用于生产金属构件的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于在高温、高应力环境，例如在燃气涡轮中应用的金属构件的制造技术。其涉及根据权利要求1的序言所述一种用于生产金属构件的方法。
【背景技术】
[0002]不同的现有技术文献中所述的标准再结晶热处理可能只是在有限的程度提高了SLM(选择性激光熔融)处理的合金的晶粒粒度。如示例性的图1中所示，同1250°C/3h下的标准再结晶热处理(图1a)相比，即使在1250°C下保持时间9小时(图1b)也不能进一步使SLM处理的IN738LC中的晶粒粗化。虽然在1250°C下的保持时间位于γ ’固溶线温度之上，并且接近于IN738LC的固相线温度，但是没有观测到反常晶粒生长(比较图1a和Ib的下面图像)。
[0003]文献EP2 586 548 Al涉及一种构件或试样，其构件或试样用于极热且极高机械负载条件下的热机中，其中所述构件或试样由具有可控晶粒粒度的合金材料制成，并且在使用中会遭遇预期的温度和/或应力和/或应变分布，这随着构件或试样的几何学坐标而变化。构件或试样通过具有一种晶粒粒度分布来改善，该晶粒粒度分布依赖于所述预期的温度和/或应力和/或应变分布，使得构件的寿命相对于具有基本相同的晶粒粒度的相似构件而目得以改善。
[0004]文献EP2 586 887 Al涉及一种用于制造构件或试样的方法，构件或试样由基于Ni或Co或Fe或其组合的高温超级合金制成，所述方法包括如下步骤:a)通过基于粉末的添加式制造工艺而形成所述构件或试样；和b)使所述成形的构件或试样遭遇热处理，从而优化特定的材料属性。材料属性可得到显著改善，并且以非常灵活的方式通过使所述热处理发生在比铸造构件/试样更高的温度下来实现。
[0005]文献EP2 737 965 Al涉及一种用于整个地或部分地制造三维金属物件/构件的方法，其包括如下步骤:a)通过利用能量射束扫描进行的添加式制造工艺而用金属基体材料连续堆积(buiId up)所述物件/构件，从而b)在物件/构件的初次方向和二次方向上建立受控制的晶粒定向，c)其中二次晶粒定向通过应用与所述物件/构件的横截面分布或与物件/构件的特征负载条件对应的特定扫描图案的能量射束来实现。
[0006]文献EP 2 772 329 Al涉及一种用于制造混合构件的方法，其包括如下步骤:a)制造预制件作为混合构件的第一部件，然后b)在该预制件上通过利用能量射束进行扫描的添加式制造工艺而用金属粉末材料连续堆积构件的第二部件，从而c)在构件的第二部件的至少一部分的初次方向和二次方向上建立受控制的晶粒定向，d)其中受控制的二次晶粒定向通过应用与所述构件的横截面分布或与所述构件的局部负载条件对应的特定扫描图案的能量射束实现。
[0007]因而，文献EP2 586 887 Al提出了一种用于SLM处理的合金的再结晶热处理的方法，而文献EP 2 737 965 Al和EP 2 772 329 Al描述了控制部件的初次结晶和二次结晶的晶粒定向的方法。
[0008]其它专利/文献描述了通过特定的扫描策略(例如EP2 586 548 Al)和利用不同的激光射束尺寸而控制晶粒粒度的可能性。
[0009]进一步参考文献是:
[1]R.L.Cairns, L.R.Curwick, and J.S.Benjamin的〃Grain growth indispers1n strengthened superalloys by moving zone heat treatments.Metallurgical Transact1ns A, vol.6，n0.1, pp.179-188，1975年I月；
[2]J.Li, S..Johns, B.1liescu, H.Frost, and 1.Baker的〃The effect ofhot zone velocity and temperature gradient on the direct1nalrecrystallizat1n of polycrystalline nickel, Acta Materialia, vol.50，n0.18，pp.4491-4497，2002年 10月。
[0010][3]EP 0 232 477 BI
所有这些不同的方法仍然不能在SLM处理合金中生产具有可同铸造构件相比拟的晶粒粒度的显微结构。结果，蠕变属性仍然次于铸造样本的蠕变属性。
【发明内容】
[0011]本发明的一个目的是传授一种用于通过添加式制造工艺，优选添加式激光制造工艺生产金属构件的方法，该构件具有可与相同(相应地，类似)基体材料成分制成的铸造构件相比拟的机械属性。
[0012]这一目的以及其它目的通过根据权利要求1所述的方法来实现。
[0013]根据本发明，一种用于生产金属构件的方法包括以下步骤:首先通过添加式制造工艺，尤其激光添加式制造工艺准备构件，其次使所述制造构件暴露于热处理下，其中所述热处理包括区域退火步骤作为第一步骤。这意味着区域退火发生在HIP(高温等静压)处理之前。添加式制造工艺为所述区域退火步骤的定向粗化提供了驱动力。
[0014]根据本发明的一个实施例，所述添加式制造工艺使所述构件在堆积方向上生长，所述区域退火步骤包括使被加热的退火区域沿着区域退火方向穿过所述构件。作为一个优选的实施例，所述堆积方向和区域退火方向是彼此平行的。
[0015]根据本发明的另一实施例，所述区域退火被局部应用于所述构件的预定区域，从而在所述预定区域中获得良好的蠕变属性。
[0016]根据本发明的进一步的实施例，在所述激光添加式制造工艺期间使用的激光射束根据特定的扫描策略进行扫描，并且在所述构件中在所述第一步骤期间通过所述特定的扫描策略而产生优选的晶粒定向。
[0017]具体地说，所述特定的扫描策略包括激光扫描器运动在熔融材料平面中的特定定向和/或扫描岛在不同的所述平面之间的旋转。
[0018]具体地说，经调整的扫描战略用于在构件的添加式激光处理期间控制初次结晶和二次结晶的晶粒定向，并且所述构件的改善的蠕变性能/TMF性能是借助于通过所述额外的区域退火进行的再结晶而实现的。
[0019]根据本发明的另一实施例，所述激光添加式制造工艺是SLM工艺。
[0020]根据本发明的另一实施例，所述被加热的退火区域包括所述构件的熔融材料。
[0021]根据本发明的进一步的实施例，所述金属构件是在单晶或定向固化的预制件上堆积而成。
[0022]根据本发明的进一步的实施例，所述金属构件由基于N1、Co、Fe或其组合的超级合金，尤其Ni基合金制成。
【附图说明】
[0023]现在将通过不同的实施例并参照附图更完整地解释本发明。
[0024]图1为了比较在图1a和Ib中显示在1250°C下3小时(a)和1250°C下9小时(b)两种不同的热处理对于构件的显微结构的影响；
图2显示了来自SX衬底和SLM样品之间的接口相对于堆积方向和激光扫描方向的定向图；
图3显示了来自多晶衬底和另一 SLM样品之间的接口相对于堆积方向和激光扫描方向的定向图；
图4是SLM处理的Ni基超级合金样品的EBSD(电子背向散射衍射)图，其显示了晶粒中通过高角度晶粒边界而分开的大量的小角度边界；
图5显示了样品的精细结构，其中中间的左边部分是刚堆积好的区域，并且中间的右边部分是受热影响区域(退火区域)，外面部分显示了这两个限定区域的放大的图像；
图6显示了在构件SLM堆积期间的基本形态，且图7显示了在SLM构件的区域退火期间的基本形态。
[0025]标号列表 10构件
11激光器
12激光射束
13扫描方向(激光)
14堆积方向
15区域退火装置
16热处理区域(例如部分熔融)
17区域退火方向 18SLM装置
19平面(熔融材料的平面)。
【具体实施方式】
[0026]本发明的基本思想涉及一种生产金属构件的方法，其通过添加式制造技术(优选激光添加式制造技术，例如SLM)来实现，其中同相同/相似的基体材料成分所组成的传统热处理构件相比，该构件具有改善的蠕变和热机械疲劳属性。改善的蠕变性能/TMF性能可通过经调整的扫描策略和用于再结晶的额外区域退火来实现，经调整的策略用于在构件进行SLM处理期间控制初次结晶和二次结晶的晶粒定向。
[0027]基于粉末的添加式制造技术的一个缺点可能是同具有相似/相同成分的传统铸造合金相比，这种处理的合金具有显著更小的晶粒粒度。然而，通过在结合区域退火的条件下恰当的扫描和堆积策略的控制(例如激光扫描器运动在平面中的定向，扫描岛在平面之间的旋转)，各向异性(基于粉末的添加式制造技术内在的各向异性)可受到控制，对于部件的寿命(例如关于蠕变寿命)具有显著的优点。这是由于在区域退火期间显著的晶粒粗化(再结晶)的原因。
[0028]本方案基于以下发现，即通过区域退火可获得比标准再结晶热处理可能获得的SLM处理合金的晶粒粒度更大的提升。另外，特定的扫描策略和区域退火的组合容许产生粗糙的柱状的-粒状的显微结构，其要么具有横向的各向同性的属性，或者更优选地具有各向异性的属性。在例如参考文献[1]-[3]中所述的区域退火产生了具有横向各向同性属性的显微结构(柱状晶粒在一个平面中具有不同的定向)。通过上述组合，所产生的显微结构可比拟于铸造的DS显微结构(例如根据布里奇曼(Bridgman)工艺)，但具有受控制的初次和二次晶粒定向。由于所应用的区域退火的原因，同源自文献EP 2 737 965 Al和EP 2 772 329Al中所公开的工艺并暴露于标准再结晶热处理下的显微结构相比，蠕变性能获得极大地改塞口 ο
[0029]在图6和图7中显示了根据本发明方法的基本制造形态。
[0030]图6显示了在SLM堆积期间构件10的基本形态。该构件通过粉末层在熔融材料的平面19中的连续熔化而生长起来，熔融材料通过激光器11在某一扫描方向13上进行扫描的激光射束12而进行加热。构件10按照这种方式沿着与熔融材料的所述平面19相垂直的堆积方向14而进行堆积。
[0031]在第二步骤中(图7)，在区域退火工艺中通过使具有例如用于感应加热的射频功率的区域退火装置15相对于构件10沿着区域退火方向17移动，从而使构件10(至少部分地)进行退火。所产生的局部退火区域16可包括部分熔融材料。区域熔化还可应用于SX/DX-预制件上的堆积过程。
[0032]如参考文献[I]中所述，需要来自热机械处理的足够的变形能量，以克服扩散强化的超级合金中的晶粒生长的阻碍。然而，在添加式制造的构件中不需要热机械处理，因为刚堆积好的条件下的变形能量(由于高的冷却速率而产生的高的残留应力)是足够的。图4显示了刚堆积好的条件下，即没有区域退火的EBSD(电子背向散射衍射)图，其中14是堆积方向。根据图4的EBSD图，可确定许多小角度边界，其代表通过减少晶粒边界区域和减少位错密度而获得的用于再结晶的驱动力。
[0033]控制初次和二次晶粒定向的概念在EP 2 737 965 Al和EP 2 772 329 Al中已经有所描述。然而，这个概念与区域退火的组合赋予了新的令人惊奇的机会。
[0034]在SLM处理合金中的初次结晶晶粒定向例如由堆积方向14(Z轴)给出，并且二次定向通过激光扫描方向13来确定(见图2，3和6)。
[0035]此外，值得提及的是，初次和二次结晶定向不依赖于图2和图3中的EBSD图所示的衬底定向。图2显示了在SX衬底上的具有〈011〉定向的SLM堆积。其显示了堆积的〈001〉定向沿着堆积方向14，并沿着激光扫描方向13(其垂直于图纸平面)。
[0036]在图3中显示了等轴衬底上的SLM堆积。同样，堆积的〈001〉定向沿着堆积方向14，并沿着激光扫描方向13。结果，在SX、DS或CC预制件/衬底材料上可实现所需的堆积，其造成精细且小粒度的显微结构(参见EP 2 737 965 Al和EP 2 772 329 Al)。
[0037]然而，当应用标准热处理循环(例如HIP(热等静压)/再结晶热处理)时，优选的结晶定向受到再结晶的破坏，导致具有各向同性属性的等轴类型的显微结构。
[0038]然而，通过应用区域退火，特定扫描策略所产生的优选的晶粒定向可得到显著粗化，其可比拟于铸造叶片，例如燃气涡轮叶片中的示例性DS(定向固化的)显微结构，同时可保留优选的晶粒定向。
[0039]图5给出了根据本发明的示例性工艺结果的概览。
[0040]其可看出接近该部分熔融区域的受热影响区域中的显微结构与“刚堆积好的”区域相比是不同的。有兴趣的是注意到，沿着堆积方向的〈001〉纤维组织保持在受热影响的区域中。另外，晶粒粗化(仍然具有显著的晶粒纵横比)发生在受热影响的区域中。
[0041]来自区域退火的额外的好处是其可局部应用，尤其应用于需要良好的蠕变属性的区域。
[0042]本发明的主要优点是，虽然暴露于标准热处理下的SLM处理合金同传统的铸造合金相比仍然具有低劣的蠕变性能，但是所述方法容许在SLM处理之后产生粗糙的柱状晶粒。
【主权项】
1.一种用于生产金属构件(10)的方法，所述方法包括以下步骤:首先通过添加式制造工艺(11，12，13)准备构件(10)，其次使所述制造构件(10)暴露于热处理下，其特征在于，所述热处理包括区域退火步骤作为第一步骤。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述添加式制造工艺(11，12，13)使所述构件(10)在堆积方向(14)上生长，而且所述区域退火步骤包括使被加热的热处理区域(16)穿过所述构件沿着区域退火方向(17)而移动。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述堆积方向(14)和区域退火方向是彼此平行的。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述区域退火被局部应用于所述构件的预定区域，从而在所述预定区域中获得良好的蠕变属性。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述添加式制造工艺是激光添加式制造工-H-O6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述激光添加式制造工艺(11，12，13)期间使用的激光射束(12)根据特定的扫描策略进行扫描，并且在所述构件中在所述第一步骤期间通过所述特定的扫描策略而产生优选的晶粒定向。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述特定的扫描策略包括激光扫描器运动在熔融材料的平面(19)中的特定定向和/或扫描岛在不同的所述平面(19)之间的旋转。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，经调整的扫描战略用于在所述构件(10)的添加式激光处理期间控制初次结晶和二次结晶的晶粒定向，并且所述构件(10)的改善的蠕变性能/TMF性能是借助于通过所述额外的区域退火进行的再结晶而实现的。9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述激光添加式制造工艺(11，12，13)是SLM工艺。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被加热的退火区域包括所述构件(10)的熔融材料。11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属构件是在单晶或定向固化的预制件上堆积而成的。12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属构件(10)由基于N1、Co、Fe或其组合的超级合金，尤其Ni基合金制成。
【专利摘要】一种用于生产金属构件(10)的方法包括以下步骤：首先通过添加式制造工艺准备构件(10)，然后使所述制造构件(10)暴露于热处理下。所产生的构件(10)的改善的属性通过所述热处理来实现，其包括区域退火(16)步骤。
【IPC分类】B22F3/105, B22F3/24, B33Y10/00
【公开号】CN105710365
【申请号】CN201510959478
【发明人】T.伊特, R.恩格里, F.盖格
【申请人】通用电器技术有限公司