[发明专利]使用二极管激光器光纤阵列在激光粉末床熔合加性制造中的凝固控制

说明书

一种形成或修复具有柱状的或等轴的或定向凝固的或非晶的或单晶的微观结构的超级合金物品的方法，包括：将对应于物品的层的图案的来自二极管激光器光纤阵列的所选光纤的多个激光束发射到所述超级合金的粉末床上以形成熔池；以及控制所述熔池的温度梯度和凝固速度，以形成柱状的或单晶的微观结构。

技术领域

本技术一般涉及使用二极管激光器光纤阵列用于激光粉末床熔合加性制造，例如直接金属激光熔融（DMLM），其供在制造或修复组件，更具体地，燃气涡轮引擎的组件中的使用。

背景技术

加性制造是公知的技术，其实现包括金属、陶瓷和塑料的各种材料的组件的“3D打印”。在加性制造中，部件是以逐层的方式通过使金属粉末平整和使用高功率激光束或电子束选择性地把粉末熔合在层内来构建。在每一层之后添加了更多的粉末，并激光器使下一层图案化，同时将其熔合到之前的层，以制造被埋在粉末床中的完整组件。加性制造系统和过程被用于从数字模型制造精密的三维组件。

在当前粉末床系统中制作构建(build)中，激光束或电子束被用于扫描粉末层，以烧结和熔融粉末床的层中期望的图案。对这类系统，每层的典型的扫描时间是在70-100秒的范围中。对于一些应用，构造可能要求数天的处理时间。DMLM的一个应用是在制造和修复用于飞机的燃气涡轮引擎的机翼。机翼的几何结构难以使用常规的铸造技术形成，因此已经提出了使用 DMLM过程或电子束熔融过程制造机翼。利用在彼此之上建立的并且逐个截面彼此连接的层，可以产生例如为了修复带有期望的几何结构的机翼或其一部分。机翼可能要求后处理，以提供期望的结构特征。

激光扫描直接金属激光器熔融(DMLM)系统的另一个问题是可能在加性制造构建过程中导致某些合金破裂的快速冷却速度。快速冷却速度还在获得期望的晶粒形貌、图案和尺寸(例如等轴的或柱状的晶粒，垂直于层表面的晶粒生长)中存在困难。

发明内容

根据在此公开技术的一个示例，一种形成或修复具有柱状的或等轴的或定向凝固的或非晶的或单晶的微观结构的超级合金物品的方法，包括：将对应于物品的层的图案的来自二极管激光器光纤阵列的所选光纤的多个激光束发射到所述超级合金的粉末床上以形成熔池；以及控制所述熔池的温度梯度和凝固速度，以形成柱状的或单晶的微观结构。

依照在此公开的技术的另一个示例，通过前段的方法形成了一种超级合金物品或修复(repair)。

本发明提供了一组技术方案，如下：

1.一种形成或修复具有柱状的或等轴的或定向凝固的或非晶的或单晶的微观结构的超级合金物品的方法，所述方法包括：

将对应于物品的层的图案的来自二极管激光器光纤阵列的所选光纤的多个激光束发射到所述超级合金的粉末床上以形成熔池；以及

控制所述熔池的温度梯度和凝固速度以形成所述柱状的或等轴的或定向凝固的或非晶的或单晶的微观结构。

2.根据技术方案1所述的方法，其中控制所述温度梯度和凝固速度包括控制所述多个激光束的每一个的激光能量的衰减速度，以控制所述熔池的冷却周期。

3.根据技术方案2所述的方法，其中所述激光能量以10W/s的速度减小，以提供1s的冷却周期。

4.根据技术方案2所述的方法，其中所述激光能量以1W/s的速度减小，以提供10s的冷却周期。

5.根据技术方案2所述的方法，其中所述激光能量以0.1W/s的速度减小，以提供100s的冷却周期。

6.根据技术方案1所述的方法，其中控制所述温度梯度和凝固速度包括加热支承所述粉末床的衬底和/或加热由先前的熔池的凝固形成的所述物品的先前的层。

7.根据技术方案6所述的方法，其中加热所述衬底包括把所述衬底加热到所述衬底的熔融温度之下的温度。