DE112015000450T5

DE112015000450T5 - Verfahren zum Bearbeiten eines Bauteils mit einem Energiestrahl

Info

Publication number: DE112015000450T5
Application number: DE112015000450.5T
Authority: DE
Inventors: Ahmed Kamel; Gerald J. Bruck
Original assignee: Siemens Energy Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2016-12-01
Also published as: US9815139B2; KR20160113186A; CN105916614A; KR20180021898A; CN105916614B; WO2015112388A1; KR101941088B1; US20150202716A1

Abstract

Verfahren zum Bearbeiten eines Bauteils (10) mit einem Energiestrahl. Eine Maske (70, 80) ist zwischen einer Quelle des Energiestrahls und dem Bauteil angeordnet. Die Maske ist mit einem strahldurchlässigen Teil (71) konfiguriert, das gegenseitig gegenüberliegenden Teilen (12, 14) des Bauteils entspricht. Simultanes Aufheizen der gegenseitig gegenüberliegenden Teile des Bauteils wird mit Energieteilstrahlen, die durch die strahldurchlässigen Teile der Maske hindurchgehen, durchgeführt. Das simultane Aufheizen ist dafür ausgelegt, einen thermisch induzierten Verzug des Bauteils innerhalb einer vordefinierten Toleranz zu halten. Scannen der Maske mit dem Energiestrahl kann ohne genaues Verfolgen der gegenseitig gegenüberliegenden Teile des Bauteils durchgeführt werden, wodurch eine Notwendigkeit für komplizierte numerische Programmierung zum Verfolgen einer relativ komplexen Geometrie, die durch die gegenseitig gegenüberliegenden Teile des Bauteils definiert wird, vermieden wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Herstellungstechniken zum Bilden oder Reparieren eines Bauteils, wie etwa von Tragprofilen für Schaufeln oder Leitschaufeln für eine Verbrennungsturbine, und insbesondere auf ein Verfahren zum Bearbeiten eines Bauteils, wobei das Verfahren die Verwendung eines Energiestrahls, wie etwa eines Laserstrahls, involviert.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Verbrennungsturbinenmaschinen, wie etwa Gasturbinenmaschinen, beinhalten typischerweise einen Turbinenabschnitt mit abwechselnder Anordnung von Komponenten, wie etwa rotierbaren Schaufeln und stationären Leitschaufeln. Ein Strom heißer Gase von einem Verbrennungsabschnitt expandiert gegen entsprechende Tragprofile von Schaufeln und Leitschaufeln, um die Schaufeln im Turbinenabschnitt rotativ anzutreiben, wobei mechanische Energie extrahiert wird, um eine Welle zu drehen, die einen Verdichterabschnitt der Turbinenmaschine antreiben kann.
Während des Maschinenbetriebs erzeugen die heißen Gase eine Umgebung, die die Oberflächen der Schaufeln korrosiv angreift und häufig zu Oxidation und Korrosionslochfraß führt. Die heißen Gase, Ruß von der Verbrennung, Teilchen innerhalb des Stroms heißer Gase und andere Fremdobjekte verschleißen ebenfalls die Turbinenschaufeln und Leitschaufeln und erodieren die Oberflächen der Schaufeln, der Leitschaufeln und anderer Turbinenmaschinenkomponenten, was unerwünschterweise die nutzbare Lebensdauer der Schaufeln und Leitschaufeln verringern kann. Zusätzlich ist die Spitzenregion (z.B. eine Anstreifkante) der Turbinenschaufeln häufig einer substantiellen Verschleißstärke ausgesetzt. Zum Beispiel kann die Schaufelspitze abrasiert werden, wenn sie gegen eine Deckwand eines Gehäuses reibt, in dem die Turbinenschaufel rotiert. Hohe Temperaturen und Beanspruchungen degradieren solche Komponenten weiter durch thermo-mechanische Ermüdung (TMF – Thermo-Mechanical Fatigue) und führen zu Rissbildung bei Komponenten, die derartigen Belastungen ausgesetzt sind.
Es ist bekannt, dass laserbasierte Prozesse zum Bilden oder Reparieren derartiger Bauteile von Turbinenmaschinen verwendet werden. Die von den vorliegenden Erfindern verfasste US-Patentanmeldungsveröffentlichung mit der Nr. US 2013/0136868 A1 offenbart verbesserte Verfahren zum Ablagern von Superlegierungs-Materialien, die ansonsten schwer schweißbar sind. Jene Verfahren beinhalten das Laserschmelzen von pulverigem Superlegierungs-Material zusammen mit pulverigem Flussmaterial, um ein Schmelzbad unter einer Schicht schützender Schlacke zu bilden. Die Schlacke erfüllt zusätzlich zum Schützen des geschmolzenen Legierungsmaterials vor der Atmosphäre eine Reinigungsfunktion. Bei Verfestigung wird die Schlacke von dem neuerlich aufgebrachten Superlegierungs-Material entfernt, um eine rissfreie Oberfläche und Ablagerung freizulegen. Es hat sich gezeigt, dass derartige Verfahren selbst für Superlegierungs-Materialien effektiv sind, die sich jenseits der traditionellen Schweißbarkeitsgebiete befinden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung im Hinblick auf die Zeichnungen erläutert, die zeigen:
1 ist eine schematische Darstellung zum Konzeptualisieren einer Methodologie zum Bearbeiten eines Bauteils mit einem Energiestrahl. Das Bauteil kann ein Tragprofil einer Schaufel oder einer Leitschaufel für eine Verbrennungsturbinenmaschine sein, bei dem zum Beispiel, gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung, entgegengesetzte Teile des Bauteils simultan aufgeheizt und folglich thermisch induzierte geometrische Verzüge innerhalb einer vordefinierten Toleranz gehalten werden können.
2 ist eine schematische Darstellung eines Maskierungselements zum Bearbeiten des Bauteils mit einem flächigen Energiestrahl, wie etwa einem Laserstrahl, wobei das Maskierungselement einem Laserstrahl fester Breite ermöglicht, simultan gegenseitig gegenüberliegende Kanten des Bauteils aufzuheizen.
3 ist eine schematische Darstellung, bei der das Maskierungselement einem Punkt-Laserstrahl mit einer variablen Rasterungsbreite ermöglicht, simultan die gegenseitig gegenüberliegenden Kanten des Bauteils aufzuheizen.
4 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform, die eine Vielzahl von Maskierungselementen beinhaltet, die nebeneinander in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wobei mindestens einige der Maskierungselemente einstellbar sein können, um einen strahldurchlässigen Teil so zu definieren, dass er den gegenseitig gegenüberliegenden Kanten des Bauteils entspricht.
5 ist eine schematische Darstellung einer bekannten Laserbearbeitungstechnik, die seitlichen Verzug in das Bauteil, das bearbeitet wird, einbringen kann.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegenden Erfinder haben innovativ gewisse Grenzen im Zusammenhang mit bekannten Techniken erkannt, die einen Strahl von Energie, z.B. von Laserenergie oder anderen Erscheinungsformen von Energie, zum Bearbeiten eines Bauteils verwenden, die eine relativ komplexe Geometrie involvieren können. Zum Beispiel involvieren Tragprofile von Schaufeln, Leitschaufeln usw., die in einer Verbrennungsturbinenmaschine verwendet werden können, solche komplexe Geometrien. Nichteinschränkende Anwendungen können verschiedene additive Herstellungsprozesse beinhalten, die unter anderem Laserauftragsschweißen, Selektives Laserschmelzen (SLM) oder Selektives Lasersintern (SLS) beinhalten, wie sie verwendet werden können, um eine Schicht von Superlegierungs-Pulverteilchen auf einem Superlegierungs-Substrat abzulagern, usw.
Wenn ein Tragprofil 5 unter Verwendung eines bekannten, wie in 5 schematisch veranschaulichten, Prozesses repariert oder gebildet wird, kann ein Laserstrahl verwendet werden, um einem Weg zu folgen, der eine konvexförmige Kante 6 des Tragprofils 5 gefolgt von einer konkavförmigen Kante 8 des Tragprofils 5 beinhaltet. Die vorliegenden Erfinder haben allerdings gefunden, dass der Strahl das gewünschte zu bearbeitende Zielgebiet wegen eines seitlichen Verzugs verfehlen kann, der im Tragprofil 5 aufgrund eines thermischen Differentials, das zwischen den Kanten 6, 8 des Tragprofils während des Laserverfolgungsprozesses entsteht, entstehen kann. Da in diesem Beispiel die konvexe Kante 6 vor der konkaven Kante 8 von dem Laserstrahl bearbeitet wird, würde die konvexe Kante 6 relativ zur konkaven Kante 8 eine relativ höhere Temperatur aufweisen. Gleichermaßen würde in dem Bauteil auch seitlicher Verzug entstehen, falls die konkave Kante 8 vor der konvexen Kante 6 bearbeitet wurde.
Im Hinblick auf eine solche Erkenntnis schlagen die vorliegenden Erfinder eine innovative Technik zum Bearbeiten eines Bauteils mit einem Energiestrahl vor, bei der ein derartiger Verzug in dem Bauteil vermieden oder innerhalb einer vorbestimmten Toleranz gehalten werden kann. Wie in 1 konzeptmäßig veranschaulicht ist, können gegenseitig gegenüberliegende Teile des Bauteils, wie etwa die konvexen oder konkaven Kanten 12, 14 des Teils 10 simultan aufgeheizt werden. In diesem Fall werden die thermische Ausdehnung und Schrumpfung eines Metalllegierungsbestandteils zwischen den gegenseitig gegenüberliegenden Teilen des Bauteils ausbalanciert und dies ist wirkungsvoll, um den thermisch induzierten Verzug des Bauteils innerhalb einer vordefinierten Toleranz zu halten. In einer beispielhaften Ausführungsform kann dieses simultane Aufheizen der gegenseitig gegenüberliegenden Teile des Bauteils ohne Verwendung komplizierter numerischer Programmierung für genaues Verfolgen der gegenseitig gegenüberliegenden Teile des Bauteils oder Laserleistungskoordination oder ohne Verwendung teurer Bauteil-Manövrierausrüstung erreicht werden.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung werden verschiedene spezifische Details dargelegt, um für ein tiefes Verständnis solcher Ausführungsformen zu sorgen. Allerdings werden Durchschnittsfachleute verstehen, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ohne diese spezifischen Details ausgeübt werden können, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die abgebildeten Ausführungsformen beschränkt ist und dass die vorliegende Erfindung in einer Vielfalt von alternativen Ausführungsformen ausgeübt werden kann. In anderen Fällen wurden Verfahren, Prozeduren und Komponenten, die von einem Durchschnittsfachmann leicht verstanden würden, nicht im Detail beschrieben, um unnötige und mühsame Erklärung zu vermeiden.
Weiterhin können verschiedene Operationen als mehrere diskrete Schritte beschrieben sein, die auf eine Weise ausgeführt werden, die zum Verstehen der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hilfreich sind. Allerdings sollte die Reihenfolge der Beschreibung nicht so ausgelegt werden, zu besagen, dass diese Operationen in der präsentierten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, noch, dass sie überhaupt von der Reihenfolge abhängen, es sei denn, dass sie anderweitig so beschrieben werden. Außerdem bezieht sich die wiederholte Verwendung der Wendung „in einer Ausführungsform“ nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform, obwohl es so sein könnte. Letztendlich sind die in der vorliegenden Anmeldung verwendeten Begriffe „umfassend“, „beinhaltend“, „aufweisend“ und dergleichen als synonym beabsichtigt, soweit nicht anders angezeigt.
In den in 2 und 3 veranschaulichten Ausführungsformen kann eine Maske 70 zwischen einer Quelle des Energiestrahls (z.B. ein Laserstrahl) und dem Bauteil angeordnet sein. Wie man in 2 und 3 erkennen kann, kann die Maske 70 (z.B. eine statische Maske) einen strahldurchlässigen Teil 71 beinhalten, der eine geometrische Form haben kann, die den gegenseitig gegenüberliegenden Teilen des Bauteils entsprechen, die bearbeitet werden, wie etwa dem Spitzenkantenbereich eines Tragprofils für eine Turbinenschaufel.
Simultanes Aufheizen der gegenseitig gegenüberliegenden Teile des Bauteils, die bearbeitet werden, wird somit mittels Teilstrahlen erreicht, die durch das strahldurchlässige Teil 71 hindurchgehen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Maske 70 mit dem Energiestrahl abgescannt werden, so dass Energieteilstrahlen, die durch den strahldurchlässigen Teil der Maske hindurchgehen, die gegenseitig gegenüberliegenden Teile des Bauteils simultan aufheizen können. Dieses Abscannen kann ohne genaues Verfolgen der gegenseitig gegenüberliegenden Teile des Bauteils durchgeführt werden. Dies würde eine Notwendigkeit für komplizierte numerische Programmierung zum Verfolgen der relativ komplexen Geometrie, die durch die gegenseitig gegenüberliegenden Teile des Bauteils definiert wird, vermeiden.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Maske 70 aus einem für Laserenergie toleranten Material bestehen, das für einen Laserstrahl 20 opak ist. Solche Materialien können Graphit beinhalten, das gegenüber einer breiten Bandbreite von Laserstrahlwellenlängen opak ist. Kupfer kann ebenso verwendet werden, kann allerdings für einen Laserstrahl reflektierend wirken, so dass der Winkel, unter dem der Laserstrahl auf die Maske auftrifft, derart eingestellt sein sollte, um Rückreflexion in die Laseroptik zu vermeiden. Obwohl die untenstehende Beschreibung sich auf einen einzelnen Laserstrahl 20 bezieht, wird von Durchschnittsfachleuten erkannt werden, dass der Laserstrahl, der auf die Maske 70 gerichtet ist, eine Kombination von mehreren Laserstrahlen von entweder mehreren Quellen oder von einer einzigen Laserquelle, bei der der Strahl in mehrere Strahlen aufgespalten ist, umfassen kann.
Wie auf beispielhafte Weise in 2 veranschaulicht ist, kann ein flächiger Energiestrahl 20, wie er etwa von einem Diodenlaser erzeugt wird, von links nach rechts gescannt werden, wie durch den Pfeil C angezeigt ist. Alternativ zum Bewegen des Strahls und einem stationären Bauteil kann dasselbe Bearbeiten mit einem stationären Laserstrahl und einem von rechts nach links bewegten Bauteil erreicht werden. Wie weiter gezeigt ist, kann im Allgemeinen eine Breitenabmessung des Strahls 20 konstant gehalten werden, um mindestens eine maximale Breite, die von dem strahldurchlässigen Teil 71 definiert ist, zu überdecken. Alternativ kann, wie in 3 veranschaulicht, ein Punkt-Energiestrahl 22 entlang einer Breitenabmessung der Maske 70 gerastert werden und kann eine vordefinierte variable Breite aufweisen, wenn der gerasterte Strahl 22 die Maske 70 in der Richtung des Pfeils C abscannt. Diese vordefinierte variable Breite kann gewählt werden, um über eine variierende Breite des Profils, das durch den strahldurchlässigen Teil 71 definiert ist, um eine vordefinierte Spanne hinauszuschießen.
Die Maske 70 kann ein einzelnes Maskierungselement sein, das stationär gehalten wird, oder es kann zwischen Durchgängen des Energiestrahls beweglich sein, wenn das Bauteil 10 wiederholt in Schichten aufgeheizt wird, wie etwa während eines additiven Herstellungsprozesses. Auf beispielhafte Weise können Tragprofile für eine Turbinenleitschaufel oder -schaufel eine graduelle Verdrehung von der Plattform zur Spitze der Schaufel oder der Leitschaufel definieren. Dementsprechend kann das Maskierungselement 70 um eine Mittelachse „B“ herum rotiert werden, wenn sich das Tragprofil entwickelt.
In 4 ist eine beispielhafte Ausführungsform abgebildet, in der die Maske eine Vielzahl von Maskierungselementen 80 umfasst, die nebeneinander in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein können. Die Maskierungselemente 80 können die Form von Graphitstäben mit facettierten Enden annehmen, um die gewünschte Form oder Konfiguration für den strahldurchlässigen Teil 71 zu erreichen. Bei diesem Beispiel können die Stäbe oder Maskierungselemente 80 betreibbar mit einem Steuermechanismus verbunden sein, um die Maskierungselemente 80 seitlich (wie durch die Pfeile „E“ und „F“ konzeptartig dargestellt ist) gemäß der Konfiguration der gegenseitig gegenüberliegenden Teile eines Bauteils, das gebildet oder repariert wird, zu bewegen. In dieser beispielhaften Ausführungsform kann ein Maskierungselement eines Kerns 81 vorgesehen sein, um ein hohles Inneres des Tragprofils zu berücksichtigen, und kann gemäß einer vorherbestimmten Form des Tragprofils stationär oder beweglich sein. In anderen Ausführungsformen können Teile der Maske senkrecht zur Strahlrichtung in verschiedenen Ebenen platziert sein, mit variablem Überlappen der Teile, was dafür verwendet wird, eine variable Form des durchlässigen Teils 71 zu definieren.
Obwohl hier verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es offensichtlich, dass solche Ausführungsformen nur beispielhaft vorgestellt sind. Zahlreiche Varianten, Änderungen und Ersetzungen können vorgenommen werden, ohne von der hier vorgestellten Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nur durch das Wesen und den Schutzumfang der angehängten Ansprüche begrenzt wird.

Claims

Verfahren zum Bearbeiten eines Bauteils mit einem Energiestrahl, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anordnen einer Maske zwischen einer Quelle des Energiestrahls und dem Bauteil; Konfigurieren der Maske mit einem strahldurchlässigen Teil, das den gegenseitig gegenüberliegenden Teilen des Bauteils entspricht; und simultanes Aufheizen der gegenseitig gegenüberliegenden Teile des Bauteils mit Energieteilstrahlen, die durch den strahldurchlässigen Teil der Maske hindurchgehen, wobei das simultane Aufheizen dafür ausgelegt ist, einen thermisch induzierten Verzug des Bauteils innerhalb einer vordefinierten Toleranz zu halten.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Bilden der Energieteilstrahlen, die durch den strahldurchlässigen Teil der Maske hindurchgehen, aus einem flächigen Energiestrahl, der eine feste Breite aufweist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die feste Breite des flächigen Energiestrahls gewählt wird, um mindestens eine maximale Breite eines Profils abzudecken, das von dem strahldurchlässigen Teil entsprechend den gegenseitig gegenüberliegenden Teilen des Bauteils definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Bilden der Energieteilstrahlen, die durch den strahldurchlässigen Teil der Maske hindurchgehen, aus mindestens einem Punkt-Energiestrahl, der entlang einer Breitenabmessung der Maske gerastert wird und eine vordefinierte variable Breite aufweist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die vordefinierte variable Breite des gerasterten Energiestrahls so gewählt ist, um über eine variierende Breite eines Profils, das durch den strahldurchlässigen Teil entsprechend den gegenseitig gegenüberliegenden Teilen des Bauteils definiert ist, um eine vordefinierte Spanne hinauszuschießen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Maske eine Vielzahl von Maskierungselementen umfasst, die nebeneinander in mindestens einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wobei das Konfigurieren der Maske das Einstellen entsprechender Positionen von mindestens einigen aus der Vielzahl von Maskierungselementen umfasst, um den strahldurchlässigen Teil so zu definieren, dass er den gegenseitig gegenüberliegenden Teilen des Bauteils entspricht.
Additiver Herstellungsprozess zum Reparieren oder Bilden des Bauteils, der das Verfahren nach Anspruch 1 umfasst.
Prozess nach Anspruch 7, wobei der additive Herstellungsprozess aus der aus Laserauftragsschweißen, Selektivem Laserschmelzen und Selektivem Lasersintern bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Verfahren zum Bearbeiten eines Bauteils mit einem Energiestrahl, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anordnen einer Maske zwischen einer Quelle des Energiestrahls und dem Bauteil; Konfigurieren der Maske mit einem strahldurchlässigen Teil, das den gegenseitig gegenüberliegenden Teilen des Bauteils entspricht; und Scannen der Maske mit dem Energiestrahl, so dass Energieteilstrahlen durch den strahldurchlässigen Teil der Maske hindurchgehen, zum simultanen Aufheizen der gegenseitig gegenüberliegenden Teile des Bauteils, wobei das simultane Aufheizen dafür ausgelegt ist, einen thermisch induzierten Verzug des Bauteils innerhalb einer vordefinierten Toleranz zu halten, wobei das Scannen ohne genaues Verfolgen der gegenseitig gegenüberliegenden Teile des Bauteils durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Scannen angeordnet ist, die Maske mit einem flächigen Energiestrahl mit einer festen Breite abzuscannen, um die Energieteilstrahlen zu bilden, die durch den strahldurchlässigen Teil der Maske hindurchgehen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die feste Breite des flächigen Strahls ausgewählt ist, mindestens eine maximale Breite eines Profils, das von dem strahldurchlässigen Teil entsprechend den gegenseitig gegenüberliegenden Teilen des Bauteils definiert ist, zu überdecken.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Scannen dafür ausgelegt ist, die Maske mit mindestens einem Punkt-Energiestrahl abzuscannen, der entlang einer Breitenabmessung der Maske gerastert wird, wobei der gerasterte Energiestrahl eine vordefinierte variable Breite aufweist, um die Energieteilstrahlen zu bilden, die durch die strahldurchlässigen Teile der Maske hindurchgehen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die vordefinierte variable Breite des Strahls so gewählt ist, um über eine variierende Breite eines Profils, das durch den strahldurchlässigen Teil entsprechend den gegenseitig gegenüberliegenden Teilen des Bauteils definiert ist, um eine vordefinierte Spanne hinauszuschießen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Maske eine Vielzahl von Maskierungselementen umfasst, die nebeneinander in mindestens einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wobei das Konfigurieren der Maske das Einstellen entsprechender Positionen von mindestens einigen aus der Vielzahl von Maskierungselementen umfasst, um den strahldurchlässigen Teil so zu definieren, dass er den gegenseitig gegenüberliegenden Teilen des Bauteils entspricht.
Additiver Herstellungsprozess zum Reparieren oder Bilden des Bauteils, der das Verfahren nach Anspruch 9 umfasst.
Prozess nach Anspruch 15, wobei der additive Herstellungsprozess aus der aus Laserauftragsschweißen, Selektivem Laserschmelzen und Selektivem Lasersintern bestehenden Gruppe ausgewählt ist.