本發明公開涉及機械構件的制造，尤其是面臨高溫運行條件的機械構件，諸如內燃發動機和渦輪機械(例如但不限于燃氣渦輪機)的構件。更具體地，本文公開的主題的示例性實施例涉及使用基于高溫超合金的材料制造渦輪機械構件，諸如但不限于渦輪旋轉和靜止葉片或輪葉，渦輪噴嘴，渦輪推進器。

背景技術：

使用氧化物彌散強化(ods)超合金作為合適的材料來制造面臨高溫疲勞循環的機械構件是已知的（d.m.elzey等人的“oxidedispersionstrengthenedsuperalloys:theroleofgrainstructureanddispersionduringhightemperaturelowcyclefatigue”，在1988年的superalloys中出版，美國冶金學會，1988，第595-604頁）。這些材料常通過機械合金化生產（h.k.d.h.bhadeshia“recrystallisationofpracticalmechanicallyalloyediron-baseandnickel-basesuperalloys”，在materialsscienceandengineeringa223(1997)64-77中出版；c.suryanarayana等人的“thescienceandtechnologyofmechanicalalloying”，materialsscienceandengineeringa304-306(2001)151-158中；b.s.murty等人的“novelmaterialssynthesisbymechanicalalloying/milling”，internationalmaterialsreviews,1998,第43卷,n.3第101-141頁中出版）。

通過機械合金化獲得的合金常以擠壓坯料的形式可獲得。由通過機械合金化產生的ods超合金的坯料制成的粉末被用于通過燒結工藝制造構件。燒結工藝需要模具，模具具有對應于要生產的最終制品的形狀的負相(negative)的形狀。燒結是一種昂貴且非柔性的制造工藝。

ep2586887公開了用于通過增量制造(additivemanufacturing)來制造渦輪葉片的工藝，例如，使用激光金屬成形、電子束熔煉和其他增量制造工藝。在此現有技術文檔中提出了呈粉末形態的諸如鎳基超合金的高溫超合金。在此處公開的一些實施例中，高溫超合金粉末包含彌散的氧化物。就涉及的氧化物而言，上述出版物并沒有提供如何在超合金粉末材料中引入氧化物的任何教導，也沒有給出任何重量組成或其他細節。

增量制造工藝是一種便宜、柔性且高效的制造方法，由此可以輕易地以低成本生產具有復雜形狀的機械構件。對于生產渦輪機械構件而言，使用增量制造工藝將是非常期望的，就涉及重載運行狀態下的機械阻力而言，其必須滿足嚴格的要求，比方說例如在疲勞狀態下的抗高溫蠕變能力。

技術實現要素：

在一個實施例中，公開了一種用于制造由基于金屬的材料制成的機械構件的方法，該方法包括以下步驟：

-提供包括至少一種包含金屬的粉末材料和至少一種呈粉末形態的增強彌散劑的粉末混合物，其中呈粉末形態的增強彌散劑具有小于包含金屬的粉末材料的平均顆粒尺寸的平均顆粒尺寸；

-使用所述粉末混合物通過增量制造工藝形成所述構件。

在本說明書和所附權利要求書的背景下，術語“金屬”也包括耐火元素或耐火金屬。“包含金屬的粉末材料”因而也包括包含耐火金屬或元素的粉末材料。合適的耐火元素或材料包括但不限于，mo,w,ta,nb以及它們的組合。基于金屬的材料包括由金屬組成的材料，包括耐火金屬，以及金屬間化合物，諸如鋁化物或硅化物，如以下參照本文公開的主題的示例性實施例將更詳細地描述的那樣。

在本說明書和所附權利要求書的背景下，“增強彌散劑”是一種化合物，其在粉末混合物中且隨后在最終制成的構件中彌散時，增加了構件尤其對于高溫蠕變的強度。

根據一些實施例，包含金屬的粉末材料可以是金屬粉末。例如該金屬粉末可以是基于超合金的金屬粉末，例如高溫超合金粉末。根據其他實施例，包含金屬的粉末材料是金屬間粉末材料，即，呈粉末形態的金屬間化合物，例如鋁化物。在一些實施例中，包含金屬的粉末材料可以是硅化物。也可以設想呈粉末形態的兩種或更多包含金屬的化合物的組合。

呈粉末形態的增強彌散劑可以是或者包括呈粉末形態的至少一種陶瓷材料。在一些實施例中，陶瓷材料可以是氧化物。可以使用兩種或更多增強彌散劑。在一些實施例中，優選的是不包含氧的陶瓷材料。例如，如果包含金屬的粉末材料是鉬基或鈮基的，不包含氧原子的陶瓷材料就是優選的，因為對于高溫氧化獲得了更高的抵抗力。

用于增量制造的粉末混合物中呈粉末形態的增強彌散劑將在最終固化的構件中產生彌散，這增加了構件的抗蠕變能力。

通過提供呈粉末形態的包含金屬的材料和呈粉末形態的增強彌散劑的混合物，可以仔細地控制兩種混合物成分的顆粒尺寸分布（粒度測定），使得可將最優的平均粒度測定用于兩種混合物成分。具體地，包含金屬的粉末材料可以具有選擇成在增量制造期間用于實現最優熔化和固化的平均顆粒尺寸。呈粉末形態的增強彌散劑，例如呈粉末形態的陶瓷材料，可以具有選擇成以便改善在最終機械構件中實現的抗蠕變能力的平均顆粒尺寸，而不負面地影響其脆性。

在受控制的氣氛下（例如使用惰性氣體），或者在真空條件下的增量制造防止增強彌散劑的化學改變。此外，代表增量制造的特征的逐層工藝防止增強彌散劑，例如氧化物或其他陶瓷材料，通過在熔化金屬的頂部漂浮而分離，使得在最終制品中可以實現增強彌散劑的大致均勻的分布。

以下公開的特征和實施例在所附權利要求書中進一步陳述，其形成了本說明書的一個整體部分。以上簡要描述陳述了本發明的不同實施例的特征，以便可以更好地理解以下的詳細描述，并且以便可以更好地領會對于本領域的當前貢獻。當然，有將在后文描述的本發明的其他特征，并且它們將在所附的權利要求書中陳述。在這方面，在詳細解釋本發明的若干實施例之前，應該理解的是本發明的不同實施例在它們的應用方面不限于構造的細節，以及在以下描述中陳述或附圖中圖示的構件的布置。本發明能夠有其他實施例并且能夠以不同的方式實踐和實施。同樣，應該理解的是本文采用的措辭和術語是出于描述的目的且不應被認為是限制性的。

因而，本領域技術人員將會理解的是本公開所基于的概念可容易地用作用來設計用于實施本發明的若干目的的其他結構、方法和/或系統的基礎。因此，重要的是，權利要求書被認為包括這樣的等同構造，只要它們不背離本發明的精神和范圍。

附圖說明

當結合所附圖形考慮時，本發明的公開實施例的更完整的理解以及其許多伴隨的有利之處將在它們通過引用以下詳細描述而變得被更好地理解時而輕易獲得。

圖1圖示了使用電子束熔煉技術的增量制造裝置的示意圖，用于制造機械構件；

圖2圖示了用于增量制造的直接金屬激光熔化裝置的示意圖；

圖3圖示了根據本發明公開的方法的流程圖。

具體實施方式

貫穿本說明書對于“一個實施例”、“實施例”或“一些實施例”的引用，指的是與實施例相關而描述的特定特征、結構或特性包括在本發明公開的至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書在不同地方出現短語“在一個實施例中”或“在實施例中”或“在一些實施例中”并不一定指相同的實施例。另外，特定的特征、結構或特性可以以任何合適的方式在一個或更多實施例中組合。

與數量關聯使用的限定詞“大約”包括所指的值并且具有由上下文指示的意義（例如，包括與特定數量的測量相關的公差范圍）。

在以下描述中，將參考渦輪機械構件的制造。但是應該理解的是本文公開的方法也可以應用于其他機械構件的制造，尤其是面臨高溫運行條件和疲勞循環的機械構件，例如，往復式內燃發動機的構件。

圖1是示例性增量制造機械或裝置的示意圖，其可用來根據本發明公開的方法制造渦輪機械構件，諸如渦輪葉片b，渦輪噴嘴，渦輪護罩或其他渦輪構件。

如對于本領域技術人員已知的那樣，增量制造是這樣一種工藝，其中具有復雜形狀的物品從粉末材料開始逐層制造，粉末材料使用能量源局部熔化。在圖1的實施例中，該能量源是電子束槍。在其他實施例中，能量源可為激光。

圖1的增量制造機械由100整體標示。增量制造機械的結構和運行本身是已知的，并且在本文將不詳細描述。簡言之，圖1的增量制造機械100包括能量源，其在本文公開的示例性實施例中包括電子束槍101，電子束槍101包括電子發射體103，電子發射體103產生電子束eb。電子束eb指向目標表面ts，目標表面ts布置在電子束槍101下。沿著電子束路徑可以布置聚焦線圈105和偏轉線圈107。聚焦線圈105將電子束聚焦在目標表面ts上，而偏轉線圈107控制電子束eb沿著圖案的移動，粉末材料必須根據該圖案被熔解并固化。計算裝置109控制偏轉線圈107和電子束eb的移動。電子束eb的移動由計算裝置109基于來自代表要制造的三維產品的文件的數據控制。

在能量源101下可布置封閉結構111。封閉結構111可與溫度控制裝置結合，例如包括以113示意性示出的加熱器，例如電子加熱器。可移動臺115可布置在封閉結構111中。可控制可移動臺115來根據雙箭頭f115豎直地移動。可移動臺115的豎直移動可由計算裝置109控制。粉末材料容器117可布置在目標表面ts上方，并且被控制根據雙箭頭117水平地移動，例如在計算裝置109的控制下。

由增量制造機械100執行的增量制造工藝可概述如下。來自粉末材料容器117的第一層粉末材料通過沿著可移動臺115根據箭頭f117使該粉末材料容器117移動一次或更多次而分布在該可移動臺115上，可移動臺115放置在目標表面ts的高度。一旦已經分布了第一層粉末材料，就將電子束槍101激活并且電子束eb由偏轉線圈107控制，像這樣因而在對應于要制造的產品的橫截面的該層的受限的部分中局部地熔化粉末材料。在熔化后，允許熔化的粉末材料冷卻并固化。要制造的產品的橫截面的邊界外的粉末材料保持粉末形態。

一旦已經如上所述處理了第一層，就將可移動臺115降低并且將后續的粉末材料的層分布在第一、固化的層的頂上。轉而選擇性地熔化第二層粉末材料并且隨后允許其冷卻并固化。執行熔化和固化使得每個層部分都將粘附到之前形成的層部分上。通過在另一粉末材料層之后添加一個粉末材料層，并且選擇性地熔化并固化對應于產品的后續橫截面的層部分，逐步重復該工藝，直至形成整個產品。

一旦已經完成該產品，就可以去除并回收沒有被熔化并固化的粉末材料。

上述工藝可以通過加熱器113在受控的溫度條件下實施。封閉結構111內的溫度被控制成使得整個工藝在高溫下執行并且在制造周期完成時實質上在產品中沒有殘余應力。在已經完成了構造工藝之后，可以允許產品沿冷卻曲線從處理溫度冷卻至環境溫度，這防止了在最終產品中的殘余應力。

優選地封閉結構111的內部保持在高真空條件下，使得防止由粉末材料和熔化材料產生的氧氣吸收。

圖2圖示了dmlm（直接金屬激光熔化）裝置201的示意圖。該裝置包括激光源203，例如二氧化碳激光器。由激光源203產生的激光束lb被光學器件204聚焦并且可以由鏡子205偏轉。鏡子205由未示出的可編程控制單元控制以遵循對應于要制造的制品例如渦輪葉片的每個層的橫截面的圖案。在制造期間第一豎直可移動臺207支撐工件或制品b。第二豎直可移動臺209形成粉末材料容器的底部。水平可移動的刮片211從粉末材料容器將粉末材料分布在正在制造的工件b的頂部上。臺207和臺209可容納在抽真空的容器中，或者在填充了惰性氣體如氬氣的容器中。

由裝置201執行的增量制造工藝本身是已知的，并且可概述如下。臺207在上部位置中移動并且第一層粉末材料通過刮片211被均勻地分布在臺207上。啟動激光源203并且控制激光束lb以便局部且選擇性地熔化臺207上的該層粉末材料。然后將臺207降低（箭頭f207）對應于后續層的厚度的沖程。允許第一層熔化的材料固化。抬高（箭頭f209）臺209以使得對于刮片211可提供更多的粉末材料。刮片211執行另一個往復運動（箭頭f211）來將下一個粉末材料層分布在臺207上的之前一層的頂上，并且激光束lb被啟動并且由鏡子205移動來選擇性地熔化第二層粉末材料。

重復該工藝直至獲得最終制品。

在圖2的示意圖中使用了偏轉鏡子205。在其他示例性實施例中可使用纖維激光器，其中通過纖維傳遞激光能量，其終端根據平行于臺207的數字控制的軸例如x軸和y軸移動。

根據本文公開的實施例，在增量制造工藝中使用的粉末材料是由至少兩種粉末材料組成的粉末混合物，即包含金屬的粉末和呈粉末形態的增強彌散劑。如以上所提及的那樣，包含金屬的粉末可為適于由此形成的機械構件的高溫運行條件的金屬間化合物或金屬粉末，例如超合金。彌散劑可為陶瓷材料，諸如但不限于氧化物粉末。

根據一些示例性實施例，包含金屬的粉末是超合金粉末，優選地是高溫超合金粉末。超合金粉末可為鎳基超合金、鈷基超合金、鐵基超合金、鉬基超合金、鎢基超合金、鉭基超合金、鈮基超合金的其中一種。在其他實施例中，包含金屬的粉末材料可選自nb3si,mosi2,tasi,mosinb或其他硅化物組成的組。在又其他的實施例中，包含金屬的粉末材料可為鋁化物，諸如nial或feal。

包含金屬的粉末材料可由主超合金的錠或條開始獲得，該錠或條隨后被熔化并霧化。根據一些示例性實施例，主超合金錠可通過真空感應熔化制造。

根據一些實施例，霧化可通過真空惰性氣體霧化實現，其確保了產生具有低氧含量以及顆粒的球形形狀的超合金粉末。主超合金錠被熔化并且通過噴嘴供入霧化室，其中惰性氣體的增壓射流與熔化的金屬流相反而被引導，熔化的金屬流因而被分成多個小的金屬顆粒。

所獲得的粉末的顆粒尺寸可以通過調節霧化室中的氣體/金屬流比例而控制。

根據其他實施例，起始錠的霧化可通過選自由真空感應氣體霧化(viga)，等離子旋轉電極工藝(prep),等離子霧化(pa)，轉盤霧化(rda)組成的組的工藝獲得。

在有利的實施例中，所需的粒度分布，即，最終霧化的包含金屬的粉末材料的顆粒尺寸可例如通過旋流分級器實現。在一些實施例中，粒度分布選擇成使得包含金屬的粉末材料的平均顆粒尺寸包括在大約10微米和大約100微米之間。在一些示例性實施例中，平均顆粒尺寸包括在大約10微米和大約60微米之間。

如以上所提及的，粉末混合物還包括至少一種彌散劑，例如呈粉末形態的陶瓷材料。在一些實施例中，可以使用呈粉末形態的單一陶瓷材料。在其他實施例中，可以使用具有不同化學成分的呈粉末形態的兩種或更多不同陶瓷材料的混合物。在一些實施例中，陶瓷粉末材料是氧化物粉末。

根據本文公開的方法的示例性實施例，呈粉末形態的至少一種增強彌散劑可以是金屬氧化物。在一些實施例中，增強氧化物選自由以下組成的組：y2o3,al2o3,th2o4,zr2o3,la2o3,yb2o3,dy2o3及其組合。其他的陶瓷、非氧化物材料可選自由以下組成的組：si3n4,aln,sic,tac,wc及其組合。

呈粉末形態的增強彌散劑可具有小于包含金屬的粉末材料的平均顆粒尺寸的平均顆粒尺寸。在一些實施例中，呈粉末形態的增強彌散劑具有等于或小于大約5微米的平均顆粒尺寸。在當前優選的實施例中，呈粉末形態的增強彌散劑可以具有大約1微米或更小的平均顆粒尺寸，優選地為大約0.5微米或者更小。在一些實施例中，呈粉末形態的增強彌散劑具有納米量級的平均顆粒尺寸，例如等于或小于大約60nm的平均顆粒尺寸，或者另外等于或小于大約50nm。在優選實施例中平均顆粒尺寸不小于大約5nm。

通過已知方法可獲得納米量級尺寸增強彌散劑。合適的方法例如在a.lorke等（編輯）的：nanoparticlesfromthegasphase,nanoscienceandtechnology,springer-verlagberlinheidelberg2012,第二章中；christinaraab等的：productionofnanopartilesandnanomaterials，nanotrustdossiers中，n.6，2011年2月；takuyatsuzuki的：commercialscaleprodutonofinorganicnanoparticles，int.j.nanotechnol.中，第6卷，nos5/62009；francoisbozon-verduraz等的：nanoparticlesofmetalandmetaloxides:somepeculiarsynthesismethods,sizeandshapecontrol,applicationtocatalystspreparation，brazilianjournalofphysics，第39卷，n.1a，2009年4月中被公開。

將較粗大的呈粉末形態的包含金屬的材料和較細的呈粉末形態的增強彌散劑進行組合，可以實現通過增量制造生產的最終構件的增強的機械特性。小的彌散劑粉末顆粒提升了彌散劑在金屬基質中的良好分布，減少或者防止最終材料的脆性增加的風險。

最終混合物中呈粉末形態的增強彌散劑的數量可以例如按重量計在大約0.01%和48%之間變化。在一些實施例中，增強彌散劑粉末以按重量計在大約0.1%和大約30%之間變化的數量而存在，例如按重量計在大約0.1%和大約2%之間。

以下表格1提供了合適的粉末混合物的示例性成分的列表。混合物的超合金金屬成分是鎳基超合金。成分以按重量計%給出。

表格1

以下表格2列出了成分的附加示例性實施例，其可與本文公開的方法一起使用。這些成分包括鉬基合金、鎳基合金、鎢基合金、鉭基合金和鈮基合金。

表格2

通過如迄今公開的增量制造所制造的渦輪機械構件可以面臨一個或更多附加的工藝步驟。根據一些實施例，可以執行最終的熱等靜壓(hip)步驟來去除或者減少熔化并固化的材料類內的孔隙率。熱等靜壓步驟或處理可例如在惰性氣體的氣氛中在大約80和大約200mpa的壓力下實施。

根據一些實施例渦輪機械構件面臨在真空下的后續熱處理，其目的在于實現期望的材料特性，例如在于使微觀結構均勻化，以及后續材料的老化，以獲得對于析出硬化超合金的析出硬化強化（即伽馬相前體）。可以應用局部化的（在特定構件區域中）均勻化和熱處理以局部地增大顆粒尺寸來最大化特定區域中（典型地是燃氣渦輪機輪葉的翼型件區域）粗顆粒尺寸性能。

圖2圖示了如以上所公開的方法的示例性實施例的概略性流程表。

雖然本文描述的主題的公開實施例已經在附圖中示出并且在上文聯系若干示例性實施例通過特殊特征和細節而完整地進行了描述，但本領域技術人員應該理解的是，不實質性背離本文所述的新穎的教導、原理和概念以及所附權利要求書中所述的主題的優點的許多變型、變化和省略都是可能的。因此，所公開的創新的正確范圍應僅由所附權利要求書的最寬解釋所確定，以便包括所有此類變型、變化和省略。另外，任何工藝或方法步驟的順序或次序都可以根據備選實施例變化或者重新排序。