具有最少一個工作激光射線的激光熔融的方法
【專利說明】具有最少一個工作激光射線的激光熔融的方法
[0001]本發(fā)明涉及一種用于激光熔融的方法，其中，零件或構(gòu)件在粉末床中被分層地制造，方法是通過至少一個工作激光射線將構(gòu)成粉末床的顆粒熔化。在凝固時，顆粒就形成了零件的層。然后不斷有另外的粉末顆粒被形成于零件的已經(jīng)凝固的表面上，并再次借助于工作激光射線熔化。如此便分層地產(chǎn)生了三維的零件。
[0002]以開頭所提到的形式的方法是已知的。在實施這種形式的方法的時候出現(xiàn)的問題是，由激光射線在粉末中生成的熔池在冷卻時產(chǎn)生的較高的冷卻速率。這典型地會導(dǎo)致非常小的晶粒結(jié)構(gòu)的形成，而這根據(jù)應(yīng)用情況的不同無法產(chǎn)生預(yù)期的力學(xué)的零件特性。尤其是可能減小斷裂伸長率和蠕變強(qiáng)度。為了能在之后達(dá)到所制造的零件的預(yù)期性能，可以進(jìn)行熱處理，使晶粒粗化。不過，不是所有材料都能進(jìn)行這樣的熱處理。此外，這種熱處理還意味著額外的能量和加工耗費，這影響到了所制造的零件的經(jīng)濟(jì)性。
[0003]工作激光射線提供了用于熔池熔化的能量輸入，作為對工作激光射線的補(bǔ)充，可以按照文獻(xiàn)DE 10 2010 050 531 Al和DE 10 2010 048 335 Al使用最少一個輔助激光射線，輔助激光射線的功率密度如此小，以便不能使顆粒熔化。該最少一個輔助激光射線被指向和熔池相連的、位于零件上的冷卻區(qū)。輔助激光射線的能量輸入不足以熔化顆粒。不過這也意味著輔助激光射線不能使顆粒保持在熔化狀態(tài)。更準(zhǔn)確地說是要注意熔池的冷卻和位于零件上的冷卻區(qū)，輔助激光射線減緩了冷卻速度并以此減小了被冷卻的零件內(nèi)部的溫度梯度。
[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，將用于激光熔融的方法進(jìn)行如下優(yōu)化，使用這種方法可以產(chǎn)生涉及力學(xué)參數(shù)的有利的零件特性。
[0005]該技術(shù)問題將以開始指出的方法根據(jù)本發(fā)明地通過以下方式解決，將一個或多個輔助激光射線的功率密度根據(jù)被包圍的冷卻區(qū)的、已經(jīng)生成的零件的體積進(jìn)行控制，方法是可供進(jìn)行熱量釋放的體積越少時，越是要減小功率密度。在此視為有利的是，在粉末床內(nèi)所要制造的面中間需要的條件并不是簡單地與在所要制造的面的邊緣附近需要的條件相同。例如，在首先要被制造的邊緣或者在要被制造的面的角內(nèi)或者也在要被制造的狹長的連接部(Stegen)內(nèi)就有相對來說比要制造的面中間更少的用于熱量引導(dǎo)的限定材料。在這些區(qū)域內(nèi)，因此可以將輔助激光射線的功率密度減小，以平衡減緩的熱量釋放。通過這樣可以有利地在整個零件內(nèi)產(chǎn)生均勻的組織結(jié)構(gòu)特性。同時可以至少部分地防止形成零件應(yīng)力。
[0006]激光射線的功率密度(下文中，功率密度總是指面積功率密度，也被稱為激光強(qiáng)度)是通過激光射線的功率和在粉末床、熔池或者在制造出的零件上相同的照射面積來確定的。例如以單位W/cm2表示。根據(jù)這個定義，輔助激光射線的功率密度小于熔池冷卻至凝固的熱量釋放，該熱量釋放同樣也可以用單位面積的熱量功率W/cm2表示。
[0007]按照本發(fā)明的方法，以熔池和零件的慢速冷卻得到的組織結(jié)構(gòu)的結(jié)果，足夠有利地滿足多樣的要求。尤其可以制造粗晶粒結(jié)構(gòu)，它比快速冷卻的、細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)有更好的蠕變強(qiáng)度和更高的斷裂伸長率。較慢的冷卻速度也可以正面影響特定的組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)的設(shè)置，在未超出特定冷卻速度的情況下設(shè)置特定的組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)。期望的合金的相態(tài)或者組織結(jié)構(gòu)特性、比如晶粒大小，可以由此有目的地形成，其中以按照本發(fā)明的方法可以實現(xiàn)所謂的“組織結(jié)構(gòu)設(shè)計”。由此可以不需要進(jìn)行生成這些組織結(jié)構(gòu)特性的后處理。組織結(jié)構(gòu)特性在制造時在原處(in situ)就已經(jīng)被生成。
[0008]按照本發(fā)明的有利實施規(guī)定，輔助激光射線按照與工作激光射線一致的運(yùn)動模式并在時間上延遲地引導(dǎo)。換句話說這意味著，輔助激光射線如此跟隨熔池，使輔助激光射線的能量輸入以相同的制造條件影響通過工作激光射線制造的結(jié)果。由此可以尤其有利地實現(xiàn)特別均勻的組織結(jié)構(gòu)。此外有利的是，這種方法的控制是非常簡單的，因為用于引導(dǎo)輔助激光射線的編程可以使用主激光射線的引導(dǎo)編程。
[0009]按照本發(fā)明的另外的實施規(guī)定，使用多個輔助激光射線，它們按照與工作激光射線一致的運(yùn)動模式(Bewegungsmuster)被引導(dǎo)。在此，輔助激光射線的照射點產(chǎn)生鐮刀形或者馬蹄鐵形的熱量影響區(qū)域，由此產(chǎn)生了輔助激光射線的熱學(xué)影響區(qū)各自相交。在測量技術(shù)上這樣僅可以檢測到共同的熱量影響區(qū)域。按照本發(fā)明，該熱量影響區(qū)域不包圍工作激光射線的運(yùn)動方向。換句話說，通過輔助激光射線減緩的熔池冷卻包圍除了位于工作激光前方的所有方向。這樣，從熔池出發(fā)的所有方向上的熱量釋放都被減少了，因為工作激光射線在不被熱量影響區(qū)域包圍的方向上同樣自身就阻止了冷卻。此外可以有利地規(guī)定，可以由激光射線通過分束器(Strahlteiler)產(chǎn)生至少一個輔助激光射線。因此，激光射線不僅被用于形成工作激光射線，也被用于形成至少一個輔助激光射線。另外一種可能在于，具有最高功率密度的工作激光射線在其強(qiáng)度上沒有通過分束而被削弱，并且對于多個輔助激光射線使用共同的、其他的、借助分束器分束的激光射線。這兩種情況下有利的是，減少組件耗費，因為使用分束器可以避免使用多個激光器。
[0010]按照本發(fā)明的另外的實施例規(guī)定，一個或多個輔助激光射線要經(jīng)過擴(kuò)束裝置。由此可以用合適的方法調(diào)整輔助激光射線的射線強(qiáng)度。該調(diào)整可以自適應(yīng)地進(jìn)行，其中，當(dāng)需要較小的功率密度時可以有利地優(yōu)化利用激光功率，方法是將激光射線經(jīng)過強(qiáng)烈的擴(kuò)束。因此可以在規(guī)定的設(shè)備技術(shù)情況下借助這個措施優(yōu)化提高所示方法的效率。
[0011]按照本發(fā)明的另外的實施例規(guī)定，輔助激光射線或者輔助激光射線的至少一部分可以被指向熔池的邊緣。有利的是，在該區(qū)域內(nèi)熔化流動的金屬的凝固可以被最有效地減緩。在此發(fā)生的過程，通過一個或多個輔助激光射線對組織結(jié)構(gòu)形成在本質(zhì)上起到積極的影響。于此應(yīng)用了上面已經(jīng)提過的過程。
[0012]此外有利的是，輔助激光射線或者輔助激光射線的至少一部分被指向已經(jīng)凝固的層位于冷卻區(qū)的部分。在此有利的是，對已經(jīng)凝固的金屬結(jié)構(gòu)的后續(xù)的冷卻過程進(jìn)行積極的影響。在此所指的是，通過足夠慢的冷卻速度實現(xiàn)預(yù)期的組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)的形成，而這使后續(xù)的熱處理變得多余。清楚的是，如果能得到優(yōu)化的組織結(jié)構(gòu)結(jié)果，輔助激光射線對冷卻區(qū)的作用可以和前面已經(jīng)提到過的輔助激光射線對熔池邊的作用相結(jié)合。在此要考慮到各自的應(yīng)用情況，其中通常情況下對特定的組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)的冷卻條件是由一般冶金學(xué)已知的。與此相反地，實施激光熔融方法時根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的溫度引導(dǎo)，比如通過粉末床預(yù)熱進(jìn)行的溫度引導(dǎo)，僅在很小范圍內(nèi)有助于達(dá)到優(yōu)化的冷卻條件，因為局部的冷卻條件是根據(jù)方法預(yù)先確定的。額外地使用輔助激光射線在優(yōu)化結(jié)構(gòu)形成的同時首先實現(xiàn)了冷卻條件的局部設(shè)置。
[0013]因為粉末床是很差的熱導(dǎo)體，輔助激光射線對冷卻區(qū)和熔池的作用尤其有效。不過也可以使用附加激光射線，以便在通過工作激光射線熔化之前就使顆粒預(yù)熱。在這種情況下，功率密度也是很小而不足以在此使顆粒熔化，否則的話它就率先實現(xiàn)了工作激光射線的功能。顆粒預(yù)熱的優(yōu)點是，工作激光射線所必需提供的熱量會很小。這尤其對于熔點高的金屬是有利的。
[0014]對于輔助激光射線，并且也對于附加激光射線來說，有利的是將功率密度選為熔化顆粒所必需的功率密度的50%以上，優(yōu)選70%以上。在此優(yōu)選地要達(dá)到足夠的安全范圍，使顆粒不會被熔化。另一方面，一個或多個輔助激光射線、附加激光射線的功率密度又是足夠得高，能保證顆粒的足夠預(yù)熱或者剛剛生成的零件組織結(jié)構(gòu)的足夠低的冷卻速度。另外的可能性有利的在于，至少一個輔助激光射線或者附加激光射線的功率密度被分別規(guī)定于比工作激光射線的功率密度高30%，優(yōu)選高50%。在此，該比例通過工作激光射線的功率確定，而工作激光射線的功率密度的選擇與所要熔化的材料有關(guān)。工作激光射線的功率密度比如可以如此地設(shè)置，使其比正好使顆粒熔化的功率密度高150%或150%以上。
[0015]當(dāng)使用多個輔助激光射線，而這些輔助激光射線以到工作射線不同的距離被引導(dǎo)時，可以得到本發(fā)明另外的實施形式。這些輔助激光射線被階梯式地以確定的時間偏移量被引導(dǎo)在工作激光射線之后。在此尤其有利的是，距離工作激光射線距離較遠(yuǎn)的輔助激光射線分別以較低的功率密度運(yùn)行，以實現(xiàn)剛剛生成的組織結(jié)構(gòu)的線性的或者至少逐步的冷卻。優(yōu)選地可以將先后相鄰的輔助激光