DE102010061465A1

DE102010061465A1 - Verfahren zur Behandlung von Superlegierungsgegenständen und zugehörige Reperaturverfahren

Info

Publication number: DE102010061465A1
Application number: DE102010061465A
Authority: DE
Inventors: Huan Qi; Bhupendra Kumar Gupta; Marshall Gordon Jones
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2011-07-21
Also published as: BRPI1005765B1; SG172569A1; BRPI1005765A2; GB2476551A; JP2011131276A; US9061375B2; GB2476551B; BRPI1005765A8; SG192425A1; CA2724620C; JP5947482B2; GB201020907D0; CA2724620A1; US20110168679A1

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Behandeln eines Superlegierungssubstrats (32) beschrieben, das mindestens einen Hohlraum (33) hat, der haftendes Metalloxidmaterial auf seiner Oberfläche (31) aufweist. Ein Laserstrahl (46) mit kurzen Pulsen und hoher Wiederholrate wird für eine ausreichende Zeitdauer gegen die Hohlraumoberfläche gelenkt, um im Wesentlichen das gesamte haftende Metalloxidmaterial zu entfernen. Der Laserstrahl (46) ist durch eine Spitzenleistungsdichte im Bereich von etwa 10 Megawatt/cm2 bis ungefähr 10 Gigawatt/cm2 gekennzeichnet. In einer anderen Ausführungsform wird ein Laserstrahl mit hoher Leistung, kurzen Pulsen und hoher Wiederholrate auf einen Bereich (62) auf dem Substrat (64), der den Hohlraum (60) aufweist, unter Laserbetriebsbedingungen gelenkt, die in der Lage sind, in den Superlegierungswerkstoff einzuschneiden, so dass ein Grenzbereich (66) in dem Substrat gebildet wird, der den Hohlraum umschließt. Der Hohlraum kann ein Riss in einer Turbinenlaufschaufel sein, und der Riss (60) kann nach der Behandlung durch Schweißen oder durch eine sonstige geeignete Technik repariert werden.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Metalle und Metalllegierungen, die in Hochtemperaturanwendungen verwendet werden. In einigen speziellen Ausführungsbeispielen betrifft die Erfindung Verfahren zur Behandlung von Superlegierungskomponenten, um diese für weitere Reparaturverfahren vorzubereiten.
Superlegierungen sind häufig die erste Wahl für Werkstoffe von Komponenten, die für Hochtemperaturumgebungen bestimmt sind. Beispielsweise sind Turbinenlaufschaufeln und sonstige Teile von Turbinen (z. B. von Gasturbinen) oft aus Nickelbasis-Superlegierungen hergestellt, da sie Temperaturen von wenigstens etwa 1000°C–1150°C unversehrt standhalten müssen. Schutzschichten, die oft als Wärmebarrierenbeschichtungen oder ”TBC”-Beschichtungen bezeichnet werden, steigern die Betriebstemperatur von Turbinenkomponenten wirkungsvoll, indem sie die Oberflächentemperatur der Legierungen aufrechterhalten oder reduzieren, die zur Herstellung der vielfältigen Triebwerkskomponenten verwendet sind.
Gasturbinenkomponenten neigen dazu, über die Dauer ihres Betriebs hinweg Risse zu bilden. In vielen Fällen beginnen die Risse an der Oberfläche der Komponente und erstrecken sich in die Komponente hinein. Diese Risse tauchen im Laufe der Zeit hauptsächlich aufgrund hoher Temperaturen und Drücke auf, denen die Gasturbinen ausgesetzt sind. Besonders problematisch sind Risse, die in Turbinenschaufeln, z. B. den Hochdruckturbinen-(HPT)-Schaufeln, entstehen, die sich in nächster Nähe der Triebwerksbrennkammer befinden. Diese Schaufeln sind den heißesten Verbrennungsgasen, denen Energie entzogen wird, ausgesetzt und sind meistens aus den Nickel(Ni)-Superlegierungen hergestellt. (Diese spezialisierte Legierungen neigen dazu, gleichachsige, gerichtet verfestigte und Einkristall-Legierungsstrukturen hervorzubringen).
1 veranschaulicht eine exemplarische Turbinenlaufschaufel 10 für den Einsatz in Kraftwerksturbinen, z. B. in der ersten Schaufelreihe einer Gas- oder Verbrennungsturbine. Die Turbinenlaufschaufel 10 weist einen Schaufelfuß 12, einen Schaufelblattabschnitt 14 und einen Spitzenabschnitt 16 auf. Der Schaufelfuß 12 ist dazu eingerichtet, in eine Scheibe auf einer (nicht gezeigten) rotierenden Welle der Turbine eingeführt und durch sie gehalten zu werden. Der Blattabschnitt 14 ist gestaltet, um über den Schaufelabschnitt 14 strömenden Verbrennungsgasen Energie zu entziehen, so dass dadurch der Turbinenwelle mechanische Rotationsenergie verliehen wird. Im Falle moderner Gasturbinen ist der Blattabschnitt 14 entworfen, um ein oder mehrere Kühlkanäle aufzuweisen, die unter der Oberfläche des Schaufelblatts für den Durchgang von Kühlluft ausgebildet sind, die erforderlich ist, um die Beständigkeit des Schaufelwerkstoffs in der Umgebung heißer Verbrennungsgase sicherzustellen.
1 veranschaulicht einen solchen Riss 24, der in der Nähe der Spitze 16 der Schaufel 10 entstehen kann. Wie zuvor erwähnt, können die Risse aufgrund bei niedriger Lastspielzahl auftretenden Ermüdungsbeanspruchungen entstehen, mit denen während des Betriebs der Turbine die Schaufelspitze 16 beaufschlagt werden. Falls der Riss 24 sich über ein kritisches Maß hinaus erstreckt, muss die Turbinenlaufschaufel 10 außer Betrieb genommen und/oder repariert werden, um einen Ausfall der Schaufel und der Turbine zu vermeiden.
In vielen Fällen lässt sich der Riss reparieren, indem das an den Riss 24 angrenzende Material entfernt wird, um ein Rissinstandsetzungsvolumen zu bilden, und das Rissreparaturvolumen anschließend mit Schweißmetall gefüllt wird. Allgemein werden eine Anzahl von Techniken zur Reparatur von Rissen genutzt. Einige wichtige Beispiele beinhalten Schweißen, Diffusionshartlöten, aktivierte Diffusionsheilung (ADH, Activated Diffusion Healing) und thermische Sprühtechniken, z. B. mittels Hochgeschwindigkeitsbrenngases (HVOF, High Velocity Oxy-Fuel).
Für die meisten dieser Techniken ist die anfängliche Vorbereitung der Reparaturoberfläche entscheidend. Die unerwünschte Anwesenheit chemisch stabiler Oxide sowie eventuell vorhandener metallischer Bindungsschichten oder keramischer Wärmebarrierenbeschichtungsmaterialien, kann das Schweißen oder Hartlöten einer Reparaturoberfläche erheblich erschweren. Um eine Behandlung, beispielsweise eine erfolgreiche Turbineninstandsetzung zu ermöglichen, sind derartige Stoffe daher restlos zu entfernen.
Vielfältige Verfahren wurden bisher in der Vergangenheit verwendet, um die Reparaturoberflächen von Metallkomponenten wie Turbinenlaufschaufeln zu reinigen. In einigen Fällen wird vor einer Reparatur durch Schweißtechniken manuelles Schleifen durchgeführt. Während die Schleiftechniken zwar in vielen Fällen nützlich sind, sind sie allerdings auch zeitaufwendig. Darüber hinaus hängt die Effizienz des Schleifens in hohem Maße von der Erfahrung des Anwenders ab. Außerdem sind Schleifverfahren im Falle von Rissen in Turbinenschaufelblattoberflächen häufig auf eine Risstiefe von etwa 0,35 Zoll (8,9 mm) beschränkt. Es lassen. sich daher tiefe Risse in Komponenten wie HPT-Schaufeln nicht immer erfolgreich für eine Reparatur ”vorbereiten”; und Versuche zur Ausführung der Vorbehandlungsverfahren können gelegentlich zu ”Schweißnahttropfen” führen.
Es wurden bisher auch unterschiedliche Fluoridionenreinigungs-(FIC, Fluoride Ion Cleaning)-Techniken verwendet, um Risse und sonstige Hohlraumoberflächen zu reinigen. (Einige der verwandten Techniken werden als ”Dayton-Verfahren” bezeichnet). Die FIC-Verfahren beruhen gewöhnlich auf der thermischen Zerlegung eines auf Fluor basierenden Polymers, beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE). Gemäß einigen Mechanismen verbinden sich die sich ergebenden Kohlenstofffluoridmonomere mit Wasserstoff, und diese Produkte kommen mit vielfältigen Oxidablagerungen in Kontakt, wobei die Ablagerungen in Fluoridverbindungen umgewandelt werden. Die Fluoridverbindungen sind flüchtig und verlassen das Hohlraumgebiet in einem Gasstrom. Wärmebehandlungsschritte werden häufig verwendet, um eventuell verbliebene Oberflächenbeläge und diffundierte Ablagerungen in flüchtige Produkte umzusetzen, die in Gasform abgeführt werden können.
Während Fluoridionenreinigungs- und Ätzverfahren in einigen Situationen wirkungsvoll sind, können sie auch wesentliche Nachteile aufweisen. Beispielsweise erfordern diese Techniken möglicherweise verhältnismäßig lange Verfahrenszeiten, falls die Werkstückoberfläche vollkommen zu reinigen ist. Sie können außerdem hohe Reinigungstemperaturen von beispielsweise etwa 1900°F (1038°C) erfordern. Darüber hinaus beruhen FIC-Verfahren häufig auf der Verwendung von Verbindungen, wie Fluorwasserstoff. Diese Materialien sind korrosiv und toxisch und erfordern spezielle Handhabungs- und Entsorgungsprozeduren. Einige der Verbindungen sind außerdem als bedenkliche Luftschadstoffe klassifiziert. Außerdem können die FIC-Verfahren die Materialien, die Schutzschichten auf Superlegierungsartikeln bilden, z. B. Nickelaluminid- oder Platinaluminid-Materialien, angreifen. Somit sind gewisse Vorkehrungen zu treffen, um Substratflächen zu maskieren oder in sonstiger Weise zu schützen, wo diese Schutzschichten aufrecht zu erhalten sind, beispielsweise an von dem speziellen Reparaturbereich entfernt angeordneten Flächen.
Dementsprechend würden in der Technik neue Verfahren zur Reinigung von Hohlräumen und sonstigen Regionen in Superlegierungssubstraten begrüßt werden. Die Techniken sollten in Vorbereitung für Reparaturverfahren bei der Entfernung von Oxiden und sonstigen Verunreinigungen aus dem Hohlraumbereich sowie der Beseitigung eventueller Schutzschichtmaterialien effizient sein. Darüber hinaus sollten sich die Techniken in verhältnismäßig kurzer Zeit und bei Umgebungstemperatur durchführen lassen. Sie sollten außerdem den Bedarf für gefährliche und spezielle Sicherheitsvorkehrungen erfordernde Chemikalien minimieren oder eliminieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren zum Behandeln eines Superlegierungssubstrats gerichtet, das mindestens einen Hohlraum (beispielsweise einen Riss) hat, der anhaftendes Metalloxidmaterial auf seiner Oberfläche aufweist. Zu dem Verfahren gehört der Schritt des Lenkens eines Laserstrahls mit kurzen Pulsen und hoher Wiederholrate gegen die Hohlraumoberfläche für, eine Zeitspanne, die ausreicht, um im Wesentlichen das gesamte haftende Metalloxidmaterial zu entfernen, wobei der Laserstrahl dadurch gekennzeichnet ist, dass er eine Spitzenleistungsdichte im Bereich von etwa 10 Megawatt/cm² bis ungefähr 10 Gigawatt/cm² aufweist.
Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Behandeln eines Superlegierungssubstrats, das mindestens einen Hohlraum aufweist. Diese Ausführungsform beinhaltet den Schritt des Lenkens eines Laserstrahls mit hoher Leistung (mittlerer Leistung), kurzen Impulsen und hoher Wiederholrate auf einen Bereich auf dem Substrat, das den Hohlraum aufweist, unter Laserbetriebsbedingungen, die in der Lage sind, in den Superlegierungswerkstoff einzuschneiden; so dass ein Grenzbereich in dem Substrat gebildet wird, der den Hohlraum umschließt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht eine Turbinenschaufel, die den Schwalbenschwanzfuß, den Schaufelblattabschnitt und den Spitzenabschnitt aufweist.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Laservorrichtung zum Behandeln einer Komponente gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
3 veranschaulicht einen Riss in einer Turbinenlaufschaufel und einen umgebenden Grenzbereich.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die hierin beschriebenen vielfältigen Zusammensetzungs- und Verfahrensbereiche sind einschließend und kombinierbar (z. B. schließen Bereiche von ”bis zu etwa 25 Gew.-%” oder spezieller ”etwa 5 Gew.-% bis ungefähr 20 Gew.-%” die Endpunkte und sämtliche Zwischenwerte der Bereiche ein). Darüber hinaus schließt der Begriff ”Kombination” Verschnitte, Mischungen, Legierungen, Reaktionsprodukte und dergleichen ein. Außerdem legen die Begriffe ”erster”, ”zweiter” und dergleichen hierin keine Reihenfolge, Menge oder Rangfolge fest, sondern werden vielmehr dazu verwendet, ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Die Artikel „ein” und „eine” bedeuten in dem hier verstandenen Sinne keine Beschränkung der Quantität, sondern lediglich das Vorhandensein mindestens eines der betreffenden Elemente. Der in Zusammenhang mit einer Quantität verwendete modifizierende Begriff ”etwa” schließt den genannten Wert ein und weist die durch den Zusammenhang vorgegebene Bedeutung auf, (schließt z. B. die Fehlerabweichung in Zusammenhang mit einer Messung der speziellen Quantität ein). Der Zusatz „(s)” soll in dem hier verwendeten Sinne sowohl die Einzahl als auch die Mehrzahl. des Begriffs einschließen, den er modifiziert, um dadurch ein oder mehrere Elemente dieses Begriffs einzuschließen (z. B. kann der Begriff ”die Verbindung” eine oder mehrere Verbindungen beinhalten, wenn nicht anderweitig spezifiziert). Über die gesamte Beschreibung hinweg bedeutet eine Bezugnahme auf ”ein Ausführungsbeispiel”, ”ein weiteres Ausführungsbeispiel” und so fort, dass ein in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenes spezielles Element (z. B. ein Merkmal, eine Konstruktion und/oder eine Eigenschaft) in wenigstens einem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel enthalten ist und in anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein kann oder auch nicht. Zusätzlich versteht es sich, dass die beschriebenen erfindungsgemäßen Merkmale in den verschiedenen Ausführungsbeispielen in jeder beliebigen Weise miteinander kombiniert werden können.
Wie oben erwähnt, ist das behandelte Substrat wenigstens teilweise aus einem Superlegierungswerkstoff ausgebildet. Diese Materialien sind in der Technik hinsichtlich zur Verwendung in Gasturbinenanordnungen und sonstigen Hochtemperaturkomponenten hinlänglich bekannt. Allgemein soll der Begriff ”Superlegierung” allgemein auf Eisen, Kobalt oder Nickel basierende Legierungen umfassen, die ein oder mehrere andere Elemente enthalten, zu denen nicht beschränkende Beispiele wie Aluminium, Wolfram, Molybdän, Titan und Eisen gehören. Superlegierungen weisen unter den Bedingungen hoher Temperaturen (beispielsweise bis etwa 1500°C), hoher mechanischer Spannungen und hoher Drücke, denen sie gewöhnlich während des Betriebes einer Turbine ausgesetzt sind, erwünschte chemische und physikalische Eigenschaften auf.
Komponenten, die auf Superlegierungen basieren, sind häufig mit unentbehrlichen Schutzbeschichtungen versehen. Zu den Beispielen zählen Wärmebarrierenbeschichtungen (TBC-Schichten). Die meisten TBC-Schichten basieren auf Keramik, beispielsweise auf einem durch Yttriumoxid stabilisierten Zirkonerdematerial. Gewöhnlich werden die TBC-Keramikwerkstoffe auf eine Zwischenschicht aufgebracht, die unmittelbar auf die Oberfläche der Metallkomponente aufgetragen ist. Die Zwischenschicht ist häufig eine Bindungsschicht. Bindungsschichten sind gewöhnlich aus einem Material wie ”MCrAlX” ausgebildet, wobei ”M” ein Metall wie Eisen, Nickel, Kobalt oder Kombinationen davon repräsentiert und ”X” ein Element ist, das aus der aus Y, Ta, Si, Hf, Ti, Zr, B, C und deren Kombinationen bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
In den meisten Fällen müssen die Schutzbeschichtungen und eventuelle Nebenprodukte, die entstehen, wenn die Beschichtungen vielfältigen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, entfernt werden, bevor die Komponente, z. B. durch Schweißen, repariert wird. Einige der speziellen Beispiele von zu entfernenden Materialien sind Metalloxide, wie z. B. Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Nickeloxid, Chromoxid, Molybdänoxid und Calcium-Magnesium-Aluminium-Silizium-Oxid (CMAS). (Es sollte verständlich sein, dass Begriffe wie ”Nickeloxid” und ”Chromoxid” eine oder mehrere Oxidverbindungen, z. B. Chrom-(II)-Oxid, Chrom-(III)-Oxid oder Chromdioxid einschließen sollen).
Wie im Vorausgehenden beschrieben, weist das Substrat mindestens einen Hohlraum auf. In dem hier verwendeten Sinne soll der Begriff ”Hohlraum” jede Art von Loch, Vertiefung, Einkerbung, Kanal oder Furche beinhalten. Der Begriff kann sich auch auf vielfältige Fehler oder Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des Substrats, z. B. rauhe Flächen oder löchrige Flächen, beziehen. Im Falle von Turbinenkomponenten wie Turbinenlaufschaufeln ist der Hohlraum oder die ”Fehlstelle” häufig ein Riss, wie er beispielsweise in 1 dargestellt ist. Die Größe eines reparaturfähigen Risses kann beträchtlich variieren, z. B. von etwa 25 μm Tiefe bis ungefähr 10 mm Tiefe; und von etwa 5 μm Breite bis ungefähr 4 mm Breite (gemessen in der Radialrichtung, z. B. durch die Wandstärke einer Turbinenschaufel hindurch). (Die Wandstärke einer typischen HPT-Schaufel kann im Bereich von etwa 0,5 mm bis ungefähr 2 mm liegen).
Wie oben erwähnt, wird ein Laser eingesetzt, um die Hohlraumoberfläche zu behandeln, um gemäß Ausführungsbeispielen dieser Erfindung im Wesentlichen das gesamte haftende Oxidmaterial zu entfernen. Eine Reihe unterschiedlicher Arten von Lasern können für dieses Verfahren genutzt werden. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele beinhalten Halbleiterlaser (z. B. Diodenlaser), Faserlaser und Excimerlaser. (Faserlaser können gelegentlich als eine Art von Halbleiterlaser erachtet werden). Dem Fachmann ist der Betrieb sämtlicher dieser Arten von Lasern bekannt. Halbleiterlaser mit verhältnismäßig kurzen Pulsen werden häufig bevorzugt. Spezielle Beispiele umfassen 1-Mikrometer-Laser oder grüne Laser (0,532 μm), obwohl die Wellenlänge von einem infrarotnahen Bereich bis Ultraviolett variieren kann. Techniken zum Einstellen der Wellenlänge des Lasers, z. B. mittels ”Frequenzverdopplern” oder Verdopplungskristallen, sind ebenfalls aus der Technik bekannt.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen muss der Laser in der Lage sein, einen Strahl mit kurzen Pulsen und höher Wiederholrate gegen die Oberfläche des Hohlraums zu liefern. Die Pulslänge liegt gewöhnlich im Bereich von etwa 1 Nanosekunde bis ungefähr 1 Mikrosekunde. Allerdings können gelegentlich Laser in den Pulsbereichen von Femtosekunden und Picosekunden verwendet werden. (Fachleute verstehen, dass eine Verringerung der Pulslänge bei etwa demselben Energieniveau gewöhnlich einen höheren Laserleistungswert ergibt). Allgemein führt ein Einsatz der kürzeren Pulslängen zu einer geringeren Aufschmelzung und Verdampfung des Substratoberflächenmaterials und häufig zu einer glatteren behandelten Oberfläche. Allerdings kann die kurze Pulslänge in manchen Fällen das Reinigungsverfahren insgesamt verlangsamen. In manchen bevorzugten Ausführungsbeispielen liegt die Pulslänge bei der Behandlung von Rissen in Turbinenschaufelspitzen häufig im Bereich von etwa 1 Nanosekunde bis ungefähr 20 Nanosekunden.
Die Wiederholrate des Laserstrahls (d. h. die Anzahl von pro Sekunde emittierten Pulsen) lässt sich für eine spezielle Laservorrichtung als Funktion der mittleren Leistung einstellen. Allgemein beträgt die Wiederholrate mindestens etwa 100 Hz und liegt häufig im Bereich von etwa 1 kHz bis ungefähr 500 kHz. Falls viel Material (z. B. Oxidmaterial) aus dem Hohlraumgebiet zu entfernen ist, oder falls das Material hartnäckig an der Hohlraumoberfläche haftet, wird die Wiederholrate gelegentlich mit Blick auf eine Änderung des Wertes des Energie/Puls-Verhältnisses gewählt. Der Fachmann wird in der Lage sein, die am besten geeignete Wiederholrate oder Durchschnitts-/Spitzenwert-Laserleistung auf der Grundlage vielfältiger Faktoren, z. B. des Typs des verwendeten Lasersystems, der Laserpulsenergie, des von dem Substrat zu entfernenden Materials, und der Gesamtabmessungen des Hohlraums, auszuwählen.
Wie oben erwähnt, ist der Laserstrahl durch eine Spitzenleistungsdichte gekennzeichnet, die gewöhnlich im Bereich von etwa 10 Megawatt/cm² bis ungefähr 10 Gigawatt/cm² liegt. In einigen speziellen Ausführungsbeispielen liegt die Spitzenleistungsdichte im Bereich von etwa 100 Megawatt/cm² bis ungefähr 10 Gigawatt/cm². Der durchschnittliche Leistungswert liegt in diesem Fall gewöhnlich im Bereich von etwa 1 Watt bis ungefähr 15 Watt. Viele der zuvor erwähnten Faktoren sind hier ebenfalls von Bedeutung, z. B. die Art und Menge des aus dem Hohlraumgebiet zu entfernenden Materials; die Tiefe des Hohlraums; und der Typ des verwendeten Lasersystems. Der Fachmann wird in der Lage sein, für eine vorgegebene Situation die am besten geeignete Leistungsdichte auszuwählen.
Wie oben erwähnt, wird der Laserstrahl gegen die Hohlraumoberfläche des Substrats für eine Zeitperiode gerichtet, die ausreicht, um im Wesentlichen das gesamte haftende Metalloxidmaterial zu entfernen. Die Zeit, die für das Erreichen dieses Ziels erforderlich ist, wird von den vielfältigen oben erwähnten Laserbetriebsparametern sowie von der Art und der Tiefe des aus dem Hohlraum zu entfernenden Materials abhängen. Eine nicht beschränkende Darstellung kann im Falle einer auf Nickel basierten Turbinenlaufschaufel unterbreitet werden, die einen V-förmigen Riss in ihrer Spitze mit einer (durch die Wandstärke eines Substrats hindurch gemessenen) Risstiefe von etwa 1 mm und einer Rissbreite im Bereich von etwa 0,5 mm bis ungefähr 4 mm aufweist. In dieser Darstellung wird angenommen, dass die Oberfläche des Risses mit einer Schicht aus Metalloxidmaterial bedeckt ist, die eine Tiefe von etwa 0,3 mm aufweist. Bei Verwendung eines grünen Nd:YAG-Halbleiterlasers, der eine Energiedichte von etwa 8 Gigawatt/cm², eine Pulslänge von etwa 10 Nanosekunden und eine Wiederholrate von etwa 10 kHz hervorbringt, liegt die Zeit, die erforderlich ist, um im Wesentlichen das gesamte Metalloxidmaterial zu entfernen, in diesem Falle gewöhnlich im Bereich von etwa 30 Sekunden bis ungefähr 600 Sekunden.
In vielen bevorzugten Ausführungsbeispielen wird der für die Ausführungsformen dieser Erfindung verwendete Laserstrahl durch ein Abtastmodul auf die Hohlraumoberfläche fokussiert. Abtastmodule (Scannmodule) sind aus der Technik bekannt und beispielsweise in den US-Patenten 7 528 342 (Deshi) und 7 529 010 (Scaggs et al.) beschrieben, die beide durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen sind. Allgemein können die ”Scanner” als elektromagnetische Vorrichtungen beschrieben werden, die Spiegel gemäß vorab ausgewählten (gewöhnlich durch Mikroprozessoren gesteuerten) Schemata bewegen, um den Laserstrahl zu reflektieren und ihn auf einen gewünschten Punkt auf einem Substrat zu richten. Vielfältige Abtastmodule können verwendet werden. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele beinhalten (gelegentlich als ”Galvanometer” oder ”Galvos” bezeichnete) Galvanometerscanner und Piezoscanner. Dem Fachmann ist der Betrieb dieser Scanner und deren Aufnahme in ein Laserabtastsystem vertraut.
2 veranschaulicht schematisch eine für Ausführungsbeispiele dieser Erfindung geeignete Laservorrichtung 30. Ein Werkstück 32, z. B. eine HPT-Schaufel, ist sicher in einer Klemmvorrichtung oder in einer ähnlichen Halteeinrichtung 34 befestigt. Die Halteeinrichtung 34 bildet einen Fortsatz der Laserhalterungsplattform 36. Die Plattform 36 umfasst gewöhnlich eine fünf Achsen aufweisende Bühne bzw. einen Tisch 38, wobei hier nicht sämtliche Einzelheiten eines solchen Tisches dargestellt zu sein brauchen. Die fünfachsige Bühne ist in der Lage, das Werkstück 32 zu haltern, um es präzise entlang dreier Achsen (X, Y, Z) translatorisch zu bewegen, und um es in Bezug auf diese Achsen präzise (in zwei Richtungen, z. B. ”A” und ”B”) zu drehen. (Es ist zu beachten, dass die Abmessungen des Werkstücks zur Verbesserung der Anschaulichkeit übertrieben dargestellt sind, und dass die relative Größe und Position der übrigen Komponenten in dieser Figur beträchtlich abweichen können).
Diese Laserhalterungsplattform kann vorteilhafterweise ein Teil einer komplexen, mehrere Achsen aufweisenden, durch einen Computer numerisch gesteuerten (CNC-)Maschine sein. Diese Maschinen sind aus der Technik bekannt und im Handel erhältlich. Der Einsatz einer solchen Maschine zur Handhabung eines Substrats wird in dem US-Patent 7 351 290 von S. Rutkowski et al. beschrieben, das hier durch Bezug mit aufgenommen ist. Wie in dem Patent von Rutkowski beschrieben, ermöglicht die Verwendung einer derartigen Maschine eine Bewegung des Substrats längs einer oder mehrerer Rotationsachsen in Bezug auf lineare Achsen X und Y. CNC-Maschinen dieser Bauart sind von vielen Firmen, z. B. Haas Automation, Inc., Oxnard, Calif., kommerziell verfügbar. Der Fachmann kann eine derartige Maschine ohne großen Aufwand für den Einsatz in der vorliegenden Erfindung anpassen. Darüber hinaus können Industrieroboter genutzt werden, um die Bewegung des Lasers und der Halterungsplattform zu koordinieren.
Mit weiterem Bezug auf die der Veranschaulichung dienende Vorrichtung von 2 ist die zugrundeliegende Maschine gewöhnlich mit einer (nicht gezeigten) 5-Achsen-Steuereinrichtung ausgerüstet. Die Plattform 38 kann ferner eine herkömmliche Hebevorrichtung 40 aufweisen, an der eine herkömmliche Drehspindel angebracht sein kann. Die Hebevorrichtung 40 bringt in Bezug auf den Tisch 38 eine vertikale Achse (Z) einer translatorischen Bewegung ein. Darüber hinaus kann eine (nicht gezeigte) weitere Spindel oder eine ähnliche rotierende Vorrichtung an der Hebevorrichtung 40 befestigt sein, um, wie in dem Patent von Rutkowski beschrieben, eine zweite Drehachse vorzusehen.
Außerdem kann die gesamte Laservorrichtung 30 von 2 ferner wenigstens einen herkömmlichen, digital programmierbaren Computer oder eine Steuereinrichtung 42 enthalten. Der Computer 42 kann vielfältige Funktionen in Zusammenhang mit den Laser- und Scanneinheiten bereitstellen, kann aber mittels geeigneter Software auch dazu eingerichtet sein, sämtliche Bewegungsachsen der Halterungsplattform 36 zu steuern. Auf diese Weise lässt sich eine fünfachsige Koordination zwischen der Laservorrichtung und dem Werkstück erreichen. Diese Fähigkeit ergibt wiederum ein genaues Scannen, Reinigen und/oder Schneiden eines gewünschten Abschnitts des Werkstücks, wie es hierin weiter beschrieben ist.
Eine Laserquelle 44 emittiert den gewünschten Laserstrahl 46, der gewöhnlich kollimiert wird und einen linearen oder zirkularen Polarisationszustand aufweist. In einigen Fällen fällt der Laserstrahl im Wesentlichen senkrecht auf eine (nicht gezeigte) Wellenplatte ein, um den Polarisationszustand des Strahls zu ändern. Darüber hinaus kann der Laserstrahl (d. h. der Laserpuls) durch ein (ebenfalls nicht gezeigtes) geeignetes Strahlmodulationsmittel moduliert werden. In einigen Ausführungsbeispielen können eine oder mehrere optische Linsen verwendet werden, um den Strahldurchmesser zu erweitern oder zu reduzieren.
Der Laserstrahl 46 wird anschließend, wie zuvor beschrieben, durch ein Scannmodul 48 abtastend geführt. Das Scannmodul wirft den Strahl abtastend auf die vorab ausgewählte Fläche 31 des Werkstücks 32. (Ein in der Oberfläche 31 vorhandener Riss 33 ist vereinfacht dargestellt). Darüber hinaus nimmt eine Kamera 50, z. B. eine CCD-Kamera, das Werkstück (gewöhnlich durch einen hier nicht gezeigten Polarisator hindurch) auf, um eine Ausrichtung des Werkstücks bezüglich des Laserstrahls zu unterstützen und um das Reinigungs- und/oder Schneidverfahren zu überwachen. Während der Behandlung das Werkstück 32 gewöhnlich abgedichtet in einem abgeschirmten Raum 52 eingeschlossen, das mit inerten oder semi-inerten Gasen (oder Formiergasen, wie Wasserstoff oder Wasserstoff enthaltenden Mischungen) gefüllt ist, die von einer Gasquelle 53 stammen. Eine derartiger Raum wird üblicherweise in der Schweißindustrie verwendet. Darüber hinaus tauscht der Computer 42, wie es in vereinfachter Form dargestellt ist, mittels bekannter Einrichtungen mit der Lasereinheit, dem Scanner, der Kamera und der CNC-Plattform über Leitungen 54, 56, 58 bzw. 59 Daten aus.
Eine Reihe weiterer Einzelheiten und optionaler Vorrichtungen können in Zusammenhang mit einem Lasersystem, wie dem oben beschriebenen, oder mit sonstigen Lasersystemen genutzt werden, die für diese Erfindung verwendet werden können. Einige dieser Einzelheiten sind in den oben erwähnten Patenten von Deshi und Scaggs et al. und in den US-Patenten 5 419 971 (Skelly et al.); 6 491 207 (Smashey et al.); und 6 759 627 (Kilburn); sowie in WO 2007/096480 A1 und EP 1,247,003 B1 dargelegt, die sämtliche hier durch Bezugnahme mit aufgenommen sind. Weitere Informationen sind in den Veröffentlichungen "Laser Beam Machining (LBM), State of the Art and New Opportunities", J. Meijer, Journal of Materials Processing Technology 149 (2004) S. 2–17 ff.; und "Modelling and Diagnostic of Pulsed Laser Cleaning of Oxidized Metallic Surfaces, R. Oltra et al, Applied Surface Science 96–98 (1996) S. 484–490 ff. zu finden.
Das hierin beschriebene Verfahren unterscheidet sich von bisher in der Technik eingesetzten Verfahren, die durch Laser erzeugte Stoßwellen verwenden. Diese Verfahren werden gelegentlich genutzt, um krustenartige Ablagerungen von Turbinenkomponenten zu entfernen. Im Gegensatz zu diesen wird das hierin beschriebene Reinigungsverfahren als ein Laserabtragungsverfahren erachtet, bei dem die verhältnismäßig hohe Leistung des Lasers häufig zu einer unmittelbaren Verdampfung des festen Materials/der Verunreinigungen aus der Substratoberfläche führen kann.
In einigen Ausführungsbeispielen dieser Erfindung wird der Hohlraum (z. B. ein Riss oder ein anderer Defekt) repariert, indem er mit einem Ersatzmaterial gefüllt wird. Das Füllmaterial kann hinsichtlich der Zusammensetzung des ursprünglichen Materials, das das Substrat ausmacht, ähnlich oder identisch, zur Verarbeitung modifiziert sein. Allerdings können in Abhängigkeit von Faktoren wie dem beabsichtigten endgültigen Verwendungszweck des Gegenstandes, auch andere Materialien genutzt werden, um den Hohlraum auszufüllen.
Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele von Techniken zur Reparatur des Hohlraums beinhalten aktivierte Diffusionsheilung (ADH), Diffusionshartlöten, Schweißen und thermische Sprühtechniken, z. B. Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF); sowie Kombinationen, die ein oder mehrere dieser Verfahren beinhalten. Jede Technik so wie die Einzelheiten zur Verwendung jeder Technik zur Reparatur von Fehlern, wie Schaufelblattrissen, sind in der Technik bekannt.
Für die Reparatur von Superlegierungswerkstoffen werden häufig Schweißtechniken bevorzugt. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele der Schweißtechniken beinhalten Lichtbogenschweißen (z. B. SIGMA-Schweißen, Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW), UP-Lichtbogenschweißen; Metallschutzgas-(MSG)-Schweißen, oder Wolframschutzgas-(WIG)-Schweißen); und Gasschweißen (z. B. Oxyfuel-Schweißen). (In einigen Fällen werden MSG-Schweißen und GMAW als übereinstimmende Techniken erachtet). Der Fachmann wird in der Lage sein, teilweise gestützt auf die hierin unterbreitete Lehre, die am besten geeignete Schweißtechnik für eine spezielle Situation auszuwählen.
Wolframschutzgas-(WIG)-Schweißen ist in einigen Ausführungsbeispielen dieser Erfindung die bevorzugte Reparaturtechnik. Die Technik wird gelegentlich mit einer Anzahl sonstiger Begriffe bezeichnet, z. B. Wolframschutzgasschweißen (GTAW, Gas Tungsten Arc Welding) oder gelegentlich Heliumschutzgasschweißen. WIG-Schweißen beinhaltet gewöhnlich den Einsatz einer nichtabschmelzenden Wolframelektrode, um die Schweißnaht hervorzubringen. Typischerweise ergibt eine Konstantstromenergiequelle für das Schweißen Energie, die über den Wolframlichtbogen durch eine Säule von hochionisiertem Gas und Metalldämpfen, d. h. das Plasma, hindurch geleitet wird. Gewöhnlich wird der Schweißbereich durch ein Schutzgas (z. B. ein Inertgas, wie Argon) vor atmosphärischer Verunreinigung geschützt. WIG-Verfahren benutzen häufig ein Füllstoffmetall.
In einigen Ausführungsbeispielen dieser Erfindung kann autogenes Schweißen durchgeführt werden, das kein Füllstoffmaterial erfordert. Diese Schweißtechnik ist gewöhnlich zweckmäßig, falls der Hohlraum, z. B. ein Riss, eine Breite hat, die etwa 15% der umgebenden Wandstärke nicht überschreitet. Für die autogenen Verfahren wird gewöhnlich Elektronenstrahlschweißen oder Laserschweißen verwendet.
Eine Art einer Schweißtechnik ist besonders für die hierin beschriebenen Materialien geeignet und ist als ein ”SWET, Superalloy Welding at Elevated Temperatures”-Verfahren bekannt (Superlegierungsschweißen bei relativ hohen Temperaturen). Diese Technik, die häufig als eine Unterklasse von WIG erachtet wird, ist in den US-Patenten 6 996 906 , 6 020 511 , 6 124 568 und 6 297 474 beschrieben, die durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen sind. Typischerweise werden SWET-Verfahren in einem Raum durchgeführt, in dem eine kontrollierte Atmosphäre und Temperatur aufrechterhalten werden, um eine Rissbildung und Oxidation an einer in Reparatur befindlichen Superlegierungskomponente zu verhindern. Der Fachmann ist mit weiteren Einzelheiten des SWET-Verfahrens vertraut, die für die vorliegende Beschreibung wichtig sein würden.
In weiteren Ausführungsbeispielen dieser Erfindung wird ein hochenergetischer Laserstrahl dazu verwendet, einen Grenzbereich in dem Superlegierungssubstrat zu schneiden. 3 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen verhältnismäßig tiefen Riss in einer Turbinenlaufschaufel, der von der Spitze der Schaufel ausgeht und sich nach unten in der Radialrichtung der Schaufel fortsetzt. Wie der Fachmann versteht, können die Wände und die Gesamtgestalt des Risses sehr unregelmäßig oder gezackt sein. Der Riss 60 ist auf der Oberfläche 62 eines Substrats 64 ausgebildet. In der Figur ist ein Grenzbereich oder eine ”Schnittlinie” 66 dargestellt, die den Bereich repräsentiert, der von dem Substrat abgeschnitten wird. (Es sollte verständlich sein, dass der Riss und der umgebende Bereich, obwohl die Darstellung der Figur zweidimensional ist, in Wirklichkeit dreidimensional sind, so dass der Bereich hierin gelegentlich als ein ”Volumen” bezeichnet wird).
In vielen Ausführungsbeispielen ist ein Ausschneiden des Grenzbereichs aus mehreren Gründen vorteilhaft. Erstens ermöglicht dies, den Hohlraum, z. B. durch Schweißen, gemäß den genauen Abmessungen zu füllen. Auf diese Weise weist der reparierte, Hohlraum hinsichtlich der ursprünglichen Gestalt und Größe des Substratbereichs durch eine „nettonahe Gestalt” gekennzeichnet. Somit lassen sich zusätzliche Auftrags- und Bearbeitungsschritte auf ein Minimum reduzieren.
Zweitens kann ein Ausschneiden des Grenzbereichs Bereiche des Superlegierungssubstrat entfernen, die an den Hohlraum selbst angrenzen. Ein Entfernen dieses Bereichs ist gelegentlich erwünscht, da auf der Oberfläche befindliches Oxidmaterial und sonstige Verunreinigungen, die (gewöhnlich unter der Einwirkung von Hochtemperaturbedingungen im Lauf der Zeit) in den Bereich hinein diffundiert sind. Der diffundierte Bereich könnte anderenfalls keine ideale Oberfläche für eine daran anschließende Reparatur durch Schweißen oder andere Techniken sein.
Der hochenergetische Laserstrahl, der verwendet wird, um den Grenzbereich auszuschneiden, kann derselbe Laser sein, der für einen nachfolgenden Reinigungsschritt verwendet wird. Alternativ kann es ein anderer Laser sein, z. B. einer der anderen zuvor beschriebenen Arten von Lasern. Die Wahl einer Laserausrüstung einer speziellen Art hängt zum großen Teil von dem speziellen Material ab, aus dem das Substrat hergestellt ist.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen wird ein Dauerstrich-(CW, Continuous Wave)-Laser verwendet. Der CW-Laser sollte eine gute ”Strahlqualität”, z. B. eine geringe Strahlstreuung, aufweisen und er sollte vorzugsweise in hohem Maße parallel ausgerichtet sein. Der für diesen Schneidevorgang verwendete Laserstrahl ist als ein Hochleistungsstrahl mit einer Spitzenleistungsdichte im Bereich von etwa 10⁶ W/cm² bis ungefähr 10⁸ W/cm², und spezieller im Bereich von etwa 10⁶ W/cm² bis ungefähr 10⁷ W/cm², gekennzeichnet. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen wird ein Faserlaser, ein CO₂-Laser oder ein Halbleiterlaser verwendet.
In anderen Fällen kann ein gepulster Laserstrahl verwendet werden, z. B. ein kurze Pulse und eine hohe Wiederholrate aufweisender Laserstrahl mit einer Pulsfrequenz (”Wiederholrate”) im Bereich von etwa 10 kHz bis ungefähr 100 kHz und mit einem durchschnittlichen Leistungswert im Bereich von etwa 5 Watt bis ungefähr 30 Watt. In diesem Fall würde die Spitzenleistungsdichte gewöhnlich im Bereich von 0,1 Gigawatt/cm² bis ungefähr 10 Gigawatt/cm² liegen. Darüber hinaus kann der hochenergetische Laser, wie im Falle des Laserreinigungsprozess, für den Schneidvorgang durch ein Scannmodul auf das Substrat fokussiert werden.
Wie zuvor erwähnt, weist der Einsatz des Lasers zum Ausschneiden eines Grenzbereichs um einen Riss oder einen anderen Defekt oder Hohlraum herum mehrere Vorteile auf. Beispielsweise lässt sich der Laser einstellen, um einen ausgewählten Bereich des Substrats genau auszuschneiden. Der Bereich ist ausreichend groß, um eine Beseitigung sämtlicher Oxidmaterialien und diffundierter Materialien in dem benachbarten Substratbereich sicherzustellen, jedoch ausreichend klein, um die Gefahr einer Beschädigung der Masse des Substrats oder eine folgenschwere Änderung seiner Gestalt auf ein Minimum zu reduzieren. In vielen bevorzugten Ausführungsbeispielen, und mit Bezug auf 3, ist der durch die Schnittlinie gebildete Grenzbereich 66 im Vergleich zu den Innenflächen oder ”Wänden” 67 des Hohlraums selbst verhältnismäßig gleichmäßig und glatt. (Der Grenzbereich kann daher als ein ebenmäßiges ”Kontrollvolumen” bezeichnet werden).
Nach dem Schneideschritt ist der Hohlraum gewöhnlich für zusätzliche Reparaturverfahren, z. B. Schweißen, vorbereitet. Es sollte beachtet werden, dass oxidartiges Material oder andere Verunreinigungen, die möglicherweise auf der Hohlraumoberfläche vorhanden waren, in diesem Stadium bereits entfernt sind, da der Schneideschritt einen Teil des darunterliegenden Substrats entfernt hat. Allerdings kann es in manchen Fällen erwünscht sein, irgendwelche(s) restliches freistehendes Superlegierungsmaterial, Grate und ”Schweißspritzer” zu entfernen. Eine Reihe von Techniken kann für diesen Zweck genutzt werden, z. B. Spülen mit Wasser, Sandstrahlen, Fließbettreinigung und dergleichen, oder irgendeine Kombination solcher Techniken.
In einigen Ausführungsbeispielen wird in diesem Stadium ein Laserreinigungsschritt verwendet, wie er zuvor beschrieben ist. Dieser Schritt kann besonders nützlich sein, um irgendwelche weiteren Oxidstoffe zu beseitigen, die gebildet worden sein können. Beispielsweise kann während des Schneidvorgangs Umgebungsluft in den Hohlraum und in den Behandlungsbereich eingedrungen sein, die mit. Substratbestandteilen reagiert, um die unerwünschten Oxide zu bilden. Die Parameter für diesen Laserschritt sind im Wesentlichen dieselben, wie sie zuvor beschrieben sind, wobei gewöhnlich eine Pulslaservorrichtung verwendet wird. Darüber hinaus kann dieser ”Nachschneide”-Schritt auch von sonstigen Reinigungsschritten begleitet werden, z. B. von den oben erwähnten Wasserspül- oder Sandstrahltechniken.
In diesem Stadium ist der Riss oder der sonstige Fehler gereinigt und, wie zuvor beschrieben, für weitere Reparaturschritte vorbereitet. Darüber hinaus ist der Reparaturbereich physikalisch sehr genau definiert, so dass nach Vollendung der weiteren Bearbeitungsschritte nahezu die Nettogestalt erzielt ist. In einem typischen Szenario kann der Riss nun, wie zuvor beschrieben, durch eine geeignete Technik, beispielsweise Schweißen, mit einem gewünschten Ersatzmaterial gefüllt werden. Der Schweißvorgang führt beispielsweise dazu, dass der den Riss umfassende Grenzbereich vollständig gefüllt wird, so dass der Riss dadurch repariert ist.
Obwohl die Erfindung mit Blick auf spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben ist, sollen diese lediglich der Veranschaulichung dienen und keineswegs als beschränkend interpretiert werden. Somit sollte es verständlich sein, dass daran Änderungen vorgenommen werden können, die in den Schutzumfang der Erfindung und der beigefügten Patentansprüche fallen. Sämtliche der oben erwähnten Patente, Patentanmeldungen, Artikel und Texte sind hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen.
Es ist ein Verfahren zum Behandeln eines Superlegierungssubstrats 32 beschrieben, das mindestens einen Hohlraum 33 hat, der haftendes Metalloxidmaterial auf seiner Oberfläche 31 aufweist. Ein Laserstrahl 46 mit kurzen Pulsen und hoher Wiederholrate wird für eine ausreichende Zeitdauer gegen die Hohlraumoberfläche gelenkt, um im Wesentlichen das gesamte haftende Metalloxidmaterial zu entfernen.
Der Laserstrahl 46 ist durch eine Spitzenleistungsdichte im Bereich von etwa 10 Megawatt/cm² bis ungefähr 10 Gigawatt/cm² gekennzeichnet. In einer anderen Ausführungsform wird ein Laserstrahl mit hoher Leistung, kurzen Pulsen und hoher Wiederholrate auf einen Bereich 62 auf dem Substrat 64, der den Hohlraum 60 aufweist, unter Laserbetriebsbedingungen gelenkt, die in der Lage sind, in den Superlegierungswerkstoff einzuschneiden, so dass ein Grenzbereich 66 in dem Substrat gebildet wird, der den Hohlraum umschließt. Der Hohlraum kann ein Riss in einer Turbinenlaufschaufel sein, und der Riss 60 kann nach der Behandlung durch Schweißen oder durch eine sonstige geeignete Technik repariert werden.
Bezugszeichenliste

10: Turbinenlaufschaufel
12: Schaufelfuß
14: Schaufelblattabschnitt
16: Spitzenabschnitt
24: Riss
30: Laservorrichtung
31: Werkstückoberfläche
32: Werkstück
33: Riss
34: Halteeinrichtung
36: Fünf Achsen-Steuereinrichtung
38: Plattform
40: Hebevorrichtung
42: Computer/Steuereinrichtung
44: Laserquelle
46: Laserstrahl
48: Scannmodul
50: Kamera
52: Abgeschirmter Raum
53: Gasquelle
54: Leitung
56: Leitung
58: Leitung
59: Leitung
60: Riss
62: Substratoberfläche
64: Substrat
66: Schnittlinie/Grenzbereich
67: Hohlraumwand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7528342 [0027]
US 7529010 [0027]
US 7351290 [0029]
US 5419971 [0034]
US 6491207 [0034]
US 6759627 [0034]
WO 2007/096480 A1 [0034]
EP 1247003 B1 [0034]
US 6996906 [0041]
US 6020511 [0041]
US 6124568 [0041]
US 6297474 [0041]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Laser Beam Machining (LBM), State of the Art and New Opportunities”, J. Meijer, Journal of Materials Processing Technology 149 (2004) S. 2–17 ff. [0034]
”Modelling and Diagnostic of Pulsed Laser Cleaning of Oxidized Metallic Surfaces, R. Oltra et al, Applied Surface Science 96–98 (1996) S. 484–490 ff [0034]

Claims

Verfahren zum Behandeln eines Superlegierungssubstrats (32), das wenigstens einen Hohlraum (33) enthält, der haftendes Metalloxidmaterial auf seiner Oberfläche (31) enthält, wobei das Verfahren den Schritt des Richtens eines Laserstrahls (46) mit kurzen Pulsen und hoher Wiederholrate gegen die Hohlraumoberfläche für eine Zeitspanne, die ausreicht, um im Wesentlichen das gesamte haftende Metalloxidmaterial zu entfernen, aufweist, wobei der Laserstrahl (46) durch eine Spitzenleistungsdichte im Bereich von etwa 10 Megawatt/cm² bis etwa 10 Gigawatt/cm² gekennzeichnet ist,.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Laserstrahlpulse eine Pulslänge von etwa 1 Nanosekunde bis ungefähr 1 Mikrosekunde aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Quelle (44) des Laserstrahls (46) eine Vorrichtung ist, die aus der aus einem Halbleiterlaser, einem Faserlaser und einem Excimerlaser bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl (46) durch ein Scannmodul (48) auf die Hohlraumoberfläche (31) fokussiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hohlraum ein Riss (33) in dem Superlegierungssubstrat (32) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das haftende Metalloxid auf der Hohlraumoberfläche (31) wenigstens ein Material aufweist, das aus der aus Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Nickeloxid, Chromoxid, Molybdänoxid und Calcium-Magnesium-Aluminium-Silizium-Oxid (CMAS) bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Superlegierungssubstrat (10) eine Turbinentriebwerkskomponente ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hohlraum (33) ein Riss ist, und wobei das Verfahren ferner den Schritt einer Reparatur des Risses beinhaltet.
Verfahren zum Behandeln eines Superlegierungssubstrats (64), das wenigstens einen Hohlraum (60) enthält, der auf seiner Oberfläche (62) ein haftendes Metalloxidmaterial aufweist, umfassend den Schritt des Richtens eines Laserstrahls (46) mit hoher Leistung, kurzen Pulsen und hoher Wiederholrate auf einen Bereich auf dem Substrat (62), der den Hohlraum (60) aufweist, unter Laserbetriebsbedingungen, die in der Lage sind, in den Superlegierungswerkstoff einzuschneiden, so dass ein Grenzbereich (66) in dem Substrat (64) gebildet wird, der den Hohlraum (60) umschließt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei vor jedem Hohlraumreparaturschritt wenigstens ein zusätzlicher Behandlungsschritt an dem Substrat (64) durchgeführt wird und der zusätzliche Behandlungsschritt einen Laserreinigungsschritt aufweist.