WO2017174293A1 - Umschmelzen von rissen oder defekten mit gleichzeitiger erzeugung einer druckringzone - Google Patents

Umschmelzen von rissen oder defekten mit gleichzeitiger erzeugung einer druckringzone Download PDF

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    • F05D2230/30—Manufacture with deposition of material

Definitions

  • the invention relates to the remelting of cracks, in particular of a metallic substrate, wherein a pressure ring zone is generated simultaneously with the generation of a compressive stress.
  • the invention relates to the extension of the application preparation ⁇ ches of hardfacing for additive manufacturing and repair in particular hot gas components from difficult to weld nickel-based superalloys.
  • Laser Rastering Process promising results have been achieved to date for laser-beam build-up welding of hard-to-weld nickel-based superalloys with a high proportion of intermetallic phase.
  • the object is achieved by a method according to claim 1 and a device according to claim 2.
  • the existing plant technology could be used for a laser beam remelting process to close cracks or to selectively introduce a direction-dependent local grain structure for the local improvement of the thermo-mechanical properties.
  • FIG. 1 shows a device
  • Figure 2 shows a method according to the invention of the laser beam for pressure generation.
  • a remelting process can be achieved with existing scanner technology for crack closure on surfaces of turbine blades or local improvement of the thermo-mechanical properties.
  • Two different, in particular circular or ringför ⁇ -shaped can be produced almost simultaneously by the rapid From ⁇ steering zones with different temperature distribution.
  • the laser radiation is moved in an inner zone with high laser power, so that a molten area is achieved.
  • This outer ring zone is scanned around this inner zone.
  • This outer annular zone is preheated to a defined temperature, so that molten phases are avoided.
  • the two scanned zones are preferably much larger than the laser beam diameter on the
  • the two zones are thereby moved , preferably concentrically with one another, over the surface of the component. Due to the molten inner zone areas with cracks are remelted, so that the near-surface, non-continuous cracks are closed.
  • such a process can be used for the targeted introduction of a direction-dependent local grain structure. This improves locally the thermo-mechanical properties in the hot gas component.
  • the non-molten outer ring induces residual stresses around the melt inside, so that possible hot cracks in the transition area molten bath and base material are avoided ("pressed").
  • thermo-mechanical properties are the possibility of repair procedures for turbine blades made of hard-to-weld nickel-base superalloys, so that similar structural repairs are possible as well as a local improvement of the thermo-mechanical properties.
  • FIG. 1 shows a device 1 with a substrate 2 or a component 2 is shown, which has defects or cracks 4 on ⁇ 4.
  • the defects 4 are to be remelted.
  • Scanner method 10 is generated.
  • the method can be applied particularly in turbine blades, turbine components, in particular also at nickel- or kobaltba ⁇ overbased superalloys.
  • FIG. 2 shows a cross section through a Laserstrahlvertei ⁇ lung.
  • the laser beam 7 or the beam spot 5 according to FIG. 2 is traversed in a travel direction 23 and already has a zone 32 already remelted in a certain area.
  • an outer ring zone 26 which is also generated by the laser beam 7, but which is not sufficient with its laser power to achieve a molten zone.
  • the difference of the laser power is preferably min ⁇ least 20%, especially at least 40%.
  • the outer annular zone 26 is provided with a distance or a pause ⁇ ren annular zone 29 to the inner zone 20th

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Abstract

Durch die ringförmige Umschließung eines Energiestrahls, der zum Umschmelzen verwendet wird, werden Druckspannungen zwischen dem äußeren Ring (26) und der inneren Zone (20) erzeugt, die dazu führen, dass eine rissfreie Umschmelzung stattfindet.

Description

UMSCHMELZEN VON RISSEN ODER DEFEKTEN MIT GLEICHZEITIGER ERZEUGUNG EINER DRUCKRINGZONE
Die Erfindung betrifft das Umschmelzen von Rissen, insbesondere eines metallischen Substrats, wobei zur Erzeugung einer Druckspannung eine Druckringzone gleichzeitig mit erzeugt wird .
Die Erfindung betrifft die Erweiterung des Anwendungsberei¬ ches des Auftragschweißens zur generativen Fertigung und Reparatur insbesondere von Heißgaskomponenten aus schwer schweißbaren Nickelbasis-Superlegierungen . Beim sogenannten Laser Rastering Process wurden bisher vielversprechende Ergebnisse zum Laserstrahl-Auftragschweißen von schwer schweißbaren Nickelbasis-Superlegierungen mit großem Anteil an intermetallischer Phase erzielt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön¬ nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die bestehende Anlagentechnik könnte für einen Laserstrahl- Umschmelzprozess zur Schließung von Rissen oder zur gezielten Einbringung einer richtungsabhängigen lokalen Kornstruktur zur lokalen Verbesserung der thermo-mechanischen Eigenschaften eingesetzt werden.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Es zeigen Figur 1 eine Vorrichtung,
Figur 2 eine erfindungsgemäße Verfahrweise des Laserstrahls zur Druckerzeugung.
Mit vorhandener Scannertechnologie kann aufgrund der sehr schnellen Ablenkung von Laserstrahlung (3 m/s) ein Umschmelz- prozess zur Rissschließung an Oberflächen von Turbinenschau- fein oder lokalen Verbesserung der thermo-mechanischen Eigenschaften erzielt werden. Dabei können durch die schnelle Ab¬ lenkung zwei verschiedene, insbesondere kreis- oder ringför¬ mige Zonen mit unterschiedlicher Temperaturverteilung nahezu gleichzeitig erzeugt werden. Die Laserstrahlung wird in einer inneren Zone mit großer Laserleistung verfahren, so dass ein schmelzflüssiger Bereich erzielt wird.
Um diese innere Zone wird eine äußere Ringzone abgescannt. Diese äußere Ringzone wird auf eine definierte Temperatur vorgewärmt, so dass schmelzflüssige Phasen vermieden werden. Die beiden abgescannten Zonen sind dabei vorzugsweise viel größer als der Laserstrahldurchmesser auf der
Werkstückoberfläche . Die beiden Zonen (innere Zone und äußere Ringzone) werden da¬ bei vorzugsweise konzentrisch zueinander über die Oberfläche des Bauteils verfahren. Durch die schmelzflüssige innere Zone werden Bereiche mit Rissen umgeschmolzen, so dass die oberflächennahen, nicht durchgehenden Risse verschlossen werden.
Alternativ kann ein solcher Prozess zur gezielten Einbringung einer richtungsabhängigen lokalen Kornstruktur eingesetzt werden. Dadurch werden lokal die thermo-mechanischen Eigenschaften in der Heißgaskomponente verbessert.
Durch den nicht schmelzflüssigen äußere Ring werden Eigenspannungen um das Schmelzbad im Inneren herum induziert, so dass mögliche Heißrisse im Übergangsbereich Schmelzbad und Grundwerkstoff vermieden („zugedrückt") werden.
Vorteile sind die Ermöglichung zu Reparaturverfahren für Tur- binenschaufein aus schwer schweißbaren Nickelbasis-Super- legierungen, so dass artgleiche, strukturelle Reparaturen möglich sind sowie eine lokale Verbesserung der thermo-mecha- nischen Eigenschaften.
In Figur 1 ist eine Vorrichtung 1 mit einem Substrat 2 oder einem Bauteil 2 dargestellt, das Defekte 4 oder Risse 4 auf¬ weist.
Die Defekte 4 sollen umgeschmolzen werden.
Dies erfolgt mittels eines Energiestrahls 7, insbesondere eines Laserstrahls 7, der dann entsprechend durch einen
Scanner-Verfahren 10 erzeugt wird. Das Verfahren kann insbesondere bei Turbinenschaufeln, Turbinenbauteilen, insbesondere auch bei nickel- oder kobaltba¬ sierten Superlegierungen, angewendet werden.
In Figur 2 ist ein Querschnitt durch eine Laserstrahlvertei¬ lung dargestellt.
Es ist eine innere Zone 20 vorhanden, die hinreichend stark bestrahlt wird, um eine schmelzflüssige Zone in dem Substrat 2 oder im Bauteil 2 zu erzeugen, um Defekte 4 umzuschmelzen . Der Laserstrahl 7 bzw. der Strahlfleck 5 gemäß Figur 2 wird in einer Verfahrrichtung 23 verfahren und hat schon in einem bestimmten Bereich eine bereits umgeschmolzene Zone 32.
Um die innere Zone 20 ist eine äußere Ringzone 26 vorhanden, die ebenfalls durch den Laserstrahl 7 erzeugt wird, die aber mit ihrer Laserleistung nicht hinreichend ist, um eine schmelzflüssige Zone zu erzielen. Der Unterschied der Laserleistung beträgt vorzugsweise min¬ destens 20%, insbesondere mindestens 40%.
Die äußere Ringzone 26 ist mit einem Abstand bzw. einer inne¬ ren Ringzone 29 zur inneren Zone 20 vorhanden.
In dem Bereich zwischen äußerem Ring 26 und innerer Zone 20 findet keine Laserbeaufschlagung statt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren
zum Umschmelzen von Rissen (4) oder Defekten (4),
insbesondere in metallischen Substraten (2),
mittels eines Energiestrahls (7),
insbesondere mittels eines Laserstrahls (7),
wobei ein Strahlfleck (5) mit zwei verschiedenen und von- einander getrennten Zonen (20, 26) erzeugt wird,
bei dem eine innere Zone (20) vorhanden ist,
die aufgrund höherer Energieleistung zur flüssigen Phase im Substrat (2) und Umschmelzung von Defekten (4) führt, und eine von der inneren Zone (20) beabstandete äußere Ringzone (26) mit geringer Energieleistung,
so dass zwischen der äußeren Ringzone (26) und der inneren Zone (20) eine innere Ringzone (29) mit Druckspannungen er¬ zeugt wird, in dem keine Bestrahlung mit einem
Energiestrahl (7) erfolgt,
wobei in der äußeren Ringzone (26) keine flüssige Phase er¬ zeugt wird.
2. Vorrichtung (1),
insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens gemäß An¬ spruch 1,
die eine Auflage oder eine Halterung für ein Substrat (2) eines Bauteils (2) aufweist,
die einen Energiestrahl (7),
insbesondere einen Laserstrahl (7),
erzeugen kann,
der einen Strahlfleck (5) mit zwei verschiedenen und voneinander getrennte Zonen (20, 26) erzeugen kann,
und entsprechende Mittel,
insbesondere einen Scanner (10),
aufweist,
der (10) eine innere Zone (20) mit hoher Energieleistung zur Erzeugung einer flüssigen Phase im Substrat (2) oder im Bauteil (2)
und einer davon beabstandeten äußeren Ringzone (26) mit geringerer Energieleistung erzeugen kann.
3. Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem oder bei der Turbinenteile bearbeitet werden.
4. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3,
bei dem oder bei der nickel- oder kobaltbasierte Legierun¬ gen bearbeitet werden.
5. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4,
bei dem die innere Zone (20) und/oder äußere Ringzone (26) kreis- oder ovalförmig ist.
6. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,
bei dem nur eine innere Zone (20) und nur eine äußere
Ringzone (26) vorhanden sind.
7. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6,
bei dem der Unterschied in der Laserleistung für die innere
Zone (20) und der äußeren Ringzone (26) mindestens 20%, insbesondere mindestens 40%,
beträgt .
8. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,
bei dem die beiden abgescannten Zonen (20, 26) größer sind als der Laserstrahldurchmesser auf der Oberfläche des Substrats (2 ) ,
insbesondere mindestens 50% größer.
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