使用增材制造形成具有孔隙构造的热障涂层的方法

申请号 CN201610822046.0 申请日 2016-09-13 公开(公告)号 CN106967974A 公开(公告)日 2017-07-21
申请人 西门子能源有限公司; 发明人 艾哈迈德·卡梅尔; 阿南德·A·库尔卡尼;
摘要 本 发明 涉及使用 增材制造 形成具有孔隙构造的热障涂层的方法。一种方法,包括:激光加热设置在陶瓷材料(16)中的热源材料(18);以及使用由激光加热在热源材料中产生的热量 烧结 所述陶瓷材料以形成具有由所述热源材料引起的非一致结构(40)的烧结陶瓷(32)。
权利要求

1.一种方法,包括:
激光加热设置于陶瓷材料(16)中的热源材料(18);以及
使用通过所述激光加热在所述热源材料中产生的热能烧结所述陶瓷材料,以形成包含由所述热源材料引起的非一致结构(40)的烧结陶瓷(32)。
2.根据权利要求1所述的方法,还包括使用对用于激光加热所述热源材料的激光束(12)透明或半透明的陶瓷材料。
3.根据权利要求2所述的方法,还包括在激光加热所述热源材料时使所述激光束穿过所述陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述的方法,其中所述烧结陶瓷限定包含多个层(14)的陶瓷涂层(50),所述方法还包括通过对每个层重复所述激光加热和烧结步骤形成所述多个层,作为增材制造工艺的一部分。
5.根据权利要求4所述的方法,其中所述热源材料包括易消散材料(34),所述方法还包括在所述激光加热和烧结步骤期间使所述易消散材料至少部分地挥发。
6.根据权利要求5所述的方法,其中所述非一致结构在所述陶瓷涂层的上部(52)形成相对较大的孔隙度,以及在所述陶瓷涂层的下部(54)形成相对较小的孔隙度。
7.根据权利要求5所述的方法,其中所述非一致结构形成跨越所述多个层的孔隙构造(58)。
8.一种方法,包括:
使用激光加热工艺以在易消散材料中产生热能;以及
使用所述热能烧结围绕所述易消散材料的陶瓷材料并使所述易消散材料挥发,从而在烧结陶瓷中形成空隙(42)。
9.根据权利要求8所述的方法,还包括使所述易消散材料完全浸没于所述陶瓷材料中;
以及将在所述激光加热工艺中使用的激光束引导穿过透明或半透明陶瓷材料。
10.根据权利要求8所述的方法,其中所述烧结陶瓷是作为增材制造工艺的多个重复的一个重复形成的,所述方法还包括通过所述增材制造工艺形成包含多个烧结陶瓷的陶瓷涂层;以及形成包含孔隙构造的涂层,所述孔隙构造在上部区域中包含空隙并且在下部区域中包含微裂纹(60)和宏观裂纹中至少之一、以及不同空隙。

说明书全文

使用增材制造形成具有孔隙构造的热障涂层的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及形成具有孔隙构造的热障涂层。特别地,本发明涉及激光加热设置于陶瓷材料中的易消散材料以制造具有孔隙构造的热障涂层的增材制造工艺。

背景技术

[0002] 增材制造工艺广泛用于自金属粉末聚合物粉末和陶瓷粉末生产三维部件,该工艺通过熔合所述粉末以形成层,并重复该工艺以形成额外的层直到部件完成。使用粉末床以在加工期间支持构件并为额外的层提供粉末。虽然该工艺使部件的逐层建立成为可能,然而该工艺非常缓慢且材料特性不能利用其他工艺可能的方式例如当使用熔化池时而调节。这对例如用于热障涂层(TBC)中的陶瓷尤其如此。
[0003] 热障涂层已用于第一和第二排涡轮叶片以及暴露于工业燃气轮机的热气通道的燃烧器构件。在该环境中,TBC广泛用于热部并为其提供热机械冲击防护、高温化防护,尤其是热腐蚀降解防护。
[0004] 喷涂(例如等离子喷涂)为用于生产用于保护材料免受大范围的不利环境、机械以及热条件以及用于产生功能表面的涂覆涂层(例如TBC)的许多方法之一。在该工艺中通过连续碰撞和朝向表面的原材料的熔融颗粒中的内键合形成沉积。这些涂层的颗粒被原材料的特征和工艺参数所限定。这使得能够形成具有大范围的不同微结构的涂层,其进而改变各涂覆涂层的功能和性能。然而随着该工艺相关的快速凝固,涂层孔隙度的控制取决于大量参数,包括喷涂环境、等离子喷涂参数(例如功率平、气流特征、喷涂距离等)、以及原料特征(例如形态和粒径分布)。
[0005] 通过TBC使得能够增加烧成温度以及降低泄露通道容限二者正引起对TBC更大的依赖,以及因此对改善性能的需求。因此,本领域中依然存在改善空间。

发明内容

[0006] 本发明涉及以下内容。
[0007] 1.一种方法,包括:
[0008] 激光加热设置于陶瓷材料(16)中的热源材料(18);以及
[0009] 使用通过所述激光加热在所述热源材料中产生的热能烧结所述陶瓷材料,以形成包含由所述热源材料引起的非一致结构(40)的烧结陶瓷(32)。
[0010] 2.根据1所述的方法,还包括使用对用于激光加热所述热源材料的激光束(12)透明或半透明的陶瓷材料。
[0011] 3.根据2所述的方法,还包括在激光加热所述热源材料时使所述激光束穿过所述陶瓷材料。
[0012] 4.根据1所述的方法,其中所述烧结陶瓷限定包含多个层(14)的陶瓷涂层(50),所述方法还包括通过对每个层重复所述激光加热和烧结步骤形成所述多个层,作为增材制造工艺的一部分。
[0013] 5.根据4所述的方法,其中所述热源材料包括易消散材料(34),所述方法还包括在所述激光加热和烧结步骤期间使所述易消散材料至少部分地挥发。
[0014] 6.根据5所述的方法,其中所述非一致结构在所述陶瓷涂层的上部(52)形成相对较大的孔隙度,以及在所述陶瓷涂层的下部(54)形成相对较小的孔隙度。
[0015] 7.根据5所述的方法,其中所述非一致结构形成跨越所述多个层的孔隙构造(58)。
[0016] 8.一种方法,包括:
[0017] 使用激光加热工艺以在易消散材料中产生热能;以及
[0018] 使用所述热能烧结围绕所述易消散材料的陶瓷材料并使所述易消散材料挥发,从而在烧结陶瓷中形成空隙(42)。
[0019] 9.根据8所述的方法,还包括使所述易消散材料完全浸没于所述陶瓷材料中;以及将在所述激光加热工艺中使用的激光束引导穿过透明或半透明陶瓷材料。
[0020] 10.根据8所述的方法,其中所述烧结陶瓷是作为增材制造工艺的多个重复的一个重复形成的,所述方法还包括通过所述增材制造工艺形成包含多个烧结陶瓷的陶瓷涂层;以及形成包含孔隙构造的涂层,所述孔隙构造在上部区域中包含空隙并且在下部区域中包含微裂纹(60)和宏观裂纹中至少之一、以及不同空隙。
附图说明
[0021] 在结合附图的以下说明书中解释本发明,所述附图显示:
[0022] 图1示出形成具有非一致结构的烧结陶瓷层的工艺的一个示例性实施方案。
[0023] 图2为通过图1的工艺形成的烧结陶瓷的一个示例性实施方案的侧视图。
[0024] 图3示出形成具有非一致结构的烧结陶瓷层的工艺的一个替代示例性实施方案。
[0025] 图4为通过图3的工艺形成的烧结陶瓷的一个替代示例性实施方案的侧视图。
[0026] 图5至图8为具有多层烧结陶瓷和各自孔隙构造的热障涂层的各种示例性实施方案的侧视图。

具体实施方式

[0027] 本发明人已开发出独特且创新的产生具有提高的功能和性能的经改善的热障涂层(TBC)的方法。TBC中使用的许多陶瓷材料为对激光加热工艺中通常使用的激光透明或半透明的。该固有特性已阻止使用常规选择性激光熔化(SLM)和选择性激光烧结(SLS)工艺形成TBC,因为激光束将只是穿过陶瓷材料。本文公开的方法通过在陶瓷材料中放置热源材料而利用陶瓷的透明或半透明性质。使用能量束(例如激光束)照射热源材料并在其中产生热。热源材料吸收激光能量且被加热直到产生足够的热以烧结相邻的陶瓷材料。热源材料以足够的量和分布分散,以使热源材料中产生的热足够烧结其中设置有热源材料的整个体积。
[0028] 陶瓷材料的实例体积为陶瓷材料层。在这样的一个示例性实施方案中,其中带有热源材料的陶瓷材料层可被加工以形成烧结层。在增材制造工艺中,其它层可在其上重复地形成以形成其中由热源材料造成非一致结构的TBC。在一个示例性实施方案中,热源材料为易消散材料,其在该层的激光加工期间可部分地或完全地挥发。在此情况下,非一致结构可包括在易消散材料挥发处的随机或图案化的空隙。或者,易消散材料的一些或全部在该层的激光加工期间可能不挥发,在此情况下,余留的易消散材料可在其间用于另一目的或在完全挥发之前作为运行的燃气涡轮发动机中构件的一部分。
[0029] 在图1中,激光器10向包括陶瓷材料16的层14引导激光束12。陶瓷材料16可包括例如钇、镱、钆、镧、和锆且可为例如粉末形式。适合加工合金粉末的常规选择性激光烧结(SLS)或选择性激光熔化(SLM)机器可产生具有以控制熔化槽特性的工作参数的激光。工作参数包括工作频率(例如1024纳米至1064纳米)、以及光斑尺寸等。然而,陶瓷材料16对常规SLS/SLM激光束至少为半透明的和可整体透明的。该特性妨碍了在常规工艺中陶瓷的激光烧结和激光熔化。
[0030] 创新地,在本文所公开的工艺中,依靠该特性以允许激光束12穿过陶瓷材料16以使激光束12可到达热源材料18。热源材料18为至少部分地浸没在陶瓷材料16中的。如所示,热源材料18为完全浸没的。在层14中上述情况的二者择一或二者都是可接受的。如果热源材料18为完全浸没的,在最终加工之后,层14的表面20将为相对平滑的。如果热源材料18为部分浸没的,那么在最终加工之后层14的表面20的平滑可相对较差。
[0031] 激光束12指向热源材料18,加热热源材料18。热源材料18选择为使得其可被激光束12加热至足以将相邻的陶瓷材料30烧结成烧结陶瓷32的温度和时间。热源材料18以足以烧结陶瓷材料16的整个层14的密度和体积分散在整个层14中。这里可以看出,激光束12已预先加热热源材料18以在加工热源材料18附近产生烧结陶瓷32,而未加工热源材料18(或在加工开始阶段的热源材料18)附近的陶瓷材料16仍为未烧结的。
[0032] 因此,一旦全部热源材料18通过激光束12加工,则全部陶瓷材料16被烧结,从而形成烧结陶瓷层。在透明陶瓷材料16的情况下,陶瓷材料16从激光束12吸收可忽略量的能量,且热源材料18基本上为对陶瓷材料16的唯一热源。在透明材料的情况下,来自激光束12的一些能量还可被陶瓷材料16直接吸收。
[0033] 与其中没有热源材料18而烧结的陶瓷层的形态相比时,热源材料18的存在形成层14的形态上的非一致结构40。热源材料18可为在激光加工期间至少部分挥发的易消散(fugitive)材料34。易消散材料特别地可为容易燃烧且能够使热传输至周围陶瓷颗粒的任何材料。示例性材料包括聚酯、石墨或聚甲基丙烯酸甲酯。在该示例性实施方案中,易消散材料34完全挥发,在烧结陶瓷32中留下空隙42。空隙42成通常与易消散材料34的形状相一致的形状。因此,在易消散材料34与陶瓷粉末相比时为相对大且离散的体时,在层14内空隙
42同样地为相对大且离散的。
[0034] 图2为通过图1的工艺形成的层14的示意性侧视图,层14由其中具有空隙42的烧结陶瓷32构成。空隙42降低烧结陶瓷32的密度且因此提高烧结陶瓷的孔隙度。这样,可以控制并从而调节烧结陶瓷32的孔隙度的量和分布。图2中示出的层14可为增材制造工艺中制造的一层,其中对其重复加工额外层(未示出)直到达到所需数量的层且形成热障涂层(TBC)(未示出)。
[0035] 或者,热源材料18可根本不挥发,留下所示剩余材料36用于非一致结构40之一。在另一个替代示例性实施方案中,易消散材料34可以仅部分挥发,留下与其经预加工的体积相比体积减少的剩余材料。在仍另一个示例性实施方案中,一些热源材料18可以是易消散的,而一些可以不是,且可存在具有易消散材料34和非易消散材料二者的复合热源材料18。可期望剩余材料36在燃气涡轮发动机运行期间挥发,或可期望残存。可依靠任何剩余材料
36以在燃气涡轮发动机中的加工期间和/或操作期间表现额外的功能。例如,剩余材料36可为标记材料且可设置在烧结陶瓷中以使其在TBC中更深处更密集。可监测来自燃气涡轮发动机的废气用于该标记材料,且可评价TBC的磨损量。
[0036] 图3示出形成具有非一致结构40的烧结陶瓷32的层14的工艺的一个替代示例性实施方案。此处热源材料28以及陶瓷材料16为粉末形式。随着激光束12加工层14,其形成具有更精细非一致结构40的烧结陶瓷32。在图4中可以看出,一旦被激光束12完全加工,则层14由与图2中示出的孔隙度的形态相比时具有相对均匀孔隙度的烧结陶瓷32构成。因此,图2和图4中的层14可具有相同量的孔隙度,但形态可完全不同。或者,孔隙度的量也可不同。
[0037] 孔隙度影响热导率、应变容限、阻尼摩擦/内摩擦,尤其是耐磨度,并因此控制层14内孔隙度的能,加上通过如本文公开的增材制造工艺以逐层方式形成TBC的能力,使形成具有局部变化的功能性的TBC成为可能。图5公开了具有通过增材制造工艺形成的多层14的TBC涂层50的一个示例性实施方案。上部区域52显示第一相对更多多孔性形态且下部区域54显示第二相对更少多孔性形态。第一相对更多多孔性形态可为例如百分之八至百分之十二孔隙度,其对耐磨度和更低的热导率来说更佳。第二相对更少多孔性形态对粘合性和应变容限来说更佳。还可看出,层的厚度56可在工艺限制内随要求而改变,以使要求的加工速度与被加工层的多孔性等相匹配。不同的孔隙度形态一起限定非常适合将TBC粘合至下部区域54上的基底且使用上部区域52作为部件例如燃气涡轮发动机中叶片末端处的间隙控制布置的孔隙构造58。
[0038] 图6公开了具有通过增材制造工艺形成的多层14的TBC涂层50的一个替代示例性实施方案。上部区域52再次显示第一相对更多多孔形态且下部区域54显示第二相对更少多孔形态。上部区域52再次可显示例如相同的百分之八至百分之十二的孔隙度,但具有不同的形态。同样地,下部区域54再次可显示如图5中相同的孔隙度,但具有包括垂直微裂纹60的不同形态。微裂纹或宏观裂纹可通过例如在形成过程期间氧化锆释放应力而形成。与作为常规等离子喷涂工艺建立的用于密集垂直裂纹结构的工艺相似,这将需要对陶瓷热加热的适当控制。
[0039] 图7公开了具有通过增材制造工艺形成的多层14的涂层50的一个替代示例性实施方案。在该示例性实施方案中,热源材料为预成型体62,其可为分区的且各区64应用于各自的层14中。一个预成型体62示出为剩余材料36以帮助理解。随着层14的建立,非一致结构40以组装形式呈预成型体62的形状。因此,所产生的非一致结构可作为连续非一致结构跨越多层14。如果移除热源材料18,则所得孔隙构造58同样跨越多层14。该高度控制使层14内以及逐层的局部调节成为可能,以实现多种复杂孔隙构造58。这进而使大量控制TBC涂层的局部功能性成为可能。
[0040] 图8公开了具有通过增材制造工艺形成的具有多层14的TBC涂层50的一个替代示例性实施方案。在该示例性实施方案中,热源材料为预成型体62,其可为分区的且各区64应用于各自的层14中,一个区64示出为剩余材料36以帮助理解。在该示例性实施方案中,可以看出没有一个区、一个、或多于一个区64可为剩余材料36。因此,剩余材料36可为依需要侧向或垂直地图案化的。在该示例性实施方案中,可以看出所得的非一致结构40以更复杂的通道穿过TBC涂层50,且仅代表许多可能的几何结构之一。因此,当所用的热源材料18为易消散材料34时,所得的孔隙构造58可同等地复杂。还可见的为对于TBC涂层50的表面68比别处相对更大的宽度66,这表明额外的设计自由度
[0041] 从前述可以看出,本发明人已设计出逐层产生增材的创新且独特的方法-增材制造工艺。所述TBC可在每层内以及逐层进行局部调节,以实现为期望局部功能性调节的期望的孔隙构造。所公开的方法使能够使用常规设备以非常规方式进行本工艺,且从而低成本实施。因此,这代表本领域的改进。
[0042] 虽然本文已示出且描述了本发明的多个实施方案,显然这种实施方案仅以示例的方式提供。可进行多种变化、改变以及替代而不背离本发明。因此,应当指出本发明仅被附属权利要求的精神和范围限制。
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