[发明专利]使用粉末金属和粉末助焊剂的流化床的增材制造

说明书

技术领域

该发明大体涉及从粉末金属的床形成或修复金属组件和部件的 领域。更具体地，该发明涉及使用粉末材料的流化床来形成或修复 部件，其中粉末材料包括超合金金属和其他材料。

背景技术

焊接工艺取决于被焊接的材料的类型而有相当大的差异。一些 材料在各种各样的条件下更容易焊接，而其他材料要求特殊工艺以 便获得结构上良好的接头而不会使周围的基底材料劣化。

常见的电弧焊一般利用消耗性电极作为给送材料。为了为焊池 中的熔融材料提供免受大气影响的保护，可以在焊接包括例如钢、 不锈钢和镍基合金的许多合金时使用惰性覆盖气体或助焊剂材料。 惰性和组合惰性与活性气体工艺包括气体钨极电弧焊(GTAW)(也 称作钨极惰性气体(TIG))和气体金属电弧焊(GMAW)(也称作 金属惰性气体(MIG)和金属活性气体(MAG))。助焊剂保护工 艺包括其中助焊剂通常被给送的埋弧焊(SAW)、其中助焊剂被包 括在电极的芯中的药芯焊丝电弧焊(FCAW)和其中助焊剂被涂覆在 填料电极的外侧的焊条电弧焊(SMAW)。

能量束的作为用于焊接的热源的使用也是已知的。例如，激光 能量已被用于将预先放置的不锈钢粉末熔化到具有提供熔池的屏蔽 的粉末助焊剂材料的碳钢基底上。助焊剂粉末可以与不锈钢粉末混 合或者作为单独的覆盖层施加。以发明人的知识，当焊接超合金材 料时不使用助焊剂材料。

认识到超合金材料归因于其对焊接固化开裂和应变时效开裂的 敏感性而在最难以焊接的材料之中。术语“超合金”在这里如它在 本领域通常使用地那样使用，即，展现出优异的机械强度和对高温 下的蠕变的抵抗性的高耐腐蚀抗氧化合金。超合金典型地包括高的 镍或钴含量。超合金的示例包括在如下商标和品牌命名下销售的合 金：哈氏合金(Hastelloy)、英科乃尔(Inconel)合金(例如，IN738、 IN792、IN939)、雷内(Rene)合金(例如，ReneN5、Rene80、 Rene142)、海恩斯(Haynes)合金、MarM、CM247、CM247LC、 C263、718、X-750、ECY768、282、X45、PWA1483和CMSX(例 如，CMSX-4)单晶合金。

一些超合金材料的焊接修复已通过将材料预先加热至非常高的 温度(例如至1600°F或870℃以上)以便显著地增加修复期间材料 的材料延展性而成功实现。该技术被称为热箱焊接(hotboxwelding) 或处于升高温度的超合金焊接(SWET)焊接修复并且它通常使用手 动GTAW工艺来实现。然而，热箱焊接受到维持均匀的组件工艺表 面温度的难度和维持完整的惰性气体屏蔽的难度的限制，以及受到 强加在在这样的极端温度下在组件附近工作的操作者上的物理难度 的限制。

一些超合金材料焊接应用可以使用激冷板来进行以限制基底材 料的加热，由此限制了引起开裂问题的基底热效应和应力的发生。 然而，该技术对于其中部件的几何形状不便于激冷板的使用的许多 修复应用来说不实用。

图7是图示出各种合金的作为其铝与钛含量的函数的相对可焊性的传统图表。具有相对较低浓度的这些元素并且因而具有相对较低γ'含量的诸如IN718等的合金被认为是相对可焊的，但这样的焊接一般限于组件的低应力区域。具有相对较高浓度的这些元素的诸如IN939等的合金一般不认为是可焊的，或者仅可以用增加材料的温度/延展性并使工艺的热输入最小化的在上面所讨论的特殊程序来焊接。虚线80指示出可焊性的区带的公认的上边界。线80与纵轴上的3wt.％铝和水平轴上的6wt.％钛交叉。可焊性的区带外侧的合金被公认为非常难以或不可能用已知工艺焊接，并且具有最高铝含量的合金一般发现是最难以焊接的，如箭头所指示的。

利用选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)使一薄 层超合金粉末颗粒熔化到超合金基底上也是已知的。熔池通过在激 光加热期间施加诸如氩气等的惰性气体与大气屏蔽。这些工艺趋向 于将附着在颗粒的表面的氧化物(例如，铝和铬氧化物)捕获在沉 积出的材料的层内，导致孔隙、夹杂物和与被捕获的氧化物相关联 的其他缺陷。后处理热等静压(HIP)经常用来瓦解这些空隙、夹杂 物和开裂以便改善沉积出的涂层的性质。这些工艺的应用归因于预 先放置粉末的要求也限于水平表面。