DE69300501T2

DE69300501T2 - Verfahren zum Beschichten einer Vertiefung eines Nickelsubstrates mittels Laser.

Info

Publication number: DE69300501T2
Application number: DE69300501T
Authority: DE
Inventors: Didier Boucachard; Frederic Cariou; Emmanuel Kerrand
Original assignee: EUROP GAS TURBINES SA
Current assignee: EUROP GAS TURBINES SA
Priority date: 1992-03-23
Filing date: 1993-03-18
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2013-03-19
Also published as: US5372861A; EP0562920A1; DE69300501D1; FR2688803A1; EP0562920B1; FR2688803B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Nut in Form eines umgekehrten Z in einem Werkstück aus einer Nickellegierung, das eine ebene Wand hinter einer Rundung enthält. Diese Werkstücke sind insbesondere schwierig zu schweißende Gasturbinenschaufeln aus einer Nickellegierung.
Die manuellen Schweißverfahren vom Typ TIG und Miniplasma dauern viel zu lang und das Ergebnis hängt stark vom Schweißer ab.
Man könnte an ein Laserverfahren denken (siehe z.B. FR-A-2 642 690) mit einem Hochleistungslaser, um eine gute Verankerung der Schichten auf dem Grund der Nut zu erzielen, aber Tests haben gezeigt, daß die geforderten Werte hinsichtlich der Rißfreiheit nicht eingehalten werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren, mit dem eine rißfreie, abriebfeste Metallbeschichtung mit guter metallischer Haftung auf dem Substrat in den Kontaktzonen mit komplexen Formen erzielt werden kann, ist dadurch gekennzeichnet, daß man einen Laserstrahl verwendet, der bezüglich der ebenen Wand der Nut ausgerichtet und verschoben werden kann und einen festen Winkel α&sub2; bezüglich eines Pulverstrahls besitzt sowie einen Winkel α bezüglich der Senkrechten N auf der ebenen Wand der Nut bildet, während die Richtung des Pulverstrahls mit der Senkrechten N einen Winkel α+α&sub2; einschließt, daß bei der Herstellung der verschiedenen Schichten mehrere Längsdurchgänge mit konstanter Geschwindigkeit ausgehend vom Grund der Nut und in Richtung auf den Rand fortschreitend erfolgen, wobei der Treffpunkt O zwischen dem Laserstrahl und dem Pulverstrahl einige Zehntel Sekunden lang in der Innenwölbung der Nut zu Beginn jedes Längsdurchlaufs verharrt, und daß bei der Herstellung der ersten Schicht der Winkel α konstant bleibt und gleich einem Winkel α&sub1; unterhalb von 30º gewählt wird, während bei der Herstellung der nachfolgenden Schichten der Winkel α zu Beginn einen größeren Wert als α&sub1; annimmt, damit der Laserstrahl möglichst nahe bei der Senkrechten auf der Wölbung liegt, worauf der Laserstrahl und der Pulverstrahl um den Treffpunkt O gedreht werden, der unbewegt bleibt, bis der Laserstrahl den Winkel α&sub1; annimmt und seine Bewegung für den Durchgang beginnt.
Vorzugsweise wird der Kontaktpunkt O des Beginns der Durchgänge im Abrundungsbereich ins Innere des Materials gelegt.
Die Erfindung wird nun im einzelnen anhand eines bevorzugten und die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt das Werkstück mit seiner Beschichtung vor und nach der spanenden Bearbeitung.
Figur 2 zeigt das Aufbringen der ersten Schicht auf die Rundung der Nut.
Figur 3 zeigt das Aufbringen der ersten Schicht auf die ebene Wand der Nut.
Figur 4 zeigt die erste Phase des Aufbringens einer späteren Schicht auf die Abrundung der Nut.
Figur 5 zeigt die zweite Phase des Aufbringens im Anschluß an Figur 4.
Figur 6 zeigt das Aufbringen der Schicht aus den Figuren 4 und 5 auf der ebenen Seite der Nut.
Figur 7 zeigt einen Schnitt durch die Darstellung gemäß Figur 1.
Das Rohprofil 1 der Schaufel aus einer Nickellegierung ist gestrichelt in Figur 1 angedeutet. Dieses Profil ähnelt einem umgekehrten Z und enthält im Mittelbereich des umgekehrten Z eine Nut 2 bestehend aus einem abgerundeten Bereich 3 und einem daran anschließenden ebenen Bereich 4 entsprechend dem Mittelbereich des umgekehrten Z.
Die Nut 2 wird mit mehreren ebenen und zum ebenen Bereich 4 parallelen Schichten 5, 5' mit Hilfe eines CO&sub2;- Lasers beschichtet, in dessen Strahl man ein Metallpulver einspritzt.
Jede Schicht 5 besteht aus mehreren benachbarten Bändern 6, die während aufeinanderfolgender Durchgänge (siehe Figur 7) aufgebracht werden.
Die Schicht besteht aus einem abriebfesten Metall ohne Risse mit guter metallischer Bindung zum Werkstück aus der Nickellegierung.
Die Gesamtheit des Z-Profils wird dann spanend bearbeitet, um das endgültige Profil 7 zu erhalten, das in durchgezogenen Linien in Figur 1 gezeigt ist.
Der Laserstrahl 8 kann bezüglich der ebenen Wand 4 der Nut 2 ausgerichtet und verschoben werden. Die Richtung des Laserstrahls und die Richtung 9, aus der das Pulver aufgespritzt wird, bilden einen konstanten Winkel α&sub2; (siehe Figur 2).
Aufgrund der komplexen Form des Werkstücks und der Eingrenzung der zu bearbeitenden Zone neigt man den Laserstrahl 8 bezüglich der Senkrechten N auf der ebenen Wand 4 der Nut 2 um einen Winkel α von einigen 10º. Dieser Winkel hängt vom Profil der Schaufel ab.
Dieser Winkel wird so klein wie möglich gewählt, d.h. in der Praxis, daß der Strahl 8 mit der Parallelen zur Ebene des ersten Zweigs 10 des umgekehrten Z zusammenfällt oder ihr nahekommt.
So bildet der Strahl 8 einen Winkel α mit der Senkrechten N, und die Richtung 9, aus der das Pulver aufgespritzt wird, bildet einen Winkel α + α&sub2;.
Zur Herstellung der ersten Schicht (siehe Figuren 2 und 3) wird der Neigungswinkel des Laserstrahls 8 auf den Winkel α&sub1; festgelegt und während der ganzen Herstellung der ersten Schicht 5 nicht verändert. In dem dargelegten Beispiel wird für α&sub1; der Wert 25º gewählt, d.h. im wesentlichen parallel zum ersten Zweig 10 des umgekehrten Z.
Am abgerundeten Grund 3 der Nut 2 liegt der Schnittpunkt O zwischen dem Laserstrahl 8 und dem Pulverstrahl 9 im Inneren des Materials (in einer Tiefe von einigen Zehntel mm), so daß einerseits der Höhenunterschied mit dem ebenen Bereich 4 der zu beschichtenden Zone kompensiert und jede spätere Veränderung der Lage dieses Punkts beim gerade ablaufenden Durchgang vermieden wird, und andererseits der Pulverstrahl 9 hinter dem Kontaktpunkt zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück gehalten wird, um ein besseres Schmelzen des Pulvers zu gewährleisten und möglichst wenig Partikel in Richtung zum Grund der Nut 2 zu schleudern (Figur 2).
Der Schnittpunkt 0 wird im übrigen während einiger Zehntel Sekunden im Inneren des Materials ohne Verschiebung gehalten, um die Einwirkungsdauer des Laser auf das Material zu verlängern und ein Schmelzen des Materials des Werkstücks zu erreichen.
Die Einheit aus Laser 8 und Pulverstrahl 9 (bei konstantem Winkel α&sub2;) wird dann mit konstanter Geschwindigkeit bis zum Rand 11 des umgekehrten Z verschoben, wobei sich dann der Schnittpunkt zwischen Laserstrahl und Pulverstrahl auf der Substratoberfläche befindet (Figur 3).
Diese Operation wird wiederholt, bis die erste Schicht 5 aufgebracht ist.
Nun wird die Herstellung der weiteren Schichten anhand der Figuren 4 bis 6 erläutert. Für die nächste Schicht 5' (die fünfte Schicht in Figur 4) wird der Laserstrahl 8 bezüglich der Senkrechten N um einen Winkel α&sub3; geneigt, der der Senkrechten N im Krümmungsbereich möglichst nahe kommt, so daß der Laserstrahl 8 möglichst gut in dem Material absorbiert wird. Natürlich muß der Pulverstrahl 9 (der unter dem Winkel α&sub2; geneigt ist, wobei α&sub2; konstant ist und zwischen 10 und 20º liegt) oberhalb der ebenen Wand 4 verlaufen, was es ausschließt, daß der Winkel α&sub3; zu groß wird.
Der Winkel α&sub3; ist also von einer Schicht zur anderen variabel.
Wie für die Schicht 5 befindet sich der Schnittpunkt 0 zwischen Laserstrahl und Pulverstrahl im Inneren des Materials in der abgerundeten Zone. Eine Drehung der Einheit aus Laserstrahl und Pulverstrahl 8, 9 erfolgt dann an diesem Punkt in einigen Zehntel Sekunden (weniger als eine Sekunde), um die Wechselwirkungszeit zu erhöhen und den Laserstrahl 8 für den nächsten Durchgang in Stellung zu bringen.
Der Laserstrahl 8 bildet dann einen Winkel α&sub1; mit der Senkrechten N und wird wie beim Aufbringen der ersten Schicht 5 mit konstanten Werten von α&sub1; und α&sub2; vom Grund 3 der Nut 2 bis zum Rand 11 verschoben und bleibt dabei an der Oberfläche der vorher aufgebrachten Schicht (siehe Figur 6). Für jeden Durchgang beginnt man am Grund 3 mit einem Laserstrahl 8 unter einem Winkel α&sub3; (für eine bestimmte Schicht stets der gleiche), ehe man den Strahl 8 aufrichtet, der dann einen Winkel α&sub1; einnimmt, um dann zum Rand verschoben zu werden, während der Laserstrahl 8 unter einem konstanten Winkel α&sub1; geneigt bleibt.
Die so aufgebrachte Beschichtung hat dann den in Figur 7 gezeigten Aspekt, wobei die verschiedenen Schichten 5, 5' Bänder 12 bilden, die während je eines Durchgangs aufgebracht wurden.

Claims

1. Verfahren zur Beschichtung einer Nut (2) eines Z-förmigen Werkstücks aus einer Nickellegierung, wobei die Nut (2) einen abgerundeten Grund (3) in der Innenwölbung des umgekehrten Z gefolgt von einer ebenen Wand (4) entsprechend dem Mittelbereich des umgekehrten Z aufweist und wobei mehrere Schichten (5, 5') aus einem metallischen abriebfesten Material auf die ebene Wand (4) der Nut (2) aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Laserstrahl (8) verwendet, der bezüglich der ebenen Wand (4) der Nut (2) ausgerichtet und verschoben werden kann und einen festen Winkel α&sub2; bezüglich eines Pulverstrahls (9) besitzt sowie einen Winkel α bezüglich der Senkrechten N auf der ebenen Wand (4) der Nut (2) bildet, während die Richtung des Pulverstrahls (9) mit der Senkrechten N einen Winkel α+α&sub2; einschließt, daß bei der Herstellung der verschiedenen Schichten (5, 5') mehrere Längsdurchgänge mit konstanter Geschwindigkeit ausgehend vom Grund (4) der Nut (2) und in Richtung auf den Rand (11) fortschreitend erfolgen, wobei der Treffpunkt O zwischen dem Laserstrahl (8) und dem Pulverstrahl (9) einige Zehntel Sekunden lang in der Innenwölbung (3) der Nut (2) zu Beginn jedes Längsdurchlaufs verharrt, und daß bei der Herstellung der ersten Schicht (5) der Winkel α konstant bleibt und gleich einem Winkel α&sub1; unterhalb von 30º gewählt wird, während bei der Herstellung der nachfolgenden Schichten (5') der Winkel α zu Beginn einen größeren Wert als α&sub1; annimmt, damit der Laserstrahl möglichst nahe bei der Senkrechten auf der Wölbung (3) liegt, worauf der Laserstrahl (8) und der Pulverstrahl (9) um den Treffpunkt O gedreht werden, der unbewegt bleibt, bis der Laserstrahl (8) den Winkel α&sub1; annimmt und seine Bewegung für den Durchgang beginnt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Treffpunkt O zu Beginn der Durchgänge in der Innenwölbung innerhalb des Materials liegt.