃，LaCl₃，LaF₃，Lal₃，CeBr₃，CeCl₃，CeF₃，CeF₄，Cel₃及其混合物。

合適的金屬氧酸鹽包括如下化合物，舉幾個(gè)來(lái)說(shuō)，例如：

LilO₃，LiBO₂，Li₂SiO₃，LiClO₄，Na₂B₄O₇，NaBO₃，Na₂SiO₃，NaVO₃，Na₂MoO₄，Na₂SeO₄，Na₂SeO₃，Na₂TeO₃，K₂SiO₃，K₂CrO₄，K₂Cr2O₇，CaSiO₃，BaMnO₄及其混合物。

合適的金屬碳酸鹽包括如下化合物，舉幾個(gè)來(lái)說(shuō)，例如：

Li₂CO₃，Na₂CO₃，NaHCO₃，MgCO₃，K₂CO₃，CaCO₃，Cr₂(CO₃)₃，MnCO₃，CoCO₃，NiCO₃，CuCO₃，Rb₂CO₃，SrCO₃，Y₂(CO3)₃，Ag₂CO₃，CdCO₃，In₂(CO₃)₃，Sb₂(CO₃)₃，C₂CO₃，BaCO₃，La₂(CO₃)₃，Ce₂(CO₃)₃，NaAl(CO₃)(OH)₂及其混合物。

光學(xué)透射載體包括金屬氧化物、金屬鹽和金屬硅酸鹽如氧化鋁(Al₂O₃)、氧化硅(SiO₂)、氧化鋯(ZrO₂)、硅酸鈉(Na₂SiO₃)、硅酸鉀(K₂SiO₃)和能夠光學(xué)發(fā)射激光能量(例如，如從NdYag激光器和Yt光纖激光器產(chǎn)生的激光能量)的其他化合物。

粘度/流動(dòng)性增強(qiáng)劑包括金屬氟化物如氟化鈣(CaF₂)、冰晶石(Na₃AlF₆)和在焊接應(yīng)用中已知的增強(qiáng)粘度和/或流動(dòng)性的其他試劑(例如，用CaO、MgO、Na₂O、K₂O降低粘度，用Al₂O₃和TiO₂增加粘度)。

屏蔽劑包括金屬碳酸鹽例如碳酸鈣(CaCO₃)、碳酸鋁(Al₂(CO₃)₃)、碳鈉鋁石(NaAl(CO₃)(OH)₂)、白云石(CaMg(CO₃)₂)、碳酸鎂(MgCO₃)、碳酸錳(MnCO₃)、碳酸鈷(CoCO₃)、碳酸鎳(NiCO₃)、碳酸鑭(La₂(CO3)₃)和其他已知的形成保護(hù)氣體和/或還原氣體(例如CO、CO₂、H₂)的試劑。

清除劑包括金屬氧化物和金屬氟化物例如氧化鈣(CaO)、氟化鈣(CaF₂)、氧化鐵(FeO)、氧化鎂(MgO)、氧化錳(MnO、MnO₂)、氧化鈮(NbO、NbO₂、Nb₂O₅)、氧化鈦(TiO₂)、氧化鋯(ZrO₂)以及已知與有害元素如硫和磷反應(yīng)形成低密度副產(chǎn)物的其他試劑，所述低密度副產(chǎn)物預(yù)期“漂浮”在所得渣層中。

引導(dǎo)劑包括含鈦、鋯、硼和鋁的化合物和材料，例如鈦合金(Ti)、氧化鈦(TiO₂)、榍石(CaTiSiO₅)、鋁合金(Al)、碳酸鋁(Al₂(CO₃)₃)、碳鈉鋁石(NaAl(CO₃)(OH)₂)、硼酸鹽礦物(例如四水硼砂、硼砂、硼鈉鈣石、硬硼鈣石)、鎳鈦合金(鎳鈦諾(Nitinol))、氧化鈮(NbO、NbO₂、Nb₂O₅)和用于為熔融合金補(bǔ)充元素的其他含金屬的化合物和材料。

在一些實(shí)施方案中，熔劑組合物還可包含某些有機(jī)熔劑。表現(xiàn)出熔劑特征的有機(jī)化合物的實(shí)例包括高分子量烴(例如蜂蠟、石蠟)、碳水化合物類(lèi)(例如纖維素)、天然和合成油(例如棕櫚油)、有機(jī)還原劑(例如木炭、焦炭)、羧酸和二羧酸(例如松香酸、異海松酸、新松香酸、脫氫松香酸、松香)、羧酸鹽(松香鹽)、羧酸衍生物(例如脫氫松香胺)、胺(例如三乙醇胺)、醇(例如高聚二醇、甘油)、天然和合成樹(shù)脂(例如脂肪酸的多元醇酯)，這樣的化合物的混合物及其他有機(jī)化合物。

在一些實(shí)施方案中，基于熔劑組合物的總重量，本公開(kāi)內(nèi)容的熔劑組合物包含：

5重量％至60重量％的金屬氧化物；

10重量％至70重量％的金屬氟化物；

5重量％至40重量％的金屬硅酸鹽；和

0重量％至40重量％的金屬碳酸鹽。

在一些實(shí)施方案中，基于熔劑組合物的總重量，本公開(kāi)內(nèi)容的熔劑組合物包含：

5重量％至40重量％的Al₂O₃、SiO₂和/或ZrO₂；

10重量％至50重量％的金屬氟化物；

5重量％至40重量％的金屬硅酸鹽；

0重量％至40重量％的金屬碳酸鹽；和

15重量％至30重量％的其他金屬氧化物。

在一些實(shí)施方案中，基于熔劑組合物的總重量，本公開(kāi)內(nèi)容的熔劑組合物包含：

5重量％至60重量％的Al₂O₃、SiO₂、Na₂SiO₃和K₂SiO₃中的至少一種；

10重量％至50重量％的CaF₂、Na₃AlF₆、Na₂O和K₂O中的至少一種；

1重量％至30重量％的CaCO₃、Al₂(CO₃)₃、NaAl(CO₃)(OH)₂、CaMg(CO₃)₂、MgCO₃、MnCO₃、CoCO₃、NiCO₃和La₂(CO₃)₃中的至少一種；

15重量％至30重量％的CaO、MgO、MnO、ZrO₂和TiO₂中的至少一種；和

0重量％至5重量％的Ti金屬、Al金屬和CaTiSiO₅中的至少一種。

在一些實(shí)施方案中，基于熔劑組合物的總重量，本公開(kāi)內(nèi)容的熔劑組合物包含：

5重量％至40重量％的Al₂O₃；

10重量％至50重量％的CaF₂；

5重量％至30重量％的SiO₂；

1重量％至30重量％的CaCO₃、MgCO₃和MnCO₃中的至少一種；

15重量％至30重量％的CaO、MgO、MnO、ZrO₂和TiO₂中的至少兩種；和

0重量％至5重量％的Ti、Al、CaTiSiO₅、Al₂(CO₃)₃和NaAl(CO₃)(OH)₂中的至少一種。

在一些實(shí)施方案中，熔劑組合物包含選自金屬氧化物、金屬鹵化物、金屬氧酸鹽和金屬碳酸鹽中的至少兩種化合物。在另一些實(shí)施方案中，熔劑組合物包含金屬氧化物、金屬鹵化物、金屬氧酸鹽和金屬碳酸鹽中的至少三種。在又一些實(shí)施方案中，熔劑組合物可包含金屬氧化物、金屬鹵化物、金屬氧酸鹽和金屬碳酸鹽。

可通過(guò)包含至少一種可充當(dāng)增稠劑的高熔點(diǎn)金屬氧化物來(lái)增加熔渣的粘度。因此，在一些實(shí)施方案中，配制熔劑組合物以包含至少一種高熔點(diǎn)金屬氧化物。高熔點(diǎn)金屬氧化物的實(shí)例包括熔點(diǎn)超過(guò)2000℃的金屬氧化物，例如Sc₂O₃、Cr₂O₃、Y₂O₃、ZrO₂、HfO₂、La₂O₃、Ce₂O₃、Al₂O₃和CeO₂。

在一些實(shí)施方案中，本公開(kāi)內(nèi)容的熔劑組合物包含氧化鋯(ZrO₂)和至少一種金屬硅酸鹽、金屬氟化物、金屬碳酸鹽、金屬氧化物(除氧化鋯之外)或其混合物。在這樣的情況下，氧化鋯的含量通常大于約7.5重量％，并且通常小于約25重量％。在另一些情況下，氧化鋯的含量大于約10重量％且小于20重量％。在又一些情況下，氧化鋯的含量大于約3.5重量％且小于約15重量％。在又一些情況下，氧化鋯的含量為約8重量％至約12重量％。

在一些實(shí)施方案中，本公開(kāi)內(nèi)容的熔劑組合物包括金屬碳化物和至少一種金屬氧化物、金屬硅酸鹽、金屬氟化物、金屬碳酸鹽或其混合物。在這樣的情況下，金屬碳化物的含量小于約10重量％。在另一些情況下，金屬碳化物的含量等于或大于約0.001重量％且小于約5重量％。在又一些情況下，金屬碳化物的含量大于約0.01重量％且小于約2重量％。在又一些情況下，金屬碳化物的含量為約0.1重量％至約3重量％。

在一些實(shí)施方案中，本公開(kāi)內(nèi)容的熔劑組合物包含至少兩種金屬碳酸鹽和至少一種金屬氧化物、金屬硅酸鹽、金屬氟化物或其混合物。例如，在一些情況下，熔劑組合物包含碳酸鈣(用于磷的控制)及碳酸鎂和碳酸錳中的至少一種(用于硫的控制)。在另一些情況下，熔劑組合物包含碳酸鈣、碳酸鎂和碳酸錳。一些熔劑組合物包含碳酸鈣、碳酸鎂和碳酸錳的三元混合物使得相對(duì)于熔劑材料的總重量，三元混合物的比例等于或小于30重量％。這樣的碳酸鹽的組合(二元或三元)有益于最有效地清除多種雜質(zhì)元素。

以上所列舉的所有重量百分比(％)均基于熔劑材料的總重量為100％。

在一些實(shí)施方案中，可使用市售的熔劑例如以以下名稱(chēng)出售的熔劑：Lincolnweld P2007、Bohler Soudokay NiCrW-412、ESAB OK 10.16和ESAB OK 10.90、Special Metals NT100、Oerlikon OP76、Bavaria WP 380、Sandvik 50SW、59S或SAS1和Avesta 805。這些商業(yè)熔劑可在使用前研磨至較小的顆粒尺寸范圍，例如上述的顆粒尺寸范圍。

如上所述，本公開(kāi)內(nèi)容的熔劑組合物可用作與至少一個(gè)粉末層(例如，圖3中的粉末層48和粉末層50)混合的粉末或者其可作為至少部分覆蓋至少一個(gè)粉末層的單獨(dú)層而存在?；蛘?，沉積的粉末層(例如，超級(jí)合金粉末層和MCrAlY粉末層)可為包含合金材料和熔劑組合物二者的復(fù)合金屬-熔劑顆粒的形式。在一些實(shí)施方案中使用復(fù)合金屬-熔劑顆粒可確保合金顆粒與熔劑組合物的最佳接觸以使所得金屬覆層的保護(hù)最大化。在涉及沉積單獨(dú)的金屬粉末層的實(shí)施方案中，在一些情況下，單個(gè)熔劑組合物可與兩種粉末層使用，而在另一些情況下，不同的熔劑組合物可以用于單獨(dú)的粉末層。例如，在圖3示出的實(shí)施方案中，第一粉末層48可包含配制成保護(hù)超級(jí)合金沉積物的熔劑組合物，而第二粉末層50可包含配制成保護(hù)MCrAlY沉積物的不同熔劑組合物。

本文所公開(kāi)的方法和材料相對(duì)于已知的激光熔融或燒結(jié)工藝的優(yōu)點(diǎn)包括在每個(gè)加工層中高的沉積速率和厚的沉積物，在不使用惰性氣體的情況下改善在沉積的金屬層上延伸的屏蔽，熔劑可增強(qiáng)沉積物的清潔以除去否則會(huì)導(dǎo)致凝固開(kāi)裂的成分，熔劑可增強(qiáng)激光束吸收并使反射回加工設(shè)備的激光最小化，熔渣的形成可成形并支承沉積物并且熔渣的形成包含熱能以減慢冷卻速率從而減少殘余應(yīng)力(所述殘余應(yīng)力否則會(huì)導(dǎo)致焊后熱處理期間應(yīng)變時(shí)效(再加熱)開(kāi)裂)，熔劑可補(bǔ)償元素?fù)p失或添加合金元素，并且可使粉末層(和任選的熔劑組合物)有效且選擇性地進(jìn)行遞送以產(chǎn)生更厚的沉積物，從而減少制造多材料部件的時(shí)間。

本文公開(kāi)的方法和材料可用于原始設(shè)備制造或部件的快速成形。此外，該方法可用于部件修復(fù)應(yīng)用，例如在已從設(shè)備上移除以進(jìn)行翻新的燃?xì)廨啓C(jī)葉片上形成替換葉片尖端。本公開(kāi)內(nèi)容消除了對(duì)惰性保護(hù)氣體的需要，提供了精確的激光加工用于嚴(yán)格的容差控制，為長(zhǎng)期存在的在選擇性激光加熱過(guò)程中使用的細(xì)超級(jí)合金粉末上的氧化物問(wèn)題提供了解決方案，并且允許具有先前已知的可焊性區(qū)域以外的組成的超級(jí)合金的無(wú)開(kāi)裂沉積。

應(yīng)理解，粉末狀材料的使用還促進(jìn)了梯度功能材料的沉積，其中沉積材料的組成隨時(shí)間和空間變化。例如，如果多材料部件是燃?xì)廨啓C(jī)葉片，則葉片的平臺(tái)部分可為第一組成，并且葉片的翼型部分可為不同的第二組成。在另一些實(shí)施方案中，從產(chǎn)品的內(nèi)壁到外壁或從產(chǎn)品內(nèi)到其表面附近，合金組成可變化。合金的組成也可以響應(yīng)于要求不同的機(jī)械特性或耐腐蝕特性的預(yù)期操作條件并考慮材料的成本而變化。

盡管本文已示出并描述了本發(fā)明的多種實(shí)施方案，但明顯的是這樣的實(shí)施方案僅以示例的方式提供?？蛇M(jìn)行大量的變型、修改和替代而不脫離本發(fā)明。因此，本發(fā)明旨在僅受所附權(quán)利要求的精神和范圍的限制。