RU2738121C1 - ЛАЗЕРНОЕ ОСАЖДЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ДЛЯ СУПЕРСПЛАВОВ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ γ'-ФАЗЫ С ЭФФЕКТОМ ОХЛАЖДЕНИЯ - Google Patents

ЛАЗЕРНОЕ ОСАЖДЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ДЛЯ СУПЕРСПЛАВОВ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ γ'-ФАЗЫ С ЭФФЕКТОМ ОХЛАЖДЕНИЯ Download PDF

Info

Publication number
RU2738121C1
RU2738121C1 RU2020110516A RU2020110516A RU2738121C1 RU 2738121 C1 RU2738121 C1 RU 2738121C1 RU 2020110516 A RU2020110516 A RU 2020110516A RU 2020110516 A RU2020110516 A RU 2020110516A RU 2738121 C1 RU2738121 C1 RU 2738121C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cooling
base material
cooling medium
bms
temperature
Prior art date
Application number
RU2020110516A
Other languages
English (en)
Inventor
Бернд БУРБАУМ
Ахмед КАМЕЛ
Дафер ЖУИНИ
Original Assignee
Сименс Энерджи, Инк.
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 Энерджи, Инк. filed Critical Сименс Энерджи, Инк.
Application granted granted Critical
Publication of RU2738121C1 publication Critical patent/RU2738121C1/ru

Links

Images

Classifications

    • 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
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/144—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing particles, e.g. powder
    • 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
    • B23K26/0006—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring 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
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B23K26/703—Cooling arrangements
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/10—Pre-treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/005—Repairing methods or devices
    • 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
    • B23K2103/18—Dissimilar materials
    • B23K2103/26—Alloys of Nickel and Cobalt and Chromium
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Изобретение относится к системе (100) и способу (1000) для производства по аддитивной технологии или восстановления компонента из основного материала (10). Система включает в себя систему (200) для лазерной наплавки (LMD), функционально связанную со средством (300) для охлаждения основного материала в процессе лазерной обработки добавочных материалов, осажденных в сварочную ванну на основном материале. LMD-система включает в себя лазерный источник (202) энергии, выполненный с возможностью направления лазерной энергии к основному материалу для образования на нем сварочной ванны и для обработки осажденных добавочных материалов для образования слоев на основном материале после отверждения. Средство для охлаждения может быть выполнено с возможностью охлаждения основного материала до температуры в диапазоне температур охлаждения в ходе LMD-процесса, что вызывает, например, эффект охлаждения/заморозки. Технический результат изобретения состоит в сокращении периода отверждения в процессе лазерной обработки, что приводит к высвобождению сварочного тепла из основного материала. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее раскрытие, относится к общем к области материаловедения, более конкретно, способов аддитивного производства и восстановления с помощью лазерного осаждения металлов для суперсплавов с высоким содержанием гамма-штрих фазы с эффекта охлаждения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Сварка суперсплавов содержит множество технических вызовов, обусловленных с высокой прочностью (и соответствующей низкой пластичностью), которые должны быть присущи этим сплавам. Источники тепла, такие как лазеры и дуговые разряды, применяются для изготовления деталей, полученных по аддитивной технологии (AM), или восстановления поврежденных компонентов, выполненных из суперсплавов. К сожалению, эти сплавы сильно подвержены горячему растрескиванию в процессе, например, лазерной наплавки (LMD - от laser metal deposition, лазерное осаждение металлов) и последующей тепловой обработки. Горячее растрескивание в процессе сварки при комнатной температуре обычно происходит на границе раздела твердое тело-жидкость в сварочной ванне, что конструктивно нарушает целостность AM-компонента или восстановленного компонента. Таким образом, сохраняется потребность в LMD-системе или технологии, подавляющей образование горячего растрескивания, происходящего в процессе сварки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Следует понимать, что автор настоящего изобретения осознал вышеуказанные ограничения и ниже раскрывает новую технологию лазерного осаждения металлов, например, суперсплавов с высоким содержанием гамма-штрих фазы, путем использования эффекта охлаждения, то есть эффекта глубокого охлаждения, и последующей пайки.
[0004] В одном примере осуществления представлена система для производства по аддитивной технологии (AMR) или восстановления компонента, выполненного из суперсплава, из основного материала. AMR-система может включать в себя, по меньшей мере, систему для лазерной наплавки (LMD), функционально связанную со средством для охлаждения основного материала в процессе наращивания добавочных материалов путем лазерной обработки на основной материал. LMD-система может включать в себя лазерный источник энергии, выполненный с возможностью направления лазерной энергии к основному материалу для образования на нем сварочной ванны. Лазерная энергия обрабатывает добавочные материалы, осажденные в сварочную ванну (например, на основной материал), для образования слоев добавочных материалов после отверждения.
[0005] Средство для охлаждения основного материала может быть выполнено с возможностью охлаждения основного материала, например посредством охлаждающей среды, до требуемой температуры в диапазоне температур охлаждения, вызывая, например, эффект охлаждения/заморозки основного материала в процессе лазерной обработки, что может привести к сокращению периодов отверждения в процессе лазерной обработки. Следует принять, что требуемый диапазон температур может быть индивидуальным для типа используемой охлаждающей среды, например жидкого азота, жидкого аргона и подобного, и должен обеспечивать температуру в пределах некоторого диапазона температур, позволяющую высвободить сварочное тепло из основного материала в процессе лазерной обработки, по меньшей мере, частично благодаря эффекту охлаждения/заморозки основного материала. Примерами диапазона охлаждения могут служить диапазоны от -100°C до -150°C для жидкого азота, от -100°C до -150°C для жидкого аргона. Кроме того, следует понимать, что в дополнение или вместо того, чтобы диапазон варьировался на основе типа применяемой охлаждающей среды, этот диапазон может зависеть от тепла (например, высокой температуры), прикладываемого к основному материалу, и/или состава основного материала. Например, основной материал с более высокой температурой плавления может требовать больше тепла в процессе лазерной обработки, что может потребовать более глубокого охлаждения, т.е. более низких диапазонов, чтобы высвободить сварочное тепло из основного материала в процессе лазерной обработки. Говоря иными словами, требуемый диапазон охлаждения может быть обусловлен частично типом охлаждающей среды, температурой нагрева от лазерного источника энергии и типом основного материала.
[0006] В другом примере осуществления представлен способ аддитивного производство или восстановления. Способ может включать в себя создание подложки из основного материала (BMS), например, в емкости, и подготовку BMS для обработки путем лазерного напыления (LMD). Способ может также включать в себя охлаждение BMS, например с помощью средства охлаждения, до температуры в диапазоне температур охлаждения, в результате чего BMS подвергается эффекту охлаждения или заморозки, чтобы высвободить сварочное тепло из BMS. Следует понимать, что температура охлаждения может поддерживаться на всем протяжении LMD-процесса, а также регулироваться, если это необходимо, частично на основе температуры BMS и/или охлаждающей среды средства охлаждения. Одновременно с охлаждением BMS, BMS или, по меньшей мере, участки BMS могут подвергаться лазерной обработке для образования слоев добавочных материалов на BMS, чтобы осуществить создание требуемого компонента.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0007] Для более полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ далее приводится ссылка на нижеследующее описание, представленное в сочетании с сопроводительными чертежами, на которых одинаковые позиции обозначают схожие объекты.
[0008] На Фиг. 1 схематично показана система для производства по аддитивной технологии и/или восстановления компонентов из суперсплава посредством лазерного напыления (LMD) согласно представленному раскрытию;
[0009] На Фиг. 2 показана блок-схема процесса аддитивного производства или восстановления согласно представленному раскрытию.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0010] Компоненты и материалы, описанные далее как составляющие различных вариантов осуществления, носят иллюстративный, но не ограничительный характер. Предполагается, что многие подходящие компоненты и материалы, которые будут выполнять ту же или схожую функцию, что и материалы, представленные в настоящем описании, входят в объем вариантов осуществления настоящего изобретения.
[0011] Авторы настоящего изобретения разработали новый способ аддитивного производства (AM) и/или восстановления, содержащий вариант технологии лазерного напыления (LMD), в котором система охлаждения, например система глубокого охлаждения, объединена с LMD-системой для охлаждения основного материала/подложки/компонента из суперсплава, например лопасти газовой турбины, лопатки, поверхности лопасти и подобного, а также уменьшения или полного устранения образования горячих трещин, происходящего в процессе сварки или последующей тепловой обработки.
[0012] Обратимся теперь к чертежам, служащим лишь для иллюстрации вариантов осуществления изобретения, но не его ограничения, где на Фиг. 1 показана система 100 для производства по аддитивной технологии компонента из основного материала/подложки и/или восстановления компонента 10 из суперсплава посредством лазерного напыления (LMD).
[0013] Система 100 может включать в себя LMD-систему 200 для подачи лазерной энергии посредством лазерного источника 202 энергии на базовую подложку и для осаждения добавочных/наращиваемых материалов в сварочную ванну, расположенную в основании/базовой подложке 10 (или на отвержденный слой наращенного материала) в результате подачи лазерной энергии для образования слоев наращенных материалов с целью изготовления или восстановления требуемого компонента из суперсплава, например, лопасти, боковой стороны плоскости лопасти (показано на Фиг. 1), вершин лопастей, лопаток или других компонентов. Лазерный источник 202 энергии может быть выполнен с возможностью направления или излучения лазерной энергии к основному материалу 10 для плавления участков основного материала 10 (или ранее отвержденного наращенного слоя) для образования сварочной ванны.
[0014] Дополнительно или в качестве альтернативы LMD-система 200 может также включать в себя приспособление 210 для лазерного осаждения, функционально связанное с лазерным источником 202 энергии и расположенное вблизи лазерного источника 202 энергии или функционально соединенное с ним, для осаждения наращиваемых (добавочных) материалов в сварочную ванну, образованную на основном материале 10 путем подачи лазерной энергии.
[0015] Дополнительно или в качестве альтернативы лазерный источник 202 энергии может быть выполнен с возможностью функционирования в качестве приспособления для лазерного осаждения, предназначенного для осаждения наращиваемых материалов в сварочную ванну. Говоря иными словами, добавочные материалы могут осаждаться посредством лазерного источника 202 энергии, более конкретно, посредством линий 224 подачи, соединенных с корпусом, в котором находится лазерный источник 202 энергии, в дополнение или вместо осаждения посредством приспособления 210 для осаждения. LMD-система может дополнительно включать в себя одну или более систем (220, 222) принудительной подачи или быть функционально связанной с ними. Системы 220, 222 подачи порошка могут быть выполнены с возможностью подачи (доставки) наращиваемых материалов к лазерному источнику 202 энергии и/или в приспособление 210 для лазерного осаждения для осаждения наращиваемых материалов в сварочную ванну и/или на основной материал 10 для образования слоев добавочного материала с целью формирования требуемого компонента.
[0016] Наращиваемые (добавочные) материалы могут включать в себя, например, порошковый материал основного сплава, который может содержать материалы, из которых образован основной материал 10, или схожие с ними. Порошок основного металла может подаваться через LMD-систему 200 посредством системы (220) принудительной подачи и осаждаться в сварочную ванну или на базовую подложку 10 в ходе LMD-процесса. Наращиваемые материалы также могут включать в себя порошковый материал сплава-припоя и т.п., который может подаваться через лазерный источник 202 энергии посредством той же системы подачи, что и для порошка основного металла, или своей собственной системы (222) принудительной подачи и осаждаться в сварочную ванну или на базовую подложку 10 для лазерной обработки, например, с использованием лазерной энергии в ходе LMD-процесса. Система 220 подачи порошка может быть функционально связана с LMD-системой 200, более конкретно, приспособлением 210 для лазерного осаждения посредством одной или более линий 224 подачи для подачи наращиваемых материалов, например, из контейнера с материалами к базовой подложке 10. Дополнительно или в качестве альтернативы контроллер (не показан) может быть функционально связан с LMD-системой 200 и системой 220 подачи порошка и может быть выполнен с возможностью управления скоростью подачи наращиваемых материалов, например, через лазерное приспособление 210 в ходе LMD-процесса.
[0017] Каждый из наращиваемых материалов, осаждаемых в ходе LMD-процесса, например материал основного сплава и материал сплава-припоя, может подаваться/доставляться своей собственной системой 220 принудительной подачи, т.е. отдельной системой для каждого материала, либо в дополнительном варианте осуществления единственная система 220 подачи порошка может использоваться для подачи наращиваемых материалов обоих типов. Следует понимать, что если используется более двух типов материалов в ходе LMD-процесса, могут использоваться дополнительные системы 220 принудительной подачи для подачи дополнительных материалов, либо единственная система принудительной подачи может быть выполнена с возможностью подачи каждого из материалов по мере необходимости.
[0018] Как опять же показано на фигурах, система 100 может также включать в себя средство охлаждения для охлаждения базовой подложки 10, например, в ходе LMD-процесса для уменьшения или устранения образования горячих трещин, связанного с LMD-процессом, процессом пайки или любым последующим процессом термообработки. В одном примере осуществления средство 300 охлаждения может представлять собой систему охлаждения, например систему глубокого охлаждения, которая может включать в себя емкость, камеру или схожий контейнер 302, размер которого может быть приспособлен, по меньшей мере, для частичного приема в него базовой подложки 10 или другого компонента из суперсплава, требующего восстановления, и который образует объем для содержания в нем и/или протекания через него охлаждающей среды 310 для охлаждения базовой подложки 10 в емкости 302. Емкость 302 может включать в себя входной канал 304, выполненный с возможностью приема охлаждающей среды 310, и выходной канал 306, например, для удаления охлаждающей среды из емкости. Дополнительно или в качестве альтернативы базовая подложка 10 может быть помещена на пути поступления охлаждающей среды 310, например, для обеспечения эффекта глубокого охлаждения при прохождении процесса аддитивного производства или восстановления.
[0019] Система 300 охлаждения может дополнительно включать в себя один или более насосов (не показано) или схожих систем 350 для нагнетания/подачи, предназначенных для доставки охлаждающей среды 310 в емкость 302 для охлаждения в нем подложки 10. Следует понимать, что насос может управляться любым из контроллеров системы 100 или LMD-системы 200, либо дополнительно или в качестве альтернативы насосная система может включать в себя свой собственный контроллер, выполненный с возможностью управления расходом и количеством охлаждающей среды 310, заполняющей емкость 302 или протекающей через него, для поддержания требуемого диапазона температур охлаждения охлаждающей среды в емкость 302 или при поступлении через него в ходе LMD-процесса.
[0020] Охлаждающая среда 310 может представлять собой, например, жидкий азот, аргон, гелий и т.д., либо любую другую жидкую среду, которая может подаваться в емкость 302 для достижения требуемого диапазона температур охлаждения с целью удаления сварочного тепла из базовой подложки 10 или компонента, подвергаемого обработке.
[0021] Как опять же показано на фигурах, система 100 может дополнительно включать в себя сенсорную систему 400, функционально связанную с LMD-системой 200 и/или средством 300 охлаждения для измерения температур в ходе охлаждения и LMD-процесса, а также отправки или передачи измеренных температур на любой из контроллеров системы для определения, достигнут ли требуемый диапазон охлаждения, и/или для регулировки параметров нагрева и/или охлаждения.
[0022] В одном варианте осуществления сенсорная система 400 может включать в себя один или более датчиков 402, выполненных с возможностью измерения температур и передачи измеренных температур, например, посредством одного или более передатчиков на контроллер датчика или любой из контроллеров системы для использования измеренных температур в процессе LMD и/или охлаждения. Датчики 402 могут быть равномерно расположены или расположены по любой схеме в емкости или вблизи нее для измерения температур охлаждающей среды 310, подложки 10 и/или окружающих областей. Как показано на Фиг. 1, датчики 402 могут располагаться в емкости 302, например, быть прикрепленными к стенке емкости, погруженными (частично или полностью) в охлаждающую среду 310 и/или съемно закрепленными на лазерном источнике 202, корпусе лазерного источника или вблизи него.
[0023] Например, в ходе LMD-процесса, чтобы определить, достигнут и/или поддерживается ли требуемый диапазон температур для охлаждения или глубокого охлаждения подложки 10 в ходе LMD-процесса, датчики могут посылать или как-то иначе передавать измеренные температуры в контроллеры, при этом любой из параметров нагрева и/или охлаждения может регулироваться, по меньшей мере, частично на основе измеренных температур. Например, в системе 300 охлаждения поток и/или количество охлаждающей среды может регулироваться по мере необходимости на основе измеренной температуры, чтобы достичь требуемого диапазона температур охлаждения, например от -100°C до -150°C, по меньшей мере, для суперсплава на основе никеля.
[0024] Следует понимать, что требуемый диапазон температур может варьироваться, например от ±20 до 40°C, в зависимости от типа основного материала 10 суперсплава, с которым проводится работа. Дополнительно или в качестве альтернативы тепло, излучаемое лазерным источником 202 энергии, может регулироваться, т.е. увеличиваться или уменьшаться, на основе измеренных температур.
[0025] На Фиг. 2 представлен вариант осуществления LMD-процесса (способа) 1000. Следует понимать, что не требуется, чтобы этапы, раскрытые в настоящем описании, выполнялись в каком-то определенном порядке, и их последовательность приведена лишь в качестве примера. Например, этапы, связанные с заполнением емкости 302 охлаждающей средой 310, могут выполняться до или после этапов, связанных с размещением и закреплением основного материала 10 в емкости для LMD-обработки.
[0026] Способ 1000 может включать в себя этап размещения основного материала 10 или другого компонента, подлежащего восстановлению, в емкости 302 (1010). На данном этапе основной материал/подложка 10 или поврежденный компонент может закрепляться с возможностью съема в емкости 302, например, на платформе (не показано) для наращивания и/или восстановления. Следует понимать, что в варианте осуществления, в котором компонент подвергается восстановлению, способ 1000 может включать в себя этапы снятия компонента с промышленной установки и подготовки компонента для проведения LMD, например, путем удаления поврежденных участков компонента, а также предварительного нагрева или обработки на твердый раствор компонента, прежде чем поместить компонент в емкость для проведения LMD-процесса.
[0027] После подготовки компонента и/или помещения компонента или базовой подложки 10 в емкость 302 способ 1000 может включать в себя охлаждение базовой подложки 10 или, по меньшей мере, ее участков с помощью средства охлаждения (1020). На данном этапе подложка 10 или ее участки могут погружаться в охлаждающую среду 310, по меньшей мере, частично заполняющую емкость 302. В одном примере осуществления емкость 302 может быть заполнена охлаждающей средой 310 так, что, по меньшей мере, часть подложки 10 может погружаться в охлаждающую среду для глубокого охлаждения подложки в ходе LMD-процесса. Охлаждающая среда 310 может представлять собой жидкий азот или любую другую жидкую среду, способную охлаждать подложку 10 до требуемого диапазона температур, так чтобы сварочное тепло могло высвобождаться или удаляться из подложки 10. Следует понимать, что с помощью жидкого азота основной материал 10 (например, лопасть или лопатка турбины) может охлаждаться внутри емкости до температуры в диапазоне от -100°C до -150°C.
[0028] В то время как подложка охлаждается, т.е. удерживается в требуемом диапазоне температур, способ 1000 может включать в себя этап осаждения наращиваемых (добавочных) порошковых материалов (например, подстилающего порошка основного металлического сплава и материала сплава-припоя) на подложку и лазерной обработки наращиваемых материалов на подложке 10 (1030). Для поддержания температуры охлаждения и эффекта глубокого охлаждения градиент температуры/скорость охлаждения может увеличиваться, чтобы достичь минимального образования трещин в ходе, например, сварочного процесса. Следует понимать, что на данном этапе порошковые наращиваемые (добавочные) материалы, например материал основного сплава и материал сплава-припоя, могут подаваться, например, через приспособление лазерного источника посредством системы принудительной подачи и осаждаться на подложку 10 или в сварочную ванну подложки. Следует понимать, что сварочная ванна может быть защищена защитным газом, например, аргоном, гелием или их смесями. Кроме того, следует понимать, что дополнительно или в качестве альтернативы добавочные материалы могут транспортироваться, например, переноситься в сварочную ванну с помощью защитного газа.
[0029] После осаждения лазерная энергия обрабатывает/плавит наращиваемые материалы, которые затем отверждаются для образования слоя (слоев) материала суперсплава для формирования требуемой детали или компонента. Следует понимать, что смесь порошка основного сплава и сплава-припоя может послойно контролироваться, при этом этап осаждения и лазерной обработки может повторяться, пока не будет получена форма и/или геометрия требуемого компонента. Восстановление компонента посредством нового LMD-процесса, предложенного авторами изобретения, позволяет восстанавливать конструкцию компонентов с помощью тех же материалов основного сплава, которые входят в состав основного материала. Говоря иными словами, LMD-процесс предусматривает восстановление компонента с помощью материалов (добавочных материалов), имеющих, например, идентичный или почти тот же самый состав, что и лежащая в основании (базовая) подложка 10.
[0030] Эффект глубокой заморозки, обеспечиваемый системой 300 охлаждения, позволяет подложке 10 оставаться охлажденной в ходе LMD-процесса, что приводит к подавлению образования горячих трещин, например, на границе раздела твердое тело-жидкость в сварочной ванне, которое требуется устранить. Данное подавление обусловлено очень коротким периодом отверждения в результате непосредственно охлаждения подложки до требуемой температуры и/или диапазона температур охлаждения для подложки 10, чтобы достичь эффекта глубокого охлаждения и/или заморозки подложки 10, так чтобы сварочное тепло могло высвобождаться из подложки 10.
[0031] Дополнительно или в качестве альтернативы способ 1000 может включать в себя высокотемпературную пайку подложки 10, например, пайку открытым пламенем, пайку в печи и т.д. (1040). Следует понимать, что в ходе последующего процесса 1040 высокотемпературной пайки может достигаться самовосстановление подложки 10 или требуемого компонента, по меньшей мере, частично вследствие осаждения материала сплава-припоя в ходе LMD-процесса. Это может приводить к устранению минимального растрескивания, которое может происходить в процессе сварки, например, с помощью заключительного процесса высокотемпературной пайки. Дополнительно или в качестве альтернативы способ 1000 может включать в себя этапы финишной обработки требуемого компонента. Следует понимать, что технологии восстановления поврежденного компонента могут потребовать выполнения этапов по снятию поврежденного компонента, например с турбомашины, и, таким образом, способ 1000 восстановления может также включать в себя этапы извлечения компонента в дополнение к предварительному нагреву или обработке компонента на твердый раствор, прежде чем компонент подвергнется LMD-процессу или последующему процессу пайки.
[0032] Следует понимать, что аспекты приведенных в качестве примера систем, раскрытых в настоящем описании, например LMD-системы, системы принудительной подачи и/или насосной системы, сенсорной системы и т.д., могут быть реализованы с помощью любой соответствующей процессорной системы с использованием любого надлежащего языка программирования или способа программирования. Система может принимать форму любой надлежащей схемы, например, содержать вариант осуществления аппаратного обеспечения, вариант осуществления программного обеспечения или вариант осуществления, содержащий одновременно элементы аппаратного обеспечения и программного обеспечения. В одном варианте осуществления система может быть реализована посредством программного обеспечения и аппаратного обеспечения (например, процессора, датчиков и т.д.), которые могут включать в себя, в частности, резидентное программное обеспечение, микрокод и т.д.
[0033] Кроме того, части процессорной системы могут принимать форму компьютерного программного продукта, доступного на используемом процессором или считываемом процессором носителе, предоставляющем программный код для использования процессором или в сочетании с процессором либо любой системой выполнения команд. Примеры носителей, считываемых процессором, могут включать в себя энергонезависимые материальные носители, считываемые процессором, например полупроводниковое или твердотельное ЗУ, магнитную ленту, съемную компьютерную дискету, ЗУ с произвольной выборкой (RAM), постоянное ЗУ (ROM), жесткий магнитный диск и оптический диск. Примерами современных оптических дисков служат ПЗУ на компактных дисках (CD-ROM), компакт-диск с многократной записью (CD-R/W) и DVD.
[0034] В то время как подробно описаны конкретные варианты осуществления, средние специалисты в данной области техники поймут, что в них могут быть внесены различные изменения и предложены альтернативные решения в свете общей идеи изобретения. Например, элементы, описанные в связи с разными вариантами осуществления, могут быть объединены. Таким образом, подразумевается, что раскрытые конкретные схемы носят лишь иллюстративный характер и их не следует толковать как ограничивающие объем изобретения, определяемый прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами. Следует отметить, что термин "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, а артикль "a" или "an" не исключает множественности.

Claims (29)

1. Система (100) для производства по аддитивной технологии или восстановления компонента, выполненного из суперсплава, из основного материала (10), содержащая
систему (200) для лазерной наплавки (LMD), содержащую
лазерный источник (202) энергии, выполненный с возможностью направления лазерной энергии к основному материалу для образования на нем сварочной ванны и для лазерной обработки добавочных материалов, осажденных в сварочную ванну, для образования слоя добавочных материалов на основном материале, и
средство (300) для охлаждения основного материала в процессе лазерной обработки,
причем средство (300) для охлаждения включает в себя жидкую охлаждающую среду для частичного погружения в упомянутую жидкую охлаждающую среду основного материала.
2. Система по п.1, в которой добавочный материал содержит по меньшей мере основной металлический порошок или металлический порошок припоя.
3. Система по п.1, в которой средство для охлаждения основного материала представляет собой систему охлаждения, содержащую емкость (302), выполненную с возможностью удерживания основного материала в процессе лазерной обработки и функционально связанную со средством для выдачи охлаждающей среды в емкость для охлаждения основного материала до требуемой температуры охлаждения.
4. Система по п.3, в которой емкость содержит входной канал (304) и выходной канал (306) для управления потоком охлаждающей среды в емкости.
5. Система по п.4, в которой средство для выдачи охлаждающей среды представляет собой насосную систему (350), функционально связанную по меньшей мере с входным каналом емкости для выдачи в нее охлаждающей среды.
6. Система по п.5, в которой насосная система содержит насос, соединенный с входным каналом для выдачи охлаждающей среды, и контроллер для управления потоком и количеством охлаждающей среды для достижения требуемой температуры охлаждения.
7. Система по п.6, дополнительно содержащая сенсорную систему (400), функционально связанную с насосной системой для измерения температуры по меньшей мере основного материала или охлаждающей среды в емкости, и для подачи измеренной температуры на контроллер для управления потоком и количеством для достижения требуемой температуры охлаждения и для поддержания требуемой температуры охлаждения с целью высвобождения сварочного тепла из основного материала.
8. Система по п.1, в которой LMD-система дополнительно содержит приспособление (210) для осаждения, функционально связанное с системой принудительной подачи и выполненное с возможностью доставки добавочных материалов для лазерной обработки после их осаждения.
9. Система по п.8, в которой приспособление для осаждения функционально связано с лазерным источником энергии для лазерной обработки доставленных добавочных материалов.
10. Способ аддитивного производства или восстановления компонента, содержащий
подготовку подложки из основного материала (BMS) для обработки путем лазерной наплавки (LMD),
частичное погружение подложки из основного материала (BMS) в жидкую охлаждающую среду,
охлаждение BMS с использованием упомянутой жидкой охлаждающей среды до температуры в диапазоне температур охлаждения, вызывая эффект охлаждения BMS,
поддержание температуры в этом диапазоне температур охлаждения, и
при поддержании упомянутой температуры BMS или после достижения диапазона температур охлаждения инициацию LMD-обработки BMS путем плавления по меньшей мере участков BMS и осаждение добавочных материалов в расплавленные участки для образования наращенного слоя добавочных материалов на BMS.
11. Способ по п.10, в котором этап подготовки BMS включает в себя помещение BMS в емкость, при этом средство охлаждения функционально связано с емкостью для охлаждения BMS до температуры в диапазоне температур охлаждения.
12. Способ по п.11, в котором средство охлаждения содержит систему распределения охлаждающей среды, функционально связанную с емкостью и выполненную с возможностью выдачи охлаждающей среды в емкость для охлаждения BMS и для управления потоком и количеством охлаждающей среды для достижения требуемой температуры в диапазоне температур охлаждения.
13. Способ по п.12, в котором система распределения охлаждающей среды содержит насосную систему, выполненную с возможностью выдачи охлаждающей среды и управления потоком и количеством охлаждающей среды в емкости.
14. Способ по п.13, в котором система распределения охлаждающей среды функционально связана с сенсорной системой, выполненной с возможностью измерения температуры охлаждающей среды и/или температуры BMS, при этом насосная система регулирует поток и количество охлаждающей среды частично на основе температур, измеренных сенсорной системой.
15. Способ по п.12, в котором охлаждающую среду выбирают из жидкого азота, жидкого аргона и жидкого гелия.
16. Способ по п.10, в котором добавочные материалы содержат, по меньшей мере основной металлический порошок или металлический порошок припоя.
17. Способ по п.16, в котором добавочные материалы имеют схожий или тот же химический состав, что и BMS.
18. Способ по п.10, дополнительно содержащий
пайку BMS или по меньшей мере ее участков для получения требуемого компонента.
19. Способ по п.10, в котором основной материал представляет собой основной материал суперсплава.
RU2020110516A 2017-08-15 2017-08-15 ЛАЗЕРНОЕ ОСАЖДЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ДЛЯ СУПЕРСПЛАВОВ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ γ'-ФАЗЫ С ЭФФЕКТОМ ОХЛАЖДЕНИЯ RU2738121C1 (ru)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/US2017/046901 WO2019035810A1 (en) 2017-08-15 2017-08-15 DEPOSITION OF LASER METAL OF HIGH-GAMMA-PREMIUM SUPER-ALLOYS WITH COOLING EFFECT

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2738121C1 true RU2738121C1 (ru) 2020-12-08

Family

ID=59677464

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020110516A RU2738121C1 (ru) 2017-08-15 2017-08-15 ЛАЗЕРНОЕ ОСАЖДЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ДЛЯ СУПЕРСПЛАВОВ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ γ'-ФАЗЫ С ЭФФЕКТОМ ОХЛАЖДЕНИЯ

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20210370441A1 (ru)
EP (1) EP3668679B1 (ru)
JP (1) JP6968981B2 (ru)
KR (2) KR102402462B1 (ru)
CN (1) CN111212703A (ru)
RU (1) RU2738121C1 (ru)
WO (1) WO2019035810A1 (ru)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110280903A (zh) * 2019-07-01 2019-09-27 深圳市通发激光设备有限公司 一种节能型半导体光源模具激光增材修复系统
FR3100001B1 (fr) 2019-08-22 2023-04-14 Safran Aircraft Engines Procede de fabrication additive d’une piece de turbomachine
KR102287256B1 (ko) * 2020-03-16 2021-08-09 한국생산기술연구원 심냉온도의 정밀 전자빔 가공장치 및 가공방법
CN113967793A (zh) * 2020-07-23 2022-01-25 中国科学院沈阳自动化研究所 一种面向铝合金激光增材修复的成形质量控制方法
CN112372232A (zh) * 2020-11-05 2021-02-19 哈尔滨理工大学 一种阵列喷射修复模具的方法和装置
FR3121373A1 (fr) * 2021-04-06 2022-10-07 Institut De Recherche Technologique Jules Verne Procédé de fabrication additive d’une pièce métallique
US20220410275A1 (en) * 2021-06-24 2022-12-29 Wisconsin Alumni Research Foundation High Energy 3-D Printer Employing Continuous Print Path
CN117840459A (zh) * 2024-03-06 2024-04-09 东北大学 一种配备冷却系统的激光定向能量沉积系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2105084C1 (ru) * 1996-06-11 1998-02-20 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное культурно-просветительское объединение "Благовест" Способ федорова л.е. защиты металлов от окисления
EP1637274A1 (en) * 2004-09-16 2006-03-22 Rolls-Royce Plc Forming structures by laser deposition
RU2533572C2 (ru) * 2012-12-20 2014-11-20 Общество с ограниченной ответственностью "СВЧ ЛАБ" Способ лазерной сварки тонкостенных труб
WO2015109102A1 (en) * 2014-01-20 2015-07-23 United Technologies Corporation An additive manufacturing system utilizing an epitaxy process and method of operation
EP3132885A1 (en) * 2015-08-20 2017-02-22 General Electric Company Apparatus and method for direct writing of single crystal super alloys and metals
RU2015131829A (ru) * 2013-01-31 2017-03-10 Сименс Энерджи, Инк. Обработка материалов через оптически прозрачный шлак

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9168328B2 (en) * 2005-02-25 2015-10-27 Drexel University Layered manufacturing utilizing foam as a support and multifunctional material for the creation of parts and for tissue engineering
JP2010153278A (ja) * 2008-12-26 2010-07-08 Hitachi High-Technologies Corp 荷電粒子線加工装置
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
WO2015058182A1 (en) * 2013-10-18 2015-04-23 +Mfg, LLC Method and apparatus for fabrication of articles by molten and semi-molten deposition
US9694423B2 (en) * 2015-04-09 2017-07-04 Siemens Energy, Inc. Laser additive manufacturing using filler material suspended in a liquid carrier
EP3362266B1 (en) * 2015-10-15 2021-09-01 The Regents of the University of California Apparatus and method for cryogenic 3d printing
US10583532B2 (en) * 2015-12-28 2020-03-10 General Electric Company Metal additive manufacturing using gas mixture including oxygen
CN105414746B (zh) * 2015-12-30 2017-08-25 哈尔滨工业大学 一种同步冷却辅助的基于激光增材制造的连接方法
CN106077647B (zh) * 2016-07-27 2018-04-06 湖南大学 一种激光增材制造镍基高温合金过程中控制脆性Laves相的方法
JP2018118306A (ja) * 2016-11-08 2018-08-02 ザ・キュレイターズ・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・ミズーリＴｈｅ Ｃｕｒａｔｏｒｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｓｓｏｕｒｉ 箔ベースの付加製造システムおよび方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2105084C1 (ru) * 1996-06-11 1998-02-20 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное культурно-просветительское объединение "Благовест" Способ федорова л.е. защиты металлов от окисления
EP1637274A1 (en) * 2004-09-16 2006-03-22 Rolls-Royce Plc Forming structures by laser deposition
RU2533572C2 (ru) * 2012-12-20 2014-11-20 Общество с ограниченной ответственностью "СВЧ ЛАБ" Способ лазерной сварки тонкостенных труб
RU2015131829A (ru) * 2013-01-31 2017-03-10 Сименс Энерджи, Инк. Обработка материалов через оптически прозрачный шлак
WO2015109102A1 (en) * 2014-01-20 2015-07-23 United Technologies Corporation An additive manufacturing system utilizing an epitaxy process and method of operation
EP3132885A1 (en) * 2015-08-20 2017-02-22 General Electric Company Apparatus and method for direct writing of single crystal super alloys and metals

Also Published As

Publication number Publication date
JP6968981B2 (ja) 2021-11-24
CN111212703A (zh) 2020-05-29
KR102402462B1 (ko) 2022-05-25
KR20200040828A (ko) 2020-04-20
EP3668679A1 (en) 2020-06-24
WO2019035810A1 (en) 2019-02-21
US20210370441A1 (en) 2021-12-02
KR20210044916A (ko) 2021-04-23
KR102324726B1 (ko) 2021-11-09
JP2020531287A (ja) 2020-11-05
EP3668679B1 (en) 2023-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2738121C1 (ru) ЛАЗЕРНОЕ ОСАЖДЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ДЛЯ СУПЕРСПЛАВОВ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ γ'-ФАЗЫ С ЭФФЕКТОМ ОХЛАЖДЕНИЯ
Liu et al. Effects of substrate crystallographic orientations on crystal growth and microstructure formation in laser powder deposition of nickel-based superalloy
US6333484B1 (en) Welding superalloy articles
US6998568B2 (en) Method for fabricating, modifying or repairing of single crystal or directionally solidified articles
KR100593053B1 (ko) 초내열합금 제품의 레이저 용접 방법
RU2466841C2 (ru) Способ и устройство для сварки деталей из термостойких жаропрочных сплавов
US7784668B2 (en) Repair method for propagating epitaxial crystalline structures by heating to within 0-100° f of the solidus
EP2751304B1 (en) Manufacturing a component of single crystal or directionally solidified material
JPH09110596A (ja) 単結晶ガスタービンエンジン用部品及び単結晶金属製品の補修方法
EP1593752B1 (en) Multi-component coating deposition
US20060231535A1 (en) Method of welding a gamma-prime precipitate strengthened material
JP2009056511A (ja) ニッケル基合金物品の修復方法
JPH09118592A (ja) 単結晶からなる金属部品のコンテナレス型製造方法
Alfred et al. Advanced high pressure turbine blade repair technologies
Liu et al. Control of the molten pool morphology and crystal growth behavior in laser powder deposition of single-crystal superalloy via adjusting the defocusing amount and scanning speed
CN111655414B (zh) 借助培育的激光金属沉积
EP3668680B1 (en) Laser metal deposition with cored filler wire
JP2010242610A (ja) ガスタービン部品の補修方法、ガスタービン部品及びガスタービン
US20240082938A1 (en) Additively depositing multiple braze materials
JP2015135099A (ja) タービン部品及びタービン部品の肉盛方法