用于激光沉积的金属填充剂粉末和熔剂粉末的预置方法及用于该方法的材料的制作方法
【专利摘要】形成相邻地放置在用于金属激光沉积的工作面（30）上的填充剂金属粉末（24）和熔剂粉末（26）的各个包（20、21、46、50、52、70、82、84）。各包可由牺牲套管（22）或相邻缝合的片材（72A?D）所组成，该套管或片材可包含熔剂纤维，例如氧化铝、氧化锆、玄武岩、或氧化硅。可将熔剂的包（56）中心地设置在金属的包（56）的内部，反之亦然。三个包（74A?C、86A?C）的连接堆（70、82、84）可通过将四个堆叠的片材（72A?D）缝合（76A?B）在公共边的附近，并且用各自的垂直顺序的金属/熔剂/金属或者熔剂/金属/熔剂粉末填充三个在片材之间所形成的空间而形成。绗缝和中间缝合可提供材料分布的精确控制并且便于材料的供给。
【专利说明】用于激光沉积的金属填充剂粉末和熔剂粉末的预置方法及用于该方法的材料
[0001]相关申请的交叉引用
本申请是2014年5月20日提交的共同未决美国专利申请第14/282,410号(律师签号2014P06058US)和2014年2月7日提交的共同未决美国专利申请第14/175,525号(律师签号2014P02381 US)的部分继续申请，这两篇专利申请的内容以参考的方式并入本文中。
技术领域
[0002]本发明涉及金属部件的增材制造及修复，具体地本发明涉及金属填充剂粉末和熔剂粉末在用于金属激光沉积的工作面上的预置。
【背景技术】
[0003]填充剂金属的激光熔化是用于物件(包括燃气轮机部件)的增材制造及修复。熔剂可以利用在填充剂金属的丝或在填丝上的熔剂涂层中的熔剂芯、或者以连同采用丝或条形式的固体填充剂金属一起进料的粒状熔剂材料的形式而导入。另一方面，填充剂金属和熔剂可以以粉末形式而提供。粉末是尤其有利的，因为相比固体填充剂金属，激光能量更容易地被粉末所捕获。金属丝进料的一个缺点是激光束必须持续地集中于金属丝上同时在与激光精确对准的情况下提供金属丝并使其移动。金属丝不能与由枢转镜所扫描的激光束同样快速地移动。因此，金属丝限制了加工速度。
[0004]填充剂粉末输送的可选择方法包括:
(I)将粉末喷射到加工点。这导致粉末的扩散和浪费。甚至在平直的水平表面上，喷射粉末的净捕获率仅为大约65%。粉末喷洒喷嘴不能与激光束同样快速地移动，因此喷嘴限制了加工速度。
[0005](2)将粉状金属和粉状熔剂预置在各独立的层中。由此控制填充剂厚度分布和金属/熔剂比。然而，这是耗费劳力且耗时的。
[0006](3)粉状金属与粉状熔剂的混合物的预置。相比将金属和熔剂置于各单独的层中，这减小劳力大约一半。然而，由于各粉末的尺寸和密度中的差异，因而难以确保均匀的混合。复合金属/熔剂粉末的使用避免了这种混合和分离问题，但复合物的制备是代价高且耗时的。
[0007](4)将金属和熔剂粉末捕获在被放置在加工路径中的牺牲套管或包中是一个较好的可选择方法，因为可使粉末浪费最小化并且能够实现粉末的精确分布。该方法是相对较快且需要很少的劳力。然而，在套管中的混合金属与熔剂粉末仍然可以分离，从而导致在粉末体积和工作面区域中的不一致的金属/熔剂比。
【附图说明】
[0008]在以下的描述中基于附图来说明本发明，在附图中:
图1是由容纳金属粉末的牺牲套管所组成的填充剂包(packet)的剖视图。
[0009]图2是被置于工作面上并且由用于正确边缘的激光阻挡挡体(shoe)所加框的、金属粉末和熔剂粉末的各自包的剖视图。
[0010]图3示出了覆盖较宽区域的图2的包的水平重复。
[0011]图4示出了形成被熔渣覆盖层所覆盖的金属熔体的、将激光束引导到图3的包上的工艺。
[0012]图5示出了相邻包的阵列，在该阵列的不同部分中分别容纳金属粉末、熔剂粉末、和激光阻挡材料。
[0013]图6是通过绗缝(quilting)而维持平面形状的填充剂包的透视图。
[0014]图7是分别容纳金属粉末和熔剂粉末的两个堆叠的绗缝包的剖视图。
[0015]图8是组合式两包实施例的透视图/剖视图，该组合式两包实施例具有中心地位于容纳金属粉末的套管内部的容纳熔剂粉末的套管。
[0016]图9是以如图8中的方式而形成然后用纵向缝合进行绗缝以控制粉末分布的包实施例的横向剖视图。
[0017]图10示出了被置于在激光阻挡挡体之间的工作面上的、单层的图8的两包实施例。
[0018]图11示出了被置于在激光阻挡挡体之间的工作面上的、双层的图8的两包实施例。
[0019]图12是利用本发明各方面来制造在燃气轮机叶片尖端上的凹槽叶顶脊部的装置及工艺的剖视图。
[0020]图13示出了形成于在边缘附近被缝合到一起的四个堆叠片材之间的各自空间中的、金属/熔剂/金属的三个包的连接垂直堆。
[0021]图14示出了在缝合边缘中间的采用绗缝的、图13的三个堆叠包的水平重复。
[0022]图15示出了熔剂/金属/熔剂的三个包的连接垂直堆，这三个包是形成于在边缘附近被缝合到一起的四个堆叠片材之间的各自空间中。
[0023]图16示出了在辊筒上提供细长形状的堆叠填充剂包、并且在激光加工之前从辊筒中供给堆叠填充剂包的方法。
【具体实施方式】
[0024]图1示出了由容纳金属粉末24的套管22所组成的用于激光沉积的填充剂包20。套管22可以是牺牲材料(例如棉或合成纤维织物或聚合物膜)，并且/或者它可包含熔剂成分，例如氧化锆、氧化铝、玄武岩、和氧化硅织物中的至少一种。
[0025]图2示出了在被置于工作面30上的金属粉末24的下填充剂包20上的熔剂粉末26的上填充剂包21，该工作面30可以是用于修复或制造的基体的表面、或者支承材料(例如用于新制造的第一层的石墨或氧化锆)的工作台或床。可利用可以耐受加工时发热的激光阻挡材料(例如石墨或氧化锆)的一个或多个相邻的刚性模板或挡体32使各填充剂包紧靠或者给填充剂包加框。这种挡体容纳并且准确地限定熔池的侧面并因此限定最后沉积层的侧面。这种挡体也利用它们的导热性能(例如，石墨)或隔热性能(例如，氧化锆)来控制散热。
[0026]图3示出了由图2的堆叠包20、21的水平重复所覆盖的工作面30的一个区域。另一方面，平直的绗缝包可用于覆盖相对较宽的区域，如下面所图示。
[0027]图4示出了激光发射器34，该激光发射器34发射激光束36以使金属和熔剂粉末熔化从而形成具有熔渣覆盖层40的熔池38。该熔渣覆盖层将熔池隔热，由此使激光能量向金属粉末的传递最大化，使加热更加均匀，并且使凝固更加平缓和前后一致。可使用其它形式的能量束，例如电子束和等离子体束。
[0028]图5示出了包括含有金属粉末24的包底层、含有熔剂粉末26的包顶层的相邻填充剂包、和含有激光阻挡材料粉末44的包的侧阵列的阵列42。
[0029]图6示出了平面状填充剂包46，该填充剂包46利用绗缝48来维持平面形状并且维持在填充剂包的平面上方的粉末均匀(或者另一方面不均匀但有意图地受控制)的分布。这种平面状包将会具有用于平直或者弯曲构造的宽表面的特别用途。图7示出了容纳金属粉末24的第一平面状(在这种情况下是平直的)填充剂包46、和容纳熔剂粉末26的第二平直填充剂包50，这些填充剂包被置于工作面30上并且用激光阻挡挡体32加框。具有至少一行的中间缝合的绗缝(如图所示)提供相对较薄且宽的包。例如，包宽度可以是厚度的至少两倍，以便在较宽的区域上提供给定厚度的填充材料。
[0030]图8示出了具有容纳金属粉末24的外套管54、和容纳熔剂粉末26且被金属粉末所包围的同心的内套管56的组合式两包实施例52。这些套管可包括织物或者其它柔性的牺牲管，如前所述。示例性的非限制性直径为6 mm(外套管)和3 mm(内套管)。可沿该同轴的类似绳的布置的长度，将这些包横向地间隙性地进行缝合57以控制粉末分布。如图6和图8中所示的布置根据需要可以是细长的，并且可将其从类似毯子或类似绳子的包的辊筒中分别供给至待处理位置。
[0031]图9是包实施例53的剖视图，该包实施例是以如图8中的方式而形成然后用至少一行的纵向缝合58进行绗缝从而形成并维持相对较薄且宽的包，该包在较宽区域的上方提供给定厚度的填充材料。例如，包宽度W可以是厚度T的至少两倍。
[0032]图10示出了被置于工作面上并且被激光阻挡护罩32所包围的组合填充剂包52。图11示出了被置于工作面上用于在单个步骤中的较厚沉积的、多层的这种填充剂包。另一方面，第一次沉积可以用单层的包来完成。在凝固之后，去除熔渣，并且根据需要用另一个层的包重复该步骤。
[0033]图12示出了具有在室或夹持机构60中的压力侧PS和吸引侧SS的燃气轮机叶片尖端59;该室或夹持机构60将激光阻挡挡体62保持为抵接叶片尖端的侧面的状态。另一个激光阻挡挡体64位于叶片尖端盖66上。这提供了用于形成在叶片尖端上的凹槽脊的通道68。将如在本文中所描述的金属粉末24和熔剂粉末26的包置于用于激光沉积的通道中。在第一沉积层形成并凝固之后，将熔渣去除。然后第一沉积层提供新的工作面，可使另外的层(必要时)沉积于该工作面上以便使凹槽脊堆积到期望的高度。
[0034]图13示出了三个包74A-C的连接堆70，该堆70是通过将四个堆叠的牺牲片材72A-D缝合76A-B在其公共边的附近，并且用一系列的金属/熔剂/金属(图示)或者熔剂/金属/熔剂(图15)填充在这些片材之间的三个所形成的空间而形成。接缝76A-B可以是缝纫、胶粘剂、或熔体。在本实施例中，熔剂包74B不能在周围的金属粉末中上升或下沉，因为金属粉末不能在上包74A与下包74C之间流动。
[0035]图14示出了四个牺牲片材72A-D的连接堆82，这些片材被缝合76A-B在其公共边的附近并且被绗缝48，从而形成如图13中所示的垂直相邻包74A-C的平面状(在这种情况下是平直的)组合，这些包水平地重复，从而提供填充材料在工作面的一个区域上的分布。绗缝提供相对较薄且宽的包。例如，包宽度W可以是厚度T的至少两倍，从而在较宽区域上方提供期望厚度的填充材料。
[0036]图15示出了通过将四个堆叠的牺牲片材72A-D缝合76A-B在其公共边的附近而形成的三个相邻包86A-C的连接堆84，并且用一系列的熔剂/金属/熔剂填充在这些片材之间的三个所形成的空间。根据需要，可以调整实施例70、82和84中的包尺寸的比率。图15中示出将下包、中间包、和上包的尺寸分别设定为最小、最大、和中间尺寸。因此，中部的金属包是最大的，下熔剂包是最薄的，但足以促进熔化并且提供熔剂经过熔体的上升以便清除污染物，上熔剂包的尺寸为中间尺寸以便在熔池上形成熔渣覆盖层。
[0037]图16示出了在辊筒92上提供细长形状87的堆叠填充剂包88、89、90的方法。该细长形状可包括一个或多个系列的端到端附接的填充剂包，或者可包括以图8、图9或图13-图15中所示方式而形成的堆叠填充剂包。辊筒92可在激光束34之前将细长形状的堆叠填充剂包供给到基体99上，该激光束34使基体上的金属和熔剂填充剂粉末熔化，从而形成熔接到基体的金属层95和在金属层上的熔渣覆盖层96。任选地，当填充剂包在与基体的表面30接触之前展开时，可将胶粘剂97涂覆到该细长形状的填充剂包，或者可在辊筒92之前将胶粘剂直接涂覆到工作面30上。
[0038]无论是堆叠还是同心地组装，该双包系统和方法允许简单的粉末预置，并且避免分离问题。在激光加工之前，可由从卷轴中拉出细长包或一系列连接包的供给装置自动地供给包。通过用被设计用于氧化硅或其它类似陶瓷材料的胶粘剂或水泥将将包胶合就位，可在非水平表面上使用这些包。
[0039]虽然在本文中已图示并描述了本发明的各种实施例，但显而易见的是这种实施例只是通过举例而提供。在不背离本发明的前提下，在本文中可作出许多变形、变更和替换。因此，意图是本发明仅由所附权利要求的精神和范围所限制。
【主权项】
1.一种方法，包括: 提供容纳金属粉末的第一包； 提供容纳熔剂粉末的第二包;和 将所述第一和第二包彼此相邻地置于工作面上;和 同时地使所述第一包和第二包熔化，以便在熔渣层下方使金属沉积于所述工作面上。2.如权利要求1所述的方法，还包括: 将所述第一包置于所述工作面上， 将所述第二包置于所述第一包上； 用激光阻挡材料的挡体给所述第一包和第二包加框;和 将激光束引导到所述第二包上，使所述熔剂粉末和所述金属粉末熔化从而在所述挡体之间形成熔池。3.如权利要求1所述的方法，还包括将所述第一包设置在所述第二包的内部。4.如权利要求1所述的方法，还包括将所述第二包设置在所述第一包的内部。5.如权利要求1所述的方法，还包括将所述第二包同心地设置在所述第一包的内部。6.如权利要求1所述的方法，还包括由沿其公共边缝合到一起的堆叠顺序的第一、第二、第三和第四牺牲片材而形成所述第一包和第二包和第三包；其中所述第一包是形成于所述第一片材与第二片材之间，所述第二包是形成于所述第二片材与第三片材之间，所述第三包容纳另外的金属粉末和另外的熔剂粉末中的至少一种并且是形成于所述第三片材与第四片材之间，其中所述第二包被设置在所述第一包与第三包之间。7.如权利要求1所述的方法，还包括跨越或沿所述包的横向中间部缝合绗缝缝合的至少一行，其中所述缝合形成并维持所述包从而包括是其厚度至少两倍的宽度。8.一种方法，包括: 形成包括容纳金属粉末的牺牲套管的第一包； 形成包括容纳熔剂粉末的第二牺牲套管的第二包； 将所述第一包和第二包彼此相邻地或者以一个在另一个内部的方式置于基体上； 将激光束引导到所述第一包和第二包的上方，使所述熔剂粉末和所述金属粉末熔化，在金属熔体上形成熔渣覆盖层，并且使所述金属熔接到所述基体。9.如权利要求8所述的方法，还包括: 将所述第一包置于所述基体上； 将所述第二包置于所述第一包上;和 将所述激光束引导到所述第二包的上方，使所述熔剂粉末和所述金属粉末熔化，在所述金属熔体上形成所述熔渣覆盖层，并且使所述金属熔接到所述基体。10.如权利要求8所述的方法，还包括在引导所述激光束之前沿所述第一包和第二包的第一侧将第一激光阻挡挡体置于所述基体上。11.如权利要求10所述的方法，还包括在引导所述激光束之前沿所述第一包和第二包的第二侧将第二激光阻挡挡体置于所述基体上，其中所述金属熔体形成由所述第一和第二激光阻挡挡体所限制的熔池。12.如权利要求8所述的方法，还包括将容纳所述熔剂粉末的所述第二包同心地设置在所述第一包和所述金属粉末的内部。13.如权利要求8所述的方法，还包括由沿其公共边缝合到一起的堆叠顺序的第一、第二、第三和第四牺牲片材而形成所述第一包和第二包和第三包；从而在所述第一片材与第二片材之间形成所述第一包，在所述第二片材与第三片材之间形成所述第二包，并且在所述第三片材与第四片材之间形成容纳另外的金属粉末和另外的熔剂粉末中的至少一种的第三包，从而形成所述包的连接堆，其中容纳熔剂粉末的所述第二包被设置在分别容纳金属粉末和另外的金属粉末的所述第一包与第三包之间。14.如权利要求8所述的方法，还包括形成包含氧化硅、氧化锆、玄武岩、和氧化铝中的至少一种的织物的所述第一包和第二包中的至少一个包。15.如权利要求8所述的装置，还包括提供在辊筒上的细长形状的所述第一和第二包、以及在所述激光束之前将所述细长形状从所述辊筒供给到所述基体上。16.—种装置，包括: 容纳第一粉末的第一包； 容纳第二粉末的第二包； 所述第二包被设置在所述第一包的内部并且在至少两个相对侧上被所述第一粉末所包围； 其中所述第一粉末包括金属粉末或熔剂粉末中的一种;并且 所述第二粉末包括所述金属粉末或所述熔剂粉末中的另一种。17.如权利要求16所述的装置，还包括被同心地设置在所述第一包的内部并且被所述第一粉末所包围的所述第二包。18.如权利要求16所述的装置，还包括由沿其公共边缝合到一起的堆叠顺序的第一、第二、第三和第四牺牲片材而形成所述第一包和第二包及第三包，从而在所述第一片材与第二片材之间形成所述第一包，在所述第二片材与第三片材之间形成所述第二包，在所述第三片材与第四片材之间形成第三包，从而形成所述包的连接堆，其中所述第二包容纳所述熔剂粉末并且被设置在容纳所述金属粉末的所述第一包与容纳另外的金属粉末的所述第三包之间。19.如权利要求16所述的装置，还包括由沿其公共边缝合到一起的堆叠顺序的第一、第二、第三和第四牺牲片材而形成所述第一包和第二包和第三包，从而在所述第二片材与第三片材之间形成所述第一包，在所述第一片材与第二片材之间形成所述第二包，在所述第三片材与第四片材之间形成第三包，从而形成所述包的连接堆，其中所述第一包容纳所述金属粉末并且被设置在容纳所述熔剂粉末的所述第二包与容纳另外的熔剂粉末的所述第三包之间。20.如权利要求19所述的装置，还包括将所述第一包、第二包和第三包的尺寸分别设定为最大、最小、和中间尺寸。
【文档编号】B23K35/02GK105992668SQ201580007674
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月3日
【发明人】G.J.布鲁克, A.卡迈勒
【申请人】西门子能源公司