Un procedimiento para la producción de artículos hechos de una superaleación a base de níquel reforzada por precipitación gamma-prima mediante fusión selectiva por láser (SLM).

Un procedimiento para la producción de artículos tridimensionales densos y libres de grietas hechos de una superaleación a base de níquel reforzada por precipitación gamma-prima,

que comprende más de 6% en peso de [2 veces una concentración de Al (% en peso) + Ti (% en peso)], mediante fusión selectiva por láser (SLM), que comprende las etapas de:

a) proporcionar un aparato (10) de SLM con una unidad (19) de control de SLM;

b) proporcionar un modelo tridimensional cortado en rebanadas (SM) de dicho artículo con secciones transversales calculadas, que se hace pasar a y se almacena en dicha unidad (19) de control de SLM;

c) preparar polvo de dicho material de aleación a base de níquel reforzada por precipitación gamma-prima, que se necesita para dicho procedimiento de SLM;

d) preparar una capa (18) de polvo con un grosor regular y uniforme sobre una placa (13) de sustrato de dicho aparato (10) de SLM, o sobre una capa de polvo procesada previamente (14);

e) fundir dicha capa de polvo preparada (18) barriendo con un haz de láser enfocado (17) un área que corresponde a una sección transversal de dicho artículo según el modelo tridimensional cortado en rebanadas (SM) almacenado en dicha unidad (19) de control;

f) rebajar la placa (13) de sustrato en un grosor de una capa;

g) repetir las etapas d) a f) hasta alcanzar la última sección transversal según el modelo tridimensional cortado en rebanadas (SM);

en el que para dicha etapa e) de fusión, la potencia del láser, el diámetro (d) del foco del punto focal (20) y la velocidad de barrido de dicho haz de láser enfocado (17) se ajustan para obtener una relación de aspecto del cordón de soldadura (21) de profundidad (h) a anchura (w) más pequeña que 0,5, preferiblemente entre 0,3 y 0,1, aplicando los siguientes parámetros

Potencia del láser: 50-150 W

Velocidad de barrido: 80-700 mm/s

Distancia de trama: 0,01-0,5 mm

Diámetro del foco: 0,1-0,5 mm

y en el que dicho ajuste de dicho diámetro (d) del foco se realiza usando una unidad (16) de enfoque y desplazamiento del láser específica, o desplazando dicha placa (13) de sustrato con una unidad (12) de desplazamiento de placa de sustrato.

Un procedimiento para la producción de artículos hechos de una superaleación a base de níquel reforzada por precipitación gamma-prima mediante fusión selectiva por láser (SLM)

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a la tecnología de producir artículos tridimensionales por medio de fusión selectiva por láser (SLM). Se refiere a un procedimiento para la producción de artículos tridimensionales densos y libres de grietas hechos de una aleación a base de níquel reforzada por precipitación gamma-prima que comprende más de 6% en peso de [dos veces una concentración de Al (% en peso) + una concentración de Ti (% en peso)], mediante fusión selectiva por láser (SLM).

TÉCNICA ANTERIOR

Se sabe que las superaleaciones a base de níquel reforzadas por precipitación gamma-prima (y) con una fracción combinada de Al y Ti de alrededor de más de 5% en peso son muy difíciles de soldar debido a su sensibilidad a las microgrietas.

En el documento B. Geddes, H. León, X. Huang: Superalloys, Alloying and performance, ASM International, 2010, página 71-72, los autores describen una linea de soldadura para superaleaciones aproximadamente como [2 veces una concentración de Al (% en peso) + una concentración de Ti (% en peso)] < 6,0; esto significa que las superaleaciones a base de Ni con más de 6% en peso de [dos veces una concentración de Al (% en peso) + una concentración de Ti (% en peso)] se definen como materiales difíciles de soldar. Durante el procedimiento de soldadura se produce el agrietamiento por solidificación y por licuación en los bordes de grano, mientras que los tratamientos térmicos tras la soldadura conducen a menudo a agrietamiento por deformación del envejecimiento en aleaciones reforzadas por precipitado de N¡3(AI,Ti) gamma-prima. Por lo tanto, hasta el día de hoy se pueden procesar mediante SLM superaleaciones a base de níquel principalmente reforzadas por disolución sólida (por ejemplo IN625) o reforzadas por gamma-prima, con una pequeña cantidad de Al y Ti (por ejemplo In718).

En un enfoque habitual para procesar superaleaciones a base de níquel reforzadas por precipitación gamma-prima difíciles de soldar, se calienta un lecho de polvo hasta una temperatura elevada para reducir los esfuerzos residuales que resultan del procedimiento de soldadura. Pero, antes de que las partes acabadas puedan ser retiradas del lecho de polvo, se han de enfriar hasta la temperatura ambiente. Debido a la baja conductividad térmica de los lechos de polvo, el calentamiento y enfriamiento del lecho de polvo requiere mucho tiempo, dando como resultado una disminución significativa en la productividad del procedimiento de SLM. Además, se necesita un equipo de calentamiento caro, y el aislamiento así como la adaptación de la cámara del procedimiento.

La siguiente bibliografía está relacionada con estas tecnologías y problemas:

(1) Kelbassa, I., et al. Manufacture and repalr of aero engine components using láser technology. En Proceedlngs of the 3rd Pacific International Conference on Application of Lasers and Optics. 2008.

(2) Mumtaz, K. y N. Hopkinson, Top surface and slde roughness of Inconel 625 parts processed using selectlve láser melting. Rapid Prototyping Journal, 2009. 15(2): p. 96 - 103.

(3) Mumtaz, K. y N. Hopkinson, Láser melting functlonally graded composition of Waspaloy® and Zirconia powders. Journal of Materials Science, 2007. 42(18): p. 7647-7656.

(4) Mumtaz, K.A., P. Erasenthiran, y N. Hopkinson, Hlgh density selectlve láser melting of Waspaloy®. Journal of Materials Processing Technology, 2008. 195(1-3): p. 77-87.

(5) Sehrt, J.T. y G. Witt, Entwicklung elner Verfahrenssystematik bel der Qualifizierung neuer Werkstoffe for das Strahlschmelzverfahren. 2010. Publication of triáis to process difficuIt to weld gamma-prime precipitation- strengthened ni-base superalloys.

Además, el documento US 6.215.093 B1 describe un método para fabricar un cuerpo moldeado, según datos CAD tridimensional de un modelo de un cuerpo moldeado, depositando capas de un material metálico en forma de polvo. Varias capas de polvo se depositan sucesivamente una encima de la otra, con lo que cada capa de polvo se callenta hasta una temperatura específica por medio de un haz de láser enfocado aplicado a un área dada que corresponde a un área de sección transversal seleccionada del modelo del cuerpo moldeado, antes de la deposición de la siguiente capa. El haz de láser es guiado sobre cada capa de polvo según los datos de sección transversal de CAD del área de sección transversal seleccionada del modelo, de tal manera que cada capa de polvo se fija a la capa de debajo. Especialmente, el material metálico en forma de polvo se aplica en forma de un polvo metálico libre de aglutinantes y agentes y fundentes, que se callenta por el haz de láser hasta la temperatura de fusión, eligiéndose la energía del haz de láser de tal manera que la capa de polvo metálico se funde completamente a lo largo del punto de impacto de dicho haz de láser, siendo el haz de láser guiado a lo largo del área especificada de polvo en varias pasadas de tal manera que cada pasada del haz de láser solapa parcialmente la pasada anterior, y manteniéndose

una atmósfera de gas protector por encima de la zona de interacción del haz de láser y el polvo metálico.

El documento DE 10104732 C1 enseña un dispositivo para la fusión selectiva por láser de materiales metálicos, que comprende una placa de calentamiento dispuesta sobre una plataforma con paredes laterales. La placa de calentamiento está estructurada de manera que una capa aislante está térmicamente aislada de la plataforma de manera que se pueden lograr durante la operación temperaturas de 500°C. Preferiblemente, la placa de calentamiento se forma como una placa de sustrato y tiene alambres de calentamiento integrados. Se proporciona una unidad de inducción para calentar de forma Inductiva la placa de calentamiento.

El documento US 6.621.039 B2 describe un aparato controlado por ordenador y un método para producir partes metálicas fundiendo por láser regiones seleccionadas de capas de polvo metálico en un área diana. El sistema incluye dispositivos para precalentar y mantener una temperatura relativamente elevada, por ejemplo 400°C, del polvo metálico, para unir junto el polvo metálico con láser de potencia relativamente baja, por ejemplo un láser de CO2 de 200 W. El polvo metálico se precalienta en un cilindro dispensador o el área diana mediante conducción térmica, y/o también se calienta mediante una placa de calentamiento situada por encima de la plataforma mediante radiación.

En el documento de Osaka et al.: Flexible manufacturing of metallic producís by selective láser melting of powder", International Journal of Machine Tool Design and Research, Pergamon Press, Oxford, GB, vol. 46, n° 11, 1 de septiembre de 2006, páginas 1188-1193, se describe un procedimiento de fusión selectiva por láser usando un láser pulsado con una potencia promedio de 50 W, una velocidad de barrido de 4-8 mm/s, un diámetro de foco de 0,75 mm y un espacio de trama de 0,75 mm para una aleación a base de níquel con la siguiente composición química: 83% de Ni, 9,4% de Cr, 1,8% de B, 2,8% de Si, 2,0% de Fe y 0,4% de C. Tal material es un buen candidato para el procedimiento de SLM. Esto también es cierto para el material (Inconel 625) descrito por Yadroitsev et al.: "Manufacturing of fine-structured 3D porous filter elements by selective láser melting" Applied Surface Science, Elsevier, Ámsterdam, NL, vol. 255, n° 10, 1 de marzo de 2009, páginas 5523-5527. Tal material con un contenido muy limitado de Al y Ti tiene una buena capacidad de soldadura.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Es un objeto de la presente invención proporcionar un procedimiento para la producción de artículos tridimensionales densos y libres de grietas hechos de una superaleación a base de níquel reforzada por precipitación gamma-prima mediante fusión selectiva por láser (SLM).

Este objeto se logra mediante un procedimiento según la reivindicación 1.

Según la invención, un procedimiento para la producción de artículos tridimensionales densos y libres de grietas hechos de una superaleación a base de níquel reforzada por precipitación gamma-prima, que comprende más de 6% en peso de [dos veces una concentración de Al (% en peso) + una concentración de Ti (% en peso)], mediante fusión selectiva por láser (SLM), comprende las etapas de:

a) proporcionar un aparato de SLM con una unidad de control de SLM;

b) proporcionar un modelo tridimensional cortado en rebanadas de dicho artículo con secciones transversales calculadas, que se hace pasar a y se almacena... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para la producción de artículos tridimensionales densos y libres de grietas hechos de una superaleación a base de níquel reforzada por precipitación gamma-prima, que comprende más de 6% en peso de [2 veces una concentración de Al (% en peso) + Ti (% en peso)], mediante fusión selectiva por láser (SLM), que comprende las etapas de:

a) proporcionar un aparato (10) de SLM con una unidad (19) de control de SLM;

b) proporcionar un modelo tridimensional cortado en rebanadas (SM) de dicho artículo con secciones transversales calculadas, que se hace pasar a y se almacena en dicha unidad (19) de control de SLM;

c) preparar polvo de dicho material de aleación a base de níquel reforzada por precipitación gamma-prima, que se necesita para dicho procedimiento de SLM;

d) preparar una capa (18) de polvo con un grosor regular y uniforme sobre una placa (13) de sustrato de dicho aparato (10) de SLM, o sobre una capa de polvo procesada previamente (14);

e) fundir dicha capa de polvo preparada (18) barriendo con un haz de láser enfocado (17) un área que corresponde a una sección transversal de dicho artículo según el modelo tridimensional cortado en rebanadas (SM) almacenado en dicha unidad (19) de control;

f) rebajar la placa (13) de sustrato en un grosor de una capa;

g) repetir las etapas d) a f) hasta alcanzar la última sección transversal según el modelo tridimensional cortado en rebanadas (SM);

en el que para dicha etapa e) de fusión, la potencia del láser, el diámetro (d) del foco del punto focal (20) y la velocidad de barrido de dicho haz de láser enfocado (17) se ajustan para obtener una relación de aspecto del cordón de soldadura (21) de profundidad (h) a anchura (w) más pequeña que 0,5, preferiblemente entre 0,3 y 0,1, aplicando los siguientes parámetros

Potencia del láser: Velocidad de barrido: Distancia de trama: Diámetro del foco:

50-150 W 80-700 mm/s 0,01-0,5 mm 0,1-0,5 mm

y en el que dicho ajuste de dicho diámetro (d) del foco se realiza usando una unidad (16) de enfoque y desplazamiento del láser específica, o desplazando dicha placa (13) de sustrato con una unidad (12) de desplazamiento de placa de sustrato.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que para dicha etapa e) de fusión se usa una fuente (15) de láser en modo pulsado, y la frecuencia de pulso se ajusta para obtener soldadura por disipación de calor.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por que la distribución de tamaños de partículas del polvo se ajusta con respecto al grosor de la capa (18) de polvo, de manera que conduce a una buena capacidad de fluidez y una densidad aparente >60% necesarias para preparar capas de polvo con un grosor regular y uniforme y para reducir los efectos de la contracción.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado por que la distribución exacta de tamaños de partículas se obtiene tamizando y/o aventando (separación por aire).

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1-4, caracterizado por que el polvo se obtiene mediante procedimiento de atomización por gas o de electrodo giratorio fundido por plasma.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque dicha superaleación a base de níquel reforzada por precipitación gamma-prima consiste en

3,2 - 4,2% en peso de Al

2.8 - 3,8% en peso de Ti

14,5 -17% en peso de Cr

7.8 - 9,0% en peso de Co

1,2-1,9% en peso de Mo

2,1 - 3,5% en peso de W

I, 0-2,0% en peso de Ta 0,5 -1,5% en peso de Nb <0,15 % en peso de C

<0,02% en peso de B

siendo el resto Ni e impurezas inevitables.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque dichas etapas d) a g) se realizan en una atmósfera de gas protector.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado por que dicha atmósfera de gas protector comprende 10 nitrógeno o argón, u otro gas adecuado para establecer una atmósfera reductora.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1-8, caracterizado por que dicha placa (13) de sustrato se enfría para eliminar calor del procedimiento y reducir de ese modo el tiempo requerido para la solidificación del cordón (21) de soldadura.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1-9, caracterizado por que, antes de dicha etapa e) de fusión, 15 se lleva a cabo una etapa de prefusión para fundir o presinterizar junto de forma no compacta el polvo de dicha capa

(18) de polvo, y dicha etapa e) de fusión densificará después la capa (18) de polvo para obtener un articulo tridimensional denso.

II. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1-9, caracterizado por que se aplica un post-tratamiento térmico a dicho artículo para optimizar adicionalmente la microestructura después de que se construye el artículo

tridimensional.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque dicho tratamiento térmico es prensado isostático en caliente (HIP).