通過使用金屬或陶瓷粘結(jié)劑的瞬間液相燒結(jié)的陶瓷渦輪部件的增材制造
【專利說明】通過使用金屬或陶瓷粘結(jié)劑的瞬間液相燒結(jié)的陶瓷渦輪部 件的増材制造
[0001] 背景
[0002] 本發(fā)明大體上涉及增材制造的領(lǐng)域。具體而言，本發(fā)明涉及通過增材制造工藝形 成并通過使用金屬或陶瓷粘結(jié)劑的瞬間液相粘結(jié)致密化的陶瓷渦輪部件。
[0003] 增材制造指一類特征在于某一事實(shí)的制造方法，所述事實(shí)為：完成的零件是通過 在形狀上與所述零件的并存儲在生產(chǎn)所述零件的設(shè)備的存儲器中的精確數(shù)字模型的等效 平面截面相同的多個(gè)薄片材料的逐層構(gòu)造而創(chuàng)建。增材制造可涉及由計(jì)算機(jī)控制過程將材 料應(yīng)用到工作臺并由熱過程固化所述材料以便創(chuàng)建層。所述過程重復(fù)幾千次以獲得最終部 件。
[0004] 已知各種類型的增材制造。如由ASTM分類的增材制造類別包括：材料噴射，其中 構(gòu)建材料液滴選擇性地沉積；粉末床熔融，其中熱能選擇性地熔融粉末床的區(qū)域；定向能 量沉積，其中所集中的熱能在沉積期間熔化材料；材料擠壓，其中材料選擇性地分散穿過噴 嘴等等。用于以上的典型定向能源包括激光和電子束。
[0005] 增材制造中朝向生產(chǎn)就緒金屬和陶瓷部件的直接制造發(fā)展的最近趨勢已最小化 了聚合物粘結(jié)劑在成型過程中發(fā)揮的作用。
[0006] 概述
[0007] -種形成部件的方法包括通過將第一陶瓷粉末與無機(jī)粘結(jié)劑粉末混合來制備起 始粉末。隨后通過增材制造工藝將所述粉末混合物成型為部件。通過瞬間液相粘結(jié)來使所 述部件致密化。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，可通過選擇性激光燒結(jié)來形成所述部件。在另一 個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述部件可以是渦輪部件。
[0008] -種方法包括通過逐層增材制造工藝來從第一陶瓷粉末和無機(jī)粘結(jié)劑粉末的混 合粉末形成部件。所述部件在成型期間以及在后成型處理期間被加熱以開始反應(yīng)，由此形 成液體并且通過瞬間液相粘結(jié)進(jìn)行致密化。
[0009] 附圖簡述
[0010] 圖1是基于粉末的成型過程的示意圖。
[0011] 圖2是本發(fā)明的增材制造工藝。
[0012] 詳述
[0013] 增材制造是其中利用逐層技術(shù)直接從數(shù)字模型生產(chǎn)三維（3D)物體的工藝。增材 制造工藝與常規(guī)的減法制造方法明顯不同，在所述減法方法中材料以一件一件的方式通過 機(jī)械加工、研磨等或通過其他成型方法（如鍛造、鑄造、注射成型等）從坯件去除。在增材 制造中，件通過材料的連續(xù)層的沉積而形成，其中每層粘附到上一層直到構(gòu)建完成。單層可 由計(jì)算機(jī)控制的能量束通過燒結(jié)、熔融或以其他方式固化粉末床或可聚合液體的頂部表面 的特定區(qū)域，或者通過計(jì)算機(jī)控制的沉積裝置將一種材料的單獨(dú)液體或半固體液滴沉積在 工件的特定區(qū)域上而形成。常見的能源是激光和電子束。
[0014] 增材制造技術(shù)最初用于形成用于設(shè)計(jì)和原型設(shè)計(jì)的聚合物模型。當(dāng)前增材制造加 工現(xiàn)從聚合物、金屬、金屬聚合物復(fù)合材料和陶瓷生產(chǎn)產(chǎn)品。除了預(yù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)和模型，由于 顯而易見的原因，當(dāng)前努力現(xiàn)包括生產(chǎn)零件的直接增材制造加工。超合金渦輪部件例如像 具有內(nèi)部冷卻通道的機(jī)翼的直接自由成型制造可消除許多昂貴的制造操作。
[0015] 可應(yīng)用到本發(fā)明的基于粉末的增材制造工藝包括：選擇性激光燒結(jié)（SLS)、直接 激光燒結(jié)（DLS)、選擇性激光熔化（SLM)、直接激光熔化（DLM)、電子束熔化（EBM)、直接金屬 沉積以及本領(lǐng)域已知的其他工藝。
[0016] 圖1中示出本發(fā)明的基于粉末的增材制造工藝的實(shí)例。工藝10包括制造室12， 所述制造室12包括通過增材制造生產(chǎn)固體自由成型物體的設(shè)備。工藝10的實(shí)例是選擇性 激光燒結(jié)（SLS)。SLS工藝10包括粉末存儲室14、構(gòu)建室16、激光18和掃描鏡20。在SLS 工藝10的操作期間，粉末22由活塞24向上饋送并由輥28散布在構(gòu)建平臺26上。在粉末 22在構(gòu)建平臺26上散布成均勻?qū)雍?，激?8和掃描鏡20被激活來引導(dǎo)構(gòu)建平臺26上方 的激光束燒結(jié)粉末22的選擇性區(qū)域以便形成固體自由成型物體32的單層30,并根據(jù)存儲 在工藝10中的STL存儲器文件中的物體32的3D計(jì)算機(jī)模型將所燒結(jié)區(qū)域附接至下方的 平臺26。在下一個(gè)步驟中，輥28返回至起始位置，活塞24前進(jìn)以暴露粉末22的另一層并 使構(gòu)建平臺26標(biāo)記下降一層厚度。輥28隨后將一層粉末22散布在包括選擇性燒結(jié)區(qū)域 的構(gòu)建平臺26的表面上。根據(jù)存儲在工藝10的存儲器中的部件的數(shù)字模型的橫截面，激 光18和掃描鏡20被激活并且粉末的沉積層的選擇性區(qū)域再次燒結(jié)并結(jié)合到下方的層。重 復(fù)所述過程直到固體自由成型零件32完成。如所提及的，工藝10只是固體自由成型制造 工藝的實(shí)例并且不意味著將本發(fā)明限制于本領(lǐng)域已知的任何單一工藝。
[0017] 工藝10的室12提供包括惰性氣體或真空的受控構(gòu)建環(huán)境。層厚度取決于粉末大 小并且范圍可從20微米至超過1毫米。粉末22可由輥28或另一個(gè)散布裝置（如刮刀） 散布到構(gòu)建平臺26上。
[0018] 其他系統(tǒng)如直接金屬沉積用在本領(lǐng)域中，其中材料根據(jù)由存儲在沉積設(shè)備中的存 儲器中的3D計(jì)算機(jī)模型驅(qū)動(dòng)的控制分布過程一點(diǎn)一點(diǎn)地增加。金屬和陶瓷粉末可以糊的 形式沉積并且金屬可以熔化或半熔化形式沉積，以及通過本領(lǐng)域已知的其他沉積工藝。增 材制造工藝的實(shí)例包括但不限于，選擇性激光燒結(jié)（SLS)、直接激光燒結(jié)（DLS)、選擇性激 光熔化（SLM)、直接激光熔化（DLM)、激光工程化凈成形（LENS)、電子束熔化（EBM)、直接金 屬沉積以及本領(lǐng)域已知的其他工藝。
[0019] 聚合物粘結(jié)劑可在增材制造之前、期間和之后幫助將粉末顆粒粘合到一起。粉末 形式的粘結(jié)劑可與金屬或陶瓷起始粉末混合或者所述起始粉末可涂布有聚合物粘結(jié)劑。通 過其中聚合物粘結(jié)劑用于改善顆粒粘附性的增材制造生產(chǎn)的金屬或陶瓷零件通常經(jīng)受燒 蝕處理，以便在零件被投入服務(wù)之前從顯微結(jié)構(gòu)消除粘結(jié)劑。所述聚合物還可在燒結(jié)期間 干擾顆粒到顆粒的粘附。
[0020] 用于本發(fā)明的燒結(jié)陶瓷零件的增材制造的合適粘結(jié)劑系統(tǒng)包括金屬和陶瓷粘結(jié) 劑。當(dāng)液相存在時(shí)，燒結(jié)期間的尺寸控制和顆粒粘附得以改善。液相燒結(jié)是在液相在燒結(jié) 過程中固化或以其他方式消耗時(shí)提供致密化和顆粒間結(jié)合發(fā)生的工藝。燒結(jié)產(chǎn)品可展示低 孔隙度和可接受的結(jié)構(gòu)完整性。
[0021] 存在許多多組分材料系統(tǒng)，其中一種或多種組分在燒結(jié)期間反應(yīng)以形成增強(qiáng)致密 化和尺寸穩(wěn)定性的液體。具體實(shí)例是在感興趣的加工溫度下在反應(yīng)物的組成范圍中存在共 晶或包晶反應(yīng)的情況。所述液體可在過程中由周圍基質(zhì)消耗，或可通過與組分組合以形成 固溶體、另外的金屬間或陶瓷固相、通過蒸發(fā)或通過本領(lǐng)域已知的其他方式而固化。這一過 程稱為瞬間液相粘結(jié)（TLPB)。在瞬間液相粘結(jié)中，粘結(jié)劑材料和陶瓷材料相互反應(yīng)并通過 粘結(jié)劑系統(tǒng)到第一陶瓷中的擴(kuò)散或通過其他方式來形成液相。液相優(yōu)選地等溫固化。
[0022] 本發(fā)明的目的是通過使用激光或電子束驅(qū)動(dòng)的增材制造加工來使用金屬、陶瓷和 金屬/陶瓷粘結(jié)劑系統(tǒng)以制造自由成型的陶瓷渦輪部件。選擇所述粘結(jié)劑系統(tǒng)以允許燒結(jié) 和致密化發(fā)生，優(yōu)選地借助于通過共晶、包晶或其他組分間熱反應(yīng)進(jìn)行的瞬間液相粘結(jié)。
[0023] 候選金屬粘結(jié)劑系統(tǒng)自然取決于陶瓷部件。通常，候選粘結(jié)劑材料可以是在燒結(jié) 期間與陶瓷反應(yīng)以形成低熔融相的材料，所述低熔融相濕潤陶瓷。此過程可存在于材料系 統(tǒng)中發(fā)生共晶或包晶反應(yīng)的組合物處。候選陶瓷材料包括至少氧化物、氮化物、碳化物、氮 氧化物、碳氮化物、鑭系元素及其混合物。
[0024] 符合以上標(biāo)準(zhǔn)的候選材料系統(tǒng)由一位發(fā)明人在J.Mater.Sci.堅(jiān)，5305 (2011)的 ^OverviewofTransientLiquidPhaseandPartialTransientLiquidPhaseBonding'， 中報(bào)告并以引用方式整體并入本文。下表示出具有瞬間液相粘結(jié)劑添加物的示例陶瓷系 統(tǒng)。
[0025] 具有瞬間液相粘結(jié)劑成分的陶瓷系統(tǒng)
[0026]
[0027] 圖2示意地示出本發(fā)明的基于粉末的增材制造工藝100。在所述工藝中，陶瓷粉 末102和粘結(jié)劑粉末104混合以便形成起始組合物106。粘結(jié)劑粉末104可以是金屬或陶 瓷粉末或其混合物。可選擇粘結(jié)劑粉末104,使得當(dāng)與陶瓷粉末102混合并加熱至燒結(jié)溫度 時(shí)，粘結(jié)劑粉末104將熔化以形成液相或?qū)⒑辖鸹蛞云渌绞脚c陶瓷粉末102反應(yīng)以形 成可濕潤所述陶瓷粉末的低溫熔融相。
[0028] 在陶瓷粉末102和粘結(jié)劑粉末104混合以形成混合粉末106起始材料之后，例如， 對于增材制造工藝10,所述起始材料被成型為自由成型零件30 (步驟108)。用于成型的增 材制造工藝10可以是直接激光燒結(jié)、直接激光熔化、選擇性激光燒結(jié)、選擇性激光熔化、激 光工程化凈成形或電子束熔化中的至少一個(gè)。也可采用本領(lǐng)域已知的其他方法，如直接金 屬沉積。在通過本發(fā)明的增材制造工藝成型期間，零件可通過瞬間液相粘結(jié)而致密化。
[0029] 成型之后，所述增材制造的自由成型零件可通過空氣、受控氣氛或真空中的瞬間 液相燒結(jié)進(jìn)一步致密化（步驟110)。瞬間液相燒結(jié)的常見特征是在所述液相被基質(zhì)吸收、 通過陶瓷或金屬間相的沉淀而固化或蒸發(fā)時(shí)的等溫致密化。
[0030] 在一個(gè)實(shí)施方案中，氧化鋁（A1