[发明专利]单晶合金构件的分层制造

说明书

一种制造构件(C)的方法包括：将金属粉末(P)沉积在工作面(128)上；从定向能量源(124)引导射束来以对应于构件(C)的截面层的图案熔化粉末(P)；在循环中重复沉积和熔化的步骤来以逐层方式构造构件(C)；以及在沉积和熔化的循环期间，使用与定向能量源(124)分开的外部热控制设备(144,146,150,154)保持构件(C)的预定温度轮廓，使得所得到的构件(C)具有定向固化或单晶微观结构。

技术领域

本发明大体上涉及涡轮构件，并且更具体地涉及用于构造用于高温环境中的单晶涡轮构件的设备及方法。

背景技术

典型燃气涡轮发动机包括涡轮机核心，其具有成串流关系的高压压缩机、燃烧器和高压涡轮。核心可以以已知方式操作来生成主气流。高压涡轮包括一个或多个级，其从主气流取得能量。各个级均包括静止涡轮喷嘴，随后是承载涡轮叶片的下游转子。这些热区段构件在极高温度的环境中操作，其促进金属合金的热腐蚀和氧化。

在现有技术中，热区段构件通常由具有良好抗高温蠕变的镍基或钴基合金(通常称为超级合金)铸造成。这些合金主要设计成满足机械性质要求，诸如蠕变断裂强度和疲劳强度。

铸造过程已知的是产生期望的微观结构，例如，定向固化(DS)或单晶(SX)。单晶微观结构是指没有结晶晶界的结构。单晶铸造需要晶种元件(即，用于冷却的成核点)，以及冷却期间对温度的仔细控制。

增材制造为铸造的备选过程，其中材料逐层构建以形成构件。不同于铸造过程，增材制造仅由机器的位置辨析率限制，且不由如铸造所需的提供倾斜角(draft angle)、避免悬垂等的要求限制。增材制造还由诸如分层制造、反向加工、直接金属激光熔化(DMLM)和3-D打印的用语指出。此用语作为针对本发明的目的的同义词看待。

现有技术已知用于使用增材制造来产生热区段构件。例如，授予Morris等人的美国专利申请公告2011/013592描述了一种工艺，其中构件通过沉积金属粉末随后激光熔化的重复循环而构建。激光热输入足以对于构件的一部分保持所需的溶解温度，但不可产生具有完全的单晶微观结构的构件。

因此，所需的是一种用于具有单晶微观结构的构件的增材制造的工艺。

发明内容

该需求通过本发明解决，其提供了用于单晶合金构件的分层制造的设备和方法。设备和方法结合外部热控制设备的使用以有效地控制构造下的构件的温度。

根据本发明的一个方面，一种制造构件的方法包括：将金属粉末沉积在工作面上；从定向能量源引导射束来以对应于构件的截面层的图案熔化粉末；在循环中重复沉积和熔化的步骤来以逐层方式构造构件；以及在沉积和熔化的循环期间，使用与定向能量源分开的外部热控制设备保持构件的预定温度轮廓，使得所得到的构件具有定向固化或单晶微观结构。

根据本发明的另一个方面，粉末和构件支承在构造平台上，平台可沿垂直轴线移动。

根据本发明的另一个方面，该方法还包括在熔化粉末的各个步骤之后降低构造平台达到选择的层增量。

根据本发明的另一个方面，外部热控制设备包括包绕构件的隔热物的层。

根据本发明的另一个方面，外部热控制设备包括包绕构件的加热器。

根据本发明的另一个方面，外部热控制设备包括定位在构件附近的石英灯。

根据本发明的另一个方面，外部热控制设备包括包绕构件的至少一个感应线圈。

根据本发明的另一个方面，外部热控制设备用于将构件保持在溶解温度。

根据本发明的另一个方面，外部热控制设备用于在沉积和熔化期间控制构件的温度和加热速率两者。