DE69617087T2

DE69617087T2 - Verfahren zum behälterlosen Herstellen rissfreier Gegenstände aus Metall

Info

Publication number: DE69617087T2
Application number: DE69617087T
Authority: DE
Inventors: David Henry Abbott; James Peter Aduskevich; Dorothea Nadette Carraway; Raymond Paul Langevin; Marcin, Jr.; Justin Andrea Neutra; Marc R. Sauerhoefer; Dilip M. Shah; Richard Alan Stone
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1995-05-01
Filing date: 1996-04-25
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2016-04-26
Also published as: JP3444723B2; US5900170A; EP0740977B1; TW332789B; US6103402A; JPH09118592A; DE69617087D1; EP0740977A1

Description

Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf ein behälterloses Verfahren zum Herstellen eines Einkristallmetallgegenstandes nach der Präambel von Anspruch 1 und auf ein behälterloses Verfahren zum Herstellen eines rißfreien Metallgegenstandes nach der Präambel von Anspruch 2.
Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich allgemein auf ein behälterloses Verfahren zum Herstellen von rißfreien metallischen Gegenständen und insbesondere auf ein behälterloses Verfahren zum Herstellen von Einkristallgasturbinenmotorkomponenten.
Moderne Gasturbinenmotoren arbeiten bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten und hohen Temperaturen für erhöhte Leistung und Wirksamkeit. Somit müssen die Materialien, aus denen Gasturbinenmotorkomponenten hergestellt sind, fähig sein, dieser harten Betriebsumgebung zu widerstehen.
Die meisten Hochtemperaturgasturbinenmotorkomponenten sind aus Superlegierungen auf Nickelbasis hergestellt, die Legierungen sind, spezifisch entwickelt für hohe Temperatur und Anwendungen hoher mechanischer Beanspruchung. Superlegierungen werden oft in die Komponentenform gegossen. Beispielsweise ist richtungsabhängige Verfestigung in der Technik bekannt. Diese Gießtechnik richtet Korngrenzen parallel zu der Spannungsachse aus. Diese Ausrichtung vergrößert erhöhte Temperaturstärke. Richtungsabhängige Verfestigung richtet die Körner unter Minimieren von Fehlinitiierungsstellen aus, weil Hochtemperaturversagen üblicherweise an den Grenzen zwischen Metallkristallen auftritt.
Eine Ausdehnung der zuvor genannten Technik ist Einkristallgießen. Gießen von Legierungen in Einkristallform eliminiert innere Kristallgrenzen in der fertiggestellten Komponente. Einkristallturbinenmesser und -flügel besitzen überlegene Eigenschaften, wie Stärke, Duktilität und Rißbeständigkeit bei hohen Betriebstemperaturen. Somit werden Einkristallmotorkomponenten umfassend in dem Turbinenabschnitt von Gasturbinenmotoren verwendet. Obwohl Einkristallmotorkomponenten wünschenswert sind, sind sie äußerst teuer herzustellen, und Defekte treten oft während anfänglichem Herstellen auf.
Die erfolgreiche Verwendung von herkömmlichen behälterlosen Laserablagerungsverfahren ist besonders schwierig für Herstellen von Einkristallkomponenten von komplexer Geometrie wegen nachlässiger Korngrenzeinführung. Die meisten Herstellungsverfahren des Standes der Technik haben unserer Kenntnis nach fein fokussierte Laserstrahlen von Hochleistungsdichte zum in Wechselwirkung treten mit dem Metallsubstrat verwendet. Das Ergebnis ist Rißbilden aufgrund von mindestens zwei Phänomenen gewesen. Das erste Phänomen bezieht sich auf eine hohe Verfestigungsrate. Die hohe Verfestigungsrate rührt von dem Hochtemperaturunterschied zwischen dem durch Laserstrahl erzeugten geschmolzenen Pool und dem Substrat her. Dieser Temperaturunterschied ist eine Konsequenz der schnellen Heizgeschwindigkeit, welche nicht gestattet, daß das ungeschmolzene Substrat irgendeine beträchtlich erhöhte Temperatur erzielt. Dieses bedeutet, daß, wenn der Laserstrahl sich weiter bewegt oder abgeschaltet wird, das geschmolzene Oberflächenteil sich rasch verfestigt, weil das Substrat als eine äußerst wirksame Hitzesenke wirkt.
Genauer, die Hochleistungsdichten und kurzen Aussetzungszeiten führen zu hohen Wärmegradienten und hohen Kühlgeschwindigkeiten, was zu schnellen Verfestigungsraten führt. Diese Art von lokalisiertem Schmelzen und Verfestigung kann Wärmespannungen während Verfestigung induzieren, was zu Rißbilden führen kann.
Das zweite Phänomen, das zu Rißbilden führt, und welches aus den Lehren des Standes der Technik herrührt, ist, daß der Pool tief ist und eine hohe Verhältniszahl (Tiefe zu Breite) hat. Bei der Verfestigung eines derartig relativ engen tiefen geschmolzenen Pools treten verschiedene nachteilige Wirkungen auf. Beispielsweise wird der Hitzefluß seitlich weg von dem Pool wie auch herunter in das Substrat wegen der relativ hohen Verhältniszahl von Tiefe zu Breite sein. Wenn die Verfestigung einen Abschluß erreicht, wird es einen hohen Spannungszustand geben, der aus der Beanspruchung der Poolwände herrührt. Die reine Wirkung eines hohen Verhältnisses ist die Einführung von Hochwinkelkorngrößen und eines schwer erzwungenen Verfestigungszustandes. Einführung von Hochwinkelkorngrenzen reduziert die Integrität des Materials und erhöht die Zugänglichkeit zu Rißbilden. Die hohen Zwänge dieser Art von Verfestigung führen zu hohen Spannungen während und nach Verfestigung, was auch zu Rißbilden führen kann. Somit neigt aus den zuvor aufgezählten Gründen Lasermetallbehandlungstechniken des Standes der Technik zu Rißbilden und sind allgemein schwierig zu verwenden gewesen.
Es hat Versuche gegeben, einige dieser Probleme zu erleichtern. Diese Versuche schließen ein Vorerhitzen des Substrats unter Reduzieren von Rißbilden wie auch die Verwendung von unterschiedlichen Füllstoffmaterialien, wie Füllstoffmaterialien mit mehr Duktilität und weniger Neigung für Verfestigungsrißbilden ein. Unglücklicherweise sind diese Versuche, das Problem zu lösen, relativ unerfolgreich gewesen.
Die US-A-4 878 953 beschreibt ein Verfahren zum Aufpolieren eines Superlegierungsgießlings, umfassend die Stufen von
Erzeugen eines Plasmabogens zwischen einer Elektrode und einem Abschnitt des unter einem elektrischen Strom zu polierenden Gießlings unter Schmelzen einer Oberfläche des Abschnitts in einen Flachpool von geschmolzenem Metall,
Liefern von Schweißpulver der gleichen Zusammensetzung wie des Superlegierungsgießlings in den Bogen an einem Punkt leicht oberhalb des geschmolzenen Pools zum Erhitzen und Lieferung zu dem geschmolzenen Pool und
anschließend Verfestigen des gelieferten Pulvers und geschmolzenen Pools in eine Auflage, gebunden an den Gießling, und welche von der gleichen Zusammensetzung wie der Gießling ist.
Demgemäß gibt es ein Verlangen nach einem behälterlosen Verfahren zum Herstellen eines rißfreien metallischen Gegenstandes, insbesondere einer Einkristallgasturbinenmotorkomponente.
Das behälterlose Verfahren zum Herstellen eines Einkristallmetallgegenstandes der gegenwärtigen Erfindung ist in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 definiert, und das behälterlose Verfahren zum Herstellen eines rißfreien metallischen Gegenstandes der gegenwärtigen Erfindung ist in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 2 definiert.
Gemäß der gegenwärtigen Erfindung ist ein behälterloses Verfahren zum Herstellen eines rißfreien metallischen Gegenstandes offenbart. Bevorzugter, ein behälterloses Verfahren zum Herstellen einer rißfreien Einkristallgasturbinenmotorkomponente ist offenbart. Ein Aspekt der Erfindung schließt Schmelzen eines Füllstoffmaterials in ein Substrat oder Samen unter Bedingungen ein, gewählt, Rißbilden zu eliminieren. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Laserstrahl oder andere geeignete Energiequelle bei einer relativ geringen Leistungsdichte (zwischen 10 J/Sek.cm² (10 Watts/cm²) und 104 J/Sek.cm² (10&sup4; Watts/cm²) und bei einem relativ großen Durchmesser zwischen 0,254 cm (0,1 Zoll) und etwa 10 cm (4 Zoll) für eine ausgedehnte Zeitdauer (zwischen 0,1 Sek und 1000 Sek) betrieben, wodurch ein geschmolzener Pool mit einer Verhältniszahl erzeugt wird, die relativ niedrig ist, d. h. ein Flachpool.
Material wird zu dem Pool gegeben, schmilzt in den Pool und verfestigt sich unter Bilden einer Ablagerung. Alternativ kann das Material auf die Oberfläche vor oder während Schmelzen aufgebracht werden. Vorzugsweise ist das hinzugefügte Material Pulver mit im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung wie das Substrat. Jedoch kann in Abhängigkeit von der spezifischen Anwendung ein Material mit einer unterschiedlichen Zusammensetzung als derjenigen des Substrats gewünscht sein. Beispielsweise würde ein korrosionsbeständiges Füllstoffmaterial wünschenswert sein, wenn Korrosion ein Problem ist, und Stärke nicht so wichtig ist. In Abhängigkeit von der Natur und Ursache des Defekts kann das Material angemessen zurechtgeschnitten werden, wodurch die Wahscheinlichkeit verringert wird, daß der Defekt wiederkehrt.
Laserstrahlbetrieb bei einer relativ geringen Leistungsdichte und großem Durchmesser bewirkt, daß Verfestigung im allgemeinen von dem Substrat nach außen gerichtet zu der Oberfläche in einer planaren Weise auftritt im Unterschied zu vorhergehenden Techniken, wobei die Verfestigungsseite nicht kontrolliert wurde.
Die gegenwärtige Erfindung löst das Problem des Rißbildens während Lasermetallverarbeiten durch beträchtliches Ändern der Laserschmelzparameter. Wohingegen im Stand der Technik Verfahren mit einer hohen Leistungsdichte über kurze Zeitperioden durchgeführt worden sind, ist gemäß der gegenwärtigen Erfindung die Leistungsdichte reduziert, und die Wechselwirkungszeit wird erhöht. Dieses ermöglicht einen beträchtlichen Temperaturanstieg des Substrats unmittelbar benachbart zu dem geschmolzenen Pool zu der Zeit, da Verfestigung auftritt. Durch Beibehalten des Substrats benachbart zu dem geschmolzenen Pool bei einer relativ hohen Temperatur werden der Wärmegradient und Verfestigungsrate verringert. Dieses reduzierte die Wahrscheinlichkeit von Rißbilden. Somit eignet sich die gegenwärtige Erfindung zum Reduzieren des Wärmegradienten, Kühlgeschwindigkeit, Verfestigungsrate und Verhältniszahl (Tiefe zu Breite) des geschmolzenen Pools unter Herstellen eines Einkristallmetallgegenstandes.
Noch ein anderer Aspekt der Erfindung schließt eine erste Stufe des Schmelzens von Füllstoffmaterial in das Substrat oder Samen ein, ermöglichend, daß Verfestigung auftritt, und erneutes Schmelzen des Füllstoffmaterials unter Bedingungen, gewählt, Rißbilden zu eliminieren. Insbesondere schmilzt eine Energiequelle einen Teil des Substrats und bildet einen Pool.
Die Leistungsdichte der Energiequelle kann 5 · 10³ J/Sek·cm² (5 · 10³ Watt/cm²)und 5 · 10&sup6; J/Sek·cm² (5 · 10&sup6; Watt/cm²) in Abhängigkeit von den Wärmeeingabeanforderungen des Substrats sein. Material wird dann zu dem Pool gegeben, schmilzt in den Pool und verfestigt sich unter Bilden einer Ablagerung. Alternativ kann das Material auf die Oberfläche vor oder während Schmelzen aufgebracht werden. Die Ablagerung verfestigt sich schnell bei Entfernung der Energiequelle als ein Ergebnis von Wärmeleitung in das Substrat. Die Ablagerung wird jedoch sehr wahrscheinlich Risse wegen Spannungen während Verfestigung enthalten.
Die Ablagerung (und die umgebende Region) wird dann erneut geschmolzen unter Verwenden einer Energiequelle bei einer niedrigeren Leistungsdichte und für eine längere Aussetzungszeit unter Verwenden der zuvor dargestellten Parameter für die breite Einstufenausführungsform. Die Energiequelle erhitzt das Substrat, wodurch der Wärmegradient, die Verfestigungsrate, wie auch Spannungen während und nach Verfestigung vermindert werden. Es resultiert eine rißfreie Ablagerung mit keinen Kristallgrenzen.
Das Verfahren wird wiederholt, wenn verlangt, unter Herstellen eines rißfreien Gegenstandes von gewünschter Geometrie. Dieses ist möglich durch Anwenden des Verfahrens in einem Closed-Loop, kontrollierten Multiachsen- Materialablagerungssystem. Jede Ablagerung schmilzt in Material unterhalb jeder Ablagerung und setzt die kristallographische Orientierung des Substrats oder Samens bei Verfestigung fort.
In noch einer anderen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung werden verschiedene Ablagerungen vor erneutem Schmelzen bei einer niedrigeren Leistungsdichte und für eine längere Zeit gebildet, als jeder Pool zuvor zum Bilden annahm. Erneutes Schmelzen wird mit einer Energiequelle durchgeführt, die einen größeren Gegenstandsoberflächenbereich bedeckt, als zuvor bedeckt war.
Die gegenwärtige Erfindung eignet sich zum Herstellen eines rißfreien Einkristallgegenstandes von beinahe reiner Form. Als ein Ergebnis ist diese Erfindung ideal zum Herstellen einer Einkristallgasturbinenmotorkomponente ohne die Verwendung eines Behälters, wie einer Gießform. Es ist jetzt möglich, wirksam eine Einkristallgasturbinenmotorkomponente herzustellen ohne die Verwendung von traditioneller Gießtechnologie. Dieses ist hoch wünschenswert, weil Form-Metall Wechselwirkungen begrenzt werden, wodurch die Wirksamkeit des Herstellungsverfahrens verbessert wird.
Die gegenwärtige Erfindung ermöglicht auch Ablagerung einer identischen Zusammensetzung auf das darunterliegende Substrat oder Samen. Verfahren des Standes der Technik sind im allgemeinen Kompromisse mit der Substratzusammensetzung eingegangen, so wie durch die Zugabe von Schmelzdrückmitteln. Keine Zusammensetzungskompromisse sind bei der gegenwärtigen Erfindung notwendig. Es können jedoch beabsichtigte Zusammensetzungsänderungen gemacht werden zum Verbessern der Leistung der Komponente und zum Ermöglichen, daß die Komponente besser der Dienstumgebung standhält. Wenn beispielsweise Oxidationsbeständigkeit auf einem bestimmten Teil der Komponente gewünscht wird, könnte das abgelagerte Material in jenem Bereich durch ein oder mehrere Elemente wie Al, Cr, Y, La und Ce angereichert werden. Wenn Beständigkeit gegenüber Heißkorrosion gewünscht wird, könnte der Bereich mit Cr angereichert werden. Hergestellte Bereiche, die stärker als der darunterliegende Samen oder Substrat sind, können erzielt werden durch Erhöhen der Mengen von Materialien, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al, Ti, Ta, Nb(Cb), Mo und W. Wenn jedoch erhöhte Duktilität gewünscht wird, dann sollte die zuvor genannte Gruppe von legierungsbildenden Elementen reduziert werden.
Die vorhergehenden und andere Merkmale und Vorteile der gegenwärtigen Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und Begleitzeichnungen offenkundiger.
Fig. 1 zeigt eines geschmolzenen Pool des Standes der Technik.
Fig. 2 zeigt einen geschmolzenen Pool der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 3 zeigt einen geschmolzenen Pool der gegenwärtigen Erfindung, der einen Materialaufbau einschließt.
Fig. 4 zeigt eine Energiequelle, verwendet zum Erzeugen eines geschmolzenen Pools.
Fig. 5 zeigt Material, das in den geschmolzenen Pool abgelagert ist.
Fig. 6 zeigt eine Energiequelle mit einem großen Strahlendurchmesser an der Substratoberfläche.
Fig. 7A zeigt eine Röntgenbeugung von Punkt 1, die die kristallographische Orientierung eines Aufbaus von Schichten auf einem Nickelbasiseinkristallsubstrat angibt.
Fig. 7B zeigt eine Röntgenbeugung von Punkt 2, die die kristallographische Orientierung eines Aufbaus von Schichten auf einem Nickelbasiseinkristallsubstrat angibt.
Fig. 7C zeigt eine Röntgenbeugung von Punkt 3, die die kristallographische Orientierung eines Aufbaus von Schichten auf einem Nickelbasiseinkristallsubstrat angibt.
Fig. 8 zeigt einer Oberansicht einer abgelagerten Struktur, genommen bei 25facher Normalvergrößerung.
Fig. 9 zeigt die kristallographische Orientierung an dem Zentrum der abgelagerten Struktur von Fig. 8.
Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen Leistungsdichte und Zeit für eine Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung im Vergleich zu einem Verfahren des Standes der Technik.
Fig. 11 zeigt eine graphische Darstellung eines Ablagerungsverfahrens des Standes der Technik.
Fig. 12 zeigt eine graphische Darstellung einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung.
Die gegenwärtige Erfindung betrifft das Schmelzen eines Füllstoffmaterials in ein Substrat oder Samen unter Bedingungen, gewählt, Rißbilden zu eliminieren. Der Samen oder Substrat 6 (schematisch in Fig. 1 - Fig. 6 gezeigt) kann irgendein metallisches Material sein. Beispielsweise kann das Substrat 6 ein Nickelbasis-, Kobaltbasis- oder anderes Superlegierungsmaterial sein.
Wenn das Substrat 6 oder Samen ein Einkristallmetallgegenstand ist, wird die < 100> Kristallorientierung vorzugsweise durch Röntgenbeugung bestimmt. In dieser Richtung gezüchtete Kristalle entwickeln eine wünschenswerte in einer Richtung verlaufende Struktur. Das Substrat 6 oder Samen wird so angeordnet, daß eine [100] Richtung vertikal orientiert ist. Obwohl Bestimmung der < 100> Kristallorientierung aufgrund von Leichtigkeit von Kristallwachstum in dieser Orientierung wünschenswert ist, ist sie für die Praxis der gegenwärtigen Erfindung nicht wesentlich.
Das Substrat 6 kann vorerhitzt werden, zu helfen, Spannungen zu reduzieren, die Feststoffzustandsrißbilden erzeugen können. Vorerhitzen kann durch verschiedene, in der Technik bekannte Verfahren durchgeführt werden, einschließlich ein Laserstrahl, ein Induktionsheizgerät, eine Quarzlampe oder ein Standard Greifertyp-Ofen.
Fig. 1 ist eine schematische Beschreibung eines Laserablagerungsverfahrens des Standes der Technik, das einen geschmolzenen Pool 8 zeigt, dessen Tiefe beträchtlich größer als seine Breite ist. Hitzefluß ist in der Richtung von Bogen 1, und die Verfestigungsseite bewegt sich in die Richtung von Pfeil 5. Die Verfestigungsseite bewegt sich allgemein zu der Zentrumslinie 3 von Pool 8. Spannung resultiert, wenn die Verfestigungsseiten von entgegengesetzten Seiten von Pool 8 sich an der Zentrumslinie 3 treffen. Diese Spannung ist eine Ursache von Rißbilden in vielen Verfahren des Standes der Technik.
Fig. 2 zeigt eine schematische Veranschaulichung des Verfahrens der gegenwärtigen Erfindung, bei der der Durchmesser des Pools 8 wesentlich größer als die Tiefe von Pool 8 ist. Pool 8 verfestigt sich durch Wärmeextraktion in Richtung 9, welches bewirkt, daß die Flüssigkeit Feststoff Grenzfläche sich zu Richtung 11 bewegt, die auch zu der Oberfläche von Substrat 6 liegt. Dieses im wesentlichen planare Seitenverfestigungsverfahren reduziert Rißbildungstendenz beträchtlich, weil die Verfestigungsseite eventuell wesentlich mit der freien Substratoberfläche 6 zusammentrifft. Deshalb gibt es keine Restspannungen in dem Material. Nur an den Poolecken, als 15 bezeichnet, darf die Verfestigungsseite sich nicht direkt zu der freien Oberfläche von Substrat 6 bewegen.
Somit liefert die gegenwärtige Erfindung ein Verfahren für das Oberflächenschmelzen von rißempfänglichen Metallgegenständen, ohne zu Rißbilden zu führen. Die gegenwärtige Erfindung zieht auch in Betracht, daß der Flachpool 8, gezeigt in Fig. 2, vergrößert wird durch die Zugabe von Extramaterial, typischerweise in der Form von Pulver, aber auch möglich in der Form von Draht oder Folie, unter Erzeugen eines Aufbaus 17, wie in Fig. 3 gezeigt.
Wir haben festgestellt, daß es möglich ist, die Oberfläche eines Metallsubstrats 6 aufzubauen und dadurch einen Metallgegenstand herzustellen. Wichtigerweise haben wir festgestellt, daß, wenn wir die Erfindung praktizieren, wir die darunterliegenden Kristallstruktur fortsetzen können ohne die Bildung neuer Körner oder Korngrenzen während dieses Herstellungsverfahrens. Dieses ist signifikant, weil es ein Verfahren zum Herstellen von Einkristallgegenständen liefert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung verwenden wir einen Laserstrahl oder andere geeignete Energiequelle mit einer Leistungsdichte zwischen 10 J/Sek·cm² (10 Watts/cm²) und 10&sup4; J/Sek·cm² (10&sup4; Watts/cm²) und vorzugsweise zwischen 80 J/Sek·cm² (80 Watts/cm²) und 800 J/Sek·cm² (800 Watts/cm²) für eine Zeitperiode, die im Bereich von 0,10 Sekunden und 1000 Sekunden und vorzugsweise von 0,5 Sekunden bis 100 Sekunden liegt. Dieses in Kombination mit einem Laserstrahl oder anderer geeigneter Energiequelle mit einem Durchmesser zwischen 0,254 cm (0,1 Zoll) und 10 cm (4 Zoll) und vorzugsweise zwischen 0,51 cm (0,2 Zoll) und 5,1 cm (2 Zoll) erlaubt die Bildung der Flachpoolgeometrie, dargestellt in Fig. 2 und Fig. 3, eher als den in Fig. 1 gezeigten engen Tiefpool.
In einer alternativen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung und wie in Fig. 4 gezeigt, wird eine erste Energiequelle, in diesem Fall ein Laser, an einem Flecken 4 auf dem Substrat 6 oder Samen fokussiert. Ein Laser, wie ein YAG gepulster Laser, ist wegen seiner Fähigkeit bevorzugt, Fleckengrößen von kleinem Durchmesser auf der Oberfläche des Substrats 6 oder Samens herzustellen, die die Genauigkeit des Herstellungsverfahrens erhöhen. Es ist auch möglich, einen kontinuierlichen Laserstrahl für die Herstellung von "Linien" von Ablagerungen zu verwenden. Die Leistungsdichte des Lasers kann zwischen 5 · 10³ J/Sek·cm² (5 · 10³ Watts/cm²) und 5 · 10&sup6; J/Sek·cm² (5 · 10&sup6; Watts/cm²) in Abhängigkeit von den Wärmeeingabeanforderungen des Substrats 6 sein. Vorzugsweise beträgt die Leistungsdichte etwa 10&sup5; J/Sek·cm² (10&sup5; Watt/cm²) für ein Einkristallsubstrat auf Nickelbasis.
Vorzugsweise liegt der Durchmesser des Strahlfleckens auf dem Substrat 6, hergestellt durch den Laser, zwischen 0,0254 mm (0,001 Zoll) und 2,54 mm (0,100 Zoll).
Fleckengrößen von kleinem Durchmesser erhöhen die Genauigkeit des Verfahrens, große Fleckengrößen erhöhen die Aufbaurate. Maximumfleckengröße hängt von verfügbarer Leistung ab.
Wie in Fig. 5 gezeigt, bildet Strahl 10 geschmolzenen Pool 8 auf Substrat 6. Füllstoffmaterial wird dann in Pool 8 abgelagert. Material kann vor oder während Strahl 10 Anwendung aufgebracht werden. Vorzugsweise ist das Material Pulver 18 mit im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung wie das Substrat 6.
Bei Ablagern von Pulver 18 in den Pool 8 schmilzt das Pulver und bildet eine Ablagerung, die sich rasch bei Entfernung von Strahl 10 verfestigt. Beispielsweise kann der Strahl 10 über das Substrat 6 gelegt werden, wodurch die Wärmeeingabe entfernt wird. Alternativ kann eine gleichzeitige Anwendung von Pulver 18 und Strahl 10 auf das Substrat 6 für das gleichzeitige Schmelzen von Pulver 18 und Substrat 6 verwendet werden. Eine Vielheit von Ablagerungen kann in der zuvor genannten Weise gebildet werden. Jedoch werden diese Ablagerungen im allgemeinen wegen mit schneller Verfestigung verbundenen Spannungen gespalten.
Die Ablagerungen werden dann erneut unter Bedingungen geschmolzen, Rißbilden zu eliminieren, nämlich geringere Leistungsdichte und längere Aussetzungszeit. Insbesondere kann die zweite Energiequelle die gleiche Energiequelle wie die erste Energiequelle sein, eingestellt bei einer geringeren Leistungsdichte. Die Leistungsdichte kann zwischen 10 J/Sek·cm² (10 Watts/cm²) und 104 J/Sek·cm² (10 Watts/cm²) in Abhängigkeit von den Wärmeeingabeanforderungen des Substrats 6 liegen. Vorzugsweise beträgt die Leistungsdichte etwa 600 J/Sek·cm² (600 Watts/cm²) für ein Einkristallsubstrat auf Nickelbasis. Am bevorzugtesten überlappen die Betriebsparameter im Hinblick auf Leistungsdichte nicht. Aussetzungszeit für die zweite Energiequelle kann zwischen 0,1 Sekunden bis 1000 Sekunden und am bevorzugtetsten zwischen 0,5 Sekunden bis 100 Sekunden liegen. Aussetzungszeit für die zweite Energiequelle ist vorzugsweise mindestens etwa 10fach größer als die Aussetzungszeit für die erste Energiequelle bei der Herstellung jedes Pools 8. Am bevorzugtesten ist die Aussetzungszeit mindestens etwa 10&sup5; fach größer.
Vorzugsweise ist der Fleckendurchmesser der zweiten Energiequelle bei der Substratoberfläche größer als die erste Energiequelle, wie bei 28 in Fig. 6 gezeigt. Am bevorzugtesten ist der Fleckendurchmesser mindestens etwa 5fach des Fleckendurchmessers der ersten Energiequelle.
Bei Entfernung der zweiten Energiequelle verfestigt sich das Material erneut, aber mit einer langsameren Geschwindigkeit als derjenigen der ersten Energiequelle. Diese langsame Verfestigung reduziert die verbundenen Schrumpfungsspannungen, wodurch die Neigung für Rißbildung wesentlich eliminiert wird. Verfestigung tritt in einer Richtung verlaufend, von dem Substrat 6 zu der Oberfläche auf, wodurch die Fortführung der darunterliegenden Kristallmorphologie ermutigt und die Bildung neuer Körner entmutigt wird.
Die zuvor genannten Stufen können wiederholt werden, wie für Substrat 6 Aufbau benötigt. Gesamtzeit für Gegenstandsherstellung hängt von der Gegenstandsgröße ab.
Wie in Fig. 6 gezeigt, kann ein verfestigter Bereich 26 von Ablagerungen gebildet werden. Wenn der verfestigte Bereich 26 größer als der Fleckendurchmesser der zweiten Energiequelle ist, kann der Bereich 26 geschmolzen werden durch kontinuierliches Bewegen einer Energiequelle über die abgelagerte Struktur mit einer Geschwindigkeit, die es dem ausgesetzten Material erlaubt, zu schmelzen, so daß nicht erzwungene und in einer Richtung verlaufende Verfestigung gefördert wird. Es tritt kein Überschmelzen auf, welches zu Verlust von gewünschter Querschnittsgeometrie führen würde.
Alternativ können die Verfahrensstufen für die Erzeugug jeder Schicht gleichlaufend durchgeführt werden, so wie bei der Verwendung von Mehrfachenergiequellen.
Sowie einmal der gewünschte Aufbau von Schichten hergestellt ist, kann die Oberfläche fertiggestellt werden. Röntgenbeugung des fertiggestellten Gegenstandes kann durchgeführt werden, wodurch Fortführung der kristallographischen Orientierung durch die Schichten bestätigt wird.
Fig. 5 zeigt schematisch eine für die gegenwärtige Erfindung geeignete Vorrichtung. Wie in Fig. 5 gezeigt, liefert eine Pulverbeschickungsvorrichtung 20 Pulver 18 zu Pool 8. Pulverbeschickungsvorrichtung 20 liefert Pulver 18 durch Pulverbeschickungsleitung 22 zu Pulverbeschickungsdüse 24. Die Pulverbeschickungsdüse 24 kann von einem koaxialen Design sein, Pulver 18 koaxial um Strahl 10 zu liefern. Geeignete Pulverfließgeschwindigkeiten können zwischen etwa 0,5 g/Min und etwa 50 g/Min in Abhängigkeit von Füllstoffmaterial, Strahlfleckengröße und Leistungsdichte sein. Alternativ kann das Pulver 18 auf dem Substrat 6 vorplaziert werden.
Relative Bewegung zwischen dem Strahl 10 und der Komponente kann durch Manipulation von optischen Elementen oder dem Substrat 6 durch mechanische oder elektrische Mittel erzielt werden. Beispielsweise können opto-elektrische Elemente verwendet werden. Die Materialbeschickung kann durch nicht mechanische Mittel unter Verwenden von magnetischen oder elektro-statischen Wirkungen gelenkt werden.
Bei einer bevorzugten Technik wird ein dreidimensionales Computermodell des herzustellenden Gegenstandes erzeugt, beispielsweise durch ein CAD System. In dem Modell definieren inkrementale Schichten individuelle Querschnitte einer herzustellenden Komponente. Das Computer erzeugte Modell wird von dem Computer verwendet, ein Multiachsen-Teil Positionierungssystem zu führen, wie beispielsweise ein Fünfachsen-System, und/oder ein Laserstrahl. Vorzugsweise ist das Teilpositionierungssystem größer als ein Dreiachsensystem. Beispielsweise können mit einem Fünfachsen- Positionierungssystem horizontale Teilmerkmale konstruiert werden durch Rotieren der Komponente, wodurch alle Merkmale entlang einer vertikalen Achse gebaut werden, den Schwerkraftwirkungen entgegenzuwirken. Die Komponente wird, eine inkrementale Schicht zu einer Zeit, wie durch das Computermodell definiert, hergestellt.
Die folgenden Beispiele sind dargestellt, die gegenwärtige Erfindung weiter zu erklären. Es sollte bemerkt werden, daß für die in der Spezifikation beschriebenen Leistungsdichten zwischen 30% und 35% der Werte bei Verwendung eines YAG Lasers und eines Nickelbasissubstrats absorbiert werden. Jedoch werden, wenn ein anderer Laser oder Substrat verwendet wird, die absorbierten Prozent wie auch die Leistungsdichte entsprechend variieren. Zusätzlich beziehen sich hier bezeichnete Leistungswerte auf Durchschnittsleistung.

Beispiel 1

Ein Einkristallarbeitsstück (Substrat) mit einer [100] Kristallorientierung und einer nominellen Zusammensetzung, bezogen auf Gewicht, von 5% Cr, 10% Co, 1,9% Mo, 5,9% W, 3% Re, 8,7% Ta, 5,65% Al, 0,1% Hf, Rest Ni wurde mit Alkohol gereinigt. Das Arbeitsstück wurde dann auf einer Plattform einer Laserablagerungsvorrichtung plaziert. Ein YAG gepulster Laser mit einer Pulsrate von 90 Sek 1 (90 Hertz), Leistungszeit von etwa 2 Millisekunden, Leistungsdichte von etwa 10&sup5; J/Sekcm² (10&sup5; Watts/cm²) und Leistung von 100 Watt (100 J/Sek) wurde an dem Zentrum der Arbeitsstückoberfläche fokussiert.
Ein Allen-Bradley 7320 NC Kontrollgerät wurde verwendet, den Laser zu kontrollieren. Wie in Fig. 5 gezeigt, emittierte der Laser Strahl 10, der auf Spiegel 12 fiel, der den Strahl 10 zu dem Arbeiststück ablenkte. Der von dem Laser emittierte Strahl 10 ging durch ein Linsensystem 14, angeordnet zwischen dem Spiegel 12 und dem Arbeitsstück. Als der Strahl 10 aus dem Linsensystem 14 heraustrat, kam er zu einem Fokuspunkt 16 bei etwa der Oberfläche des Arbeitsstücks.
Eine Flecken von Durchmessergröße von etwa 0,381 mm (0,015 Zoll) wurde an der Arbeitsstückoberfläche hergestellt. Ein geschmolzener Pool 8 wurde dann erzeugt. Der geschmolzene Pool 8 war etwa 0,508 mm (0,02 Zoll) an Durchmesser mit einer 0,203 mm (0,008 Zoll) Tiefe. Jeder Laserpuls erzeugte einen Pool 8, als der Strahl des Lasers sich über die Oberfläche des Arbeitsstücks bewegte.
Ein Modell 1260 Roto-Feed Control von Miller-Thermal, Inc., Appleton, Wisconsin wurde verwendet, Pulverfließgeschwindigkeit zu kontrollieren. Scheibenrotation variierte zwischen etwa 1 Upm und etwa 1,5 Upm, eine Pulverfließgeschwindigkeit von etwa 15 g/Min erzeugend. Die Pulvergröße war etwa 400 Mesh (0,037 mm) und hatte die gleiche Zusammensetzung wie das Arbeitsstück. Argongas bei etwa 138 kPa (20 psi) floß kontinuierlich in die Pulverbeschickungsvorrichtung 20 unter Beibehalten von Pulver unter Druck und Erleichtern von Pulverbeschickung. Argon wurde auch verwendet, eine Abschirmumgebung zur Verfügung zu stellen unter Vermeiden von Arbeitsstückkontamination.
Die Pulverbeschickung bewegte sich in Tandem mit dem Laser, so daß Pulver in dem (den) geschmolzenem(en) Pool(s) 8, erzeugt durch das Bewegen des Lasers, landete, wodurch eine abgelagerte Struktur gebildet wurde, die sich dann rasch verfestigte.
Eine abgelagerte Struktur von acht Reihen von Ablagerungen wurde erzeugt. Ein Raum von etwa 0,381 mm (0,015 Zoll) existierte zwischen dem Zentrum zu Zentrum Abstand zwischen den Reihen. Ein überzogener Bereich von etwa 6,35 mm (0,25 Zoll) mal 6,35 mm (0,25 Zoll) wurde erzeugt, er enthielt jedoch Risse.
Nach Bildung der acht Reihen wurde das Verfahren beendet. Das Pulseinstellen wurde zu 4 Millisekunden geändert; die Pulsrate verblieb bei 90 Sek&supmin;¹ (90 Hertz), die Laserdurchschnittsleistung wurde auf 200 J/Sek (200 Watts) erhöht, und der geschätzte Fleckendurchmesser wurde auf 6,35 mm (0,25 Zoll) an der Arbeitsstückoberfläche erhöht, indem das optische System geändert wurde. Diese Änderungen verringerten die Leistungsdichte auf etwa 640 J/Sek·cm² (640 Watt/cm²). Der Laser wurde bei dem verfestigten Bereich für etwa 60 Sekunden gelenkt. Der dem Laser exponierte Teil des verfestigten Bereichs schmolz und verfestigte sich dann langsam in einer nicht erzwungenen Weise nach Entfernung des Lasers, wodurch Rißbilden eliminiert wurde, und die darunterliegende Einkristallorientierung des Arbeitsstücks fortgesetzt wurde.
Die Folge von 8 Reihenbildung, gefolgt von Schmelzen mit einem Laser mit 6,35 mm (0,25 Zoll) Durchmesser Fleckengröße, wurde aufeinanderfolgend 30mal wiederholt, was zu der Fortführung der Einkristallorientierung des Arbeitsstückes durch die erzeugten Schichten führte.
Röntgenbeugungen wurden an verschiedenen Punkten auf dem Aufbau unter Bestimmen von kristallographischer Orientierung genommen. Fig. 7A, Fig. 7B und Fig. 7C sind Röntgenbeugungen, die die kristallographische Orientierung von Punkt 1 (genommen nahe Ende von Aufbau gegenüberliegend Substrat), Punkt 2 (genommen annähernd am Zentrum von Aufbau) und Punkt 3 (genommen in Substratregion) zeigen.
Der Unterschied in der Kristallographieorientierung der Punkte war geringer als etwa 5 Grad, wodurch die erfolgreiche Fortführung der Einkristallorientierung in der [100] Richtung durch den Aufbau gezeigt wurde. Diese Ausrichtung wird ferner durch die sichtbaren horizontalen Linien in Fig. 7A, Fig. 7B und Fig. 7C gezeigt, die eine ähnliche kristallographische Orientierung bedeuten.

Beispiel 2

Dieser Versuch verwendete die gleiche Ausrüstung, Pulverzusammensetzung und Substratzusammensetzung, wie in Beispiel 1 beschrieben. In diesem Versuch wurde Material 12,7 mm (0,5 Zoll) an Länge und 8 Reihen an Breite auf einem Substrat abgelagert. Wie in Beispiel 1 existierte ein Raum von etwa 0,381 mm (0,015 Zoll) zwischen dem Zentrum zu Zentrum Abstand zwischen den Reihen. Fig. 8 ist eine Draufsicht der abgelagerten Struktur bei 25 facher Normalvergrößerung, das Richtungswachstum zeigend, das durch die Ablagerung erhalten wurde. Als die abgelagerte Struktur gebildet war, bewegte sich ein YAG Laserstrahl von einem Ende der abgelagerten Struktur zu dem anderen.
Die Parameter des Versuchs waren wie folgt. In der Anfangsablagerungsphase betrug Durchschnittslaserleistung etwa 100 J/Sek (100 Watts), Pulsrate betrug 90 Sek 1 (90 Hertz), und Pulszeit war etwa 2 Millisekunden. Die Leistungsdichte war etwa 10 J/Sekcm² (10&sup5; Watts/cm²). Strahlfleckendurchmesser an der Substratoberfläche war etwa 0,381 mm (0,015 Zoll).
In der Wiederschmelzstufe blieb die Pulsrate bei 90 Sekt (90 Hertz); Pulszeit war etwa 4 Millisekunden, Durchschnittslaserleistung war etwa 200 J/Sek (200 Watt), und der annähernde Fleckendurchmesser wurde auf 6,35 mm (0,25 Zoll) an der Arbeitsstückoberfläche durch Ändern des optischen Systems erhöht. Diese Änderungen erniedrigten die Leistungsdichte auf etwa 600 J/Sek·cm² (600 Watts/cm²).
Dieser Versuch zeigte die Ausführbarkeit von Ablagern von ausgedehnten Längen von Einkristallmaterial. Fig. 9 zeigt Ausrichtung der Einkristallorientierung in der [100] Richtung.
Ein Vorteil der gegenwärtigen Erfindung ist die Fähigkeit, Materialspannungen quer zu der Wachstumsrichtung unter eine Menge zu vermindern, die Rißbilden erzeugt. Dieses wird durchgeführt durch die neue zweite Anwendung einer Wärmequelle bei einer niedrigeren Leistungsdichte, die die abgelagerten Schichten schmilzt, die sich dann gerichtet in einer nicht unter Spannung gesetzten Weise bei einer niedrigeren Rate wiederverfestigen. Eine nicht unter Spannung gesetzte Schmelze ist Heißziehen und anschließendem Spannungsrißbilden nicht zugänglich. Heißziehen ist Rißbilden, das in dem teilweise geschmolzenem Zustand stattfindet und wahrgenommen wird als eine Hauptgrenze bei der Herstellung von rißfreien Strukturen. Spannung, induziert von dem Verfahren nach Verfestigung, wird auch reduziert.
Die gegenwärtige Erfindung hat die Durchführbarkeit eines neuen behälterlosen Verfahrens zum Herstellen einer Einkristallgasturbinenmotorkomponente gezeigt. Dieses ist ein beträchtlicher technischer Fortschritt.
Die gegenwärtige Erfindung hat auch Anwendung in anderen verwandten Gebieten gefunden, wie der Erzeugung von messergekanteten Abdichtungen, die eine rißfreie Ablagerung erfordern, wie auch bei dem Verbinden von Metallgegenständen. Die gegenwärtige Erfindung ist auch geeignet auf dem Gebiet von rascher Prototyp Entwicklung.
Das einzigartige Verfahren der gegenwärtigen Erfindung von Schmelzen eines Füllstoffmaterials in ein metallisches Substrat unter Bedingungen, gewählt, Rißbilden zu eliminieren, ist leicht unterscheidbar von dem Ablagerungsverfahren, offenbart in US-A-4 323 756 von Brown et al., betitelt Method for Fabricating Articles by Sequential Layer Deposition.
In dem Brown Ablagerungsverfahren werden dünne Mehrfachschichten von Einsatzmaterial auf ein Substrat unter Verwenden eines kontinuierlichen Energiestrahls abgelagert. Diese dünnen Schichten werden aufeinanderfolgend mit dem oberen Ende aufeinander bei Beendigung jeder Umdrehung des Ablagerungsverfahrens abgelagert.
Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen Leistungsdichte und Zeit für das in dem Brown Patent offenbarte Ablagerungsverfahren im Vergleich zu dem Verfahren der gegenwärtigen Erfindung. Die dünne diagonale Bande in Fig. 10 stellt die geeigneten Betriebsbedingungen für die in dem Brown Patent offenbarte Erfindung dar.
Die geeigneten Betriebsbedingungen für die gegenwärtige Erfindung sind jedoch verschieden, wie in Fig. 10 angegeben, wo die annähernden Parameter für die Einstufenausführungsform wie auch die annähernden Parameter für die Ausführungsform, die eine anschließende Wiederschmelzstufe einschließt, unter den für das Brown Verfahren beschriebenen geeigneten Betriebsbedingungen sind.
Um die gegenwärtige Erfindung weiter von dem in Brown offenbarten Verfahren zu unterscheiden, ist ein Säulenvergleich in Fig. 11 und Fig. 12 dargestellt. In Beispiel 2 des Brown Patents sind dünne Mehrfachschichten von Einsatzmaterial aufeinanderfolgend mit dem oberen Ende aufeinander nach Beendigung jeder Umdrehung abgelagert. Eine kontinuierliche Energiequelle wird verwendet. Wenn wir uns jetzt Fig. 11 zuwenden, stellt jede vertikale Linie eine kontinuierliche Umdrehung von abgelagertem Material dar. Die Spindel rotierte bei 22 Upm, und ein Endling von 2,54 cm (1 Zoll) an Höhe wurde in 10 Minuten, 0,11 mm (0,00454 Zoll) Höhe/Umdrehung) hergestellt. Als diese Ablagerung auftrat, blieb die Leistungsdichte annähernd konstant.
Jedoch wird in einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung und wie in Beispiel 1 beschrieben eine Ablagerung durch Lenken einer Energiequelle unter Erzeugen eines geschmolzenen Pools und Ablagern von Material in den geschmolzenen Pool erzeugt. Verschiedene Ablagerungen können in der zuvor genannten Weise gebildet werden. Es kann etwa 1-2 Millisekunden dauern, bis jede Ablagerung sich bildet. Nach Entfernung der Energiequelle tritt Verfestigung auf. Der erste Satz von vertikalen Balken in Fig. 12 zeigt diese Ablagerung.
Die Ablagerung(en) wird (werden) dann Niedrigleistungsdichte (etwa 600 J/Sek·cm²) für eine längere Zeit (annähernd 60 Sekunden) ausgesetzt. Dieses ausgedehnte Aussetzen ist auch in Fig. 12 gezeigt. Nach Entfernung der Energiequelle tritt Verfestigung bei einer viel langsameren Geschwindigkeit als zuvor auf.
Es ist bekannt, daß Kühlgeschwindigkeit (ºC/s) bestimmt wird durch das Produkt von Wärmegradient und Wachstumsrate. Obwohl genaue Werte schwierig zu messen sind, ist Reduzieren der Kühlgeschwindigkeit von einem Rißreduktionsstandpunkt aus wünschenswert. Die gegenwärtige Erfindung erzielt dieses wichtige Ergebnis von Reduktion an Kühlgeschwindigkeit und Wärmegradient, welches wiederum die Verfestigungsrate reduziert. Dieses reduziert die während Verfestigung induzierten Spannungen. Durch Reduzieren der Schrumpfungsspannungen von Verfestigung auf diese Weise wird die Neigung zu Rißbildung wesentlich eliminiert.
Ein anderer Nutzen der gegenwärtigen Erfindung ist die Fähigkeit, in einer Richtung verlaufende Verfestigung zu erzielen. Durch Reduzieren des Wärmegradienten wird die Wachstumsrichtung durch die Kristallographieorientierung des Substrats kontrolliert.
Zusätzlich sind die gemäß der Erfindung erzeugten Mikrostrukturen etwa eine Größenordnung feiner als diejenigen, die in herkömmlichen Gießlingen gefunden werden. Superlegierungen auf Nickelbasis in Gießform haben im allgemeinen eine Dendritenmikrostruktur. Dendrite sind mikroskopische baumähnliche Merkmale, die sich während Verfestigung bilden und eine leicht unterschiedliche Zusammensetzung als die Zusammensetzung der Struktur zwischen den Dendriten haben.
Dendritenabstand hat einige Wirkung auf mechanische Eigenschaften und auf die zum Erzielen bestimmter Eigenschaften benötigte Hitzebehandlung. Für eine gegebene Zusammensetzung ist Dendritenabstand eine Funktion von Verfestigungsrate, und Dendritenabstand wird verwendet, Kühlgeschwindigkeiten zu schätzen.
Bei der gegenwärtigen Erfindung sind, obwohl Schritte vorgenommen werden, die Kühlgeschwindigkeiten des geschmolzenen Materials von demjenigen zu reduzieren, welches in Laserverfahren des Standes der Technik auftritt, die Kühlgeschwindigkeiten noch wesentlich größer als diejenigen, denen sich das Superlegierungsmaterial während normalem Gießen aussetzt. Für herkömmlich gegossene Superlegierungen wird primärer Dendritenabstand von 200 um (Mikrometer) bis 600 um (Mikrometer) reichen. Für durch die gegenwärtige Erfindung abgelagertes Material kann Dendritenabstand von 20 um (Mikrometer) bis 180 um (Mikrometer) reichen.
Obwohl die Erfindung im Hinblick auf detaillierte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben worden ist, sollte es von den Fachleuten verstanden werden, daß verschiedene Änderungen in Form und Detail gemacht werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie in den angefügten Ansprüchen definiert, abzuweichen.

Claims

1. Behälterloses Verfahren zum Herstellen eines Einkristallmetallgegenstandes, umfassend Schmelzen eines Füllstoffmaterials (18) in ein Einkristallmetallsubstrat (6) mit einer Einkristallstruktur, gekennzeichnet durch Verwenden einer Niedrigleistungsdichteenergiequelle zwischen 10 J/Sek·cm² (10 Watts/cm²) und 104 J/Sek·cm² (10 Watts/cm²) bei einem Durchmesser größer als (0,254 cm) 0,1 Zoll für eine Zeitlänge größer als 0,1 Sekunden unter Herstellen eines geschmolzenen Pools (8) mit einer geringen Verhältniszahl, wobei die Einkristallstruktur des Substrats (6) durch den Gegenstand unter Herstellen eines rißfreien Gegenstandes fortgeführt wird.

2. Behälterloses Verfahren zum Herstellen eines rißfreien Metallgegenstandes, umfassend die Stufen von:

(a) Schmelzen eines Teils eines Substrats (6) mit einer Energiequelle, wodurch ein geschmolzenes Teil (8) erzeugt wird,

(b) Ablagern von Füllstoffmaterial (18) in dem geschmolzenen Teil (8) und Ermöglichen, daß das geschmolzene Teil sich verfestigt unter Bilden einer verfestigten Ablagerung, und gekennzeichnet durch

(c) erneutes Schmelzen der verfestigten Ablagerung und eines Teils von benachbartem Gegenstand unter Bedingungen einer Niedrigleistungsdichte und einer längeren Aussetzungszeit als diejenige für die Energiequelle in Stufe (a) unter Herstellen eines geschmolzenen Pools (8) mit einer geringen Verhältniszahl, wonach langsame Verfestigung ohne Rißbilden unter Herstellen eines rißfreien Metallgegenstandes auftritt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend die Stufe von:

(d) Wiederholen von Stufen (a)-(c) unter Herstellen eines rißfreien Gegenstandes von gewünschter Geometrie, wobei jede Ablagerung in das Füllstoffmaterial (18) unter jeder Ablagerung schmilzt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Vielheit von Ablagerungen vor Stufe (c) gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei Stufen (a) und (b) auftreten, so daß Wärmeeingabe und Materiallieferung gleichzeitig auf das Substrat vor erneutem Schmelzen angewendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei Stufe (c) mit einer Energiequelle durchgeführt wird, die einen größeren Gegenstandsoberflächenbereich, als in Stufe (a) bedeckt, abdeckt.

7. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Energiequelle in Stufe (d) einen Fleckendurchmesser an der Substratoberfläche mindestens 5mal größer als der Fleckendurchmesser der Energiequelle in Stufe (a) hat.

8. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Substrat vorerhitzt wird.

9. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend die Stufe, eine Röntgenbeugung des Substrats zu nehmen unter Bestimmen der < 100> kristallographischen Orientierung und Anordnen des Substrats so, daß eine [100] kristallographische Richtung vertikal orientiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-7, wobei der metallische Gegenstand eine Veränderung in kristallographischer Orientierung von weniger als etwa 5 Grad hat.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, wobei das Füllstoffmaterial (18) im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie das Substrat ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, wobei das Füllstoffmaterial mit einem oder mehreren Elementen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al, Ti, Ta, Nb (Cb), Mo, W, Cr, Y, La oder Ce, angereichert wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, wobei das Füllstoffmaterial (18) mit Cr angereichert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, wobei das Füllstoffmaterial (18) eine verringerte Menge eines oder mehrerer Elemente, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al, Ti, Ta, Nb (Cb), Mo oder W, im Vergleich zu der Zusammensetzung des Gegenstandes enthält.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, wobei der Gegenstand ein Superlegierungsgegenstand auf Nickelbasis oder Cobaltbasis ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, ferner umfassend Erzeugen eines dreidimensionalen Computermodells des herzustellenden Gegenstandes, so daß inkrementale Schichten individuelle herzustellende Querschnitte definieren, wobei das Modell von dem Computer verwendet wird, ein Multiachsenteil- Positionsierungssystem zu führen, so wie ein Fünfachsensystem, und die Energiequelle für Herstellung von horizontalen Merkmalen entlang einer vertikalen Achse.

17. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Energiequelle ein Laser ist.

18. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Gegenstand einen Dendritenabstand zwischen 20 um (Mikrometer) und 180 um (Mikrometer) hat.

19. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Niedrigleistungsdichte von Stufe (c) zwischen 10 J/Sek·cm² (10 Watts/cm²) und 10&sup4; J/Sek·cm² (10&sup4; Watts/cm²) liegt.