通過熔化粉末制造部件的方法,該粉末顆粒以冷卻狀態(tài)到達熔池的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及通過用高能光束（激光束、電子束、…）熔化粉末制作部件的領域。
[0002] 本發(fā)明更具體地涉及一種包括以下步驟的方法：
[0003] a)以形成粉末束的粉末顆粒形式供給一種材料；
[0004] b)借助于高能光束加熱第一數量的粉末到一個高于粉末的熔化溫度Tf的溫度，并 在支撐件的表面形成第一熔池，所述第一熔池包括所述熔化的粉末以及所述支撐件的一部 分；
[0005] C)借助于所述高能光束加熱所述粉末到一個高于其熔化溫度Tf的溫度，并在所述 支撐件的表面形成第二熔池，所述第二熔池包括所述熔化的粉末以及從所述第一熔池下游 的所述支撐件的一部分；
[0006] d)重復步驟C)，直到所述部件的第一層形成在所述支撐件上；
[0007] e)借助于高能光束加熱第[η]數量的粉末到一個高于其熔化溫度Tf的溫度，并形 成第[η]熔池，所述第[η]熔池部分地包括在所述第一層的一部分上的所述熔化粉末；
[0008] f)借助于所述高能光束加熱第[η+1]數量的粉末到一個高于其熔化溫度Tf的溫 度，并形成第[η+1]熔池，所述第[η+1]熔池部分地包括從所述第[η+1]熔池下游在所述第 一層的一部分上的所述熔化粉末；
[0009] g)重復步驟f)，以在所述第一層以上形成所述部件的第二層；以及
[0010] h)對于位于已形成層以上的每一層，重復步驟e)到g)，直到所述部件基本處于其 最終形狀。
[0011] 在上述方法中，需要[n-l]數量的粉末以形成所述第一層。
【背景技術】
[0012] 可以獲得具有三維（3D)形狀的復雜機械部件的方法是眾所周知的。這些方法 逐層建立一個部件，直到該部件所需的形狀已被重組。有利地，該部件可由從用控制該機 器的電腦處理三維計算機輔助設計（CAD)圖形文件的數據推斷的計算機輔助設計和制造 (CADM)文件直接地重組，該機器從而形成被熔化然后一層在另一層上地固化的連續(xù)層的材 料，每一層都由通過從CADM文件定義的尺寸和形狀的并列嵌條所構成。
[0013] 例如，構成該粉末的顆?？梢允墙饘?、金屬間化合物、陶瓷或聚合物。
[0014] 在本申請中，當該粉末是金屬合金時，熔化溫度Tf是位于在對于該合金的給定成 分的液相線溫度和固相溫度之間的溫度。
[0015] 該構造支撐件可以是某一其他部件的一部分，其上需要添加額外功能。其成分可 能不同于所噴射的粉末顆粒，因此這可以具有不同的熔化溫度。
[0016] 這些方法具體包括通過激光噴射或"直接金屬沉淀"（DMD)、"選擇性層熔 化"（SLM)，以及"電子束熔化"（EBM)。
[0017] 以下參考圖2、4、5解釋該DMD方法的操作。
[0018] 在本地保護下或在殼體內在惰性氣體的受控高或低壓下，通過使粉末顆粒通過噴 嘴190在支撐件80上噴射到該材料上，形成了材料的第一層10。與噴射粉末顆粒60同時， 噴嘴190發(fā)出來自發(fā)生器90的激光束95。噴嘴190的第一孔191與第二孔192同軸，粉 末通過該第一孔噴射到支撐件80上，激光束95通過該第二孔發(fā)射，使得粉末噴射到激光束 95內。該粉末形成了顆粒的錐，該錐是空心的并存在一定厚度（如圖4所示的粉末束94)， 并且激光束95是錐形的。
[0019] 工作平面P被定義為包含以下表面的平面，該層被構造和/或形成在該表面上。
[0020] 為了構造該第一層，該表面是支撐件80的頂部（自由）表面S。。為了構建低[n+1] 層，該表面是第[η](整數η，η多1)層的頂部（自由）表面。
[0021] 通過熔化被暴露到激光束的支撐件80的區(qū)域，激光束95在支撐件80上形成熔池 102。粉末進入該熔池102,在該熔池中，粉末已經達到熔融狀態(tài)，該粉末在到達熔池之前在 激光束中的其路徑上熔化。
[0022] 或者，舉例來說，噴嘴190和激光的焦點可以這種方式被調節(jié)和/或定位，使得給 定粒度分布的粉末對于不同尺寸的所有其顆粒不在激光束95中通過足夠時間以完全地熔 化，以使它們在到達熔池102時熔化，通過熔化被暴露到激光束95的支撐件80的區(qū)域，該 熔池先前已被形成在支撐件80的表面上。
[0023] 工作距離WD被定義為在噴嘴190和工作平面P之間的距離。
[0024] 在正在考慮的工作距離WD上，該粉末同樣可不被激光束95熔化或者它可部分地 熔化，僅因為組成該粉末的一些或所有顆粒對它們來說太大而不被熔化。如在圖3中可以 看出的，粉末顆粒的平均直徑Dp越小，它們被加熱的速度越大，但它們被維持在熔化溫度的 時間越短，它們的冷卻越快。而且，圖3示出了當對于給定工作結構它們到達熔池時，尺寸 分布越窄，所有粉末顆粒被熔化的程度越大。
[0025] 在所有情況下，該粉末顆粒在進入該熔池之前通過激光束95被加熱。
[0026] 在激光束95(或支撐件80)向下游移動的同時，熔池102被保持并逐步固化，以在 支撐件80上形成固化材料的嵌條105。繼續(xù)該過程以在支撐件80上形成另一固化嵌條，例 如，該另一嵌條與第一嵌條并列。因此，通過在一個平行于上述工作平面P的平面中移動噴 嘴190或支撐件80,材料的第一層10沉淀在支撐件80上，通過在與在CADM文件中定義的 形狀相符的形狀的單件中固化第一元件15,該層形成。
[0027] 此后，噴嘴190和激光束95被致使一起實施第二掃描，從而以類似方式在第一元 件15的頂部形成材料的第二層20。該第二層20形成第二固化元件25,并且這兩個元件15 和25 -起形成單件塊。在第二層20的構造過程中，在第一元件15上形成的熔池102通常 包括第一元件15的至少一部分，該部分與進入熔池102的粉末顆粒一起通過暴露到激光束 95而熔化。
[0028] 考慮由與該支撐件的上表面Stl垂直的垂直軸Z ^以及該支撐件的表面S ^構成的參 考系。該參考系依賴于支撐件80,或者更確切地依賴于被構造部件，對于該部件，參考平面 P在沉淀該第一層材料時由支撐件的表面Stl，或由最近沉淀層的上表面所定義。
[0029] 通常對于一層，該工作平面P不必平行于表面Stl。被定義為垂直于工作平面P的 軸Z因此不必平行于軸Zp
[0030] 在連續(xù)兩個層之間，噴嘴沿軸Z移動一個理論上等于實際上已經沉淀的材料Happ 的高度的值ΔΖ，該高度應該是恒定的（獨立于噴嘴的路徑），并且當該構造被優(yōu)化并且穩(wěn) 定時是足夠大的（圖4和5)。圖5是在該支撐件中部分地形成的液體熔池的截面，其顯示 該熔池的形狀。
[0031] 支撐件80的表面Stl是在高度為零的平面。因此，在構造該第一層時，平行于S。并 具有被包含在該支撐件中或（相對于軸Ztl)在該支撐件以下的部分的平面處于負高度，具 有高于該支撐件表面Stl(相對于軸Ztl)的部分的平行于Stl的平面處于正高度。
[0032] 如果一給定工作平面P具有正的，比另一平面的高度大的高度，則關于構造第[η] 層的該給定工作平面P高于被附接到較低層的該另一工作平面。
[0033] 在依賴于該支撐件80以及依賴于該部件的參考系中，第二層20被構建在高于第 一層10的工作平面的工作平面P上，這兩個平面間隔一個沿垂直于該工作面P的軸Z測量 的距離ΔΖ。
[0034] 通常，更高層的工作平面不需要平行于前一較低層的工作平面，其中更高層的Z 軸相對于該較低層的工作平面的軸Z處于非零的角度，并且沿后一軸Z在該較低層的每一 點以上測量的距離ΔΖ是一平均值。
[0035] 然后通過在已經形成的組件上添加附加層繼續(xù)逐層地準備該部件的該過程。
[0036] 顯示現有技術的圖4更詳細地示出了激光束95和粉末束94的結構。激光束95 使噴嘴190在從其焦點^的角度2 β (位于噴嘴190的底部）發(fā)散，并且它照射支撐件80 的區(qū)域，導致在其中形成熔池102。
[0037] 以粉末顆粒60在激光束95中耗費最大的時間長度以被加熱的方式，粉末束94在 朝其焦點Fp以角度2 δ會聚時離開噴嘴190,該焦點位于激光束95內側并緊接在支撐件80 的表面（工作平面Ρ)之上（或以上）。在激光和從該熔池上游的粉末之間的大量相互作用 的優(yōu)點是產生當建立該工作部件的表面時經常需要從而修復它們以及當沉淀堅硬涂層時 的高沉淀速率和低稀釋。
[0038] 熔化的理論效率被定義為激光束95的直徑0l除以粉末束94的直徑0Ρ的比值， 這兩個直徑在該工作平面P中確定。
[0039] 或者，直徑0L可由液體熔池的直徑0[兒代替（參見圖4)，以評估該效率，該效率 取決于所選定的參數設置，具體為激光功率1\，激光束的掃描速度V以及粉末的質量流速 Dm0
[0040] 在其焦點的激光直徑（即0u))通常遠小于粉末束在粉末焦點的直徑0Ρ〇,因此 對于被聚焦的粉末束（其焦點Fp位于工作平面P上），或其焦點F ρ位于工作平面P以上并 在激光焦點^以下的未被聚焦的粉末束，現有技術中的工作結構邏輯上需要激光束不被聚 焦（其焦點^位于工作平面P以上），由于相反正被構造的結構將會不穩(wěn)定以及不存在對 可接受的熔化效率的保證。如上所述，通常，在該平面P測量的激光束直徑并不對應于 液體熔池直徑0B1_，該液體熔池直徑0BL·大致等于固化后