DE69617086T2

DE69617086T2 - Verfahren zum Ausbessern metallischer Einkristallgegenstände

Info

Publication number: DE69617086T2
Application number: DE69617086T
Authority: DE
Inventors: David Henry Abbott; James Peter Aduskevich; Dorothea Nadette Carraway; Raymond Paul Langevin; Marcin, Jr.; Justin Andrea Neutra; Marc R. Sauerhoffer; Dilip M. Shah; Richard Alan Stone
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1995-05-01
Filing date: 1996-04-25
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2016-04-26
Also published as: TW326009B; EP0740976A1; JPH09110596A; DE69617086D1; US5914059A; EP0740976B1; JP4094690B2

Description

Die gegenwärtige Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reparieren eines Defekts in einem Einkristallmetallgegenstand gemäß der Präambel nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Reparieren eines Defekts in einem Metallgegenstand gemäß der Präambel nach Anspruch 3.
Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich allgemein auf die Reparatur von Metallgegenständen und insbesondere auf die Reparatur von Einkristallgasturbinenmotorkomponenten.
Moderne Gasturbinenmotoren arbeiten bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten und hohen Temperaturen für erhöhte Leistung und Wirksamkeit. Somit müssen die Materialien, aus denen Gasturbinenmotorkomponenten hergestellt sind, fähig sein, dieser harten Betriebsumgebung zu widerstehen.
Die meisten Hochtemperaturgasturbinenmotorkomponenten sind aus Superlegierungen auf Nickelbasis hergestellt, die Legierungen sind, spezifisch entwickelt für hohe Temperatur und Anwendungen hoher mechanischer Beanspruchung. Superlegierungen werden oft in die Komponentenform gegossen. Beispielsweise ist richtungsabhängige Verfestigung in der Technik bekannt. Diese Gießtechnik richtet Korngrenzen parallel zu der Spannungsachse aus. Diese Ausrichtung vergrößert erhöhte Temperaturstärke. Richtungsabhängige Verfestigung richtet die Körner unter Minimieren von Fehlinitiierungsstellen aus, weil Hochtemperaturversagen üblicherweise an den Grenzen zwischen Metallkristallen auftritt.
Eine Ausdehnung der zuvor genannten Technik ist Einkristallgießen. Gießen von Legierungen in Einkristallform eliminiert innere Kristallgrenzen in der fertiggestellten Komponente. Einzelkristallturbinenmesser und -flügel besitzen überlegene Eigenschaften wie Stärke, Duktilität, Rißbeständigkeit bei hohen Betriebstemperaturen. Somit werden Einkristallkomponenten umfassend in dem Turbinenabschnitt von Gasturbinenmotoren verwendet.
Obwohl Einkristallmotorkomponenten wünschenswert sind, sind sie äußerst teuer herzustellen. Defekte treten oft während Herstellen wie auch nach ausgedehntem Motorbetrieb auf. Bei Nachweis von Rissen oder anderen Defekten muß die Komponente repariert oder ersetzt werden. Es gibt gegenwärtig kein wirksames Reparaturverfahren, das fähig zum Wiederherstellen einer Einkristallkomponente in ihre ursprüngliche Kristallmorphologie und Eigenschaften ist. Dieses zieht beträchtliche Kosten in der Industrie nach sich.
Die erfolgreiche Verwendung von herkömmlichen Techniken zum Reparieren von Einzelkristallkomponenten ist wegen nachlässiger Kristallgrenzeinführung und Verfestigungsrißbilden nicht vollendet worden. Viele Schweißtypverfahren sind charakterisiert worden, als daß sie "Einkristallreparatur" zur Verfügung zu stellen, jedoch führen diese Verfahren unveränderlich Grenzen ein, was zu reduzierten mechanischen Eigenschaften führt.
Die meisten Reparaturverfahren des Standes der Technik haben gemäß unserer Kenntnis fein fokussierte Laserstrahlen von Hochleistungsdichte zum in Wechselwirkung treten mit dem Metallsubstrat verwendet. Das Ergebnis ist Rißbilden aufgrund von mindestens zwei Phänomenen gewesen. Das erste Phänomen bezieht sich auf eine hohe Verfestigungsrate. Die hohe Verfestigungsrate rührt von dem Hochtemperaturunterschied zwischen dem durch Laserstrahl erzeugten geschmolzenen Pool und dem Substrat her. Dieser Temperaturunterschied ist eine Konsequenz der schnellen Heizgeschwindigkeit, die nicht erlaubt, daß das ungeschmolzenes Substrat irgendeine beträchtlich erhöhte Temperatur erzielt. Dieses bedeutet, daß, wenn der Laserstrahl sich weiter bewegt oder abgeschaltet wird, das geschmolzene Oberflächenteil sich rasch verfestigt, weil das Substrat als eine äußerst wirksame Hitzesenke wirkt.
Genauer, die Hochleistungsdichten und kurzen Aussetzungszeiten führen zu hohen Wärmegradienten und hohen Kühlgeschwindigkeiten, die zu schnellen Verfestigungsraten führen. Diese Art von lokalisiertem Schmelzen und Verfestigung kann Wärmespannungen während Verfestigung induzieren, was zu Rißbilden führen kann.
Das zweite Phänomen, das zu Rißbilden führt, und welches aus vielen Lehren des Standes der Technik herrührt, ist, daß der Pool tief ist und eine hohe Verhältniszahl (Tiefe zu Breite) hat. Bei der Verfestigung eines deratig relativ engen geschmolzenen Tiefpools treten verschiedene nachteilige Wirkungen auf. Beispielsweise wird der Hitzefluß seitlich weg von dem Pool wie auch herunter in das Substrat wegen des relativ hohen Verhältnisses von Tiefe zu Breite sein. Wenn die Verfestigung einen Abschluß erreicht, wird es einen hohen Spannungszustand geben, der aus der Beanspruchung der Poolwände herrührt. Die reine Wirkung eines hohen Verhältnisses ist die Einführung von Hochwinkelkorngrenzen und eines schwer erzwungenen Verfestigungszustandes. Einführung von Hochwinkelkorngrenzen reduziert die Integrität des Materials und erhöht die Zugänglichkeit zu Rißbilden. Der hohe Zwang dieser Art von Verfestigung führt zu hohen Spannungen während und nach Verfestigung, was auch zu Rißbilden führen kann. Somit neigten aus den zuvor aufgezählten Gründen Lasermetallbehandlungstechniken des Standes der Technik zu Rißbilden und sind allgemein schwierig zu verwenden gewesen.
Es hat Versuche gegeben, einige dieser Probleme zu erleichtern. Diese Versuche schließen ein Vorerhitzen des Substrats unter Reduzieren von Rißbilden wie auch die Verwendung von unterschiedlichen Füllstoffmaterialien, wie Füllstoffmaterialien mit mehr Duktilität und weniger Neigung für Verfestigungsrißbilden. Unglücklicherweise sind diese Versuche, das Problem zu lösen, relativ unerfolgreich gewesen.
Die US-A-4 878 953 beschreibt ein Verfahren des Aufpolierens eines Superlegierungsgießlings, umfassend die Stufen von
Erzeugen eines Plasmabogens zwischen einer Elektrode und einem Abschnitt des unter einem elektrischen Strom zu polierenden Gießlings unter Schmelzen einer Oberfläche des Abschnitts in einen Flachpool von geschmolzenem Metall,
Liefern von Schweißpulver der gleichen Zusammensetzung wie der Superlegierungsgießling in den Bogen bei einem Punktleicht oberhalb des geschmolzenen Pools zum Erhitzen und Lieferung zu dem geschmolzenen Pool, und
anschließendes Verfestigen des gelieferten Pulvers und geschmolzenen Pools in eine Auflage, gebunden an den Gießling, und welche von der gleichen Zusammensetzung wie der Gießling ist.
Demgemäß besteht ein Verlangen nach einem Verfahren zum Reparieren eines Einkristallmetallgegenstandes, so daß der Einkristallcharakter des Gegenstandes erhalten bleibt.
Das Verfahren der gegenwärtigen Erfindung zum Reparieren eines Defekts in einem Einkristallmetallgegenstand ist in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 definiert, und das Verfahren der gegenwärtigen Erfindung zum Reparieren eines Defekts in einem Metallgegenstand ist in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 3 definiert.
Gemäß der gegenwärtigen Erfindung ist ein Verfahren zum Reparieren von Defekten in einem Metallgegenstand offenbart. Genauer, ein Verfahren zum Reparieren von Defekten in einer Einkristallgasturbinenmotorkomponente ist offenbart.
Ein Aspekt der Erfindung schließt ein Schmelzen eines Füllstoffmaterials in eine schadhafte Region auf einem Substrat unter Bedingungen, gewählt, Rißbilden zu eliminieren. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Laserstrahl oder andere geeignete Energiequelle bei einer relativ geringen Leistungsdichte zwischen 10 J/Sek·cm² (10 Watts/cm²) und 10&sup4; J/Sek·cm² (10&sup4; Watts/cm²) und einem relativ großen Durchmesser zwischen 0,254 cm (0,1 Zoll) und etwa 10 cm (4 Zoll) für eine ausgedehnte Zeitdauer (zwischen 0,1 Sekunden und 1000 Sekunden) unter Herstellen eines geschmolzenen Pools mit einer Verhältniszahl, die relativ niedrig ist, d. h. ein Flachpool, betrieben.
Material wird zu dem Pool hinzugegeben, schmilzt in den Pool und verfestigt unter Bilden einer Ablagerung. Alternativ kann das Material auf die Oberfläche vor oder während Schmelzen aufgebracht werden. Vorzugsweise ist das hinzugefügte Material Pulver mit im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung wie das Substrat. Jedoch kann in Abhängigkeit von der spezifischen Anwendung ein Material mit einer unterschiedlichen Zusammensetzung als derjenigen des Substrats gewünscht werden. Beispielsweise würde ein korrosionsbeständiges Füllstoffmaterial wünschenswert sein, wenn Korrosion ein Problem ist, und Stärke nicht so wichtig ist. In Abhängigkeit von der Natur und Ursache des Defekts kann das Material angemessen zurechtgeschnitten werden unter Verringern der Wahrscheinlichkeit, daß der Defekt wiederkehrt.
Laserstrahlbetrieb bei einer relativ geringen Leistungsdichte und großem Durchmesser bewirkt, daß Verfestigung im allgemeinen von dem Substrat nach außen gerichtet zu der Oberfläche in einer planaren Weise im Unterschied zu vorhergehenden Techniken, wobei Verfestigungsseite nicht kontrolliert wurde, auftritt.
Die gegenwärtige Erfindung löst das Problem des Rißbildens während Lasermetallverarbeiten durch beträchtliches Ändern der Laserschmelzparameter. Wohingegen im Stand der Technik Verfahren durchgeführt worden sind mit einer hohen Leistungsdichte über kurze Zeitperioden, ist gemäß der gegenwärtigen Erfindung die Leistungsdichte reduziert, und die Wechselwirkungszeit ist erhöht. Dieses ermöglicht einen beträchtichen Temperaturanstieg des Substrats unmittelbar benachbart zu dem geschmolzenen Pool zu der Zeit, da Verfestigung auftritt. Durch Beibehalten des Substrats benachbart zu dem geschmolzenen Pool bei einer relativ hohen Temperatur werden der Wärmegradient und die Verfestigungsrate verringert. Dieses reduziert die Wahrscheinlichkeit von Rißbilden. Somit eignet sich die gegenwärtige Erfindung zum Reduzieren des Wärmegradienten, Kühlgeschwindigkeit, Verfestigungsrate und Verhältniszahl (Tiefe zu Breite) des geschmolzenen Pools unter Herstellen einer rißfreien Reparatur von Einkristall.
Noch ein anderer Aspekt der Erfindung schließt ein eine erste Stufe des Schmelzen von Füllstoffmaterial in die mit Mängeln behaftete Region in dem Metallsubstrat, ermöglichend, daß Verfestigung auftritt, und erneutes Schmelzen des Füllstoffmaterials unter Bedingungen, gewählt, Rißbilden zu eliminieren. Genauer, eine Energiequelle schmilzt einen Teil des Substrats und bildet einen Pool. Die Leistungsdichte der Energiequelle kann zwischen 5 · 10³ J/Sek·cm² (5 · 10³ Watts/cm²) und 5 · 10&sup6; J/Sek·cm² (5 · 10&sup6; Watts/cm²) in Abhängigkeit von den Wärmeeingabeanforderungen des Substrats liegen. Material wird dann zu dem Pool hinzugegeben, schmilzt in den Pool und verfestigt sich unter Bilden einer Ablagerung. Alternativ kann das Material auf die Oberfläche vor oder während Schmelzen aufgebracht werden. Die Ablagerung verfestigt sich schnell bei Entfernung der Energiequelle als ein Ergebnis von Wärmeleitung in das Substrat. Die Ablagerung wird jedoch sehr wahrscheinlich Risse wegen Spannungen während Verfestigung enthalten.
Die Ablagerung (und die umgebende Region) wird dann erneut geschmolzen unter Verwenden einer Energiequelle bei einer niedrigeren Leistungsdichte und für eine längere Aussetzungszeit unter Verwenden der zuvor dargestellten Parameter für die breite Einstufenausführungsform. Die Energiequelle erhitzt das Substrat, wodurch der Wärmegradient, die Kühlgeschwindigkeit, die Verfestigungsrate wie auch die Spannungen während und nach Verfestigung vermindert werden. Es resultiert eine rißfreie Ablagerung mit keinen Kristallgrenzen.
Das Verfahren wird wiederholt, wenn verlangt, zum Reparieren des Gegenstandes. Jede Ablagerung schmilzt in das Material unterhalb jeder Ablagerung und setzt die kristallographische Orientierung des Substrats nach Verfestigung fort.
In noch einer anderen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung werden verschiedene Ablagerungen vor erneutem Schmelzen bei einer niedrigeren Leistungsdichte und für eine längere Zeit, als jeder Pool zuvor zum Bilden brauchte, gebildet. Erneutes Schmelzen wird mit einer Energiequelle mit einem Strahl durchgeführt, der einen größeren Gegenstandsoberflächenbereich bedeckt, als zuvor bedeckt war.
Ein Vorteil der gegenwärtigen Erfindung ist, daß sie den Wärmegradienten wie auch die Kühlgeschwindigkeit reduziert. Die Schrumpfspannungen von Verfestigung werden dadurch reduziert. Durch Reduzieren der Schrumpfspannungen von Verfestigung auf diese Weise wird die Neigung für Rißbildung wesentlich eliminiert.
Als ein Ergebnis ist die gegenwärtige Erfindung ideal für die Reparatur von Einkristallgasturbinenmotorkomponenten. Es ist jetzt möglich, wirksam eine Einkristallgasturbinenmotorkomponente herzustellen, die bei anfänglichem Herstellen oder bei Motorbetrieb beschädigt worden ist.
Die gegenwärtige Erfindung liefert ein echtes strukturelles Reparaturverfahren für Gasturbinenmotorkomponenten. Mit strukturell meinen wir, daß der reparierte Bereich im wesentlichen die gleichen mechanischen Eigenschaften wie das Substrat hat, sofern nicht anders gewünscht. Beinahe alle Strukturverfahren des Standes der Technik sind weniger als vollständig strukturell gewesen.
Die gegenwärtige Erfindung ermöglicht Ablagerung einer identischen Zusammensetzung auf das darunterliegende Substrat. Verfahren des Standes der Technik sind im allgemeinen Kompromisse mit der Substratzusammensetzung eingegangen, so durch die Zugabe von Schmelzdrückmitteln. Keine Zusammensetzungskompromisse sind bei der gegenwärtigen Erfindung notwendig. Jedoch können beabsichtigte Zusammensetzungsänderungen zum Verbessern der Leistung der reparierten Komponente und zum Ermöglichen, daß die Komponente besser der harten Dienstumgebung standhält, gemacht werden. Wenn beispielsweise der Defekt mit Oxidation verknüpft ist, könnte das abgelagerte Material mit einem oder mehreren Elementen, wie Al, Cr, Y, La und Ce, angereichert werden. Wenn der Defekt mit Heißkorrosion verknüft ist, könnte die reparierte Region mit Cr angereichert werden. Reparaturregionen, die stärker als das Substrat sind, können durch Erhöhen der Mengen von Materialien, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al, Ti, Ta, Nb(Cb), Mo und W, erzielt werden. Wenn jedoch eine Reparaturregion mit mehr Duktilität gewünscht wird, dann sollte die zuvor genannte Gruppe von legierungsbildenden Elementen reduziert werden.
Es ist auch möglich, die gegenwärtige Erfindung zu verwenden, Reparaturen durchzuführen, deren Zusammensetzung innerhalb der Reparaturablagerung variiert. Somit kann beispielsweise eine Reparaturablagerung eine Zusammensetzung haben, die die gleiche wie diejenige des Substrats ist, wo die Ablagerung benachbart zu dem Substrat ist, aber eine unterschiedliche Zusammensetzung benachbart zu der äußeren freien Oberfläche haben kann, wo die äußere Reparaturablagerungszusammensetzung in bezug auf Oxidationswiderstand und Heißkorrosion optimiert wird. Es ist auch möglich, eine Oberflächenzusammensetzung zu erzeugen, die optimiert wird unter zur Verfügung stellen einer anhaftenden Oberfläche zum Aufnehmen eines Schutzüberzuges. Beispielsweise sind hohe Y Spiegel befunden worden, die Anhaftung von bestimmten Schutzüberzügen zu fördern.
Es ist auch möglich, einen Schutzüberzug mit einer Einkristallmikrostruktur abzulagern, die kohärent mit dem Substrat ist. Weil Umgebungsangriff oft vorzugsweise entlang gegebener Grenzen auftritt, könnte ein derartiger Überzug erhöhte Eigenschaften relativ zu einem ähnlichen aber polykristallinen Überzug zur Verfügung stellen. Ein derartiger Einkristallüberzug muß nicht notwendigerweise die gesamte Komponente bedecken, aber könnte lokal aufgebracht werden, wo Oxidation und Heißkorrosion besonders ein Problem sind.
Die vorhergehenden und andere Merkmale und Vorteile der gegenwärtigen Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und Begleitzeichnungen offenkundiger.
Fig. 1 zeigt einen geschmolzenen Pool des Standes der Technik.
Fig. 2 zeigt einen geschmolzenen Pool der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 3 zeigt einen geschmolzenen Pool der gegenwärtigen Erfindung, einen Materialaufbau einschließend.
Fig. 4 zeigt eine Energiequelle, verwendet zum Erzeugen eines geschmolzenen Pools.
Fig. 5 zeigt ein Material, das in den geschmolzenen Pool abgelagert ist.
Fig. 6 zeigt eine Energiequelle mit einem großen Strahlendurchmesser an der Substratoberfläche.
Fig. 7a zeigt eine Röntgenbeugung von Punkt 1, die kristallographische Orientierung eines Aufbaus von Schichten auf einem Einkristallsubstrat auf Nickelbasis angebend.
Fig. 7B zeigt eine Röntgenbeugung von Punkt 2, die kristallographische Orientierung eines Aufbaus von Schichten auf einem Einkristallsubstrat auf Nickelbasis angebend.
Fig. 7C zeigt eine Röntgenbeugung von Punkt 3, die kristallographische Orientierung eines Aufbaus von Schichten auf einem Einkristallsubstrat auf Nickelbasis angebend.
Fig. 8 zeigt eine Oberansicht einer abgelagerten Struktur, genommen bei 25facher Normalvergrößerung.
Fig. 9 zeigt die kristallographische Orientierung an dem Zentrum der abgelagerten Struktur von Fig. 8.
Fig. 10 zeigt schematisch ein Turbinenmesser, repariert durch die gegenwärtige Erfindung.
Fig. 11 zeigt die Beziehung zwischen Leistungsdichte und Zeit für eine Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung im Vergleich zu einem Verfahren des Standes der Technik.
Fig. 12 zeigt eine graphische Darstellung eines Ablagerungsverfahrens des Standes der Technik.
Fig. 13 zeigt eine graphische Darstellung einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung.
Die gegenwärtige Erfindung betrifft das Schmelzen eines Füllstoffmaterials in ein Substrat unter Bedingungen, gewählt, Rißbilden zu eliminieren. Das Substrat 6 (schematisch in Fig. 1-Fig. 6 gezeigt) kann irgendein Metallgegenstand mit einem Defekt, wie ein Riß oder Spalt sein. Beispielsweise kann das Substrat 6 ein Nickelbasis-, Cobaltbasis- oder anderer Superlegierungsgegenstand sein.
Wenn das Substrat 6 ein Einkristallmetallgegenstand ist, wird die < 100> Kristallorientierung vorzugsweise durch Röntgenbeugung bestimmt. Kristalle, gezüchtet in dieser Richtung, entwickeln eine wünschenswerte in einer Richtung verlaufende Struktur. Der Bereich des Gegenstandes um den Defekt wird dann entfernt, so daß die [100] Richtung vertikal orientiert ist. Obwohl Bestimmung der < 100> Kristallorientierung aufgrund der Leichtigkeit von Kristallwachstum in dieser Richtung wünschenswert ist, ist sie nicht wesentlich für die Praxis der gegenwärtigen Erfindung.
Das Substrat 6 kann vorerhitzt werden, zu helfen, Spannungen zu reduzieren, die Feststoffzustandsrißbilden erzeugen können. Vorerhitzen kann durch verschiedene, in der Technik bekannte Verfahren durchgeführt werden, einschließlich ein Laserstrahl, ein Induktionsheizgerät, eine Quarzlampe oder ein Standard Greifertyp-Ofen.
Fig. 1 ist eine schematische Beschreibung eines Laserablagerungsverfahrens des Standes der Technik, das einen geschmolzenen Pool 8 zeigt, dessen Tiefe beträchtlich größer als seine Breite ist. Hitze fließt in die Richtung von Pfeil 1, und die Verfestigungsseite bewegt sich in die Richtung von Pfeil 5. Die Verfestigungsseite bewegt sich im allgemeinen zu der Zentrumslinie 3 von Pool 8. Spannungen resultieren, wenn die Verfestigungsseiten von entgegengesetzten Seiten von Pool 8 sich an der Zentrumslinie 3 treffen. Diese Spannung ist eine Ursache von Rißbilden in vielen Verfahren des Standes der Technik.
Fig. 2 zeigt eine schematische Veranschaulichung des Verfahrens der gegenwärtigen Erfindung, bei der der Durchmesser des Pools 8 im wesentlichen größer als die Tiefe von Pool 8 ist. Pool 8 verfestigt durch Wärmeextraktion in Richtung 9, welches bewirkt, daß die Flüssigkeit Feststoff Grenzfläche sich zu Richtung 11 bewegt, die auch zu der Oberfläche von Substrat 6 liegt. Dieses im wesentlichen planare Seitenverfestigungsverfahren reduziert Rißbildungstendenz beträchtlich, weil die Verfestigungsseite eventuell mit der freien Oberfläche von Substrat 6 wesentlich zusammentrifft. Deshalb gibt es keine Restspannungen in dem Material. Nur an den Poolecken, als 15 bezeichnet, darf die Verfestigungsseite sich nicht direkt zu der freien Oberfläche von Substrat 6 bewegen.
Somit liefert die gegenwärtige Erfindung ein Verfahren für das Oberflächenschmelzen von rißempfänglichen Metallgegenständen, ohne zu Rißbilden zu führen. Die gegenwärtige Erfindung zieht auch in Betracht, daß der in Fig. 2 gezeigte Flachpool 8 vergrößert wird durch die Zugabe von Extramaterial, typischerweise in der Form von Pulver, aber auch möglich in der Form von Draht oder Folie, unter Erzeugen eines Aufbaus 17, wie in Fig. 3 gezeigt.
Wir haben festgestellt, daß es möglich ist, die Oberfläche eines Metallsubstrats 6 aufzubauen und dadurch Defekte zu reparieren. Wichtigerweise haben wir festgestellt, daß, wenn wir die Erfindung praktizieren, wir die darunterliegende Kristallstruktur fortführen können ohne die Bildung neuer Körner oder Korngrenzen während dieses Reparaturverfahrens. Dieses ist signifikant, weil es ein Verfahren zum Reparieren von Einkristallgegenständen liefert. Dieses ist ein Kunststück, welches zuvor nicht vollendet worden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung verwenden wir einen Laserstrahl oder andere geeignete Energiequelle mit einer Leistungsdichte zwischen 10 J/Sek·cm² (10 Watts/cm²) und 10 000 J/Sek·cm² (10 000 Watts/cm²) und vorzugsweise zwischen 80 J/Sek·cm² (80 Watts/cm²) und 800 J/Sek·cm² (800 Watts/cm²) für eine Zeitdauer, die im Bereich von 0,10 Sekunden und 1000 Sekunden und vorzugsweise von 0,5 Sekunden bis 100 Sekunden liegt. Dieses in Kombination mit einem Laserstrahl oder anderer geeigneter Energiequelle mit einem Durchmesser zwischen 0,254 cm (0,1 Zoll) und 10 cm (4 Zoll) und vorzugsweise zwischen 0,51 cm (0,2 Zoll) und 5,1 cm (2 Zoll) erlaubt die Bildung der Flachpoolgeometrie, veranschaulicht in Fig. 2 und Fig. 3, eher als den engen Tiefpool, gezeigt in Fig. 1.
In einer alternativen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung und wie in Fig. 4 gezeigt, wird eine erste Energiequelle, in diesem Fall ein Laser, an einem Flecken 4 auf dem Defekt von Substrat 6 fokussiert. Ein Laser, wie ein YAG gepulster Laser, ist wegen seiner Fähigkeit bevorzugt, Fleckengrößen von kleinem Durchmesser auf der Oberfläche des Substrats 6 herzustellen, die die Genauigkeit des Reparaturverfahfens erhöhen. Es ist auch möglich, einen kontinuierlichen Laserstrahl für die Herstellung von "Linien" von Ablagerungen zu verwenden. Die Leistungsdichte des Lasers kann zwischen etwa 5 · 10³ J/Sek·cm² (5 · 10³ Watts/cm²) und etwa 5 · 10&sup6; J/Sek·cm² (5 · 10&sup6; Watts/cm²) in Abhängigkeit von den Wärmeeingabeanforderungen des Substrats 6 liegen. Vorzugsweise ist die Leistungsdichte etwa 10&sup5; J/Sek·cm² (10&sup5; Watt/cm²) für ein Nickelbasiseinkristallsubstrat.
Vorzugsweise ist der Durchmesser des Strahlenflecks auf dem Substrat 6, hergestellt durch den Laser, zwischen 0,0254 mm (0,001 Zoll) und 2,54 mmm (0,100 Zoll). Fleckengrößen mit kleinerem Durchmesser erhöhen die Genauigkeit des Verfahrens, große Fleckengrößen erhöhen die Aufbaurate. Maximale Fleckengröße ist von verfügbarer Leistung abhängig.
Wie in Fig. 5 gezeigt, bildet Strahl 10 geschmolzenen Pool 8 auf Substrat 6. Füllstoffmaterial wird dann in Pool 8 abgelagert. Material kann vor oder während Strahl 10 Anwendung aufgebracht werden. Vorzugsweise ist das Material Pulver 18 mit im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung wie das Substrat 6.
Beim Ablagern von Pulver 18 in den Pool 8 schmilzt das Pulver 18 und bildet eine Ablagerung, die sich rasch bei Entfernung von Strahl 10 verfestigt. Beispielsweise kann der Strahl 10 über den Gegenstand gelegt werden, wodurch die Wärmeeingabe entfernt wird.
Alternativ kann eine gleichzeitige Anwendung von Pulver 18 und Strahl 10 auf das Substrat 6 verwendet werden für gleichzeitiges Schmelzen von Pulver 18 und Substrat 6. Eine Vielheit von Ablagerungen kann in der zuvor genannten Weise gebildet werden. Jedoch werden diese Ablagerungen im allgemeinen wegen mit schneller Verfestigung verbundenen Spannungen gespalten.
Die Ablagerungen werden dann erneut geschmolzen unter Bedingungen, gewählt, Rißbilden zu eliminieren, nämlich niedrigere Leistungsdichte und längere Aussetzungszeit.
Insbesondere kann die zweite Energiequelle die gleiche Energiequelle wie die erste Energiequelle sein, eingestellt bei einer geringeren Leistungsdichte. Die Leistungsdichte kann zwischen 10 J/Sek·cm² (10 Watts/cm²) und etwa 10&sup4; J/Sek·cm² (10&sup4; watts/cm²) liegen. Vorzugsweise ist die Leistungsdichte etwa 600 J/Sek·cm² (600 Watts/cm²) für ein Nickelbasiseinkristallsubstrat. Vorzugsweise überlappen die Betriebsparameter im Hinblick auf Leistungsdichte nicht. Aussetzungszeit für die zweite Energiequelle kann zwischen 0,1 Sekunden bis 1000 Sekunden und am bevorzugtesten zwischen 0,5 Sekunden bis etwa 100 Sekunden liegen. Aussetzungszeit für die zweite Energiequelle ist vorzugsweise mindestens etwa 10fach größer als die Aussetzungszeit für die erste Energiequelle bei der Herstellung jedes Pools 8. Am bevorzugtesten ist die Aussetzungszeit mindestens etwa 10&sup5;fach größer.
Vorzugsweise ist der Fleckendurchmesser der zweiten Energiequelle an der Substratoberfläche größer als die erste Energiequelle, wie bei 28 in Fig. 6 gezeigt. Am bevorzugtesten ist der Fleckendurchmesser mindestens etwa fünfach des Fleckendurchmessers der ersten Energiequelle.
Bei Entfernung der zweiten Energiequelle verfestigt sich das Material erneut, aber mit einer langsameren Geschwindigkeit als derjenigen der ersten Energiequelle. Diese langsame Verfestigung reduziert die verbundenen Wärmespannungen, wodurch im wesentlichen die Neigung für Rißbildung eliminiert wird. Verfestigung tritt in einer Richtung verlaufend von dem Substrat 6 zu der Oberfläche auf, wodurch die Fortführung der darunterliegenden Kristallmorphologie ermutigt und die Bildung neuer Körner entmutigt wird.
Die zuvor genannten Stufen können wiederholt werden, wie für Substrat 6 Aufbau benötigt. Gesamtzeit für Gegenstandsreparatur hängt von Gegenstandsgröße ab.
Wie in Fig. 6 gezeigt, kann ein verfestigter Bereich 26 von Ablagerungen gebildet werden. Wenn der verfestigte Bereich 26 größer als der Fleckendurchmesser der zweiten Energiequelle ist, kann der Bereich 26 erneut geschmolzen werden durch kontinuierliches Bewegen einer Energiequelle über die abgelagerte Struktur mit einer Geschwindigkeit, die es dem ausgesetzten Material erlaubt, zu schmelzen, so daß nicht erzwungene und in einer Richtung verlaufende Verfestigung gefördert wird.
Altenativ können die Verfahrensstufen für die Erzeugung jeder Schicht gleichlaufend durchgeführt werden, so bei der Verwendung von Mehrfachenergiequellen.
Sowie einmal der gewünschte Aufbau von Schichten hergestellt ist, so daß der Defekt zufriedenstellend repariert ist, kann die Oberfläche fertiggestellt werden. Röntgenbeugung des fertiggestellten, reparierten Gegenstandes kann durchgeführt werden, wodurch Fortführung der kristallographischen Orientierung durch die Schichten bestätigt wird.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung, geeignet für die gegenwärtige Erfindung. Wie in Fig. 5 gezeigt, liefert eine Pulverbeschickungsvorrichtung 20 Pulver 18 zu Pool 8. Pulverbeschickungsvorrichtung 20 liefert Pulver 18 durch Pulverbeschickungsleitung 22 zu Pulverbeschickungsdüse 24. Die Pulverbeschickungsdüse 24 kann von einem koaxialen Design sein, Pulver 18 koaxial um Strahl 10 zu liefern. Geeignete Pulverfließgeschwindigkeiten können zwischen etwa 0,5 g/Min und etwa 50 g/Min in Abhängigkeit von Füllstoffmaterial, Strahlfleckengröße und Leistungsdichte sein. Alternativ kann das Pulver 18 auf dem Substrat 6 vorplaziert werden.
Relative Bewegung zwischen dem Strahl 10 und der Komponente kann erzielt werden durch Manipulation optischer Elemente oder des Substrats 6 durch mechanische oder elektrische Mittel. Beispielsweise können opto-elektrische Elemente verwendet werden. Die Materialbeschickung kann durch nicht-mechanische Mittel unter Verwenden magnetischer oder elektrostatischer Wirkungen gelenkt werden.
Bei einer bevorzuten Technik wird ein dreidimensionales Computermodell eines Teils des zu reparierenden Gegenstandes erzeugt, beispielsweise durch ein CAD System. In dem Modell definieren inkrementale Schichten individuelle Querschnitte des zu reparierenden Defekts. Das Computer erzeugte Modell wird von dem Computer verwendet, ein Multiachsenteil- Positionierungssystem, wie beispielsweise ein Fünfachsensystem, und/oder einen Laserstrahl zu führen. Vorzugsweise ist das Teilpositionierungssystem größer als ein Dreiachsensystem. Beispielsweise können mit einem Fünfachsen- Positionierungssystem horizontale Teilmerkmale konstruiert werden durch Rotieren der Komponente, wodurch alle Merkmale entlang einer vertikalen Achse gebaut werden, den Schwerkraftwirkungen entgegenzuwirken.
Die folgenden Beispiele sind dargestellt, die gegenwärtige Erfindung weiter zu erklären. Es sollte bemerkt werden, daß für die in der Spezifikation beschriebenen Leistungsdichten zwischen etwa 30% und etwa 35% der Werte bei der Verwendung eines YAG Lasers und eines Nickelbasissubstrats absorbiert werden. Jedoch werden, wenn ein anderer Laser oder Substrat verwendet wird, die absorbierten Prozent wie auch Leistungsdichte entsprechend variieren.. Zusätzlich beziehen sich Leistungswerte hier auf Durchschnittsleistung.

Beispiel 1

Ein Einkristallarbeitsstück mit einer [100] Kristallorientierung und einer nominalen Zusammensetzung, bezogen auf Gewichtsprozent, von 5% Cr, 10% Co, 1,9% Mo, 5,9% W, 3% Re, 8,7% Ta, 5,65% Al, 0,1% Hf, Rest Ni wurde mit Alkohol gereinigt. Das Arbeitsstück wurde dann auf einer Plattform einer Laserablagerungsvorrichtung plaziert. Ein YAG gepulster Laser mit einer Pulsrate von 90 Sek 1 (90 Hertz), Pulszeit von etwa 2 Millisekunden, Leistungsdichte von etwa 105 J/Sek·cm² (10&sup5; Watts/cm²) und Leistung von 100 J/Sek (100 Watts) wurde an einem Flecken auf dem Zentrum der Arbeitsstückoberfläche fokussiert.
Ein Allen-Bradley 7320 NC Kontrollgerät wurde verwendet, den Laser zu kontrollieren. Wie in Fig. 5 gezeigt, emittierte der Laser Strahl 10, der auf Spiegel 12 fiel, der den Strahl 10 zu dem Arbeitsstück ablenkte. Der von dem Laser emittierte Strahl 10 ging durch ein Linsensystem 14, angeordnet zwischen dem Spiegel 12 und dem Arbeitsstück. Als der Strahl 10 aus dem Linsensystem 14 heraustrat, kam er zu einem Fokuspunkt 16 bei etwa der Oberfläche des Arbeitsstücks.
Ein Flecken von Durchmessergröße von etwa 0,381 mm (0,015 Zoll) wurde an der Arbeitsstückoberfläche hergestellt. Ein geschmolzener Pool 8 wurde dann erzeugt. Der geschmolzene Pool 8 war etwa 0,508 mm (0,02 Zoll) an Durchmesser mit einer 0,203 mm (0,008 Zoll) Tiefe. Jeder Laserpuls erzeugte einen Pool 8, als der Strahl des Lasers sich über die Oberfläche des Arbeitsstücks bewegte.
Ein Modell 1260 Roto-Feed Control von Miller-Thermal, Inc. Appleton, Wisconsin wurde verwendet, Pulverfließgeschwindigkeit zu kontrollieren. Scheibenrotation variierte zwischen etwa 1 Upm und etwa 1,5 Upm, eine Pulverfließgeschwindigkeit von etwa 15 g/Min erzeugend. Die Pulvergröße war etwa 0,037 mm (400 Mesh) und hatte die gleiche Zusammensetzung wie das Arbeitsstück. Argongas bei etwa 138 kPa (20 psi) floß kontinuierlich in die Pulverbeschickungsvorrichtung 20 unter Beibehalten des Pulvers unter Druck und Erleichtern von Pulverbeschickung.
Argon wurde auch verwendet, eine Abschirmumgebung zu liefern unter Vermeiden von Arbeitsstückkontamination. Die Pulverbeschickung bewegte sich in Tandem mit dem Laser, so daß Pulver in dem (den) geschmolzenen Pool(s), erzeugt durch das Bewegen des Lasers, landete, wodurch eine abgelagerte Struktur gebildet wurde, die sich dann rasch verfestigte.
Es wurde eine abgelagerte Struktur von acht Reihen von Ablagerungen erzeugt. Ein Raum von etwa 0,381 mm (0,015 Zoll) existierte zwischen dem Zentrum zu Zentrum Abstand zwischen den Reihen. Ein überzogener Bereich von etwa 6,35 mm (0,25 Zoll) mal 6,35 mm (0,25 Zoll) wurde erzeugt, er enthielt jedoch Risse.
Nach Bildung der acht Reihen wurde das Verfahren beendet. Das Pulseinstellen wurde zu 4 Millisekunden geändert; die Pulsrate verblieb bei 90 Sek&supmin;¹ (90 Hertz); die Laserdurchschnittsleistung wurde auf 200 J/Sek (200 Watts) erhöht, und der annähernde Fleckendurchmesser wurde auf 6,35 mm (0,25 Zoll) an der Arbeitsstückoberfläche durch Ändern des optischen Systems erhöht. Diese Änderungen verringerten die Leistungsdichte auf etwa 640 J/Sek·cm² (640 Watts/cm²). Der Laser wurde bei dem verfestigten Bereich für etwa 60 Sekunden gelenkt. Der dem Laser exponierte Anteil des verfestigten Bereichs schmolz und verfestigte sich dann langsam in einer nicht erzwungenen Weise nach Entfernung des Lasers, wodurch Rißbilden eliminiert wurde und die darunterliegende Einkristallorientierung des Arbeitsstücks fortgesetzt wurde.
Die Folge von 8 Reihenbildung, gefolgt von Schmelzen mit einem Laser von 6,35 mm (0,25 Zoll) Durchmesser Fleckengröße, wurde aufeinanderfolgend 30mal wiederholt, was zu der Fortführung der Einkristallorientierung des Arbeitsstückes durch die erzeugten Schichten führte.
Röntgenbeugungen wurden an verschiedenen Punkten auf dem Aufbau unter Bestimmen kristallographischer Orientierung genommen. Fig. 7A, Fig. 7B und Fig. 7C sind Röntgenbeugungen, die die kristallographische Orientierung von Punkt 1 (genommen nahe Ende von Aufbau gegenüberliegend Substrat), Punkt 2 (genommen annähernd am Zentrum von Aufbau) und Punkt 3 (genommen in Substratregion) zeigen.
Der Unterschied in der kristallographischen Orientierung der Punkte war geringer als etwa 5 Grad, wodurch erfolgreiche Fortführung der Einkristallorientierung in der [100] Richtung durch den Aufbau gezeigt wurde. Diese Ausrichtung ist ferner durch die sichtbaren ähnlichen horizontalen Linien in Fig. 7A, Fig. 7B und Fig. 7C gezeigt, die eine ähnliche kristallographische Orientierung bedeuten.

Beispiel 2

Dieser Versuch verwendete die gleiche Ausrüstung, Pulverzusammensetzung und Substratzusammensetzung, wie in Beispiel 1 beschrieben. In diesem Versuch wurde Material 0,5 Zoll (12,7 mm) an Länge und 8 Reihen an Breite auf einem Substrat abgelagert. Wie in Beispiel 1 existierte ein Raum von etwa 0,015 Zoll (0,381 mm) zwischen dem Zentrum zu Zentrum Abstand zwischen den Reihen. Fig. 8 ist eine Draufsicht der abgelagerten Struktur bei 25facher Normalverstärkung, das durch die Ablagerung erhaltene richtungsabhängige Wachstum zeigend. Als die abgelagerte Struktur gebildet war, bewegte sich ein YAG Laserstrahl von einem Ende der abgelagerten Struktur zu dem anderen.
Die Parameter des Versuchs waren wie folgt. In der Anfangsablagerungsphase war die Durchschnittslaserleistung etwa 100 J/Sek·cm² (100 Watts), Pulsrate war 90 Sek&supmin;¹ (90 Hertz) und Pulszeit war 2 Millisekunden. Die Leistungsdichte war etwa 105 J/Sek·cm² (105 Watts/cm²). Strahlfleckendurchmesser an der Substratoberfläche war etwa 0,015 Zoll (0,381 mm).
In der Wiederschmelzstufe blieb die Pulsrate bei 90 Sek&supmin;¹ (90 Hertz); Pulszeit war etwa 4 Millisekunden, Durchschnittslaserleistung wurde auf 200 J/Sek (200 Watts) erhöht, und der annähernde Fleckendurchmesser wurde auf 6,35 mm (0,25 Zoll) an der Arbeitsstückoberfläche durch Ändern des optischen Systems erhöht. Diese Änderungen erniedrigten die Leistungsdichte auf etwa 600 J/Sek·cm² (600 Watt/cm²).
Dieser Versuch zeigte die Durchführbarkeit des Ablagerns ausgedehnter Längen von Einkristallmaterial. Fig. 9 zeigt Ausrichtung der Einkristallorientierung in der [100] Richtung.

Beispiel 3

Die gegenwärtige Erfindung wurde verwendet, einen Riß auf einer Einkristallnickelbasisturbinenmesserplattform mit einer nominellen Zusammensetzung, bezogen auf Gewichtsprozent, von 5% Cr, 10% Co, 1,9% Mo, 5,9% W, 3% Re, 8,7% Ta, 5,65% Al, 0,1% Hf, Rest Ni zu reparieren. Der Riß war etwa 0,254 cm (0,10 Zoll) an Länge mal etwa 0,010 cm (0,004 Zoll) bis etwa 0,013 cm (0,005 Zoll) an Tiefe.
Vor Reparieren wurde der Bereich um den Riß weggeschliffen (geätzt), so daß die geätzte zu reparierende Oberfläche in einer [100] kristallographischen Orientierung war. Die Oberfläche sollte im wesentlichen senkrecht zu einer [100] Richtung sein. Röntgenbeugungen wurden verwendet, diese Orientierung zu bestimmen. Das Turbinenmesser wurde in der Laserablagerungsvorrichtung positioniert, so daß eine [100] Richtung vertikal orientiert war.
Ei YAG gepulster Laser mit einer Pulsrate von 90 Sek&supmin;¹ (90 Hertz), Leistungsdichte von etwa 10&sup5; J/Sek·cm (10 Watts/cm²), Pulszeit von etwa 2 Millisekunden und Leistung von 140 J/Sek (140 Watts) wurde an einem Flecken auf dem Zentrum des Messerdefekts fokussiert.
Wie in den vorhergehenden Beispielen wurde ein Allen- Bradley 7320 NC Kontrollgerät verwendet, den Laser zu kontrollieren. Ein Fleckendurchmesser von etwa 0,381 mm (0,015 Zoll) wurde an der Messeroberfläche hergestellt. Ein geschmolzener Pool 8 wurde dann erzeugt. Der geschmolzene Pool 8 war etwa 0,508 mm (0,02 Zoll) an Durchmesser mit einer etwa 0,203 mm (0,008 Zoll) Tiefe. Jeder Laserpuls erzeugte einen Pool 8, als der Strahl des Lasers sich über die Oberfläche des Arbeitsstücks bewegte.
Wie in den anderen Beispielen wurde ein Modell 1260 Roto- Feed Control von Miller-Thermal, Inc., Appleton, Wisconsin verwendet, Pulverfließgeschwindigkeit zu kontrollieren. Scheibenrotation variierte zwischen etwa 1 Upm und etwa 1,5 Upm, eine Pulverfließgeschwindigkeit von etwa 15 g/Min erzeugend. Die Pulvergröße war etwa 0,037 mm (400 Mesh) und hatte die gleiche Zusammensetzung wie das Arbeitsstück. Argongas bei etwa 138 kPa (20 psi) floß kontinuierlich in die Pulverbeschickungsvorrichtung 20 unter Beibehalten des Pulvers unter Druck und Erleichtern der Pulverbeschickung. Argon wurde auch verwendet, eine Abschirmumgebung zur Verfügung zu stellen zum Vermeiden von Arbeitsstückkontamination.
Die Pulverbschickung bewegte sich in Tandem mit dem Laser, so daß Pulver in dem (den) geschmolzenen Pool(s), erzeugt durch das Bewegen des Lasers, landete, wodurch eine abgelagerte Struktur gebildet wurde, die sich dann rasch verfestigte.
Eine abgelagerte Struktur von 8 Reihen von Ablagerungen wurde erzeugt. Ein Raum von etwa 0,381 mm (0,015 Zoll) existierte zwischen dem Zentrum zu Zentrum Abstand zwischen den Reihen. Ein überzogener Bereich von etwa 0,38 cm (0,15 Zoll) mal 0,10 cm (0,04 Zoll) wurde erzeugt.
Nach Bildung der 8 Reihen verblieb die Pulszeit bei 2 Millisekunden; die Pulsrate verblieb bei 90 Sek&supmin;¹ (90 Hertz); die Laserdurchschnittsleistung verblieb bei etwa 140 J/Sek (140 Watts), und der annähernde Fleckendurchmesser wurde auf etwa 0,51 cm (0,2 Zoll) an der Arbeitsstückoberfläche erhöht durch Ändern des optischen Systems, so daß der Laserbrennpunkt etwa 2,8 cm (1,1 Zoll) über der Oberfläche des Messers war. Diese Änderungen erniedrigten die Leistungsdichte auf etwa 700 J/Sek·cm² (700 Watts/cm²). Der Laser wurde an dem befestigten Bereich gelenkt, als der Laser sich etwa 0,76 cm/Min (0,3 Zoll/Min) bewegte. Mit dieser Geschwindigkeit wurde jeder Teil des verfestigten Bereichs dem Laser ausgesetzt, geschmolzen und verfestigte sich langsam in einer nicht erzwungenen Weise nach Entfernung des Lasers, wodurch Rißbilden eliminiert wurde und die darunterliegende Einkristallorientierung des Messers fortgesetzt wurde.
Die Folge von 8 Reihenbildung, gefolgt von Schmelzen mit einem Laser von 0,51 cm (0,2 Zoll) Fleckendurchmesser, wurde aufeinanderfolgend wiederholt und führte zu der Fortführung der Einkristallorientierung des Arbeitsstücks durch die erzeugten Schichten.
Röntgenbeugungen wurden an verschiedenen Punkten auf dem reparierten Bereich wie auch bei einem nicht reparierten Bereich des Messers genommen. Diese Punkte sind bei etwa 30,32 und 34 in Fig. 10 gezeigt, die eine schematische Veranschaulichung des reparierten Turbinenmessers ist. Die kristallographische Orientierung der Punkte war innerhalb von 3 Grad voneinander, wodurch erfolgreiche Fortführung von Einkristallorientierung veranschaulicht wurde.
Ein Vorteil der gegenwärtigen Erfindung schließt die Fähigkeit ein, wirksam richtungsmäßig verfestigte oder Einkristallgasturbinenmotorkomponenten zu reparieren. Die gegenwärtige Erfindung kann auch verwendet werden, Metallgegenstände, so wie Gasturbinenmotorkomponenten, zusammenzufügen.
Ein anderer Vorteil der gegenwärtigen Erfindung ist die Fähigkeit, Materialspannung quer zu der Wachstumsrichtung auf eine Menge unterhalb derjenigen zu reduzieren, die Rißbilden erzeugt. Dieses wird durchgeführt durch die neue zweite Anwendung einer Hitzequelle bei einer niedrigeren Leistungsdichte, die die abgelagerten Schichten schmilzt, die sich dann gerichtet in einer nicht erzwungenen Weise mit einer niedrigeren Geschwindigkeit wieder verfestigen. Eine nicht unter Zwang gesetzte Schmelze ist nicht Heißziehen und anschließendem Rißbilden zugänglich. Heißziehen ist Rißbilden, das in dem teilweise geschmolzenen Zustand stattfindet und als eine Hauptbarriere bei der Herstellung von rißfreien Strukturen wahrgenommen wird. Spannung, induziert von dem Verfahren nach Verfestigung, ist auch vermindert.
Dieses einzigartige Verfahren von Schmelzen eines Füllstoffmaterials in ein metallisches Substrat unter Bedingungen, gewählt, Rißbilden zu eliminieren, ist leicht unterscheidbar von dem Ablagerungsverfahren, offenbart in US-A- 4 323 756 von Brown et al., betitelt Method for Fabricating Articles by Sequential Layer Deposition, erteilt dem gegenwärtigen Bevollmächtigten. In dem Brown Ablagerungsverfahren werden dünne Mehrfachschichten von Einsatzmaterial auf ein Substrat unter Verwenden eines kontinuierlichen Energiestrahls abgelagert. Diese dünnen Schichten werden aufeinanderfolgend mit dem oberen Ende aufeinander nach Beendigung jeder Umdrehung des Ablagerungsverfahrens abgelagert.
Fig. 11 zeigt die Beziehung zwischen Leistungsdichte und Zeit für das in dem Brown Patent offenbarte Ablagerungsverfahren im Vergleich zu dem Verfahren der gegenwärtigen Erfindung. Die dünne diagonale Bande in Fig. 11 stellt die geeigneten Betriebsbedingungen für die in dem Brown Patent offenbarte Erfindung dar.
Die geeigneten Betriebsbedingungen für die gegenwärtige Erfindung sind jedoch verschieden, wie in Fig. 11 angegeben, wo die annähernden Parameter für die Einstufenausführungsform wie auch die annähernden Parameter für die Ausführungsform, die eine anschließende Wiederschmelzstufe einschließt, unter den geeigneten Betriebsbedingungen, beschrieben für das Brown Patent, sind.
Um die gegenwärtige Erfindung weiter von dem in Brown offenbarten Verfahren zu unterscheiden, ist ein Säulenvergleich in Fig. 12 und Fig. 13 dargestellt. In Beispiel 2 des Brown Patents sind dünne Mehrfachschichten von Einsatzmaterial aufeinanderfolgend mit dem oberen Ende aufeinander nach Beendigung jeder Umdrehung abgelagert. Es wird eine kontinuierliche Ennergiequelle verwendet. Wenn wir uns jetzt auf Fig. 12 beziehen, stellt jede vertikale Linie eine kontinuierliche Umdrehung von abgelagertem Material dar. Die Spindel rotierte bei 22 Upm, und ein Endling von 25,4 mm (1 Zoll) an Höhe wurde in 10 Minuten, 0,115 mm (0,00454 Zoll Höhe/Umdrehung) hergestellt.
Jedoch wird in einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung und wie in Beispiel 1 beschrieben eine Ablagerung durch Lenken einer Energiequelle unter Erzeugen eines geschmolzenen Pools und Ablagern von Material in den geschmolzenen Pool erzeugt. Verschiedene Ablagerungen können in der zuvor genannten Weise gebildet werden. Es kann etwa 1-2 Millisekunden dauern, bis jede Ablagerung sich bildet. Nach Entfernung der Energiequelle tritt Verfestigung ein. Der erste Satz von vertikalen Balken in Fig. 13 zeigt diese Ablagerung. Die Ablagerung(en) wird)(werden) dann Niedrigleistungsdichte (etwa 600 J/Sek·cm²) für eine längere Zeit (annähernd 60 Sekunden) ausgesetzt. Dieses ausgedehnte Aussetzen ist auch in Fig. 13 gezeigt. Nach Entfernung der Energiequelle tritt Verfestigung mit einer viel langsameren Geschwindigkeit als zuvor ein.
Es ist bekannt, daß Kühlgeschwindigkeit (ºC/Sek) bestimmt wird durch das Produkt aus Wärmegradient und Wachstumsrate. Obwohl genaue Werte schwierig zu messen sind, ist Reduzieren der Kühlgeschwindigkeit von einem Rißreduktionsstandpunkt aus wünschenswert. Die gegenwärtige Erfindung erzielt dieses wichtige Ergebnis von Reduktion in Kühlgeschwindigkeit und Wärmegradient, welches wiederum die Verfestigungsrate reduziert. Dieses reduziert die während Verfestigung induzierten Spannungen. Durch Reduzieren der Verfestigungsspannungen in dieser Weise wird die Neigung zu Rißbildung wesentlich eliminiert.
Ein anderer Nutzen der gegenwärtigen Erfindung ist die Fähigkeit, in einer Richtung verlaufende Verfestigung zu erzielen. Durch Reduzieren des Wärmegradienten wird die Wachstumsrichtung durch die kristallographische Orientierung des Substrats kontrolliert.
Zusätzlich sind die gemäß der Erfindung erzeugten Mikrostrukturen etwa eine Größenordnung feiner als diejenigen, die in herkömmlichen Gießlingen gefunden werden. Nickelbasissuperlegierungen in Gießform haben im allgemeinen eine Dendritenmikrostruktur. Dendrite sind mikroskopische baumähnliche Merkmale, die sich während Verfestigung bilden und eine leicht unterschiedliche Zusammensetzung als die Zusammensetzung der Struktur zwischen den Dendriten haben.
Dendritenabstand hat einige Wirkung auf mechanische Eigenschaften und auf die zum Erzielen bestimmter Eigenschaften verlangte Hitzebehandlung. Für eine gegebene Zusammensetzung ist Dendritenabstand eine Funktion von Verfestigungsrate, und Dendritenabstand wird zum Schätzen von Kühlgeschwindigkeiten verwendet.
Bei der gegenwärtigen Erfindung sind, obwohl Schritte vorgenommen werden, die Kühlgeschwindigkeiten des geschmolzenen Mazerials von demjenigen zu reduzieren, welches in Laserverfahren des Standes der Technik auftritt, die Kühlgeschwindigkeiten noch wesentlich größer als diejenigen, denen sich das Superlegierungsmaterial während normalem Gießen aussetzt. Für herkömmlich gegossene Superlegierungen wird primärer Dendritenabstand von etwa 200 um (Mikrometer) bis etwa 600 um (Mikrometer) reichen. Für Material in der Reparaturzone der gegenwärtigen Erfindung wird Dendritenabstand von etwa 20 um (Mikrometer) bis etwa 180 um (Mikrometer) reichen. In Einkristallsuperlegierungsgegenständen ist dieses Merkmal von wesentlich unterschiedlichen Dendritenabständen in benachbarten Regionen einzigartig.
Obwohl die Erfindung im Hinblick auf detaillierte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben worden ist, sollte es von jenen Fachleuten verstanden werden, daß verschiedene Änderungen in Form und Detail gemacht werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie in den angefügten Ansprüchen definiert, abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zum Reparieren eines Defekts in einem Einkristallmetallgegenstand, umfassend Schmelzen eines Füllstoffmaterials (18) in eine schadhafte Region auf dem Gegenstand, gekennzeichnet durch Verwenden einer Niedrigleistungsdichteenergiequelle zwischen 10 J/Sek cm² (10 Watts/cm²) und 10&sup4; J/Sek·cm² (10&sup4; Watts/cm²) bei einem Durchmesser zwischen 0,254 cm (0,1 Zoll) und 10 cm (4 Zoll) für eine Zeitlänge zwischen 0,1 Sekunden und 1000 Sekunden unter Herstellen eines geschmolzenen Pools (8) mit einer geringen Verhältniszahl.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle einen Strahlendurchmesser zwischen 0,51 cm (0,2 Zoll) und 5,1 cm (2 Zoll) hat, und die Aussetzungszeit für die Energiequelle zwischen 0,5 Sekunden bis 100 Sekunden enthalten ist.

3. Verfahren zum Reparieren eines Defekts in einem Metallgegenstand, umfassend die Stufen von:

(a) Schmelzen eines Teils des Defekts mit einer Energiequelle, wodurch ein geschmolzenes Teil (8) erzeugt wird,

(b) Ablagern von Füllstoffmaterial (18) in das geschmolzene Teil (8) und Ermöglichen, daß das geschmolzene Teil (8) sich verfestigt unter Bilden einer verfestigten Ablagerung, und gekennzeichnet durch

(c) erneutes Schmelzen der verfestigten Ablagerung und eines Teils von benachbartem Gegenstand unter Bedingungen einer Niedrigleistungsdichte und einer längeren Aussetzungszeit als derjenigen für die Energiequelle in Stufe (a) unter Herstellen eines geschmolzenen Pools (8) mit einer geringen Verhältniszahl, wonach langsame Verfestigung ohne Rißbilden auftritt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Defekt vor Ablagern des Füllstoffmaterials (18) geschmolzen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend die Stufe von:

(d) Wiederholen von Stufen (a)-(c) unter Herstellen eines rißfreien reparierten Metallgegenstandes, wobei jede Ablagerung in das Füllstoffmaterial (18) unterhalb jeder Ablagerung schmilzt.

6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine Vielheit von Ablagerungen vor Stufe (c) gebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3, wobei Stufen (a) und (b) auftreten, so daß Wärmeeingabe und Materialzufuhr gleichzeitig auf das Substrat vor erneutem Schmelzen angewendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Energiequelle in Stufe (d) einen größeren Fleckendurchmesser an der Gegenstandsoberfläche als der Fleckendurchmesser der Energiequelle in Stufe (a) hat.

9. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Energiequelle in Stufe (c) einen Fleckendurchmesser an der Substratoberfläche mindestens 5fach größer als der Fleckendurchmesser der Energiequelle in Stufe (a) hat.

10. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Niedrigleistungsdichte von Stufe (c) zwischen 10 J/Sek·cm² (10 Watts/cm²) und 10&sup4; J/Sek·cm² (10&sup4; Watts/cm²) liegt.

11. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend die Stufe des Nehmens einer Röntgenbeugung des Gegenstandes unter Bestimmen der < 100> kristallographischen Orientierung und Entfernen eines Teils des Gegenstandes um den Defekt, so daß eine [100] Wachstumsrichtung vertikal orientiert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, wobei der reparierte Metallgegenstand eine Veränderung in kristallographischer Orientierung von weniger als 5 Grad hat.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, wobei der reparierte Metallgegenstand eine Veränderung in kristallographischer Orientierung von weniger als 3 Grad hat.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-13, wobei das Füllstoffmaterial (18) im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie der Gegenstand ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-13, wobei das Füllstoffmaterial mit einem oder mehreren Elementen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al, Ti, Ta, Nb(Cb), Mo, W, Cr, Y, La oder Ce, angereichert wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-13, wobei das Füllstoffmaterial (18) mit Chrom angereichert wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-13, wobei das Füllstoffmaterial (18) eine verringerte Menge eines oder mehrerer Elemente, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Al Ti, Ta, Nb(Cb), Mo oder W Verbindung mit der Zusammensetzung des Gegenstandes enthält.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-17, wobei der Metallgegenstand ein Superlegierungsgegenstand auf Nickelbasis oder Cobaltbasis ist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-18, ferner umfassend Erzeugen eines dreidimensionalen Computermodells eines Teils des zu reparierenden Gegenstandes, so daß inkrementale Schichten individuelle herzustellende Querschnitte definieren, wodurch das Modell durch den Computer verwendet wird, ein Multiachsenteil-Positionierungssystem, so wie ein Fünf-Achsen- System, zu führen, und die Energiequelle für Reparatur von horizontalen Merkmalen entlang einer vertikalen Achse.

20. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Energiequelle ein Laser ist.

21. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das reparierte Teil des Metallgegenstandes einen Dendritenabstand zwischen 20 uM (Mikrometer) und 180 um (Mikrometer) hat.

22. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das reparierte Teil des Gegenstandes einen Dendritenabstand hat, der wesentlich geringer als der Dendritenabstand des Gegenstandes ist, der das reparierte Teil umgibt.

23. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Gegenstand vorerhitzt wird.