用于生產(chǎn)金屬構(gòu)件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于在高溫、高應(yīng)力環(huán)境，例如在燃?xì)鉁u輪中應(yīng)用的金屬構(gòu)件的制造技術(shù)。其涉及根據(jù)權(quán)利要求1的序言所述一種用于生產(chǎn)金屬構(gòu)件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]不同的現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中所述的標(biāo)準(zhǔn)再結(jié)晶熱處理可能只是在有限的程度提高了SLM(選擇性激光熔融)處理的合金的晶粒粒度。如示例性的圖1中所示，同1250°C/3h下的標(biāo)準(zhǔn)再結(jié)晶熱處理(圖1a)相比，即使在1250°C下保持時(shí)間9小時(shí)(圖1b)也不能進(jìn)一步使SLM處理的IN738LC中的晶粒粗化。雖然在1250°C下的保持時(shí)間位于γ ’固溶線溫度之上，并且接近于IN738LC的固相線溫度，但是沒(méi)有觀測(cè)到反常晶粒生長(zhǎng)(比較圖1a和Ib的下面圖像)。
[0003]文獻(xiàn)EP2 586 548 Al涉及一種構(gòu)件或試樣，其構(gòu)件或試樣用于極熱且極高機(jī)械負(fù)載條件下的熱機(jī)中，其中所述構(gòu)件或試樣由具有可控晶粒粒度的合金材料制成，并且在使用中會(huì)遭遇預(yù)期的溫度和/或應(yīng)力和/或應(yīng)變分布，這隨著構(gòu)件或試樣的幾何學(xué)坐標(biāo)而變化。構(gòu)件或試樣通過(guò)具有一種晶粒粒度分布來(lái)改善，該晶粒粒度分布依賴于所述預(yù)期的溫度和/或應(yīng)力和/或應(yīng)變分布，使得構(gòu)件的壽命相對(duì)于具有基本相同的晶粒粒度的相似構(gòu)件而目得以改善。
[0004]文獻(xiàn)EP2 586 887 Al涉及一種用于制造構(gòu)件或試樣的方法，構(gòu)件或試樣由基于Ni或Co或Fe或其組合的高溫超級(jí)合金制成，所述方法包括如下步驟:a)通過(guò)基于粉末的添加式制造工藝而形成所述構(gòu)件或試樣；和b)使所述成形的構(gòu)件或試樣遭遇熱處理，從而優(yōu)化特定的材料屬性。材料屬性可得到顯著改善，并且以非常靈活的方式通過(guò)使所述熱處理發(fā)生在比鑄造構(gòu)件/試樣更高的溫度下來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0005]文獻(xiàn)EP2 737 965 Al涉及一種用于整個(gè)地或部分地制造三維金屬物件/構(gòu)件的方法，其包括如下步驟:a)通過(guò)利用能量射束掃描進(jìn)行的添加式制造工藝而用金屬基體材料連續(xù)堆積(buiId up)所述物件/構(gòu)件，從而b)在物件/構(gòu)件的初次方向和二次方向上建立受控制的晶粒定向，c)其中二次晶粒定向通過(guò)應(yīng)用與所述物件/構(gòu)件的橫截面分布或與物件/構(gòu)件的特征負(fù)載條件對(duì)應(yīng)的特定掃描圖案的能量射束來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0006]文獻(xiàn)EP 2 772 329 Al涉及一種用于制造混合構(gòu)件的方法，其包括如下步驟:a)制造預(yù)制件作為混合構(gòu)件的第一部件，然后b)在該預(yù)制件上通過(guò)利用能量射束進(jìn)行掃描的添加式制造工藝而用金屬粉末材料連續(xù)堆積構(gòu)件的第二部件，從而c)在構(gòu)件的第二部件的至少一部分的初次方向和二次方向上建立受控制的晶粒定向，d)其中受控制的二次晶粒定向通過(guò)應(yīng)用與所述構(gòu)件的橫截面分布或與所述構(gòu)件的局部負(fù)載條件對(duì)應(yīng)的特定掃描圖案的能量射束實(shí)現(xiàn)。
[0007]因而，文獻(xiàn)EP2 586 887 Al提出了一種用于SLM處理的合金的再結(jié)晶熱處理的方法，而文獻(xiàn)EP 2 737 965 Al和EP 2 772 329 Al描述了控制部件的初次結(jié)晶和二次結(jié)晶的晶粒定向的方法。
[0008]其它專利/文獻(xiàn)描述了通過(guò)特定的掃描策略(例如EP2 586 548 Al)和利用不同的激光射束尺寸而控制晶粒粒度的可能性。
[0009]進(jìn)一步參考文獻(xiàn)是:
[1]R.L.Cairns, L.R.Curwick, and J.S.Benjamin的〃Grain growth indispers1n strengthened superalloys by moving zone heat treatments.Metallurgical Transact1ns A, vol.6，n0.1, pp.179-188，1975年I月；
[2]J.Li, S..Johns, B.1liescu, H.Frost, and 1.Baker的〃The effect ofhot zone velocity and temperature gradient on the direct1nalrecrystallizat1n of polycrystalline nickel, Acta Materialia, vol.50，n0.18，pp.4491-4497，2002年 10月。
[0010][3]EP 0 232 477 BI
所有這些不同的方法仍然不能在SLM處理合金中生產(chǎn)具有可同鑄造構(gòu)件相比擬的晶粒粒度的顯微結(jié)構(gòu)。結(jié)果，蠕變屬性仍然次于鑄造樣本的蠕變屬性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的一個(gè)目的是傳授一種用于通過(guò)添加式制造工藝，優(yōu)選添加式激光制造工藝生產(chǎn)金屬構(gòu)件的方法，該構(gòu)件具有可與相同(相應(yīng)地，類似)基體材料成分制成的鑄造構(gòu)件相比擬的機(jī)械屬性。
[0012]這一目的以及其它目的通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，一種用于生產(chǎn)金屬構(gòu)件的方法包括以下步驟:首先通過(guò)添加式制造工藝，尤其激光添加式制造工藝準(zhǔn)備構(gòu)件，其次使所述制造構(gòu)件暴露于熱處理下，其中所述熱處理包括區(qū)域退火步驟作為第一步驟。這意味著區(qū)域退火發(fā)生在HIP(高溫等靜壓)處理之前。添加式制造工藝為所述區(qū)域退火步驟的定向粗化提供了驅(qū)動(dòng)力。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述添加式制造工藝使所述構(gòu)件在堆積方向上生長(zhǎng)，所述區(qū)域退火步驟包括使被加熱的退火區(qū)域沿著區(qū)域退火方向穿過(guò)所述構(gòu)件。作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，所述堆積方向和區(qū)域退火方向是彼此平行的。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，所述區(qū)域退火被局部應(yīng)用于所述構(gòu)件的預(yù)定區(qū)域，從而在所述預(yù)定區(qū)域中獲得良好的蠕變屬性。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，在所述激光添加式制造工藝期間使用的激光射束根據(jù)特定的掃描策略進(jìn)行掃描，并且在所述構(gòu)件中在所述第一步驟期間通過(guò)所述特定的掃描策略而產(chǎn)生優(yōu)選的晶粒定向。
[0017]具體地說(shuō)，所述特定的掃描策略包括激光掃描器運(yùn)動(dòng)在熔融材料平面中的特定定向和/或掃描島在不同的所述平面之間的旋轉(zhuǎn)。
[0018]具體地說(shuō)，經(jīng)調(diào)整的掃描戰(zhàn)略用于在構(gòu)件的添加式激光處理期間控制初次結(jié)晶和二次結(jié)晶的晶粒定向，并且所述構(gòu)件的改善的蠕變性能/TMF性能是借助于通過(guò)所述額外的區(qū)域退火進(jìn)行的再結(jié)晶而實(shí)現(xiàn)的。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，所述激光添加式制造工藝是SLM工藝。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，所述被加熱的退火區(qū)域包括所述構(gòu)件的熔融材料。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，所述金屬構(gòu)件是在單晶或定向固化的預(yù)制件上堆積而成。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，所述金屬構(gòu)件由基于N1、Co、Fe或其組合的超級(jí)合金，尤其Ni基合金制成。
【附圖說(shuō)明】
[0023]現(xiàn)在將通過(guò)不同的實(shí)施例并參照附圖更完整地解釋本發(fā)明。
[0024]圖1為了比較在圖1a和Ib中顯示在1250°C下3小時(shí)(a)和1250°C下9小時(shí)(b)兩種不同的熱處理對(duì)于構(gòu)件的顯微結(jié)構(gòu)的影響；
圖2顯示了來(lái)自SX襯底和SLM樣品之間的接口相對(duì)于堆積方向和激光掃描方向的定向圖；
圖3顯示了來(lái)自多晶襯底和另一 SLM樣品之間的接口相對(duì)于堆積方向和激光掃描方向的定向圖；
圖4是SLM處理的Ni基超級(jí)合金樣品的EBSD(電子背向散射衍射)圖，其顯示了晶粒中通過(guò)高角度晶粒邊界而分開(kāi)的大量的小角度邊界；
圖5顯示了樣品的精細(xì)結(jié)構(gòu)，其中中間的左邊部分是剛堆積好的區(qū)域，并且中間的右邊部分是受熱影響區(qū)域(退火區(qū)域)，外面部分顯示了這兩個(gè)限定區(qū)域的放大的圖像；
圖6顯示了在構(gòu)件SLM堆積期間的基本形態(tài)，且圖7顯示了在SLM構(gòu)件的區(qū)域退火期間的基本形態(tài)。
[0025]標(biāo)號(hào)列表 10構(gòu)件
11激光器
12激光射束
13掃描方向(激光)
14堆積方向
15區(qū)域退火裝置
16熱處理區(qū)域(例如部分熔融)
17區(qū)域退火方向 18SLM裝置
19平面(熔融材料的平面)。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明的基本思想涉及一種生產(chǎn)金屬構(gòu)件的方法，其通過(guò)添加式制造技術(shù)(優(yōu)選激光添加式制造技術(shù)，例如SLM)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中同相同/相似的基體材料成分所組成的傳統(tǒng)熱處理構(gòu)件相比，該構(gòu)件具有改善的蠕變和熱機(jī)械疲勞屬性。改善的蠕變性能/TMF性能可通過(guò)經(jīng)調(diào)整的掃描策略和用于再結(jié)晶的額外區(qū)域退火來(lái)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)調(diào)整的策略用于在構(gòu)件進(jìn)行SLM處理期間控制初次結(jié)晶和二次結(jié)晶的晶粒定向。
[0027]基于粉末的添加式制造技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)可能是同具有相似/相同成分的傳統(tǒng)鑄造合金相比，這種處理的合金具有顯著更小的晶粒粒度。然而，通過(guò)在結(jié)合區(qū)域退火的條件下恰當(dāng)?shù)膾呙韬投逊e策略的控制(例如激光掃描器運(yùn)動(dòng)在平面中的定向，掃描島在平面之間的旋轉(zhuǎn))，各向異性(基于粉末的添加式制造技術(shù)內(nèi)在的各向異性)可受到控制，對(duì)于部件的壽命(例如關(guān)于蠕變壽命)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。這是由于在區(qū)域退火期間顯著的晶粒粗化(再結(jié)晶)的原因。
[0028]本方案基于以下發(fā)現(xiàn)，即通過(guò)區(qū)域退火可獲得比標(biāo)準(zhǔn)再結(jié)晶熱處理可能獲得的SLM處理合金的晶粒粒度更大的提升。另外，特定的掃描策略和區(qū)域退火的組合容許產(chǎn)生粗糙的柱狀的-粒狀的顯微結(jié)構(gòu)，其要么具有橫向的各向同性的屬性，或者更優(yōu)選地具有各向異性的屬性。在例如參考文獻(xiàn)[1]-[3]中所述的區(qū)域退火產(chǎn)生了具有橫向各向同性屬性的顯微結(jié)構(gòu)(柱狀晶粒在一個(gè)平面中具有不同的定向)。通過(guò)上述組合，所產(chǎn)生的顯微結(jié)構(gòu)可比擬于鑄造的DS顯微結(jié)構(gòu)(例如根據(jù)布里奇曼(Bridgman)工藝)，但具有受控制的初次和二次晶粒定向。由于所應(yīng)用的區(qū)域退火的原因，同源自文獻(xiàn)EP 2 737 965 Al和EP 2 772 329Al中所公開(kāi)的工藝并暴露于標(biāo)準(zhǔn)再結(jié)晶熱處理下的顯微結(jié)構(gòu)相比，蠕變性能獲得極大地改塞口 ο
[0029]在圖6和圖7中顯示了根據(jù)本發(fā)明方法的基本制造形態(tài)。
[0030]圖6顯示了在SLM堆積期間構(gòu)件10的基本形態(tài)。該構(gòu)件通過(guò)粉末層在熔融材料的平面19中的連續(xù)熔化而生長(zhǎng)起來(lái)，熔融材料通過(guò)激光器11在某一掃描方向13上進(jìn)行掃描的激光射束12而進(jìn)行加熱。構(gòu)件10按照這種方式沿著與熔融材料的所述平面19相垂直的堆積方向14而進(jìn)行堆積。
[0031]在第二步驟中(圖7)，在區(qū)域退火工藝中通過(guò)使具有例如用于感應(yīng)加熱的射頻功率的區(qū)域退火裝置15相對(duì)于構(gòu)件10沿著區(qū)域退火方向17移動(dòng)，從而使構(gòu)件10(至少部分地)進(jìn)行退火。所產(chǎn)生的局部退火區(qū)域16可包括部分熔融材料。區(qū)域熔化還可應(yīng)用于SX/DX-預(yù)制件上的堆積過(guò)程。
[0032]如參考文獻(xiàn)[I]中所述，需要來(lái)自熱機(jī)械處理的足夠的變形能量，以克服擴(kuò)散強(qiáng)化的超級(jí)合金中的晶粒生長(zhǎng)的阻礙。然而，在添加式制造的構(gòu)件中不需要熱機(jī)械處理，因?yàn)閯偠逊e好的條件下的變形能量(由于高的冷卻速率而產(chǎn)生的高的殘留應(yīng)力)是足夠的。圖4顯示了剛堆積好的條件下，即沒(méi)有區(qū)域退火的EBSD(電子背向散射衍射)圖，其中14是堆積方向。根據(jù)圖4的EBSD圖，可確定許多小角度邊界，其代表通過(guò)減少晶粒邊界區(qū)域和減少位錯(cuò)密度而獲得的用于再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。
[0033]控制初次和二次晶粒定向的概念在EP 2 737 965 Al和EP 2 772 329 Al中已經(jīng)有所描述。然而，這個(gè)概念與區(qū)域退火的組合賦予了新的令人驚奇的機(jī)會(huì)。
[0034]在SLM處理合金中的初次結(jié)晶晶粒定向例如由堆積方向14(Z軸)給出，并且二次定向通過(guò)激光掃描方向13來(lái)確定(見(jiàn)圖2，3和6)。
[0035]此外，值得提及的是，初次和二次結(jié)晶定向不依賴于圖2和圖3中的EBSD圖所示的襯底定向。圖2顯示了在SX襯底上的具有〈011〉定向的SLM堆積。其顯示了堆積的〈001〉定向沿著堆積方向14，并沿著激光掃描方向13(其垂直于圖紙平面)。
[0036]在圖3中顯示了等軸襯底上的SLM堆積。同樣，堆積的〈001〉定向沿著堆積方向14，并沿著激光掃描方向13。結(jié)果，在SX、DS或CC預(yù)制件/襯底材料上可實(shí)現(xiàn)所需的堆積，其造成精細(xì)且小粒度的顯微結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)EP 2 737 965 Al和EP 2 772 329 Al)。
[0037]然而，當(dāng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)熱處理循環(huán)(例如HIP(熱等靜壓)/再結(jié)晶熱處理)時(shí)，優(yōu)選的結(jié)晶定向受到再結(jié)晶的破壞，導(dǎo)致具有各向同性屬性的等軸類型的顯微結(jié)構(gòu)。
[0038]然而，通過(guò)應(yīng)用區(qū)域退火，特定掃描策略所產(chǎn)生的優(yōu)選的晶粒定向可得到顯著粗化，其可比擬于鑄造葉片，例如燃?xì)鉁u輪葉片中的示例性DS(定向固化的)顯微結(jié)構(gòu)，同時(shí)可保留優(yōu)選的晶粒定向。
[0039]圖5給出了根據(jù)本發(fā)明的示例性工藝結(jié)果的概覽。
[0040]其可看出接近該部分熔融區(qū)域的受熱影響區(qū)域中的顯微結(jié)構(gòu)與“剛堆積好的”區(qū)域相比是不同的。有興趣的是注意到，沿著堆積方向的〈001〉纖維組織保持在受熱影響的區(qū)域中。另外，晶粒粗化(仍然具有顯著的晶?？v橫比)發(fā)生在受熱影響的區(qū)域中。
[0041]來(lái)自區(qū)域退火的額外的好處是其可局部應(yīng)用，尤其應(yīng)用于需要良好的蠕變屬性的區(qū)域。
[0042]本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是，雖然暴露于標(biāo)準(zhǔn)熱處理下的SLM處理合金同傳統(tǒng)的鑄造合金相比仍然具有低劣的蠕變性能，但是所述方法容許在SLM處理之后產(chǎn)生粗糙的柱狀晶粒。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于生產(chǎn)金屬構(gòu)件(10)的方法，所述方法包括以下步驟:首先通過(guò)添加式制造工藝(11，12，13)準(zhǔn)備構(gòu)件(10)，其次使所述制造構(gòu)件(10)暴露于熱處理下，其特征在于，所述熱處理包括區(qū)域退火步驟作為第一步驟。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述添加式制造工藝(11，12，13)使所述構(gòu)件(10)在堆積方向(14)上生長(zhǎng)，而且所述區(qū)域退火步驟包括使被加熱的熱處理區(qū)域(16)穿過(guò)所述構(gòu)件沿著區(qū)域退火方向(17)而移動(dòng)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述堆積方向(14)和區(qū)域退火方向是彼此平行的。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述區(qū)域退火被局部應(yīng)用于所述構(gòu)件的預(yù)定區(qū)域，從而在所述預(yù)定區(qū)域中獲得良好的蠕變屬性。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述添加式制造工藝是激光添加式制造工-H-O6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在所述激光添加式制造工藝(11，12，13)期間使用的激光射束(12)根據(jù)特定的掃描策略進(jìn)行掃描，并且在所述構(gòu)件中在所述第一步驟期間通過(guò)所述特定的掃描策略而產(chǎn)生優(yōu)選的晶粒定向。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述特定的掃描策略包括激光掃描器運(yùn)動(dòng)在熔融材料的平面(19)中的特定定向和/或掃描島在不同的所述平面(19)之間的旋轉(zhuǎn)。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，經(jīng)調(diào)整的掃描戰(zhàn)略用于在所述構(gòu)件(10)的添加式激光處理期間控制初次結(jié)晶和二次結(jié)晶的晶粒定向，并且所述構(gòu)件(10)的改善的蠕變性能/TMF性能是借助于通過(guò)所述額外的區(qū)域退火進(jìn)行的再結(jié)晶而實(shí)現(xiàn)的。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述激光添加式制造工藝(11，12，13)是SLM工藝。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述被加熱的退火區(qū)域包括所述構(gòu)件(10)的熔融材料。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬構(gòu)件是在單晶或定向固化的預(yù)制件上堆積而成的。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬構(gòu)件(10)由基于N1、Co、Fe或其組合的超級(jí)合金，尤其Ni基合金制成。
【專利摘要】一種用于生產(chǎn)金屬構(gòu)件(10)的方法包括以下步驟：首先通過(guò)添加式制造工藝準(zhǔn)備構(gòu)件(10)，然后使所述制造構(gòu)件(10)暴露于熱處理下。所產(chǎn)生的構(gòu)件(10)的改善的屬性通過(guò)所述熱處理來(lái)實(shí)現(xiàn)，其包括區(qū)域退火(16)步驟。
【IPC分類】B22F3/105, B22F3/24, B33Y10/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105710365
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510959478
【發(fā)明人】T.伊特, R.恩格里, F.蓋格
【申請(qǐng)人】通用電器技術(shù)有限公司