[发明专利]利用可变掩蔽对粉末状材料的床的激光处理

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年11月12日提交的美国临时申请号61/902,829 (代理人案卷号2013P09947US)的优先权，该申请的全部内容通过 引用合并于此。

技术领域

本发明总体上涉及从粉末状金属的床铸造、形成或修复金属部件 和零件的领域。更具体地，本发明涉及使用粉末状材料的静态或流化 床来铸造或修复零件，其中粉末状材料由超合金金属和其他材料组 成。

背景技术

焊接工艺取决于被焊接的材料的类型而有相当大的差异。一些材 料在各种各样的条件下更容易焊接，而其他材料要求特殊工艺以便获 得结构上可靠的接头而不会使周围的基底材料劣化。

常见的电弧焊一般利用消耗性电极作为进给材料。为了为焊池中 的熔融材料提供免受环境影响的保护，可以在焊接包括例如钢、不锈 钢和镍基合金的许多合金时使用惰性覆盖气体或焊剂材料。惰性和组 合惰性和活性气体工艺包括气体保护钨极电弧焊(GTAW)(也称作 钨极惰性气体(TIG))和气体保护金属电弧焊(GMAW)(也称作 金属惰性气体(MIG)和金属活性气体(MAG))。焊剂保护工艺包 括其中焊剂通常被进给的埋弧焊(SAW)、其中焊剂形成电传导性熔 渣的电熔渣焊(ESW)、其中焊剂被包括在电极的芯中的药芯焊丝电 弧焊(FCAW)和其中焊剂被涂覆在填料电极的外侧的焊条电弧焊 (SMAW)。

能量束的作为用于焊接的热源的使用也是已知的。例如，激光能 量已被用于将预先放置的不锈钢粉末熔化到具有提供熔池的屏蔽的 粉末状焊剂材料的碳钢基底上。焊剂粉末可以与不锈钢粉末混合或者 作为单独的覆盖层施加。以发明人的知识，当焊接超合金材料时不使 用焊剂材料。

认识到超合金材料归因于其对焊接凝固龟裂和应变时效龟裂的 敏感性而在最难以焊接的材料之中。术语“超合金”在这里如它在本 领域通常使用地那样使用，即，展现出优异的机械强度和对高温下的 蠕变的抵抗性的高耐腐蚀抗氧化合金。超合金典型地包括高的镍或钴 含量。超合金的示例包括在如下商标和品牌命名下销售的合金：哈氏 合金(Hastelloy)、英科乃尔(Inconel)合金(例如，IN738、IN792、 IN939)、雷内(Rene)合金(例如，ReneN5、Rene80、Rene142)、 海恩斯合金(Haynesalloys)、MarM、CM247、CM247LC、C263、 718、X-750、ECY768、282、X45、PWA1483和CMSX(例如，CMSX-4) 单晶合金。

一些超合金材料的焊接修复已通过将材料预先加热至非常高的 温度(例如至1600°F或870℃以上)以便显著地增加修复期间材料的 延展性而成功实现。该技术被称为热箱焊接(hotboxwelding)或处 于升高温度的超合金焊接(SWET)焊接修复并且它通常使用手动 GTAW工艺来实现。然而，热箱焊接受到维持均匀的部件工艺表面温 度的难度和维持完整的惰性气体屏蔽的难度的限制，以及受到强加在 在这样的极端温度下在部件附近工作的操作者上的物理难度的限制。

一些超合金材料焊接应用可以使用激冷板来进行以限制基底材 料的加热；由此限制了引起龟裂问题的基底热效应和应力的发生。然 而，该技术对于其中零件的几何结构不便于激冷板的使用的许多修复 应用来说不实用。

图9是图示出各种合金的作为其铝与钛含量的函数的相对可焊性的常规图表。具有相对较低浓度的这些元素并且因此具有相对较低γ'(增强成分)含量的诸如IN718等的合金被认为是相对可焊的，但这样的焊接一般限于部件的低应力区域。具有相对较高浓度的这些元素的诸如IN939等的合金一般不认为是可焊的，或者仅可以用增加材料的温度/延展性并使工艺的热输入最小化的在上面所讨论的特殊程序来焊接。虚线80指示出可焊性的区域的公认的上边界。线80与纵轴上的3重量％的铝和横轴上的6重量％的钛相交。可焊性的区域外侧的合金被公认为非常难以或不可能用已知工艺焊接，并且具有最高铝含量的合金一般发现是最难以焊接的，如箭头所指示的。