[发明专利]增材制造纤维增强陶瓷基复合材料的方法

说明书

本发明涉及一种增材制造陶瓷基复合材料(10)的方法，包括提供用于陶瓷基复合材料的陶瓷纤维(3)和粉末状基材(2)，以及根据预定几何结构，通过用能量束(6)辐照由基材(2)形成的粉末床，来逐层堆积用于陶瓷基复合材料的陶瓷基材料(5)，其中基材(2)被重熔、固化、并以粘着方式结合至陶瓷纤维(3)，其中能量束(6)的参数被局部地选择，使得在陶瓷纤维(3)和粉末床的接触区域(CR)中，陶瓷纤维(3)仅被部分地重熔。

技术领域

本发明涉及诸如纤维增强材料的陶瓷基复合材料或(根据具体情况)由其制成的部件的增材制造。此外，描述了一种装置和相应部件。

优选地，该部件表示应用于涡轮机的部件，例如涡轮机的热气流路硬件中的部件。因此，该部件优选由超合金或镍基合金制成，尤其是由脱溶硬化合金制成。

背景技术

增材制造技术包括，例如，诸如选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)或电子束熔化(EBM)的粉末床法以及诸如激光金属沉积(LMD)的喷吹粉末法。

例如，EP2601006B1中描述了一种选择性激光熔化方法。

已经证明增材制造方法在原型或复合体以及精细部件的制造方面是有前途的，诸如包括迷宫状内部结构的轻量化设计或冷却部件。此外，增材制造因其短链工艺步骤而突出，因为制造步骤可以直接基于对应的CAD/CAM和/或设计数据来实现。

在增材制造的背景下，需要解决的问题或者待完成的任务是，找到一种可重复的、可行的且适当的制造路线，同时与纤维增强陶瓷复合材料或陶瓷基复合材料(CMC)的维护、修复和大修应用相结合。

诸如SiC-SiC的CMC或尤其是Al₂O₃基质或不同材料组合中的Al₂O₃纤维的氧化物-氧化物材料体系是用于生产耐损伤短且长纤维增强部件的有前途的候选者，耐损伤短且长纤维增强部件例如用于燃气轮机中热气路径的恶劣环境。在这种情况下，需要克服的缺点尤其在于，两种同类材料(即，一侧上的基质粉末和另一侧上的固体纤维)的熔点大致相同。

当上述缺点可以被解决时，预期增材制造路线将为利用增材制造的设计自由度(例如利用增材制造诸如专为材料陶瓷材料设计的冷却通道的内部中空结构的设计自由度)提供机会，以便通过提高涡轮入口温度和/或降低冷却空气消耗来提高燃气轮机效率。

到目前为止，除了用于生产纤维/织物、并且通常包括随后的包括后渗透的层压或烧结步骤的“常规”方法之外，还没有可重复且可靠的制造路线。

发明内容

通过本发明，为基于诸如SLM、LMD或EBM或其组合等已知增材制造路线的CMC的(例如，基于粉末床的)增材制造提供了一种途径。

本发明的一个目的在于，提供有助于克服上述问题或缺点的手段。

上述目的通过独立权利要求的技术方案实现。优选实施例是从属权利要求的技术方案。

本发明的一个方面涉及一种增材制造陶瓷基复合材料或部件的方法，包括提供用于陶瓷基复合材料的陶瓷纤维和粉末状(并且优选陶瓷)基材。

该方法还包括根据部件的期望和预定几何结构，通过用能量束辐照由基材形成的粉末床，来逐层堆积或制造用于陶瓷基复合材料的陶瓷基材料(基材)，其中基材被重熔、固化并由此以粘着方式结合至陶瓷纤维。这通过下述方式实现：优选局部地选择能量束的(辐照)参数，使得在陶瓷纤维和粉末床的接触区域中，陶瓷纤维仅被部分地重熔，并且优选不完全重熔。通过单独的部分重熔程序，有利地实现了陶瓷纤维不被破坏，且其材料仍然是完整的，但同时以粘着方式结合至固化的基质材料上。换言之，本发明是关于辐照过程的控制，使得陶瓷纤维确实可以被以粘着方式结合而不会丧失其用于最终CMC的优异性能。

对于燃气轮机技术，如上所述，当然非常希望增材制造能力可以转移至具有已知高温耐受性的陶瓷。