DE102016107422A1

DE102016107422A1 - Laserauftrags-Oberflächensteuerung unter Verwendung von Flussmittel und Elektrochemie

Info

Publication number: DE102016107422A1
Application number: DE102016107422.5A
Authority: DE
Inventors: Gerald J. Bruck; Ahmed Kamel
Original assignee: Siemens Energy Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2016-10-27
Also published as: CN106191982A; US20160312377A1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung (20) zum Ausbilden einer glatten Metalloberfläche (42) auf ein Metallsubstrat (22). Eine Metallschmelze (32), die unter einer Schicht aus geschmolzener elektrolytischer Schlacke (34) auf dem Metallsubstrat erstarrt, wird einem Gleichstrom (12) zwischen einer Kathode (28) im Kontakt mit der geschmolzenen Schlacke und dem Substrat unterzogen, wodurch eine anodische Einebnung der Oberfläche verursacht wird. Die Kathode kann in einer Schicht aus Flussmaterial (26) vergraben sein, die durch einen das Substrat überquerenden Laserstrahl (30) geschmolzen wird. Ein Füllmaterial (24) kann gleichzeitig in einem additiven Prozess geschmolzen werden. Das Flussmaterial enthält elektrolytische, optisch durchlässige und die Viskosität reduzierende Bestandteile.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren für die Laserherstellung und -reparatur von Metallkomponenten und betrifft insbesondere das elektrochemische Glätten eines erstarrten Schmelzbads durch elektrolytische flüssige Schlacke darauf.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Es ist oftmals erwünscht, auf einem Metallgegenstand eine glatte Oberfläche zu erzeugen, um die Geometrie zu steuern oder die Leistung oder das Aussehen zu verbessern. Metallauftragsprozesse, die ein Flussmaterial verwenden, wie etwa Unterpulverschweißen oder Filtratschweißen, erzeugen manchmal eine vernarbte Oberfläche aufgrund der Ansammlung von Gas wie etwa Kohlenmonoxid an der Grenzfläche zwischen dem geschmolzenen Metall und der Schlacke, das sich aus dem Schmelzen von Flussmittel in der Reaktion mit Kohlenstoff ergibt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Prozesse zum Auftragen von Superlegierungsmaterialien unter Verwendung einer Laserwärmequelle zum Schmelzen von pulverförmigem Superlegierungsmaterial und Flussmittel entwickelt. Siehe beispielsweise die US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. US 2013/0136868 A1. Es wird erwartet, dass einige Anwendungen von solchen flussmittelunterstützen Laserauftragsprozessen für Vernarbung anfällig sein können oder möglicherweise anderweitig eine Nachauftragsverarbeitung erfordern, um eine gewünschte Oberflächenbeschaffenheit zu erzielen.
Das Elektropolieren ist ein elektrochemischer Prozess, der eine Oberfläche eines Metallgegenstands entgratet und glättet, und es ist ein Nachauftragsprozess, der verwendet werden kann, um die Oberfläche eines laseraufgetragenen Materials zu glätten. Die Oberfläche wird in einen Elektrolyten eingetaucht und mit einem positiven Gleichstrom verbunden, wodurch sie zu einer Anode wird. Strom fließt von der Oberfläche zu einer Kathode durch den Elektrolyt über aus der Oberfläche entfernte Metallionen. Grate und andere Vorsprünge werden Bereiche mit hoher Stromdichte und werden bevorzugt erodiert, was zu einem als anodische Einebnung bezeichneten Prozess führt. Dies ist auf vielen Oberflächenformen effektiv einschließlich komplexer hochaufgelöster Oberflächen, die sich für mechanisches Glätten nicht anbieten. Elektropolieren und andere Oberflächenglättungsprozesse erhöhen die Zeit und den Aufwand für beliebige Materialauftragsprozesse, und somit sind weitere Verbesserungen erwünscht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung angesichts der Zeichnungen erläutert, die zeigen:
1 ist eine schematische Vorderschnittansicht einer Vorrichtung gemäß Aspekten der Erfindung.
2 ist eine vergrößerte schematische Vorderschnittansicht einer Vorrichtung gemäß weiteren Aspekten der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben sich eine Technik ausgedacht für das Elektropolieren von neu erstarrtem Metall, das während einer Lasermaterialauftragsreparatur oder -herstellung ausgebildet wurde, unter Verwendung von geschmolzenem Flussmittel/geschmolzener Schlacke auf dem Auftrag als dem Elektrolyt. Der kombinierte flussmittelunterstützte Laserauftrags-/Elektropolierprozess kann eine glattere Oberfläche bei geringeren Kosten auf einem kürzeren Zeitplan herstellen als sequenzielle Auftrags-/Glättungsprozesse nach dem Stand der Technik.
1 ist eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung 20, die an einem Substrat 22 arbeitet, gemäß Aspekten der Erfindung. Eine Schicht 24 aus einem Füllmaterial kann auf einer Oberfläche 23 des Substrats platziert werden. Eine Flussmittelschicht 26 wird auf der Füllmittelschicht 24 oder direkt auf dem Substrat für eine nichtadditive Reparatur platziert. Eine feuerfeste Kathode 28 wird in Kontakt mit dem Flussmittel platziert. Die Kathode ist ein elektrischer Leiter mit einem höheren Schmelzpunkt als der Laserverarbeitungstemperatur, die die Kathode erreicht – beispielsweise höher als der Schmelzpunkt des Füllmaterials 24. Zu beispielhaften Kathodenmaterialien zählen Niob, Molybdän, Tantal, Wolfram und Rhenium. Die Kathode kann als mehrere Drähte im Flussmittel ausgebildet sein. Räume zwischen den Drähten gestatten das Eindringen von Laserwärme zu dem Füllmaterial 24 oder dem Substrat. Beispielsweise können die Drähte parallel sein oder ein Gitter mit Zwischenräumen bilden. Die Kathode 28 und das Substrat (Anode) 22 sind mit einer DC-Stromquelle 12 verbunden, wie dargestellt. Ein Laserstrahl 30 wird auf das Flussmittel 26 gerichtet, wodurch ein Schmelzbad 32 aus Füllmaterial und/oder Substratmetall erzeugt wird, von geschmolzenem Flussmaterial bedeckt, was eine geschmolzene Schlacke 34 bildet. Der Laserstrahl 30 bewegt sich in einer relativen Richtung 36 über dem Flussmittel 26, wodurch das Schmelzbad und geschmolzene Schlacke zurückbleibt, um zu einem erstarrten Auftrag 38 und erstarrter Schlacke 40 zu erstarren. Das Schmelzbad besitzt möglicherweise eine höhere Erstarrungstemperatur als die geschmolzene Schlacke, so dass das Schmelzbad 32 zuerst erstarrt, wodurch eine Zone E zurückbleibt, wo der erstarrte Auftrag 38 von geschmolzener Schlacke 34 bedeckt ist. Alternativ erstarrt das Schmelzbad 32 möglicherweise zuerst ungeachtet seiner Erstarrungstemperatur relativ zu der der geschmolzenen Schlacke aufgrund des Wärmetransfers in das Substrat 22. Unter dem Einfluss der DC-Stromquelle 12 ermöglicht das Gebiet E aus geschmolzener Schlacke 34 über dem erstarrten Auftrag 38 eine Periode des Elektropolierens (anodische Einebnung) 10 der erstarrten Oberfläche 42 des abgeschiedenen Füllmaterials (oder Substratmaterials für nicht additive Ausführungsformen), bis die Schlacke erstarrt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Flussmittelzusammensetzungen offenbart, die sich für den Laserauftrag von Superlegierungsmaterial eignen. Siehe die hier durch Bezugnahme aufgenommene US-Patentanmeldungsveröffentlichung US 2015/0027993 A1. Das Flussmittel 26 der vorliegenden Erfindung enthält elektrolytische Bestandteile, die bei den Laserverarbeitungstemperaturen des Füllmaterials flüssig sind. Beispielsweise kann das Flussmittel flüssige Schlacke in einem Temperaturbereich über 1300°C bei einem atmosphärischen Druck von 1013 Millibar bilden. Eine Ausführungsform des Flussmittels kann eines oder mehrere der Folgenden enthalten:

a) 40–80 Gew.-% CaF₂
b) 5–40 Gew.-% Al₂O₃
c) 1–15 Gew.-% SiO₂
d) > 0–20 Gew.-% MnO
e) > 0–15 Gew.-% CaO
f) > 0–7 Gew.-% MgO
g) > 0–7 Gew.-% TiO₂
h) > 0–10 Gew.-% Fe₂O₃ und/oder Fe₃O₄

Bei einer weiteren Ausführungsform wird keine Füllmittelschicht 24 bereitgestellt. Das Schmelzbad 32 wird durch Schmelzen der Oberfläche 23 des Substrats 22 zur Rissreparatur und Oberflächenrestauration ausgebildet. Legierungsbestandteile, die nahe der Oberfläche des Substrats erschöpft worden sind, wie etwa Aluminium, können durch Bestandteilshinzufügungen in dem Flussmittel 26 als reine Elemente, Metallverbindungen oder Legierungen und in verschiedenen Formen einschließlich Pulver und Folie wiederhergestellt werden.
2 veranschaulicht schematisch den Laserstrahl 30, der eingeschaltet wird A und ausgeschaltet wird B, während er jeweils zwischen oder über den Drähten der feuerfesten Kathode 28 entlangfährt. Die Räume zwischen den Drähten der Kathode gestatten dem Laserstrahl, durch das Flussmittel zum Füllmittelmetall 24 oder zum Substrat 22 einzudringen, ohne direkt auf die Drähte der Kathode 28 aufzutreffen, die über angelegten elektrischen Strom 12 das Elektropolieren 10 bewerkstelligen.
Es ist vorteilhaft, das Flussmittel für Laserlicht optisch transparent oder durchscheinend zu machen, wie von dem Erfinder der vorliegenden Erfindung in der US-Patentanmeldungsveröffentlichung US 2014/0220374 A1 beschrieben, die hier ebenfalls durch Bezugnahme aufgenommen ist. Dies kann erfolgen durch Bilden des Flussmittels aus optisch durchlässigen Bestandteilen in einem Bereich von 5–60 Gew.-% oder 20–40 Gew.-% als Beispiele. Zu optisch durchlässigen Bestandteilen zählen Metalloxide, Metallsalze, Metallsilikate und verschiedene Fluoride. Zu Beispielen zählen Aluminiumoxid (Al₂O₃); Siliziumoxid (SiO₂); Zirconiumoxid (ZrO₂); Natriumsilikat (Na₂SiO₃); Kaliumsilikat (K₂SiO₃); Zinkselenid (ZnSe); Magnesium-, Kalzium- und Bariumfluoride (MgF₂, CaF₂, BaF₂); und andere Verbindungen, die Laserenergie optisch übertragen können, wie beispielsweise aus Nd:YAG und Yb-Faserlasern. Einige optisch durchlässige Bestandteile sind auch elektrolytische Bestandteile. Die folgende Liste liefert beispielhafte Bereiche von Bestandteilen für ein Flussmittel, das sowohl optisch durchlässig als auch elektrolytisch ist:

a) 40–80 Gew.-% CaF₂
b) 5–40 Gew.-% Al₂O₃
c) 1–15 Gew.-% SiO₂

Es ist auch vorteilhaft, wenn die geschmolzene Schlacke eine geringe Viskosität aufweist, um die Einebnung der Oberfläche 23 des Auftrags durch Oberflächenspannung zu erleichtern und/oder durch Erleichtern der Freisetzung von Gasen von der Grenzfläche des geschmolzenen Metalls und des Flussmittels. Die Viskosität kann reduziert werden, indem in das Flussmittel ein oder mehrere die Viskosität reduzierende Bestandteile aufgenommen werden, was insgesamt einen größeren Anteil ergibt als etwaige, die Viskosität erhöhende Bestandteile wie etwa Al₂O3₃, TiO₂F und SiO₂. Die Viskosität erhöhende Bestandteile (hier VIC) bilden ein Netzwerk aus kovalenten Bindungen, während die Viskosität reduzierende Bestandteile (hier VRC) die Bildung eines derartigen Netzwerks stören. Solche Eigenschaften von Materialien können in erhältlichen Handbüchern und Online-Ressourcen gefunden werden, wie etwa durch den Internationalen Berufsverband ASM bereitgestellt.

Zu Beispielen für die Viskosität reduzierende Bestandteile zählen eines oder mehrere von CaO, MnO, Fe₂O₃, CaF₂, Na₃AlF₆, MgO, Na₂O (höchstens 5 Gew.-%) und K₂O (höchstens 5 Gew.-%). Einige beispielhafte Bereiche von Niedrigviskosen, optisch durchlässigen elektrolytischen Flussmitteln sind in der folgenden Tabelle gezeigt. Allgemein kann das Flussmittel ein oder mehrere elektrolytische Bestandteile enthalten; einen oder mehrere optisch durchlässige Bestandteile (OTC) einschließlich etwaiger elektrolytischer Bestandteile, die ebenfalls optisch durchlässig sind; und einen oder mehrere, die Viskosität reduzierende Bestandteile (VRC), die insgesamt ein größeres Gewichtsprozent als etwaige, die Viskosität erhöhende Bestandteile (VIC) ergeben.

Ausführungsform	Elektrolyt Gew.-%	Optisch durchlässig (OTC)	Viskosität reduzierend (VRC)
A	40–80% CaF₂	Im Elektrolyt enthalten, kann aber auch andere OTCs enthalten, z. B. MgF₂ und BaF₂.	VRC > VIC
B	5–40% Al₂O₃	Im Elektrolyt enthalten	VRC > VIC
C	1–15% SiO₂	Im Elektrolyt enthalten	VRC > VIC

TABELLE 1

Beispielsweise kann in einer Ausführungsform das Flussmittel 1–15 Gew.-% SiO₂ als eine optisch durchlässige und elektrolytische Komponente; und mindestens eine weitere elektrolytische Komponente, ausgewählt aus der Gruppe aus CaO und MgO; und einen die Viskosität reduzierenden Anteil einer oder mehrerer Komponenten einschließlich CaF₂ mit einem Gesamtgewichtsprozent größer als einem Gesamtgewichtsprozent beliebiger und aller, die Viskosität erhöhender Komponenten im Fluss umfassen.
Nach dem Kühlen der Vorrichtung 20 nach der Laserverarbeitung wird die Schlacke entfernt, um die glatte Oberfläche bloßzulegen. Die Kathode 28 ist in der erstarrten Schlacke 40 eingeschlossen und sie kann das Entfernen der Schlacke vom Substrat 22 erleichtern. Die Kathode 28 kann wiederverwendet werden, indem die brüchige Schlacke mechanisch von der Kathode 28 abgebrochen wird.
Die Erfindung überwindet die folgenden Hindernisse:

a) Elektrolyte, die für das Elektropolieren nach dem Stand der Technik verwendet werden, Verdampfen bei den Laserverarbeitungstemperaturen von geschmolzenem Metall. Zu beispielhaften herkömmlichen Elektrolyten zählen Mischungen aus Schwefelsäure und Phosphorsäure, Perchlorate mit Essigsäureanhydrid und methanolische Lösungen von Schwefelsäure.
b) Herkömmliche Kathodenmaterialien wie etwa Blei, Kupfer und rostfreier Stahl würden bei den Laserverarbeitungstemperaturen von Hochtemperatursuperlegierungen schmelzen.
c) Eine Kathode in dem Flussmittel oder der geschmolzenen Schlacke könnte den zum Schmelzen des Füllmittels oder des Substrats verwendeten Laserstrahl blockieren und kann durch den Strahl beschädigt werden.

Wenngleich verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier gezeigt und beschrieben worden sind, ist es offensichtlich, dass solche Ausführungsformen nur beispielhaft vorgelegt werden. Zahlreiche Variationen, Änderungen und Substitutionen können vorgenommen werden, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass die Erfindung nur durch den Gedanken und Schutzbereich der beigefügten Ansprüche beschränkt ist.

Claims

Anordnung, umfassend: einen Laserstrahl (30), der ein Metallschmelzbad (32) erzeugt, während er sich über ein Metallsubstrat bewegt; ein Flussmittel (26), das bei einer Flüssigkeitstemperatur des Schmelzbads (32) eine elektrolytische flüssige Schlacke (34) auf dem Schmelzbad (32) bildet und auf einem erstarrten Metall flüssig bleibt, das durch Erstarrung des Schmelzbads (32) gebildet wird, während sich der Laserstrahl (30) bewegt; und eine elektrische Schaltung umfassend eine Kathode (28) in Kontakt mit der flüssigen Schlacke und eine Verbindung zum Substrat, die das erstarrte Metall zu einer Anode (22) macht; wobei eine anodische Einebnung eine Oberfläche des erstarrten Metalls während einer Periode ermöglicht wird, wenn die flüssige Schlacke (34) darauf flüssig bleibt.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Flussmittel (26) mindestens eines aus der folgenden Gruppe umfasst: a) 40–80 Gew.-% CaF₂ b) 5–40 Gew.-% Al₂O₃ c) 1–15 Gew.-% SiO₂ d) > 0–20 Gew.-% MnO e) > 0–15 Gew.-% CaO f) > 0–7 Gew.-% MgO g) > 0–7 Gew.-% TiO₂ h) > 0–10 Gew.-% Fe₂O₃ und/oder Fe₃O₄
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Flussmittel (26) Folgendes umfasst: 1–15 Gew.-% SiO₂ als eine optisch durchlässige und elektrolytische Komponente; mindestens eine elektrolytische Komponente ausgewählt aus der Gruppe aus CaO und MgO; und einen Anteil einer oder mehrerer, die Viskosität reduzierender Komponenten einschließlich CaF₂, wobei der Anteil ein Gesamtgewichtsprozent größer als ein Gesamtgewichtsprozent beliebiger und aller die Viskosität erhöhender Komponenten in dem Flussmittel (26) besitzt.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Kathode (28) mehrere Drähte mit Räumen dazwischen für das Eindringen des Laserstrahls (30) durch das Flussmittel (26) umfasst.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Kathode (28) einen Schirm im Flussmittel (26) mit Zwischenräumen darin für das Eindringen des Laserstrahls (30) dorthindurch umfasst.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Kathode (28) mindestens eines von Niob, Molybdän, Tantal, Wolfram und Rhenium umfasst; und wobei das Schmelzbad (32) ein Füllmaterial (24) umfasst.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Flussmittel (26) umfasst: einen oder mehrere elektrolytische Bestandteile; einen oder mehrere optisch durchlässige Bestandteile; und einen oder mehrere, die Viskosität reduzierende Bestandteile; und wobei die die Viskosität reduzierenden Bestandteile insgesamt ein größeres Gewichtsprozent als ein Gesamtgewichtsprozent von beliebigen, die Viskosität erhöhenden Bestandteilen im Flussmittel (26) ergeben.
Anordnung nach Anspruch 7, wobei die beliebigen, die Viskosität erhöhenden Bestandteile eines oder mehrere von Al₂O3₃, TiO₂ und SiO₂ umfassen; und wobei der eine oder die mehreren, die Viskosität reduzierenden Bestandteile ausgewählt sind unter CaO, MnO, Fe₂O₃, CaF₂, Na₃AlF₆, MgO, Na₂O und K₂O.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Flussmittel (26) eine der folgenden Ausführungsformen umfasst: Ausführungsform Elektrolyt Gew.-% Optisch durchlässig (OTC) Viskosität reduzierend (VRC) A 40–80% CaF₂ Im Elektrolyt enthalten, kann aber auch andere OTCs enthalten, z. B. MgF₂ und BaF₂. VRC > VIC B 5–40% Al₂O₃ Im Elektrolyt enthalten VRC > VIC C 1–15% SiO₂ Im Elektrolyt enthalten VRC > VIC
Flussmittel-(26)-Zusammensetzung für die Laserverarbeitung eines Metallsubstrats (22), wobei die Flussmittel-(26)-Zusammensetzung mindestens einen elektrolytischen Bestandteil; mindestens einen optisch durchlässigen Bestandteil; und mindestens einen, die Viskosität reduzierenden Bestandteil umfasst, wobei der mindestens eine, die Viskosität reduzierende Bestandteil ein Gesamtgewichtsprozent größer als ein Gesamtgewichtsprozent von beliebigen und allen, die Viskosität erhöhenden Bestandteilen im Flussmittel (26) umfasst.