DE102016119662B4

DE102016119662B4 - Verfahren zum schweissplattieren über öffnungen

Info

Publication number: DE102016119662B4
Application number: DE102016119662.2A
Authority: DE
Inventors: Gerald J. Bruck; Ahmed Kamel
Original assignee: Siemens Energy Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2023-04-20
Anticipated expiration: 2036-10-15
Also published as: CN106964860A; CN106964860B; US10046416B2; DE102016119662A1; US20170106474A1

Abstract

Verfahren, das Folgendes umfasst:Überbrücken einer verhältnismäßig größeren Öffnung (50) mit einer Stützstruktur (72) zur Unterteilung der verhältnismäßig größeren Öffnung (50) in mehrere verhältnismäßig kleinere Öffnungen (78), indem eine Breite der verhältnismäßig größeren Öffnung (50) unter eine Schwellenabmessung reduziert wird, für die eine Stützung eines Schmelzbads ermöglicht wird;Schmelzen von Legierungsfüllstoff zur Bildung eines Schmelzbads, das sich über die jeweiligen verhältnismäßig kleineren Öffnungen (78) hinweg bewegt,während es mit der Stützstruktur (72) in Kontakt ist und durch diese gestützt wird; und Gestatten der Abkühlung und Verfestigung des Schmelzbads zur Ausbildung einer Plattierungsschicht (104), die die verhältnismäßig größere Öffnung (50) überbrückt und mit der Stützstruktur (72) metallurgisch verbunden ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 15. Oktober 2015 eingereichten US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 14/883,688, auf deren Offenbarung hiermit in ihrer Gesamtheit Bezug genommen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet des Schweißens und insbesondere auf Schweißplattieren über Öffnungen unter Verwendung einer darunterliegenden Stützanordnung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Reparatur von dünnwandigen Strukturen, wie z. B. Gasturbinenschaufeln, erfordert oftmals das Freilegen von Schäden, die sich durch die Struktur hindurch erstrecken. Daraus resultierende Öffnungen/Löcher müssen zur Sicherstellung von Strukturintegrität mit übereinstimmendem oder nahezu übereinstimmendem Material wieder gefüllt werden. Kleine Öffnungen können mit einem Schweißmetall „überbrückt“ werden, wenn die Oberflächenspannung von geschmolzenem Metall zu dem angrenzenden Substrat dazu ausreicht, Hindurchtropfen von geschmolzenem Metall aufgrund von Schwerkraft zu vermeiden. Diese Methode funktioniert jedoch nicht bei verhältnismäßig größeren Öffnungen.
Größe Öffnungen können im Prinzip passgenau mit festem vorgeformtem Reparaturmaterial versehen werden, das dann mit einer Umfangsschweißverbindung in die Öffnung geschweißt wird. Diese Praxis ist mühsam, teuer und erfordert die Herstellung eines Vorformlings, nachdem die Form einer Öffnung bestimmt wurde, oder erfordert im Gegenteil dazu die dahingehende Ausbildung der Öffnung, eine vorbestimmte Vorformlingsform aufzunehmen. Die inhärente Zwängung bei solch einem großen vorgeformten Material kann auch eine Rissbildung mit Schrumpfung des Materials nach dem Schweißen herbeiführen. Alternativ dazu können große Öffnungen nach und nach mit vielen kleineren um die Peripherie der Öffnung herum platzierten Schweißlagen gefüllt werden, bis die Öffnung mit Füllmetall gefüllt ist. Dieses Verfahren ist jedoch auch mühsam, teuer und kann bei Hinzufügung mehrerer Schichten zu einem Absacken des Schweißmaterials führen.
Alternative Methoden zur Überbrückung großer Öffnungen durch Schweißen umfassen die Verwendung von Unterlegmaterial, wie z. B. Keramikmaterial oder übereinstimmenden Legierungsplatten. Derartige Unterlegplatten müssen bei kritischen Konstruktionen jedoch entfernt werden. Beispielsweise erzeugen Unterlegplatten Stellen mit erhöhter Spannung, die verbleiben, wenn die Unterlegplatte verbleibt, und durch die Unterlegplatte wird die Masse erhöht, was bei vielen Anwendungen, darunter Gasturbinenmotorschaufeln, unerwünscht sein kann. Viele Komponenten sind derart konfiguriert, dass die Rückseite der Ausbesserung nicht ohne Weiteres zugänglich ist, sobald die Plattierungsschicht gebildet ist, und somit sind derartige Unterlegmethoden nicht möglich.
Eine weitere alternative Überbrückungsmethode beinhaltet Einsetzen von zum Teil geschmolzenem Schweißzusatzwerkstoff in der Öffnung und Überschweißen des Schweißzusatzwerkstoffs zur Überbrückung der Öffnung. Dieses Verfahren ist als Slugging bekannt und führt oftmals zu Schweißverbindungen, die nicht dem Entwurf, der Zeichnung oder den Spezifikationanforderungen entsprechen. Somit besteht in der Technik weiterhin Verbesserungspotenzial.
Die Druckschrift DE 10 2009 048 665 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel, das als additives Herstellungsverfahren ausgebildet ist und somit eine schichtweise Herstellung der Turbinenschaufel ermöglicht. Die auf diese Weise hergestellte Turbinenschaufel kann insbesondere Hohlräume und/oder Gitterstrukturen sowie Entwässerungsschlitze, Beheizungsöffnungen und/oder sonstige Löcher umfassen, die bereits während der Schaufelherstellung ohne zusätzliche Werkzeuge oder Verfahrensschritte erzeugt worden sein können.
Die Druckschrift DE 11 2014 003 523 T5 beschreibt ein Verfahren zum Aufbauen oder Reparieren einer hohlen Turbinenschaufel. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung einer Schaufelspitzenkappe der Turbine durch Tragen eines Füllerwerkstoffs über einer Öffnung in einem Hohlraum der Turbine und Überqueren des Füllerwerkstoffs mit einem Laserstrahl zum Schmelzen des Füllerwerkstoffs unter Bildung einer Abscheidung über der Öffnung. Die Abscheidung ist mit Rändern der Öffnung verschmolzen, sodass sie eine Schaufelspitzenkappe ausbildet.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Schweißplattieren über Öffnungen anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Figurenliste
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung im Hinblick auf die Zeichnungen erläutert, in denen:

1 eine Draufsicht einer herkömmlichen Gasturbinenmotorschaufel nach Entfernung der Spitzenkappe ist.
2 ein Querschnitt eines missglückten Ausbesserungsversuchs unter Verwendung einer ersten Ausbesserungsmethode nach dem Stand der Technik ist.
3 ein Querschnitt eines missglückten Ausbesserungsversuchs unter Verwendung einer zweiten Ausbesserungsmethode nach dem Stand der Technik ist.
4 eine Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Plattierungsstützanordnung darstellt.
5 eine Draufsicht einer alternativen beispielhaften Ausführungsform einer Plattierungsstützanordnung darstellt.
6 schematisch eine Draufsicht einer alternativen beispielhaften Ausführungsform einer Plattierungsstützanordnung darstellt.
7 schematisch einen Seitenquerschnitt der Stützanordnung von 6 darstellt.
8 schematisch einen Seitenquerschnitt einer unter Verwendung des hier offenbarten Verfahrens erzeugten Ausbesserung darstellt.
9 schematisch eine unter Verwendung eines hier offenbarten Verfahrens erzeugten Komponente darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder haben ein einzigartiges und innovatives Verfahren zum Stützen einer Plattierungsschicht, die durch die Verwendung einer Stützstruktur und gegebenenfalls eines Stützpulvers relativ große Öffnungen überbrückt, ausgearbeitet. Das Verfahren umfasst Ausbilden einer Stützanordnung, wie z. B. eines Metalldrahts oder eines Metallgitters, die wiederum durch ein Stützpulver gestützt werden kann. Schweißmaterial wird über der Stützanordnung aufgetragen und in eine Plattierungsschicht verarbeitet, die metallurgisch mit der Stützstruktur verbunden wird. Bei Verwendung des Stützpulvers wird dieses dann entfernt, um die Plattierungsschicht freizulegen, die die Stützstruktur enthält.
Diese Methode kann zur Ausbesserung von Teilen angewendet oder in ein additives Fertigungsverfahren integriert werden. Der Schwerpunkt der vorliegenden Erörterung liegt auf der Ausbesserung einer Gasturbinenschaufelspitze, obgleich die Konzepte auf eine beliebige Ausbesserung oder additive Fertigungsmethode angewendet werden können.
1 ist eine Draufsicht einer typischen Gasturbinenmotorschaufel 10, nachdem die Schaufelspitze in Vorbereitung auf die Installation einer neuen Schaufelspitze entfernt wurde. Es ist ersichtlich, dass eine Dicke der Schaufel 10 von einem hinteren Rand 12 zu einem vorderen Rand 14 variiert, genau wie eine zugehörige Öffnungsbreite. Beispielsweise kann eine hintere Randdicke 16 relativ gering sein, während eine mittlere Dicke 18 relativ groß sein kann. Entsprechend weist eine Öffnung 20 am hinteren Rand eine relativ geringe Breite 22 der Öffnung am hinteren Rand auf, während eine mittlere Öffnung 24 eine relativ große Breite 26 der mittleren Öffnung aufweist. Gleichermaßen weist eine Öffnung 30 am vorderen Rand eine relativ geringe Breite 32 der Öffnung am vorderen Rand auf.
Relativ geringe Breiten, z. B. bis zu fünf Millimeter, können erfolgreich unter Verwendung des in der US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. US 2015/0034266 A1 an Bruck, auf die hier in ihrer Gesamtheit Bezug genommen wird, ausgebessert werden. Bei diesem Verfahren wird ein Stützpulver, wie z. B. ein Keramikmaterial, in der Öffnung (z. B. der Öffnung 20 am hinteren Rand oder der Öffnung 30 am vorderen Rand) platziert, Pulvermetall wird über die Breite hinweg und auf das Stützpulver eingelegt, und Pulverflussmittel wird auf dem Pulvermetall platziert. Ein Laserstrahl wird zum Schmelzen und Aufschmelzen des Pulvermetalls auf das darunterliegende Schaufelmaterial und über die Öffnung von einer Seite zur anderen gefahren, wodurch die Plattierungsschicht gebildet wird. Das Pulvermetall kann eine Superlegierung, wie z. B. eine nickelbasierte Superlegierung, sein. Das Stützpulver kann Metall oder eine Metalllegierung, wie z. B. eine Superlegierung, umfassen und kann dieselbe Zusammensetzung wie das Pulvermetall aufweisen.
Die Erfinder haben erkannt, dass dieses Verfahren bei Anwendung auf relativ große Öffnungen, wie z. B. jene fünf Millimeter und darüber, an seine Grenzen stößt. Beispielsweise zeigt 2 einen Querschnitt mit einer relativ großen Breite 40 (z. B. ähnlich der mittleren Öffnung 24), über die eine Plattierungsschicht unter Verwendung von Stützpulver (nicht sichtbar) versucht wurde. Es ist ersichtlich, dass Verschmelzen auf die die Breite 40 umgebenden Wände 42 beschränkt ist, während das aufgetragene Metall 41 in Bereichen über der Öffnung in absackendes Stützpulver gefallen ist und nicht an den Wänden angehaftet hat. 3 zeigt einen Querschnitt der relativ großen Breite 40, über die eine Plattierungsschicht unter Verwendung einer festen Unterlegstütze 46 versucht wurde. Obgleich das Ergebnis im Vergleich zur Pulverstütze von 2 eine Verbesserung darstellt, ist es noch immer nicht zufriedenstellend, möglicherweise zum Teil aufgrund einer schlechten Benetzung zwischen der festen Unterlegstütze 46 und dem geschmolzenen Material und des resultierenden Absackens 43 des Schweißmetalls aufgrund von Oberflächenspannung. Des Weiteren könnte die feste Unterlegstütze 46 im Falle einer Ausbesserung einer Gasturbinenschaufelspitze nicht entfernt werden, sobald eine Plattierungsschicht in Position ist, wodurch solch ein Ansatz für diese Anwendung inakzeptabel wird.
Das hier offenbarte Verfahren umfasst Manipulieren einer relativ großen Öffnung (z. B. fünf Millimeter und darüber) in mehrere verhältnismäßig kleinere Öffnungen unter Verwendung eines Stützmaterials, das zumindest teilweise in die Plattierungsschicht eingearbeitet wird. Verschiedene Faktoren beeinflussen, welche Öffnungsabmessung unter Verwendung des in der US-Veröffentlichung Nr. 20150034266 an Bruck veröffentlichten Verfahrens nach dem Stand der Technik ausgebessert werden kann und welche Öffnungsabmessung zu groß ist. Beispielsweise können spezielle Eigenschaften des Pulvermetalls, das Pulverflussmittel, die Laserparameter, die Dicke, die Fließfähigkeit und Oberflächenspannung von geschmolzenem Metall und Schlacke und die Umgebung zu dieser Bestimmung beitragen. Daher ist die Schwellenabmessung, bei der die vorliegende Erfindung besonders nützlich ist, die Öffnungsabmessung, unterhalb derer Pulverstützung alleine ausreichend ist und oberhalb derer Pulverstützung alleine nicht ausreichend ist. In einigen Fällen kann die größte Abmessung, die mit dem Pulverstützungsverfahren nach dem Stand der Technik überbrückt werden kann, bis zu ungefähr fünf Millimeter betragen. In anderen Fällen kann die größte Abmessung bis zu ungefähr zehn Millimeter betragen. Entsprechend können bei einigen Anwendungen relativ kleine Öffnungen als bis zu ungefähr fünf Millimeter angesehen werden, womit relativ große Öffnungen ungefähr fünf Millimeter und darüber betragen. Bei anderen Anwendungen kann die Schwellenabmessung zehn Millimeter betragen. Nach dem Wissen der vorliegenden Erfinder ist das Verfahren nach dem Stand der Technik in jedem Fall für Öffnungen von 20 Millimeter und größer unzulänglich, wohingegen die vorliegende Erfindung eine Überbrückung von Öffnungen von 20 mm und größer und theoretisch mit unbegrenzter Breite gestattet.
Sobald die relativ große Öffnung in mehrere relativ kleine Öffnungen manipuliert wurde, können die Pulvermetalllegierung und das darauf angeordnete Flussmittel so, als würden sie mehrere relativ kleine Öffnungen abdecken, dahingehend bearbeitet werden, eine einzige große Plattierungsschicht zu bilden. Das Manipulieren der relativ großen Öffnung in die mehreren relativ kleinen Öffnungen kann auf verschiedene Weisen erzielt werden. Beispielsweise wird, wie in 4 gezeigt wird, eine Öffnung 50, wie z. B. mit einer Breite von zehn Millimetern, mit einem einzigen einzelnen Draht 52 unterteilt, der in der Mitte, auf dem Stützpulver 54 oder darin aufgenommen platziert ist, wodurch die einzige zehn Millimeter breite Öffnung 50 in zwei Öffnungen 56 mit weniger als fünf Millimetern unterteilt wird. Der Draht 52 kann beispielsweise ein Legierungsdraht oder andere Materialien sein, wie im Folgenden umfassender erörtert wird. Die tatsächliche Breite der Öffnungen 56 hängt von der Breite 58 des einzelnen Drahts 52 ab, die nach Belieben variieren kann. Das Pulverlegierungsmetall und das Pulverflussmittel können auf eine obere Fläche 60 des einzelnen Drahts 52 und auf das Stützpulver 54 und über die Schaufelwände 62 platziert und unter Bildung einer einzigen Plattierungsschicht, die die zehn Millimeter breite Öffnung 50 sowie das darunterliegende Schaufelmaterial (z. B. die Schaufelwände 62) bedeckt, mit einem Laser bearbeitet werden. Dies ist möglich, da das Laserplattierungsverfahren dahingehend wirksam ist, jede der verhältnismäßig kleineren Öffnungen 56 zu überbrücken, wohingegen das Überbrücken der verhältnismäßig größeren Öffnung 50 ohne den eingreifenden Stützdraht 52 nicht zufriedenstellende Ergebnisse liefern würde.
Da jede Anwendung verschiedene Abmessungen und Material/Verfahren-Eigenschaften hinsichtlich des Pulvermetalls, des Flussmittels, der Laserparameter und der Umgebung usw. aufweist, können andere Ausführungsformen der Erfindung erwünscht sein. Wie beispielsweise in 5 gezeigt wird, könnten drei einzelne Drähte 52 in der zehn Millimeter breiten Öffnung 50 platziert werden, um sie in vier Öffnungen 64 mit gleichen oder ungleichen Breiten zu unterteilen. Eine Verringerung der Breite jeder Öffnung 64 der mehreren Öffnungen 66 kann weiterhin von Vorteil sein, wenn beispielsweise das verwendete Stützpulver 54 schneller als andere Stützpulver absackt oder wenn das Schmelzbad für ein bestimmtes Material eine relativ geringe Oberflächenspannung aufweist usw.
Die einzelnen Drähte 52 sind dahingehend ausgerichtet, eine Öffnung mit einer Abmessung in mindestens einer Richtung 68 zu erzeugen, die zum Stützen des Schmelzbads klein genug ist, um ein Tropfen von geschmolzenem Metall in die Öffnung zu verhindern und/oder ein Absacken des Stützpulvers 54 zu verhindern. Bei einer beispielhaften Ausführungsform bewegt sich der Laserstrahl während des Lasererhitzungsprozesses entlang der Richtung 68 von einer Schaufelwand 62 zur anderen vor und zurück und geht dann zu einer zur Richtung 68 senkrecht verlaufenden Richtung über, wonach er sich wieder von einer Schaufelwand 62 zur anderen bewegt. Da der Laserstrahl das Schmelzbad entlang der Richtung 68 der Breite der Öffnung 50 über die Öffnung 50 hinweg bewegt und die Abmessung der Breite auf unter die Schwellenabmessung reduziert worden ist, sackt das Schmelzbad nicht ab bzw. fällt nicht durch. Das Ergebnis ist eine Schweißraupe, die die Öffnung 50 überbrückt und die durch die einzelnen Drähte 52 gestützt wird. Da sich das Schmelzbad bei dieser beispielhaften Ausführungsform nicht entlang einer senkrecht zur Richtung 68 verlaufenden Linie bewegt und da Draht/Struktur-Stützung primär in der Bewegungsrichtung des Schmelzbads erforderlich ist, muss die Abmessung der Öffnung 50 senkrecht zur Richtung 68 nicht reduziert werden. Entsprechend muss die senkrecht zur Richtung 68 verlaufende Abmessung der Öffnung 50 nicht auch notwendigerweise unter der Schwellenabmessung (z. B. fünf Millimeter) liegen, da sich das Schmelzbad nicht in diese Richtung bewegt. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die ausgebildete Schweißraupe mit einer benachbarten Schweißraupe verbunden wird, wobei das Schmelzbad auch durch die benachbarte zuvor ausgebildete Schweißraupe gestützt wird. Bei dem Ausbilden der Plattierungsschicht handelt es sich dann um Ausbilden mehrerer Schweißraupen, die die Öffnung 50 überbrücken, quer zu den einzelnen Drähten 52 ausgerichtet sind, mit den einzelnen Drähten 52 verbunden sind und miteinander verbunden sind.
Alternativ dazu kann der Laserstrahl hinsichtlich seiner Stärke eingestellt und dahingehend schnell gerastert werden, die gesamte Schaufelbreite zu überspannen, wodurch eine Schmelze über die gesamte Breite hinweg aufrechterhalten wird. In diesem Fall könnte eine relativ lange Schmelzpfütze in der Richtung der Vorwärtsbewegung eine inkrementale Stütze quer zu den einzelnen Drähten 52 erfordern.
Allgemeiner wird eine Stützanordnung 70, die eine Stützstruktur 72 und Stützpulver 54 umfasst, zur Ermöglichung solch einer Plattierung eingesetzt. Die Stützstruktur 72 kann eine beliebige Anzahl an Formen annehmen. 6 zeigt eine alternative beispielhafte Ausführungsform, bei der die Stützstruktur 72 anstatt unter Verwendung einzelner Drähte 52 ein Gitter 74 umfasst, das sich aus verbundenen Drähten 76 zusammensetzt und Gitteröffnungen 78 aufweist. 7 ist eine Schnittansicht der Vorrichtung von 6 entlang Schnitt 7-7 betrachtet. Ein Vorteil des Gitters besteht darin, dass es Stützung in jede Richtung bereitstellt, wodurch Spielraum während der Laserbearbeitung bereitgestellt wird. Beispielsweise kann es besonders vorteilhaft bei dem zuvor erwähnten Fall eines schnell scannenden Lasers und einer länglichen Schmelzpfütze sein. Ein weiterer Vorteil des Gitters besteht darin, dass es integrale Stützung von Drähten bereitstellt und die Definition von deren Beabstandung während der Verarbeitung festlegt. Wenn die Öffnung 50 einer mittleren Öffnung 24 einer Gasturbinenmotorschaufel 10 entspricht, kann eine Breite der Öffnung 50 ungefähr zwanzig Millimeter betragen. Wenn die verbundenen Drähte 76 gleichmäßig beabstandet sind (eine gleichmäßige Beabstandung ist nicht erforderlich), kann eine Breite jeder der Gitteröffnungen 78 unter 4 Millimetern liegen (wenn eine Breite 86 der verbundenen Drähte 76 berücksichtigt wird), was unter der Schwellenabmessung liegt, wodurch eine Plattierung der Öffnung 50 ermöglicht wird. Das Pulvermetall und das Pulverflussmittel können auf eine obere Fläche 88 des Gitters 74 und auf das Stützpulver 54 platziert und zur Bildung einer einzigen Plattierungsschicht, die die zwanzig Millimeter betragende Öffnung 50 sowie das darunterliegende Schaufelmaterial (z. B. die Schaufelwände 62) bedeckt, laserbearbeitet werden.
Das Stützpulver 54 kann ein Material umfassen, das während der Laserbearbeitung nicht schmilzt. Beispielhafte Materialien umfassen Keramikmaterial (z. B. Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Berylliumoxid, Saphir, Siliciumdioxid, Magnesiumoxid, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Aluminiumsilicat und Magnesiumsilicat), Verbindungsgemische, wie z. B. Mullit, oder einzelne Elemente, wie z. B. Carbon (Graphit). Das Stützpulver 54 kann Pulverflussmittel umfassen, das mit dem auf dem oder in das Pulvermetall, das auf der Stützstruktur 72 platziert wird, platzierten übereinstimmt oder diesem ähnlich ist. Alternativ dazu kann das Stützpulver Pulvermetall oder -legierung umfassen, das bzw. die mit der Pulvermetalllegierung, die zur Bildung der Auftragung auf der Stützstruktur 72 platziert wird, übereinstimmt oder dieser ähnlich ist.
Die Stützstruktur 72 kann ein Metall oder eine Metalllegierung umfassen und kann dieselbe Zusammensetzung wie die für die Auftragung verwendete Pulvermetalllegierung aufweisen. Da die Stützstruktur 72 nur nahe ihrer oberen Fläche geschmolzen werden kann und allgemein nur teilweise geschmolzen wird, stellt dies keine wesentliche Legierungsbildung des Schmelzbads dar. Daher kann die Stützstruktur 72 geringerwertige Metalle, beispielsweise reines Nickel, Inconel®-Legierung 625 (Ni 58% min, Cr 20-23%, Mo 8-10%, Nb+Ta 3,15-4,15%, Fe 5% max), Hastelloy® X-Legierung (Ni 47%, Cr 22%, Fe 18%, Mo 9%, Co 1,5%, W 0,6%, C 0,10%, Mn 1% Maximum, Si 1% Maximum, B 0,008 als Ausgleich) und Edelstahl umfassen. Bei einer Ausführungsform kann die Stützstruktur 72 aus einem Material gebildet sein, das ein Element enthält, das ein Bestandteil des aufgetragenen Pulverlegierungsmaterials ist, wie z. B. bei der Verwendung einer Nickel-, Kobalt-, Wolfram- oder Aluminiumdrahtstütze mit einem solche Elemente enthaltenden Superlegierungspulverlegierungsmaterial. Bei mancher Laserauftragungsbearbeitung geht tendenziell Titan aufgrund der Reaktion des Titans mit CO2 oder O2 während des Auftragungprozesses verloren, also kann die Stützstruktur 72 bei einer Ausführungsform Titan umfassen, das dann in das Schmelzbad geschmolzen wird, um diesen Verlust auszugleichen. Die Stützstruktur 72 (die einzelnen Drähte 52 oder das Gitter 74) kann auf dem Stützpulver 54 liegen. Alternativ dazu kann die Stützstruktur 72 bis im Fall des einzelnen Drahts 52 zu der oberen Fläche 60 oder im Fall des Gitters 74 der oberen Fläche 88 eingetaucht sein. Alternativ dazu kann sich das Stützpulver 54 bis zu einer Höhe, die irgendwo dazwischen liegt, erstrecken. Die Stützstruktur 72 wird während der Laserbearbeitung teilweise geschmolzen, um ihre mechanische Verbindung mit der aufgetragenen Materialschicht zu gewährleisten, jedoch bleibt zumindest ein Teil davon ungeschmolzen, wobei der ungeschmolzene Teil strukturelle Abstützung für die Plattierungsschicht bereitstellt. Die ungeschmolzene Stützstruktur könnte auch Rippen hinterlassen, die dahingehend wirken, die Kühlung zu verbessern. Bei einigen Ausführungsformen kann die komplette Tiefe der Stützstruktur 72 geschmolzen und zumindest in einigen lokalen Bereichen in das Schmelzbad integriert werden; jedoch stellt die ungeschmolzene Stützstruktur 72 in dem Bereich direkt vor dem Schmelzbad aufgrund der Oberflächenspannungswirkung vorkragend die erforderliche Abstützung für das Schmelzbad bereit.
Die Stützstruktur 72 (die einzelnen Drähte 52 oder das Gitter 74) kann das darunterliegende Schaufelmaterial (z. B. die Schaufelwände 62) berühren und kann von dieser Struktur gestützt werden, oder kann von dem darunterliegenden Schaufelmaterial beabstandet sein. Jegliche Form von Gitter kann verwendet werden, wie z. B. jene mit kreisförmigen oder sechseckigen Öffnungen usw. Streckmetall (Blech mit kreisförmigen Öffnungen) ist relativ kostengünstig und verfügbar. Sieb wird auch ohne Weiteres aus Draht hergestellt und kann zur Erzeugung einer gleichmäßigen (planaren) Stützfläche geglättet werden. Gitter wird ohne Weiteres auf verschiedene Öffnungsformen zugeschnitten.
8 stellt schematisch einen Seitenquerschnitt einer ausgebesserten Schaufelspitze 100 nach der Auftragung einer Plattierungsschicht 104 über der Struktur von 7 dar. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform umfassten die Drähte 76 eine Dicke 102, die im Wesentlichen intakt blieb. Beispielhafte Dicken umfassen einen Millimeter und darüber. Bei einer beispielhaften Ausführungsform beträgt die Dicke 102 1,2 Millimeter. Das Stützpulver 54 erstreckt sich bei dieser Ausführungsform ungefähr die gesamte Dicke 102 der verbundenen Drähte 76 in die Gitteröffnungen 78. Die Plattierungsschicht 104 ist darüber ausgebildet worden und hat die Öffnung 50 geschlossen und hat sich metallurgisch mit dem Gitter 74 verbunden. Das Stützpulver 54 wird dann entfernt, wie z. B. durch Auslassen durch in der Komponente ausgebildete Kühlungskanalöffnungen, um die Ausbesserung der Schaufelspitze 100 abzuschließen. Die Abmessung 102 des ungeschmolzenen Gitters kann lokal dahingehend eingestellt werden, beispielsweise Strukturabstützung oder Lamellenkühlung an bestimmten Stellen bei Bedarf zu verbessern.
Wie in 9 zu sehen ist, sind unter Verwendung des hier offenbarten Verfahrens anstatt des Plattierens über eine Öffnung zur Herstellung einer Ausbesserung Auftragungen von additiv gefertigtem neuen Produkt möglich. Beispielsweise muss die additive Laserfertigung einer neuen Komponente 110 nicht mehr auf einer massiven Endplatte beginnen, die dann letztlich durch maschinelle Bearbeitung entfernt werden muss. Stattdessen kann der Prozess die Plattierungsschicht 104 auf der Stützanordnung 70 ausbilden und dann können zusätzliche Plattierungsschichten 112 unter Verwendung eines beliebigen gewünschten additiven Fertigungsprozesses auf der Plattierungsschicht 104 ausgebildet werden, bis die neue Komponente 110 fertig gestellt ist. Auf diese Weise haftet die resultierende Struktur 110 nicht an einer Ausgangsendplatte an. Die Stützstruktur 72 könnte Teil des Endprodukts werden oder könnte entfernt werden.
Obgleich bei vielen Ausführungsformen ein Stützpulver verwendet wird, um zu verhindern, dass das Legierungspulver durch die Öffnungen um die Stützstruktur herum hindurch fällt, ist es auch möglich, die Stützstruktur ohne ein Stützpulver zu verwenden. Dies kann durch gleichzeitiges Zuführen des Legierungs/Flussmittel-Pulvers und des Schmelzenergiestrahls, so dass das Pulver bei Zufuhr zur Bildung eines Schmelzbads geschmolzen wird, das durch Oberflächenspannung von der Stützstruktur gestützt wird, erzielt werden. Von einem Rand der Öffnung überquert der Energiestrahl die Öffnung, während zusätzliches Pulver zugeführt und in das Schmelzbad geschmolzen wird, wodurch sich die Ausbreitung des Schmelzbads erweitert, bis es die Öffnung überbrückt, während es hinter dem überquerenden Energiestrahl abkühlt und sich verfestigt. Die Oberflächenspannung zwischen dem Schmelzbad und der umgebenden Stützstruktur hinter und neben dem Schmelzbad ist zum Stützen des Schmelzbads bei Überquerung der Öffnung ausreichend. Gleichermaßen könnte ein Vorformling, wie z. B. ein gesintertes Pulverblech, im Voraus über ein Stützgitter als Füllstoffzufuhr ohne Bedarf an Stützpulver platziert werden.
Obgleich hier verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden, ist offensichtlich, dass derartige Ausführungsformen lediglich als Beispiele bereitgestellt werden. Zahlreiche Variationen, Änderungen und Substitutionen können vorgenommen werden, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Entsprechend soll die Erfindung lediglich durch den Gedanken oder Schutzumfang der anhängigen Ansprüche beschränkt werden.

Claims

Verfahren, das Folgendes umfasst: Überbrücken einer verhältnismäßig größeren Öffnung (50) mit einer Stützstruktur (72) zur Unterteilung der verhältnismäßig größeren Öffnung (50) in mehrere verhältnismäßig kleinere Öffnungen (78), indem eine Breite der verhältnismäßig größeren Öffnung (50) unter eine Schwellenabmessung reduziert wird, für die eine Stützung eines Schmelzbads ermöglicht wird; Schmelzen von Legierungsfüllstoff zur Bildung eines Schmelzbads, das sich über die jeweiligen verhältnismäßig kleineren Öffnungen (78) hinweg bewegt, während es mit der Stützstruktur (72) in Kontakt ist und durch diese gestützt wird; und Gestatten der Abkühlung und Verfestigung des Schmelzbads zur Ausbildung einer Plattierungsschicht (104), die die verhältnismäßig größere Öffnung (50) überbrückt und mit der Stützstruktur (72) metallurgisch verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Stützen der Stützstruktur (72) mit einem Stützpulver (54) vor dem Schmelzschritt, dann Entfernen des Stützpulvers (54) nach dem Abkühlungs- und Verfestigungsschritt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner Legen der Stützstruktur (72) auf das Stützpulver (54) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner derartiges Positionieren der Stützstruktur (72) in dem Stützpulver (54), dass sich das Stützpulver (54) neben der Stützstruktur (72) nach oben erstreckt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Stützpulver (54) eines aus der Gruppe bestehend aus a) einem Keramikmaterial, das während des Schmelzschritts nicht schmilzt, und b) einem Flussmittel und Metall, das während des Schmelzschritts teilweise geschmolzen wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Stützpulver (54) ein Keramikmaterial umfasst, das aus einer Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Berylliumoxid, Saphir, Siliciumdioxid, Magnesiumoxid, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Aluminiumsilicat, Mullit, Graphit und Magnesiumsilicat ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Stützpulver (54) Flussmittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei lediglich ein Teil einer Dicke der Stützstruktur (72) während des Schmelzschritts zur metallurgischen Verbindung mit der Plattierungsschicht (104) geschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stützstruktur (72) ein Element umfasst, das ein Bestandteil des Legierungsfüllstoffs ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Stützpulvers (54) unter der Stützstruktur (72); und Auftragen einer Schicht aus Metalllegierungsfüllstoffpulver über das Stützpulver (54) und die Stützstruktur (72) vor dem Schmelzschritt.