DE60312826T2 - Verfahren zum umschmelzen bzw. auftragschweissen mittels laser von einer werkstückoberfläche - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gesteuerten Laser-Metallformung auf der, oder zur Umschmelzung der, Oberfläche eines einzelnen Kristalls oder eines gerichtet erstarrten Objektes (siehe Anspruch 1).
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Während der letzten Jahre ist die Laser-Metallformung (LMF) in die industrielle Fertigung eingeführt worden. Die Laser-Metallformung ist ein Prozess, bei dem ein Hochleistungslaser lokal einen fokussierten Strom von Metallpulver oder einen Metalldraht auf ein Substrat aufschmilzt. Auf diese Weise kann Material dem darunter liegenden Teil hinzugefügt werden. Das Verfahren ist zum gesteuerten Materialaufbau geeignet, und die lasererzeugten Teile sind durch eine dichte Mikrostruktur gekennzeichnet, die normalerweise frei von Poren ist.
  • Die Laser-Metallformung ist vor kurzem zur kommerziellen Herstellung von Superlegierungen auf Grund ihres attraktiven Potenzials zur Reparatur von lokal geschädigten oder verschlissenen Teilen verwendet worden. Es ist tatsächlich möglich, selektiv Material an gewünschten Stellen hinzuzufügen und die volle Funktionalität einer Komponente wieder herzustellen. Es ist klar, dass die Laserreparaturtechnologie für die Aufarbeitung teuer Teile, die von lokalen Schäden oder lokalem mechanischen Verschleiß betroffen sind, besonders attraktiv ist. Turbinenschaufeln und -leitschaufeln sind typische Beispiele.
  • Der Prozess ist jedoch kompliziert, wenn Einkristallkomponenten aufgearbeitet werden müssen. Einkristallschaufeln und -leitschaufeln sind in den am stärksten belasteten Gittern von modernen Gasturbinen zu finden (erstes oder Hochdruckgitter). Ihre mechanische Unversehrtheit stützt sich auf die speziellen Eigenschaften auf Grund von Einkristallmikrostruktur und des Fehlens von Korngrenzen. Das Aufarbeiten solcher Komponenten ist nur realisierbar, wenn die Einkristallmikrostruktur während des Reparaturvorgangs erhalten werden kann.
  • Während der Laser-Metallformung wird Substratmaterial lokal geschmolzen, und Pulver (oder Draht) wird mit einem geeigneten Pulver-(oder Draht-)Zuführmechanismus in den Schmelzpool eingespritzt. Nach einer bestimmten Wechselwirkungszeit (die von der Laserlichtfleckgröße und der relativen Bewegung zwischen Laser und Substrat bestimmt wird) erstarrt das geschmolzene Material wieder, was zu Materialaufbau auf dem Substrat führt.
  • Während der Erstarrung des geschmolzenen Materials können sich jedoch auf Grund von anlagebedingter Unterkühlung der Flüssigschmelze neue Einzelkörner im Schmelzpool bilden. Das Wachstum dieser neu gebildeten Körner führt zu unerwünschtem Aufbau von gleichachsigem Material, d.h. Material, das zufällig orientiert ist. Da die thermomechanischen Eigenschaften von Superlegierungen in großem Maße von der kristallographischen Orientierung abhängen und da SX-Kristallkomponenten sich auf den Vorteil vorzuziehender Orientierung stützen, ist es offensichtlich, dass die Folge von gleichachsigem Wachstum eine schwere Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften ist. Weiterhin zeigen Superlegierungen, die keine korngrenzenstabilisierenden Elemente enthalten, übermäßiges Kriechen, wenn unerwünschte Korngrenzen gebildet werden. Für die epitaxiale Laser-Metallformung ist es daher entscheidend, eine vollständige SX-Mikrostruktur eines Teils sicherzustellen, indem der so genannte Übergang von säulenförmig zu gleichachsig (CET) vermieden wird.
  • Eine Strategie zur Sicherstellung epitaxialen Wachstums, d.h. Wachstums mit Orientierung, die zum Substrat passt und ohne Bildung von neuen Körnern, besteht in der Verwendung spezieller Prozessbedingun gen. Laserparameter müssen so eingestellt werden, dass ein spezifisches Verhältnis zwischen Temperaturgradient G und der Erstarrungsgeschwindigkeit Vs eingehalten wird. Beide Größen hängen nicht nur von Laserparametern, wie zum Beispiel Leistung, Leistungsdichte, Vorschubgeschwindigkeit ab, sondern hängen auch von den Eigenschaften des Substrat- und Pulver- (oder Draht-)Materials ab.
  • Fachleute auf dem Gebiet der Laser-Metallformung sind sich auch bewusst, dass der Beginn der (Marangoni-) Konvektion im Schmelzpool einer der Hauptgründe für den unerwünschten CET ist. Die Ingangsetzung von Konvektionsprozessen im Schmelzpool führt zu Fragmentierung der brüchigen Dendrite, die sich während der Erstarrung des geschmolzenen Materials bilden. Durch die Wirkung des konvektiven Transports werden Dendritenfragmente im ganzen Schmelzpool verteilt, wo sie als Kristallisationszentren wirken und die Bildung von gleichachsigem Material fördern. Leider wird die Schmelzpoolkonvektion auch von anderen Prozessparametern, wie zum Beispiel Massenzufuhrrate, Schutzgasstrom, Injektionswinkel, beeinflusst. Außerdem lässt sich die Marangoni-Konvektion nicht ohne Weiteres ohne Beobachtung feststellen.
  • Bisher sind mehrere Patente für den Laser-Metallformungsprozess erteilt worden. Das Grundprinzip wird in EP-A1-0 558 870 , DE-C1-199 49 972 , US-A-5,873,960 , US-A-5,622,638 oder US-A-4,323,756 beschrieben.
  • Die Anwendung von epitaxialem Materialaufbau für Schutzschichten wird von US-A-6,277,500 behandelt, Anwendungen zur Erzeugung oder Aufarbeitung von Einkristallkomponenten werden in US-A-6,024,792 , EP-A1-0 740 977 , WO95/35396 oder US-A-5,914,059 beschrieben. Außer US-A-6,024,792 erwähnt keines dieser Patente die Bedeutung der Parameter G, Vs für den Erhalt der gewünschten Einkristallmikrostruktur. US-A-6,024,792 , das als relevanteste Darstellung des Standes der Technik angesehen wird, gibt an, dass die Laserleistung so eingestellt werden muss, dass man angemessene Werte für G und Vs erhält, schlägt jedoch kein Verfahren zur automatischen Laserleistungssteuerung oder zum Vermeiden von Schmelzpoolkonvektionen vor.
  • Eine weitere Patentanmeldung, WO95/06540 q, schlägt die Verwendung eines Pyrometers zum interaktiven Laserschweißen von Objekten aus Superlegierungen vor, wobei die Substratvorwärmtemperatur gemessen wird.
  • Die Sammlung von optischen Signalen aus dem Schmelzpool wird auch in US-A-6,122,564 dargestellt. In diesem Patent ist ein optisches Überwachungssystem mit einem Regler verbunden, um die Materialauftragungsrate in Abhängigkeit von der angezeigten Höhe vorher aufgebrachten Materials einzustellen.
  • In US-A-6,311,099 wird eine Vorrichtung zur Regulierung von Laserschweißparametern vorgeschlagen, die optische Signale aus der Wechselwirkungszone verwendet. In diesem Patent wird das optische Signal durch Strahlung im nahen Infrarot erzeugt, die aus dem Schweißpool stammt. Die Strahlung wird mit einer CCD-Kamera festgestellt und verarbeitet, um Informationen über die physischen Abmessungen des Schmelzpools zu erhalten.
  • US-A-6,046,426 offenbart ein Verfahren und System zur Herstellung komplexer, dreidimensionaler, netzförmiger Objekte aus einer Vielfalt von pulverförmigen Materialien. Das System umfasst einzigartige Komponenten, um einen gleichförmigen und kontinuierlichen Strom von pulverförmigen Materialien sicherzustellen sowie den Strom von pulverförmigen Materialien in Bezug auf einen Laserstrahl zu fokussieren und positionieren, was zum Schmelzen des pulverförmigen Materials führt. Das System umfasst auch einen Realer, so dass der Strom von geschmolzenen Pulvermaterialien sich entfalten und komplexe, dreidimensionale, netzförmige Objekte durch Schichten des geschmolzenen Pulvermaterials bilden kann. Vorteilhafterweise können solche komplexen, dreidimensionalen, netzförmigen Objekte mit Materialdichten, die von 90 % der theoretischen Dichte bis zur vollkommenen Dichte reichen, sowie einer Reihe von kontrollierten physikalischen Eigenschaften hergestellt werden. Außerdem können solche komplexen, dreidimensionalen Objekte aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien hergestellt werden, so dass die Zusammensetzung des Objektes von einem Material zum anderen übergehen kann.
  • DE-C1-198 53 733 offenbart ein Verfahren zur lokalen Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laser. Die Temperatur des Laserlichtflecks oder zumindest seiner direkten Umgebung wird mit lokaler Auflösung gemessen, wobei der Temperaturmessfleck zumindest von einem Pyrometer erfasst wird, das kleiner als der Laserlichtfleck ist. Der Temperaturmessfleck folgt der Bewegung des Laserlichtflecks synchron über die Oberfläche des Werkstücks. Mehrere Regler oder Regelschleifen werden zur Folgesteuerung der Laserausgangsleistung verwendet.
  • Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein fortgeschrittenes Verfahren zur gesteuerten Laser-Metallformung oder zum Umschmelzen von Material auf Substraten bereitzustellen, wobei Warmrissdefekte, der Übergang von säulenförmig zu gleichachsig (CET) und Schmelzpoolkonvektion vermieden werden. Mit Material muss es möglich sein, Material auf Einkristallsubstraten epitaxial auf das Basismaterial aufzutragen oder eine vorher polykristalline Oberflächenschicht in ein Einkristallmaterial umzuwandeln.
  • Das Verfahren gemäß der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
  • Das Verfahren kann zum Umschmelzen von Substratmaterial verwendet werden, um eine Einkristallmikrostruktur in den Oberflächenbereichen des Substrats aufzubauen, um eine vorher polykristalline Oberflächenschicht in Einkristallmaterial umzuwandeln, Einkristallobjekte mit einer Einkristallschicht zu überziehen, oder Einkristall-Turbinenkomponenten zu reparieren. Auf Grund übereinstimmender thermophysikalischer Eigenschaften von erstarrtem und Basismaterial führt das Verfahren zu verringerter Spannung und daher zu größerer Gebrauchsdauer der Komponenten.
  • Mit dem Online-Überwachungssystem und unter Verwendung der selbsttätigen Regelung von mindestens einem Prozessparameter, wie zum Beispiel der Laserleistung, ist es möglich, optimale Prozessbedingungen herzustellen und aufrechtzuerhalten. In diesem günstigen Fall werden der Übergang von säulenförmig zu gleichachsig (CET) und die Schmelzpoolkonvektion vermieden, und es wird im Schmelzpool ein Temperaturfeld erzeugt, das zu fehlerfreiem, epitaxialem Wachstum des aufgebrachten Materials führt. So ist es möglich, neues Material ohne die Erzeugung von Korngrenzen hinzuzufügen. Neben den Prozessparametern der Laserleistung, wie zum Beispiel der relativen Geschwindigkeit zwischen Laserstrahl und dem Substrat, können der Trägergasstrom und die Massenzufuhrrate zugefügten Materials gesteuert werden.
  • Als Lichtquelle wird vorzugsweise ein lichtleitergekoppelter Hochleistungsdiodenlaser verwendet. Das Verfahren der Erfindung kombiniert Laserenergiezufuhr, Materialzufuhr und Prozessüberwachung in einem anwendungsspezifischen Laser/Pulverkopf. Mit dieser Vorrichtung kann die Pulvereinspritzung konzentrisch zum kegelförmigen Bündel von erfassten optischen Signalen aus dem Schmelzpool oder das kegelförmige Bündel von erfassten optischen Signalen aus dem Schmelzpool konzentrisch zum Lichtquellenfokussierungs kegel sein. Mit Hilfe eines dichroitischen Spiegels wird Infrarot(IR)-Strahlung aus dem Schmelzpool durch dieselbe Optik erfasst, die für die Laserfokussierung verwendet wird. Der dichroitische Spiegel überträgt Laserlicht und reflektiert Prozesslicht oder umgekehrt.
  • Das Prozesssignal aus dem Schmelzpool kann in ein Pyrometer oder einen anderen lichtleitergekoppelten Detektor eingekoppelt werden. Zu diesem Zweck werden die optischen Eigenschaften des Überwachungssystems derart gewählt, dass der Messfleck kleiner als der Schmelzpool ist und sich in der Mitte des Schmelzpools befindet. In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung wird das optische Signal aus der Mitte und der Umgebung des Laserbrennflecks unter Verwendung einer einzelnen Lichtleitfaser, eines Lichtleitfaserbündels oder einer CCD-Kamera (charged coupled device), die mit geeigneten optischen Filtern ausgestattet ist, erfasst. Diese Informationen werden zur Bestimmung der Temperatur an einer einzelnen Stelle oder gleichzeitig an mehreren Orten in der Mitte und in der Umgebung des Schmelzpools verwendet. In einem zweiten Fall können Temperaturgradienten in der Laserwechselwirkungszone analysiert werden.
  • Die Online-Regelung der Laserleistung wird mittels eines separaten Mikroprozessors von der Hauptprozesssteuerung entkoppelt. Dies ermöglicht eine schnellere parallele Verarbeitung in Echtzeit, d.h. unabhängig vom Betriebssystem.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird die Nachverarbeitung des optischen Signals aus dem Schmelzpool zur Qualitätskontrolle verwendet: Die Analyse der gemessenen Daten ermöglicht es, Prozessparameter derart zu optimieren, dass eine gewünschte Mikrostruktur erhalten wird. Das Aufzeichnen der Überwachungssignale dient auch Dokumentationszwecken und zur Sicherstellung einer konsistenten Produktqualität.
  • Weiterhin können anwendungsspezifische handelsübliche Software-Tools mit verstärkter Funktionalität zur Realisierung des Regelungssystems verwendet werden. Dadurch können kurze Regelschleifenzeiten und fortgeschrittene PID-Regelungsmerkmale, wie zum Beispiel Parameterumschaltung (gain scheduling), realisiert werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den begleitenden Zeichnungen illustriert, dabei gilt:
  • 1 illustriert eine Gasturbinenschaufel.
  • 2 illustriert eine Vorrichtung zum Ausführen der vorliegenden Erfindung.
  • 3 illustriert ein Gesamtregelungssystem zum Ausführen der Erfindung.
  • 4 illustriert ein Beispiel der Erfindung, und
  • 5 illustriert ein zweites Beispiel der Erfindung.
  • Die Zeichnungen zeigen nur die Teile, die für die Erfindung wichtig sind. Dieselben Elemente werden in verschiedenen Zeichnungen auf dieselbe Weise nummeriert.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1 zeigt ein Einkristall(SX)- oder gerichtet erstarrtes (DS) Objekt 1, wie zum Beispiel Schaufeln oder Leitschaufeln von Gasturbinenmotoren, wobei die Gasturbinenschaufel einen Wurzelabschnitt 2, eine Plattform 3 und eine Schaufel 4 umfasst und eine Oberfläche 5 hat. Das Objekt 1 kann beispielsweise aus einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis hergestellt werden. Genaugussverfahren zum Herstellen solcher SX- oder DS-Objekte sind bekannt, z.B. aus den Patenten nach dem Stand der Technik, US-A-4,96,501 , US-A-3,690,367 oder EP-A1-0 749 790 . Diese Objekte 1 werden normalerweise aus einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis hergestellt.
  • Das hierin offenbarte Verfahren kann zum Umschmelzen von Substratmaterial des Objektes 1 verwendet werden, um eine Einkristall(SX)-Mikrostruktur in den Oberflächenzonen des Substrats wieder herzustellen oder um eine vorher polykristalline Oberflächenschicht in SX-Material umzuwandeln. Zusätzlich kann dieses Verfahren zur Auftragung von SX-Schichten auf SX-Objekte 1 oder zur Reparatur von Einkristall(SX)-Turbinenkomponenten verwendet werden. Das darunter liegende Einkristallvollmaterial wirkt als Kristallkeim für das eingeschmolzene Material. Auf Grund übereinstimmender thermophysikalischer Eigenschaften führt das Verfahren zu verringerter Spannung und daher zu einer längeren Gebrauchsdauer der Komponenten.
  • Aus dem vorherigen Absatz ist zu erkennen, dass hohe thermische Gradienten beim Schmelzpool 7 entscheidend für die Einkristallerstarrung sind. Aus diesem Grund stellen Hochleistungslaser, wie zum Beispiel CO2-, (lichtleitergekoppelte) Nd-YAG- oder (lichtleitergekoppelte) Hochleistungsdiodenlaser, eine besonders attraktive Wahlmöglichkeit als Lichtquelle dar. Laserstrahlung kann zu kleinen Flecken fokussiert werden und thermische Gradienten von mehr als 106 K/m erzeugen. Es ist vorteilhaft, wenn die Laserintensität über die beheizte Fläche gleichförmig ist, was durch Zufuhr des Lichtstrahls durch Lichtleiter erreicht werden kann. Da die Laserleistung sehr leicht zu steuern ist, wird sichergestellt, dass das Kriterium für die Einkristallerstarrung während des gesamten Betriebs eingehalten wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Verhältnis Gn/Vs, wobei G der Temperaturgradient im Schmelzpool, n eine Materialkonstante und Vs die Erstarrungsgeschwindigkeit ist, oberhalb eines materialabhängigen Schwellwerts gehalten, das nachfolgende Erstarren tritt epitaxial auf, d.h. ohne neue Korngrenzen zu erzeugen.
  • In einer typischen Anwendung wird der Laser auf eine Größe des Flecks von 1–3 mm im Durchmesser fokussiert. Der Laser ist vorzugsweise entweder vom Nd-YAG- oder Hochleistungsdiodenlaser-Typ. Diese Laser arbeiten im nahen Infrarot, und von den typischen Superlegierungen werden etwa 30–40 % der einfallenden Strahlung absorbiert. Der Laserstrahl bewegt sich mit relativ geringen Geschwindigkeiten (ca. 1–10 mm/s) über die betreffenden Zonen und arbeitet im Wärmeleitungsschweißmodus. Laserintensitäten von 1·103 W/cm2 bis 5·104 W/cm2 schmelzen eine Zone ein, die bis zu 500 μm unter die Oberfläche reicht. Größere Eindringtiefen können durch weiteres Reduzieren der Verarbeitungsgeschwindigkeit oder durch Vorwärmen des Objektes 1 vor dem Schmelzen der Oberfläche 5 auf eine gewünschte Temperatur im Bereich von 500–1000 °C erreicht werden, z.B. mit einem Hochfrequenzgenerator. Bei vorgewärmten Objekten sind jedoch die thermischen Gradienten kleiner, und es ist schwieriger, das Gn/Vs-Kriterium zu erfüllen. Andererseits ist das Risiko von Warmrissdefekten während der ganzen Operation verringert.
  • 2 zeigt als Beispiel eine Vorrichtung, die sich zum Realisieren eines Verfahrens zur gesteuerten Laser-Metallformung auf der Oberfläche 5 des Objektes 1 gemäß der vorliegenden Erfindung eignet. Ein Laserstrahl 6 wird über die Oberfläche 5 des Objektes 1 bewegt (oder das Objekt 1 wird relativ zum Laserstrahl bewegt), wobei Oberfläche 5 lokal geschmolzen wird, um einen Schmelzpool 7 zu bilden. Zum Beschichten oder für andere Laser-Metallformungsanwendungen wird Material in Form eines Pulverstrahls 8 mit einem Trägergas 9 mittels einer Zuführeinrichtung 10 oder ein Draht dem Schmelzpool 7 zugefügt. Aus dem Schmelzpool 7 wird ein optisches Signal 13 kontinuierlich erfasst und zur Bestimmung der Temperatur, der Temperaturschwankungen und vorhandener Temperaturgradienten als Eigenschaften des Schmelzpools 7 erfasst. In einer Ausführungsform, die in 2 zu sehen ist, kann die Pulver 8-Einspritzung konzentrisch zum kegelförmigen Bündel von erfassten optischen Signalen 13 aus dem Schmelzpool 7 sein.
  • Wie aus 3 zu ersehen ist, werden die Informationen des optischen Signals 13 in einer Regellungsschleife innerhalb eines Regelungssystems 16 verwendet, um Prozessparameter, wie zum Beispiel die Laserleistung, mittels eines Reglers 19, die relative Geschwindigkeit zwischen dem Laserstrahl 6 und dem Substrat, die Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases 9 und die Massenzuführungsrate des eingespritzten Pulvers 8 mittels eines Reglers 18 so einzustellen, dass die gewünschten Eigenschaften des Schmelzpools 7 erhalten werden. Für das Verfahren des Einschmelzens der Oberfläche 5 des Objektes wird einer der, oder eine Kombinationen der, Prozessparameter Laserleistung und/oder die relative Geschwindigkeit zwischen dem Laserstrahl 6 und dem Objekt 1 verwendet. Anschließend erstarrt der Schmelzpool 7, wie in 2 mit Bezugsnummer 12 angegeben.
  • Das Verfahren verwendet eine Kombination einer konzentrischen Zufuhreinrichtung 10, eines lichtleitergekoppelten Lasers und eines Online-Überwachungssystems mit Echtzeitfähigkeit. Mit Hilfe des Online-Überwachungssystems werden optimale Prozessbedingungen erzeugt und aufrechterhalten, wobei der Übergang von säulenförmig zu gleichachsig (CET) und die Schmelzpoolkonvektion vermieden werden. Daher wird ein fehlerfreies, epitaxi ales Wachstum des aufgebrachten Materials beobachtet. Es ist also möglich, neues Material ohne Erzeugung von Korngrenzen hinzuzufügen.
  • Das neue Verfahren kombiniert die Zufuhr von Laserenergie, Materialzufuhr und die Prozessüberwachung in einem anwendungsspezifischen Laser/Pulverkopf, wie in 2 gezeigt. Mit Hilfe eines dichroitischen Spiegels 14 wird Infrarot(IR)-Strahlung aus dem Schmelzpool 7 durch dieselbe Optik, die zur Laserfokussierung verwendet wird, erfasst. Der dichroitische Spiegel 14 überträgt Laserlicht und reflektiert Prozesslicht des optischen Signals 13 oder umgekehrt.
  • Das optische Signal 13 aus dem Schmelzpool 7 wird in ein Pyrometer 15 oder einen anderen lichtleitergekoppelten Detektor eingekoppelt, der die Online-Bestimmung der Schmelzpooltemperatur ermöglicht. Zu diesem Zweck werden die optischen Eigenschaften des Üherwachungssystems so gewählt, dass der Messfleck kleiner als der Schmelzpool ist und sich in der Mitte des Schmelzpools 7 befindet. In einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung wird das optische Signal 13 aus der Mitte und der Umgebung des Laserbrennflecks erfasst, wobei ein Abbildungsleiterbündel oder eine CCD-Kamera (charged coupled device) verwendet wird, die mit geeigneten optischen Filtern ausgestattet ist. Diese Informationen werden zum Bestimmen der Temperatur an einer einzelnen Stelle oder gleichzeitig an mehreren Orten in der Mitte und in der Umgebung des Schmelzpools verwendet. In einem zweiten Fall können Temperaturgradienten in der Laserwechselwirkungszone analysiert werden.
  • Das kegelförmige Bündel von erfassten optischen Signalen 13 aus dem Schmelzpool 7 kann konzentrisch zum Laserfokussierungskegel sein. Die Symmetrie dieser Anordnung stellt sicher, dass die Laser-Pulver-Wechselwirkung sich während Bewegungen auf komplex geformten Komponenten nicht ändert. Dies führt zu einer konsistent hohen Qualität des Prozesses.
  • 3 zeigt das Gesamtregelungssystem 16 zur Ausführung der Erfindung. Neben einer Hauptprozessregelung 16 werden ein Regler 18 zum Regeln der Zufuhreinrichtung 10 und der ganzen Vorrichtung und ein Regler 19 zum Regeln des Lasers bereitgestellt. Die Temperaturinformationen werden zum Einstellen von Prozessparametern, wie zum Beispiel der Laserleistung, der relativen Geschwindigkeit zwischen dem Laserstrahl 6 und dem Objekt 1, der Zufuhrrate des eingespritzten Pulvers 8 mit dem Trägergas 9 oder einem zugeführten Draht, verwendet. Für das Verfahren des erneuten Schmelzens der Oberfläche 5 des Objektes wird nur einer der, oder eine Kombination der, Prozessparameter Laserleistung und/oder relative Geschwindigkeit zwischen dem Laserstrahl 6 und dem Objekt 1 verwendet. Die Regelung der Laserleistung mittels des Reglers 19 ermöglicht es, ein Temperaturfeld aufzubauen, das für epitaxiales Wachstum günstig ist. Weiterhin ermöglicht das überwachte optische Signal 13 aus dem Schmelzpool 7 das Feststellen des Einsetzens der Marangoni-Konvektion. Durch das Vermeiden der Marangoni-Konvektion im Schmelzpool 7 wird das Risiko von Warmrissdefekten während des Erstarrens des geschmolzenen Materials reduziert.
  • Wie in 3 zu erkennen ist, ist der Online-Regler 19 für die Laserleistung von der Hauptprozessregelung 17 durch einen separaten Mikroprozessor abgekoppelt. Dies ermöglicht eine schnellere parallele Verarbeitung in Echtzeit, d.h. unabhängig vom Betriebssystem.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird die Nachverarbeitung des optischen Signals 13 aus dem Schmelzpool 7 zur Qualitätskontrolle verwendet: Die Analyse der gemessenen Daten ermöglicht das Optimieren von Prozessparametern derart, dass eine gewünschte Mikrostruktur erhalten wird. Das Aufzeichnen der Überwachungssignale dient auch Dokumentationszwecken und zur Sicherstellung einer konsistenten Produktqualität.
  • Weiterhin können anwendungsspezifische handelsübliche Software-Tools (z.B. LabView RT) mit verstärkter Funktionalität zur Realisierung des Regelungssystems 16 verwendet werden. Damit können Regelungsschleifenzeiten < 10 ms und fortgeschrittene PID-Regelungsmerkmale, wie zum Beispiel Parameterumschaltung (gain scheduling), realisiert werden, was bedeutet, dass verschiedene Sätze von PID-Parametern in vordefinierten Temperaturintervallen realisiert werden können.
  • Beispiel für die Erfindung
  • Als Beispiel für die Erfindung, wie in 4 gezeigt, wurde eine 300 μm polykristalline Oberflächenschicht (aus plasmagespritztem Beschichtungsmaterial) wieder geschmolzen und in eine epitaxial erstarrte Oberflächenschicht umgewandelt. Die übereinstimmende Orientierung der (feinen) Dendriten im wieder geschmolzenen Bereich ist zu erkennen. Die Laserparameter waren: P = 220 W, v = 1 mm/s, Fleckdurchmesser: 2,5 mm.
  • Ein zweites Beispiel für die Erfindung wird in 5 gezeigt, wo eine 550 μm SX-Schutzschicht auf ein Teil aufgebracht ist, das aus SX-Turbinenmaterial hergestellt ist. Ein nachfolgender Umschmelzschritt schmilzt wieder die Oberflächenschicht des aufgebrachten Materials und führt zu einem sehr glatten Oberflächenzustand und verbesserter Qualität der Mikrostruktur. In diesem Fall waren die Prozessparameter: P = 270 W, v = 2 mm/s, Pulverzufuhrrate: 2,4 g/min, Laserfleckdurchmesser: 1,8 mm für den Auftragungsschritt und P = 240 W, v = 4 mm/s, Laserfleckdurchmesser: 2,5 mm für den nachfolgenden Umschmelzschritt.
    • 1
    Objekt, z.B. Schaufeln oder Leitschaufeln für Gasturbinen
    2
    Wurzelabschnitt
    3
    Plattform
    4
    Schaufel
    5
    Oberfläche von Objekt 1
    6
    Laserstrahl
    7
    Schmelzpool
    8
    Pulver
    9
    Trägergas
    10
    Zufuhreinrichtung
    11
    Bewegungsrichtung
    12
    Erstarrtes Material
    13
    Optisches Signal
    14
    Dichroitischer Spiegel
    15
    Pyrometer
    16
    Regelungssystem
    17
    Hauptprozessregelung
    18
    Regler für Zufuhreinrichtung 9
    19
    Regler für Laser

Claims (18)

  1. Verfahren zur gesteuerten Laser-Metallformung auf der, oder zur Umschmelzung der, Oberfläche (5) eines Einkristall(SX)- oder gerichtet erstarrten (DS)-Objekts (1), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Bewegen einer Lichtquelle und einer Signal erfassenden Vorrichtung und des Objektes (1) relativ zueinander, dadurch (b) lokales Schmelzen der Oberfläche (5) des Objektes (1) unter Verwendung der Lichtquelle mit einer bestimmten Energie zum Bilden eines Schmelzpools (7), (c) Erfassen eines optischen Signals (13) aus dem Schmelzpool (7) unter Verwendung der Signal erfassenden Vorrichtung, (d) Verwenden des überwachten optischen Signals (13) zum Bestimmen von Temperatur und Temperaturschwankungen als Eigenschaften des Schmelzpools (7), (e) Verwenden der Informationen über die Temperatur und die Temperaturschwankungen des Schmelzpools (7) aus dem optischen Signal (13) innerhalb eines Regelungssystems (16) in einer Regelungsschleife zum Einstellen der Laserleistung und/oder der relativen Geschwindigkeit der Lichtquelle zum Objekt (1) als Prozessparameter durch Beibehalten des Verhältnisses Gn/Vs oberhalb eines materialabhängigen Schwellwertes, wobei G der Temperaturgradient im Schmelzpool (7) ist, n eine Materialkonstante ist und Vs die Erstarrungsgeschwindigkeit ist, derart, dass Schmelzpooleigenschaften erhalten werden, um den Übergang von säulenförmig zu gleichachsig (CET) während der Erstarrung des Schmelzpools (7) zu vermeiden und um Konvektion im Schmelzpool (7) zu vermeiden, (f) und nachfolgendes Erstarren des Schmelzpools (7).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner folgende Schritte umfassend: (a) Einspritzen von Pulver (8) mit einem Trägergas (9) oder eines Drahtes in den Schmelzpool (7); und (b) Verwenden der Informationen über die Temperatur und die Temperaturschwankungen des Schmelzpools (7) aus dem optischen Signal (13) innerhalb eines Regelungssystems (16) in einer Regelungsschleife zum Einstellen als Prozessparameter von einem aus, oder einer Kombination aus, der Leistung der Lichtquelle, der Relativgeschwindigkeit zwischen der Lichtquelle und dem Objekt (1), der Massenzufuhrrate des hinzugefügten Materials und/oder des Trägergases (9), derart, dass Schmelzpooleigenschaften gewonnen werden, um den Übergang von säulenförmig zu gleichachsig (CET) während des Erstarrens des Schmelzpools (7) zu vermeiden und um Konvektion im Schmelzpool (7) zu vermeiden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, das ferner den Schritt des Einstellens der Schmelzpooleigenschaften umfasst, um einen epitaxialen Materialaufbau mit thermophysikalischen Eigenschaften des aufgebrach ten Materials in Übereinstimmung mit denen des Objektes (1) zu erhalten.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberfläche (5) des Objektes (1) wieder geschmolzen wird, um eine Einkristall(SX)-Mikrostruktur wieder herzustellen oder um eine polykristalline Oberflächenschicht in eine Einkristall(SX)-Struktur umzuformen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtquelle in Bezug auf das Objekt (1) bewegt ist oder das Objekt (1) in Bezug auf die Lichtquelle bewegt ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtquellenleistungsregelung von einem Regler (19) mit einem anderen Prozessor als dem, der für die Hauptprozessregelung (17) innerhalb des Regelungssystems (16) verwendet wird, übernommen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, das den Schritt des Betriebs des Lichtquellenleistungsreglers (19) in Echtzeit umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Parameterumschaltung (gain scheduling) zum Vordefinieren von PID-Regelungsparametern innerhalb des Regelungssystems (16) verwendet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Nachverarbeitung des optischen Signals (13) aus dem Schmelzpool (7) für Qualitätskontrollzwecke, Optimierung von Prozessparametern und/oder Prozessdokumentation verwendet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erfasste optische Signal (13) aus dem Schmelzpool (7) einem Pyrometer (15) zugeleitet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, das den Schritt des Erfassens des optischen Signals (12) aus einem Bereich in der Mitte des Schmelzpools (7) umfasst, wobei der Messfleck des Pyrometers (15) kleiner als der Lichtquellenfleck ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das den Schritt des Erfassens des optischen Signals (13) durch einen lichtleitergekoppelten Detektor umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das ferner folgende Schritte umfasst: (b) Erfassen eines optischen Signals (13) aus der Mitte und der Umgebung des Lichtquellenbrennflecks, (c) Verwenden eines Lichtleiters oder eines Lichtleitfaserbündels oder einer CCD-Kamera zum Erfassen des optischen Signals (13), (d) Verwenden des optischen Signals (13) zum Bestimmen der Temperatur an mehreren Stellen in der Mitte und in der Umgebung des Schmelzpools (7), und (e) Verwenden der Informationen zum Bestimmen von Temperaturgradienten in der Lichtquelleninteraktionszone.
  14. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Pulver (8) -Einspritzung konzentrisch zum kegelförmigen Bündel von erfassten optischen Signalen (13) aus dem Schmelzpool (7) ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das kegelförmige Bündel von erfassten optischen Signalen (13) aus dem Schmelzpool (7) konzentrisch zum Lichtquellenfokussierungskegel ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das den Schritt des Verwendens eines dichroitischen Spiegels (14) umfasst, der Licht von der Lichtquelle überträgt und Licht des optischen Signals (13) reflektiert, oder umgekehrt.
  17. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das den Schritt des Verwendens eines lichtleitergekoppelten Hochleistungsdiodenlasers als Lichtquelle umfasst.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Objekt (1) eine Gasturbinenkomponente ist, die aus einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis hergestellt ist.
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