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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Nr. 14/860002, die am 21. September 2015 eingereicht worden ist und die hiermit durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der additiven Fertigung und insbesondere ein Aufbauen einer Komponente aus gegossenem Superlegierungsmaterial durch Schweißen von Schichten aus bandgegossenem Superlegierungsmaterial mit einer Toleranz in dem Aufbau, damit schweißbedingtes Schrumpfen ohne Einschränkung auftreten kann.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gasturbinenmaschinenkomponenten arbeiten in extrem rauen Umgebungen und dies erfordert oft, dass sie unter Verwendung von Superlegierungsmaterialien hergestellt werden. Es ist schwierig, Superlegierungen in einer Weise zu gießen, die einheitliche Eigenschaften in der gesamten Komponente erzielt. Dies hängt weitgehend mit der Herausforderung zusammen, während des Gießvorgangs mit einer gleichmäßigen Rate über den gesamten Querschnitt des Teils genügend Wärme aus der Schmelze zu entfernen. Typischerweise verfestigt sich die Mitte des Teils zuletzt, weil Wärme von der Peripherie der Schmelze extrahiert wird. Ein ähnliches Problem tritt beim Schweißen von Superlegierungen auf, bei dem sich die Schweißungsmittellinie zuletzt verfestigt und Probleme mit Mittellinienabtrennungen und Schrumpfung zu Verfestigungsrissen führen können.
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Teilspezifisches Gießen ist außerdem arbeitsintensiv, zeitaufwändig und teuer. Typische Schritte zum Erzeugen einer speziellen Gussgeometrie umfassen: Herstellen von Formen, Wachsinjektion, Aufbau an einem Anguss, Schalenbauen (Beschichten mit Keramikaufschlämmung und Sandstuck), Trocknen, Wachsentfernung in einem Autoklaven, Ofenbrennen, Formfüllung mit Metall, Schalenentfernung, Stegentfernung und abschließendes Sandstrahlen und maschinelles Bearbeiten.
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Jüngst ist einem selektiven Laser-Schmelzen (SLM) zum Aufbauen von Teilen durch additive Fertigung einiges Interesse zuteil geworden. Das SLM-Verfahren ist jedoch relativ langsam, auf ein Aufbauen in einer horizontalen Ebene (z. B. keines Teils, das sich nach oben über die Ebene hinaus erstreckt) beschränkt und auf eine Feinkornstruktur beschränkt. SLM führt zudem zu Eigenschaften, die in der Richtung des Aufbauens anders sind als in anderen Richtungen.
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Folglich verbleibt im Stand der Technik Platz für durchgängig einheitliche, vorhersagbare und sogar maßgeschneiderte Eigenschaften in einer Superlegierungskomponente sowie ein Bedarf an einer schnelleren Teilproduktion.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht, die die Addition einer Schicht in einem additiven Fertigungsprozess darstellt,
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2 eine Draufsicht, die die Addition einer Schicht in einem alternativen Ausführungsbeispiel des additiven Fertigungsprozesses von 1 darstellt,
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3 eine Seitenansicht, die die Addition einer Schicht in einem alternativen Ausführungsbeispiel des additiven Fertigungsprozesses darstellt,
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4 eine Draufsicht, die die Addition der Schicht von 3 darstellt,
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5 eine Seitenansicht, die die Addition einer weiteren Schicht des alternativen Ausführungsbeispiels von 3 darstellt,
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6–8 ein alternatives Ausführungsbeispiel des Prozesses des Ausbildens der weiteren Schicht von 5.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat einen einzigartigen und innovativen Ansatz zum additiven Fertigen einer Komponente unter Verwendung von gegossenem Superlegierungsmaterial entwickelt, der die Nachteile, die mit existierenden Techniken verbunden sind, überwindet. Der Erfinder hat erkannt, dass dünnere Querschnitte aus Superlegierung weniger anfällig für Mittellinien-Gussprobleme sind, da sie sich über ihren schmalen Querschnitt gleichmäßiger verfestigen. Folglich bietet ein als Bandgießen bekannter Prozess eine schnellere und einheitlichere Kühlung, eine Verfeinerung der Mikrostruktur und eine verbesserte Einheitlichkeit der Zusammensetzung. Das hier offenbarte Verfahren nutzt diese Eigenschaften und beseitigt auch die mit Superlegierungen verknüpften Schweißrisse. Das Ergebnis ist ein additiver Fertigungsprozess, der eine Superlegierungskomponente mit einer Gusslegierungskornstruktur erzeugt und gleichzeitig Probleme, die normalerweise mit dem Gießen verbunden sind, vermeidet. Der Prozess verwendet relativ preiswertes, in großen Mengen bandgegossenes Superlegierungs-Substratmaterial.
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Das hier offenbarte Verfahren schlägt vor, vollständig gegossene Teile in einer additiven Weise zu fertigen. Das Verfahren umfasst ein Aufschichten von gegossenem Superlegierungs-Bandmaterial, um die Teile in einem additiven Prozess aufzubauen. Das Gussmaterial hat im Vergleich zu schmiedbarem Material überlegene Eigenschaften. Darüber hinaus verwendet die vorliegende Erfindung definierte Lücken um die Bänder, um eine nachfolgende Schweißschrumpfung aufzufangen (z. B. eine Einschränkung zu mildern), wenn jedes Band mit sich selbst und/oder mit einer darunterliegenden Unterkomponente (die andere Schichten aus bandgegossenem Superlegierungsmaterial umfassen kann) verschweißt wird. Die geschweißte Komponente steht dann für die abschließende Bearbeitung und Wärmebehandlung zur Verfügung. Strukturelle Details in einer beliebigen gegebenen Bandschicht oder zwischen vorgegebenen Bandschichten können durch Vorformen des Bandes oder durch einen Zwischenbearbeitungsschritt erreicht werden. Solche Details umfassen z. B. Taschen, Löcher, Kanäle/Durchgänge usw. Bestimmte solche Details können so fein, kompliziert und komplex sein, dass sie nicht durch herkömmliche Gießpraktiken erreicht werden konnten. Eine schrittweise, additiv geschichtete Bauweise, wie sie hier beschrieben ist, bietet eine einzigartige Möglichkeit, interne Fertigungsdetails einzubringen, die in gegossenen Komponenten niemals zuvor möglich waren. Solche Durchgänge könnten durchgängig sein oder könnten Stichkanäle sein und könnten einer beliebigen Anzahl von Funktionen einschließlich Kühlung, Temperaturmessung, Spannungsmessung, Inspektion usw. dienen.
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Ein Vermindern der Schrumpfspannung (ein Beseitigen oder Verringern der Spannung im Vergleich zu vollständig eingespannten Schweißen), die mit dem Schweißen der Superlegierungsschichten verbunden ist, erleichtert das Vermeiden von Schweißverfestigungsrissen und Schweißnachwärmungsrissen. Dies kann in vielfältiger Weise, abhängig von der Geometrie der Schicht und ihrer Position in der zu bildenden Komponente, erreicht werden.
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1 ist eine Querschnittsansicht, die die Addition einer Schicht 10 zu einer Unterkomponente 12 in einem additiven Fertigungsprozess darstellt. Wie hier verwendet ist die Unterkomponente 12 irgendein unfertiger Teil einer Komponente, zu der die Schicht 10 hinzugefügt wird. Die Unterkomponente 12 kann vollständig aus anderen Schichten aus bandgegossenem Superlegierungsmaterial bestehen. Alternativ kann die Unterkomponente 12 Nicht-Superlegierungsmaterial oder eine Mischung aus anderen bandgegossenen Superlegierungsschichten und Nicht-Superlegierungsmaterial umfassen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Unterkomponente 12 eine weitere Schicht aus bandgegossenem Superlegierungsmaterial einschließlich einer Schweißung 14.
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Die Schicht 10, die hinzugefügt wird, umfasst zwei Stücke 16 mit einem überdimensionierten Vorschweißprofil 18, wie es durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Das Vorschweißprofil 18 bildet eine Lücke 20 zwischen der Unterkomponente 12 und der Schicht 10. Beim Stumpfschweißen der beiden Stücke 16 bewirkt eine Schweißschrumpfung quer zu den Stößen 30 (wie durch die Pfeile dargestellt), dass die Schicht 10 kleiner wird, wodurch die Lücke 20 verringert oder beseitigt wird, wie es durch die durchgezogene Linie gezeigt ist, die ein Nachschweißprofil 32 angibt. Die Lücke 20 fängt daher die Schrumpfung ab, weil sie die Schweißung 14 in der Schicht 10 schrumpfen lässt, ohne dass sie von der Unterkomponente 12 eingeschränkt wird. Ohne die Lücke 20 würde die Schicht 10 anfangen zu schrumpfen, würde aber durch die Unterkomponente 12, die bereits in einer endgültigen Form vorliegen kann, daran gehindert werden.
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Wenn sie durch die Unterkomponente 12 eingespannt wird, würde die Schweißung 14 eine zusätzliche Spannung erfahren, die zu einem Schweißverfestigungsriss und einem Schweißnachwärmungsriss führen könnte. Der Prozess kann wiederholt werden, um zusätzliche Schichten hinzuzufügen.
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Obwohl eine konzentrische Umwicklung mit zwei miteinander stoßverschweißten Stücken gezeigt ist, können auch andere Arten von Schichtanordnungen verwendet werden, einschließlich Spiralwicklungen, die mit Kehlnaht verschweißt sind, und Spulenwicklungen usw. Es ist auch möglich, die Dicken von überlappenden Schichten zu variieren. Ferner ist auch ein lokales Variieren der Dicke der Komponente durch Variieren der Größe und Form der Schicht möglich. Weiterhin ist ein Variieren des Materialtyps einer Schicht oder eines Teils einer Schicht möglich, um gewünschte Eigenschaftsänderungen zu vermitteln.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Lücke 20 genügend Schrumpfung auffangen, um zu verhindern, dass Schweißverfestigungsrisse und Schweißnachwärmungsrisse auftreten, kann jedoch eine gewisse Einschränkung der Schrumpfung ermöglichen. Dies kann vorteilhaft sein, wenn eine Vorspannung erwünscht ist. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann die Schicht 10 eine gewisse Vorspannung erfahren, während die Unterkomponente 12 eine gewisse Vorverdichtung erfahren kann. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann die Schweißschrumpfung anfänglich durch die Unterkomponente 12 ungehindert sein, und danach kann die Unterkomponente 12 jegliche restliche Schrumpfung zurückhalten. Die Spannung in der Schweißung wird niedriger sein als in einer Schweißung, die vollständig zurückgehalten wird. Beispielsweise könnte die Vorspannung der innersten Schicht und die Einführung von Druckspannungen von Vorteil sein, wenn der Innenraum eine Leitung für Fluid darstellt, die ansonsten Spannungskorrosions-Rissbildung (durch Zugspannung induziert) verursachen würde.
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Bei einem Ausführungsbeispiel, in dem die Unterkomponente 12 ebenfalls durch Stumpfschweißen von bandgegossenem Superlegierungsmaterial ausgebildet wird, können die Stücke 16 der Unterkomponente 12 ebenso vor dem Schweißen überdimensioniert werden, um ein gewünschtes Nachschweißprofil 34 zu erzeugen. Alternativ kann die Unterkomponente 12 auch maschinengefertigt, unter Verwendung anderer Gießverfahren (z. B. Wachsausschmelzen) gegossen oder geschmiedet, extrudiert usw. sein. Sobald die Schicht 10 zu der Unterkomponente 12 hinzugefügt worden ist, wird die Schicht 10 als Teil der Unterkomponente betrachtet, zu der eine nächste Schicht hinzugefügt wird. Der Prozess des Addierens von Schichten wiederholt sich, bis die Komponente fertig ist.
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Die Schicht 10 kann mit der Unterkomponente 12 verschweißt werden. Beispielsweise kann die Schweißung 14 die Stücke 16 zusammenfügen und kann die Schicht 10 mit der Unterkomponente 12 zusammenfügen. Alternativ kann die Schicht 10 an die Unterkomponente 12 ungebunden bleiben. Dies kann auf beliebig viele Weisen erreicht werden. Beispielsweise kann die Unterkomponente 12 eine Vertiefung 36 neben der Schweißung 14 in der Schicht 10 aufweisen. In einem solchen Ausführungsbeispiel würde die Schweißung 14 die Stücke 16 der Schicht 10 zusammenfügen, würde aber nicht die Schicht 10 mit der Unterkomponente zusammenfügen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wären die Schweißungen 14 in der Unterkomponente gegenüber den Schweißungen 14 in der Schicht 10 versetzt, d. h. in Durchgangsdickenrichtung nicht benachbart zueinander. Die Vertiefung 36 kann beispielsweise durch maschinelle Bearbeitung ausgebildet sein.
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Das Zusammenfügen der Schicht 10 mit der Unterkomponente 12 kann dadurch leicht erreicht werden, dass einfach auf die Vertiefung 36 verzichtet wird, wodurch bewirkt wird, dass die Schweißung Material aus der Schicht 10 und der Unterkomponente 12 und gegebenenfalls zusätzliches Füllmetall aufnimmt und diese metallurgisch miteinander verbindet. In verschiedenen Ausführungsformen können die Schweißungen 14 von einer Schicht zur nächsten aufeinander ausgerichtet sein oder nicht.
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Die Schicht 10 und die Unterkomponente 12 in 1 können eine Komponentenwand 40 bilden, die einen Hohlraum 42 umschließt. Dementsprechend kann das hier offenbarte additive Fertigungsverfahren verwendet werden, um einen Druckbehälter wie etwa einen Kessel zu bilden. In ähnlicher Weise kann das Verfahren verwendet werden, um ein Strömungsprofil einer Laufschaufel oder einer Leitschaufel einer Gasturbinenmaschine oder eines Heißgaswegkanals wie etwa eines Übergangskanals zu bilden. In einer Komponente, in der eine Außenwand 44 heißen Gasen ausgesetzt ist, wie beispielsweise wenn die Komponentenwand 40 ein Strömungsprofil einer Laufschaufel oder einer Leitschaufel bildet, kann die Anordnung besonders vorteilhaft sein. Wenn die Außenwand 44 den heißen Gasen ausgesetzt ist, kann sie sich relativ zu einer Innenwand 46 thermisch ausdehnen. Diese relative thermische Ausdehnung kann einen Kühlkanal 50 bilden, der Kühlfluide führen kann. Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 kann der Kühlkanal 50 in natürlicher Weise an einer Vorderkante 52 des Strömungsprofils angeordnet sein, vorteilhafterweise genau dort, wo ein hoher Kühlbedarf besteht. Ferner würde eine Größe des Kühlkanals 50 in Abhängigkeit von einer Temperaturdifferenz zwischen der Außenwand 44 und der Innenwand 46 variieren. Diese Eigenschaft kann verwendet werden, um die Menge des verwendeten Kühlfluids zu drosseln, wodurch ein selbstregulierender Kühlkanal bereitgestellt wird.
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Eine minimale Menge an Kühlung kann durch Erzeugen anderer Kühlkanäle bereitgestellt werden. Eine Nut 54 kann in eine Oberfläche 56 der Schicht 10, eine Oberfläche 58 der Unterkomponente 12 oder in beide eingearbeitet werden. Nach dem Zusammenbau bilden die Schicht 10, die Unterkomponente 12 und die Nut 54 einen Kühlkanal 60. Die Vertiefung 36 kann ebenfalls zum Kühlen verwendet werden. Die Oberfläche 56 der Schicht, die Oberfläche 58 der Unterkomponente 12 oder beide können aufgeraut sein, um einen Kühlkanal 70 zu bilden. Eine Einsatzvertiefung 72 kann zwischen der Schicht 10 und der Unterkomponente 12 ausgebildet sein und ein Einsatz 74 kann darin angeordnet sein. Der Einsatz 74 kann Kühlkanäle 76 oder andere Kühlmerkmale wie etwa Stolperrippen, Turbulatoren usw. enthalten, die den Kühlfluss in den Kühlkanälen 76 führen/beeinflussen.
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Wenn sie nicht mit der Unterkomponente 12 verschweißt ist, kann die Schicht 10 durch eine mechanische Verriegelung an ihrem Platz gehalten werden. Beispielsweise kann die äußere Schicht 44 eines Strömungsprofils relativ zu der inneren Schicht 46 frei schwebend belassen werden, aber die Bewegung kann durch eine Laufschaufelplattform oder eine Leitschaufelverkleidung begrenzt sein.
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Die Schichten 10 können nach Bedarf selektiv aufgebracht werden. Dies ist in 2 ersichtlich, in der die Schicht 10 auf einen Teil der Unterkomponente 12 aufgebracht ist. Hierbei wird die Schicht 10 metallurgisch mit der Unterkomponente 12 verbunden (z. B. mit einer Kehlnaht verschweißt). Ähnlich wie bei dem Prozess von 1 ist die Schicht 10 überdimensioniert und bildet die Lücke 20, um die Schrumpfung aufzufangen. Das selektive Aufbringen der Schichten 10 ermöglicht mehr Struktur dort, wo sie benötigt wird, ohne eine unnötige Struktur dort einzubringen, wo sie nicht benötigt wird, wodurch Gewicht und Kosten eingespart werden können und das Ausbalancieren einer Komponente erleichtert werden kann. Dort, wo die Schweißung 14 die Schicht 10 mit der Unterkomponente 12 wie in 2 gezeigt verbindet, ist die Schicht 10 an der Schweißung 14 fixiert und wird sich natürlich ausdehnen, um den Kühlkanal 50 an einer gewünschten Stelle, wie beispielsweise an einer Vorderkante 52 eines Strömungsprofils, zu bilden.
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3 zeigt eine Seitenansicht einer Komponente wie etwa eines Flansches für einen Druckbehälter, einer Plattform für eine Laufschaufel oder einer Ummantelung für eine Leitschaufel usw. Die Unterkomponente 12 (z. B. ein Rohr oder Strömungsprofil) definiert wieder einen Hohlraum 42, die Schicht 10 ist jedoch quer zu dem Hohlraum 42 und einer Längsachse 80 der Unterkomponente 12 ausgerichtet. Die Schicht 10 umfasst ein überdimensioniertes Vorschweißprofil 18, das schrumpft, um das Nachschweißprofil 32 zu bilden.
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4 zeigt die Schicht 10 und die Unterkomponente 12 von 3 in einer Draufsicht. Die Schicht 10 umfasst mehrere Stücke, die über Stumpfschweißungen an den Rändern 82 miteinander verbunden sind und über Eck-/T-Verbindungs-Schweißungen an einem Innenumfang 84 mit der Unterkomponente 12 verbunden sind. Beim Schweißen verursacht die Schrumpfung quer zu den Stößen (wie durch die Pfeile gezeigt), dass die Schicht 10 von dem Vorschweißprofil 18 zu dem Nachschweißprofil 32 schrumpft. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Unterkomponente 12 eine Nut (nicht gezeigt) umfassen, in die der Innenumfang 84 schrumpfen kann, wodurch ein mechanisches Hindernis erzeugt wird, das die Schicht 10 vor dem Schweißen an Ort und Stelle halten könnte. In diesem Fall kann die Schweißung 14 an dem Innenumfang 84 optional sein.
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In 5 werden die Schicht 10 und die Unterkomponente 12 von 3–4 zu der Unterkomponente, zu der eine neue Schicht 10 hinzugefügt wird. In dem Fall eines Flansches für einen Druckbehälter kann das Hinzufügen der Schicht 10 den Flansch aufbauen. In dem Fall einer Laufschaufel kann das Hinzufügen der Schicht 10 die Plattform aufbauen. In dem Fall einer Leitschaufel kann das Hinzufügen der Schicht 10 die Ummantelung aufbauen.
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Beim Hinzufügen einer Schicht 10 zu einer Unterkomponente 12 so, dass die Schicht 10 in zwei verschiedenen Richtungen schrumpfen kann, z. B. einer radialen Einwärtsrichtung 86 und einer Querrichtung 88, kann eine zusätzliche Toleranz erforderlich sein, um die unterschiedlichen Schrumpfungen aufzufangen. Ähnlich wie in 4 kann die Schicht 10 in 5 mehrere Stücke 16 umfassen, die überdimensioniert sind. Zusätzlich sind sie in einem geringen Winkel 90 zu einem Querabschnitt 92 der Unterkomponente 12 geneigt, wie es durch das Vorschweißprofil 18 gezeigt ist. Beim Stumpfschweißen der Ränder 82 miteinander, beim Eck-/T-Verbindungs-Schweißen des Innenumfangs 84 mit der Komponentenwand 40 und beim Randschweißen eines Außenumfangs 94 der Schicht 10 mit einem Außenumfang 96 des Querabschnitts 92 der Unterkomponente 12 führt die kombinierte Schrumpfung dazu, dass die Schicht 10 von dem Vorschweißprofil 18 zu dem Nachschweißprofil 32 schrumpft.
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Es ist zu beachten, dass, obwohl Aufbaulücken in der Schicht 10 helfen, eine Schrumpfungseinschränkung zu vermeiden, eine zunehmende Einschränkung auftreten kann, wenn mehr und mehr Schweißungen durchgeführt werden. Beispielsweise kann die erste Schweißung vollständig frei schrumpfen und die Stücke 16 frei zusammenziehen. Das letzte Schweißen kann jedoch durch die Unterkomponente 12 etwas zurückgehalten werden. Im Prinzip kann dies vermieden oder vermindert werden, indem mehrere Energiequellen verwendet werden, um das Schweißen so durchzuführen, dass alle Schweißungen und alle Schrumpfungen gleichzeitig auftreten. Es kannten mehrere Lichtbogenschweißbrenner, mehrere Laserstrahlen, zeitlich verzahnte Laserstrahlen, mehrere Widerstandsschweißungen usw. verwendet werden, um dies zu erreichen.
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In einer üblicheren Praxis, in der Schweißungen nacheinander durchgeführt werden, ist eine Ablaufsteuerung der Schweißungen hilfreich, um die Einschränkung während der Fertigung zu minimieren. Zum Beispiel könnten vor dem vollständigen Verschweißen eines gegebenen Stoßes auch andere Stöße teilweise begonnen werden. Da die Stöße kontinuierlich durchgeführt werden, ist eine teilweise plastische Verformung von teilweise abgeschiedenem Metall möglich, um die Einschränkung in den letzten zu vervollständigenden Schweißungen zu verringern.
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Die Schicht 10 und die Unterkomponente 12 von 5 können als die Komponente 98 betrachtet werden, wenn die Komponentenwand 40 und/oder der Querabschnitt 92 mindestens eine Schicht aus bandgegossenem Superlegierungsmaterial aufweisen. Wenn beispielsweise die Komponentenwand 40 mit mehreren Schichten aus bandgegossenem Superlegierungsmaterial unter Verwendung des in 1 und/oder 2 gezeigten Prozesses gefertigt werden würde und die Schicht 10 eine bandgegossene Superlegierung ist, kann eine Komponente 98 als ausgebildet betrachtet werden. Es wird in Betracht gezogen, dass die letzte Komponente mehrere Schichten von bandgegossenem Superlegierungsmaterial umfassen kann und vollständig aus Schichten von bandgegossenem Superlegierungsmaterial bestehen kann.
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6–8 offenbaren ein weiteres Verfahren zum Erzeugen einer Toleranz zum Auffangen der Schrumpfung. 6 zeigt die Schicht 10 von 5, bei der alle Schweißungen 14 fertiggestellt sind, mit Ausnahme der Ränder 82 der letzten beiden Stücke 100, die an der Stoßstelle 102 verbunden werden sollen, und des Außenumfangs 94 der Schicht 10, der mit dem Außenumfang 96 des Querabschnitts 92 der Unterkomponente 12 an einer Stoßstelle 104 verbunden werden soll. 7–8 sind entlang der Linie A-A von 6 entnommen. 7 zeigt das Vorschweißprofil 18, bei dem Keile 106 die Stücke 16 von dem Querabschnitt 92 der Unterkomponente 12 weg anwinkeln und einen Winkel 108 und eine Lücke 110 dazwischen bilden. Wenn das Schweißen durchgeführt wird, werden die Keile 106 herausgeschoben. Schweißschrumpfung bewirkt, dass sich die Stücke 18 auf den Querabschnitt 92 zu in Querrichtung 88 drehen, wodurch die Lücke 110 verringert wird. Alternativ kann anstelle des allmählichen Entfernens der Keile 106 die Lücke 104 durch Federn oder z. B. eine Substanz, die bei Erwärmung sublimiert, wie etwa Trockeneis usw. erzeugt werden. Ein beliebiger Mechanismus ist zulässig, um anfänglich die Lücke 110 zu erzeugen, um dann während der Schweißung eine rückhaltlose Schrumpfung zu ermöglichen.
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Verschiedene Schweißprozesse könnten verwendet werden, um die Schweißungen 14 zu erzeugen, die verwendet werden, um die additive Fertigung von gegossenen Komponenten unter Verwendung von Schichten mit Bandgussbauweise zu erreichen. Beispiele umfassen Lichtbogenschweißen, Strahlschweißen, Widerstandsschweißen und Festkörperschweißen. Hartlöten kann für zumindest einige Bereiche verwendet werden, um die Schrumpfung zu reduzieren und um eine gewisse strukturelle Verbindung herbeizuführen, jedoch würde das Hartlöten, mit Ausnahme des Diffusionslötens oder der Bindung mit transienter Flüssigphase, normalerweise zu einer geringeren strukturellen Festigkeit des Endprodukts führen als das Schweißen.
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Zusätzlich sind mit Schichtaufbau verschiedene Materialeigenschaften möglich. Beispielsweise könnten nachfolgende Schichten aus verschiedenen Gussmaterialien aufgebracht werden, um durchweg einen Teil von verschiedenen Eigenschaften bereitzustellen, wie etwa eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit für die äußerste Schicht.
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Weiterhin sind verschiedene Gussmikrostrukturen in geschichteter Bauweise möglich. Beispielsweise könnte eine Schicht herkömmlich gegossen (polykristallin) sein und eine nachfolgende Schicht könnte gerichtet verfestigt (DS) sein. Guss- und Schmiedematerialien könnten zusammen aufgeschichtet sein. Eine Schicht könnte DS sein und die nächste Schicht könnte auch DS sein, könnte aber in einer anderen DS-Richtung als die darunterliegende Schicht orientiert sein. Eine begrenzte Steuerung der Kornstruktur, die während des herkömmlichen Bandgießens von Superlegierungen erzeugt wird, ist erreicht worden. Beispielsweise ist Inconel® 606 bandgegossen worden, der feine säulenförmige Körner an der Oberfläche und äquiaxiale Körner an der Mittellinie produziert hat. Außerdem ist die Legierung Ni50Ti50 mit säulenförmigen Körnern, die sich von den Oberflächen des Bandes zu der Mittellinie erstrecken, bandgegossen worden. Eine weitere Entwicklung des Prozesses wird wahrscheinlich zu mehr und besser gesteuerten fortgeschrittenen Mikrostrukturen führen, die in dem hier offenbarten Verfahren verwendet werden können.
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Aus dem Vorhergehenden ist ersichtlich, dass der Erfinder einen verbesserten additiven Fertigungsprozess entwickelt hat, bei dem bandgegossenes Superlegierungsmaterial verwendet wird, um Komponenten zu erzeugen. Das bandgegossene Superlegierungsmaterial ist leicht verfügbar und kann geschnitten werden, um jede für eine Schicht notwendige Form zu bilden. Daher ist es nicht mehr notwendig, Formen usw. zu schaffen, um ein Teil zu formen. Alles, was erforderlich ist, ist ein Computermodell und ein generisches Blech aus bandgegossenem Superlegierungsmaterial, das nach Bedarf geschnitten werden kann. Ferner ist der Aufbauprozess viel schneller als herkömmliche additive Fertigungsprozesse wie z. B. SLM und verwendet Schweißtechniken, die Fachleuten bekannt sind.
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Das bandgegossene Superlegierungsmaterial weist eine gleichförmigere Kornstruktur auf als herkömmlich gegossene Superlegierungskomponenten, bei denen aufgrund der praktischen Beschränkungen der Wärmeextraktion das letzte sich verfestigende Material eine große Korngröße aufweist und typischerweise in Richtung der Mitte großer Teile vorkommt. Zudem verbessert die Konsistenz, die mit dem Bandgießen verbunden ist, das Komponentenleistungsvermögen. Die Schichten können jeweils lokal maßgeschneidert und/oder variiert werden, um den lokalen Komponentenanforderungen zu genügen (z. B. Variieren der Materialkorngröße, -struktur und/oder -orientierung, Variieren der Superlegierungsmaterialzusammensetzung und/oder Variieren der Schichtabmessungen usw.). Die Komponente kann auch bandgegossene Superlegierungsschichten und Schichten aus anderen Materialien umfassen. All dies führt zu einer verbesserten Fähigkeit, die Komponente lokal anzupassen, um lokale Anforderungen an Komponenten zu erfüllen. Dies wiederum ermöglicht Kosteneinsparungen, da nicht die gesamte Komponente mit teuren Materialien hergestellt werden muss, die notwendig sind, um den strengsten lokalen Anforderungen gerecht zu werden, wie es bei einem herkömmlichen Gießprozess erforderlich ist. Der Prozess spart somit Investitionskosten, spart Herstellungszeit und -kosten, produziert eine überlegene Komponente und ist dabei schneller als herkömmliche Prozesse. Daher stellt er eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar.
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Der Begriff ”Superlegierung” wird wie im Stand der Technik verständlich hier verwendet, um eine hochkorrosions- und hochoxidationsbeständige Legierung zu beschreiben, die ausgezeichnete mechanische Festigkeit und Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen sowie eine gute Oberflächenstabilität aufweist. Superlegierungen werden häufig verwendet, um Gasturbinenmaschinen-Heißgaswegkomponenten zu bilden. Superlegierungen enthalten typischerweise ein Basislegierungselement wie Nickel, Kobalt oder Nickel-Eisen. Beispiele für Superlegierungen umfassen Legierungen, die unter dem Markennamen Hastelloy verkauft werden, Inconel-Legierungen (z. B. IN 700, IN 738, IN 792, IN 939), Rene-Legierungen (z. B. Rene N5, Rene 80, Rene 142), Haynes-Legierungen, Mar M, CM 247, CM 247 LC, C 263, 718, X-750, ECY 768, 282, X45, PWA 1483 und einkristalline CMSX-Legierungen (z. B. CMSX-4, CMSX-8, CMSX-10).
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Wenngleich hier verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ist es offensichtlich, dass solche Ausführungsformen nur beispielhaft bereitgestellt sind. Zahlreiche Variationen, Änderungen und Ersetzungen können vorgenommen werden, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Dementsprechend soll die Erfindung nur durch den Gedanken und Umfang der beigefügten Ansprüche begrenzt sein.
