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高压 涡轮的连续 增材制造

阅读：21发布：2024-01-08

专利汇可以提供高压涡轮的连续增材制造专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供了一种由增材制造来制造物体的方法。该方法包括将具有构建材料的给定层的构建平台降低到设在窗上的粉末。照射粉末来形成对应于给定层的后续层。该方法然后包括固化后续层，以及将构建平台和后续层升离窗。步骤重复，直到形成期望的物体。，下面是高压涡轮的连续增材制造专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种由增材制造来制造物体的方法，包括：
(a)将具有构建材料的给定层的构建平台降低到设在窗上的粉末；
(b)照射所述粉末来形成对应于所述给定层的后续层；
(c)固化所述后续层；
(d)将所述构建平台和固化的后续层升离所述窗；以及
(e)重复步骤(a)-(d)，直到形成所述物体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述照射是数字光处理、激光或电子束照射。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末具有低于所述窗的熔点。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末经由所述窗被照射，但粘合到定位在所述窗上方的构建平台上。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末是钴铬合金、不锈钢合金、铝合金、钛合金或镍基超级合金。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物体是涡轮叶片或定子导叶。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物体是涡轮叶片或定子导叶的末梢部分。
8.一种用于增材制造物体的设备，包括：
粉末分送器；
窗；
平台，所述物体在所述平台上构建；
重涂器，其在所述窗上提供粉末层；以及
照射源，其定位在所述窗下方。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述照射源是激光器或数字光投射器。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述粉末经由所述窗被照射，但粘合到所述窗上方的构建板上。

说明书全文

高压涡轮的连续 增材制造

技术领域

[0001] 本公开内容大体上涉及一种增材制造设备，以及用于增材制造金属零件的方法。更具体而言，本公开内容涉及一种用于将待增材制造的物体重复地降低到半透明表面上的金属粉末中，且使用穿过半透明表面的光投射和/或聚焦能量束将金属熔化或固结成物体的层的设备及方法。

背景技术

[0002] 相比于减材制造方法，增材制造过程大体上涉及一种或多种材料的累积，以制作净或近净形状(NNS)物体。尽管"增材制造"为工业标准用语(ASTM F2792)，但增材制造包含以多种名称已知的各种制造和原型设计技术，包括自由形态制造、3D打印、快速原型设计/加工等。增材制造技术能够由多种材料制造复杂的构件。大体上，独立的物体可由计算机辅助设计(CAD)模型制造。特定类型的增材制造过程使用能量束，例如，电子束或电磁照射，如，激光束，以烧结或熔化粉末材料，产生固态三维物体，其中粉末材料的颗粒连结在一起。不同材料系统，例如，工程塑料、热塑性弹性体、金属和陶瓷正在使用。激光烧结或熔化为用于功能原型和工具的快速制造的显著的增材制造过程。应用包括直接制造复杂工件、熔模铸造的图案、用于注射模制和拉模铸造的金属模具，以及用于砂模铸造的模具和型芯。在设计循环期间制造原型物体来加强构想的沟通和测试是增材制造过程的其它常见用途。

[0003] 选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔化和直接激光熔化是用于表示通过使用激光束烧结或熔化细粉末来生产三维(3D)物体的常见行业用语。例如，美国专利第4863538号和美国专利第5460758号描述了常规的激光烧结技术。更准确地说，烧结伴有在低于粉末材料的熔点的温度下熔合(凝结)粉末颗粒，而熔化伴有完全熔化粉末颗粒以形成固态均一质量。与激光烧结或激光熔化相关联的物理过程包括至粉末材料的热传递，以及然后烧结或熔化粉末材料。尽管激光烧结和熔化过程可应用于较宽范围的粉末材料，但生产路线的科学和技术方面(例如，烧结或熔化速率，以及层制造过程期间处理参数对微观结构演变的效果)还未良好理解。该制造方法伴随有使过程很复杂的多个模式的热、质量和动量传递和化学反应。

[0004] 图1为示出用于直接金属激光烧结(“DMLS”)或直接金属激光熔化(DMLM)的示例性常规系统100的截面视图的示图。设备100通过使用由源120(例如，其可为用于产生激光束的激光器，或在电流流过其时发射电子的丝)生成的能量束136烧结或熔化粉末材料(未示出)来以逐层方式构建物体(例如，零件122)。将由能量束熔化的粉末由贮器126供应，且使用沿方向134行进的重涂器臂116均匀地散布在粉末床112上，以将粉末保持在水平118，且将在粉末水平118上方延伸的多余粉末材料除去至废物容器128。在照射发射引导装置如振镜扫描仪132的控制下，能量束136烧结或熔化构建的物体的截面层。例如，振镜扫描仪132可包括多个可动反射镜或扫描透镜。激光扫描的速度是关键的可控制过程参数，影响激光功率施加到特定点多久。典型的激光扫描速度是每秒大约10到100毫米。构建平台114降低，且另一粉末层在粉末床和构建的物体上散布，随后粉末由激光器120连续熔化/烧结。例如，粉末层典型地在10到10微米。该过程重复，直到零件122完全由熔化/烧结的粉末材料构建。

[0005] 激光器120可由包括处理器和存储器的计算机系统控制。计算机系统可确定各层的扫描图案，且控制激光器120根据扫描图案来照射粉末材料。在零件122制造完成之后，各种后处理程序可应用于零件122。后处理程序包括例如由吹气或抽真空来除去多余粉末。其它后处理程序包括应力释放过程。此外，热和化学后处理程序可用于精整零件122。

[0006] 通过经由构建材料抵靠在其上的半透明窗照射材料的增材制造通常称为如以下的过程，例如，在照射源是激光时是受约束的立体光刻，或在照射源是数字光投射器时是数字光处理(DLP)。这些过程具有的优于常规粉末床过程的优点在于，照射的材料抵靠窗形成，通常消除了对某些支撑结构的需要。然而，受约束的立体光刻和DLP通常受限，且无法连同金属粉末、涂布的金属粉末和金属浆料很好地起作用。发明内容

[0007] 下文提出了一个或多个方面的简要概述，以便提供这些方面的基本理解。本概述并非所有构思方面的广泛概述，其目的既不在于识别所有方面的关键或重要因素，也不是描述任何或所有方面的范围。其目的是以简化形式呈现一个或多个方面的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

[0008] 前文和/或本发明的方面可通过由增材制造来制造物体的方法实现。一方面，该方法包括(a)将具有构建材料的给定层的构建平台降低到设在窗上的粉末；(b)照射粉末来形成对应于给定层的后续层；(c)固化后续层；(d)将构建平台和固化的后续层升离窗；以及(e)重复步骤(a)-(d)直到形成物体。

[0009] 前文和/或本发明的方面可通过增材制造物体的设备来实现。一方面，设备包括粉末分送器、窗，以及物体在其上构建的平台。设备还包括将粉末层提供到窗上的重涂器，以及定位在窗下方的照射源。

[0010] 技术方案1. 一种由增材制造来制造物体的方法，包括：(a)将具有构建材料的给定层的构建平台降低到设在窗上的粉末；
(b)照射所述粉末来形成对应于所述给定层的后续层；
(c)固化所述后续层；
(d)将所述构建平台和固化的后续层升离所述窗；以及
(e)重复步骤(a)-(d)，直到形成所述物体。

[0011] 技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述照射是数字光处理、激光或电子束照射。

[0012] 技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述粉末具有低于所述窗的熔点。

[0013] 技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述粉末经由所述窗被照射，但粘合到定位在所述窗上方的构建平台上。

[0014] 技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述粉末是钴铬合金、不锈钢合金、铝合金、钛合金或镍基超级合金。

[0015] 技术方案6. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述物体是涡轮叶片或定子导叶。

[0016] 技术方案7. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述物体是涡轮叶片或定子导叶的末梢部分。

[0017] 技术方案8. 一种用于增材制造物体的设备，包括：粉末分送器；
窗；
平台，所述物体在所述平台上构建；
重涂器，其在所述窗上提供粉末层；以及
照射源，其定位在所述窗下方。

[0018] 技术方案9. 根据技术方案8所述的设备，其特征在于，所述照射源是激光器或数字光投射器。

[0019] 技术方案10. 根据技术方案8所述的设备，其特征在于，所述粉末经由所述窗被照射，但粘合到所述窗上方的构建板上。

[0020] 技术方案11. 根据技术方案8所述的设备，其特征在于，所述粉末具有低于所述窗的熔点。

[0021] 技术方案12. 根据技术方案8所述的设备，其特征在于，所述粉末是钴铬合金、不锈钢合金、铝合金、钛合金或镍基超级合金。附图说明

[0022] 图1为用于增材制造的常规设备的示图。

[0023] 图2示出了根据本发明的实施例的用于增材制造的设备。

[0024] 图3示出了根据本发明的实施例的用于增材制造的设备。

[0025] 图4示出了根据本发明的实施例的用于增材制造的设备。

[0026] 图5示出了根据本发明的实施例的用于增材制造的设备。

[0027] 图6为根据本发明的实施例的增材制造过程的示图。

具体实施方式

[0028] 下文结合附图阐释的详细描述旨在为各种构造的描述，且不旨在代表可实践本文所述的观念的仅有构造。详细描述包括用于提供各种观念的彻底理解的目的的特定细节。然而，本领域的技术人员将清楚的是，这些观念可在没有这些特定细节的情况下实践。

[0029] 本发明涉及增材制造和使用，但不限于以逐层方式的金属粉末的增材技术。一方面，粉末化金属可熔化来形成每个零件层。本领域的技术人员将认识到，本发明不限于熔化粉末，而是还可适用于涂有聚合物的金属粉末和含有金属粉末的浆料。

[0030] 本发明提供了一种能够从粉末/浆料下方照射2D截面来从松散粉末或粉末浆料连续提取零件且连续地熔合2D截面直到零件完成且与粉末源分离的设备。

[0031] 图2-5示出了根据本发明的示例性实施例的用于增材制造的设备。在图2中，设备包括水平地定向且构造成竖直地降低和升高来构建物体202的构建板200。构建板200可由可粘合到构建的物体202上的耐热材料制成。例如，构建板200可降低来将构建的物体202定位到金属粉末204中。

[0032] 该设备还包括粉末重涂器机构208，以将金属粉末层204提供到半透明窗206上。粉末204可从贮器210由粉末进料器212供应。粉末层204可取决于构建的零件的后续粉末层而薄或厚。大体上，层厚可贯穿构建过程保持恒定。每次物体202从粉末204提升，重涂器机构208水平地移动且在窗206上扫上均匀粉末层204。重涂器机构208可包括重涂器刀片(未示出)，以提供窗206上的粉末204的控制，且例如还可构造为料斗，其中粉末可落到窗206上。

[0033] 窗206可限定用于构建物体202的区域的长度和宽度。窗206的尺寸可取决于构建的零件的尺寸而变化。窗206可由可经得起从能量源发射到其上的能量的材料制成。窗206还可由熔化的金属粉末204不可粘合到其中的材料制成。窗206的示例性材料可包括能够经得起高热的半透明材料(例如，石英和玻璃)。金属粉末204的熔点可低于半透明窗206的熔点。然而，在高熔点金属的情况下，本发明的实施例可通过用可照射固化的聚合物涂布金属粉末204来工作，聚合物在暴露于激光或其它光源时熔合。物体202然后可进一步热处理来驱离聚合物，且/或将金属粉末204熔合成固态物体。

[0034] 如图2-5中所示，设备可包括定位在半透明窗206下方的能量源214。例如，能量源214可为激光器或激光振镜或数字光投射器，其能够将光投射穿过半透明窗206，且熔化或熔合置于窗206上方的金属粉末204。在能量源214是数字光投射器的情况下，例如，能量源
214能够经由窗206投射2D光图案。

[0035] 如图2中所示，构建板200可降低，使得构建的物体202的最末层接触金属粉末204。从能量源214发射的激光束或光图案218熔化或熔合金属粉末204的选择的2D区域(见图3)。
在再固化时，如图4中所示，熔合层形成物体202的下一层220。在图5中，构建板200可升高，且新的粉末层204然后可提供在半透明窗206上来继续构建物体202。该过程可重复，直到形成期望的金属零件。如前文所述，新的粉末层可取决于构建的零件而较薄或较厚，但层厚度大体上贯穿该过程是一致的。如图2中所示，未使用的粉末可收集在容器216中来再循环和再使用。

[0036] 例如，用于构建物体202的金属粉末材料可为不锈钢合金、铝合金、钛合金、镍基超级金属和钴基超级金属。在使用金属粉末204的情况下，能量源214必须能够熔化粉末204，而不破坏半透明窗206。低熔点粉末或可熔合合金可更适于使用，且例如包括熔点低于250℃的已知共晶和非共晶合金。

[0037] 图6为根据本发明的实施例的增材制造过程的示图。例如，第一步骤可涉及将工件/物体202紧固到构建板200上，以及将工件202降低到金属粉末层204上。在步骤2中，可经由接触金属粉末204的窗206来照射金属粉末204。金属粉末204然后可熔化至工件202来形成新层220。在步骤3中，带有新层220的工件202然后可从金属粉末204提升。在步骤4中，金属粉末204的新层可跨过窗206散布。该过程可重复，直到完全构建期望的零件。

[0038] 根据本示例性实施例的上述制造方法可用于修理高压涡轮叶片的末梢部分。Garay等人的2017年2月22日提交的美国专利申请第15/439643号"Method of Repairing a Turbine Component using Ultra-Thin Plate"中公开了用于使用金属粉末增材技术来修理涡轮叶片末梢的方法。然而，这些方法需要将涡轮叶片置于类似于图1的传统粉末床制造设备中。此途径的缺点在于，粉末床必须至少在待修理或构建的部分周围产生。

[0039] 根据本发明的示例性实施例的方法特别有利于末梢修理，因为涡轮叶片可附接到构建平台上，且朝窗降低，使得仅待修理的末梢部分需要与金属粉末接触。因此，可消除不必要的粉末使用。使用本技术，例如，受损的涡轮叶片末梢可磨成平表面，附接到构建板上，使得平表面面朝窗，且部分涡轮叶片降低到窗上方的金属粉末中，在该处可发生构建。此外，根据本示例性实施例的上述过程可用于产生整个新的涡轮叶片或定子导叶，或其它期望的金属物体。

[0040] 本书面描述使用了实例来公开本发明，包括优选实施例，且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实施例具有并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则期望此类其它实例在权利要求的范围内。来自所述各种实施例的方面以及各个此类方面的其它已知等同物可由本领域的普通技术人员混合和匹配，以构成根据本申请的原理的附加实施例和技术。

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高压涡轮的连续增材制造

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