CN102470487A - 利用不同的激光器位置来制造不对称的扩散部的方法 - Google Patents

Abstract

通过在相对于待加工的基体(4)的五个不同的角位置(I、II、III、IV、V)中使用激光器(22)来显著地简化如在现有技术中一样在基体中复杂的孔(I)的制造。

Description

利用不同的激光器位置来制造不对称的扩散部的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造具有不对称的扩散部的孔的方法，其中激光器的角位置在加工期间相对于基体不连续地改变。

背景技术

使用激光在基体中制造孔是已知的，其中激光还在表面上移动。

在现有技术中已知用于制造具有侧向限界的侧壁的穿孔的方法。因此在US 6,420,677中说明一种用于在涡轮机叶片中激光支持地构造冷却空气穿孔的方法。在此提出，将激光脉冲序列发射到涡轮机叶片的表面上，其中蒸发部分涡轮机材料，使得沿着Z轴线构成穿孔。

发明内容

因此本发明的目的是，提供一种开头所述类型的方法，其中没有出现由于与激光束的相互作用而引起的穿孔侧壁的损坏。

该目的通过根据权利要求1或2所述的方法来实现。

根据本发明，该目的通过在多个制造步骤中分别构成孔的部分体积来实现。

在从属权利要求中列出其他有利的措施，所述措施可以彼此任意地组合，以实现其他的优点。

因此，本发明的基本思想是，将待制造的穿孔的总体积分成部分体积并且在各个制造步骤中构造这些部分体积。通过借助激光束相应地对穿孔的侧向的侧壁加工，除去一些单个的部分体积的构件材料。

在此，激光束优选定向成，使得所述激光束与被加工的侧壁围成大于8°的角。因为在制造穿孔期间，激光束不与穿孔的已构成的侧壁接近地和平行地指向构件表面，所以防止在激光束和侧壁之间的不允许的相互作用。此外，将穿孔的总体积分成多个部分体积允许构成复杂的穿孔几何结构。

代替激光，还可以使用电子束或者与此类似的。

根据本发明的另一构型提出，激光束定向成，使得所述激光束与被加工的侧壁围成大于10°并且小于90°，优选大于15°并且小于80°，并且尤其优选大于20°并小于60°的角。尤其优选的是9°的角。

在本发明的扩展构型中提出，使脉冲激光束指向在孔中的构件表面。在此，可以使用具有可变的脉冲宽度的激光束。脉冲宽度可以位于50ns至800ns，优选70ns至600ns并且尤其在200ns至500ns之间的范围中。借助这种脉冲激光束，可以尤其快速地蒸发构件材料。这对于制造扩散部是尤其有利的。

以有利的方式还可将具有在20kHz至40kHz，优选25kHz至35kHz并且尤其28kHz至32kHz的范围中的频率的激光束指向构件表面。这对于制造扩散部是尤其有利的。

附图说明

附图示出：

图1示出待制造的薄膜冷却孔，和

图2-8示出方法流程的示意图，

图9示出燃气轮机，

图10示出涡轮机叶片，和

图11示出超合金列表。

说明书和附图仅说明本发明的实施例。

具体实施方式

在图1中示出在基体4中的孔1。孔1优选是贯通的孔，不是盲孔。

基体4尤其在涡轮机叶片120、130中具有根据图11的镍基或者钴基的超合金。

薄膜冷却孔1具有至少两个不同地构成的区段7、10，尤其仅具有两个区段7、10。第一区段是内部分7，所述内部分在横截面中优选构成圆柱形或者旋转对称地构成或者在流出方向8上具有至少一个恒定的横截面。薄膜冷却孔1在热气体的溢流方向9上被溢流。冷却介质的流出方向8和溢流方向9彼此成锐角。

从在基体4的外表面12之下的一定深度起朝着表面12，薄膜冷却孔1的横截面相对于内部分7变宽。这表示为扩散部10。在薄膜冷却孔1的左侧的面17a的弯折点14处，在内面17a上的垂直线19在表面12上与基体4中的对置的区段15相交，其中所述弯折点表示为从扩散部10到对置的内部分7的过渡。

图2示出具有根据图1的扩散部10的、表面12的俯视图。在溢流方向9上，扩散部10在表面12上具有前棱边22’和后棱边22”(在此优选是直线的，但是还可以是弯曲的)。扩散部10的侧向侧壁11’，11”(在此优选是直线的，但是还可以是弯曲的)相对于前棱边22’具有两个不同的角度α，β。扩散部10横向于溢流方向9加宽并且相对于内部分7的以虚线表示的延长部具有侧壁11’，11”，所述侧壁具有两个不同的角度α和β。优选的是，α＜β；α，β＜90°。

在图3至8中示出用于制造孔1的方法的示意的流程。加工优选以“开孔”的方式进行。该方法以提供基体4开始(图3)，所述基体然后借助激光器22或者电子束源在第一角位置(I)中，优选在第一激光器位置(I)中被加工(图4)。下面示例性地使用激光器作为加工机械。

在此，从基体4的表面12到对置的内面13(在空腔中)制造基体4的内部分7(图4)。在此激光器22优选不必移动(“冲击”)。在此，保留剩余部16，以便制成扩散部10(图4)。内部分7完成制造。

在图8中示出在制成内部分7之后还待去除的区域16(图4)。优选以四个分步骤来去除该待去除的体积16。

在图5至8中示出剩余部16的去除。以α和β表示的是剩余部16按照角α和β的定向(图2)。

在图5中示出剩余部16的待去除的第一体积33。第一部分体积33为具有四角形的基面30(在图上方)，两个三角形的侧面32’，32”以及作为侧面的两个对置的四角形32”’，32””的多面体。同样示出溢流方向9，所述溢流方向在基面之上延伸，也就是说，基面30离表面12最近。面32””位于扩散部10的内面上。该部分体积33在第二激光位置II中制造，所述第二激光器位置不同于第一激光器位置I。由侧面32”’，32””形成的棱边31””指向内部分7的内部。该部分体积33是五面体(五面的多面体)。

在根据图6的第三步骤中，去除另一部分体积36。待去除的第二部分体积36邻接根据图5的前面的四角形面32”’，其中该部分体积36同样为具有四角形的基面(＝面32”’)和四个三角形的面36’，36”，36”’的多面体，所述基面为与多面体33的接触面。部分体积33和36形成部分体积42，所述部分体积42为具有4个三角形的侧面41’的四角形基面30。部分体积36具有尖部35。部分体积36和部分体积42(＝33+36)为五面体。该部分体积36在第二激光器位置III中制造，所述激光器位置不同于第一激光器位置II。

在图7中示出，如何紧接着根据图5，6的部分体积33，36或者部分体积42来制造第三部分体积39。这得到部分体积48。在此，在第四激光器位置中去除部分体积39，所述部分体积39邻接多面体42的左侧的侧面41’(图6)，即具有更小的角α的侧。激光器位置IV不同于激光器位置III并且尤其还不同于激光器位置I、II。部分体积39的基面是三角形的，并且邻接多边形42的接触面41’，其中部分体积36的尖部35延长至尖部45并且得到新的部分体积48。

在新改变的第五位置V中(图8)去除另一部分体积51，使得完全去除待去除的区域16。由于部分体积51，所述部分体积51的尖部54又相对于尖部45延长并且邻接具有更小的角α的扩散部的侧壁。激光器位置V优选不同于激光器位置IV并且还优选不同于激光器位置I，II，III。当存在金属的增附剂层，优选MCrAlY类型的增附剂层，和/或在该层或者基体4上的陶瓷层时，还可以如上面描述的那样来形成薄膜冷却孔1。

图9以局部纵剖面图举例地示出燃气轮机100。燃气轮机100在内部具有带有轴的、可围绕旋转轴线102转动地安装的转子103，该转子也称为涡轮机转子。沿着转子103依次为进气壳体104、压缩机105、带有多个同轴设置的燃烧器107的尤其为环形燃烧室的例如环面状的燃烧室110、涡轮机108和排气壳体109。环形燃烧室110与例如环型的热气体通道111连通。在环型的热气体通道111中例如四个相继连接的涡轮级112形成涡轮机108。每个涡轮级112例如由两个叶片环形成。沿工质113的流动方向观察，在热气体通道111中，由转子叶片120形成的排125跟随导向叶片排115。

在此，导向叶片130固定在定子143的内壳体138上，而该排125的转子叶片120例如借助涡轮盘133安装在转子103上。发电机或者做功机械(未示出)耦接于转子103。

在燃气轮机100工作期间，压缩机105通过进气壳体104将空气135吸入并且压缩。在压缩机105的涡轮侧端部处提供的压缩空气被引至燃烧器107并且在那里与燃料混合。接着混合物在燃烧室110中燃烧，从而形成工质113。工质113从那里起沿着热气体通道111流过导向叶片130和转子叶片120。工质113在转子叶片120处以传递动量的方式膨胀，使得转子叶片120驱动转子103而该转子又驱动耦接在其上的做功机械。

暴露于热工质113的构件在燃气轮机100工作期间承受热负荷。除了内衬于环形燃烧室110的热屏蔽元件之外，沿工质113的流动方向观察的第一涡轮机级112的导向叶片130和转子叶片120承受最高的热负荷。为了经受住那里存在的温度，第一涡轮机级的导向叶片和转子叶片可借助冷却剂来冷却。同样，构件的基体可以具有定向的结构，这就是说它们是单晶的(SX结构)或仅具有纵向定向的晶粒(DS结构)。例如，铁基、镍基或钴基超合金用作构件的材料，特别是用作涡轮叶片120、130和燃烧室110的构件的材料。例如由EP 1 204 776 B1、EP 1 306 454、EP 1 319 729 A1、WO 99/67435或WO 00/44949公知这样的超合金。

叶片120、130同样可以具有抗腐蚀的覆层(MCrAlX；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素并代表钇(Y)和/或硅、钪(Sc)和/或至少一种稀土元素，或铪)。可由EP 0 486 489B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1或EP 1 306 454 A1公知这样的合金。

在MCrAlX上还可以有隔热层并例如由ZrO₂、Y₂O₃-ZrO₂组成，即，隔热层由于氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁而非稳定、部分稳定或完全稳定。通过例如电子束物理气相沉积(EB-PVD)的适当的覆层方法在隔热层中产生柱状晶粒。

导向叶片130具有朝向涡轮机108的内壳体138的导向叶片根部(这里未示出)，以及与导向叶片根部相对置的导向叶片头部。导向叶片头部朝向转子103并固定在定子143的固定环140处。

图10在立体图中示出流体机械的沿着纵轴线121延伸的转子叶片120或导向叶片130。

所述流体机械可以是飞机的或用于发电的发电厂的燃气轮机、蒸汽轮机或压缩机。

叶片120、130沿着纵轴线121相继具有：固定区域400、邻接于固定区域的叶片平台403以及叶身406和叶片梢部415。作为导向叶片130，叶片130可以在其叶片梢部415处具有另一平台(未示出)。

在固定区域400中形成有用于将转子叶片120、130固定在轴或盘(未示出)上的叶片根部183。叶片根部183例如构成为锤头。作为枞树形根部或燕尾形根部的其他构形是可行的。叶片120、130对于流过叶身406的介质具有迎流棱边409和流出棱边412。

在传统叶片120、130中，叶片120、130的所有区域400、403、406中使用例如实心的金属材料、尤其是超合金。例如由EP 1 204 776 B1、EP 1 306 454、EP 1 319 729 A1、WO 99/67435或WO 00/44949公知这样的超合金。在这种情况下，叶片120、130可以通过铸造法，也可以借助定向凝固、通过锻造法、通过铣削法或其组合来制造。

将带有一个单晶结构或多个单晶结构的工件用作用于在运行中承受高的机械的、热的和/或化学的负荷的机器的构件。这种单晶工件的制造例如通过由熔融物的定向凝固来进行。在此，这涉及一种铸造方法，其中液态金属合金凝固为单晶构造物、即单晶工件，或者定向凝固。在这种情况下，枝状晶体沿热流定向，并且形成柱状晶体的晶粒结构(柱状地，这就是说在工件的整个长度上分布的晶粒，并且在此根据一般的语言习惯称为定向凝固)，或者形成单晶结构，这就是说整个工件由唯一的晶体构成。在这些方法中，必须避免过渡成球形(多晶的)凝固，因为通过非定向的生长不可避免地构成横向和纵向晶界，所述横向和纵向晶界使定向凝固的或单晶的构件的良好特性消失。如果一般性地提到定向凝固组织，则是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的单晶和确实具有沿纵向方向分布的晶界但不具有横向晶界的柱状晶体结构。第二种所提到的晶体结构也称为定向凝固组织。由US-PS 6,024,792和EP 0892 090 A1已知这样的方法。

叶片120、130同样可以具有抗腐蚀或抗氧化的覆层，例如(MCrAlX；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素并代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素，或铪(Hf))。可由EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1或EP 1 306454 A1公知这样的合金。密度优选地是理论密度的95％。在MCrAlX层上形成保护性氧化铝层(TGO＝thermal grown oxide layer(热生长氧化层))(作为中间层或最外层)。

优选地，层成分具有Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si或Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y。除这些钴基保护覆层外，也优选地使用镍基保护层，例如Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re或Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re或Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Re。

在MCrAlX上还可以有隔热层并例如由ZrO₂、Y₂O₃-ZrO₂组成，即，隔热层由于氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。隔热层覆盖整个MCrAlX层。通过例如电子束物理气相沉积(EB-PVD)的适当的覆层方法在隔热层中产生柱状晶粒。其他覆层方法也是可以考虑的，例如气相等离子喷涂(APS)、LPPS(低压等离子喷涂)、VPS(真空等离子喷涂)或CVD(化学气相沉积)。隔热层可以具有多孔的、有微观裂缝或宏观裂缝的晶粒，用于更好地耐热冲击。因此，隔热层优选地比MCrAlX层更为多孔。

再处理(Refurbishment)意味着构件120、130在其被使用之后，必要时必须除去在构件120、130上的保护层(例如通过喷砂)。之后，移除腐蚀层和/或氧化层或产物。必要时，还修复组件120、130中的裂缝。之后是对构件120、130进行再涂覆，以及重新使用构件120、130。

叶片120、130可以构成空心的或实心的。如果要冷却叶片120、130，则叶片为空心的并且必要时还具有薄膜冷却孔418(由虚线表示)。

Claims (27)

1.用于在基体(4)中制造复杂孔(1)，尤其是贯通的孔(1)的方法，所述孔(1)具有尤其对称的内部分(7)和扩散部(10)，所述扩散部(10)的横截面不同于所述内部分(7)的横截面，所述扩散部(10)尤其是不对称的，其中至少一个激光器(22)用于制造内部分(7)和扩散部(10)，其特征在于，所述激光器(22)相对于所述基体(4)的角位置(I、II、III、IV、V)改变至少五次，尤其改变仅五次。

2.用于在基体(4)中制造复杂孔(1)，尤其是贯通的孔(1)的方法，所述孔(1)具有尤其对称的内部分(7)和不对称的扩散部(10)，其特征在于，首先制造薄膜冷却孔(1)的所述内部分(7)，其中还同时地制造所述扩散部(10)的一部分，其中以至少四个分步骤，尤其仅以四个分步骤去除还保留的剩余部(16)，以用于制造所述扩散部(10)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，首先制造所述孔(1)的所述内部分(7)，其中同时还制造所述扩散部(10)的一部分，其中以至少四个分步骤(II、III、IV、V)去除，尤其以仅四个分步骤去除还保留的所述剩余部(16)，以用于制造所述扩散部(10)。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，激光器(22)至少用于去除所述剩余部(16)，并且其中所述激光器(22)相对于所述基体(4)的所述角位置(II、III、IV、V)改变至少四次，尤其改变仅四次。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于，为制造所述内部分(7)或者在所述角位置(I)中，不移动激光器(22)。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于，在制造所述扩散部(10)时移动所述激光器(22)，尤其移动到所述角位置II、III、IV、V中的至少一个中，更尤其移动到所述剩余部(16)的内置的侧壁(17a，17b)之上。

7.根据权利要求1、2、3、4或6所述的方法，其特征在于，在多个制造步骤中，分别通过借助激光束(25)加工尤其所述扩散部(10)的所述剩余部(16，33，36，39)的侧向的侧壁，构成保留的所述剩余部(16)的部分体积(33，36，39，51)，其中所述激光束(25)定向成，使得所述激光束与被加工的侧壁围成大于8°的角。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述激光束(25)定向成，使得所述激光束与被加工的侧壁围成大于10°并且小于90°，优选大于15°并且小于80°，并且尤其优选大于20°并且小于60°的角。

9.根据上述权利要求1、2、3、4、5、6、7或8之一所述的方法，其特征在于，使用脉冲激光束(25)，尤其用于形成所述扩散部(10)或者去除所述剩余部(16)，或者在至少第二角位置(II、III、IV、V)中。

10.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9所述的方法，其中使用具有可变的脉冲宽度的激光束(25)，尤其用于形成所述扩散部(10)或者去除所述剩余部(16)，或者在所述至少第二角位置(II、III、IV、V)中。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，将具有在50ns至800ns，优选在70ns至600ns并且尤其在200ns至500ns的范围内的脉冲宽度的激光束(25)指向构件表面(17b)，尤其用于形成所述扩散部(10)或者去除所述剩余部(16)，或者在所述至少第二角位置(II、III、IV、V)中。

12.根据上述权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，具有在20kHz至40kHZ，优选在25kHz至35kHz并且尤其在28kHz至32kHz的范围内的频率的激光束(25)指向所述构件表面(17b)，尤其用于形成所述扩散部(10)或者去除所述剩余部(16)，或者在所述至少第二角位置(II、III、IV、V)中。

13.根据上述权利要求7至12之一所述的方法，其特征在于，在涡轮机叶片(120，130)中构造冷却空气孔(1)，或者在所述至少第二角位置(II、III、IV、V)中。

14.根据权利要求1所述的方法，其中使用仅一个激光器。

15.根据权利要求1所述的方法，其中使用至少两个激光器(22)，尤其使用仅两个激光器(22)，这些激光器具有不同的功率特征。

16.根据上述权利要求中的一个或多个所述的方法，其中为了制造所述扩散部(10)或者去除所述剩余部(16)，使用不同于用于制造所述内部分(7)的激光器参数的激光器参数。

17.根据上述权利要求中的一个或多个所述的方法，其特征在于，使用脉冲激光束(25)，尤其用于去除所述剩余部(16)，更尤其仅用于去除所述剩余部(16)。

18.根据上述权利要求中的一个或多个所述的方法，其中使用具有变化的脉冲宽度的激光束(25)，尤其用于去除所述剩余部(16，18，28)，或者在所述至少第二角位置(II、III、......)中，更尤其仅用于去除所述剩余部(16)。

19.根据权利要求12、14、15、16、17或18所述的方法，其特征在于，使用具有在50ns至800ns，优选在70ns至600ns并且尤其在200ns至500ns的范围内的脉冲宽度的激光束(25)，尤其用于去除所述剩余部(16，18，28)，或者在所述至少第二角位置(II、III、......)中，更尤其仅用于去除所述剩余部(16，18，28)。

20.根据上述权利要求1至19之一所述的方法，其特征在于，使用具有在20kHz至40kHZ，优选在25kHz至35kHz并且尤其在28kHz至32kHz的范围内的频率的激光束(25)，尤其用于去除所述剩余部(16)，或者在所述至少第二角位置(II、III、......)中，更尤其仅用于去除所述剩余部(16)。

21.根据上述权利要求1至20之一所述的方法，其特征在于，在涡轮机叶片(120，130)中构造冷却空气孔(1)，其中所述扩散部(10)具有相对于所述内部分(7)明显不同的几何结构，尤其地，所述扩散部(10)的横截面相对于所述内部分(7)扩大。

22.根据上述权利要求中的一个或多个所述的方法，其中在用于制造所述扩散部(10)的第一步骤中或者在所述至少第二角位置(II)中去除多面体，尤其是五面的多面体。

23.根据上述权利要求中的一个或多个所述的方法，其中在用于制造所述扩散部(10)的第二步骤中或者在角位置(III)中去除五面的多面体。

24.根据上述权利要求中的一个或多个所述的方法，其中被去除的区域(33，36，42，48，16)的尖部(31，35，45，54)总是继续位于所述孔(1)的内部中。

25.根据上述权利要求中的一个或多个所述的方法，其中扩散部(10)在所述基体(4)的所述表面(12)上具有两个侧壁(11’，11”)，所述两个侧壁以不同的角度(α，β)彼此分离地延伸，尤其是α＜β。

26.根据权利要求25所述的方法，其中首先去除所述剩余部(16)的在具有更大的角度(β)的侧上的材料。

27.根据权利要求25，26所述的方法，其中在最后的步骤(IV，V)中去除所述剩余部(16)的邻接所述更小的角度(α)的材料。

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