Способ и устройство для изготовления детали посредством последовательного нанесения слоев

Группа изобретений относится к изготовлению металлических деталей последовательным нанесением слоев. Способ содержит этапы, на которых: а) наносят первый слой расплавленного металла на подложку для формирования на подложке первого металлического валика, b) на первый валик наносят второй слой расплавленного металла, для формирования на первом валике второго металлического валика, и с) этапы а) и b) повторяют для каждого нового металлического слоя, наносимого сверху предыдущего валика, вплоть до формирования упомянутой по меньшей мере части детали. После n этапов нанесения, где n больше или равно 1, проводят этап сжатия сформированного валика. Сжатие осуществляют в горячем состоянии перед полным охлаждением упомянутого валика. Этап сжатия осуществляют посредством дробеструйной обработки валика при помощи частиц материала, идентичного с материалом порошка, используемого для изготовления валиков. Предложено устройство для осуществления способа, которое содержит лазерную головку для плавления присадочного металла с целью формирования валика, и сопло для сжатия упомянутого валика. Обеспечивается снижение остаточных напряжений в слоях и анизотропия микроструктуры для получения бездефектных деталей. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к способу и к устройству для изготовления детали с применением аддитивной технологии посредством последовательного нанесения слоев.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Предшествующий уровень техники представлен документами FR-A1-2 816 836, EP-A1-0 529 816, US-A1-2004/099983, EP-A1-2 135 698, GB-A-2 508 335 и FR-A1-2 998 496.

Существуют по меньшей мере два типа аддитивного изготовления детали: деталь выполняют либо посредством последовательного нанесения расплавленного материала (фиг.1), либо посредством выборочного расплавления слоев порошка.

Устройство, показанное на фиг. 1, позволяет изготавливать деталь посредством последовательного нанесения слоев или расплавленного материала. Деталь выполняют путем наложения друг на друга слоев 10 на подложке 80. Устройство содержит лазерную головку 20, которая излучает пучок 22, позволяющий расплавлять материал, такой как металлический сплав.

Эта аддитивная технология изготовления известна под разными названиями, большинство из которых являются торговыми знаками различных конструкторов устройств или исследовательских учреждений: лазерное осаждение металла [Laser Metal Deposition (LMD)], прямое осаждение металла [Direct Metal Deposition (DMD)], прямое лазерное осаждение [Direct Laser Deposition (DLD)], лазерное формирование [Laser Engineered Net Shaping (LENS)], лазерное нанесение покрытия [laser cladding], сварка посредством лазерного осаждения и сварка посредством расплавления порошка.

Лазерный пучок 22 служит для получения ванны расплава на подложке 80, на которой нанесен порошок 24, например, при помощи лазерной головки 20, как показано на чертеже. Порошок плавится, образуя слой 10 или валик, сцепляющийся с подложкой за счет плавления. Затем на первый валик наносят несколько слоев или валиков для выполнения детали. Как правило, лазерной головкой 20 управляет робот.

Можно использовать широкий ассортимент сплавов титана, никеля, кобальта, WC (карбида вольфрама) и стали, в том числе Ti-Al6-4V, Inconel-718, Rene-142 и Stellite-6.

Типовыми лазерными источниками являются СО2, волокна Yb и диск Nd-YAG.

Эту технологию применяют, например, в области авиации для изготовления деталей авиационного газотурбинного двигателя.

Во время аддитивного изготовления детали с применением вышеупомянутой технологии можно наблюдать деформацию массивных зон, связанную с увеличением остаточных напряжений. Быстрое затвердевание валик за валиком или слой за слоем приводит к ряду недостатков: риск окисления между слоями, который может привести к снижению плотности металла (ухудшение механических характеристик и плохое сцепление между слоями), деформация валика в случае больших напряжений, что приводит к смещению верхних слоев, и т.д. Коме того, направленная передача тепла в конструктивную подложку приводит к росту столбчатых кристаллов, и конечный материал является анизотропным. Действительно, необходимо максимально контролировать возникновение остаточных напряжений и анизотропию микроструктуры для получения бездефектных деталей.

Настоящим изобретением предложено простое, эффективное и экономичное решение этих проблем.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретением предложен способ изготовления по меньшей мере части детали посредством последовательного нанесения слоев, содержащий этапы, на которых:

а) наносят первый слой расплавленного металла на подложку, чтобы сформировать на подложке первый металлический валик,

b) на упомянутый первый валик наносят второй слой расплавленного металла, чтобы на упомянутом первом валике сформировать второй металлический валик, и

с) этапы а) и b) повторяют для каждого нового металлического слоя, наносимого сверху предыдущего валика, вплоть до формирования упомянутой по меньшей мере части детали,

отличающийся тем, что после n этапов нанесения, где n больше или равно 1, содержит этап сжатия сформированного валика, и тем, что сжатие осуществляют в горячем состоянии, то есть до полного охлаждения упомянутого валика.

Таким образом, изобретением предложено улучшать свойства валиков, обрабатывая их сразу после их формирования и, следовательно, до нанесения на них нового валика. Обработка посредством сжатия валика за валиком или слоя за слоем обеспечивает изменение/устранение напряжений, действующих на валики, упрочнение их материала и даже травление оксидов, что позволяет решать проблемы, связанные с аспектами деформации, структурной анизотропии и дефектов сцепления. За счет поверхностного упрочнения производят регенерацию структуры, чтобы избежать эпитаксиального роста. Можно также применить дробеструйную обработку, которая служит для удаления слоя оксида перед нанесением следующего слоя, позволяет улучшить сцепление или изменить микроструктуру слоя, подвергаемого дробеструйной обработке.

Для этого изобретением предложено объединить два очень разных процесса, а именно аддитивное изготовление посредством последовательного нанесения слоев и сжатие, например, посредством дробеструйной обработки. В рамках этих двух процессов можно использовать материалы в виде порошка или частиц, которые могут быть одинаковыми, чтобы не загрязнять деталь в ходе формирования.

Заявленный способ может включать в себя один или несколько следующих этапов или отличительных признаков, рассматриваемых отдельно друг от друга или в комбинации друг с другом:

- этап сжатия осуществляют, когда температура упомянутого валика превышает 30°С, предпочтительно превышает 100°С, еще предпочтительнее превышает 200°С, например, составляет около 300°С,

- этап сжатия осуществляют посредством нагнетания потока газа, например, сжатого воздуха или азота, на упомянутый валик,

- этап сжатия осуществляют посредством дробеструйной обработки упомянутого валика,

- дробеструйную обработку осуществляют при помощи частиц материала, идентичного с материалом порошка, используемого для изготовления валиков, при этом упомянутые частицы предпочтительно имеют размер, отличный от размера частиц упомянутого порошка. Это позволяет упростить переработку и контроль за расходованием порошков или избежать загрязнения другими сплавами.

- дробеструйную обработку осуществляют при помощи частиц материала, отличного от материала порошка, используемого для изготовления валиков. Это обеспечивает большую гибкость при работе на создаваемых остаточных напряжениях (глубина и достигаемые уровни) за счет выбора значений относительной твердости между выбранными средами и материалом, используемым для аддитивного изготовления,

- этап сжатия осуществляют таким образом, чтобы обеспечивать:

i) введение остаточных напряжений сжатия для противодействия остаточным напряжениям растяжения, появляющимся при плавлении, чтобы минимизировать деформации, и/или

ii) травление возможного слоя оксида, который может появиться на поверхности валика, и/или

iii) изменение первоначальной микроструктуры валика (анизотропной или столбчатой) посредством дробеструйной обработки с целью получения однородной микроструктуры (многонаправленной или с уменьшением размера зерен), и/или

iv) уплотнение осажденного материала, чтобы уменьшить пористость, появляющуюся во время процесса аддитивного изготовления.

Эта последовательность этапа позволяет улучшить конечные механические свойства детали и избежать явлений трещинообразования (этап i) и позволяет также контролировать генерирование одной или нескольких микроструктур в детали. Эти микроструктуры могут быть однородными в масштабе конечной детали или локальными в зависимости от предусмотренного промышленного применения (этап iii).

Объектом изобретения является также устройство для осуществления описанного выше способа, отличающееся тем, что содержит:

- лазерную головку для плавления присадочного металла с целью формирования валика, и

- сопло для сжатия упомянутого валика.

Предпочтительно лазерная головка и сопло установлены на общем роботе-манипуляторе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Изобретение и его другие детали, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - схематичный вид в перспективе устройства для аддитивного изготовления детали в соответствии с известным техническим решением.

Фиг. 2 - схематичный вид, иллюстрирующий общий принцип изобретения.

Фиг. 3 - схематичный вид варианта выполнения заявленного устройства.

Фиг. 4 - схематичный вид версии выполнения заявленного устройства.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Аддитивное изготовление имеет целый ряд преимуществ, в том числе сокращение сроков производства, снижение стоимости и постоянных издержек по сравнению с деталью, выполненной посредством формования, литья под давлением или механической обработки в массе.

Вместе с тем, детали, полученные посредством аддитивного изготовления, имеют также недостатки: при затвердевании появляются остаточные напряжения сжатия в каждом слое, которые могут привести к образованию трещин.

Изобретение позволяет преодолеть эти недостатки при помощи устройства изготовления, показанного на фиг. 2, которое содержит:

- первое сопло 100 для осаждения порошка 102 на подложку 80,

- головку 104, излучающую лазерный пучок 106, и

- второе сопло 108 для сжатия валика 110 после его формирования и до нанесения на него нового валика.

В случае, представленном на фиг. 1, функцию сопла 100 можно придать лазерной головке 104. В этом случае получают лазерную головку 104, выполненную с возможностью осаждения порошка 102 на подложке 80, и сопло 108.

После каждого этапа формирования слоя или валика заявленный способ содержит этап сжатия валика 110.

Предпочтительно сжатие валика 110 осуществляют посредством дробеструйной обработки или путем охлаждения валика газом после прохождения пучка 106 по слою, чтобы производить обработку слой за слоем или валик за валиком и применять напряжения сжатия или чтобы добиться желаемой микроструктуры. Дробеструйная обработка или охлаждение дают разные результаты в зависимости от температуры подложки, от расположения головки 104, излучающей пучок 106, и т.д. Эту температуру можно, например, контролировать путем идентификации поверхностных изотерм каждого валика 110.

В частном случае, в котором сжатие валика осуществляют, когда валик находится при окружающей температуре, рабочее расстояние L между слоем и головкой 104 может составлять около 150 мм. Эта головка 104 может иметь диаметр 6 мм, и частицы диаметром около 100 мкм можно осаждать под давлением 0,2-0,8 МПа для осуществления дробеструйной обработки.

В частном случае, в котором сжатие осуществляют, когда валик находится при высокой температуре (например, порядка 300°С), дробеструйную обработку можно производить под давлением 0,6 МПа при помощи шариков размером 1,0 мм. После этой дробеструйной обработки может следовать обработка типа microshot peening (микродробеструйная обработка), которую осуществляют под давлением 0,6 МПа при помощи шариков размером 0,1 мм.

Применение изобретения на валике из сверхпрочной стали (твердость по Виккерсу 600-1000) позволяет достигать поверхностного напряжения примерно от -350 до -500 МПа, максимального напряжения сжатия примерно от -400 до -2000 МПа, максимальной глубины напряжения примерно от 5 до 20 мкм и глубины сжатия примерно от 50 до 100 мкм.

Для осуществления дробеструйной обработки можно использовать управляемое сопло для микродробеструйной обработки с использованием мелкого порошка размером от 10 до 100 мкм. Площадь воздействия может составлять несколько квадратных миллиметров, а глубина воздействия составляет от 50 до 150 мкм.

Это совместимо с процессами прямого лазерного осаждения. Действительно, расплавленные слои имеют толщину примерно от 200 до 500 мкм при прямом лазерном осаждении. Расплавляемые порошки имеют одинаковый гранулометрический состав; можно предусмотреть применение одинаковых порошков, чтобы не загрязнять детали. Дробеструйную обработку производят при тех же порядках величин, что и вышеупомянутый способ аддитивного изготовления.

Что касается напряжений, то можно модулировать изменения напряжений по глубине. Можно также использовать охлаждающий эффект газа-носителя для изменения напряжений и ограничения окисления.

Как было указано выше, сжатие можно также осуществлять при помощи газа-носителя без использования среды, такой как микродробь, чтобы производить закалку валика материала и вводить в него остаточные напряжения. Нагнетаемый газ может быть нейтральным или реактивным газом. Предпочтительно он имеет расход, позволяющий производить охлаждение валика быстрее, чем за счет теплопроводности через подложку.

Сопло 108 для микродробеструйной обработки или для нагнетания потока газа должно следовать за головкой 104, воздействуя на затвердевающий валик с некоторой определяемой задержкой, зависящей, например, от расстояния d между соплом и головкой. Расстояние d может зависеть от температуры охлаждения валика и от температуры при сжатии валика. Предпочтительно необходимо обеспечивать управление ориентацией сопла дробеструйной обработки, отличающееся от управления нагнетательным соплом.

Излучающая головка 104 и второе сопло 108 и даже первое сопло 100 предпочтительно установлены на общем роботе-манипуляторе.

На фиг. 3 и 4 представлены два варианта выполнения заявленного устройства. На фиг. 3 манипулятор 120 является подвижным и может вращаться, например, вокруг вертикальной оси 122. Головка 104 центрована по оси 122, и выходы сопла микродробеструйной обработки находятся на окружности с центром на оси 122. Манипулятор перемещают в плоскости, содержащей ось 122, такой как плоскость чертежа, и сопло 108, находящееся за пучком 106 относительно направления перемещения манипулятора, используют для сжатия валика.

В случае, представленном на фиг. 4, на манипуляторе 120 установлены сопло 108 дробеструйной обработки и головка 104 излучения пучка, при этом расстояние между ними можно изменять посредством поступательного перемещения сопла относительно манипулятора. Манипулятор может перемещаться поступательным движением, а также вращаться вокруг оси 122 головки 104.

Если частицы для дробеструйной обработки имеют такую же природу, что и частицы порошка, возникает риск большой потери порошка. Решением проблемы является использование порошка с более значительным размером частиц, чтобы собирать его при просеивании, или порошка из другого материала, такого как керамика, собираемого посредством магнитного разделения.

1. Способ изготовления по меньшей мере части детали посредством последовательного нанесения слоев, содержащий этапы, на которых:

а) наносят первый слой (110) расплавленного металла на подложку (80), чтобы сформировать на подложке первый металлический валик,

b) на первый валик наносят второй слой расплавленного металла, чтобы на первом валике сформировать второй металлический валик, и

с) этапы а) и b) повторяют для каждого нового металлического слоя, наносимого сверху предыдущего валика, вплоть до формирования упомянутой по меньшей мере части детали,

отличающийся тем, что после n этапов нанесения, где n больше или равно 1, содержит этап сжатия сформированного валика, и тем, что сжатие осуществляют в горячем состоянии, то есть перед полным охлаждением упомянутого валика, причем этап сжатия осуществляют посредством дробеструйной обработки валика при помощи частиц материала, идентичного с материалом порошка, используемого для изготовления валиков.

2. Способ по предыдущему пункту, в котором этап сжатия осуществляют, когда температура валика превышает 30°С, предпочтительно превышает 100°С, еще предпочтительнее превышает 200°С, например, составляет около 300°С.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором частицы имеют размер, отличный от размера частиц упомянутого порошка.

4. Способ по одному из предыдущих пунктов, в котором этап сжатия осуществляют таким образом, чтобы обеспечивать:

i) введение остаточных напряжений сжатия для противодействия остаточным напряжениям растяжения, появляющимся при плавлении, чтобы минимизировать деформации, и/или

ii) травление возможного слоя оксида, который может появиться на поверхности валика, и/или

iii) изменение первоначальной микроструктуры валика посредством дробеструйной обработки с целью получения однородной микроструктуры, и/или

iv) уплотнение осажденного материала, чтобы уменьшить пористость, появляющуюся во время процесса аддитивного изготовления.

5. Устройство для осуществления способа по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что содержит:

- лазерную головку (104) для плавления присадочного металла с целью формирования валика, и

- сопло (108) для сжатия упомянутого валика (110).

6. Устройство по предыдущему пункту, в котором лазерная головка (104) и сопло (108) установлены на общем роботе-манипуляторе (120).