CN101374629A - 用于加工孔的方法 - Google Patents

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Abstract

以往的用于在部件中加工孔的方法十分耗费时间且成本昂贵，因为要使用具有短的激光脉冲长度的特殊的激光器。按本发明的方法改变激光脉冲长度，其中短的激光脉冲长度仅仅在有待去除的区域中使用，在该区域中对穿流或者说流出性能的影响是显著的，并且使用较长的大于0.4ms的脉冲长度。这比如是孔(7)的扩散器(13)的内表面(12)，该孔可以用短的激光脉冲长度非常精确地制造。

Description

用于加工孔的方法
技术领域
本发明涉及一种按权利要求1所述的用于加工孔的方法，在该方法中借助于脉动的能量束在部件中加工孔。
背景技术
在许多部件上尤其在铸件上，以后必须产生象凹处或通孔一样的剥蚀。尤其在为冷却而具有薄膜冷却孔的涡轮机部件上，以后在制造所述部件之后加入孔。
这样的涡轮机部件经常也具有层，比如金属层或者中间层和/或陶瓷的外部层。所述薄膜冷却孔而后必须穿过所述层和基片(铸件)来产生。
US-PS 6,172,331以及US-PS 6,054,673公开了一种用于在层系统中加入孔的激光钻孔方法，其中使用超短的激光脉冲长度。从确定的激光脉冲长度范围中选出一个唯一的激光脉冲长度并且由此产生整个孔。
DE 100 63 309 A1公开了一种用于借助于激光器来加工冷却空气孔的方法，在该方法中如此调节激光器参数，从而通过升华来剥蚀材料。
US-PS 5,939,010公开了两种作为替代方案的、用于产生大量的孔的方法。在所述方法中的一种方法中(US-PS的图1、2)，在产生下一个孔之前首先完整地加工孔。在第二种方法中，逐步产生这些孔，具体方法是首先产生第一孔的第一部分区域，而后产生第二孔的第一部分区域等(US-PS的图10)。在此在所述两种方法中可以使用不同的脉冲长度，但在这两种方法中任一种方法内总是使用相同的脉冲长度。所述两种方法无法彼此结合。有待剥蚀的区域的横截面面积总是相应于有待加工的孔的横截面。
US-PS 5,073,687公开了用于在部件中加工孔的激光器的应用，所述部件由具有双面的铜层的基片构成。在此，首先借助于较长的脉冲持续时间穿过铜膜来加工孔并且而后借助于较短的脉冲在由树脂制成的基片中加工孔，其中随后用所述激光器的较高的输出功率穿过铜层在背面加工孔。所剥蚀的区域的横截面面积相应于所加工的孔的横截面。
US-PS 6,479,788B1公开了一种用于加工孔的方法，在该方法中在第一步骤中比在另一个步骤中使用更长的脉冲长度。在这里改变脉冲持续时间，用于在孔中加工出尽可能好的矩形形状。在此也在脉冲长度减小的情况下扩大脉冲束的横截面面积。
超短的激光脉冲的使用由于其很小的平均功率是非常耗费时间的，并且因此十分昂贵。
发明内容
因此，本发明的任务是解决这个问题。
该任务通过一种按权利要求1所述的方法得到解决，在该方法中使用不同的脉冲长度并且对于较长的脉冲长度来说使用大于0.4ms的脉冲长度。
尤其有利的是，仅仅在第一剥蚀步骤中任一个剥蚀步骤中使用较短的脉冲，用于在分界面的外面的上面区域中产生最佳的性能，因为这些性能对介质从所述孔中流出的流出性能以及对介质围绕着这个孔的绕流性能来说具有决定作用。
在所述孔的内部，所述分界面的性能不太重要，从而可以在那里使用较长的、可能引起不均匀的分界面的脉冲。
在所述方法的从属权利要求中，列出所述方法和所述设备的其它有利的措施。
在从属权利要求中列出的措施可以以有利的方式方法彼此进行组合。
附图说明
下面借助于附图对本发明进行详细解释。其中:
图1是在基片中的孔，
图2是在层系统中的孔，
图3是有待加工的通孔的俯视图，
图4-11是按本发明的方法的剥蚀步骤，
图12-15是用于实施所述方法的全套设备，
图16是燃气涡轮机，
图17是涡轮叶片，并且
图18是燃烧室。
具体实施方式
具有孔的部件的说明
图1示出了具有孔7的部件1。
所述部件1由基片4构成(比如铸件或者DS或者说SX部件)。
所述基片4可以是金属的和/或陶瓷的。尤其在涡轮机部件中，比如在蒸汽涡轮机或燃气涡轮机100(图16)的或者也可以飞机涡轮机的涡轮动叶片120或者涡轮导向叶片130(图16、17)、挡热板元件155(图18)以及其它的外壳部件上，所述基片4由一种镍基、钴基或铁基的超级合金制成。在用于飞机的涡轮叶片上，所述基片4比如由钛或钛基合金制成。
所述基片4具有孔7，该孔7优选是通孔。但它也可以是盲孔。所述孔7包括一个下面的区域10和一个上面的区域13，所述下面的区域10从所述部件1的内侧出发，并且优选是对称的(比如圆形的、椭圆形的或矩形的)，并且所述上面的区域13必要时作为扩散器13构造在所述基片4的外面的表面14上。所述扩散器13相对于所述孔7的下面的区域10是所述横截面的加宽部。
所述孔7比如是薄膜冷却孔。尤其所述扩散器13的处于里面的表面12也就是在所述孔7的上面的区域中的表面应该是光滑的，用于能够使介质尤其是冷却介质最佳地从所述孔7中流出，因为不平坦会产生不期望的涡流、转向。对在所述孔7的下面的区域10中的孔表面的质量提出明显较低的要求，因为入流特性由此仅仅受较小的影响。
图2示出了构造为层系统的部件1。
在所述基片4上存在着至少一个层16。这可以比如是MCrAlX类型的金属合金，其中M代表着铁、钴或镍元素组中的至少一种元素。X代表钇和/或稀土中的至少一种元素。
所述层16也可以是陶瓷的。
优选所述部件1是一种层系统，在该层系统上，在所述MCrAlX层16’上还存在另一个层16”，比如作为绝热层的陶瓷层。
所述绝热层16”比如是完全或者部分稳定的氧化锆层，尤其是EB-PVD-层或者等离子喷镀层(APS、LPPS、VPS)、HVOF或CGS(冷气喷涂)层。
在这个层系统1中，同样加入具有下面的区域10和扩散器13的孔7。
以下用于加工孔7的实施方式适用于带有及不带层16或层16’、16”的基片4。
图3示出了孔7的俯视图。
所述下面的区域10可以通过切削加工方法来制成。相反，这种切削加工方法对于扩散器13不能实现或者只有用很大的开销才能实现。
所述孔7也可以关于所述部件1的表面14以一个锐角延伸。
方法
图4、5和6示出了按本发明的方法的剥蚀步骤。
按本发明，在该方法过程中使用具有不同的脉冲长度的能量束22。
所述能量束可以是电子束、激光束或高压水束。下面仅仅示范性地对激光器的使用进行详细解释。
尤其在第一剥蚀步骤中任一个剥蚀步骤中，使用优选小于等于500ns的、尤其小于等于100ns的较短的脉冲长度(tpuls<<)。也可以使用处于微微秒或者毫微微秒范围内的脉冲长度。
在使用小于等于500ns(纳秒)的、尤其小于等于100ns的较短的脉冲长度时，在分界面的区域中几乎没有发生熔化。由此在所述扩散器13的内表面12上没有形成任何裂纹并且由此可以产生精确而平坦的几何形状。较短的脉冲长度全部在时间上短于较长的脉冲长度。
在所述第一剥蚀步骤中任一个剥蚀步骤中，在所述部件1中产生所述孔7的第一部分区域。这个第一部分区域可以比如至少部分或者完全相应于所述扩散器13(图6、9)。所述扩散器13绝大部分布置在陶瓷层中。尤其为产生整个扩散器13使用较短的脉冲长度。尤其为产生扩散器13使用恒定的较短的脉冲长度。用于加工所述扩散器13的时间在所述方法中比如相应于所述第一剥蚀步骤。
在产生所述扩散器13时，激光器19、19’、19”如在图5中示出的一样以其激光束22、22’、22”优选在一个侧面的平面43中来回移动。所述扩散器13沿移动线条9比如蛇曲形地被驶过，用于在这里剥蚀平面中的材料(图4到图6的步骤)。
如果到达金属的中间层16’或者所述基片4，则优选但并非必须使用大于0.4ms的、特别大于0.5ms的、并且尤其直至10ms的较长的激光脉冲长度(tpuls>)，用于如在图1或2中示出的一样产生所述孔的其余的下面的区域10。所述扩散器13至少绝大部分处于陶瓷层16”中，但也可以延伸到金属的中间层16’中和/或延伸到金属的基片4中，从而也还可以部分地用较短的脉冲长度剥蚀金属材料。
尤其为产生所述孔7的下面的区域10，绝大部分或完全使用较长的、尤其在时间上恒定的脉冲长度。用于加工所述下面的区域10的时间在所述方法中相当于最后的剥蚀步骤。
在使用较长的激光脉冲时，所述激光器19、19’、19”中的至少一个激光器以其激光束22、22’、22”比如不是在平面43中来回移动。因为能量由于热传导而分布在所述层16或基片4的材料中并且通过每个激光脉冲补充新的能量，所以通过材料蒸发以如下方式大面积地剥蚀材料，使得被剥蚀材料的面积大致相应于有待加工的通孔7、10的横截面面积A。这个横截面面积可以通过能量功率和脉冲持续时间以及所述激光束22的导向(与表面14水平间隔开的焦点的位置)来调节。
一个唯一的激光器19或者多个激光器19’、19”的激光脉冲长度可以比如连续地变化，比如从所述方法的开始到结束连续地变化。所述方法以在外面的表面14上的材料剥蚀为开始，并且在达到所述孔7的所期望的深度时结束。
所述材料比如层状地在平面11中(图6)并且沿轴向方向15向前推进地被剥蚀。
同样，也可以不连续地改变脉冲长度。优选在所述方法过程中仅仅使用两种不同的脉冲长度。在使用较短的脉冲长度时(比如小于等于500ms)移动所述至少一个激光器19、19’，并且在使用较长的脉冲长度时(比如0.4ms)比如不移动所述至少一个激光器19、19’，因为通过热传导本来就在比所述激光束的横截面更大的表面上进行能量输入。
在加工过程中，用粉末层尤其用按EP 1 510 593 A1的掩模来保护所述表面的其余部分。所述粉末(BN、ZrO2)以及按EP 1 510 593 A1的粒度分布是这个用于掩模的使用的公开文献的一部分。
如果对金属的基片或者具有金属层而还没有陶瓷层的基片进行加工，那么这一点特别有意义。
激光器参数
在使用具有确定的脉冲长度的脉冲时，所述激光器19、19’、19”的输出功率比如是恒定的。
在使用较长的脉冲长度时，使用所述激光器19、19’、19”的数百瓦特尤其500瓦特的输出功率。
在使用较短的脉冲长度时，使用所述激光器19、19’的小于300瓦特的输出功率。
具有532nm的波长的激光器19、19’比如仅仅用于产生较短的激光脉冲。
在使用较长的激光脉冲长度时，尤其使用大于0.4ms的、尤其直至1.2ms的激光脉冲持续时间以及6J到21J的、尤其大于10J的激光脉冲能量(焦耳)，其中优选使用10kW到50kW的、尤其20kW的功率(千瓦)。
较短的脉冲长度具有处于一位数或两位数的毫焦耳(mJ)范围内的、优选处于一位数的毫焦耳范围内的能量，其中所使用的功率尤其多数处于一位数的千瓦范围内。
激光器的数目
在所述方法中，使用一个激光器19或者说两个或更多个激光器19’、19”，它们同时或先后使用。类似的或者不同的激光器19、19’、19”在其激光脉冲长度方面比如具有不同的范围。因此，比如第一激光器19’产生小于等于500ns的、尤其小于100ns的激光脉冲长度，并且第二激光器19”产生大于100ns的、尤其大于500ns的激光脉冲长度。
为加工孔7，首先使用第一激光器19’。而后为进一步进行加工使用第二激光器19”或相反。
在加工通孔7时，也可以仅仅使用一个激光器19。尤其使用具有比如1064nm的波长的并且不仅可以产生较长的激光脉冲而且可以产生较短的激光脉冲的激光器19。
有待加工的孔区域的次序
图7示出了孔7的横截面。
在这里，首先用大于100ns的、尤其大于500ns的激光脉冲长度进行粗加工，并且用小于等于500ns的、尤其小于等于100ns的激光脉冲长度进行精加工。
完全用具有大于100ns的、尤其大于等于500ns的激光脉冲长度的激光器19对所述孔7的下面的区域10进行加工并且绝大部分用具有大于100ns的、尤其大于等于500ns的激光脉冲长度的激光器19仅仅对所述扩散器13的区域进行加工(第一剥蚀步骤)。
为制成所述孔7或者说扩散器13，仅仅必须借助于具有小于等于500ns的、尤其小于100ns的激光脉冲长度的激光器19、19’、19”对处于所述扩散器13的区域中的薄的外面的边缘区域28进行加工(最后的剥蚀步骤)。
在此优选移动所述激光束22、22’、22”。
图8示出了所述部件1的孔7的俯视图。不同的激光器19、19’、19”或者说这些激光器19、19’、19”的不同的激光脉冲长度在不同的剥蚀步骤中使用。
首先比如用大的激光脉冲长度(大于100ns，尤其大于500ns)进行粗加工。由此产生了所述孔7的最大部分。这个内部的区域用附图标记25来表示。还仅仅必须去除所述孔7或者说扩散器13的外部的边缘区域28，用于达到所述孔7的最终尺寸。在这过程中所述激光束22、22’在所述表面14的平面中移动。
只有在借助于激光器19、19’用较短的激光脉冲长度(小于等于500ns，尤其小于100ns)对所述外面的边缘区域28进行加工之后，所述孔7或者说扩散器13才制作完成。
所述扩散器13的轮廓29因此用较短的激光脉冲加工，由此更加精细地和更加精确地剥蚀所述外面的边缘区域28，并且因此没有裂纹和熔化。
所述材料比如在平面11中(垂直于轴向方向15)被剥蚀。
同样，在使用较长的脉冲长度时，有待剥蚀的区域的横截面A在加工孔7时朝所述基片4的深处不断变小直到A’，使得所述外面的边缘区域28相对于图7缩小(图9)。这通过能量及脉冲持续时间的调节实现。
在加工所述孔7时的一种替代方案在于，首先用较短的激光脉冲长度(小于等于500ns)产生所述外面的边缘区域28直到一个沿所述轴向方向15的深度，该深度部分或完全相应于所述孔17的扩散器13沿这个方向15的伸长(图10，里面的区域25以虚线示出)。
在此，所述激光束22、22’在第一剥蚀步骤中在所述表面14的平面中移动。由此在所述扩散器13的分界面的区域中几乎没有产生熔化，并且在那里没有形成裂纹，并且就这样可以产生精确的几何形状。
而后才用较长的激光脉冲长度(大于100ns，尤其大于500ns)来剥蚀所述里面的区域25(最后的剥蚀步骤)。
所述方法可以应用在新加工的首先浇铸的部件1上。
同样所述方法可以应用在有待再加工的部件1上。
再加工(整修(Refurbishment))意味着，已使用过的部件1比如从所述层上分开并且在修理之后比如填补裂纹并且在去除氧化产物及腐蚀产物之后再度重新涂覆。
这里，用激光器19、19’比如去除杂质或者重新施加的(图11)和到达所述孔7中的涂覆材料。或者在整修时重新涂覆之后重新在层区域中加工特殊的造型(扩散器)。
再加工
图11示出了孔7的精整(整修)，其中在用层16的材料给所述基片4涂覆时材料就进入已经存在的孔7中。
比如可以用具有大于100ns的、尤其大于500ns的激光脉冲长度的激光器对在所述孔7的区域10中处于更深处的区域进行加工。这些区域用25来表示。
用具有小于等于500ns的、尤其小于100ns的激光脉冲长度的激光器19’对比如在所述扩散器13的区域中的重要的边缘区域28进行加工，在所述扩散器13的区域中存在脏物。
设备
图12到15示出了示范性的设备40，用于尤其实施按本发明的方法。所述设备40包括至少一个光学器件35、35’，尤其是至少一个透镜35、35’，所述光学器件35、35’将至少一个激光束22、22’、22”引导到所述基片4上，用于产生所述孔7。
存在一个、两个或更多个激光器19、19’、19”。所述激光束22、22’、22”可以通过反射镜31、33导向所述光学器件35、35’。
所述反射镜31、33可以移动或旋转，使得比如每次仅仅一个激光器19’、19”可以将其激光束22’或22”通过反射镜31或者33及透镜35发送到所述部件1上。
所述部件1、120、130、155或者光学器件35、35’或者所述反射镜31、33可以沿方向43移动，使得所述激光束22、22’比如按照图5在部件1上方移动。
所述激光器19、19’、19”可以比如具有1064nm或者532nm的波长。所述激光器19’、19”可以具有不同的波长:1064nm和532nm。在脉冲长度方面，比如所述激光器19’可以调节到0.1-5ms的脉冲长度上；相反所述激光器19’则可以调节到50-500ns的脉冲长度上。
通过所述反射镜31、33的移动(图12、13、14)，相应地所述激光器19’、19”的具有这样的激光脉冲长度的射束可以通过所述光学器件35输入到所述部件1上，在此需要这样的激光脉冲长度用于比如加工所述外面的边缘区域28或内部区域25。
图12示出了两个激光器19’、19”、两个反射镜31、33以及一个透镜形式的光学器件35。
如果比如首先加工按图6的外面的边缘区域28，那就接入具有较短的激光脉冲长度的第一激光器19’。
如果而后加工所述里面的区域25，那就通过所述反射镜31的运动来脱开所述第一激光器19’并且通过所述反射镜33的运动来接入具有更长的激光脉冲长度的第二激光器19”。
图13示出了类似于图12的设备，但是这里有两个光学器件，这里比如是两个透镜35、35’，所述透镜35、35’允许所述激光器19’、19”的激光束22’、22”被同时引导到所述部件1、120、130、155的不同区域15、28上。
如果比如产生外面的边缘区域28，所述激光束22’可以被引导到这个外壳状的区域28的第一位置上并且引导到关于所述第一位置径向对置的第二位置上，从而显著缩短加工时间。
可以将所述光学器件35用于所述第一激光束22’并且将第二光学器件35’用于所述第二激光束22”。
按照这个设备40，所述激光器19’、19”可以先后或者同时用相同的或者不同的激光脉冲长度加以使用。
在图14中不存在透镜形式的光学器件，而仅仅存在反射镜31、33，所述反射镜31、33将所述激光束22’、22”引导到所述部件1上并且通过运动使至少激光束22’、22”在平面中在该部件上方移动。
所述激光器19’、19”在这里同样可以同时使用。
按照这个设备40，所述激光器19’、19”可以先后或者同时用相同的或不同的激光脉冲长度加以使用。
图15示出了仅仅具有一个激光器19的设备40，其中激光束22比如通过反射镜31引导到部件1上。
在这里也不需要比如透镜形式的光学器件。所述激光束22比如通过所述反射镜31的运动在所述部件1的表面上方移动。这在使用较短的激光脉冲长度时是有必要的。在使用较长的激光脉冲长度时，所述激光束22没有必要移动，因而所述反射镜31没有象在移动阶段中一样进行移动。
不过，也可以在按图15的设备中使用一个透镜或者两个透镜35、35’，用于将激光束同时引导到所述部件1、120、130、155的不同区域25、28上。
部件
图16示范性地示出了燃气涡轮机100的纵向部分剖视图。
所述燃气涡轮机100在内部具有围绕着旋转轴线102旋转支承的、具有轴101的转子103，该转子103也称为涡轮转子。沿所述转子103先后布置吸进壳体104、压缩机105、比如环面形的燃烧室110尤其具有多个同轴布置的燃烧器107的环形燃烧室、涡轮机108以及排气室109。
所述环形燃烧室110与比如环形的热气通道111相通。在那里比如四个先后连接的涡轮级112形成所述涡轮机108。
每个涡轮级112比如由两个叶片环构成。沿工作介质113的流动方向看，在所述热气通道111中，由动叶片120构成的动叶片组125跟随着导向叶片组115。
所述导向叶片130在这里固定在定子143的内缸138上，与此相反，动叶片组125的动叶片120比如借助于涡轮叶轮盘133安装在转子103上。
在所述转子103上连接了发电机或作功机械(未示出)。
在所述燃气涡轮机100的工作过程中，由所述压缩机105通过所述吸进壳体104吸入空气135并对其进行压缩。在所述压缩机105的涡轮机侧的端部上提供的经压缩的空气导送给所述燃烧器107并且在那里与烧灼剂相混合。所述混合物而后在形成所述工作介质113的情况下在燃烧室110中燃烧。所述工作介质113从那里沿所述热气通道111从所述导向叶片130及动叶片120旁边流过。在所述动叶片120上，工作介质113在传递脉冲的情况下膨胀，使得所述动叶片120驱动所述转子103并且该转子103又驱动连接到其上面的作功机械。
暴露在热的工作介质113下的部件在所述燃气涡轮机100的工作过程中经受热负荷。沿工作介质113的流动方向看去的第一涡轮级112的导向叶片130和动叶片120除了给所述环形燃烧室110加衬的挡热板元件之外经受最大的热负荷。
为了经受得住那里存在的温度，可以借助于冷却剂对所述导向叶片130和动叶片120进行冷却。
同样所述部件的基片具有一种定向的结构，也就是说它们是单晶的(SX结构)或者具有仅仅纵向定向的晶粒(DS结构)。作为用于所述部件的材料尤其用于所述涡轮叶片120、130的材料及所述燃烧室110的部件的材料，比如使用铁基、镍基或钴基的超级合金。
这样的超级合金比如从EP 1 204 776 B1、EP 1 306 454、EP 1 319729 A1、WO 99/67435或者WO 00/44949中得到公开；这些文献在所述合金的化学成分方面是本公开文献的一部分。
所述导向叶片130具有朝向所述涡轮机108的内缸138的导向叶片叶根(这里未示出)以及与所述导向叶片叶根对置的导向叶片头部。所述导向叶片头部朝向所述转子103并且固定在所述定子143的紧固环140上。
图17示出了流体机械的动叶片120或导向叶片130的透视图，所述动叶片120或导向叶片130沿纵轴线121延伸。
所述流体机械可以是飞机或者用于发电的发电厂的燃气涡轮机、蒸汽涡轮机或者压缩机。
所述叶片120、130沿所述纵轴线121先后相随地具有紧固区域400、与该紧固区域400邻接的叶片平台403以及叶身406和叶片顶部415。
作为导向叶片130，所述叶片130在其叶片顶部415上具有另一个平台(未示出)。
在所述紧固区域400中形成叶根183，该叶根183用于将所述动叶片120、130固定在轴或者盘上(未示出)。
所述叶根183比如构造为T形头。也可以考虑其它构造为圣诞树叶根或燕尾叶根的设计方案。
所述叶片120、130对于从所述叶身406旁边流过的介质具有进汽边409和出汽边412。
在传统的叶片120、130上，在所述叶片120、130的所有区域400、403、406中比如使用实心的金属材料，尤其是超级合金。
这样的超级合金比如从EP 1 204 776 B1、EP 1 306 454、EP 1 319729 A1、WO 99/67435或者WO 00/44949中得到公开；这些文献在所述合金的化学成分方面是本公开文献的一部分。
所述叶片120、130在此可以通过铸造法也借助于定向的凝固、通过锻造法、通过铣削法或者这些方法的组合来制造。
将具有单晶结构的工件用作用于在运行中经受很高的机械负荷、热负荷和/或化学负荷的机器的部件。
所述的单晶的工件的制造比如通过熔液的定向凝固来进行。在这种情况下涉及铸造法，在所述铸造法中液态的金属的合金定向凝固成单晶的结构也就是说定向凝固成单晶的工件。
在此树枝状的晶体沿热流定向，并且要么形成杆状晶体的晶粒结构(柱状，也就是说晶粒在工件的整个长度上延伸并且这里根据一般的语言惯用法称为定向凝固)要么形成一种单晶的结构，也就是说整个工件由一个唯一的晶体构成。在这些方法中必须避免到鲕状的(globutilisch)(多晶的)凝固的转变，因为通过非定向的增长必定形成横向的和纵向的晶界，这样的晶界使所述定向凝固的或者单晶的部件的优良性能丧失殆尽。
如果通常谈及定向凝固的组织，那么以此不仅是指不具有任何晶界或至多具有γ角晶界的单晶体，而且指也许具有沿纵向方向延伸的晶界但不具有横向的晶界的杆状晶体结构。这些第二个提到的晶体结构也称为定向凝固的组织(directionally solidified stuctures)。
这样的方法从US-PS 6,024,792及EP 0 892 090 A1中得到公开；这些文献在凝固方法方面是本公开文献的一部分。
同样，所述叶片120、130具有防止腐蚀或氧化的涂层，比如(MCrAlX；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)这样的元素组中的至少一种元素，X是一种活性元素，并且代表钇(Y)和/或硅和/或稀土中的至少一种元素或者说铪(Hf)。这样的合金从EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1或者EP 1 306 454 A1中得到公开，这些文献在所述合金的化学成分方面应该是本公开文献的一部分。密度优选为理论密度的95％。
在所述MCrAlX层(作为中间层或者作为最外面的层)上，形成起保护作用的氧化铝层(TGO＝thermal grown oxid layer(热氧化层))。
在所述MCrAlX上还可以存在一个绝热层，该绝热层优选是最外面的层，并且比如由ZrO2、Y2O3-ZrO2制成，也就是说它不是部分地或完全通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁来稳定。
所述绝热层覆盖着整个MCrAlX-层。通过合适的涂覆方法比如电子束物理气相沉积(EB-PVD)，在所述绝热层中产生杆状晶粒。
可以设想其它的涂覆方法，比如大气等离子喷涂(APS)、LPPS(低压等离子喷涂)、VPS(真空等离子喷涂)或者CVD(化学气相沉积)。所述绝热层可以具有多孔的、带有微观裂纹或宏观裂纹的晶粒，用于产生更好的耐温度突变的稳定性。所述绝热层因此优选比所述MCrAlX层更具多孔性。
所述叶片120、130可以构造为空心的或实心的。如果要对所述叶片120、130进行冷却，那么它是空心的并且可能还具有用按本发明的方法制成的薄膜冷却孔418(用虚线示出)。
图18示出了燃气涡轮机100的燃烧室110。该燃烧室110比如构造为所谓的环形燃烧室，在该环形燃烧室中大量的沿周向围绕着旋转轴线102布置的燃烧器107汇入一个共同的燃烧室空间154中，所述燃烧器107产生火焰156。为此，所述燃烧室110在总体上构造为环形的结构，该环形的结构定位在旋转轴线102的周围。
为获得较高的效率，所述燃烧室110为所述工作介质M的较高的大约1000℃到1600℃的温度而设计。为了在这些对材料来说不利的工作参数上也能够实现较长的运行持续时间，燃烧室壁体153在其朝向工作介质M的一侧设有由挡热板元件155构成的内衬。
此外由于在燃烧室110内部的高温，可以为所述挡热板元件155或者说为其保持元件设置冷却系统。这样所述挡热板元件155比如是空心的并且可能还具有汇入所述燃烧室空间154中的、用按本发明的方法制成的冷却孔(未示出)。
每个由合金制成的挡热板元件155在工作介质侧设有特别耐热的保护层(MCrAlX层和/或陶瓷层)，或者由耐高温的材料(实心的陶瓷石)制成。
这些保护层可以类似于涡轮叶片，因而比如意味着MCrAlX:M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)这样的元素组的至少一种元素，X是活性元素，并且代表钇(Y)和/或硅和/或稀土中的至少一种元素或者说铪(Hf)。这样的合金从EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0412 397 B1或者EP 1 306 454 A1中得到公开，这些文献在所述合金的化学成分方面是本公开文献的一部分。
在MCrAlX上还可以存在比如陶瓷的绝热层，并且该绝热层比如由ZrO2、Y2O3-ZrO2制成，也就是说它不是部分地或完全通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁来稳定。
通过合适的涂覆方法如电子束物理气相沉积(EB-PVD)在所述绝热层中产生杆状的晶粒。
可以设想其它的涂覆方法，比如大气等离子喷涂(APS)、LPPS、VPS或者CVD。所述绝热层可以具有多孔的、带有微观裂纹或宏观裂纹的晶粒，用于产生更好的耐温度突变的稳定性。
再加工(整修)意味着，所述涡轮叶片120、130、挡热板元件155在其使用之后必要时必须去除保护层(比如通过喷丸处理)。然后去除腐蚀层和/或氧化层或者说腐蚀产物和/或氧化产物。必要时也还要对在涡轮叶片120、130或者挡热板元件155中的裂纹进行修补。而后对所述涡轮叶片120、130、挡热板元件155进行再涂覆并且重新使用涡轮叶片120、130或者挡热板元件155。

Claims (42)

1.用于借助于至少一个脉动的能量束(22、22’、22”)尤其借助于至少一个激光器(19、19’、19”)的至少一个脉动的激光束(22、22’、22”)在层系统(1、120、130、155)中加工孔(7)的方法，其中所述层系统(1、120、130、155)具有至少一个金属的基片(4)和最外面的陶瓷层(16”)，所述能量束(22、22’、22”)具有一种脉冲长度，其中所述方法分大量剥蚀步骤来实施，其中使用较短的脉冲长度和较长的脉冲长度，其中在第一剥蚀步骤中任一个剥蚀步骤中使用与在最后的剥蚀步骤中任一个剥蚀步骤中不同的脉冲长度，并且其中所述较长的脉冲长度具有大于0.4ms的脉冲长度。
2.按权利要求1所述的方法，
其中，在所述具有较短的脉冲长度的剥蚀步骤中，所述至少一个能量束(22、22’、22”)在所述部件(1、120、130、155)的表面的上方移动，用于剥蚀在有待加工的孔(7)的平面的区域中的材料。
3.按权利要求1或2所述的方法，
其中，在所述第一剥蚀步骤中使用比在所述最后的剥蚀步骤中任一个剥蚀步骤中更长的脉冲长度。
4.按权利要求1或2所述的方法，
其中，在所述第一剥蚀步骤中使用比在所述最后的剥蚀步骤中任一个剥蚀步骤中更短的脉冲长度。
5.按权利要求1、2或3所述的方法，
其中，使用较长的脉冲长度，用于剥蚀金属的中间层(16’)或所述金属的基片(4)。
6.按权利要求1、2、3、4或5所述的方法，
其中，所述脉冲长度在用于产生所述孔(7)的方法的进展过程中连续地变化。
7.按权利要求1、2、3、4或5所述的方法，
其中，所述脉冲长度在用于产生所述孔(7)的方法的进展过程中不连续地变化。
8.按权利要求1、3、5、6或7所述的方法，
其中，使用恒定的较长的脉冲长度。
9.按权利要求1、2、4、6、7或8所述的方法，
其中，使用恒定的较短的脉冲长度。
10.按权利要求1、7、8或9所述的方法，
其中，仅仅使用两种不同的脉冲长度。
11.按权利要求1、3、5、6或7所述的方法，
其中，在较长的脉冲持续时间中，所述至少一个能量束(22、22’、22”)没有在所述部件(1、120、130、155)的表面的上方移动。
12.按权利要求1所述的方法，
其中，仅仅使用一个尤其具有特别是1064nm的波长的激光器(19)。
13.按权利要求1所述的方法，
其中，使用两个或更多个激光器(19’、19”)用于产生所述孔(7)。
14.按权利要求13所述的方法，
其中，为所述激光器(19’、19”)使用相同的尤其1064nm或532nm的波长。
15.按权利要求13所述的方法，
其中，为所述激光器(19’、19”)使用不同的尤其1064nm及532nm的波长。
16.按权利要求13、14或15所述的方法，
其中，设置所述激光器(19’、19”)用于产生相同的脉冲长度区域。
17.按权利要求13、14或15所述的方法，
其中，设置所述激光器(19’、19”)用于产生不同的脉冲长度区域。
18.按权利要求13到17中任一项所述的方法，
其中，同时使用所述激光器(19’、19”)。
19.按权利要求13到17中任一项所述的方法，
其中，在时间上看先后使用所述激光器(19’、19”)。
20.按权利要求1、2、3或9所述的方法，
其中，在所述最后的剥蚀步骤中使用小于等于500ns的、尤其小于等于100ns的较短的脉冲长度。
21.按权利要求1、2、4或9所述的方法，
其中，在所述第一剥蚀步骤中使用小于等于500ns的、尤其小于等于100ns的较短的脉冲长度。
22.按权利要求1、2、4到11或21所述的方法，
其中，首先用较短的脉冲长度产生所述孔(7)的外面的上面区域(13)，并且而后用较长的脉冲长度产生所述孔(7)的下面的区域(10)。
23.按权利要求1、2、4到11或21所述的方法，
其中，首先用较短的脉冲长度产生外面的边缘区域(28)，并且而后用较长的脉冲长度产生所述孔(7)的里面的区域(25)。
24.按权利要求1、2、3、5到11或21所述的方法，
其中，首先用较长的脉冲长度产生里面的区域(25)，并且而后用较短的脉冲长度产生所述孔(7)的外面的边缘区域(28)。
25.按权利要求6所述的方法，
其中，从所述部件(1)的表面(14)开始加工所述孔(7)，并且从所述外面的表面(14)直到所述孔(7)的深处改变所述脉冲长度。
26.按前述权利要求中一项或多项所述的方法，
其中，在使用较长的脉冲时使用大于0.4ms直到1.2ms的脉冲持续时间。
27.按前述权利要求中一项或多项所述的方法，
其中，所述较长的脉冲具有6到21焦耳尤其8焦耳的能量。
28.按前述权利要求中一项或多项所述的方法，
其中，所述较长的脉冲具有10到50千瓦尤其20千瓦的功率。
29.按权利要求1、2、4、6、7、9、20到24中任一项所述的方法，
其中，所述较短的脉冲的能量处于或低于两位数的毫焦耳范围(mJ)，尤其处于一位数的毫焦耳范围(mJ)。
30.按权利要求1、2、4、6、7、9、20到24中任一项所述的方法，
其中，所述较短的脉冲具有处于一位数的千瓦范围内的功率。
31.按权利要求1、3、5-11、22-28中任一项所述的方法，
其中，所述较长的脉冲根据有待加工的孔(7、10)的横截面面积在所述部件(1)上产生被剥蚀的区域的横截面面积(A)。
32.按前述权利要求中一项或多项所述的方法，
其中，只要用于较长的或较短的脉冲的脉冲长度没有变化，那么在使用较长的或较短的脉冲(16)时所述激光器(19、19’、19”)的输出功率就是恒定的。
33.按前述权利要求中一项或多项所述的方法，
其中，对于所述较长的脉冲来说使用所述激光器(19、19’、19”)的几百瓦特尤其500瓦特的输出功率。
34.按前述权利要求中一项或多项所述的方法，
其中，在使用较短的脉冲时，所述激光器(19、19’、19”)的输出功率小于300瓦特。
35.按权利要求1所述的方法，
其中，用所述方法对部件(1)进行加工，该部件(1)是一种层系统。
36.按权利要求35所述的方法，
其中，用所述方法对层系统(1)进行加工，该层系统(1)包括金属的基片(4)和至少一个陶瓷层(16”)。
37.按权利要求35或36所述的方法，
其中，所述层系统(1)包括基片(4)和金属层(16’)，所述金属层(16’)尤其具有MCrAIX类型的成分，
其中M代表着铁、钴或镍这样的元素组中的至少一种元素，
并且X代表钇和/或稀土中的至少一种元素。
38.按权利要求35、36或37所述的方法，
其中，所述层系统(1)包括基片(4)和层(16)，该层(16)则具有金属的中间层(16’)和外面的陶瓷层(16”)。
39.按权利要求36、37或38所述的方法，
其中，所述基片(4)是一种镍基、钴基或铁基的超级合金。
40.按权利要求35所述的方法，
其中，用该方法对部件(1)进行加工，该部件(1)是燃气涡轮机(100)或蒸汽涡轮机的涡轮叶片(120、130)、挡热板元件(155)或其它部件或外壳件(138)。
41.按权利要求1或40所述的方法，
其中，所述方法在重新制造部件(1、120、130、155)时使用。
42.按权利要求1或40所述的方法，
其中，在有待再加工的部件(1、120、130、155)上使用所述方法。
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