[发明专利]金属部件的增材制造及维修

说明书

扫描激光外延(SLE)是一种叠层增材制造工艺，其通过控制放置于基底衬底上面的金属粉末的熔化和再固化来制造具有特定微观结构的三维物体。SLE可以用来修复，例如单晶(SX)涡轮翼型件，以及制造功能梯度涡轮部件。SLE工艺能够形成等轴、定向固化和SX组织结构。基于离线模式的实时反馈控制方案既可以用来创建特定的无缺陷的微观结构又可提高工艺的可重复性。控制方案可使用基于由一个热成像仪以及熔池观测视频显微镜以高的帧速率提供的温度数据反馈。实时控制方案可以提供从原粉材料创建发动机净形涡轮部件的能力。

相关申请的交叉引用

根据美国法典35第119条，该申请要求2012年11月8日提交的美国临时申请号 61/724035的优先权，该申请引入本文如下所述。

发明背景

1.技术领域

本发明的各实施例主要涉及一种使用能量的定向波束来选择性烧结金属粉末以制造或修复零件的系统方法，并具体涉及使用选择性激光烧结(SLS)和扫描激光外延(SLE)来制造或修复全密度金属零件。

2.背景技术

自1930年问世以来，燃气涡轮发动机已经发展成为现代航空器的主要动力设备。多年来，与航空器推进系统和制造这些系统部件的方法相关的技术已经取得了显著进步。与技术进步相关的是希望通过使采集、操作和维护成本最小化来降低发动机的寿命周期成本。虽然有许多方法可减少发动机的寿命周期成本，但也可以通过技术的发展，如先进的材料、新颖的结构设计、改进的气动热力学、改进的计算方法以及先进的制造技术的方法来实现。

传统的制造技术通常将零件的制造成本和零件的生产量相结合。设计用于大规模生产的制造技术，如铸造和挤塑往往有高性价比，但这些制造技术通常不适用于小批量的零件。用于制造零件的另一传统的制造技术是粉末冶金，这需要工具来使粉末成形，因此常常使粉末冶金工艺对制造限量的零件缺乏吸引力。

只有需要少量的零件时，常常用传统的削减加工方法(如，数控铣床)生产零件。常规的消减加工方法利用从初始材料块移除所述材料的一部分以生成所需的形状。常规消减加工方法的实例包括：拉削、钻孔、放电加工、火焰切割、研磨、车削等。虽然传统的消减加工方法通常在所需零件的生产上是有效的，但它们具有许多局限性。

有本质是使用添加剂的其他的制造工艺。这种工艺包括被归类为本质上是使用添加剂的电镀、包层、火焰喷涂、焊接、贴合等。但这些工艺通常用于与常规消减加工技术结合以制造不能直接加工的组件。

实体自由成形制造(SFF)是一组具有革命性的产品开发和制造的新兴技术。通过这些技术具有的共同特点是直接从计算机生成的模型生产自由成形、几何形状复杂的零件的能力。SFF处理基于在选择的区域逐层添加材料的概念。以计算机生成的模型为基础制作复型。对该模型进行数学切片，然后以选择材料重建每一个切片来建立一个完整的物体。

SFF技术的早期是应用在快速成型(RP)的领域。RP使工程师能在小部分时间内快速制造模具，且与常规的成型方法相比成本通常少于一半。RP的巨大的节省是由它在设计上采用计算机辅助设计(CAD)和制造周期上的高度自动化促成。在制造方面，计算机驱动的计算机的RP机器可以接受CAD实体模型作为输入以自动创建所需组件的物理实现。这种强强联合的整体优势是在将最终产量的设计“冻结”在降低显著的成本和更短的“上市时间”前通过几个设计和成形周期快速迭代的能力。

大多数RP技术最初开发用于聚合材料。这些技术使设计人员能够以替代材料迅速创造他们的设计的实体显示以进行设计可视化和验证。对功能模具的进一步需求导致可生产能承受形状和装配的有限次测试的模具图案和零件的材料和工艺的发展。主要的发展在接下来在称为快速制模的SFF领域中发生。这个领域的焦点是开发SFF技术，以使包括注射成型、放电加工和压铸的各种制造技术用的原型工具能快速生产。与常规技术相比通过SFF制造有限运行的原型工具的经济优势已经促进了在该领域的发展。