借助于振动射束引导对耐高温的超合金进行激光堆焊的制作方法

本发明涉及一种用于在基底上逐层地建立由耐高温的超合金构成的涂覆的结构(涂覆结构)的方法。

背景技术：

燃气轮机的转子叶片在运行中经受高温和强的机械负荷。因此，对于这种构件优选应用耐高温的镍基超合金，所述耐高温的镍基超合金能够通过析出γ’相来加强。然而，随着时间推移，在转子叶片中会出现裂纹，所述裂纹在时间进程中进一步扩大。这种裂纹例如能够由于在燃气轮机运行中的极端的机械负荷而形成，但是所述裂纹也能够在制造过程期间就已经出现。因为由这种超合金构成的涡轮机叶片和其他的工件是耗费的和成本密集的，所以寻求：在制造中产生尽可能少的废品并且确保所制造的产品的长的使用寿命。

处于运行中的涡轮机叶片进行定期维护，并且当由于运行引起的应变不再能够容易地确保无错地工作时，必要时更换所述燃气轮机叶片。为了实现继续使用所更换的涡轮机叶片，尽可能地对其进行再加工。随后，所述涡轮机叶片能够重新使用在燃气轮机中。在这种再次加工期间，例如能够需要将涂覆结构在受损的区域中堆焊到损坏的工件上，以便再次建立工件的原始壁厚或形状。这可能能够在例如通过铣削来移除损坏部位之后发生。

具有在制造过程中就已经形成的裂纹的涡轮机叶片也能够以这种方式借助堆焊变为适用的，使得能够减少在制造时产生的废品。

然而，多种耐高温的超合金借助于常规的焊接方法仅能够困难地焊接。所产生的涂覆结构通常具有不令人满意的材料特性，这能够归因于在堆焊期间熔化的材料凝固时构成柱状的凝固前沿。

因此，存在对于对如下焊接方法的需求：所述焊接方法尤其适合用于耐高温的超合金，如γ’凝固的镍基超合金，并且不具有或仅少量地具有上述缺点。

技术实现要素：

因此，本发明引入一种用于在基底上、例如在工件如燃气轮机叶片上逐层地建立由耐高温的超合金构成的涂覆结构的方法。在该方法中，将含有耐高温的超合金的构建材料施加到基底上，并且将其由能量束在工作点处熔化。尤其能够将激光束、优选连续的激光束用作为能量束。构建材料例如能够作为粉末或作为线供给。所述构建材料优选在借助能量束进行加工期间连续地供给，这在粉末状的构建材料的情况下例如能够通过运载气体或者在应用线状的构建材料的情况下通过推进所述线来进行。

工作点沿着主运动方向在基底之上引导，并且在此横向于主运动方向振荡。在此，根据本发明，工作点从涂覆结构的相应的层的第一边缘振荡至涂覆结构的该相应的层的第二边缘。在此，将离开第一和第二边缘中的相应的边缘和直接紧随该离开的返回到第一和第二边缘中的该相应的边缘之间的时间间隔确定为，使得在该时间间隔期间，在第一和第二边缘中的相应的边缘处的熔池(Schmelzbad)凝固成糊状区。将由液态的和大量的无序凝固的组成成分构成的混合物称作为糊状区(英文“mushy zone”)。

本发明通过如下方式抑制不期望的柱状生长：将在堆焊期间在相应的时间点且在相应位置处形成的熔池在能量束返回之前在该位置处(或者用于在其附近沿主运动方向的运动)将冷却成糊状区的熔池重新熔化，其中所述能量束的返回通过横向于主运动方向的振荡运动引起。

通过横向于主运动方向的振动运动，减小糊状区正交于固相线边界面的扩展，进而减小微观偏析的程度和减少莱夫斯相的析出。此外，实现如下凝固条件：所述凝固条件有助于球状生长。通过重复地再熔化枝状晶能够将枝状晶片段保留在熔融物中，并且将其提供作为用于球状生长的核。在堆焊时，寻求涂覆结构中的球状生长，因为具有柱状生长的涂覆结构倾向于形成裂纹。

由于工作点沿着主运动方向运动，相应的部位随时间推移在工作点继续返回时越来越少地加热，使得在该处施加的涂覆材料最终能够完全凝固。然而，本发明在这种情况下具有其他优点：涂覆结构的相应的层在其整个宽度之上能够在一个工序中构建，其中也能够建立具有变化宽度的涂覆结构。根据本发明的方法能够以这种方式实现尤其快速地制造要建立的涂覆结构。

如果借助根据本发明的方法能够将变化宽度的涂覆结构施加到基底上，那么相应地增大横向于主运动方向的振动运动的振幅。在此，当要建立的涂覆结构的宽度增加时，能够降低工作点沿主运动方向的速度，或者当要建立的涂覆结构的宽度减小时，提高该速度。附加地或替选地，能够调整能量束的功率，其中当要建立的涂覆结构的宽度增加时，能够提高功率，并且当要建立的涂覆结构的宽度减小时，能够降低功率。

工作点例如能够以正弦形的运动在基底之上引导。但是也可行的是：除了横向于主运动方向的运动之外，工作点也能够沿主运动方向交替地执行向前和向后运动，使得平均地得到工作点沿主运动方向的运动，但是工作点也相对于主运动方向振荡。这意味着，例如能够沿着主运动方向以具有恒定速度的运动和振荡运动叠加的方式引导工作点。

涂覆结构能够由多个相叠地设置的层形成，其中尤其优选地，设置在第一层上的第二层的边缘能够突出于第一层的边缘。在此，突出于第一层的边缘的第二层在通过能量束熔化期间由于表面张力效应而保持在所述第一层的边缘处。第二层的边缘例如能够突出于第一层的边缘10微米至100微米的距离。在此，各个可能的突出部还能够受到熔池的直径影响。在这种情况下，工作点横向于主运动方向的振动有利地增大熔池的直径，使得根据本发明的方法尤其适合于产生较大的突出部。

通过该突出部可行的是：建立如下涂覆结构：所述涂覆结构的边缘突出于基底的边缘100微米或更大的距离，这得到如下优点：具有涂覆结构的基底在该方法结束之后能够通过铣削或类似的方法而形成最终期望的形状。在这种情况下，如果涂覆结构不突出于基底的边缘或突出于基底的边缘少于100微米，那么不必采用在此使用的铣削工具，或者必须引导成，使得剥离比期望更多的材料。

在如下时间间隔期间工作点从涂覆结构的相应的层的第一边缘运动至第二边缘并且返回，所述时间间隔能够为5毫秒和100毫秒之间、优选为10毫秒和50毫秒之间。因此，工作点优选横向于主运动方向从进行处理的层的一个边缘到另一边缘每秒运动多次。

工作点沿着主运动方向的平均速度能够位于100毫米每分钟和1000毫米每分钟之间、优选位于300毫米每分钟和700毫米每分钟之间。根据本发明的方法能够实现在建立涂覆结构时高的工作速度。工作点的绝对速度由于横向于主运动方向的振动运动而显著更高，例如为位于2500毫米每分钟和10000毫米每分钟之间、优选位于4000毫米每分钟和8000毫米每分钟之间。

涂覆结构的相应的层的第一边缘和第二边缘之间的间距优选为1毫米和10毫米之间、尤其优选为1毫米和4毫米之间。在该宽度的涂覆结构中，能够实现最佳的结果。对于显著较大的宽度而言，该方法的参数能够不再具有实用的数值。

根据本发明的方法尤其适合用于加工涡轮机部件、如导向叶片或转子叶片。因此，基底优选是燃气轮机叶片，其中涂覆结构施加在燃气轮机叶片的尖部上或者施加在燃气轮机叶片的叶片平台的上面上或侧面上。燃气轮机的尖部和叶片平台在燃气轮机运行时经受最大的磨损。

附图说明

下面，根据实施例的附图详细阐述本发明。附图示出：

图1示出燃气轮机的燃气轮机叶片的立体图；

图2示出具有通过根据本发明的方法建立的涂覆结构的燃气轮机叶片的部分视图；和

图3示出贯穿通过根据本发明的方法建立的涂覆结构的横截面的部分视图。

具体实施方式

图1示出燃气轮机叶片100的立体图，所述燃气轮机叶片能够是转子叶片或导向叶片并且沿着纵轴线121延伸。

燃气轮机能够在飞行器中用于驱动或者在电厂中用于发电。

叶片100沿着纵轴线121相继具有固定区域400、邻接于固定区域的叶片平台403以及叶身406和叶片尖部415。

如果燃气轮机叶片100构成为导向叶片，那么其在其叶片尖部415处能够具有另一平台(未示出)。

在固定区域400中形成叶根183，所述叶根用于将燃气轮机叶片100固定在轴或盘上(未示出)。

叶根183例如能够构成为锤头形根、圣诞树形根或燕尾形根。

在常规的叶片100中，在叶片100的全部区域400、403、406中优选应用实心金属材料、尤其超合金。这种超合金例如从EP 1 204 776 B1、EP 1 306 454、EP 1 319 729 A1、WO 99/67435或WO 00/44949中已知。

在这种情况下，叶片100能够通过铸造法、也借助于定向凝固、通过锻造法、通过铣削法或其组合制成。

具有一个或多个单晶结构的工件用作为用于机器的构件，所述构件在运行中经受高的机械的、热学的和/或化学的负荷，如这在燃气轮机中是这种情况。

这种单晶工件的制造例如通过由熔融物的定向凝固来进行。在此，这是一种浇注法，其中液态金属合金凝固为单晶结构、即单晶工件，或者定向凝固。

在这种情况下，枝状晶体沿热流定向，并且形成柱状晶体的晶粒结构(柱状地，也就是说在工件的整个长度上分布的晶粒，并且在此根据一般的语言习惯称为定向凝固)，或者形成单晶结构，即整个工件由唯一的晶体构成。在这些方法中，必须避免过渡成球形(多晶的)凝固，因为通过非定向的生长不可避免地构成横向和纵向晶界，所述横向和纵向晶界使定向凝固的或单晶的构件的良好特性不起作用。

如果一般性地提到定向凝固组织，则是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的单晶和确实具有沿纵向方向分布的晶界但不具有横向晶界的柱状晶体结构。第二种所提到的晶体结构也称为定向凝固组织(directionally solidified structures)。

这种方法从US-PS 6,024,792和EP 0 892 090 A1中已知。

同样地，叶片100能够具有抗辐射和氧化的覆层，例如(MCrAlX；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素并且代表(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素，或者铪(Hf))。这种合金例如从EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1或EP 1 306 454 A1中已知。

该密度优选为理论密度的95％。

在MCrAlX层(作为中间层或作为最外层)上形成用于保护的氧化铝层(TGO＝thermal grown oxide layer热生长氧化层)。

优选地，层组分具有Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si或Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y。除了该钴基的保护覆层之外，也优选应用镍基的保护层，如Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re或Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re或Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Re。

在MCrAlX上还能够存在隔热层，所述隔热层优选是最外层，并且例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2构成，即其通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。隔热层覆盖整个MCrAlX层。

通过适当的覆层方法、即例如电子束蒸镀(EB-PVD)在隔热层中产生枝状晶粒。

也能够考虑其他的覆层方法，例如大气等离子喷涂(APS)、LPPS(低压等离子喷涂)、VPS(真空等离子喷涂)或CVD(化学气相沉积)。隔热层能够具有多孔的、存在微裂纹或宏裂纹的晶粒，以用于更好的热冲击抗性。因此，隔热层优选比MCrAlX层更多孔。

再处理(Refurbishment)意味着，在使用构件、如燃气轮机叶片100之后，必要时必须将保护层从构件、如燃气轮机叶片100去除(例如通过喷砂)。接着，去除腐蚀层和/或氧化层或腐蚀产物和/或氧化产物。必要时，还修复在构件中的裂缝。特别地，也能够需要：补充叶片尖部415的区域中的或叶片平台403的边缘处的结构，以便重建燃气轮机叶片100的原始的未损坏的形状。然后，进行构件的再覆层以及构件的重新使用。

图2示出具有通过根据本发明的方法建立的涂覆结构420的燃气轮机叶片100的部分视图。涂覆结构420当前设置在燃气轮机叶片100的叶片尖部415上。在所示出的示例中，设有两个细长的壁部，所述壁部设置在叶片尖部415的相对置的边缘处并且每个壁部本身都代表涂覆结构420。壁部的高度和宽度能够位于0.5毫米和一厘米之间。涂覆结构420在转子叶片中能够设置用于将叶片尖部415相对于气体路径的相对置的壁部密封。对此，转子叶片的几何形状选择成，使得在燃气轮机运行中通过机械和热膨胀引起叶片尖部415与壁部接触，由此叶片尖部415或设置在其上的涂覆结构420精确地被磨削至所需要的程度。同时，由此实现叶片尖部415与壁部紧密的密封。在再处理时，能够将新的涂覆结构420施加到已经使用的且经修理的燃气轮机叶片上，以便在燃气轮机重新投入使用之后能够重新执行所描述的流程。

根据本发明的方法提出：逐层地构建每个涂覆结构420，并且在此沿着涂覆结构420的长的伸展方向作为主运动方向引导能量束，所述能量束用于熔化粉末状的构建材料，其中工作点在横向于主运动方向的振荡运动中从涂覆结构420的一个边缘运动至相对置的边缘。由此能够建立具有上述优点的涂覆结构。

图3示出贯穿通过根据本发明的方法建立的涂覆结构420的横截面的部分视图，所述涂覆结构包括多个彼此相叠地设置的层501至507。显然能够设有其他的层。层501至507设置在叶片尖部415上，所述叶片尖部用作为基底。首先，施加层501，随后在所述层上施加层502等。通过各个层501至507中的双箭头示出工作点在每个层501至507的宽度之上的运动。主运动方向在图3中伸展到绘图的纵深中。

所示出的是：工作点在此所经过的路程随着层501至507的宽度变化。与之相应地，能够根据要建立的涂覆结构420的几何形状调整工作点对于该路程所需要的时间间隔。根据本发明的方法实现：建立层501至507，所述层突出于基底415的边缘。在这种情况下，每个单独的层能够突出于位于其下的层的距离能够通过相应的构建材料和层或基底415的几何形状限制。因此，能够在多个层501至507之上形成期望的突出部430，当前是在分别比相应地直接位于其下的结构伸出更远的层501、502和503之上形成突出部。以这种方式例如能够形成100微米至200微米的突出部430，所述突出部对于借助铣削刀具等对工件进行再加工是有利的。在涂覆结构420的与突出部430相对置的一侧上，能够形成角缝440，其方式为：使层501至505在涂覆结构420的该侧上随着增加的高度而回缩。这提供如下优点：涂覆结构420可靠地连接在基底415上和涂覆结构420的稳定性提高，因为，与涂覆结构直角地焊接相比，通过角缝440的半径形成更小的应力，从而在焊接材料中形成更少的裂缝。

尽管通过优选的实施例详细阐明和描述本发明的细节，然而本发明不受到所公开的示例的限制。能够由本领域技术人员从中推导出变型形式，而不会偏离本发明的保护范围，如通过下述权利要求所限定的保护范围。