DE112014005068T5

DE112014005068T5 - Unterhalb der Oberfläche stattfindende Laserbearbeitung einer Wirbelschicht

Info

Publication number: DE112014005068T5
Application number: DE112014005068.7T
Authority: DE
Inventors: Gerald J. Bruck; Ahmed Kamel
Original assignee: Siemens Energy Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2016-08-18
Also published as: CN105705293B; WO2015069447A1; US20150125333A1; CN105705293A

Abstract

Ein System und ein Verfahren der additiven Herstellung unter Verwendung eines fluidisierten Betts (einer Wirbelschicht) aus pulverisiertem Material (14), das pulverisiertes Metallmaterial (14') und pulverisiertes Flussmittel (14'') umfasst, umfasst das Erwärmen des pulverisierten Materials mit einem Energiestrahl (20), der von einem Ort unterhalb einer oberen Oberfläche (25) des pulverisierten Materials zugeführt wird. Das pulverisierte Bett wird durch die Einführung eines inerten oder nicht-inertem Gases in eine Kammer (12) fluidisiert. Während sich das pulverisierte Material erwärmt, schmilzt und erstarrt, bildet sich eine Schlackeschicht (32) auf dem abgeschiedenen Metall (38) und wird anschließend entfernt, so dass fluidisiertes Pulver, das sich auf einem zuvor abgeschiedenen Bereich (34) abgesetzt hat, erwärmt, geschmolzen und verfestigt werden kann, um eine Komponente (22) aufzubauen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet des Gießens, Formens oder Reparierens von Metallkomponenten und Metallteilen aus einem Bett aus pulverisierten Metallen. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf die Verwendung eines fluidisierten Betts (einer Wirbelschicht) aus pulverisiertem Material zum Gießen oder Reparieren von Teilen, wobei das pulverisierte Material aus Superlegierungsmetallen und anderen Materialien besteht.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Schweißverfahren variieren erheblich je nach der Art des zu schweißenden Materials. Einige Materialien lassen sich unter verschiedenen Bedingungen leichter schweißen, während andere Materialien spezielle Verfahren erfordern, um eine strukturell solide Verbindung ohne Beeinträchtigung des umgebenden Substratmaterials zu erreichen.
Bei dem bekannten Lichtbogenschweißen wird in der Regel eine Abschmelzelektrode als Zuführungsmaterial verwendet. Um das geschmolzene Material im Schmelzbad vor der Atmosphäre zu schützen, kann inertes Schutzgas oder ein Flussmittel verwendet werden, wenn viele Legierungen wie z. B. Stähle, nichtrostende Stähle und Legierungen auf Nickelbasis geschweißt werden. Zu den Verfahren mit inertem Gas und den kombinierten Verfahren mit inertem und aktivem Gas zählen Wolfram-Schutzgasschweißen (gas tungsten arc welding, GTAW) (auch bekannt als Wolfram-Inertgasschweißen, WIG) sowie Metall-Schutzgasschweißen (MSG) (auch bekannt als Metall-Inertgasschweißen (MIG) und Metall-Aktivgasschweißen (MAG)). Zu den Verfahren, in denen Flussmittel als Schutz verwendet wird, zählen das Unterpulverschweißen (submerged arc welding, SAW), bei dem das Flussmittel auf gewöhnliche Weise zugeführt wird, das Fülldrahtschweißen (flux cored arc welding, FCAW), bei dem das Flussmittel im Kern der Elektrode enthalten ist, und das Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweißen (shielded metal arc welding, SMAW), bei dem das Flussmittel auf der Außenseite der Füllelektrode aufgebracht ist.
Die Nutzung von Energiestrahlen als Wärmequelle zum Schweißen ist ebenfalls bekannt. Beispielsweise wurde Laserenergie eingesetzt, um bereits platziertes Edelstahlpulver auf ein Substrat aus Kohlenstoffstahl aufzuschweißen, wobei pulverisiertes Flussmittel zur Abschirmung des Schmelzbads verwendet wurde. Das Flussmittelpulver kann mit dem Edelstahlpulver gemischt oder als eine separate Deckschicht angewendet werden. Nach den Kenntnissen der Erfinder wurden beim Schweißen von Superlegierungsmaterialien Flussmittel nicht verwendet.
Es ist anerkannt, dass Superlegierungsmaterialien zu den am schwierigsten zu schweißenden Materialien gehören, weil sie zur Erstarrungsrissbildung und zur Reckalterungsrissbildung neigen. Der Begriff „Superlegierung” wird hier so verwendet, wie er häufig in der Technik benutzt wird; d. h. er beschreibt eine hochkorrosions- und oxidationsbeständige Legierung, die eine hervorragende mechanische Festigkeit und Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen aufweist. Superlegierungen enthalten in der Regel einen hohen Gehalt an Nickel oder Kobalt. Beispiele für Superlegierungen sind Legierungen, die unter den Warenzeichen 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, Mar-M, CM 247, CM 247 LC, C263, 718, X-750, ECY 768, 282, X45, PWA 1483 und CMSX (z. B. CMSX-4) Einzelkristall-Legierungen verkauft werden.
Schweißreparaturen von manchen Superlegierungsmaterialien wurden erfolgreich erreicht, indem das Material auf eine sehr hohe Temperatur (z. B. auf über 870°C oder 1600°F) vorgewärmt wurde, um die Duktilität des Materials während der Reparatur deutlich zu erhöhen. Diese Technik wird als Hot-Box-Schweißen oder Superlegierungsschweißen bei erhöhter Temperatur (superalloy welding at elevated temperature, SWET) bezeichnet und wird häufig durch manuelles Wolfram-Schutzgasschweißen erreicht. Die Möglichkeiten des Hot-Box-Schweißens sind jedoch durch die Schwierigkeit der Aufrechterhaltung einer einheitlichen Temperatur an der Oberfläche der Komponente während des Prozesses und die Schwierigkeit der Aufrechterhaltung einer vollständigen Inertgas-Abschirmung sowie durch physische Schwierigkeiten begrenzt, denen der Bediener bei der Arbeit in der Nähe von derartig extremen Temperaturen ausgesetzt ist.
Einige Schweißanwendungen mit Superlegierungsmaterial können unter Verwendung einer Kühlplatte durchgeführt werden, um die Aufheizung des Substratmaterials zu begrenzen; hierdurch wird das Auftreten von Substratwärmeeffekten und Spannungen begrenzt, die zu Rissproblemen führen. Allerdings ist diese Technik für viele Reparaturanwendungen nicht praktikabel, bei denen die Geometrie der Teile die Verwendung einer Kühlplatte nicht begünstigt.
9 zeigt ein konventionelles Diagramm zur Veranschaulichung der relativen Schweißbarkeit von verschiedenen Legierungen als Funktion ihres Aluminium- und Titangehalts. Legierungen wie Inconel^® IN718, die relativ niedrigere Konzentrationen dieser Elemente aufweisen und daher einen relativ niedrigeren Gamma-Hauptphasengehalt, gelten als relativ gut schweißbar, obwohl ein derartiges Schweißen im Allgemeinen auf Komponentenregionen mit geringen Spannungen begrenzt ist. Legierungen wie Inconel^® IN939, die relativ höhere Konzentrationen dieser Elemente aufweisen, gelten im Allgemeinen als nicht schweißbar oder können nur mit den speziellen, oben beschriebenen Prozeduren geschweißt werden, die die Temperatur/Duktilität des Materials erhöhen und den Wärmeeintrag des Prozesses minimieren. Eine gestrichelte Linie 80 gibt eine anerkannte Obergrenze einer Schweißbarkeitszone an. Die Linie 80 schneidet 3 Gew.% Aluminium auf der vertikalen Achse und 6 Gew.% Titan auf der horizontalen Achse. Legierungen außerhalb der Schweißbarkeitszone sind als mit bekannten Verfahren sehr schwierig oder nicht schweißbar bekannt, und die Legierungen mit dem höchsten Aluminiumgehalt haben sich als die im Allgemeinen am schwierigsten zu schweißenden Legierungen herausgestellt, wie durch den Pfeil angegeben.
Es ist auch bekannt, selektives Laserschmelzen (selective laser melting, SLM) oder selektives Lasersintern (selective laser sintering, SLS) anzuwenden, um eine dünne Schicht von Superlegierungs-Pulverpartikeln auf ein Superlegierungssubstrat aufzuschmelzen. Das Schmelzbad wird während der Erwärmung mittels Laser durch die Anwendung von einem inerten Gas wie Argon gegen die Atmosphäre abgeschirmt. Diese Verfahren neigen dazu, die Oxide (z. B. Aluminium- und Chromoxide) einzufangen, die an der Oberfläche der Partikel innerhalb der abgeschiedenen Materialschicht haften, was Porosität, Einschlüsse und andere Defekte zur Folge hat, die in Verbindung mit den eingefangenen Oxiden auftreten. Nach dem Verfahren wird häufig heißisostatisches Pressen (hot isostatic pressing, HIP) angewendet, um diese Hohlräume, Einschlüsse und Risse zu reduzieren und dadurch die Eigenschaften der abgeschiedenen Beschichtung zu verbessern. Die Anwendung dieser Verfahren ist außerdem aufgrund der Notwendigkeit der vorherigen Platzierung des Pulvers auf horizontale Flächen beschränkt.
Das Laser-Mikroauftragschweißen ist ein 3D-fähiges Verfahren, bei dem eine kleine, dünne Materialschicht auf einer Oberfläche abgeschieden wird, indem ein Laserstrahl verwendet wird, um eine auf die Oberfläche gerichtete Pulverströmung zu schmelzen. Das Pulver wird durch einen Gasstrahl in Richtung der Oberfläche getrieben, und wenn es sich bei dem Pulver um ein Stahl- oder Aluminiummaterial handelt, ist das Gas Argon oder ein anderes Inertgas, das die geschmolzene Legierung gegen Sauerstoff aus der Atmosphäre abschirmt. Das Laser-Mikroauftragschweißen ist durch seine geringe Abscheidungsrate, zum Beispiel in der Größenordnung von 1 bis 6 cm³/h, begrenzt. Weil das schützende Argonschild dazu neigt, sich aufzulösen, bevor das aufgetragene Material vollständig abgekühlt ist, kann es überdies zu einer oberflächlichen Oxidation und Nitridation an der Oberfläche der Ablagerung kommen, was problematisch ist, wenn mehrere Materialschichten aufgetragen werden sollen, um eine gewünschte Auftragsdicke zu erreichen.
Für einige Superlegierungsmaterialien in der Zone der Nicht-Schweißbarkeit gibt es kein bekanntes wirtschaftlich akzeptables Schweiß- oder Reparaturverfahren. Da darüber hinaus ständig neue Superlegierungen und Superlegierungen mit einem höheren Legierungsgehalt entwickelt werden, nimmt die Notwendigkeit zur Entwicklung von kommerziell durchführbaren Fügeverfahren für Superlegierungsmaterialien immer mehr zu.
In Bezug auf die Erstausrüstungsherstellung (Original Equipment Manufacturing, OEM) wurden selektives Lasersintern und selektives Laserschmelzen eines statischen Betts aus pulverisierten Metalllegierungen als alternative Herstellungsverfahren vorgeschlagen; allerdings sind die mit diesen Verfahren hergestellten Komponenten hinsichtlich Produktivität und Qualität begrenzt. Darüber hinaus bleibt die Bearbeitungszeit ein Problem, weil Teile durch sehr dünne, inkrementell abgeschiedene Schichten geformt werden, indem das Teil vertikal nach unten verschoben wird, um eine neue Pulverschicht zum Schmelzen einzuführen. Außerdem unterliegt die Grenzfläche zwischen inkrementell bearbeiteten Schichten oder Ebenen Defekten und fragwürdigen physikalischen Eigenschaften.
Das Gießen eines Teils aus einem fluidisierten Bett (einer Wirbelschicht) aus pulverisiertem Metall ist in der USamerikanischen Patentschrift Nr. 4.818.562 offengelegt (das '562-Patent), deren Inhalt durch Nennung hierin als vollständig hierin aufgenommen betrachtet wird. Das '562-Patent beschreibt im Allgemeinen die Einführung eines Gases in ein Bett aus pulverisiertem Metall und das selektive Erwärmen von Regionen des pulverisierten Metalls mit einem Laser. Insbesondere beschreibt das '562-Patent die Einführung eines Inertgases wie Argon, Helium und Neon. Das Inertgas wird bereitgestellt, um jegliche atmosphärischen Gase zu verdrängen, die möglicherweise mit dem heißen oder geschmolzenen Metall zur Bildung von Metalloxiden reagieren könnten, wodurch die Unversehrtheit einer Komponente gefährdet werden könnte. Das '562-Patent offenbart auch, dass das zur Fluidisierung des Pulvers verwendete Gas ein reaktives Gas wie Methan oder Stickstoff sein kann; ohne die Einführung des Inertgases oder eines anderen abschirmenden Mechanismus bleibt jedoch das Risiko, dass Bestandteile des geschmolzenen Metalls mit verfügbaren Elementen reagieren, bestehen. Ferner sind das im '562-Patent beschriebene System und Verfahren auf die Bearbeitung der Oberfläche des Betts beschränkt, wobei ein Teil oder eine Komponente in das Bett eingetaucht ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems und Verfahrens zur Reparatur oder Herstellung einer Komponente unter Verwendung eines fluidisierten Betts (einer Wirbelschicht) aus pulverisiertem Material, einschließlich pulverisiertem Metall und pulverisiertem Flussmittel.
2 zeigt eine partielle Schnittansicht eines Energiestrahl-Austrittsportals mit einer durchlässigen Membran.
3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der eine Energiestrahlquelle außerhalb der Bearbeitungskammer angeordnet ist, so dass ein Laserstrahl durch optisch durchlässige Wände der Kammer übertragen wird.
4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung einschließlich einer oberhalb des fluidisierten Betts (der Wirbelschicht) angeordneten Energiestrahlquelle in Kombination mit einer unter der Oberfläche befindlichen Energiestrahlquelle.
5 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens, die eine Schlackeschicht zeigt, welche sich auf einem abgeschiedenen Metallsubstrat gebildet hat.
6 zeigt eine Draufsicht des Laserrohrs mit einem angebrachten Schlackewerkzeug.
7 zeigt eine Elevationsansicht des Laserrohrs und des Schlackewerkzeugs aus 6.
8 veranschaulicht ein Energiestrahl-Überlappungsmuster.
9 zeigt ein Diagramm nach dem Stand der Technik, das die relative Schweißbarkeit von verschiedenen Superlegierungen darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eine Materialfügeverfahren entwickelt, das erfolgreich verwendet werden kann, um die am schwierigsten zu schweißenden Superlegierungsmaterialien zu beschichten, zusammenzufügen und zu reparieren, und um Originalausrüstung oder Komponenten herzustellen oder zu gießen. Während Flussmittel zuvor nicht beim Schweißen von Superlegierungsmaterialien oder bei der Originalherstellung von Teilen oder Komponenten verwendet wurden, wenden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens vorteilhafterweise ein pulverisiertes Flussmittel während des Laser-Mikroauftragschweißprozesses und/oder in einem additiven Laser-Herstellungsprozess an. Das pulverisierte Flussmittel ist wirksam, um für das Einfangen von Strahlenergie, für die Bereinigung von Unreinheiten, für die Abschirmung der Atmosphäre, für die Perlenformung und die Temperaturregelung beim Abkühlen zu sorgen, um ein rissfreies Zusammenfügen von Superlegierungsmaterialien zu bewerkstelligen, ohne dass Hot-Box-Schweißen bei hohen Temperaturen erforderlich ist oder eine Kühlplatte oder Inertgas zur Abschirmung benötigt wird. Während verschiedene Elemente der vorliegenden Erfindung seit Jahrzehnten in der Schweißtechnik bekannt sind, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung innovativ eine Kombination von Schritten für ein additives Superlegierungs-Herstellungsverfahren entwickelt, das die seit langem bestehenden Einschränkungen der bekannten selektiven Laserschmelz- und Lasersinterverfahren für diese Materialien überwindet. Zu diesem Zweck haben die Erfinder entdeckt, dass durch Fluidisieren eines Betts aus pulverisiertem Material, welches sowohl pulverisierte Metallwerkstoffe als auch pulverisiertes Flussmittel umfasst, kontinuierlich Substrate gebildet werden können, ohne inkrementell Schichten zum Aufbauen eines Substrats zu bilden und ohne dass teure Inertgase eingeführt werden müssen.
1 zeigt ein additives Herstellungssystem und -verfahren wie selektives Lasersintern oder selektives Laserschmelzen, hierin gemeinsam als selektive Lasererwärmung bezeichnet, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Ein Gerät 10 zur additiven Herstellung umfasst eine Kammer 12, die mit pulverisiertem Material 14 (pulverisiertes Bett, Wirbelschicht oder fluidisiertes Bett) gefüllt ist, welches pulverisiertes Metallmaterial 14' und pulverisiertes Flussmittel 14'' umfasst. Das Pulvermaterial kann auch aus zusammengesetztem Metall und Flussmittel bestehen, um eine verbesserte Konsistenz der Fluidisierung zu erreichen. Das Bett aus pulverisiertem Material 14 wird fluidisiert, indem ein Gas über eine oder mehrere Rohrleitungen 16 eingeführt wird, die in Fluidkommunikation mit einem Plenum 17 am Boden der Kammer 12 stehen. Eine Diffusorplatte 19 ist vorgesehen, um das Plenum 17 vom Bett 14 zu trennen, und verteilt das fluidisierende Gas im Allgemeinen gleichmäßig in der Kammer 12. Ein Beispiel für eine derartige Diffusorplatte ist ein gesintertes, 3 mm (1/8 Zoll) dickes Blechmaterial mit 20 Mikron, 46 Prozent Porosität aus Edelstahl Typ 316L, erhältlich von Mott Corporation.
Gase, die verwendet werden können, um das Bett 14 zu fluidisieren, umfassen Inertgase wie Argon oder Helium. Da jedoch das Flussmittel 14'' während des Erwärmens als Schutzschild für das pulverisierte Metallmaterial 14' oder das geschmolzene Metall dient, können preisgünstigere reaktive oder semi-reaktive Gase wie Methan, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid oder Druckluft verwendet werden. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, muss die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidisierungsgases gesteuert werden, um das Bett 14 angemessen zu fluidisieren, so dass sich eine ausreichende Menge an pulverisiertem Material 14 zur Bearbeitung absetzt, und diese Strömungsgeschwindigkeit wird von einer Anzahl miteinander zusammenhängender Parameter abhängen, unter anderem von dem Volumen des Betts 14 und/oder der Kammer 12, der Dichte des pulverisierten Materials 14, der Partikelgröße usw. Das Flussmittel 14'' kann gröber als das Metallpulver sein, um die Konsistenz und Gleichförmigkeit der Fluidisierung von Metall- und Flussmittelpartikeln zu verbessern. Das bedeutet, dass das Flussmittel 14'' tendenziell weniger dicht ist als das Metallmaterial 14'; daher können kleine Metallpartikel in Hinblick auf das Fluidisieren von größeren, aber weniger dichten Flussmittelpartikeln besser angepasst werden. Dementsprechend kann die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidisierungsmediums sowohl die größeren Partikel des pulverisierten Flussmittels 14'' als auch die kleineren Partikel des pulverisierten Metallmaterials 14' gleichmäßig fluidisieren.
Ein Scansystem 18 lenkt einen Energiestrahl, beispielsweise einen Laserstrahl 20, auf derartige Weise von unterhalb einer oberen Oberfläche 25 des fluidisierten pulverisierten Betts 14, dass selektiv Regionen des Pulvers erwärmt (geschmolzen, teilweise geschmolzen oder gesintert) und verfestigt werden, um einen Abschnitt der Komponente 22 zu bilden. Mit Bezug auf die Ausführungsform in den 1 und 2 umfasst das Scansystem 18 ein Strahltransmissionsrohr 21, das in das fluidisierte Bett 14 eingetaucht ist. Das Rohr 21 weist vorzugsweise opake Wände oder Flächen auf, so dass der Laserstrahl 20 durch ein Austrittsportal 23 gelenkt wird, das sich unterhalb der Oberfläche des Betts aus pulverisiertem Material 14 befindet. Der Ausdruck „unterhalb einer oberen Oberfläche” soll Ausführungsformen umfassen, in denen das Laserstrahl-Austrittsportal 23 in das fluidisierte Bett 14 eingetaucht ist oder außerhalb der Kammer 12 positioniert ist, aber immer noch unterhalb einer Ebene, die zumindest teilweise durch die obere Oberfläche 25 des Betts 14 definiert ist.
Wie in 2 dargestellt, können ein oder mehrere Spiegel 33 innerhalb des Rohrs 21 angeordnet sein, um die Richtung des Strahlengangs durch das Austrittsportal 23 zu steuern. Diese Spiegel 33 können unter Verwendung von Mechanismen oder Techniken, die dem Fachmann bekannt sind, beweglich sein, um die Ausbreitungsrichtung des Strahlengangs zu steuern.
Eine optisch durchlässige Membran 35 kann in dem Portal 23 befestigt sein, um das Portal 23 frei von geschmolzenem pulverisiertem Material 14 zu halten. Die Membran 35 kann aus einem optisch durchlässigen festen Material wie Glas oder Quarz gebildet sein, oder sie kann gasdurchlässiges Material aufweisen, wobei Gas durch das Rohr 21 und die Membran 35 zugeführt wird, um das pulverisierte Material 14 relativ zum Portal 23 so zu verlagern, dass geschmolzenes Material nicht mit der Membran 35 in Kontakt kommt. Alternativ kann das Portal 23 ohne Membran 35 auskommen, wenn Gas zugeführt wird, um das Portal 23 frei von jeglichem geschmolzenen pulverisierten Material 14 zu halten. Zu diesem Zweck kann das durch das Rohr 21 und das Austrittsportal 23 zugeführte Gas Metall- und Flussmittelpartikel in Richtung Oberfläche der Komponente 21 verlagern, die teilweise durch den Laserstrahl 20 geschmolzen werden kann. Die Oberflächenspannung an der geschmolzenen Oberfläche der Komponente 22 veranlasst die Metall- und Flussmittelpartikel dazu, zum Schmelzen an der Komponente anzuhaften, so dass horizontal angeordnete Elemente der Komponente 22 entwickelt werden können.
Die relative Bewegung zwischen dem Laserstrahl 20 und der Komponente 22 kann in Übereinstimmung mit einem vorgegebenen Muster oder der Form der Komponente 22 oder in Übereinstimmung mit einem programmierbaren Pfad oder einer vorgegebenen Form der Komponenten 22 gesteuert werden. In einer Ausführungsform umfasst das Scansystem 18 eine oder mehrere Steuereinheiten 26 oder Software, die die Bewegung des Rohrs 21 und des Laserstrahls 20 so steuern, dass sie einem vorgegebenen Muster oder einer vorgegebenen Form der Komponente 22, einschließlich der Abmessungen derselben, entlang der horizontalen der horizontalen X-Achse und Y-Achse und entlang einer vertikalen Z-Achse folgt. Zusätzlich oder alternativ können das Scansystem 18, das Rohr 21 und der Strahl 20 so konfiguriert sein, dass das Rohr 21 um eine zentrale Längsachse 27 geschwenkt wird oder sich um eine zentrale Längsachse 27 dreht. Auf diese Weise kann der Laserstrahl 20 verwendet werden, um Innenteile der Komponente 22 zu bilden. Zusätzlich kann das Scansystem 18 konfiguriert sein, um sich um die innerhalb der Kammer 12 gebildete Komponente 22 zu drehen, was erfordern kann, dass das Rohr 21 so um die zentrale Längsachse 27 geschwenkt wird, dass der Strahl 20 auf die Komponente 22 gerichtet bleibt.
Noch eine weitere Alternative besteht darin, die Komponente 22 auf einer XY-Translationsbühne zu bilden, die in der Kammer 12 positioniert ist, um die Komponente 22 relativ zum Laserstrahl 20 zu bewegen. Zusätzlich kann eine Oberfläche der Kammer 12, auf der die Komponente aufliegt, drehbar sein, um die Komponente 22 relativ zum Strahl 20 zu bewegen. Während außerdem die Ausführungsform in den 1 und 2 einen einzigen Laserstrahl 20 aufweist, ist es möglich, mehrere Laserstrahlen zu kombinieren, die das pulverisierte Material 14 selektiv von einem Ort unterhalb der Oberfläche aus abtasten können, und/oder der Strahl von einem einzigen Laser kann aufgeteilt werden, so dass gleiche Teile gleichzeitig gebildet werden können.
In einer in 3 dargestellten Ausführungsform wird der Laserstrahl 20' außerhalb der Kammer 12' angeordnet, die optisch durchlässige Wände 29 hat, so dass der Strahl selektiv pulverisiertes Material 14 unterhalb von dessen Oberfläche abtasten kann. Wie gezeigt, steuert eine robotergesteuerte Gelenkanordnung 31 die Bewegung des Laserstrahls 20' relativ zu der Komponente 22'. Die Gelenkanordnung 31 kann konfiguriert werden, um die Bewegung des Strahls 20' über die Oberfläche des Betts 14 hinweg zu steuern sowie das Bett 14 unter seiner Oberfläche selektiv abzutasten. Alternativ kann der Strahl 20' mit einer beliebigen Kombination von Strahlen 20 verwendet werden, wie in den 1 und 2 gezeigt, sowie mit den Abtastsystemen aus 4. Zusätzlich kann das Rohr 21 als eine robotergesteuerte Gelenkanordnung konfiguriert sein, um den Strahl 20 relativ zur Komponente 22 zu führen oder zu bewegen. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, muss die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidisierungsgases gesteuert werden, um das Bett 14 angemessen zu fluidisieren, so dass sich eine ausreichende Menge an pulverisiertem Material 14 zur Bearbeitung absetzt, und diese Strömungsgeschwindigkeit wird von einer Anzahl miteinander zusammenhängender Parameter abhängen, unter anderem von dem Volumen des Betts 14 und/oder der Kammer 12, der Dichte des pulverisierten Materials 14, der Partikelgröße usw.
Mit Bezug auf 4 lenkt ein Scansystem 18' einen Energiestrahl 20'' zur oberen Oberfläche 25 des fluidisierten pulverisierten Betts 14, um Regionen des Pulvers zu erwärmen (zu schmelzen, teilweise zu schmelzen oder zu sintern) und erstarren zu lassen, um einen Abschnitt der Komponente 22'' zu bilden. Die Komponente 22'' wird auf einer Walze 24 geformt, die operativ mit einem Fertigungskolben 13 verbunden ist, welcher sich nach unten bewegt, damit sich fluidisiertes pulverisiertes Material 14 auf einem zuvor gebildeten oder abgeschiedenen Metallsubstrat absetzen kann. Der Energiestrahl 20'' tastet dann selektiv das Bett aus pulverisiertem Material an denjenigen Bereichen ab, an denen sich das pulverisierte Material 14 auf einem zuvor gebildeten Substrat oder abgeschiedenen Metall abgesetzt hat. Wie dargestellt, kann das Scansystem 18' verwendet werden, um einen oberen Abschnitt der Komponente 22'' zu entwickeln, während das Scansystem 18 und der Strahl 20 Abschnitte der Komponente 22'' unterhalb der Oberfläche 25 des Betts 14 entwickeln oder reparieren. Eine Steuereinheit 26 kann bereitgestellt werden, um die relative Bewegung des Strahls 20'' in Übereinstimmung mit einem programmierbaren Pfad und/oder einer vorgegebenen Form der Komponente 22'' zu steuern.
Bei Verwendung in Verbindung mit der Herstellung einer Komponente kann in jeder der Ausführungsformen aus den 1 bis 4 die Komponente 22 auf einer Trägerplatte 37 geformt werden, die eine metallische Zusammensetzung ähnlich wie die der zu bildenden Komponente 22 haben kann. Beispielsweise kann die Platte 37 aus einer Superlegierung auf Nickelbasis bestehen, wenn Komponenten für ein Turbinentriebwerk entwickelt werden. Wenn die Herstellung der Komponente 22 abgeschlossen ist, wird die Platte 37 mithilfe bekannter spanabhebender Verfahren von der Komponente 22 getrennt.
Darüber hinaus können die Abmessungen des Laserstrahls 20 so gesteuert werden, dass sie je nach entsprechenden Abmessungen der Komponente variieren. Zum Beispiel hat in 5, auf die nachfolgend ausführlicher Bezug genommen wird, der Energiestrahl 20 eine im Allgemeinen rechteckige Konfiguration. Ein Breitenmaß des Laserstrahls 20 kann so gesteuert werden, dass es einer sich verändernden Dimension, z. B. der Dicke, eines Substrats der Komponente 22 entspricht. Alternativ ist es möglich, einen kreisförmigen Laserstrahl hin und her zu rastern, während er entlang eines Substrats vorwärts bewegt wird, um eine Flächenenergieverteilung zu bewirken. 8 veranschaulicht ein Rastermuster für eine Ausführungsform, bei der ein im Allgemeinen kreisförmiger Strahl mit einem Durchmesser D aus einer ersten Position 34 zu einer zweiten Position 34' verschoben wird und dann zu einer dritten Position 34'' und so weiter. Ein Maß der Überschneidung O des Strahldurchmessermusters an den Orten der Richtungsänderung beträgt vorzugsweise zwischen 25–90% von D, um ein optimales Erwärmen und Schmelzen der Materialien bereitzustellen. Alternativ können zwei Energiestrahlen gleichzeitig gerastert werden, um eine gewünschte Energieverteilung über einen Oberflächenbereich zu erreichen, wobei die Überlappung zwischen den Strahlmustern im Bereich von 25–90% des Durchmessers der jeweiligen Strahlen liegt.
Soweit pulverisiertes Material 14 das pulverisierte Flussmittel 14'' umfasst, bildet sich eine Schlackeschicht über einem abgeschiedenen Metall, wenn der Laserstrahl 20 das pulverisierte Metall 14' und das pulverisierte Flussmittel 14'' erwärmt und schmelzt. 5 ist eine schematische Darstellung des fluidisierten pulverisierten Materials 14, einschließlich des pulverisierten Metalls 14' und des pulverisierten Flussmittels 14'', welches Material 14 umfasst, das auf einem zuvor abgeschiedenen oder gebildeten Metallsubstrat 34 fluidisiert wurde und/oder einiges Material 14, das sich auf einem zuvor abgeschiedenen oder gebildeten Metallsubstrat 34 abgesetzt hat. Wenn der Strahl 20 das pulverisierte Material 14 durch Bewegen des Strahls 20 in einer relativen Bewegung zwischen dem Strahl 20 und der Komponente 22 durchquert, werden daher das pulverisierte Metall 14' und das pulverisierte Flussmittel 14'' geschmolzen, wie durch die geschmolzene Region 36 dargestellt, und es wird eine Metallablagerung 38 auf einer zuvor gebildeten Metallablagerung oder einem Substrat 34 gebildet und durch eine Schlackeschicht 42 abgedeckt. Vorzugsweise schmilzt der Strahl 20 zumindest teilweise eine Oberfläche des Substrats 34, damit die Metallablagerung 38 mit dem zuvor gebildeten Substrat verschmilzt. Die Oberflächenspannung bei einem teilweise geschmolzenen Bereich des Substrats 34 begünstigt das Anhaften von Partikeln an dem Substrat 34 zum Schmelzen und Verfestigen von fluidisierten Partikeln. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems oder Verfahrens kann die Schlackeschicht 42 entfernt werden, nachdem der Energiestrahl 20 eine Abtastung des pulverisierten Materials 14 beendet hat, um eine Metallschicht oder ein Substrat der Komponente 22 zu bilden. In einer derartigen Ausführungsform wird die Komponente 22 durch inkrementelles Abscheiden oder Bilden von Metallschichten und Entfernen der entsprechenden Schlackeschicht 42 gebildet.
In einer in den 6 und 7 dargestellten Ausführungsform wird der Reparatur- oder Herstellungsprozess kontinuierlich durchgeführt, wobei eine Schlackeschicht 52 von dem vor kurzem abgeschiedenen Metall 58 entfernt wird, so dass fluidisiertes pulverisiertes Material 14, das auf einem zuvor abgeschiedenen Metallsubstrat 54 angeordnet ist, erwärmt, geschmolzen und verfestigt werden kann, um die Komponente 22 kontinuierlich aufzubauen und zu bilden. Wie gezeigt, umfassen das System und das Verfahren ein Schlackeentfernungswerkzeug 50, das angrenzend an die Komponente 22 angeordnet ist, um die Schlackeschicht 52 zu entfernen, nachdem das pulverisierte Metall 14' erwärmt, geschmolzen und verfestigt wurde. Beispielsweise ist in der in den 6 und 7 dargestellten Ausführungsform das Schlackewerkzeug 50 betriebsfähig mit dem Rohr 21 verbunden. Das Rohr 21 und der Strahl 20 können relativ zu einer stationären Komponente bewegt werden, und das Werkzeug 50 entfernt die Schlackeschicht 52, während es dem Bearbeitungspfad des Strahls 20 folgt. Alternativ kann sich die Komponente 22 relativ zu einem stationären Rohr 21 bewegen, oder sowohl die Komponente 22 als auch das Rohr 21 und der Strahl 20 können sich in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Form der Komponente 22 bewegen.
Wie dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt ist, umfasst das Schlackeentfernungswerkzeug 50 einen keilförmigen Kopf 56, um die Schlackeschicht 52 vom Metall 54 zu trennen. In einer Ausführungsform kann dem Kopf 56 Schwingungsenergie, beispielsweise Schall- oder Ultraschallenergie, zugeführt werden, um die Schlackeschicht 52 selektiv zu entfernen. Ein derartiges Schlackeentfernungswerkzeug 50 kann hohl sein und an eine Vakuumversorgung passen, um Schlacke durch seinen Kern anzusaugen und dadurch die Schlacke auf kontinuierliche Weise von dem fluidisierten Bett zu entfernen. Zusätzlich wird das Schlackewerkzeug 50 relativ zu dem Strahl 20 und der Komponente 22 positioniert, so dass die Schlackeschicht 52 für eine ausreichende Dauer auf einem vor kurzem abgeschiedenen Metall 38, 58 bleibt, bis das erstarrte und abgeschiedene Metall unterhalb der Temperatur übermäßiger Oxidation liegt, was normalerweise mindestens einem Abstand von 55 mm entsprechen würde.
Die Schlacke 52 ist weniger dicht als das pulverisierte Metallmaterial 14' und das pulverisierte Flussmittel 14'', so dass, wenn die Schlackeschicht 42, 52 in Form von größeren Partikeln entfernt wird, die Schlacke 52 nicht wie das pulverisierte Material fluidisieren kann, sondern in Richtung oder an der Oberfläche 25 des Betts 14 bleibt. Schlackeentfernungssysteme wie jene, die in der in gemeinsamem Besitz befindlichen US-amerikanischen Anmeldung Nr. 13/755.157, die hierin durch Nennung als aufgenommen betrachtet gilt, beschrieben sind, können in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten sein, um im Wesentlichen die Oberfläche 25 des Betts 14 abzuschaben, um Schlacke 52 von der Kammer 12 zu entfernen, und die Schlacke 52 in einen benachbarten Behälter zu entsorgen. Die entfernte Schlacke 52 kann dann zu wiederverwendbarem pulverisierten Flussmittel recycelt werden. Solche Schlackeentfernungssysteme können betriebsfähig dem Scansystem 18 zugehörig sein, wobei die Oberfläche 25 in vorbestimmten Zeitintervallen abgeschabt wird, um Schlacke aus der Kammer 12 zu entfernen. Dementsprechend kann das in 4 dargestellte Werkzeug 50 für einen Schlackeentfernungsschritt bewegt werden. Alternativ können solche Schlackeentfernungssysteme anstelle des Schlackewerkzeugs 50 verwendet werden, um Schlackeschichten 42, 52 von vor kurzem abgeschiedenem Metall zu entfernen und die Schlacke 52 aus der Kammer 12 zu entfernen.
Falls pulverisiertes Material 14 zu der Kammer 12 hinzugefügt werden muss, können bekannte Verfahren zum Einführen von pulverisierten Materialien, wie die in der USamerikanischen Patentschrift 4.818.562 beschriebenen Verfahren, verwendet werden. Eine weitere bekannte Technik zum Nachfüllen von pulverisiertem Material 14 in die Kammer 12 besteht darin, das Gerät 10 mit einem Zuführungsbehälter und einer Vorschubwalze auszustatten, um das pulverisierte Material zwischen den Abtastschritten des Laserstrahls 20 aus dem Behälter in die Kammer 12 zu transportieren. Zu diesem Zweck kann die Kammer 12 mit Sensoren ausgestattet sein, zum Beispiel mit optischen Sensoren, um zu erkennen, wenn die Oberfläche 25 des Betts 14 unter ein vorbestimmtes Niveau fällt, und dann eine Sequenz für das Hinzufügen von pulverisiertem Material 14 zu initiieren.
Das pulverisierte Metall 14' und die Komponente 22, 22', 22'' können aus einer Superlegierung auf Nickelbasis mit Bestandteilen wie Cr, Co, Mo, W, Al, Ti, Ta, C, B, Zr und Hf bestehen. Sowohl Al und Ti sind relativ flüchtig und beide reagieren mit Sauerstoff und Stickstoff. Dementsprechend können Al und Ti bei einer Reparatur oder Herstellung einer Komponente verloren gehen, insbesondere wenn ein reaktives Gas wie Luft verwendet wird, um das pulverisierte Material 14 zu fluidisieren. Es kann notwendig sein, diesen Verlust auszugleichen, indem das pulverisierte Metall 14' und das pulverisierte Flussmittel 14'' mit Al und/oder Ti angereichert werden. Die meisten Superlegierungsmetallzusammensetzungen umfassen 3 bis etwa 6 Gew.% Al und/oder Ti, so dass 3% eine Schwellenkonzentration sein kann, bei der fluidisierende Gase wie CO₂ oder Inertgase anstelle von Luft verwendet werden.
Flussmittel, die verwendet werden könnten, umfassen im Handel erhältliche Flussmittel, wie diejenigen, die unter den Bezeichnungen Lincolnweld P2007, Bohler Soudokay NiCrW-412, ESAB OK 10.16 oder 10.90, Special Metals NT100, Oerlikon OP76, Sandvik 50SW oder SAS1 verkauft werden. Die Flussmittelpartikel können vor der Verwendung auf einen gewünschten kleineren Maschenweitenbereich gemahlen werden. Jede der derzeit verfügbaren Superlegierungen auf Eisen-, Nickel- oder Kobaltbasis, die routinemäßig für Hochtemperaturanwendungen wie beispielsweise Gasturbinentriebwerke verwendet werden, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zusammengefügt, repariert oder beschichtet werden, einschließlich die oben genannten Legierungen. Das Bett kann mit verschiedenen Heizgeräten oder Heiztechniken erwärmt werden, wie zum Beispiel einem Widerstandsheizwendel, der in dem Bett angeordnet ist, um das pulverisierte Metall 14' und das Flussmittel 14'' trocken zu halten und Porosität zu verhindern.
Bei selektiven Lasererwärmungsprozessen für Superlegierungsmaterialien nach dem Stand der Technik wird pulverisiertes Superlegierungsmaterial unter einem inerten Schutzgas erwärmt, um das geschmolzene oder teilweise geschmolzene pulverisierte Metall 14' vor dem Kontakt mit Luft zu schützen. Im Gegensatz dazu verwendet die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in den 1 bis 5 veranschaulicht ist, pulverisiertes Superlegierungsmaterial 14' plus pulverisiertes Flussmittel 14'' als das Pulver 14, und somit braucht das Erwärmen nicht unter einem inerten Schutzgas durchgeführt zu werden (obwohl dies optional erfolgen kann), da geschmolzenes Flussmittel die notwendige Abschirmung gegen Luft bereitstellt. Das Pulver 14 kann eine Mischung aus pulverisierter Legierung 14' und pulverisiertem Flussmittel 14'' sein, oder es kann sich um Verbundpartikel aus Legierung und Flussmittel handeln, wie oben beschrieben. Um die Genauigkeit des Verfahrens zu verbessern, kann das Pulver 14 von einer feinen Maschenweite sein, beispielsweise 20 bis 100 Mikrometer, oder einem Unterbereich darin, wie 20–80 oder 20–40 Mikrometer, und der Maschenweitebereich von Flussmittelpartikeln 14'' kann überlappen oder der gleiche sein wie der Maschenweitebereich der Legierungspartikel 14'. Das Flussmittel kann auch gröber als das Metallpulver sein, um Konsistenz und Gleichförmigkeit der Fluidisierung von Metall- und Flussmittelpartikeln zu verbessern. Das bedeutet, dass das Flussmittel 14'' tendenziell weniger dicht ist als das Metallmaterial 14'; daher können kleine Metallpartikel in Hinblick auf das Fluidisieren von größeren, aber weniger dichten Flussmittelpartikeln besser angepasst werden. Dementsprechend kann die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidisierungsmediums sowohl die größeren Partikel des Flussmittels 14'' als auch die kleineren Partikel des Metallmaterials 14' gleichmäßig fluidisieren. Die geringe Größe solcher Partikel führt zu einer großen Oberfläche pro Volumeneinheit und somit zu einem großen Potential für die Bildung problematischer Oxide auf der Legierungspartikeloberfläche. Verbundpartikel können dieses Problem minimieren, indem die Legierungspartikel mit Flussmittel beschichtet werden. Darüber hinaus wird das geschmolzene Flussmittel eine Reinigungswirkung bereitstellen, um Schmelzfehler zu reduzieren, indem Schutzgas gebildet wird und indem eine Reaktion mit Oxiden und anderen Verunreinigungen stattfindet und diese an die Oberfläche gebracht werden, wo sie eine leicht entfernbare Schlackeschicht 52 bilden.
Das Flussmittel 14'' dient als Lichtfalle, um die Absorption von Laserenergie zu unterstützen, und die resultierende Schlackeschicht 42, 52 verlangsamt die Abkühlgeschwindigkeit und bindet Prozessenergie. Das Flussmittel 14'' kann in einigen Ausführungsformen so formuliert werden, dass es zu den chemischen Prozessen der Abscheidung beiträgt. Obwohl dies nicht erforderlich ist, kann es vorteilhaft sein, das Pulver 14 und/oder die Komponente 22, 22', 22'' vor einer Scan- bzw. Strahlerwärmungssequenz zu erwärmen. Ein heißisostatisches Pressen nach dem Prozess ist ebenfalls nicht erforderlich, kann jedoch in einigen Ausführungsformen verwendet werden. Eine Wärmebehandlung der fertigen Komponente 22, 22', 22'' nach dem Schweißen kann mit einem geringen Risiko der Wiedererwärmungsrissbildung durchgeführt werden, auch bei Superlegierungen, die außerhalb der Schweißbarkeitszone liegen, wie oben in Bezug auf 9 erläutert.
Das Flussmittel 14'' und die resultierende Schlackeschicht 42, 52 liefern eine Reihe von Funktionen, die zum Verhindern einer Rissbildung im aufgetragenen Material oder dem neu abgeschiedenem Metall 38, 58 und dem darunterliegenden Substratmaterial 34, 54 nützlich sind. Erstens dienen sie dazu, sowohl den Bereich des geschmolzenen Materials als auch des erstarrten (aber immer noch heißen) abgeschiedenen Metalls 38 im Bereich stromabwärts des Laserstrahls 20, 20', 20'' gegen die Atmosphäre abzuschirmen. Die Schlacke schwimmt zur Oberfläche, um das geschmolzene oder heiße Metall von der Atmosphäre zu trennen, und in einigen Ausführungsformen kann das Flussmittel so formuliert werden, dass ein Schutzgas erzeugt wird, wodurch die Verwendung von teurem Inertgas vermieden oder minimiert wird. Zweitens fungiert die Schlacke 42, 52 als eine Decke, die dafür sorgt, dass das erstarrte Material langsam und gleichmäßig abkühlt, wodurch Restspannungen reduziert werden, die zu einer Rissbildung bei erneuter Erwärmung nach dem Schweißen oder einer Reckalterungsrissbildung beitragen können. Drittens hilft die Schlacke 42, 52, das Bad aus geschmolzenem Metall zu formen, um es nahe einem gewünschten Höhe/Breite-Verhältnis von 1/3 zu halten. Viertens sorgt das Flussmittel 14'' für eine reinigende Wirkung zum Entfernen von Spurenverunreinigungen, wie Schwefel und Phosphor, die zur Rissbildung beim Erstarren nach dem Schweißen beitragen. Eine derartige Reinigung umfasst die Desoxidation des Metallpulvers. Weil das Flussmittelpulver in innigem Kontakt mit dem Metallpulver ist, ist es in dieser Hinsicht besonders wirksam. Schließlich kann das Flussmittel 14'' für eine Energieabsorptions- und Einfang-Funktion sorgen, um den Laserstrahl 20, 20', 20'' effizienter in Wärmeenergie umzuwandeln, wodurch eine präzise Steuerung der Wärmezufuhr, zum Beispiel innerhalb von 1 bis 2%, erleichtert wird und somit auch die Materialtemperatur während des Prozesses genau gesteuert werden kann. Zusätzlich kann das Flussmittel so formuliert sein, dass der Verlust von verflüchtigten Elementen während der Bearbeitung ausgeglichen wird oder aktiv Elemente zu der Abscheidung beigetragen werden, die auf andere Weise nicht durch das Metallpulver selbst zur Verfügung gestellt werden. Zusammen sorgen diese Prozessschritte für eine rissfreie Abscheidung von Superlegierungsablagerungen oder -verkleidungen auf Superlegierungssubstraten bei Raumtemperatur für Materialien, von denen bisher geglaubt wurde, dass sie nur durch einen Hot-Box-Prozess oder unter Verwendung einer Kühlplatte fügbar sind.
Bei den Energiestrahlen 20, 20', 20'' in den Ausführungsformen der 1 bis 5 kann es sich um einen Diodenlaser mit einer im Allgemeinen rechteckigen Querschnittsform handeln, obwohl andere bekannte Arten von Energiestrahlen verwendet werden können, zum Beispiel Elektronenstrahl, Plasmastrahl, ein oder mehrere kreisförmige Laserstrahlen, ein gescannter Laserstrahl (ein-, zwei- oder dreidimensional gescannt), ein integrierter Laserstrahl usw. Die rechteckige Form kann besonders vorteilhaft für Ausführungsformen mit einer relativ großen zu verkleidenden Fläche sein; jedoch kann der Strahl anpassbar sein, um relativ kleine Flächen wie kleine beschädigte Regionen abzudecken, die reparaturbedürftig sind. Der breite Flächenstrahl, der durch einen Diodenlaser erzeugt wird, trägt dazu bei, die Schweißwärmezufuhr, die Wärmeeinflusszone, die Verdünnung von dem Substrat und Restspannungen zu reduzieren, wodurch die Tendenz von Rissbildungseffekten, welche normalerweise mit der Reparatur und Herstellung von Superlegierungen einhergehen, verringert wird.
Die optischen Bedingungen und Hardware-Optiken zum Erzeugen einer breitflächigen Laserbelichtung können unter anderem Folgendes umfassen: Defokussierung des Laserstrahls; Verwendung von Diodenlasern, die rechteckige Energiequellen am Fokus erzeugen; Verwendung von integrierenden Optiken wie segmentierten Spiegeln zum Erzeugen rechteckiger Energiequellen am Fokus; Scannen (Rasterung) mit dem Laserstrahl in einer oder mehreren Dimensionen; und die Verwendung von fokussierenden Optiken mit variablem Strahldurchmesser (z. B. 0,5 mm im Fokus für feine Detailarbeit bis 2,0 mm im Fokus für weniger detaillierte Arbeit). Die Bewegung der Optiken und/oder des Substrats kann wie bei einem selektiven Laserschmelz- oder Lasersinterverfahren programmiert werden, um eine Ablagerung mit maßgeschneiderter Form aufzubauen. Zu diesem Zweck ist die Laserstrahlquelle steuerbar, so dass die Laserparameter, wie die Laserleistung, die Abmessungen des Scanbereichs und die Verfahrgeschwindigkeit des Lasers 20, 20', 20'' so gesteuert werden, dass die Dicke der Ablagerung 38, 58 derjenigen entspricht, die gewünscht wird, um das Substrat 34, 54 aufzubauen oder wiederherzustellen, oder dass das Metall der vorgegebenen Konfiguration, der Form oder den Abmessungen der Komponente 22, 22', 22'' entspricht.
Vorteile dieses Verfahrens gegenüber bekannten Laserschmelz- oder Lasersinterverfahren umfassen: hohe Abscheidungsraten und dicke Ablagerung in jeder Bearbeitungsschicht; verbesserte Abschirmung, die sich über das heiße abgeschiedene Metall erstreckt, ohne dass Inertgas erforderlich ist; Flussmittel verbessert die Reinigung der Ablagerung von Bestandteilen, die sonst zu Erstarrungsrissen führen; Flussmittel wird die Laserstrahlabsorption verbessern und Reflexion zurück zu der Bearbeitungseinrichtung minimieren; Schlackenbildung wird die Ablagerung formen und unterstützen, die Wärme bewahren und die Abkühlrate verlangsamen, wodurch Restspannungen reduziert werden, die sonst zur Dehnungsalterungsrissbildung (Wiedererwärmung) während Wärmebehandlungen nach dem Schweißen beitragen; Flussmittel kann die Elementverluste kompensieren oder Legierungselemente hinzufügen; und es kann wirksam selektiv eine Pulver- und Flussmittel-Vorabplatzierung oder -zuführung durchgeführt werden, weil die Dicke der Ablagerung die Zeit für den Aufbau des gesamten Teils erheblich reduziert.
Das hier beschriebene Verfahren kann für Herstellung von Erstausrüstung und für die schnelle Prototyp-Herstellung von Teilen nützlich sein. Ferner kann das Verfahren für Anwendungen zur Reparatur von Komponenten verwendet werden, zum Beispiel zum Formen einer Ersatzschaufelspitze an einer Gasturbinenschaufel, die zur Wiederaufarbeitung außer Betrieb genommen wurde. Die vorliegende Erfindung eliminiert die Notwendigkeit von inertem Schutzgas, bietet eine präzise Laserbearbeitung für eine enge Toleranzsteuerung, bietet eine Lösung für das seit langem bestehende Problem der Oxide auf feinem Superlegierungspulver, das für selektive Lasererwärmungsprozesse eingesetzt wird, und ermöglicht die rissfreie Abscheidung von Superlegierungen mit Zusammensetzungen jenseits der bekannten Schweißbarkeitszone.
Es versteht sich, dass die Verwendung von pulverisiertem Material die Abscheidung von funktional eingestuften Materialien erleichtert, wobei die Zusammensetzung des abgeschiedenen Materials in Zeit und Raum variiert. Wenn beispielsweise die Komponente 22, 22', 22'' eine Gasturbinenleitschaufel ist, kann ein Plattformbereich der Leitschaufel eine erste Zusammensetzung haben und ein Strömungsprofilbereich der Leitschaufel kann eine zweite, unterschiedliche Zusammensetzung haben. In anderen Ausführungsformen kann die Legierungszusammensetzung von einer Innenwand zu einer Außenwand eines Produkts variieren, oder von dem Inneren eines Produkts aus zu der Nähe seiner Oberflächen. Die Legierungszusammensetzung kann in Abhängigkeit von zu erwartenden Betriebsbedingungen variiert werden, die unterschiedliche mechanische oder Korrosionsbeständigkeitseigenschaften erfordern, und unter Berücksichtigung der Kosten der Materialien.
Obwohl hierin verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, wird es offensichtlich sein, dass derartige Ausführungsformen nur beispielhaft bereitgestellt werden. Zahlreiche Varianten, Änderungen und Substitutionen können vorgenommen werden, ohne von der hier beschriebenen Erfindung abzuweichen. Dementsprechend soll die Erfindung nur durch die Wesensart und den Umfang der beigefügten Ansprüche eingeschränkt werden.

Claims

Gerät zur additiven Herstellung einer Metallkomponente, das Folgendes umfasst: eine Kammer; ein Bett aus pulverisiertem Material, einschließlich pulverisiertem Metallmaterial; und ein Energiestrahl-Scansystem, das ein oder mehrere Austrittsportale umfasst, welche unterhalb einer Oberfläche des Betts angeordnet sind und durch die ein Energiestrahl übertragen wird, um selektiv Abschnitte des pulverisierten Materials von unterhalb der Oberfläche des Bettes aus entsprechend einer vorgegebenen Form der Komponente zu scannen.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Energiestrahl-Scansystem eine oder mehrere Steuereinheiten, die betriebsfähig dem Energiestrahl und/oder der Kammer zugehörig sind, um die relative Bewegung zwischen dem Energiestrahl und der Komponente entsprechend der vorgegebenen Form der Komponente zu steuern.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Kammer optisch durchlässige Wände umfasst und sich das Austrittsportal außerhalb der Kammer befindet.
Gerät nach Anspruch 1, wobei sich das Austrittsportal innerhalb der Kammer befindet.
Gerät nach Anspruch 1, wobei der Energiestrahl ein Laserstrahl ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das pulverisierte Material pulverisiertes Flussmittel und das pulverisierte Superlegierungsmaterial umfasst.
Gerät nach Anspruch 6, weiterhin umfassend eine Quelle von nicht inertem Gas in Fluidkommunikation mit einem Inneren der Kammer, um das Bett aus pulverisiertem Material zu fluidisieren.
Gerät nach Anspruch 1, wobei sich das Austrittsportal auf einem Gehäuse befindet, das zumindest teilweise in das Bett aus pulverisiertem Material eingetaucht ist, so dass das Austrittsportal unterhalb der Oberfläche des Betts aus pulverisiertem Material liegt.
Gerät nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Gaszuführung, wobei das zugeführte Gas durch das Austrittsportal strömt, um das pulverisierte Material relativ zum Austrittsportal zu verlagern.
Gerät nach Anspruch 9, wobei eine optisch durchlässige und gasdurchlässige Membran das Austrittsportal abdeckt.
Additives Herstellungsverfahren, das Folgendes umfasst: Fluidisieren eines Betts aus pulverisiertem Material, einschließlich pulverisiertem Metallmaterial; und selektives Erwärmen von Bereichen des Betts aus pulverisiertem Material von einem Energiestrahl-Austrittsportal aus, das sich unterhalb einer Oberfläche des Betts aus pulverisiertem Material befindet, um eine erstarrte Materialablagerung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin umfassend das Bereitstellen des Betts aus pulverisiertem Material auf derartige Weise, dass es pulverisiertes Superlegierungsmaterial und pulverisiertes Flussmittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend die Zuführung einer Gasströmung durch das Austrittsportal, um das pulverisierte Material relativ zum Austrittsportal zu verlagern.
Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend das Bereitstellen einer optisch durchlässigen und gasdurchlässigen Membran zum Abdecken des Austrittsportals.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das pulverisierte Material Partikel einer Superlegierung umfasst, die eine Zusammensetzung jenseits einer Schweißbarkeitszone umfasst, die auf einem Diagramm von Superlegierungen definiert ist, welches den Titangehalt in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt darstellt, wobei die Schweißbarkeitszone nach oben durch die Linie begrenzt ist, die die Titangehalt-Achse bei 6 Gew.% schneidet und die die Aluminiumgehalt-Achse bei 3 Gew.% schneidet.
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin umfassend das Bereitstellen des Betts aus pulverisiertem Material auf derartige Weise, dass es granulierte Partikel umfasst, welche als Verbundpartikel aus Metall und Flussmittel gebildet sind.
Additives Herstellungsverfahren, das Folgendes umfasst: Fluidisieren eines Betts aus pulverisiertem Material, einschließlich pulverisiertem Superlegierungsmaterial und pulverisiertem Flussmittel; selektives Scannen von Bereichen des Betts aus pulverisiertem Material mit einem Energiestrahl von einer Position unterhalb einer Oberfläche des Betts aus pulverisiertem Material aus, um eine erstarrte Metallablagerung zu formen; und Steuern der Bewegung des Energiestrahls entsprechend einer vorgegebenen Form einer zu bildenden Komponente.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das pulverisierte Flussmittel, wenn es erwärmt wird, eine Schlackeschicht auf der Metallablagerung bildet, und wobei das Verfahren weiterhin Folgendes umfasst: Entfernen der Schlackeschicht von der Metallablagerung, bevor erneut selektiv Bereiche des Betts aus pulverisiertem Material gescannt werden, die sich auf der Metallablagerungsschicht befinden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das pulverisierte Material zusammengesetzt ist aus Partikeln einer Superlegierung, welche eine Zusammensetzung jenseits einer Schweißbarkeitszone umfasst, die auf einem Diagramm von Superlegierungen definiert ist, welches den Titangehalt in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt darstellt, wobei die Schweißbarkeitszone nach oben durch die Linie begrenzt ist, die die Titangehalt-Achse bei 6 Gew.% schneidet und die die Aluminiumgehalt-Achse bei 3 Gew.% schneidet.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin umfassend die Zuführung einer Gasströmung durch eine optisch durchlässige und gasdurchlässige Membran, die das Austrittsportal abdeckt, um das pulverisierte Material relativ zum Austrittsportal zu verlagern.