具有被编程的射束大小调节的激光熔覆制造技术

一种用于利用能量射束(12，48)加热不规则形状的目标表面(28，36)的方法，能量射束具有随着射束跨越表面前进的受控的功率密度以便控制熔覆工艺。在一个实施例中，各个矩形二极管激光束图像(22，24，26)的宽度(y)响应于燃气涡轮机叶片顶部(20)的局部宽度被控制，并且二极管激光器的功率水平响应于各个图像的宽度被线性地控制以便维持跨越叶片顶部的基本恒定的功率密度。在另一实施例中，连续的激光束图像(34)的宽度和功率水平响应于局部表面形状上的改变而被控制以便在图像跨越表面扫过时产生预定的功率密度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
该专利技术大体涉及金属接合的领域，并且更特别地涉及改进的激光熔覆/修复工艺。
技术介绍
燃气涡轮发动机的热气体路径组成部件典型地由超合金材料形成，但它们仍然受到磨损、热腐蚀、异物损伤和热机械疲劳。例如，转动的涡轮机叶片的径向最外侧顶部(也称作“凹槽状叶顶”)可能归因于抵着包围叶片的叶片环的摩擦而经历磨损。已知通过将已磨损的材料去除并通过焊接添加新的材料来修复凹槽状叶顶。传统方式焊接的超合金、特别是具有高γ'含量的那些易于在焊池凝固和接下来的焊后热处理期间开裂。直接选择性激光烧结是其中激光束被用于使粉末金属熔化并压实到表面上的熔覆工艺。激光束路径被编程以跨越被用粉末覆盖的表面光栅扫描以便将材料沉积在大于激光束覆盖区的区域上。附图说明在以下描述中鉴于附图来说明专利技术，附图示出：图1是在激光熔覆工艺期间激光束的在它横穿小半径拐弯时的传统光栅扫描路径的图示。图2图示出专利技术的实施例，其中在二极管激光束的功率密度被保持恒定的状态下射束的覆盖区被以跨越涡轮机叶片顶部的单个曝光的序列改变。图3图示出专利技术的实施例，其中在二极管激光束的功率密度被保持恒定的状态下射束的覆盖区在它跨越涡轮机叶片顶部横穿时被连续地改变。图4是依照专利技术的实施例的超合金材料熔覆工艺的截面图示。具体实施方式专利技术人最近开发了产生以前被认为不可焊接的高γ'超合金材料的无开裂沉积的效果的工艺(例如参见共同待决的美国专利申请公开US2013/0140278A1，通过引用合并于此)。这些工艺牵涉到跨越表面扫描激光束以使粉末超合金材料和粉末焊剂材料同时熔化。本专利技术人现在认识到：当在诸如围绕小半径拐弯等的不规则形状的表面上沉积材料时，这样的工艺可能具有局限性。图1图示出围绕相对急的半径拐弯14的激光束12的光栅扫描路径10。因为激光束12的直径是恒定的，所以当射束12在沿着路径10的箭头的方向上移动时，在曲线14的内部半径Ri与曲线14的外部半径Ro之间在射束12的重叠量上有差异，如用代表射束12的位置的圆圈之间的重叠所图示出的。因为沿着内部半径Ri有更多重叠，所以在正施加的功率密度上存在有所产生的非均匀性；即，在内部半径Ri附近有相对较高的功率密度，并且在外部半径Ro附近有相对较低的功率密度，尽管射束12的功率水平和行进速度并未改变。专利技术人发现：功率密度上的该局部差异是不期望的，并且用以降低该影响的射束路径的特殊编程可能是耗时的、可以导致减慢的处理时间并且可能在消除功率密度差异上不是完全有效。对提供激光熔覆工艺期间围绕任何半径的拐弯的恒定功率密度有效的本专利技术的实施例被图示在图2中，该图是经受住诸如激光熔覆或选择性激光烧结或选择性激光熔化等的激光修复工艺的燃气涡轮机叶片顶端20的端部视图。专利技术利用了与二极管激光系统联合开发的在光学器件上的进步。可调节的光学器件现在是市售的，以在二维中控制焦点处的二极管激光束的大小和形状。一个这样的系统是由加利福尼亚州圣克拉拉的Laserline有限公司以商标名称“OpticsSeries”售出的。图2图示出当激光束在相对于叶片顶部20的向前x方向上被顺次地移动时由矩形二极管激光束图像22、24、26的序列正进行加热的叶片顶部20。该图仅图示出了叶片顶部20的表面28的由多个图像正进行加热的一部分，但是本领域技术人员将领会的是，任何期望的区域都可以被加热，包括整个目标表面28。表面28可以包括通过加热被熔化以完成熔覆工艺的粉末超合金材料和粉末焊剂材料。与激光束的在x方向上的前进同时地，图像22、24、26与叶片顶部20的相对横向位置被沿着y轴并行地控制以跟踪叶片顶部20的形状。在x和y方向两者上的相对移动可以在序列前进时通过光学器件运动或者通过部件平移或者通过两者来完成。此外，射束图像22、24、26的在Y方向上的宽度在当射束遇到叶片顶部20的具有不同局部宽度的不同局部部分时被控制，以便完全覆盖叶片顶部20的局部宽度而没有激光能量的超出待加热区域的过度溢出。依照专利技术的一方面，产生图像22、24、26的激光束的功率水平被同时控制以维持图像22、24、26之中的在焦点处的基本恒定的功率密度，由此有助于跨越表面28在加热上的局部一致性。如这里使用的，“基本恒定”意味着各图像具有相同的功率密度或者中值功率密度的5％内的功率密度。在图2的实施例中，射束图像22、24、26的高度尺寸被沿着x方向保持恒定，所以图像的总覆盖区(面积)与在y方向上的宽度上的改变一起线性地变化。因此，总激光功率可以在该实施例中响应于图像的在y方向上的宽度被以线性的方式调节，以便维持射束图像22、24、26之中的恒定的功率密度。在其他实施例中，射束图像区域的二维调节可以与使图像的相对区域关联的功率水平上的改变一起在顺次的图像之间做出，以便维持恒定的功率密度。除了矩形以外的射束图像几何形状也可以使用，取决于激光能量源光学器件的能力和目标表面的形状，其中激光的功率上的适当改变响应于图像面积上的改变而做出，使得当加热工艺跨越目标表面移动时维持基本恒定的功率密度。应该领会的是，在一些应用中，射束能量的功率密度可以优选地跨越目标表面不是恒定的。例如，在图2的叶片顶部20中，可能归因于在叶片顶部20的尾缘附近中的有限的热携带能力而期望在该区域提供稍低的功率密度。本专利技术允许通过射束功率的适当控制在跨越目标表面的任何特定区域提供任何预定的功率密度(例如，恒定的或有目的地不同)。例如，在图2的实施例中，可能期望除了被有目的地控制为具有降低20％的功率密度的图像24和被有目的地控制为具有降低50％的功率密度的图像22以外跨越整个叶片顶部20维持基本恒定的功率密度。这通过不仅响应于焦点处的射束面积而且通过分别对于图像24和22分别以进一步的20％和50％减少射束功率来控制射束功率而完成。在其他实施例中，连续的二极管激光束可以在射束图像的覆盖区和功率水平被响应于随着射束前进在表面形状上的改变而控制的状态下跨越目标表面移动。该实施例被图示在图3中，其中燃气涡轮机叶片顶部30通过由移动的矩形激光束图像34所限定的二极管激光束前进路径32在熔覆工艺中被加热。图像34的形状响应于目标表面36的局部形状而沿着其路径是变化的，并且射束的功率水平与图像34的形状同时地被控制，以便维持跨越表面36的基本恒定的功率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：使激光束跨越目标表面横穿以使所述表面的局部区域逐步地熔化；响应于所述目标表面的在所述各个局部熔化区域处的局部形状来控制横穿步骤期间在焦点处的所述激光束的面积；和响应于在焦点处的所述激光束的所述面积来控制所述激光束的功率水平以便提供跨越所述目标表面的所述激光束的期望的功率密度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.04 US 14/045,8181.一种方法，包括：
使激光束跨越目标表面横穿以使所述表面的局部区域逐步地熔
化；
响应于所述目标表面的在所述各个局部熔化区域处的局部形状
来控制横穿步骤期间在焦点处的所述激光束的面积；和
响应于在焦点处的所述激光束的所述面积来控制所述激光束的
功率水平以便提供跨越所述目标表面的所述激光束的期望的功率密
度。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使一系列激光束图
像跨越所述目标表面横穿以使所述表面的所述局部区域顺次地熔
化。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括响应于焦点处的各
个图像的面积来控制用于各图像的所述激光束的所述功率水平。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括响应于所述目标表
面的曝光于各个图像的时间来控制用于各图像的所述激光束的所述
功率水平。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
使具有在焦点处的矩形形状的二极管激光束跨越所述目标表面
横穿；
响应于所述目标表面的局部宽度来控制所述激光束的在横向于
所述图像的横穿方向的方向上的宽度；和
响应于所述激光束的宽度来控制所述激光束的所述功率水平以
提供基本恒定的功率密度。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括控制所述激光束以
产生在所述横穿方向上的跨越所述目标表面的顺次系列的矩形形状
的图像，其中各图像具有响应于所述目标表面的所述局部宽度的宽
度。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：
控制各个激光束图像的在所述图像的所述横穿方向上的高度；
和
响应于在焦点处的各个矩形形状的图像的面积来控制用于各图
像的所述激光束的所述功率水平。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
使连续的激光束跨越所述目标表面横穿；
响应于所述目标表面的局部形状连续地控制在焦点处的所述激
光束的面积；和
响应于在焦点处的所述激光束的面积连续地控制所述激光束的
所述功率水平，以便提供跨越所述目标表面的基本恒定的功率密度。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括响应于在焦点处的
所述激光束的面积来控制所述激光束的所述功率水平以便提供跨越
所述目标表面的所述激光束的基本恒定的功率密度。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在横穿步骤之前将粉末超合金材料和粉末焊剂材料提供在所述
目标表面上；和
使所述粉末超合金和焊剂材料与所述表面的局部熔化区域一起
逐步地熔化；和
允许熔化的超合金和焊剂材料冷却并凝固以在所述目标表面上
形成由一层熔渣覆盖的一层超合金熔覆材料。
11.一种方法，包括：
使能量射束跨越目标表面横穿，所述表面的被曝光于所述能量
射束的各个部分的局部形状在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·J·布鲁克，A·卡梅尔，
申请(专利权)人：西门子能源公司，
类型：发明
国别省市：美国;US