DE102017208659A1 - Verwendung von Pulverschläuchen zum Zuführen von Lotmischungen bei der generativen Herstellung von Bauteilen mittels Laserauftragschweißen - Google Patents

Verwendung von Pulverschläuchen zum Zuführen von Lotmischungen bei der generativen Herstellung von Bauteilen mittels Laserauftragschweißen Download PDF

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Abstract

Es wird eine Baukammer zum generativen Herstellen von Bauteilen durch Laserauftragschweißen bereitgestellt, wobei dabei zugeführtes pulverförmiges Material mittels eines Pulverschlauchs zugeführt wird. In einer Ausführungsform umfasst der Pulverschlauch zwei Teilschläuche, in denen jeweils ein unterschiedliches pulverförmiges Material bereitgestellt werden kann, wobei in mindestens einem Schlauch besonders eine Mixtur einer Superlegierung mit einem Lotwerkstoff bereitgestellt werden kann. Es wird weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels der Baukammer bereitgestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Baukammer zum generativen Herstellen von Bauteilen durch Laserauftragschweißen, wobei dabei zugeführtes pulverförmiges Material mittels eines Pulverschlauchs zugeführt wird, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels der Baukammer.
  • Das Laserauftragschweißen ist eine Methode zum Hinzufügen von Material zu einzelnen Bauteilen bzw. Formkörpern, z.B. zum Herstellen sowie Reparieren. Dabei wird der zu verarbeitende Werkstoff z.B. in Pulverform oder als Schweißdraht zugeführt und in einer Schicht auf einer vorhandenen Materialschicht (Substrat) eines Bauteils aufgebracht. Dabei erfolgt ein Materialauftrag auf das Substrat durch Aufschmelzen des Substrats und gleichzeitigem Aufbringen des zugeführten Werkstoffes. Das zugeführte Material verschmilzt dabei auch mit dem darunterliegenden Schichten. Schicht um Schicht können auf diese Weise ein Formkörper oder Schichten hergestellt werden. Als Wärmequelle dient beim Laserauftragschweißen ein Laser mit hoher Leistung, z.B. Dioden- oder Faserlaser.
  • Das Laserauftragschweißen wird unter anderem bei der Herstellung und Reparatur von Turbinenteilen verwendet, z.B. bei der Herstellung und Reparatur von Verschleißschutzbeschichtungen.
  • Bei industriellen Anwendungen wird das Laserauftragschweißen mit pulverförmigem Material häufig vollautomatisiert eingesetzt, während die Zuführung mit einem Draht eher bei manuellen Schweißvorgängen verwendet wird. Bei der Zuführung von pulverförmigem Material wird das Pulver herkömmlicherweise über eine Pulverdüse zugeführt, also mit anderen Worten auf die Oberfläche des Substrats aufgedüst. Die Pulverpartikel werden dabei häufig mit einem Durchmesser von über 20 µm verwendet, um innerhalb einer Pulverfördereinrichtung eine bestimmte Fließfähigkeit zu gewährleisten. Dazu muss das Pulver gesiebt werden. Weiterhin sind herkömmlicherweise zum Gewährleisten von Fließfähigkeit und hoher Schüttdichte sphärische Partikel notwendig, die zusätzliche Kosten bei der Herstellung verursachen. Es besteht die Aufgabe, das Laserauftragschweißen, besonders unter Verwendung von pulverförmigem Material, gegenüber dem Stand der Technik effizienter zu gestalten.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Baukammer mit den Merkmalen des Haupanspruchs und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 6 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Baukammer zum generativen Herstellen eines Bauteils, die mindestens
    • - eine Wandung,
    • - eine Bauplattform,
    • - eine Einrichtung zum Zuführen mindestens eines pulverförmigen Materials auf die Bauplattform und
    • - eine Laserquelle zur Emission eines Laserstrahls zum Verschmelzen oder Versintern des pulverförmigen Materials umfasst,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Zuführeinrichtung in Form eines Schlauchs ausgebildet ist.
  • Die erfindungsgemäße Baukammer ist vorteilhaft, weil durch das Zuführen mittels der schlauchförmigen Zuführeinrichtung der pulverförmige Werkstoff direkt einem durch die Wirkung der Laserstrahlung erzeugten Schmelzbad zugeführt werden. Auf diese Weise kann Pulvermaterial mit einem Durchmesser der Partikel von unter 20 µm verwendet werden, so dass ein Sieben des Pulvers nicht durchgeführt werden muss. Weiterhin ist auch keine sphärische Form der Partikel notwendig, wodurch die Kosten bei der Pulverherstellung verglichen mit herkömmlichen Verfahren reduziert werden können, z.B. weil sie unter Wasserverdüsung hergestellt werden können statt unter einem Schutzgas wie Argon.
  • Bevorzugt weist die schlauchförmige Einrichtung einen Mantel aus Kohlenstoff auf. Vorteilhafterweise kann dabei aus dem Schlauchmaterial Kohlenstoff in die Schmelze zulegiert werden. Ebenfalls bevorzugt kann die die schlauchförmige Einrichtung einen Mantel aus Kunststoff aufweisen. Der Mantel begrenzt dabei das Volumen des Schlauchs idealerweise radialsymmetrisch.
  • Besonders bevorzugt umfasst die schlauchförmige Einrichtung eine Kombination von mindestens einem ersten und einem zweiten Teilschlauch. Diese Kombination ist vorteilhaft, weil in den zwei Teilschläuchen jeweils ein unterschiedlicher Werkstoff transportiert werden kann. Ein besonderer Vorteil dabei ist, dass es nicht zu einem Entmischen von unterschiedlichen Pulverwerkstoffen mit verschiedenen Kornfraktionen kommen kann, die bei einem Verwenden von einem einzigen Schlauch bei einer großen Bandbreite in der Partikelgrößenverteilung kommen kann. Beispielsweise ermöglicht die Kombination von zwei Teilschläuchen ein Zuführen von beispielsweise Pulver einer Nickelbasis-Superlegierung in dem ersten Teilschlauch, und ein Zuführen von Pulver der Nickelbasis-Superlegierung unter Zusatz eines Lotwerkstoffs in dem zweiten Teilschlauch. Diese Kombination vorteilhaft verwendet werden, um während des Laserauftragschweißens mit dem Pulver aus dem ersten Teilschlauch entstandene Heißrisse im Material in einem Hochtemperaturlötprozess mit dem Pulver aus dem zweiten Teilschlauch zu reparieren. Das oben erwähnte Material des Mantels bezieht sich bei zwei Teilschläuchen auch auf das Material der zwei Teilschläuche.
  • Vorzugsweise ist bei der Ausführungsform mit zwei Teilschläuchen der zweite Teilschlauch innerhalb des ersten Teilschlauchs angeordnet, so dass der zweite Teilschlauch vollständig von dem ersten Teilschlauch umschlossen ist. Es kann auch der zweite Teilschlauch den ersten Teilschlauch vollständig umschließen. Es ist auch möglich, dass die besagten Teilschläuche nebeneinander angeordnet sind. Es sind auch Ausführungsformen der schlauchförmigen Einrichtung denkbar, die mehr als zwei Teilschläuche aufweisen.
  • Die Dicke des Mantels der schlauchförmigen Einrichtung liegt vorzugsweise bei unter 100 µm. Dabei ist in der Ausführungsform mit einem einzigen Schlauch die Dicke des Mantels gemeint, und in der Ausführungsform mit zwei Teilschläuchen die jeweilige Begrenzung der Teilschläuche.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen und/oder Reparieren eines Bauteils mittels einer erfindungsgemäßen Baukammer, mit den Schritten:
    • - Bereitstellen der Baukammer,
    • - Aufbringen eines pulverförmigen Materials mittels der schlauchförmigen Zuführeinrichtung auf die Bauplattform,
    • - Verschmelzen des pulverförmigen Materials durch Wirkung eines Laserstrahls,
    • - Absenken der Bauplattform,
    wobei die Schritte des Aufbringens und Verschmelzens des pulverförmigen Materials sowie des Absenkens der Bauplattform in einer Anzahl wiederholt werden, wie zum Fertigstellen des Bauteils notwendig sind.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen den Vorteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Aufbringen von pulverförmigem Material auf die Bauplattform schließt das Aufbringen auf das Bauteil ein, wenn bereits ein Bauteil in verschiedenen Stadien des Herstellens oder zum Reparieren vorhanden ist.
  • Bevorzugt wird mit der Ausführungsform der schlauchförmigen Zuführeinrichtung, die mindestens einen ersten und einen zweiten Teilschlauch umfasst, im ersten Teilschlauch ein erstes pulverförmiges Material und im zweiten Teilschlauch ein zweites pulverförmiges Material der Bauplattform zugeführt. Dabei ist es bevorzugt, wenn das erste pulverförmige Material eine Kornfraktion aufweist, die von der des zweiten pulverförmigen Materials verschieden ist. Durch das Verwenden von zwei Teilschläuchen wird vorteilhaft ermöglicht, dass sich die zwei Kornfraktionen während des Zuführens nicht entmischen.
  • Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn dem ersten oder zweiten pulverförmigen Material ein Lotwerkstoff beigemischt wird. Das pulverförmige Material mit dem Lotwerkstoff wird in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet in einem Hochtemperaturlötprozess verwendet, um während des Schweißens im Material entstandene Heißrisse zu verschließen. Somit können während des Auftragens entstandene Materialschäden vorteilhaft sofort behoben werden, ohne dass dafür ein extra Reparaturverfahren eingeleitet werden muss. Weiterhin wird durch die erfindungsgemäß zugeführten Lotwerkstoffe das Schweißen von herkömmlicherweise schwer zu schweißenden Werkstoffen ermöglicht, wie z.B. von Werkstoffen mit einem großen Anteil an einer intermetallischen Phase, z.B. Rene 80 oder Alloy 247. Dabei umfasst beispielsweise das erste pulverförmige Material eine Nickelbasis-Superlegierung, besonders eine hoch γ'-haltige Nickelbasis-Superlegierung. Das zweite pulverförmige Material umfasst beispielsweise eine Mixtur aus einer Nickelbasis-Superlegierung und einem Lotwerkstoff, besonders eine Mixtur aus einer hoch γ'-haltige Nickelbasis-Superlegierung und einem Lotwerkstoff.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil, das durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt und/oder repariert wurde. Das Bauteil ist insbesondere ein Turbinenbestandteil. Beispielsweise ist das Bauteil eine Turbinenschaufel einer Gasturbine.
  • Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
    • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Baukammer.
    • 2 eine Längsschnittsdarstellung einer Ausführungsform der schlauchförmigen Zuführeinrichtung aus 1.
    • 3 eine Querschnittsdarstellung der schlauchförmigen Zuführeinrichtung gemäß 2.
    • 4 die Querschnittsdarstellung gemäß 3 in vergrößerter Darstellung.
    • 5 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In der beispielhaften Anordnung von 1 umfasst die Baukammer 1 eine Wandung 2, eine Bauplattform 3 und einen Beschichtungskopf 4. In dem Beschichtungskopf 4 sind bespielhaft zwei Laser 5 angeordnet, wobei auch nur ein Laser oder mehr als zwei Laser angeordnet sein können. Weiterhin ist im Beschichtungskopf 4 eine schlauchförmige Zuführeinrichtung 6 für das Zuführen von pulverförmigem Material 7 auf die Bauplattform 3 bzw. auf die Oberfläche eines auf der Bauplattform 3 angeordneten Bauteils 8 angeordnet. Die Laser 5 sind ausgebildet, energiereiche Laserstrahlen 5a auf die Oberfläche des Bauteils 8 abzustrahlen. Die Wandung 2 kann mehrere Teilwände umfassen, die von mehreren Seiten das Volumen der Baukammer 1 begrenzen, oder alternativ z.B. in runder Form ausgebildet sein. In der Wandung 2 können Sichtfenster angeordnet sein. Die Bauplattform 3 ist zumindest vertikal beweglich, so dass sie zum Anordnen neuer Schichten auf einem darauf angeordneten generativ hergestellten Bauteil 8 abgesenkt werden kann.
  • Die schlauchförmige Zuführeinrichtung 6 umfasst in der in 1 dargestellten Ausführungsform zwei Teilschläuche. In der Darstellung von 2 ist die Struktur der schlauchförmigen Zuführeinrichtung 6 im Längsschnitt, in 3 im Querschnitt und in 4 in einer vergrößerten Darstellung der Querschnittsdarstellung von 3 dargestellt. Ein erster Teilschlauch 6a ist dabei innerhalb eines zweiten Teilschlauchs 6b angeordnet. Die Teilschläuche 6a, 6b werden radialsymmetrisch jeweils von einem folienartig ausgeprägten ersten Mantel 9a bzw. zweiten Mantel 9b von bis zu 100 µm Dicke begrenzt. Die Mäntel 9a, 9b bestehen aus einem geeigneten Material; bevorzugt bestehen sie aus Kohlenstoff oder weisen mindestens Kohlenstoff auf, und ebenfalls bevorzugt können sie alternativ aus Kunststoff bestehen oder einen Kunststoff aufweisen. Es ist auch möglich, dass der Mantel 9a des ersten Teilschlauchs 6a aus Kohlenstoff besteht und der Mantel 9b des zweiten Teilschlauchs 6b aus Kunststoff, oder umgekehrt.
  • In 1 sind die Teilschläuche 6a, 6b pulverförmiges Material 7 enthaltend dargestellt. Dabei enthält der erste Teilschlauch 6a ein erstes pulverförmiges Material 7a, und der zweite Teilschlauch 6b ein zweites pulverförmiges Material 7b. Das erste pulverförmige Material 7a weist dabei Partikel mit einer anderen Kornfraktion auf als das zweite pulverförmige Material 7b, d.h. die Partikel des ersten pulverförmigen Materials 7a weisen z.B. einen größeren Durchmesser auf als die Partikel des zweiten pulverförmigen Materials 7b. Als erstes pulverförmiges Material 7a kann auch z.B. eine hoch γ'-haltige Nickelbasis-Superlegierung verwendet werden, die dem zu reparierenden Material entspricht, und als zweites pulverförmiges Material 7b eine Mixtur der hoch γ'-haltige Nickelbasis-Superlegierung und eines Lotwerkstoffs. Diese Zusammenstellung ist beispielsweise nützlich, um während eines Schweißverfahrens entstandene Heißrisse sofort zu reparieren, oder während des Betriebs des Bauteils entstandene Materialrisse zu reparieren. Dem Fachmann ist dabei klar, welche Eigenschaften der Lotwerkstoff haben muss, um zu einer Reparatur von Materialrissen geeignet zu sein. Es können auch in beiden Teilschläuchen 6a, 6b Lotwerkstoffe der Superlegierung zugemischt sein.
  • Der Beschichtungskopf 4 ist ausgebildet, in verschiedenen Richtungen relativ zur Oberfläche des Bauteils 8 zu verfahren. Soll dabei eine weiteres Material auf das Bauteil 8 aufgetragen werden, wird an der Stelle, an der ein oder mehrere Laserstrahlen 5a auf die Oberfläche des Bauteils 8 treffen, durch die Wirkung der Laserstrahlen 5a ein Schmelzbad erzeugt. Das durch die Zuführeinrichtung 6 an die Stelle des Schmelzbades zugeführte pulverförmige Material wird durch die Wirkung der Laserstrahlen 5a ebenfalls geschmolzen, so dass es sich mit dem Material an der Oberfläche des Bauteils 8 verbindet. Der Beschichtungskopf 4 und die Laserstrahlung 5a werden idealerweise auf der Basis einer vorgegebenen Aufgabe durch eine Steuereinrichtung (nicht gezeigt) gesteuert.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils gemäß der Darstellung von 5 wird in einem ersten Schritt S1 die Baukammer 1 bereitgestellt. In einem zweiten Schritt S1 wird ein pulverförmiges Material mittels der schlauchförmigen Zuführeinrichtung 6 auf die Bauplattform 3 aufgebracht. Dabei wird beim Herstellen eines Bauteils die erste Lage pulverförmiges Material 7 direkt auf der Bauplattform 3 aufgebracht, und anschließend neue Lagen pulverförmigen Materials 7 auf den bereits vorhandenen Schichten. Sind in der Zuführeinrichtung 6 z.B. zwei Teilschläuche 6a, 6b umfasst, werden idealerweise zwei verschiedene Pulvermischungen 7a, 7b aufgetragen - es wird hier der Einfachheit halber von dem pulverförmigen Material 7 gesprochen. Das Pulver 7 wird direkt durch die Zuführeinrichtung 6 entsprechend des Bedarfs auf der Bauplattform 3 bzw. auf der Oberfläche des Bauteils 8 verteilt, oder alternativ nach dem Aufbringen durch eine nicht gezeigte Einrichtung auf der Bauplattform 3 bzw. auf der Oberfläche des Bauteils 8 verteilt.
  • In einem dritten Schritt S3 wird das pulverförmige Material durch die Wirkung eines oder mehrerer Laserstrahlen 5a verschmolzen. Dazu wird in dem zu beschichtenden Material ein Schmelzbad erzeugt, wobei gleichzeitig das zugeführte pulverförmige Material geschmolzen wird. Der Beschichtungskopf 4 wird dabei relativ zur Bauplattform 3 verfahren, so dass allmählich eine neue Materiallage auf das vorhandene Material aufgetragen wird. Der oder die Laser 5 können auch gesteuert werden, unabhängig von der Bewegung des Beschichtungskopfes 4 in verschiedene Richtungen zu strahlen und auf diese Weise an verschiedenen Stellen des Materials Schmelzbäder zu bewirken.
  • In einem vierten Schritt S4 wird die Bauplattform abgesenkt. Die Schritte S2 bis S4 werden solange wiederholt, bis das Bauteil 3 fertiggestellt ist.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine defekte Stelle im Material eines Bauteils, z.B. einer Turbinenschaufel, repariert. Das Material des Bauteils weist eine hoch γ'-haltigen Nickelbasis-Superlegierung auf. Der zu reparierende Schaden kann z.B. ein Riss im Material sein. Vorhandene Beschichtungen auf dem Bauteil werden vor der Reparatur abgetragen. Dann wird das oben beschriebene Verfahren durchgeführt, wobei als erstes pulverförmiges Material 7a z.B. eine hoch γ'-haltige Nickelbasis-Superlegierung verwendet wird, die dem zu reparierenden Material entspricht, und das zweite pulverförmige Material 7b eine Mixtur der hoch γ'-haltige Nickelbasis-Superlegierung und eines Lotwerkstoffs ist. Dem Fachmann ist dabei klar, welche Eigenschaften der Lotwerkstoff haben muss, um zu einer Reparatur von Materialrissen geeignet zu sein.
  • Für einen Fachmann naheliegenden Abwandlungen und Änderungen der Erfindung fallen unter den Schutzumfang der Patentansprüche.

Claims (12)

  1. Baukammer (1) zum generativen Herstellen eines Bauteils (8), die mindestens - eine Wandung (2), - eine Bauplattform (3), - eine Einrichtung (6) zum Zuführen mindestens eines pulverförmigen Materials (7) auf die Bauplattform (3) und - eine Laserquelle (5) zur Emission eines Laserstrahls (5a) zum Verschmelzen oder Versintern des pulverförmigen Materials (7) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (6) in Form eines Schlauchs ausgebildet ist.
  2. Baukammer (1) nach Anspruch 1, bei der die schlauchförmige Einrichtung (6) einen Mantel aus Kohlenstoff aufweist.
  3. Baukammer (1) nach Anspruch 1, bei der die schlauchförmige Einrichtung (6) einen Mantel aus Kunststoff aufweist.
  4. Baukammer (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die schlauchförmige Einrichtung (6) eine Kombination von mindestens einem ersten (6a) und einem zweiten Teilschlauch (6b) umfasst.
  5. Baukammer (1) nach einem der Ansprüche 2-4, bei der die Dicke des Mantels (9) der schlauchförmigen Einrichtung (6) unter 100 µm liegt.
  6. Verfahren zum Herstellen und/oder Reparieren eines Bauteils mittels einer Baukammer gemäß einem der Ansprüche 1-5, mit den Schritten: - Bereitstellen der Baukammer (1), - Aufbringen eines pulverförmigen Materials (7) mittels der schlauchförmigen Zuführeinrichtung (6) auf die Bauplattform (3), - Verschmelzen des pulverförmigen Materials (7) durch Wirkung eines Laserstrahls (5a), - Absenken der Bauplattform (3), wobei die Schritte des Aufbringens und Verschmelzens des pulverförmigen Materials (7) sowie des Absenkens der Bauplattform (3) in einer Anzahl wiederholt werden, wie zum Fertigstellen des Bauteils (8) notwendig sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die schlauchförmige Zuführeinrichtung (6) mindestens einen ersten (6a) und einen zweiten Teilschlauch (6b) umfasst, und im ersten Teilschlauch (6a) ein erstes pulverförmiges Material (7a) und im zweiten Teilschlauch (6b) ein zweites pulverförmiges Material (7b) der Bauplattform (3) zugeführt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das erste pulverförmige Material (7a) eine Kornfraktion aufweist, die von der des zweiten pulverförmigen Materials (7b) verschieden ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei dem ersten (7a) oder zweiten pulverförmigen Material (7b) ein Lotwerkstoff beigemischt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das zweite pulverförmige Material (7b) in einem Hochtemperaturlötprozess verwendet wird, um während des Schweißens im Material des Bauteils (8) entstandene Heißrisse zu verschließen.
  11. Bauteil (8), hergestellt und/oder repariert durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6-10.
  12. Bauteil (8) nach Anspruch 11, wobei das Bauteil (8) ein Turbinenbestandteil ist.
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