[发明专利]用于单晶超合金和金属的直写的装置和方法

说明书

用于单晶超合金和金属的直写的方法和装置。方法包括：将衬底加热到低于其熔点的预定温度；使用激光在衬底的表面上形成熔融池，其中，衬底被设置在基板上，以及其中，激光和基板能够相对彼此移动，激光用于直接金属沉积；将超合金粉末引入到所述熔融池；以及控制熔融池的温度以在熔融池的固体和液体界面上保持预定的热梯度，以便于在衬底上形成单晶沉积。装置被配置为总体上实现上述的方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年8月24日提交的美国临时申请No.62/041,884的优先权。上述申请的全部公开内容通过引用加入本文。

技术领域

本公开涉及用于单晶超合金和金属的直写的装置和方法。

背景技术

该部分提供与本公开有关的背景信息，这些背景信息不一定是现有技术。该部分还提供了对本公开的总体概述，并且不是对本公开的完整范围和所有特征的全面披露。

诸如叶片或轮叶等的叶片(airfoil)部件通常由等轴的、定向凝固(DS)的或单晶(SX)的超合金形成。与等轴晶体的涡轮机叶片相比，定向凝固(DS)的或单晶(SX)的涡轮机叶片具有远为优良的蠕变强度、热疲劳抗性以及抗腐蚀性。在特定的用途中，与等轴晶体的涡轮机叶片相比，DS或SX涡轮机叶片已证实在蠕变强度和热疲劳抗性方面具有高达九倍的相对寿命，并且针对抗腐蚀性，具有高达三倍以上的相对寿命。

然而，单晶铸造是缓慢和昂贵的过程。如果发生设计变化，则需要制作新的模具。由于镍超合金的高的熔融温度，通常需要昂贵的陶瓷模具。另一方面，数字制造方法(如果被成功地应用)能够形成单晶而不使用模具，并且由此能够使设计变化变得经济。

发明内容

根据本发明的原理，公开了用于单晶超合金和金属的直写的方法和装置。在一个实施例中，将衬底加热到低于其熔点的预定温度，并且使用激光在沉底的表面上形成熔融池。衬底设置在基板上，并且激光和基板可以相对彼此移动，激光被用于直接金属沉积并且衬底被加热到低于其熔点的温度。将超合金粉末引入到熔融池，并且控制熔融池的温度以在熔融池的固体和液体界面上保持预定的热梯度，以便于在衬底上形成单晶沉积。

根据该方法，提供了用于单晶超合金和金属的直写的装置。在一个实施例中，装置包括激光，具有功率输出；基板，被配置为将衬底保持在其上；DMD头，被配置为将超合金粉末流提供到衬底上；感应热源，被设置为将基板上的衬底加热到预定温度；以及控制器，用于控制激光的功率输出以保持预定温度。控制器响应于以下中的至少一个的测量温度：衬底上的熔融池，以及超合金粉末。

根据本文提供的描述，其他的适用领域将变得显而易见。本概述中的描述和特定示例仅是出于说明目的，而并非是要限制本公开的范围。

附图说明

本文中描述的附图仅出于对所选择的实施例而非所有可能的实现方式进行说明的目的，而不是要限制本公开的范围。

图1示出了根据一个实施例的实验装置；

图2示出了根据一个实施例的熔融池温度控制过程；以及

图3示出了根据一个实施例的用于熔融池温度控制器的算法的流程图。

在附图的全部多个视图中，相对应的附图标记指示相对应的部分。

具体实施方式

现在将参照附图更完整地描述示例实施例。提供了示例实施例以使得本公开变得充分，并且将范围完整地传达给本领域技术人员。阐述了大量的具体细节，例如特定部件、设备、以及方法的示例，以提供对本公开的实施例的充分理解。对本领域技术人员显而易见的是，特定的细节不需要被采用、示例实施例可以以多种不同的方式实现，并且这些细节和实施例都不应该被解释为限制本公开的范围。在一些示例实施例中，没有详细描述公知的过程、公知的设备结构、以及公知的技术。