DE102014213914A1

DE102014213914A1 - Pulverschalter zum Mischen

Info

Publication number: DE102014213914A1
Application number: DE102014213914.7A
Authority: DE
Inventors: Bernd Burbaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2016-01-21
Also published as: WO2016008793A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Pulverschalter (1) umfassend: – eine Mischkammer (2) zur Aufnahme eines Pulvers und/oder eines Schweißzusatzmittels, insbesondere eines Flussmittels (4), – eine erste Fördereinrichtung (5) zum Führen des Pulvers mit einem ersten Einlauf (6) und einem ersten Auslauf (7) sowie eine zweite Fördereinrichtung (8) mit einem zweiten Einlauf (9) und einem zweiten Auslauf (10) zum Führen des Schweißzusatzmittels, insbesondere des Flussmittels (4), – einen ersten Zumischkanal (11), welcher die erste Fördereinrichtung (5) mit der Mischkammer (2) verbindet zum Zuführen des Pulvers in die Mischkammer (2), – einen zweiten Zumischkanal (12), welcher die zweite Fördereinrichtung (8) mit der Mischkammer (2) verbindet zum Zuführen des Schweißzusatzmittels, insbesondere des Flussmittels (4) in die Mischkammer (2), – einen Mischkammerauslass (15), zum Auslassen des in der Mischkammer (2) vorhandenen Pulvers und/oder Schweißzusatzmittels, insbesondere Flussmittels (4).

Description

Die Erfindung betrifft einen Pulverschalter für das Laserstrahl-Auftragschweißen mit pulverförmigem Zusatzwerkstoff für schwer schweißbare Nickelbasis-Superlegierungen mit großem Anteil an intermetallischer Phase.
Ein Rotor einer Strömungsmaschine, so zum Beispiel ein Rotor einer Gasturbine oder Dampfturbine, verfügt über einen Rotorgrundkörper sowie mehrere am Rotorgrundkörper montierte Schaufeln. Dabei wird zumindest die Schaufelspitze aus schwer schweißbaren Nickelbasis-Superlegierungen hergestellt. Jede Schaufel verfügt über einen Schaufelfuß sowie ein Schaufelblatt und eine Spitze und ist mit dem Schaufelfuß in einer entsprechenden Ausnehmung des Rotorgrundkörpers montiert. Aufgrund der hohen Temperaturen in einer Gasturbine ist die Kühlung jedoch oftmals gerade an der Schaufelspitze nicht ausreichend. Besonders an der Schaufelspitze ist ein Temperaturunterschied in etwa von 100° Celsius vorhanden. Daher tritt im Bereich der Schaufelspitze durch die thermische sowie mechanische Beanspruchung, hier insbesondere durch ein Einlaufen in sogenannte Gegendichtflächen, häufig ein Verschleiß auf. Rissbildung an der Schaufelspitze ist die Folge. Bisher wurde die verschlissene und/oder mit Rissen behaftete Region im Bereich der Schaufelspitze mechanisch lokal abgetragen und durch ein Auftragsschweißen mit einem Zusatzwerkstoff wieder hergestellt. Dies ist jedoch sehr kosten- und zeitintensiv. Eine längere Lebensdauer einer Schaufel bzw. Schaufelspitze ist daher wünschenswert. Auch andere Heißbauteile sind gerade an ihren Rändern durch die hohen Temperaturen extremen Belastungen ausgesetzt.
Beim sogenannten Laser Rastering Process wurden bisher vielversprechende Ergebnisse zum Laserstrahl-Auftragsschweißen von schwer schweißbaren Nickelbasis-Superlegierungen mit großem Anteil an intermetallischer Phase erzielt. Dazu wird ein Schweißzusatzpulver (Flussmittel) dem eigentlichen artgleichen pulverförmigen Zusatzwerkstoff beigemischt, auf dem Substratwerkstoff vorplatziert und ähnlich dem Selective Laser Melting (SLM) mittels Laserstrahlung umgeschmolzen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Pulverschalter zum Mischen von Pulver mit Flussmittel der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem Bauteile aus einer Nickel-Basislegierung schnell generiert werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Angabe eines Pulverschalters umfassend:

– eine Mischkammer zur Aufnahme eines Pulvers und/oder eines Schweißzusatzmittels, insbesondere eines Flussmittels,
– eine erste Fördereinrichtung zum Führen des Pulvers mit einem ersten Einlauf und einem ersten Auslauf sowie eine zweiten Fördereinrichtung mit einem zweiten Einlauf und einem zweiten Auslauf zum Führen des Schweißzusatzmittels, insbesondere des Flussmittels,
– einen ersten Zumischkanal, welcher die erste Fördereinrichtung mit der Mischkammer verbindet zum Zuführen des Pulvers in die Mischkammer,
– einen zweiten Zumischkanal, welcher die zweite Fördereinrichtung mit der Mischkammer verbindet, zum Zuführen des Schweißzusatzmittels, insbesondere des Flussmittels in die Mischkammer,
– einen Mischkammerauslass, zum Auslassen des in der Mischkammer vorhandenen Pulvers und/oder Schweißzusatzmittels, insbesondere Flussmittels.

Die Erfindung betrifft das Laserstrahl-Auftragschweißen mit pulverförmigem Zusatzwerkstoff für schwer schweißbare Nickelbasis-Superlegierungen mit großem Anteil an intermetallischer Phase γ‘ (z.B. Alloy 247) unter der Verwendung von Schweißzusatzpulver, insbesondere Flussmittel. Bisher wird dem Schweißzusatzpulver ein eigentlich artgleicher pulverförmiger Werkstoff beigemischt, auf dem Substratwerkstoff d.h., insbesondere der Werkstückoberfläche, vorplatziert und ähnlich dem Selective Laser Melting (SLM) mittels Laserstrahlung umgeschmolzen. Ein schneller Pulverschalter wird für einen solchen Prozess nicht eingesetzt. Vorgeschlagen wird daher ein Laserstrahl-Auftragschweißen von Nickelbasis-Superlegierung und Flussmittel unter Verwendung eines schnellen Pulverschalters. Dabei werden jeweils ein Pulver, vorzugsweise Nickelbasis-Superlegierung und Schweißzusatzpulver, vorzugsweise Flussmittel, zu einem Pulverschalter gleichzeitig gefördert und können dort bedarfsweise einzeln oder gekoppelt in eine Mischkammer gefördert werden. Von der Mischkammer aus wird der Zusatzwerkstoff zur Bearbeitungsstelle gefördert und dort entweder als Pulvergemisch direkt auftraggeschweißt oder lagenweise vorplatziert und umgeschmolzen. Aufgrund der geringeren Dichte schwimmt das Flussmittel während des Umschmelzens auf dem metallischen Schmelzbad auf, so dass es nach dem Umschmelzprozess problemlos entfernt werden kann, bevor eine neue Pulverlage aufgetragen wird. Durch diese Prozessführung ergeben sich kontrollierte Abkühlbedingungen für die Erstarrung der Nickel-Basislegierung. Zudem ergeben sich große Eindringtiefen der Elektronen in die jeweiligen Pulverlagen, weshalb sich größere Schichtdicken als bei anderen bekannten generativen Verfahren umschmelzen lassen, wie beispielsweise beim selektiven Lasersintern (SLS). Mit dem erfindungsgemäßen Pulverschalter sind kurze Fertigungszyklen realisierbar. Zudem lässt sich die Mischung der beiden Werkstoffe einfach realisieren.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Bevorzugt ist der erste Einlauf der ersten Fördereinrichtung mit einem ersten Vorratsbehälter für Pulver verbunden. Auch ist bevorzugt der zweite Einlauf der zweiten Fördereinrichtung mit einem zweiten Vorratsbehälter für das Schweißzusatzmittel, insbesondere Flussmittel, verbunden. Dabei kann das Verbindungsstück ein einfacher Schlauch sein. Die Vorratsbehälter können mit Pumpen ausgestattet sein, welche das Pulver bzw. das Schweißzusatzmittel zu den Einläufen und den Zumischkanälen pumpen. Vorzugsweise sind dabei die erste und die zweite Fördereinrichtung separat ansteuerbar, so dass sich zumindest das Pulver und das Schweißzusatzmittel, insbesondere das Flussmittel, in einem beliebigen Verhältnis zueinander mischen lassen.
In besonderer Ausgestaltung ist der erste Zumischkanal zwischen erstem Einlauf und erstem Auslauf angeordnet. Auch kann der zweite Zumischkanal zwischen zweitem Einlauf und zweitem Auslauf angeordnet sein. Dabei kann es sich bei dem ersten als auch bei dem zweiten Zumischkanal um ein einfaches Rohr handeln, welches schräg nach unten in die Mischkammer verlaufend angeordnet ist.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der erste Auslauf mit dem ersten Auffangbehälter verbunden, zum Aufsammeln des nicht der Mischkammer zugeführten Pulvers. Zudem ist der zweite Auslauf mit dem zweiten Auffangbehälter verbunden, zum Aufsammeln des nicht der Mischkammer zugeführten Schweißzusatzmittels, insbesondere des Flussmittels. D.h. bei Verwendung des erfindungsgemäßen schnellen Pulverschalters kann zudem der jeweils nicht genutzte Pulvermassenstrom in einen jeweils dafür vorgesehenen Auffangbehälter eingeleitet und somit wiederverwendet werden. Der Auffangbehälter kann direkt mit dem Vorratsbehälter verbunden sein. Auch kann der Auffangbehälter auch nur ein Rohr bzw. Schlauch sein, durch den das Pulver bzw. Schweißzusatzmittel direkt zu dem jeweiligen Vorratsbehälter transportiert wird.
Bevorzugt weist die Mischkammer zumindest ein Mittel zum Mischen des Pulvers und/oder des Schweißzusatzmittels, insbesondere des Flussmittels auf. Dies kann eine Verbesserung der Mischung hervorrufen. Dabei kann das Mittel als in der Mischkammer angebrachte Schaufeln und/oder Vorsprünge und/oder sonstige Vermischungselemente ausgestaltet sein. Das Mittel kann dabei an der Mischkammerinnenseite z.B. versetzt angebracht werden. Auch kann das Mittel ein in der Mischkammer angebrachtes Rührwerk sein oder eine von außen gesteuerte Bewegung der Mischkammer bewirken.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Mischkammerauslass mit einer Auftragsdüse verbunden, zum Auftragen des aus der Mischkammer ausgelassenen Pulvers und/oder Schweißzusatzmittels, insbesondere Flussmittels auf einem Substratwerkstoff.
In bevorzugter Ausgestaltung ist eine Energiequelle zum Erzeugen einer Wärmeeintragszone auf dem Substratwerkstoff vorgesehen und der Mischkammerauslass mit einer Schweißdüse verbunden, zum Auftragen aus der Mischkammer ausgelassenen Pulvers und/oder Schweißzusatzmittels, insbesondere Flussmittels auf einem Substratwerkstoff, wobei die Schweißdüse zudem die Energiequelle aufweist, zur Erzeugung und Zufuhr der Energie, insbesondere einer Laserstrahlung. Dabei kann die Energiequelle ein Laser sein. Die Laserstrahlung kann dabei parallel zu der Schweißdüse sein, d.h. die Strahlung trifft im Wesentlichen senkrecht auf den Substratwerkstoff.
Bevorzugt umfasst das Pulver eine Nickelbasis-Superlegierung. Diese kommt vor allem bei Hochtemperaturbauteilen zum Einsatz.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur. Darin zeigt schematisch:
1: einen erfindungsgemäßen Pulverschalter.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen hiervon können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert wird, zu verlassen.
Erfindungsgemäß wird für das Laserstrahl-Auftragschweißen von Nickelbasis-Superlegierung und Flussmittel ein schneller Pulverschalter 1 offenbart. Dabei weist der Pulverschalter 1 zumindest eine Mischkammer 2 zur Aufnahme eines Pulvers, insbesondere eines Nickelbasis-Superlegierungspulvers 3 und eines Flussmittels 4 auf. Zudem umfasst der Pulverschalter 1 eine erste Fördereinrichtung 5 zum Führen des Nickelbasis-Superlegierungspulvers 3 mit einem ersten Einlauf 6 und einem ersten Auslauf 7 sowie einer zweiten Fördereinrichtung 8 mit einem zweiten Einlauf 9 und einem zweiten Auslauf 10 zum Führen des Flussmittels 4. Zudem umfasst der Pulverschalter 1 einen ersten Zumischkanal 11, welcher die erste Fördereinrichtung 5 mit der Mischkammer 2 verbindet zum Zuführen des Pulvers 3 in die Mischkammer 2 sowie einen zweiten Zumischkanal 12, welcher die zweite Fördereinrichtung 8 mit der Mischkammer 2 verbindet zum Zuführen des Flussmittels 4 in die Mischkammer 2. Dabei können der erste 11 und der zweite 12 Zumischkanal schräg nach unten führend an der Mischkammer 2 angeordnet sein. Die Fördereinrichtungen 5, 8 als auch die Zumischkanale 11, 12 können als einfache Rohre ausgestaltet sein.
Zudem umfasst der Pulverschalter 1 noch einen Mischkammerauslass 15 zum Auslassen des in der Mischkammer 2 vorhandenen Pulvers 3 und/oder Flussmittels 4. Dabei ist der erste Einlauf 6 der ersten Fördereinrichtung 5 mit einem ersten Vorratsbehälter 13 für das Nickelbasis-Superlegierungspulver 3 verbunden. Dieses Verbinden kann beispielsweise über einen einfachen Schlauch erfolgen. Zudem ist der der zweite Einlauf 9 der zweiten Fördereinrichtung 8 mit einem zweiten Vorratsbehälter 14 für Flussmittel 4 verbunden.
Dabei werden jeweils Nickelbasis-Superlegierung 3 und Flussmittel 4 zum Pulverschalter 1 gleichzeitig gefördert und können dort bedarfsweise einzeln oder gekoppelt in eine Mischkammer 2 gefördert werden. Auch können die Vorratsbehälter 13, 14 aber auch separat ansteuerbar sein. Von der Mischkammer 2 aus wird das in der Mischkammer 2 befindliche Gemisch zum Substratwerkstoff 30 gefördert und dort entweder als Pulvergemisch direkt auftraggeschweißt oder lagenweise vorplatziert und umgeschmolzen. Dazu ist der Mischkammerauslass 15 mit einer Auftragsdüse 16, durch welche zudem auch die Laserstrahlung 18 geführt werden kann, verbunden, zum Auftragen des aus der Mischkammer 2 ausgelassenen Pulvers und/oder Flussmittels auf dem Substratwerkstoff 30. Aufgrund der geringeren Dichte schwimmt das Flussmittel während des Umschmelzens auf dem metallischen Schmelzbad auf, so dass es nach dem Umschmelzprozess problemlos entfernt werden kann, bevor eine neue Pulverlage aufgetragen wird. Durch diese Prozessführung ergeben sich kontrollierte Abkühlbedingungen für die Erstarrung der Nickelbasis-Superlegierung 3. Zudem ergibt sich eine große Eindringtiefe der Elektronen in der jeweiligen Pulverlagerschicht, weshalb sich größere Schichtdicken als bei anderen bekannten generativen Verfahren umschmelzen lassen, wie beispielsweise beim selektiven Lasersintern (SLS).
Bei Verwendung eines schnellen Pulverschalters 1 kann zudem der jeweils nicht genutzte Pulvermassenstrom aus dem jeweiligen Auslass 7, 10 wieder austreten in den jeweils dafür vorgesehenen Vorratsbehälter 13, 14 eingeleitet und somit wiederverwendet werden.
Beim Laserstrahl-Auftragschweißen mit einem erfindungsgemäßen schnellen Pulverschalter kann zwischen mindestens zwei Pulvermassenströmen mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung schnell hin- und her geschalten werden, so dass in einer Mischkammer 2 eine gewünschte Mischung an Nickelbasis-Superlegierung 3 und Flussmittel 4 zusammengestellt werden kann. Zudem könnte lagenweise Nickelbasis-Superlegierung 3 und Flussmittel 4 übereinander vorplatziert werden und in einem abschließenden Prozess umgeschmolzen werden.
Erfindungsgemäß ergibt sich somit eine Einsparung von Material als auch eine Verkleinerung der Ausschusszahlen bei Service-Bauteilen.
Ein Anwendungsbeispiel wäre z.B. die Beschichtungsreparatur einer Schaufelspitze (Tip) mit Kronenboden einer Laufschaufelreihe (nicht gezeigt). So könnten die Randbereiche mit einer kleinen Auftragsrate direkt mit hoher Konturgenauigkeit die Füllung mit einem vorplatzierten Pulver und hoher Auftragsrate geschweißt werden.

Claims

Pulverschalter (1) umfassend: – eine Mischkammer (2) zur Aufnahme eines Pulvers und/oder eines Schweißzusatzmittels, insbesondere eines Flussmittels (4), – eine erste Fördereinrichtung (5) zum Führen des Pulvers mit einem ersten Einlauf (6) und einem ersten Auslauf (7) sowie eine zweite Fördereinrichtung (8) mit einem zweiten Einlauf (9) und einem zweiten Auslauf (10) zum Führen des Schweißzusatzmittels, insbesondere des Flussmittels (4), – einen ersten Zumischkanal (11), welcher die erste Fördereinrichtung (5) mit der Mischkammer (2) verbindet zum Zuführen des Pulvers in die Mischkammer (2), – einen zweiten Zumischkanal (12), welcher die zweite Fördereinrichtung (8) mit der Mischkammer (2) verbindet zum Zuführen des Schweißzusatzmittels, insbesondere des Flussmittels (4) in die Mischkammer (2), – einen Mischkammerauslass (15), zum Auslassen des in der Mischkammer (2) vorhandenen Pulvers und/oder Schweißzusatzmittels, insbesondere Flussmittels (4).
Pulverschalter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einlauf (6) der ersten Fördereinrichtung (5) mit einem ersten Vorratsbehälter (13) für Pulver verbunden ist.
Pulverschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einlauf (9) der zweiten Fördereinrichtung (8) mit einem zweiten Vorratsbehälter (14) für Schweißzusatzmittel, insbesondere Flussmittel (4), verbunden ist.
Pulverschalter (1) nach den vorhergehenden Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fördereinrichtung (5) und die zweite Fördereinrichtung (8) separat ansteuerbar sind, so dass sich die zumindest das Pulver und das Schweißzusatzmittel, insbesondere das Flussmittel (4) in einem beliebigen Verhältnis zueinander mischen lassen.
Pulverschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zumischkanal (11) zwischen erstem Einlauf (6) und erstem Auslauf (7) angeordnet ist.
Pulverschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zumischkanal (12) zwischen zweitem Einlauf (9) und zweitem Auslauf (10) angeordnet ist.
Pulverschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Auslauf (7) mit dem ersten Auffangbehälter (13) verbunden ist, zum Aufsammeln des nicht der Mischkammer (2) zugeführten Pulvers.
Pulverschalter (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Auslauf (7) mit dem ersten Auffangbehälter (13) über einen Schlauch und/oder Rohr verbunden ist.
Pulverschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Auslauf (10) mit dem zweiten Auffangbehälter (14) verbunden ist, zum Aufsammeln des nicht der Mischkammer (2) zugeführten Schweißzusatzmittels, insbesondere Flussmittels (4).
Pulverschalter (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Auslauf (10) mit dem zweiten Auffangbehälter (14) über einen Schlauch und/oder Rohr verbunden ist.
Pulverschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (2) zumindest ein Mittel zum Mischen des Pulvers und/oder des Schweißzusatzmittels, insbesondere des Flussmittels (4), aufweist.
Pulverschalter (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel ein in der Mischkammer (2) angebrachtes Rührwerk ist.
Pulverschalter (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel in der Mischkammer (2) angebrachte Schaufeln und/oder Vorsprünge und/oder sonstige Vermischungselemente ist.
Pulverschalter (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel eine von außen gesteuerte Bewegung der Mischkammer (2) bewirkt.
Pulverschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischkammerauslass (15) mit einer Auftragsdüse (16) verbunden ist, zum Auftragen des aus der Mischkammer (2) ausgelassenen Pulvers und/oder Schweißzusatzmittels, insbesondere Flussmittels (4) auf einem Substratwerkstoff (30).
Pulverschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energiequelle zum Erzeugen einer Wärmeeintragszone auf dem Substratwerkstoff (30) vorgesehen ist und der Mischkammerauslass (15) mit einer Schweißdüse verbunden ist, zum Auftragen aus der Mischkammer (2) ausgelassenen Pulvers und/oder Schweißzusatzmittels, insbesondere Flussmittel (4) auf einem Substratwerkstoff (30), wobei die Schweißdüse zudem die Energiequelle aufweist, zur Erzeugung und Zufuhr der Energie, insbesondere einer Laserstrahlung (18).
Pulverschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver eine Nickelbasis-Superlegierungen (3) umfasst.