DE112014003523T5

DE112014003523T5 - Aufbau und Reparatur von hohlen Bauteilen

Info

Publication number: DE112014003523T5
Application number: DE112014003523.8T
Authority: DE
Inventors: Gerald J. Bruck; Ahmed Kamel
Original assignee: Siemens Energy Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2014-08-01
Publication date: 2016-04-14
Also published as: WO2015017742A1; CN105408055A; KR20160036628A; US20150034266A1; JP2016536516A

Abstract

Ein Verfahren zum Aufbauen oder Reparieren eines hohlen superlegierten Bauteils (20, 61) durch Bilden einer Öffnung (38, 62) in einer Wand (28) des Bauteils, Füllen des Hohlraums (22B, 64) hinter der Öffnung mit einem flüchtigen Trägerwerkstoff (34, 52, 54, 68), um ein Füllerpulver (36) über der Öffnung zu tragen, Führen eines Energiestrahls (42) über das Füllerpulver, um eine Abscheidung (44) zu bilden, die die Öffnung überspannt und verschließt, wobei die Abscheidung mit den Rändern (32, 62) der Öffnung verschmolzen ist. Das Füllerpulver weist mindestens Metall auf und kann ferner Flussmittel aufweisen. Das Trägermaterial kann Füllerpulver, einen Festkörper (54), einen Einsatz in Form eines Schaums (52), ein Flussmittelpulver (34) und/oder ein anderes Keramikpulver (68) aufweisen. Das Trägerpulver kann eine kleinere Korngröße aufweisen als das Füllerpulver.

Description

Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortführung der US-Patentanmeldung mit der Nummer 13/956,635, eingereicht am 1. August 2013 (Aktenzeichen 2013P12505US), die durch Bezugnahme in das Vorliegende aufgenommen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Gebiete des Metallfügens und der additiven Fertigung (Additive Manufacturing) und genauer einen Vorgang zum Abscheiden von Metall unter Verwendung einer Laserwärmequelle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Superlegierte Werkstoffe gehören aufgrund ihrer Anfälligkeit für die Heißrissbildung und die Rissbildung durch Reckalterung zu den am schwierigsten zu schweißenden Werkstoffen. Der Begriff „superlegiert”, wie er im Vorliegenden verwendet wird, bedeutet eine hochgradig korrosions- und oxidationsbeständige Legierung mit ausgezeichneter mechanischer Festigkeit und Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen. Superlegierungen weisen typischerweise einen hohen Nickel- oder Kobaltgehalt auf. Beispiele für Superlegierungen sind u. a. Legierungen, die unter den Marken und Markennamen Hastelloy, Inconel-Legierungen (z. B. IN 738, IN 792, IN 939), Rene-Legierungen (z. B. Rene N5, Rene 80, Rene 142), Haynes-Legierungen, Einkristalllegierungen Mar M, CM 247, CM 247 LC, C263, 718, X-750, ECY 768, 282, X45, PWA 1483 und CMSX (z. B. CMSX-4) vertrieben werden.
1 ist ein Diagramm, das die verhältnismäßige Schweißbarkeit verschiedener Superlegierungen als Funktion ihres Aluminium- und Titangehalts darstellt. Legierungen wie Inconel^® IN 718, die verhältnismäßig geringe Konzentrationen dieser Elemente und demzufolge einen verhältnismäßig geringen Gamma-Strich-Gehalt aufweisen, gelten als verhältnismäßig gut schweißbar. Legierungen wie Inconel^® IN 939, die verhältnismäßig hohe Konzentrationen dieser Elemente aufweisen sind, gelten allgemein als nicht schweißbar oder können nur mit den vorstehend erläuterten Spezialverfahren geschweißt werden, die die Temperatur/Duktilität des Materials erhöhen und den Wärmeeinsatz des Vorgangs minimieren. Zum Zweck der vorliegenden Erläuterung kennzeichnet die Strichellinie 19 eine Grenze zwischen einer Schweißbarkeitszone unterhalb der Linie 19 und einer Zone der Nichtschweißbarkeit oberhalb der Linie 19. Die Linie 19 schneidet 3 Gew.-% Aluminium auf der vertikalen Achse und 6 Gew.-% Titan auf der horizontalen Achse. Innerhalb der Nichtschweißbarkeitszone sind die Legierungen mit dem höchsten Aluminium-Gehalt nach allgemeiner Feststellung am schwierigsten zu schweißen. Die Erfinder des Vorliegenden haben Techniken zum erfolgreichen Schweißen derartiger Werkstoffe entwickelt, die beispielsweise in den veröffentlichten US-Patentanmeldungen mit den Nummern US 2013/0136868 A1 und US 2013/0140278 A1, die beide durch Bezugnahme in das Vorliegende aufgenommen werden, beschrieben sind.
Gasturbinenflügel – rotierende Schaufeln wie auch feststehende Leitschaufeln – werden häufig durch Gießen eines superlegierten Werkstoffs um einen flüchtigen Keramikkern gefertigt, der dann entfernt wird, um Kühlkammern und -kanäle in der Schaufel zu bilden. Am besten wird der Kern zwecks exakter Positionierung und Stabilität des Kerns während des Gießens sowohl am Fußende als auch am Spitzenende fixiert. Eine derartige Fixierung verhindert allerdings das Gießen einer geschlossenen Schaufelspitze im primären Gießvorgang. Durch einen zweiten Vorgang muss eine Spitzenkappe aufgebaut oder ergänzt werden, um die Öffnung zu schließen, die der Keramikkern hinterlässt. In ähnlicher Weise kann die Reparatur einer durch den Einsatz beschädigten Schaufelspitze typischerweise das Abschleifen oder -schneiden einer vorhandenen Spitze und das Anschweißen einer Ersatzspitzenkappe über der hohlen Schaufelstruktur beinhalten. Die Reparatur anderer superlegierter Bauteile kann das Schließen einer Öffnung in einem hohlen Bauteil erfordern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Diagramm, das die verhältnismäßige Schweißbarkeit verschiedener Superlegierungen veranschaulicht.
2 eine Draufsicht auf eine Turbinenschaufelspitze ohne Kappe.
3 eine Teilschnittansicht eines Turbinenschaufel-Spitzenabschnitts entlang Linie 3-3 von 2, eingeschlossen in eine Einfassung zum Aufbauen der Spitze.
4 einen Laserstrahl, der ein Füllerpulver überquert und dabei eine Metallabscheidung mit einer Decke aus Schutzschlacke bildet.
5 einen Spitzenabschnitt einer Turbinenschaufel nach dem Bilden einer Kappe daran.
6 den Spitzenabschnitt der Schaufel, nachdem die Kappe nach Bedarf maschinell bearbeitet wurde.
7 eine Squealer-Leiste, die um den Umfang der Kappe gebildet ist.
8 einen Einsatz, der in einem Hohlraum als Teil des Füllerträgers platziert ist.
9 einen Keramikkern, der sich nach dem Gießen über die Schaufelspitze hinaus erstreckt.
10 eine Schaufelspitze in einer Einfassung zum Aufbauen der Schaufelkappe unter Verwendung des Keramikkerns als Füllerträger.
11 den Keramikkern, der unterhalb der Schaufelspitzenoberfläche maschinell bearbeitet ist, wobei Raum für ein den Füller tragendes Pulver belassen ist.
12 ein Laserrastermuster.
13 eine Draufsicht auf eine Schaufelspitze 20 mit einem Füllerpulver und einer Flussmitteldecke 40 darauf, wie vorstehend beschrieben.
14 ein Laserabtastmuster mit überlappenden Gruppen konzentrischer Bahnen.
15 eine Schnittansicht eines Bauteils mit einer Reparaturöffnung, die mit einer Ausführungsform des vorliegend beschriebenen Vorgangs verschlossen wurde.
16 eine Schnittansicht eines Bauteils mit einer Reparaturöffnung, die mit einer weiteren Ausführungsform des vorliegend beschriebenen Vorgangs verschlossen wurde.
17 Aspekte eines Verfahrens der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder des Vorliegenden haben einen Vorgang zum Aufbauen einer Spitzenkappe auf einer hohlen superlegierten Turbinenschaufel oder zum Schließen einer anderen Öffnung in einem Bauteil durch Tragen eines Füllerwerkstoffs über der Öffnung auf einem Trägerelement in einem Hohlraum des Bauteils und dann Überqueren des Füllerwerkstoffs mit einem Energiestrahl zum Schmelzen desselben unter Bildung einer Abscheidung über der Öffnung, die mit den Rändern der Öffnung verschmolzen ist, entwickelt. Der Füllerwerkstoff kann ein Pulver sein, das Metall aufweist, und kann ferner Flussmittel aufweisen. Er wird mit einem flüchtigen Trägerelement hinter der Öffnung über der Öffnung getragen. „Flüchtig” bedeutet nach dem Schmelzen und Abkühlen des Metalls entfernbar, zum Beispiel durch einen mechanischen Vorgang, durch Fluidspülung, durch chemisches Ablaugen und/oder durch einen anderen bekannten Vorgang, der in der Lage ist, den flüchtigen Werkstoff aus seiner Position zu entfernen. Das Trägerelement kann ein Pulver und/oder eine andere Form eines Werkstoffs sein, der in einem Hohlraum hinter der Öffnung angeordnet ist. Beispiele sind u. a. zusätzliches Füllerpulver und/oder Flussmittel oder Keramikpulver. Alternativ kann das Trägerelement ein flüchtiger Festkörpereinsatz sein, der in dem Hohlraum platziert ist, um ein Zwischenträgerpulver zu tragen oder um das Füllerpulver direkt zu tragen. Als weitere Alternative kann das Trägerelement ein Sprühschaum sein, der sich ausdehnt, um den Hohlraum zu füllen, der jedoch mit einem Lösungsmittel flüchtig entfernt werden kann. Als weitere Alternative kann das Trägerelement eine elastische Blase sein, die pneumatisch oder hydraulisch mit Druck beaufschlagt werden kann, um den Hohlraum zu füllen, und die anschließend zum Entfernen entleert werden kann.
Ein Energiestrahl, zum Beispiel ein Laser, überquert das Füllerpulver über der Öffnung und schmilzt es dabei bis zu einer gewünschten Tiefe, beispielsweise die Dicke der Spitzenkappe oder die Dicke einer Wand, die repariert wird. Nach dem Abkühlen bildet dies eine feste Metallabscheidung über der Öffnung. Das Trägerelement schirmt die Rückseite der Abscheidung gegen Luft ab. In einer Ausführungsform ist das Trägerelement ein Pulver, das abschirmendes Flussmittel aufweist oder vollständig aus diesem gebildet ist. Zum externen Abschirmen kann eine Schicht pulverförmigen Flussmittels über dem Füllerwerkstoff angeordnet werden oder Flussmittel kann mit dem pulverförmigen Metall gemischt werden, um während des Erhitzens eine Schlackeschicht zu erzeugen, die die Abscheidung vor der Atmosphäre schützt. Alternativ kann der Vorgang in einer Kammer durchgeführt werden und es kann ein Inertgas eingeführt oder ein Vakuum bereitgestellt werden.
2 ist eine Draufsicht auf eine Turbinenschaufelspitze 20 ohne Kappe, die in einem Gießvorgang nach dem Stand der Technik gebildet werden kann, bei dem sich Keramikkernelemente durch eine Gussform erstrecken, um die Form hohler Kühlkanäle 22, 22A–D zu definieren. Dieser Zustand tritt an einer frisch gegossenen Schaufel ein, bevor eine Spitzenkappe daran oder an einer gebrauchten Schaufel nach dem Entfernen einer in der Qualität verminderten Spitzenkappe zwecks Ersatzes aufgebaut wird. Die Schaufel weist eine Anströmkante LE, eine Abströmkante TE, eine Druck- und eine Sogseite PS, SS auf. Sie kann einen Anströmkanten-Kühlkanal 22 und Serpentinenkühlkanäle 22A–D aufweisen, die durch innere Trennwände 24A–D getrennt sind, von denen sich einige (24A, 24C) zur Spitzenkappe erstrecken können und andere nicht (24B, 24D). Sie kann ferner Abströmkanten-Austrittsdurchlässe 26 enthalten. Zwar werden Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit einer Turbinenschaufel beschrieben, doch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt und kann auch andere Bauteile umfassen.
3 ist eine Teilschnittansicht von Außenwänden 28 einer Turbinenschaufelspitze entlang Linie 3-3 von 2, eingeschlossen in eine Einfassung zum Aufbauen der Spitze 30. Die Schaufel kann frisch gegossen nach dem Entfernen des flüchtigen Gusskerns und dem maschinellen Bearbeiten der Spitzenoberfläche 32 sein. Alternativ kann sie eine gebrauchte Schaufel nach dem Entfernen einer alten Spitzenkappe zwecks Ersatzes sein. Die Kühlkanäle werden mit einem Trägerpulver 34 gefüllt und die Schaufel kann von dem Trägerpulver in der Einfassung bis zur Höhe der Spitzenoberfläche 32 umgeben sein. In einer Ausführungsform kann das Haltepulver ein Schweißflussmittel aufweisen oder sein. Eine Schicht Füllerwerkstoff 36, die ein Metallpulver aufweist, bedeckt die Schaufelspitzenoberfläche 32 und überspannt die Öffnung 38 an der Schaufelspitze. Eine Schicht Flussmaterial 40 kann das Füllerpulver 36 bedecken, um eine abschirmende Schlackeschicht zu erzeugen, die die geschmolzene Metallabscheidung thermisch isoliert und gegen Luft abschirmt.
Das Metallpulver kann eine ähnliche oder identische Zusammensetzung aufweisen wie die Metallzusammensetzung der Bauteilwände 28. Optional kann der Füllerwerkstoff ein granuliertes Metallpulver sein, gemischt mit granuliertem Flussmittel, oder Metall-Flussmittel-Verbundpartikel. Flussmittel können zum Beispiel Aluminiumoxide, Carbonate, Fluoride und Silikate aufweisen. In Bezug auf einige Turbinenbauteile können die Wände 28 aus einer Superlegierung bestehen und der Füllerwerkstoff kann eine ähnliche Superlegierungszusammensetzung in granulierter Pulverform enthalten.
4 zeigt einen Laserstrahl 42, der den Füllerwerkstoff 36 über der Öffnung 38 überquert und eine Metallabscheidung 44 über der Öffnung bildet, die mit einer Decke aus Schutzschlacke 46 bedeckt ist. 5 zeigt den Spitzenabschnitt der Schaufel nach dem Entfernen der Einfassung 30 und dem Entfernen des Trägerfüllerpulvers 34, beispielsweise durch dessen Ablassen durch eine Öffnung in einem gegenüberliegenden Ende des Bauteils. Die Metallabscheidung 44 ist mit den Wänden 28 der Schaufel verschmolzen und erstreckt sich über die Öffnung. 6 zeigt den Spitzenabschnitt der Schaufel nach dem maschinellen Bearbeiten der Abscheidung zwecks Endbearbeitung der Oberflächen und Ränder der Schaufelkappe 47 nach Bedarf.
Alternativ oder zusätzlich zum Bereitstellen einer aufliegenden Flussmittelschicht 40 kann der Erhitzungsvorgang in einer Kammer aufgeführt werden. In der Kammer kann ein Vakuum erzeugt werden, um die Abscheidung 44 vor Luft zu schützen. Alternativ kann ein Inertgas in die Kammer und/oder den Hohlraum 22B eingeführt werden, um die Abscheidung vor Luft zu schützen.
Das Trägerfüllerpulver 34 kann eine Keramik, zum Beispiel Zirconoxid, aufweisen und/oder es kann ein Flussmaterial aufweisen, zum Beispiel Aluminiumoxid, Carbonate, Fluoride und Silicate. Weist das Trägerpulver 34 eine geringere Korngröße auf als das Füllerpulver 36, zum Beispiel weniger als die Hälfte der durchschnittlichen Partikelgröße, so wird die Trennlinie zwischen den beiden Pulvern schärfer und das geschmolzene Metall wird weniger dazu neigen, in das Trägerpulver zu fließen, wodurch eine glattere Innenoberfläche der Abscheidung 44 erzeugt wird. Das Trägerpulver 34 kann vor der Verwendung auf einen gewünschten kleineren Korngrößenbereich vermahlen werden.
7 zeigt eine sich radial erstreckende Leiste, die Squealer-Spitze 48 genannt wird und um den Umfang der Kappe 47 gebildet ist. Die Squealer-Spitze kann mit einem beliebigen bekannten Vorgang gebildet werden oder sie kann in der Einfassung 30 gebildet werden durch Hinzufügen und Schmelzen einer weiteren Schicht oder weiterer Schichten legierten Pulvers 36 und Steuern des Lasers 42 derart, dass er das Pulver in einem Muster schmilzt, um die Squealer-Spitze 48 zu bilden. Die Squealer-Spitze kann aus dem gleichen wie die Spitzenkappe 46 oder aus einem anderen Werkstoff gebildet sein. Zum Beispiel kann die Squealer-Spitze aus einer duktileren Legierung wie beispielsweise IN-625 bestehen. Nach der Herstellung der Squealer-Spitze kann die Schaufelspitze maschinell endbearbeitet werden. Kühlmittelaustrittslöcher 50 können in die Schaufelkappe 46 und/oder die Schaufelaußenwände 28 gebohrt werden. Alternativ können die Löcher 50 während des Schmelzschrittes von 4 durch geeignete Steuerung des Lasers 42 gebildet werden. Die Maschinenbearbeitung von 6 kann im Ganzen oder in Teilen bis nach dem Hinzufügen der Squealer-Spitze aufgeschoben werden.
8 zeigt einen Einsatz 52, der im Hohlraum der Schaufel als Teil des Trägerelements platziert ist, um den Hohlraum teilweise zu füllen und somit die Menge des benötigten Trägerpulvers 34 zu reduzieren. Er kann als Festkörper gebildet und im Hohlraum platziert sein, oder er kann zum Beispiel als Schaum oder als Keramikfasern oder als Blase im Hohlraum gebildet oder in ihn gepackt sein.
9 zeigt einen Keramikkern 54 zum Gießen, der in der Schaufel verbleibt und sich nach dem Gießen über die Schaufelspitze hinaus erstreckt. Dieser Kern kann das Trägerelement für das Füllerpulver breitstellen, indem er bündig mit der Schaufelspitzenoberfläche 32 oder darunter abschließend maschinell bearbeitet wird. 10 zeigt die sich ergebende Schaufelspitze in einer Einfassung 30 zum Aufbauen der Schaufelkappe wie bereits beschrieben. Der Kern 54 kann dann durch chemisches Ablaugen entfernt werden. 11 zeigt den Keramikkern 54 auf unter die Schaufelspitzenoberfläche 32 maschinell bearbeitet, was Raum für Trägerpulver lässt.
12 veranschaulicht ein Laserrastermuster, bei dem ein Strahl 42 mit einem Durchmesser D von einer ersten Position 54 zu einer zweiten Position 54' und dann zu einer dritten Position 54'' und so weiter bewegt wird. Eine Überlappung O des Strahls mit vorherigen entsprechenden Positionen in dem Muster beträgt vorzugsweise 25 bis 90% von D, um optimales Erhitzen und Schmelzen der Werkstoffe bereitzustellen. Alternativ können zwei Energiestrahlen gleichzeitig rastern, um eine gewünschte Energieverteilung über die Fläche zu erreichen, wobei die Überlappung zwischen den Strahlenmustern im Bereich von 25–90% der Durchmesser der jeweiligen Strahlen liegt.
13 ist eine Draufsicht auf eine Schaufelspitze 20 mit einem Füllerpulver und einer Flussmitteldecke 40 darauf wie vorstehend beschrieben. Die Laserabtastung ist im Gange, wie durch die beispielhaften Abtastlinien 60 gekennzeichnet ist. Die bereits gezeigte Einfassung und das Pulver, das die Schaufelspitze umgibt, sind hier der Klarheit wegen weggelassen. Die Laserenergie pro Flächeneinheit (Stärke) kann über die Abtastfläche variiert werden, indem die Emitter-Leistung und/oder die Strahlverweildauer und/oder die Wiederholung und/oder der Überlappungsprozentsatz variiert werden, um die Abscheidung bis auf eine gewünschte Tiefe zu schmelzen und sie mit den Schaufelspitzenwänden 28 und etwaigen Trennwänden 24A, 24C, die sich zur Oberseite 32 der Schaufelspitze erstrecken, zu verschmelzen. Die Energiestärke kann über den Oberseiten 32 der Wände und Trennwände im Verhältnis zu einer geringeren Stärke über den Schaufelhohlräumen erhöht werden, um die Füllerabscheidung mit der Oberseite zu verschmelzen.
14 zeigt ein Strahlabtastmuster, in dem ein Energiestrahl einem ersten Satz konzentrischer Bahnen 56A, 56B, 56C um einen ersten Mittelpunkt C1 folgt, dann einem zweiten Satz konzentrischer Bahnen 58A–C um einen zweiten Mittelpunkt C2 folgt und weiterhin zusätzlichen Sätzen konzentrischer Bahnen um aufeinanderfolgende Mittelpunkte C3–C6 folgen kann. Jeder Satz konzentrischer Bahnen kann mindestens zwei konzentrische Bahnen enthalten oder mindestens drei und überlappt mit einem angrenzenden Satz oder Sätzen konzentrischer Bahnen. Zum Beispiel kann die Überlappung etwa 1/3 des Durchmessers der größten Bahn jedes Satzes betragen. Dieses Muster stellt eine steuerbare Verweildauer über mehrere Arbeitsgänge auf einer begrenzten Fläche ohne Hotspots auf der Oberfläche bereit und ermöglicht somit, dass eine gewünschte gleichmäßige Schmelztiefe erreicht wird. Es verringert die Notwendigkeit, ein perfektes Rastermuster 60 aus parallelen Linien wie in 13 zu erzeugen, um eine lange querverlaufende Schmelzfront an der Metallabscheidung aufrechtzuerhalten. Ein Rastermuster 60 oder ein anderes Abtastmuster kann mit oder ohne Verstärkung durch die Sätze konzentrischer Bahnen von 14 verwendet werden.
15 ist eine Schnittansicht eines Bauteils 61 mit einer Öffnung 62, die in einer Wand 28 hergestellt wurde, um einen in der Qualität geminderten Abschnitt der Wand zu entfernen. Ein Hohlraum 64 des Bauteils ist mit einem Trägerelement wie beispielsweise einem Trägerpulver 34 oder einem Einsatz wie bereits beschrieben gefüllt. Ein Füllerpulver 36 überfüllt die Öffnung, um die Reduzierung während des Schmelzens auf eine endgültige Abscheidungshöhe zu gestatten, die bündig mit der Öffnung oder höher ist. Es kann maschinelle Bearbeitung genutzt werden, um die Außenoberfläche nach dem Entfernen der Schlackedecke endzubearbeiten, wie bereits beschrieben.
16 ist eine Schnittansicht eines Bauteils 61, wobei eine Öffnung 62 in einer Wand 28 hergestellt wurde, um einen in der Qualität geminderten Abschnitt der Wand zu entfernen. Ein Hohlraum 64 des Bauteils ist mit einem Trägerelement wie beispielsweise einem Schaumeinsatz 52 gefüllt, wobei ein Raum oder eine Vertiefung unter der Öffnung 62 Trägerpulver wie beispielsweise Keramikpulver 68 aufweist. Ein Füllerpulver 36, das Metallpulver und Flussmittel aufweist, überfüllt die Öffnung, um die Reduzierung während des Schmelzens auf eine endgültige Abscheidungshöhe zu gestatten, die bündig mit der Öffnung oder höher ist. Es kann durch einen Einschließungsring oder -rahmen 70, der die Öffnung umgibt, eingegrenzt sein. Das Keramikpulver kann eine kleinere Korngröße aufweisen als das Füllerpulver 36, zum Beispiel weniger als die Hälfte der Korngröße des Füllerpulvers, um das Abfließen von Metallpulver in das Trägerpulver zu verringern und um das Einsickern des geschmolzenen Metalls in das Trägerpulver zu verringern. Es kann maschinelle Bearbeitung genutzt werden, um die Außenoberfläche nach dem Entfernen der Schlackedecke endzubearbeiten, wie bereits beschrieben.
17 veranschaulicht Aspekte eines Verfahrens 80 einer Ausführungsform der Erfindung, das folgende Schritte aufweist:
82 – Gießen einer superlegierten Turbinenschaufel ohne Schaufelspitzenkappe;
84 – Platzieren eines Trägerelements in einem Hohlraum der Schaufel;
86 – Tragen eines additiven Füllerwerkstoffs quer über die Schaufelspitze auf dem Trägerelement.
88 – Führen eines Energiestrahls über den Füllerwerkstoff, um den Füllerwerkstoff zu schmelzen und somit eine superlegierte Kappe über der Schaufelspitze zu bilden, die mit den Schaufelspitzenwänden verschmolzen ist, und
90 – Aufbauen einer sich radial erstreckenden Squealer-Leiste um den Umfang der Kappe über Auftragschweißen.
Der in dem vorliegenden Vorgang genutzte Energiestrahl 42 kann ein Laserstrahl oder eine andere bekannte Art von Energiestrahlen sein, wie beispielsweise ein Elektronenstrahl, ein Plasmastrahl, mehrere Laserstrahlen usw. Ein Strahl mit einer breiten Fläche kann von einem Diodenlaser erzeugt werden, um die Stärke zu reduzieren, wodurch der Temperaturgradient und Risswirkungen reduziert werden.
Das Aufnehmen von Flussmittel in das Füllerpulver 36 und/oder in eine Flussmitteldeckschicht 40 erzeugt eine Schlackeschicht 46, die den geschmolzenen Werkstoff und den erstarrten heißen Reparaturabscheidungswerkstoff 44 gegen die Atmosphäre abschirmt. Die Schlacke schwimmt zur Oberfläche auf und trennt dabei das geschmolzene oder heiße Metall von der Atmosphäre, wodurch die Nutzung teuren Inertgases vermieden oder minimiert wird. Die Schlacke wirkt auch als Wärmedecke, die es dem erstarrten Werkstoff ermöglicht, langsam und gleichmäßig abzukühlen, wodurch Restspannungen reduziert werden, die zu Wiedererwärmungsrissen nach dem Schweißen und Rissen durch Reckalterung beitragen. Flussmittel im Füllerpulver stellt eine Reinigungswirkung bereit, die Spurenverunreinigungen wie etwa Schwefel und Phosphor entfernt, welche zur Heißrissbildung beitragen. Eine derartige Reinigung schließt die Deoxidierung des Metallpulvers ein. Da das Fließpulver in engem Kontakt mit dem Metallpulver steht, ist es besonders wirksam bei der Erfüllung dieser Funktion. Eine Flussmitteldeckschicht kann Energieabsorption und -einschluss bereitstellen, um den Laserstrahl effektiver in Wärmeenergie umzuwandeln, wodurch eine präzise Steuerung des Wärmeeinsatzes und eine sich daraus ergebende Steuerung der Werkstofftemperatur während des Vorgangs erleichtert werden. Das Flussmittel kann so formuliert werden, dass es den Verlust verflüchtigter Elemente während der Bearbeitung ausgleicht oder aktiv zusätzliche Elemente zur Abscheidung beisteuert, die sonst nicht vom Metallpulver bereitgestellt werden.
Zwar wurden verschiedene Ausführungsformen im Vorliegenden gezeigt und beschrieben, doch ist es offensichtlich, dass derartige Ausführungsformen lediglich als Beispiele aufgeführt sind. Es können zahlreiche Variationen, Änderungen und Ersetzungen vorgenommen werden, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Dementsprechend soll die Erfindung ausschließlich durch Geist und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Verfahren, umfassend: Abscheiden eines Trägerelements in einem Hohlraum eines Bauteils unter einer Öffnung in einer Wand des Bauteils, Auftragen eines Füllerwerkstoffs, der ein Metallpulver auf dem Trägerelement umfasst, über der Öffnung, Anwenden von Wärme auf den Füllerwerkstoff, um ihn in der Öffnung zu schmelzen, Erstarrenlassen des geschmolzenen Füllerwerkstoffs, um eine Metallabscheidung in der Öffnung zu bilden, und Entfernen des Trägerelements und etwaigen nicht verbrauchten Füllerwerkstoffs.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner das Anordnen des Trägerelements in einem Hohlraum einer superlegierten Gasturbinenschaufel umfassend, wobei sich die Öffnung an einer Spitze der Schaufel befindet und wobei die Metallabscheidung eine Schaufelspitzenkappe bildet.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner das Bilden einer sich radial erstreckenden Squealer-Leiste um einen Umfang der Spitzenkappe durch Auftragschweißen umfassend.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner das Entfernen eines beanspruchten Abschnitts der Wand umfassend, um die Öffnung zu bilden, in der die Abscheidung eine Reparatur bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wand aus einem superlegierten Werkstoff besteht und der Füllerwerkstoff Bestandteile der Superlegierung und ein Flussmittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wand aus einem superlegierten Werkstoff besteht, das Metallpulver eine erste Teilgruppe von Bestandteilen des superlegierten Werkstoffs umfasst und der Füllerwerkstoff ferner ein Flussmittel umfasst, das eine zweite Teilgruppe von Bestandteilen des superlegierten Werkstoffs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner das Anwenden der Wärme durch Führen eines Laserstrahls über den Füllerwerkstoff und das Steuern des Laserstrahls umfassend, um den Füllerwerkstoff auf eine Tiefe zu schmelzen, die einer Dicke der Wand entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner das Anwenden von Wärme durch Rastern eines Laserstrahls über den Füllerwerkstoff, ausreichendes Erhöhen einer Stärke des Strahls, während er über die Ränder der Wand geführt wird, um die Abscheidung ausreichend mit dieser zu verschmelzen, und das Verringern der Stärke des Strahls, während er über den Hohlraum geführt wird, im Verhältnis zur Stärke über den Rändern der Wand umfassend.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner das Bedecken des Füllerwerkstoffs mit einer Flussmittelschicht vor Anwenden der Wärme und das Entfernen einer Schlackeschicht von der Abscheidung nach dem Erstarren der Abscheidung umfassend.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner das Tragen des Füllerwerkstoffs über der Öffnung durch mindestens teilweises Füllen des Hohlraums mit einem Flussmittelpulver, welches das Trägerelement bildet, umfassend.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner das Tragen des Füllerwerkstoffs über der Öffnung durch mindestens teilweises Füllen des Hohlraums mit einem Keramikpulver, welches das Trägerelement bildet, umfassend.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner das Tragen des Füllerwerkstoffs über der Öffnung durch mindestens teilweises Füllen des Hohlraums mit einem flüchtigen Werkstoff, welcher das Trägerelement bildet, und das Entfernen des flüchtigen Werkstoffs nach dem Erstarren der Abscheidung umfassend.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Anordnen eines flüchtigen Werkstoffs in dem Hohlraum derart, dass eine Vertiefung zwischen dem flüchtigen Werkstoff und der Öffnung vorhanden ist, Füllen der Vertiefung mit einem Trägerpulver, wobei der flüchtige Werkstoff und das Trägerpulver das Trägerelement bilden, Tragen des Füllerwerkstoffs über der Öffnung auf dem Trägerpulver und Entfernen des flüchtigen Werkstoffs und des Trägerpulvers nach dem Erstarren der Abscheidung.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner das Anwenden der Wärme durch Führen eines Energiestrahls über die Öffnung in einer Serie von überlappenden Sätzen konzentrischer Bahnen umfassend.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Energiestrahl ein Laserstrahl ist, ferner das Führen des Laserstrahls in mehreren Sätzen konzentrischer kreisrunder Bahnen umfassend, wobei jeder Satz mindestens 3 konzentrische kreisrunde Bahnen umfasst und jeder Satz einen angrenzenden Satz um mindestens 1/3 eines Durchmessers einer größten der kreisrunden Bahnen der jeweils überlappenden Sätze überlappt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Trägerelement als Pulver mit einer Korngröße von weniger als der Hälfte einer Korngröße des Metallpulvers gebildet ist.
Verfahren, umfassend: Anordnen eines pulverförmigen Trägerwerkstoffs unter einer Öffnung in einer Wand eines Bauteils, Überspannen der Öffnung mit einem Füllerpulver, das von dem pulverförmigen Trägerwerkstoff getragen wird, wobei der pulverförmige Trägerwerkstoff eine kleinere Korngröße umfasst als das Füllerpulver, Führen eines Energiestrahls über das Füllerpulver, um es in der Öffnung zu schmelzen und mit den Rändern der Wandöffnung zu verschmelzen, und Erstarrenlassen des geschmolzenen Füllerpulvers, um eine Abscheidung in der Öffnung zu bilden, wobei die Abscheidung mit der Wand verschmolzen ist.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner das Führen des Energiestrahls in einer Serie überlappender Sätze konzentrischer Bahnen umfassend.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Bauteil eine superlegierte Gasturbinenschaufel ist und die Öffnung Teil eines in dieser gebildeten Kühlkanalhohlraums ist, ferner umfassend: Anordnen eines pulverförmigen Flussmittels in dem Hohlraum unter der Öffnung, Überspannen der Öffnung mit einem superlegierten Pulver, das von dem Flussmittel getragen wird, Bedecken des superlegierten Pulvers mit einer Schicht Flussmittelpulver, Führen eines Laserstrahls über die Öffnung, um über der Öffnung eine Abscheidung superlegierten Werkstoffs, die von einer Schlackeschicht bedeckt wird, zu bilden, und Entfernen des Flussmittels von dem Hohlraum und Entfernen der Schlacke.
Verfahren, umfassend: Entfernen von Material von einem beschädigten Gasturbinenbauteil, um eine Öffnung durch eine Wand des Bauteils in einen Kühlkanalhohlraum freizulegen, Anordnen eines Trägerwerkstoffs in dem Kühlkanalhohlraum unter der Öffnung, Bedecken der Öffnung mit einem legierten Pulver, das von dem Trägerwerkstoff getragen wird, Führen eines Laserstrahls über das legierte Pulver, um es in der Öffnung zu schmelzen und es mit den Rändern der Wandöffnung zu verschmelzen, Erstarrenlassen des geschmolzenen Füllerpulvers, um eine Abdichtung in der Öffnung zu bilden, und Entfernen des Trägerwerkstoffs von dem Kühlkanalhohlraum.