RU2510994C2 - Способ сварки заготовок из высокожаропрочных суперсплавов с особой массовой скоростью подачи сварочного присадочного материала - Google Patents

Способ сварки заготовок из высокожаропрочных суперсплавов с особой массовой скоростью подачи сварочного присадочного материала Download PDF

Info

Publication number
RU2510994C2
RU2510994C2 RU2012124077/02A RU2012124077A RU2510994C2 RU 2510994 C2 RU2510994 C2 RU 2510994C2 RU 2012124077/02 A RU2012124077/02 A RU 2012124077/02A RU 2012124077 A RU2012124077 A RU 2012124077A RU 2510994 C2 RU2510994 C2 RU 2510994C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
welding
supply zone
laser
layer
filler material
Prior art date
Application number
RU2012124077/02A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2012124077A (ru
Inventor
Бернд БУРБАУМ
Андрес ГАССЕР
Торстен ЯМБОР
Штефани ЛИННЕНБРИНК
Норберт ПИРХ
Николай АРЖАКИН
Георг БОСТАНЙОГЛО
Торстен МЕЛЬЦЕР-ЙОКИШ
Селим МОКАДЕМ
Михаэль ОТТ
Рольф ВИЛЬКЕНХЕНЕР
Original Assignee
Сименс Акциенгезелльшафт
Фраунхофер Гезелльшафт Цур Фердерунг Дер Ангевандтен Форшунг Е.Ф.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сименс Акциенгезелльшафт, Фраунхофер Гезелльшафт Цур Фердерунг Дер Ангевандтен Форшунг Е.Ф. filed Critical Сименс Акциенгезелльшафт
Publication of RU2012124077A publication Critical patent/RU2012124077A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2510994C2 publication Critical patent/RU2510994C2/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/16—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed
    • B05B7/22—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc
    • B05B7/228—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc using electromagnetic radiation, e.g. laser
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/32—Bonding taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/001—Interlayers, transition pieces for metallurgical bonding of workpieces
    • B23K35/007—Interlayers, transition pieces for metallurgical bonding of workpieces at least one of the workpieces being of copper or another noble metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P6/00—Restoring or reconditioning objects
    • B23P6/002—Repairing turbine components, e.g. moving or stationary blades, rotors
    • B23P6/007—Repairing turbine components, e.g. moving or stationary blades, rotors using only additive methods, e.g. build-up welding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/50—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for welded joints
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/001—Turbines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/18—Dissimilar materials
    • B23K2103/26—Alloys of Nickel and Cobalt and Chromium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2230/00—Manufacture
    • F05B2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05B2230/23—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
    • F05B2230/232—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2230/00—Manufacture
    • F05B2230/30—Manufacture with deposition of material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2230/00—Manufacture
    • F05B2230/80—Repairing, retrofitting or upgrading methods

Abstract

Изобретение относится к способу лазерной сварки заготовок (9) из высокожаропрочных суперсплавов. Создают с помощью лазерного источника (3) тепла зоны (11) подвода тепла на поверхности (10) заготовки. Подают с помощью устройства (5) сварочный присадочный материал (13) в зону (11) подвода тепла и осуществляют с помощью транспортировочного устройства (15) относительное перемещение между источником (3) тепла и устройством (5) подачи с одной стороны а также поверхностью (10) заготовки с другой стороны. Подачу сварочного присадочного материала осуществляют с массовой скоростью ≤350 мг/мин. Устанавливают, по меньшей мере, один из следующих параметров лазерной сварки: мощность лазера от 100 Вт до 300 Вт, диаметр лазерного луча от 500 мкм до 800 мкм, скорость сварки, по меньшей мере, 250 мм/мин. 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Настоящее изобретение касается способа сварки заготовок, в частности заготовок деталей газовых турбин, например лопаток газовых турбин.
Рабочие лопатки газовых турбин при эксплуатации подвергаются действию высоких температур и сильных механических нагрузок. Поэтому для такого рода конструктивных элементов предпочтительно применяются суперсплавы на основе никеля, которые могут упрочняться путем выделения γ'-фазы. Все же со временем в рабочих лопатках возникают трещины, которые со временем еще более расширяются. Такие трещины могут, например, возникать из-за экстремальной механической нагрузки при эксплуатации газовой турбины, но они могут также возникать уже во время процесса изготовления. Так как изготовление лопаток турбины и других заготовок из такого рода суперсплавов является трудоемким и затратным, стремятся к тому, чтобы при изготовлении производить как можно меньше брака и обеспечивать долгий срок службы изготовленных продуктов.
Находящиеся в эксплуатации лопатки газовой турбины подвергаются регулярному техобслуживанию и при необходимости замене, когда вследствие обусловленной эксплуатацией нагрузки больше невозможно обеспечить безупречное функционирование в полной мере. Для обеспечения возможности дальнейшего применения замененных лопаток турбины они, насколько это возможно, подвергаются повторной обработке. Затем они могут снова применяться в газовой турбине. В рамках такого рода восстановления, например, в поврежденных областях может возникнуть необходимость наплавки для восстановления первоначальной толщины стенки.
Также лопатки турбины, в которых уже в процессе изготовления появились трещины, например, посредством наплавки могут быть сделаны пригодными к использованию, так что возможно сокращение брака при изготовлении.
Однако усиленные выделением γ'-фазы суперсплавы на основе никеля в настоящее время могут только с трудом свариваться посредством традиционных способов сварки со сходными по составу присадочными материалами. Причина этого заключается в том, что необходимо избегать микроликваций, то есть микроскопических перераспределений расплава. К тому же сам процесс сварки может приводить к образованию трещин в свариваемой области во время последующих процессов термообработки. Причина этого заключается во внутренних напряжениях, возникающих при сварке вследствие пластических деформаций во время подвода тепла при сварке.
Чтобы справиться с трудной свариваемостью закаленных выделением γ'-фазы суперсплавов на основе никеля, сварка часто осуществляется с пластичными сварочными присадочными материалами, например со сплавами на основе никеля без закалки выделением γ'-фазы. Характерным представителем такого сплава на основе никеля без закалки выделением γ'-фазы является, например, IN625. Пластичность присадочных материалов без закалки выделением γ'-фазы позволяет снизить возникающие при сварке внутренние напряжения путем пластических деформаций во время первой термообработки после сварки. Впрочем, незакаленные сплавы по сравнению с закаленными выделением γ'-фазы суперсплавами на основе никеля обладают более низкой высокожаропрочностью (как низкой прочностью на растяжение, так и низкой усталостной прочностью). Поэтому предпочтительно применяются способы сварки без пластичных присадочных материалов. Эти способы могут быть разделены на два класса, а именно: способы, в которых происходит перестаривание основного материала с целью повышения пластичности посредством укрупнения γ'-фазы, и способы, в которых осуществляется процесс сварки при предварительно нагретом субстрате. Осуществление процесса сварки на предварительно нагретом субстрате сокращает возникающие при сварке внутренние напряжения за счет релаксации во время процесса сварки.
Процесс сварки с предварительным перестариванием описан, например, в US 6120624, процесс сварки, который осуществляется на предварительно нагретой заготовке, описан, например, в US 5319179.
Оба указанных способа сварки без пластичных сварочных присадочных материалов, однако, также обладают недостатками. Так, например, при выполняемом перед процессом сварки перестаривании перед сваркой осуществляется соответствующая термообработка закаленного выделением γ'-фазы суперсплава на основе никеля, чтобы осуществить перестаривание γ'-фазы. При этом пластичность основного материала значительно повышается. Это повышение пластичности позволяет сваривать материал при температуре помещения. К тому же он может подвергаться холодной правке. Кроме того, такого рода термообработка обеспечивает возможность применения суперсплавов на основе никеля, таких как, например, Rene41 или Haynes282, в качестве сварочного присадочного материала. Эти сплавы, хотя и образуют γ'-фазы в структуре, однако только со значительно меньшей объемной долей, чем характерные содержащие γ'-фазу суперсплавы на основе никеля, которые сегодня применяются для контактирующих с горячим газом компонентов газовых турбин, таких как, например, лопатки газовых турбин (например, IN738LC, IN939, Rene80, IN6203DS, PWA1483SX, Alloy 247 и т.п.). Поэтому даже тогда, когда перед процессом сварки осуществлено перестаривание, полная структурная сварка не происходит.
Когда осуществляется предварительный нагрев лопаток турбины, разность температур и возникающий вместе с ней градиент напряжения между местом сварки и остальной частью лопатки турбины сокращается, благодаря чему образование возникающих при сварке трещин в конструктивных элементах из суперсплавов на основе никеля может быть предотвращено. Такие способы, в которых осуществляется предварительный нагрев лопатки турбины до температур от 900°C до 1000°C посредством катушек индуктивности, должны, однако, осуществляться в среде защитного газа, что усложняет и удорожает процесс сварки. К тому же, этот способ вследствие плохой доступности заготовки, находящейся в камере с защитным газом, может осуществляться не во всех областях этой заготовки.
Поэтому существует потребность в альтернативном способе сварки наплавкой, который, в частности, подходит для закаленных выделением γ'-фазы суперсплавов на основе никеля и не обладает вышеназванными недостатками или обладает ими только в ограниченной степени.
Эта задача решается с помощью способа сварки наплавкой по п.1 формулы изобретения.
Зависимые пункты формулы изобретения содержат предпочтительные варианты осуществления изобретения и могут предпочтительным образом произвольно комбинироваться друг с другом.
В предлагаемом изобретением способе сварки заготовок из высокожаропрочных суперсплавов происходит нанесение сварочного присадочного материала на поверхность заготовки посредством зоны подвода тепла и зоны подачи, служащей для подачи сварочного присадочного материала в зону подвода тепла. Зона подвода тепла и зона подачи во время сварки перемещаются по поверхности заготовки. Это перемещение может осуществляться в направлении сварки, например, по линейной траектории направления сварки или по траектории, осциллирующей вокруг направления сварки.
Предлагаемая изобретением массовая скорость подачи составляет ≤350 мг/мин. В одном из усовершенствованных вариантов способа параметры сварки выбраны так, что скорость охлаждения при кристаллизации материала составляет, по меньшей мере, 8000 К/с.
Основными имеющимися в распоряжении параметрами для задания скорости охлаждения, равной, по меньшей мере, 8000 К/с, при кристаллизации материала являются параметры способа, касающиеся производительности сварки и диаметра зоны подвода тепла, например, представляющие собой мощность лазера и диаметр лазерного луча, подача (скорость процесса) и при необходимости ток на подаваемом сварочном присадочном материале. В зависимости от типа применяемого источника лазера путем надлежащего согласования этих параметров возможно задание необходимой скорости охлаждения предназначенного для сварки материала. Скорость процесса может при этом составлять, по меньшей мере, 250 мм/мин, в частности более 500 мм/мин. Например, при скорости процесса, равной более 500 мм/мин, параметры способа, касающиеся подаваемой мощности и диаметра зоны подвода тепла, могут задаваться так, чтобы скорость охлаждения при кристаллизации материала составляла, по меньшей мере, 8000 К/с.
За счет высокой скорости охлаждения и высокой скорости кристаллизации коэффициент распределения повышается настолько, что микроликвации, т.е. микроскопические перераспределения расплава, в значительной степени предотвращаются. В наплавленном материале происходит дендритная, то есть с древовидной структурой, кристаллизация расплава, при этом направления роста дендритов вдоль наплавочного валика варьируются, так как ориентация возможных направлений роста дендритов варьируется относительно температурного градиента на фронте кристаллизации. Преобладает направление роста с наименьшей направленностью к температурному градиенту или, соответственно, с наименьшей скоростью роста. Кроме того, перед фронтом кристаллизации образуются центры кристаллизации, которые во время кристаллизации захватываются фронтом кристаллизации. Эти центры кристаллизации инициируют статистически распределенные направления роста дендритов.
Предлагаемый изобретением способ подходит, например, для сварки заготовок из содержащих γ'-фазу суперсплавов на основе никеля посредством сварочного присадочного материала, который представляет собой образующий γ'-фазу материал суперсплава на основе никеля. Тогда в наплавленном материале, благодаря применению сходного по составу присадочного материала, возможно достижение высокой прочности и приемлемого качества сварки, т.е. очень малого количества трещин и очень малой средней длины трещины. Благодаря возможности выполнения процесса сварки при температуре помещения в атмосфере защитного газа, локально находящейся у сварочной ванны, предлагаемый изобретением способ сварки обеспечивает высокую рентабельность.
Способ может, в частности, представлять собой способ сварки наплавкой, в котором нанесение сварочного присадочного материала происходит послойно. При этом направления сварки следующих друг за другом слоев могут быть повернуты относительно друг друга, в частности, на 90°. Благодаря повороту направления сварки различных слоев можно избежать дефектов соединения между слоями, в частности тогда, когда зона подачи тела и зона подачи движутся, к тому же, в направлении сварки по осциллирующей вокруг направления сварки траектории по поверхности заготовки.
Неравномерно распределенная ориентация дендритов находится главным образом в верхней половине наплавочного валика. Поэтому предпочтительно в предлагаемом изобретением способе ранее нанесенный слой снова расплавляется менее чем на половину своей толщины. При этом при кристаллизации перенимается структура кристаллизации повторно расплавленных областей. Благодаря небольшой глубине повторного расплавления обеспечивается наложение фронта кристаллизации на область с неравномерно распределенной ориентацией дендритов. В результате при многослойной сварке это приводит к тому, что образуется поликристалл с зернами, диаметры которых в среднем очень малы. Границы зерен в общем случае представляют собой слабое место в отношении образования трещин при переходных напряжениях во время процесса сварки или последующей термообработки. При небольшом расширении границы зерна в плоскости и его неравномерной ориентации в наплавленном посредством предлагаемого изобретением способа материале наплавленный материал становится нечувствительным к образованию трещин, так что процесс сварки может выполняться при температуре помещения.
Предлагаемый изобретением способ может применяться как при поликристаллических, так и при направленно кристаллизирующихся или монокристаллических субстратах. Во всех названных случаях возможно использование в качестве сварочного присадочного материала содержащих γ'-фазу суперсплавов на основе никеля.
В рамках предлагаемого изобретением способа сварки после нанесения сварочного присадочного материала может осуществляться термообработка. С помощью выбранной в соответствии с наплавленным материалом термообработки может задаваться желаемая морфология γ'-фазы. Это служит для еще большего улучшения прочности наплавленного материала.
Предлагаемое изобретением сварочное устройство, служащее для сварки высокожаропрочных суперсплавов, которое предназначено для осуществления предлагаемого изобретением способа, включает в себя источник тепла, служащий для создания зоны подвода тепла на поверхности заготовки, устройство подачи, служащее для подачи сварочных присадочных материалов, источник тепла и транспортировочное устройство, служащее для осуществления относительного перемещения между зоной подвода тепла и устройством подачи с одной стороны а также поверхностью заготовки с другой стороны. Транспортировочное устройство предпочтительно соединено с источником тепла и устройством подачи сварочного присадочного материала, чтобы для осуществления относительного перемещения передвигать источник тепла и устройство подачи. Это, как правило, менее трудоемко, чем перемещение заготовки. В качестве источника тепла в предлагаемом изобретением сварочном устройстве может, в частности, применяться лазер. Предлагаемое изобретением сварочное устройство включает в себя к тому же блок управления с программой управления, которая задает параметры сварки так, чтобы скорость охлаждения при кристаллизации материала составляла, по меньшей мере, 8000 К/с. В частности, блок управления может задавать параметры сварки, касающиеся подаваемой мощности, а также диаметра зоны подвода тепла так, чтобы скорость охлаждения при кристаллизации материала составляла, по меньшей мере, 8000 К/с. При этом сварка может выполняться со скоростью процесса, составляющей, по меньшей мере, 250 мм в минуту, в частности со скоростью процесса, составляющей более 500 мм в минуту.
Управление относительным перемещением может, в частности, происходить так, чтобы зона подвода тепла и зона подачи передвигались в направлении сварки по осциллирующей вокруг направления сварки траектории по поверхности заготовки. Кроме того, блок управления может выполнять управление относительным перемещением с осцилляцией или без так, чтобы направления сварки следующих друг за другом слоев были повернуты друг относительно друга, например, на 90°.
Другие признаки, свойства и преимущества настоящего изобретения содержатся в последующем описании примеров осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 в качестве примера показана газовая турбина в частичном продольном сечении.
На фиг.2 показана лопатка турбины на виде в перспективе.
На фиг.3 показана топочная камера газовой турбины в частично рассеченном изображении в перспективе.
На фиг.4 показано в схематичном изображении предлагаемое изобретением сварочное устройство.
На фиг.5 показана траектория сварки для первого слоя сварочного присадочного материала.
На фиг.6 показана траектория сварки для второго слоя сварочного присадочного материала.
На фиг.1 показана в качестве примера газовая турбина 100 в частичном продольном сечении.
У газовой турбины 100 внутри имеется установленный с возможностью вращения вокруг оси 102 вращения ротор 103 с валом 101, который также называется вращающейся частью турбины.
Вдоль ротора 103 последовательно расположены всасывающий корпус 104, компрессор 105, имеющая, например, форму тора топочная камера 110, в частности кольцевая топочная камера, снабженная несколькими расположенными коаксиально горелками 107, турбина 108 и корпус 109 газовыпускной системы.
Кольцевая топочная камера 110 сообщается, например, с кольцеобразным каналом 111 горячих газов. Там, например, четыре последовательно включенные ступени 112 турбины образуют турбину 108.
Каждая ступень 112 турбины образована, например, из двух колец лопаток. Если смотреть в направлении течения рабочей среды 113, в канале 111 горячих газов, за рядом 115 направляющих лопаток следует образованный из рабочих лопаток 120 ряд 125.
Направляющие лопатки 130 при этом закреплены на внутреннем корпусе 138 статора 143, в отличие от чего рабочие лопатки 120 ряда 125 установлены, например, посредством диска 133 турбины на роторе 103.
С ротором 103 соединен генератор или рабочая машина (не изображена).
Во время эксплуатации газовой турбины 100 воздух 135 всасывается компрессором 105 через всасывающий корпус 104 и сжимается. Получаемый на обращенном к турбине конце компрессора 105 сжатый воздух направляется к горелкам 107 и там смешивается с горючим средством. Эта смесь затем сжигается в топочной камере 110 с образованием рабочей среды 113. Оттуда рабочая среда 113 течет по каналу 111 горячих газов по направляющим лопаткам 130 и рабочим лопаткам 120. На рабочих лопатках 120 рабочая среда 113 расширяется с передачей импульса, так что рабочие лопатки 120 приводят в движение ротор 103, а ротор - соединенную с ним рабочую машину.
Находящиеся под воздействием горячей рабочей среды 113 конструктивные элементы во время эксплуатации газовой турбины 100 подвергаются воздействию термических нагрузок. Направляющие лопатки 130 и рабочие лопатки 120 первой, если смотреть в направлении течения рабочей среды 113, ступени 112 турбины, наряду с футеровочными элементами теплозащитного экрана кольцевой топочной камеры 110, подвергаются термическим нагрузкам в наибольшей степени.
Чтобы выдерживать возникающие там температуры, они могут охлаждаться с помощью охлаждающего средства.
Субстраты конструктивных элементов могут также иметь направленную структуру, т.е. они являются монокристаллическими (SX-структура) или содержат только продольно направленные зерна (DS-структура).
В качестве материала для конструктивных элементов, в частности для лопаток 120, 130 турбины и конструктивных элементов топочной камеры 110, применяются, например, суперсплавы на основе железа, никеля или кобальта.
Такие суперсплавы известны, например, из документов EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 или WO 00/44949.
Лопатки 120, 130 могут быть также снабжены покрытиями от коррозии, например (MCrAlX; M представляет собой, по меньшей мере, один элемент из группы железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni), X является активным элементом и обозначает иттрий (Y), и/или кремний, скандий (Sc), и/или, по меньшей мере, один элемент из редких земель, или, соответственно, гафний). Такие сплавы известны из документов EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 или EP 0 306 454 A1.
На MCrAlX может также находиться теплоизоляционный слой, который предпочтительно является крайним наружным слоем и состоит, например, из ZrO2, Y2O3-ZrO2, т.е. он не стабилизирован, частично или полностью, окисью иттрия и/или окисью кальция и/или окисью магния.
С помощью надлежащих способов нанесения покрытия, таких как, например, электронно-лучевое нанесение покрытий методом осаждения из паровой фазы (EB-PVD), получаются зерна стебельчатой формы в теплоизоляционном слое.
У направляющей лопатки 130 имеется обращенная к внутреннему корпусу 138 турбины 108 ножка направляющей лопатки (здесь не изображена) и находящаяся напротив ножки направляющей лопатки головка направляющей лопатки. Головка направляющей лопатки обращена к ротору 103 и установлена на крепежном кольце 140 статора 143.
На фиг.2 показан вид в перспективе рабочей лопатки 120 или направляющей лопатки 130 гидравлической машины, которая распространяется по продольной оси 121.
Гидравлическая машина может представлять собой газовую турбину самолета или электростанции, предназначенной для выработки электроэнергии, паровую турбину или компрессор.
У лопатки 120, 130 по продольной оси 121 имеется, последовательно, область 400 крепления, примыкающая к ней платформа 403 лопатки, а также рабочая часть 406 лопатки и вершина 415 лопатки.
Если лопатка 130 представляет собой направляющую лопатку 130, она может быть снабжена на своей вершине 415 лопатки другой платформой (не изображена).
В области 400 крепления выполнена ножка 183 лопатки, которая служит для крепления рабочих лопаток 120, 130 к валу или диску (не изображено).
Ножка 183 лопатки выполнена, например, в T-образной форме. Возможны другие варианты осуществления в виде елки или ласточкина хвоста.
У лопатки 120, 130 имеется кромка 409 набегания и кромка 412 сбегания для среды, которая протекает по рабочей части 406 лопатки.
У традиционных лопаток 120, 130 во всех областях 400, 403, 406 лопаток 120, 130 применяются, например, цельные металлические материалы, в частности суперсплавы.
Такие суперсплавы известны, например, из документов EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 или WO 00/44949.
При этом лопатка 120, 130 может быть изготовлена методом литья, в частности посредством направленной кристаллизации, методом ковки, методом фрезерования или их комбинаций.
Заготовки с монокристаллической структурой или структурами применяются в качестве конструктивных элементов машин, которые при эксплуатации подвержены высоким механическим, термическим и/или химическим нагрузкам.
Изготовление такого рода монокристаллических заготовок осуществляется, например, посредством направленной кристаллизации из расплава. При этом речь идет о способах литья, при которых жидкий металлический сплав кристаллизуется с получением монокристаллической структуры, т.е. монокристаллической заготовки, или направленно.
При этом дендритные кристаллы ориентируются вдоль теплового потока и образуют либо стебельчатую кристаллическую зернистую структуру (колоннообразно, т.е. зерна, которые проходят по всей длине заготовки и здесь, выражаясь общепринятым языком, называются направленно кристаллизованными) или монокристаллическую структуру, т.е. вся заготовка состоит из одного единственного кристалла. В этом способе необходимо избегать перехода к глобулярной (поликристаллической) кристаллизации, так как при ненаправленном росте обязательно образуются поперечные и продольные границы зерен, которые сводят на нет хорошие свойства направленно кристаллизованного или монокристаллического конструктивного элемента.
Если речь идет о направленно кристаллизованных структурах в общем, то под ними подразумеваются как монокристаллы, которые не имеют границ зерен или, в крайнем случае, имеют границы зерен с малыми углами, так и стебельчатые кристаллические структуры, у которых может быть имеются проходящие в продольном направлении границы зерен, но нет поперечных границ зерен. В случае этих названных во вторую очередь кристаллических структур также говорят о направленно кристаллизованных структурах (directionally solidified structures).
Такие способы известны из документов US-PS 6024792 и EP 0 892 090 A1.
Лопатки 120, 130 могут быть также снабжены покрытиями от коррозии или окисления, например (MCrAlX; M представляет собой, по меньшей мере, один элемент из группы железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni), X является активным элементом и обозначает иттрий (Y) или кремний и/или, по меньшей мере, один элемент из редких земель или, соответственно, гафний (Hf)). Такие сплавы известны из документов EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 или EP 0 306 454 A1.
Плотность предпочтительно составляет около 95% теоретической плотности.
Из слоя MCrAlX (как промежуточного слоя или крайнего наружного слоя) образуется защитный слой окиси алюминия (TGO = thermal grown oxide layer).
Предпочтительно состав слоя представляет собой Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si или Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y. Наряду с этими защитными покрытиями на основе кобальта применяются также предпочтительно защитные покрытия на основе никеля, такие как Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re или Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re, или Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1,5Re.
На MCrAlX может также находиться теплоизоляционный слой, который предпочтительно является крайним наружным слоем и состоит, например, из ZrO2, Y2O3-ZrO2, т.е. он не стабилизирован, частично или полностью, окисью иттрия и/или окисью кальция и/или окисью магния.
Теплоизоляционный слой покрывает весь слой MCrAlX. С помощью надлежащих способов нанесения покрытия, таких как, например, электронно-лучевое нанесение покрытий методом осаждения из паровой фазы (EB-PVD), получаются зерна стебельчатой формы в теплоизоляционном слое.
Возможны другие способы нанесения покрытий, например, атмосферное плазменное напыление (APS), LPPS, VPS или CVD. Для улучшения стойкости к тепловому удару теплоизоляционный слой может содержать пористые, имеющие микро- или макротрещины зерна. То есть теплоизоляционный слой предпочтительно является более пористым, чем слой MCrAlX.
Восстановление (Refurbishment) означает, что конструктивные элементы 120, 130 после их применения при необходимости должны быть освобождены от защитных слоев (например, посредством пескоструйной обработки). После этого осуществляется удаление коррозионных и/или оксидных слоев или, соответственно, продуктов. При необходимости осуществляется также ремонт трещин в конструктивном элементе 120, 130. После этого происходит повторное нанесение покрытия на конструктивный элемент 120, 130 и повторное применение конструктивного элемента 120, 130.
Лопатка 120, 130 может быть выполнена полой или цельной. При необходимости охлаждения лопаток 120, 130 она является полой и при необходимости снабжена отверстиями 418 для пленочного охлаждения (обозначены штриховой линией).
На фиг.3 показана топочная камера 110 газовой турбины. Топочная камера 110 выполнена, например, в виде так называемой кольцевой топочной камеры, у которой множество расположенных в окружном направлении вокруг оси 102 вращения горелок 107, которые создают пламя 156, впадают в одно общее пространство 154 топочной камеры. Для этого топочная камера 110 выполнена в совокупности в виде кольцеобразной структуры, которая расположена вокруг оси 102 вращения.
Для достижения сравнительно высокого коэффициента полезного действия топочная камера 110 рассчитана на сравнительно высокую температуру рабочей среды M, составляющую примерно от 1000°C до 1600°C. Чтобы даже при этих, неблагоприятных для материалов рабочих параметрах обеспечить возможность сравнительно долгого срока службы, стенка 153 топочной камеры на своей обращенной к рабочей среде M стороне снабжена внутренней футеровкой, образованной из элементов 155 теплозащитного экрана.
Каждый элемент 155 теплозащитного экрана, изготовленный из сплава, оснащен со стороны рабочей среды особенно жаропрочным защитным слоем (слой MCrAlX и/или керамическое покрытие) или изготовлен из высокожаропрочного материала (массивные керамические кирпичи).
Эти защитные слои могут быть аналогичны лопаткам турбины, то есть MCrAlX, например, означает: M представляет собой, по меньшей мере, один элемент из группы железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni), X является активным элементом и обозначает иттрий (Y), или кремний и/или, по меньшей мере, один элемент из редких земель, или, соответственно, гафний (Hf). Такие сплавы известны из документов EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 или EP 0 306 454 A1.
На MCrAlX может также находиться, например, керамический теплоизоляционный слой, состоящий, например, из ZrO2, Y2O3-ZrO2, т.е. он не стабилизирован, частично или полностью, окисью иттрия и/или окисью кальция и/или окисью магния.
С помощью надлежащих способов нанесения покрытия, таких как, например, электронно-лучевое нанесение покрытий методом осаждения из паровой фазы (EB-PVD), получаются зерна стебельчатой формы в теплоизоляционном слое.
Возможны другие способы нанесения покрытий, например, атмосферное плазменное напыление (APS), LPPS, VPS или CVD. Для улучшения стойкости к тепловому удару теплоизоляционный слой может содержать пористые, имеющие микро- или макротрещины зерна.
Восстановление (Refurbishment) означает, что элементы 155 теплозащитного экрана после их применения при необходимости должны быть освобождены от защитных слоев (например, посредством пескоструйной обработки). После этого осуществляется удаление коррозионных и/или оксидных слоев или, соответственно, продуктов. При необходимости осуществляется также ремонт трещин в элементе 155 теплозащитного экрана. После этого происходит повторное нанесение покрытия на элемент 155 теплозащитного экрана и повторное применение элементов 155 теплозащитного экрана.
В связи с высокими температурами внутри топочной камеры 110 для элементов 155 теплозащитного экрана или, соответственно, для элементов их крепления может быть предусмотрена система охлаждения. Элементы 155 теплозащитного экрана являются, например, полыми и при необходимости снабжены также впадающими в пространство 154 топочной камеры отверстиями для охлаждения (не изображены).
На фиг.4 в сильно схематизированном изображении показано сварочное устройство 1.
Это устройство включает в себя лазер 3 и устройство 5 подачи порошка, с помощью которого порошкообразный сварочный присадочный материал может наноситься на предназначенную для сварки область заготовки 9. Посредством лазерного излучения на поверхности заготовки создается зона 11 подвода тепла, в которую вводится порошок 13 с помощью устройства 5 подачи порошка. Лазер представляет собой предпочтительно лазер на 300 Вт, в частности лазер Nd-Yag (твердотельный лазер, у которого в качестве активной среды используется алюмо-иттриевый гранат «YAG», Y3Al5O12 с добавками неодима Nd), в совсем особом случае с λ=1,06 мкм. Мощность лазера составляет от 100 Вт до 300 Вт и предпочтительно от 100 Вт до 200 Вт, в совсем особом случае от 100 Вт до 150 Вт. Таким образом, сварочный присадочный материал предпочтительно хорошо расплавляется, а также частично расплавляется основание, чтобы получилось плотное место сварки.
Лазер 3 и устройство 5 для подачи порошка расположены на сканирующем устройстве 15, которое обеспечивает возможность перемещения лазера 3 и устройства 5 подачи порошка в двух направлениях по поверхности конструктивного элемента (направления x и y на фиг.4) с предназначенной для сварки областью 7. Скорость процесса составляет, по меньшей мере, 250 мм/мин, в частности 400-600 мм/мин, в совсем особом случае 500 мм/мин. Таким образом возможен предпочтительный подвод тепла в сварочный материал и субстрат.
Кроме того, сканирующее устройство 15 настоящего примера осуществления позволяет осуществлять перемещение лазера 3 и устройства 5 подачи порошка перпендикулярно поверхности конструктивного элемента (направление z на фиг.4). С помощью сканирующего устройства 15 зона подвода тепла и зона попадания порошка могут, таким образом, перемещаться по некоторой заданной траектории. В качестве сканирующего устройства может, например, применяться рука робота. Диаметр лазерного луча составляет, в частности, от 500 мкм до 700 мкм, в совсем особом случае 600 мкм. Таким образом, возможен нагрев подаваемого сварочного материала.
Управление перемещением, осуществляемым сканирующим устройством 15, происходит с помощью блока 17 управления, который также управляет другими параметрами сварочного процесса. Но в отличие от настоящего примера осуществления управление прочими параметрами сварочного процесса может также происходить с помощью дополнительного управления, то есть отдельно от управления процессом перемещения. Кроме того, в отличие от представленного примера осуществления, вместо сканирующего устройства 15, служащего для перемещения лазера 3 и устройства 5 подачи порошка, может также применяться подвижное крепление конструктивного элемента. В рамках изобретения значение имеет только относительное перемещение между лазером 3, а также устройством 5 подачи порошка с одной стороны и заготовкой 9.
Предлагаемый изобретением способ сварки наплавкой на поверхность заготовки может применяться для нанесения материала, в частности, для многослойного нанесения материала на предназначенную для сварки область 7 конструктивного элемента 9. При этом не требуется ни предварительный нагрев, ни перестаривание посредством термообработки конструктивного элемента 9.
Ниже способ описывается на примере наплавки на поверхность 10 лопатки 9 турбины, представляющей собой заготовку. Лопатка турбины настоящего примера осуществления состоит из усиленного выделением γ'-фазы суперсплава на основе никеля, например из IN738LC, IN939, Rene80, IN6203DS, PWA1483SX, Alloy 247 и т.п. Предназначенная для сварки область 7 в поверхности 10 лопатки 9 турбины подвергается послойной наплавке, при этом зона подвода тепла вместе с областью попадания порошка 13 в направлении сварки перемещаются по предназначенной для сварки области 7 лопатки 9 турбины. Порошок 13 в настоящем случае представляет собой порошок из содержащего γ'-фазу суперсплава на основе никеля, например, из IN 738LC, IN 939, Rene 80, IN 6203DS, PWA 1483, Alloy 247 и т.п.
Траектория P1, которую проходят зона 11 подвода тепла, а также область попадания порошка 13 при наплавке первого слоя на предназначенной для сварки области 7, схематично изображена на фиг.5. На этой фигуре показана лопатка 9 турбины с предназначенной для сварки областью 7 и направление S1 сварки при наплавке первого слоя 19. Зона 11 подвода тепла, которая одновременно представляет собой область попадания порошка 13, перемещается, однако, не линейно в направлении S1 сварки, а во время перемещения в направлении сварки одновременно осциллирует в направлении, перпендикулярном направлению сварки. Благодаря этому зона 11 подвода тепла и область подпадания порошка 13 следуют по меандрообразной траектории P1 по предназначенной для сварки области 7.
Для наплавки второго слоя 21 (фиг.4) лазер 3 и устройство 5 подачи порошка немного смещаются в направлении z сканирующего устройства 15. Кроме того, в настоящем примере осуществления направление S2 сварки поворачивается относительно направления S1 сварки первого слоя на 90°. Траектория P2 зоны 11 подвода тепла и области попадания порошка 13 при наплавке второго слоя 21 изображена на фиг.6. При наплавке второго слоя 21 зона 11 подвода тепла также осциллирует вместе с областью попадания порошка 13 в направлении, перпендикулярном направлению S2 сварки. Поэтому в целом получается меандрообразная траектория P2 зоны 11 подвода тепла и области попадания порошка 13 по предназначенной для сварки области 7.
Описанные в рамках этого примера осуществления траектории представляют собой только один из разных возможных вариантов. В принципе существует несколько возможностей выполнения сварки: 1) однонаправленная или 2) двунаправленная (например, меандрообразная) наплавка. В каждом из этих вариантов валики (траектории) 2-го слоя могут быть параллельно смещены или навариваться перпендикулярно валикам (траекториям) первого слоя. Все эти варианты могут применяться в рамках предлагаемого изобретением способа.
При перемещении лазера и устройства подачи порошка осцилляция может выбираться так, чтобы одной единственной траекторией в направлении сварки покрывалась вся предназначенная для сварки область 7, как это изображено на фиг.5, или так, чтобы покрывалась только часть предназначенной для сварки области 7, а наплавка на всю эту область осуществлялась по нескольким проходящим рядом друг с другом траекториям P2 в направлении S2, как это изображено на фиг.6.
Перемещение зоны 11 подвода тепла и области попадания порошка 13 по траектории P1 или, соответственно, P2 осуществляется в настоящем примере осуществления со скоростью процесса, равной, по меньшей мере, 500 мм/мин.
Массовая скорость подачи составляет ≤350 мг/мин, предпочтительно ≤330 мг/мин (так как речь идет о наплавке, значение, равное нулю, исключается, то есть, по меньшей мере, 50 мг/мин, в частности, по меньшей мере, 100 мг/мин). Это дает то преимущество, что подаваемый наплавляемый материал очень хорошо расплавляется, приобретает высокую температуру и, таким образом, сильнее охлаждается при охлаждении.
Мощность лазера, диаметр луча и поток порошка при этом выбраны так, что скорость охлаждения покрываемой области при кристаллизации больше чем 8000 К/с. При нанесении второго слоя 21 параметры процесса, касающиеся мощности лазера и диаметра луча, кроме того, выбраны так, что глубина повторного расплавления, на которую повторно расплавляется первый слой 19, составляет меньше чем 50% высоты валика первого слоя 19. Глубина повторного расплавления на фиг.4 обозначена штриховой линией. В принципе, возможна также другая, чем указано в настоящем примере, скорость процесса, причем тогда необходимо соответствующее согласование и прочих параметров, мощности лазера, диаметра луча и потока порошка.
Благодаря высокой скорости охлаждения и высокой скорости кристаллизации коэффициент распределения повышается настолько, что микроликвации в значительной степени предотвращаются. Происходит дендритная кристаллизация расплава, полученного посредством зоны 11 подвода тепла, при этом перенимается структура кристаллизации повторно расплавленной области. При этом направления роста дендритов варьируются по траектории P1, P2 сварки. Причина этого заключается в том, что ориентация возможных направлений роста дендритов варьируется относительно температурного градиента, причем преобладает направление роста с наименьшей направленностью к температурному градиенту или, соответственно, с наименьшей скоростью роста. Кроме того, центры кристаллизации, которые образуются перед фронтом кристаллизации и которые во время кристаллизации захватываются фронтом кристаллизации, инициируют статистически распределенные направления роста дендритов. Эти неравномерно распределенные ориентации дендритов находятся преимущественно в верхней половине слоя 19. Поэтому при небольшой глубине повторного расплавления обеспечивается наложение фронта кристаллизации на область с неравномерно распределенной ориентацией дендритов, что при многослойной сварке приводит к тому, что образуется поликристалл с зернами, диаметры которых в среднем очень малы. Благодаря этому свариваемая область лопатки 9 турбины становится нечувствительной к образованию трещин.
После того как произошло нанесение необходимого количества слоев 19, 21, лопатка 9 турбины может быть подвергнута термообработке, в результате которой задается желаемая морфология γ'-фазы. Это служит для еще большего улучшения прочности свариваемой области лопатки 9 турбины.
С помощью предлагаемого изобретением способа сварка наплавкой может осуществляться при температуре помещения и без предварительного перестаривания предназначенной для сварки области, причем возникновение кристаллизационных трещин и трещин, вызванных повторным расплавлением, предотвращается. В результате это приводит к качеству сварки, которое является приемлемым для структурной сварки, в частности высоконагруженных областей лопаток газовых турбин, а также других конструктивных элементов. Одновременно осуществляется только очень небольшое воздействие на основной материал, так как благодаря небольшой зоне подвода тепла (предварительный нагрев не происходит) и предотвращению трещин, вызванных повторным расплавлением, в зоне, подвергающейся воздействию тепла, происходит только очень небольшой подвод тела в субстрат.

Claims (18)

1. Способ лазерной сварки заготовок (9) из высокожаропрочных суперсплавов,
при котором выполняют нанесение сварочного присадочного материала (13) на поверхность (10) заготовки в зону (11) подвода тепла и в зону подачи сварочного присадочного материала в зону (11) подвода тепла,
при этом зону (11) подвода тепла и зону подачи, с одной стороны, и поверхность (10) заготовки, с другой стороны, перемещают относительно друг друга,
при этом подачу сварочного присадочного материала осуществляют с массовой скоростью ≤350 мг/мин, причем устанавливают, по меньшей мере, один из следующих параметров лазерной сварки:
мощность лазера от 100 Вт до 300 Вт,
диаметр лазерного луча от 500 мкм до 800 мкм,
скорость сварки, по меньшей мере, 250 мм/мин.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что массовая скорость подачи составляет ≤330 мг/мин, в частности ≤300 мг/мин.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, параметры сварки, такие как подаваемая мощность, скорость сварки, диаметр луча сварки, выбирают из условия обеспечения скорости охлаждения при кристаллизации материала, по меньшей мере, 8000 кельвинов в секунду (К/с).
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что параметры сварки, касающиеся подаваемой мощности, диаметра зоны подвода тепла, задают из условия обеспечения скорости охлаждения при кристаллизации материала, по меньшей мере, 8000 кельвинов в секунду (К/с).
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость сварки составляет 400-600 мм/мин, в частности 500 мм/мин.
6. Способ по п.1, при котором сварной шов образуют посредством послойного нанесения сварочного присадочного материала (13).
7. Способ по п.6, при котором расплавляют предыдущий слой (19).
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что ранее нанесенный слой (19) повторно расплавляют менее чем на половину его толщины.
9. Способ по п.5, отличающийся тем, что для каждого слоя (19, 21) зону (11) подвода тепла и зону подачи перемещают в направлении (S1, S2) сварки относительно поверхности (10) заготовки, а направления (S1, S2) сварки следующих друг за другом слоев (19, 21) повернуты относительно друг друга.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что зону (11) подвода тепла и зону подачи перемещают по осциллирующей вокруг направления (S1, S2) сварки траектории (P1, P2) относительно поверхности (10) заготовки.
11. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовка включает в себя содержащий γ'-фазу суперсплав на основе никеля, в частности состоит из него, а сварочный присадочный материал (13) представляет собой образующий γ'-фазу материал суперсплава на основе никеля.
12. Способ по п.1, отличающийся тем, что за нанесением сварочного присадочного материала (13) выполняют термообработку.
13. Способ по п.1, при котором применяют лазер на 300 Вт.
14. Способ по п.12, при котором применяют лазер Nd-Yag, в частности с λ=1,06 мкм.
15. Способ по п.13, при котором мощность лазера составляет от 100 Вт до 200 Вт, в частности от 100 Вт до 150 Вт.
16. Способ по п.1, при котором диаметр лазерного луча составляет 600 мкм.
17. Способ по п.1, при котором получают поликристаллический сварной шов (19, 21).
18. Способ по п.1, при котором массовая скорость подачи составляет по меньшей мере 50 мг/мин, в частности , по меньшей мере , 100 мг/мин.
RU2012124077/02A 2009-11-13 2010-11-10 Способ сварки заготовок из высокожаропрочных суперсплавов с особой массовой скоростью подачи сварочного присадочного материала RU2510994C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP09014234.0 2009-11-13
EP09014234A EP2322313A1 (de) 2009-11-13 2009-11-13 Verfahren zum Schweissen von Werkstücken aus hochwarmfesten Superlegierungen mit besonderer Massenzufuhrrate des Schweisszusatzwerkstoffes
PCT/EP2010/067188 WO2011058045A1 (de) 2009-11-13 2010-11-10 Verfahren zum schweissen von werkstücken aus hochwarmfesten superlegierungen mit besonderer massenzufuhrrate des schweisszusatzwerkstoffes

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012124077A RU2012124077A (ru) 2013-12-20
RU2510994C2 true RU2510994C2 (ru) 2014-04-10

Family

ID=42102635

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012124077/02A RU2510994C2 (ru) 2009-11-13 2010-11-10 Способ сварки заготовок из высокожаропрочных суперсплавов с особой массовой скоростью подачи сварочного присадочного материала

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9035213B2 (ru)
EP (2) EP2322313A1 (ru)
CN (1) CN102639283B (ru)
RU (1) RU2510994C2 (ru)
WO (1) WO2011058045A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2754941C1 (ru) * 2018-05-01 2021-09-08 Сименс Энерджи, Инк. Сварочный присадочный материал для суперсплавов на основе никеля

Families Citing this family (52)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100934679B1 (ko) * 2000-10-17 2009-12-31 네오포토닉스 코포레이션 반응성 증착에 의한 코팅 형성
DE102010034337A1 (de) * 2010-08-14 2012-02-16 Mtu Aero Engines Gmbh Verfahren zum Verbinden einer Turbinenschaufel mit einer Turbinenscheibe oder einem Turbinenring
US9352419B2 (en) 2011-01-13 2016-05-31 Siemens Energy, Inc. Laser re-melt repair of superalloys using flux
US20150275687A1 (en) * 2011-01-13 2015-10-01 Siemens Energy, Inc. Localized repair of superalloy component
US9511447B2 (en) * 2013-12-12 2016-12-06 General Electric Company Process for making a turbulator by additive manufacturing
CH705662A1 (de) * 2011-11-04 2013-05-15 Alstom Technology Ltd Prozess zur Herstellung von Gegenständen aus einer durch Gamma-Prime-Ausscheidung verfestigten Superlegierung auf Nickelbasis durch selektives Laserschmelzen (SLM).
EP2614917A1 (de) * 2012-01-10 2013-07-17 Siemens Aktiengesellschaft Laserschweißen von nickelbasierten Superlegierungen
US9095923B2 (en) * 2012-07-16 2015-08-04 General Electric Company Method of welding alloy articles
EP2754527A1 (de) * 2013-01-11 2014-07-16 Siemens Aktiengesellschaft Erzeugung von feinen Körnern beim Auftragsschweißen
EP2754530B1 (de) * 2013-01-11 2017-03-29 Siemens Aktiengesellschaft Verfahrweise beim Umschmelzen von Rissen
EP2756915A1 (de) * 2013-01-18 2014-07-23 Siemens Aktiengesellschaft Auftragsschweißen mit vorherigem Umschmelzen
EP2950973A1 (en) * 2013-01-31 2015-12-09 Siemens Energy, Inc. Method of laser re-melt repair of superalloys using flux
CN105263667A (zh) * 2013-01-31 2016-01-20 西门子能源公司 使用粉末状焊剂的选择性激光熔化/烧结
US10190220B2 (en) 2013-01-31 2019-01-29 Siemens Energy, Inc. Functional based repair of superalloy components
US10625374B2 (en) * 2013-02-27 2020-04-21 SLM Solutions Group AG Method for producing work pieces having a tailored microstructure
EP2774712A1 (de) * 2013-03-07 2014-09-10 Siemens Aktiengesellschaft Laserverfahren mit unterschiedlichem Laserstrahlbereich innerhalb eines Strahls
DE102013008396B4 (de) 2013-05-17 2015-04-02 G. Rau Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zum Umschmelzen und/oder Umschmelzlegieren metallischer Werkstoffe, insbesondere von Nitinol
WO2015017093A1 (en) * 2013-08-01 2015-02-05 Siemens Energy, Inc. Repair of superalloy components by addition of powdered alloy and flux material
ES2710226T3 (es) * 2013-10-30 2019-04-23 United Technologies Corp Reprocesamiento por soldadura por deposición láser de polvo para piezas fundidas de níquel soldables sin fusión del metal base pertenecientes a motores de turbina de gas
EP2893994B1 (en) 2014-01-14 2020-07-15 General Electric Technology GmbH Method for manufacturing a metallic or ceramic component by selective laser melting additive manufacturing
DE102014200834A1 (de) * 2014-01-17 2015-07-23 Siemens Aktiengesellschaft Pendelndes Schweißverfahren
DE102014208435A1 (de) * 2014-05-06 2015-11-12 Siemens Aktiengesellschaft Anordnung und Verfahren zum schichtweisen Erstellen einer Auftragschicht
WO2015196149A1 (en) 2014-06-20 2015-12-23 Velo3D, Inc. Apparatuses, systems and methods for three-dimensional printing
WO2016018805A1 (en) * 2014-07-28 2016-02-04 Siemens Energy, Inc. Laser metalworking of reflective metals using flux
US20160045983A1 (en) * 2014-08-14 2016-02-18 Siemens Energy, Inc. Method of laser processing of volatile alloys
US20160096234A1 (en) * 2014-10-07 2016-04-07 Siemens Energy, Inc. Laser deposition and repair of reactive metals
CN104526171B (zh) * 2014-11-04 2016-10-12 南方增材科技有限公司 金属构件电熔成形方法
CN104526115B (zh) * 2014-11-04 2017-01-18 南方增材科技有限公司 核电站压力容器筒体电熔成形方法
KR102549649B1 (ko) 2014-11-14 2023-06-29 가부시키가이샤 니콘 조형 장치 및 조형 방법
EP3766608A1 (en) 2014-11-14 2021-01-20 Nikon Corporation Shaping apparatus and shaping method
JP6935355B2 (ja) * 2014-11-14 2021-09-15 株式会社ニコン 造形装置及び造形方法
US10113531B2 (en) * 2015-08-26 2018-10-30 General Electric Company Methods for repairing wind turbine rotor blades
CN108367498A (zh) 2015-11-06 2018-08-03 维洛3D公司 Adept三维打印
DE102015222084A1 (de) * 2015-11-10 2017-05-11 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Parameter beim Auftragschweißen bei oszillierender Erstarrungsfront
JP6437419B2 (ja) * 2015-11-11 2018-12-12 日鐵住金溶接工業株式会社 炭酸ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ
JP2017094360A (ja) 2015-11-25 2017-06-01 日鐵住金溶接工業株式会社 Ａｒ−ＣＯ２混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ
DE102015224091A1 (de) * 2015-12-02 2017-06-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Reparaturschweißverfahren mit manueller und maschineller Vorgehensweise
EP3386662A4 (en) 2015-12-10 2019-11-13 Velo3d Inc. COMPETENT THREE-DIMENSIONAL PRINTING
US20170239719A1 (en) 2016-02-18 2017-08-24 Velo3D, Inc. Accurate three-dimensional printing
EP3216554B1 (de) * 2016-03-09 2020-05-06 MTU Aero Engines GmbH Bauteil mit verschleissgeschützten öffnungen und vertiefungen sowie verfahren zur herstellung derselben
US11691343B2 (en) 2016-06-29 2023-07-04 Velo3D, Inc. Three-dimensional printing and three-dimensional printers
EP3263316B1 (en) 2016-06-29 2019-02-13 VELO3D, Inc. Three-dimensional printing and three-dimensional printers
US20180126460A1 (en) 2016-11-07 2018-05-10 Velo3D, Inc. Gas flow in three-dimensional printing
US20180186082A1 (en) 2017-01-05 2018-07-05 Velo3D, Inc. Optics in three-dimensional printing
US10442003B2 (en) 2017-03-02 2019-10-15 Velo3D, Inc. Three-dimensional printing of three-dimensional objects
US10449696B2 (en) 2017-03-28 2019-10-22 Velo3D, Inc. Material manipulation in three-dimensional printing
DE102017213043A1 (de) * 2017-07-28 2019-01-31 Siemens Aktiengesellschaft Schweißen von Nickelbasis-Legierungen unter Verwendung von Sauerstoff als Prozessgas
US20190091802A1 (en) * 2017-09-25 2019-03-28 General Electric Company Method for forming article, method for forming turbine bucket, and turbine bucket
US10272525B1 (en) 2017-12-27 2019-04-30 Velo3D, Inc. Three-dimensional printing systems and methods of their use
US10144176B1 (en) 2018-01-15 2018-12-04 Velo3D, Inc. Three-dimensional printing systems and methods of their use
JP7402601B2 (ja) * 2018-05-09 2023-12-21 リンテック株式会社 個片体形成装置および個片体形成方法
DE102018215609A1 (de) * 2018-09-13 2020-03-19 Thyssenkrupp Ag Herstellungsverfahren für Wälzlagerkäfige, insbesondere Großwälzlagerkäfige, und Wälzlagerkäfige

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5208431A (en) * 1990-09-10 1993-05-04 Agency Of Industrial Science & Technology Method for producing object by laser spraying and apparatus for conducting the method
US5453329A (en) * 1992-06-08 1995-09-26 Quantum Laser Corporation Method for laser cladding thermally insulated abrasive particles to a substrate, and clad substrate formed thereby
RU2284251C2 (ru) * 2003-11-21 2006-09-27 Мицубиси Хеви Индастриз, Лтд. Способ сварки

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3156968A (en) * 1962-03-22 1964-11-17 Jr William D White Pressure roller and method of manufacture
US4804815A (en) * 1987-06-01 1989-02-14 Quantum Laser Corporation Process for welding nickel-based superalloys
EP0486489B1 (de) 1989-08-10 1994-11-02 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturfeste korrosionsschutzbeschichtung, insbesondere für gasturbinenbauteile
DE3926479A1 (de) 1989-08-10 1991-02-14 Siemens Ag Rheniumhaltige schutzbeschichtung, mit grosser korrosions- und/oder oxidationsbestaendigkeit
US5401307A (en) 1990-08-10 1995-03-28 Siemens Aktiengesellschaft High temperature-resistant corrosion protection coating on a component, in particular a gas turbine component
US5160822A (en) * 1991-05-14 1992-11-03 General Electric Company Method for depositing material on the tip of a gas turbine engine airfoil using linear translational welding
DE4141927C2 (de) 1991-12-19 1995-06-14 Mtu Maintenance Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen von Werkstücken
US5395584A (en) * 1992-06-17 1995-03-07 Avco Corporation Nickel-base superalloy compositions
DE59505454D1 (de) 1994-10-14 1999-04-29 Siemens Ag Schutzschicht zum schutz eines bauteils gegen korrosion, oxidation und thermische überbeanspruchung sowie verfahren zu ihrer herstellung
EP0892090B1 (de) 1997-02-24 2008-04-23 Sulzer Innotec Ag Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Strukturen
EP0861927A1 (de) 1997-02-24 1998-09-02 Sulzer Innotec Ag Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Strukturen
EP1306454B1 (de) 2001-10-24 2004-10-06 Siemens Aktiengesellschaft Rhenium enthaltende Schutzschicht zum Schutz eines Bauteils gegen Korrosion und Oxidation bei hohen Temperaturen
WO1999055527A2 (de) 1998-04-29 1999-11-04 Siemens Aktiengesellschaft Erzeugnis mit einer schutzschicht gegen korrosion sowie verfahren zur herstellung einer schutzschicht gegen korrosion
WO1999067435A1 (en) 1998-06-23 1999-12-29 Siemens Aktiengesellschaft Directionally solidified casting with improved transverse stress rupture strength
US6120624A (en) 1998-06-30 2000-09-19 Howmet Research Corporation Nickel base superalloy preweld heat treatment
US6054672A (en) * 1998-09-15 2000-04-25 Chromalloy Gas Turbine Corporation Laser welding superalloy articles
US6231692B1 (en) 1999-01-28 2001-05-15 Howmet Research Corporation Nickel base superalloy with improved machinability and method of making thereof
US6811744B2 (en) 1999-07-07 2004-11-02 Optomec Design Company Forming structures from CAD solid models
JP2003529677A (ja) 1999-07-29 2003-10-07 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト 耐熱性の構造部材及びその製造方法
AU2001275164A1 (en) * 2000-06-01 2001-12-11 Board Of Regents, The University Of Texas System Direct selective laser sintering of metals
US6495793B2 (en) * 2001-04-12 2002-12-17 General Electric Company Laser repair method for nickel base superalloys with high gamma prime content
EP1312437A1 (en) * 2001-11-19 2003-05-21 ALSTOM (Switzerland) Ltd Crack repair method
EP1319729B1 (de) 2001-12-13 2007-04-11 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturbeständiges Bauteil aus einkristalliner oder polykristalliner Nickel-Basis-Superlegierung
US20030010809A1 (en) * 2002-02-15 2003-01-16 Lewandowski Thongkhank P Low resistance electrical & thermal bond and method of making same
US7009137B2 (en) * 2003-03-27 2006-03-07 Honeywell International, Inc. Laser powder fusion repair of Z-notches with nickel based superalloy powder
US6994920B2 (en) * 2003-10-31 2006-02-07 General Electric Company Fusion welding method and welded article
US20090308847A1 (en) * 2006-08-02 2009-12-17 Kabushiki Kaisha Toshiba Erosion prevention method and member with erosion preventive section
CN101480756B (zh) * 2009-02-06 2011-06-08 沈阳大陆激光技术有限公司 航空发动机轮盘叶片一体的高温合金涡轮盘坯料的制备方法
US8726501B2 (en) * 2009-08-31 2014-05-20 General Electric Company Method of welding single crystal turbine blade tips with an oxidation-resistant filler material

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5208431A (en) * 1990-09-10 1993-05-04 Agency Of Industrial Science & Technology Method for producing object by laser spraying and apparatus for conducting the method
US5453329A (en) * 1992-06-08 1995-09-26 Quantum Laser Corporation Method for laser cladding thermally insulated abrasive particles to a substrate, and clad substrate formed thereby
RU2284251C2 (ru) * 2003-11-21 2006-09-27 Мицубиси Хеви Индастриз, Лтд. Способ сварки

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2754941C1 (ru) * 2018-05-01 2021-09-08 Сименс Энерджи, Инк. Сварочный присадочный материал для суперсплавов на основе никеля

Also Published As

Publication number Publication date
US9035213B2 (en) 2015-05-19
EP2322313A1 (de) 2011-05-18
CN102639283B (zh) 2015-12-09
CN102639283A (zh) 2012-08-15
RU2012124077A (ru) 2013-12-20
WO2011058045A1 (de) 2011-05-19
US20120267347A1 (en) 2012-10-25
EP2498947A1 (de) 2012-09-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2510994C2 (ru) Способ сварки заготовок из высокожаропрочных суперсплавов с особой массовой скоростью подачи сварочного присадочного материала
RU2466841C2 (ru) Способ и устройство для сварки деталей из термостойких жаропрочных сплавов
JP5797887B2 (ja) 耐熱性の超合金からなる部品を溶接する方法および装置
RU2516021C2 (ru) Монокристаллическая сварка направленно упрочненных материалов
RU2490102C2 (ru) Способ сварки и конструктивный элемент
US8141769B2 (en) Process for repairing a component comprising a directional microstructure by setting a temperature gradient during the laser heat action, and a component produced by such a process
US8847106B2 (en) Welding process with a controlled temperature profile and a device therefor
US9044825B2 (en) Method for welding depending on a preferred direction of the substrate
US20110154947A1 (en) Brazing Composition and Brazing Method for Superalloys
US20090134133A1 (en) Preheating temperature during welding
US9421639B2 (en) Component having weld seam and method for producing a weld seam
JP2009090371A6 (ja) 溶接方法
RU2509639C2 (ru) Монокристаллическая сварка направленно упрочненных материалов
US8123105B2 (en) Process for brazing wide gaps
US20100119859A1 (en) Component and a solder
US20100224600A1 (en) Two-step welding process
US20120027931A1 (en) Coating Having Thermal and Non-Thermal Coating Method
US20110056919A1 (en) Method for Fusing Curved Surfaces, and a Device
US20110020127A1 (en) Component Comprising Overlapping Weld Seams and Method for the Production Thereof
US20100129544A1 (en) Polymer-Based Ceramic Coatings for Protecting Surfaces Against Fluoride Ions During a Cleaning Process
US9458552B2 (en) Single crystal welding of directionally compacted materials
US20110062120A1 (en) Device for welding using a process chamber and welding method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161111