專利名稱：制造單晶結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造定向凝固單晶結(jié)構(gòu)的方法，尤其是如權(quán)利要求1前序部分所述的制造那種超合金的定向凝固單晶結(jié)構(gòu)的方法。
帶有單晶結(jié)構(gòu)的金屬工件被用作處于高機械、熱和/或化學(xué)負荷運行條件下的機器的構(gòu)件。例如燃氣透平的葉片，尤其是航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子的葉片，但也包括固定式燃氣透平的葉片。這種單晶工件的制造例如是通過將熔融金屬定向凝固來完成的。在此涉及將液態(tài)金屬合金定向凝固成單晶結(jié)構(gòu)、即凝固成單晶工件的澆鑄方法。例如公知一種特定的用于制造這種工件的澆鑄方法，其中處于陶瓷態(tài)的液態(tài)合金在例如一臺布里奇曼爐(Bridgemanofen)的定向溫度場中獲得結(jié)晶定向。在那里，枝狀晶體沿著熱流走向，且或者生成一種桿狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)(即沿著整個工件長度走向的晶核，且按照通常的慣用語稱作定向凝固)，或者生成單晶結(jié)構(gòu)，即整個工件由單一晶體構(gòu)成。在這種方法中必須避免轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?多晶)凝固，因為這種非定向的生長不可避免地形成橫向和縱向晶界，這破壞了定向凝固或單晶構(gòu)件的良好性能。當(dāng)在上述文件談到單晶結(jié)構(gòu)和多個單晶結(jié)構(gòu)時，那么既是沒有晶界的單晶，又是僅有縱向走向晶界而沒有橫向走向晶界的晶體結(jié)構(gòu)。在后一種晶體結(jié)構(gòu)中稱作定向凝固結(jié)構(gòu)。
如果通常談起定向凝固結(jié)構(gòu)時，則既指沒有晶界或具有最小角度晶界的單晶，又指具有縱向走向晶界但沒有橫向走向晶界的桿狀晶體結(jié)構(gòu)。
此外，利用所謂的鎳基(Ni)、鈷基(Co)或鐵基(Fe)超合金來作為如用于所提到的單晶透平葉片的合金。尤其是鎳基超合金具有突出的機械和化學(xué)高溫特性。
這樣的構(gòu)件在使用中被磨損和損壞，但是可以進行重新修整，其中在必要時將所涉及的區(qū)域去掉并再在此區(qū)域上敷設(shè)新的材料(例如通過外延生長)。但是，在這種情況下應(yīng)當(dāng)達到同樣的晶體結(jié)構(gòu)。這樣一種方法在美國專利說明書US 6 024 792 A和歐洲專利申請公開說明書EP 0 892 090 A1中作了描述。在這種方法中，待敷設(shè)的材料層在垂直于待加工表面長度的方向上分別沿著與待加工表面區(qū)域相應(yīng)的狹長軌跡彼此相鄰地涂覆在其上。這樣一來形成各個焊道(在其上彼此生長新材料的軌跡)的搭接或接觸，它們由于幾何結(jié)構(gòu)關(guān)系導(dǎo)致了帶有不能令人滿意的結(jié)晶定向的非結(jié)晶外延生長。因而其機械性能是有缺陷的。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服上述缺點。
上述技術(shù)問題是通過權(quán)利要求1的方法來解決的。
利用這種新方法可以在例如基板的定向凝固結(jié)構(gòu)上沿一行進軌跡建立帶有與基板相同定向凝固結(jié)構(gòu)的一層或多層材料層以及一物體或一工件。這涉及一種結(jié)晶外延生長方法(結(jié)晶外延是指在一晶體底層上實現(xiàn)相同定向的晶體生長)，在此方法中該敷設(shè)層承接了該基板的定向晶體結(jié)構(gòu)。在這種情況下必須通過一相應(yīng)的過程控制來避免球雛晶(globulitischer)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明提供了一種新型的方法，利用此方法可以在帶有單晶結(jié)構(gòu)的基板上建立帶有單晶結(jié)構(gòu)的一層或多層材料層以及一物體或一工件。這涉及一種結(jié)晶外延方法，在此方法中該敷設(shè)層承接了該基板的定向晶體結(jié)構(gòu)。
迄今還沒有一種可能性來這樣修復(fù)或修理一個單晶工件使得在該修復(fù)的位置也呈現(xiàn)該基材的單晶結(jié)構(gòu)而不會出現(xiàn)許多不希望的晶體定向。利用新方法就可能以單晶方式修復(fù)損壞和磨損的單晶工件，即修補或新建優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)。在這種情況下，例如在單晶轉(zhuǎn)子葉片的情況，在該基板上沿行進軌跡以單晶方式包覆一層又一層，直到再次到達該工件的原始尺寸和形狀。在此，沿著該工件待加工表面縱向的涂覆分別以一個單一的連續(xù)行進來完成，而不是成蛇曲形橫向運動以產(chǎn)生各個窄小的且沿縱向相搭接的焊道。
用于建立與基板相同、相近或不同材料的單晶的方法例如可以對具有單晶結(jié)構(gòu)且被損壞或磨損的工件進行重建或修補。例如，目前燃氣透平的轉(zhuǎn)子葉片由所謂的超合金的單晶構(gòu)成，如果其損壞了，則可用本方法來修復(fù)。
雖然單晶結(jié)構(gòu)可以由熔融金屬通過所謂的定向凝固來制得。但是這種由定向凝固制得的部件也會被磨損。利用新方法就可能以單晶方式修復(fù)損壞和磨損的單晶工件，即修補和重建晶體結(jié)構(gòu)。在這種情況下，例如在單晶轉(zhuǎn)子葉片的情況，在該基板上以單晶方式包覆一層又一層，直到再次到達該工件的原始尺寸和形狀。
激光射線束或電子束適于用作實現(xiàn)本發(fā)明方法的能源或熱源，也是可以用來在一個大面積上或一個大體積內(nèi)引入高能量的能源。
高能量和能量密度的射線束對準基板表面，從而基板的表面層很容易地被熔化。將例如為粉末狀或金屬絲的材料送入到射線束的工作區(qū)。該送入的材料同樣被熔化。該送入的材料的熔化可以在該熔化的表面層的熔化池中完成，或者在通往熔化池的途中已完成。這過程優(yōu)選在保護氣體和/或真空中進行。
如果熔融金屬的凝固在位于球雛晶區(qū)的外部、即在所使用的材料定向凝固區(qū)域的條件下進行，則材料以單晶形式凝固，并在基板上生長成結(jié)晶外延結(jié)構(gòu)。如果熔融金屬不是定向結(jié)晶，則對金屬是指球雛晶凝固。于是，在從定向單晶轉(zhuǎn)變到非定向時必然會形成一個或多個會影響單晶優(yōu)點的晶界。
將單晶結(jié)構(gòu)以薄層、薄板或者約一毫米或不足一毫米的復(fù)合方式成疊層地逐層敷設(shè)。如果通過盲道(即沒有材料送入地)用激光或感應(yīng)方式使基板到達一個在600℃到1100℃范圍的預(yù)熱溫度，且這溫度在建立期間被保持，則在基板和在所構(gòu)成的單晶中的應(yīng)力以及該基板和結(jié)晶外延生長地構(gòu)成在該基板上的晶體結(jié)構(gòu)之間的應(yīng)力減小了，這有助于阻止晶體結(jié)構(gòu)中的再結(jié)晶和蠕變。
基板和新敷設(shè)的單晶層在溫度為約1000℃到1250℃的范圍(對于CMSX-4約為1150℃)進行約一小時的消除應(yīng)力退火和隨后的緩慢冷卻減小了會通過再結(jié)晶和蠕變而使單晶結(jié)構(gòu)破壞的內(nèi)應(yīng)力。但是，該消除應(yīng)力退火還可以在形成結(jié)晶外延層后立即用一高頻裝置來完成。
不同金屬和金屬合金的所謂GV圖是不同的，且可以對每種合金進行計算或用實驗來確定。在GV圖上曲線L將以一定的凝固速度和溫度梯度這兩個參數(shù)使合金成球狀凝固的區(qū)域與使合金凝固成枝狀定向結(jié)構(gòu)的區(qū)域分開。對GV圖的描述和說明例如可以在《Material Science Engineering Band65》1984，J.D.Hunt，“Columnar to Equiangular Transition”中找到。
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作詳細說明

圖1示出本發(fā)明所使用的燃燒斑橫截面上的強度分節(jié)；圖2示出了采用本發(fā)明方法的構(gòu)件上的一個燃燒斑；圖3示出一射線束斑和該燃燒斑；圖4示出本發(fā)明所使用的燃燒斑橫截面上的強度分節(jié)；
圖5示出了現(xiàn)有技術(shù)的方法過程。
圖1示出了一能源的射線束2(見圖2)在一平面上燃燒斑3上的強度分布，在那里燃燒斑不是圓形的，而在x方向和y方向具有不同的寬度。下面沿x方向表示寬。z方向相應(yīng)于進給方向4(見圖2)。x-z平面相應(yīng)于一構(gòu)件6的待加工表面21(見圖2)。
射線束2沿x方向比如說具有一個幾乎矩形的強度分布剖面。該射線束X方向的剖面終端處5例如存在一個受技術(shù)條件決定的曲線過渡。沿x方向也可以存在幾乎為矩形的剖面。
該燃燒斑3沿y方向的強度分布比如具有一個也受技術(shù)條件所決定的、基本上為倒過來的拋物線形。沿y方向也可以存在幾乎為矩形的剖面。
圖2示出了通過借助能源15的射線束2的能量輸入而在構(gòu)件6上產(chǎn)生的燃燒斑3。該構(gòu)件6具有一個基板18。該基板18比如有一個定向凝固的結(jié)構(gòu)。該燃燒斑3以一個確定的速度沿進給方向4(z向)在構(gòu)件6上方的一個軌跡5(其上敷設(shè)有材料13、由一直線表示)上行進。
通過材料供給裝置30例如將材料13以粉末狀送入。還可以利用多個材料供給裝置30。該材料供給裝置30可以隨時間和隨地點以及隨兩者關(guān)系而變化。
基板18在該構(gòu)件6的一個待加工表面21上會隨同熔化和再熔化。將材料13例如作為金屬絲、金屬薄片、或粉末輸送到此液態(tài)的熔化池。該送入的可以為單晶或多晶結(jié)構(gòu)的材料13將敷設(shè)到該熔化的基材的再熔化區(qū)，且完全熔化。該送入的材料13，例如熔化的粉末，則可以凝固成一層單晶層，或一個帶有單晶枝狀晶體的單晶結(jié)構(gòu)層，即一層枝狀單晶。但是，它還可以在材料13熔化前已存在于表面21上，然后作為該基板18表面21的一部分被熔化。
于是在構(gòu)件6上得到了已用本發(fā)明方法加工了的區(qū)域8。
沿激光束2的進給方向4還存在著尚必須借助本發(fā)明方法來形成的區(qū)域11。在該區(qū)域11敷設(shè)了或添加了被熔化、且按照本發(fā)明的方法凝固的材料13。將所添加的、可具有單晶或多晶結(jié)構(gòu)的材料13送至燃燒斑3的區(qū)域，且完全熔化。同樣，在此將構(gòu)件6的表面加熱，位于該構(gòu)件上的材料13被熔化。
帶有比如大約成矩形截面的燃燒斑3沿著進給方向4掃掠過材料13。燃燒斑3的寬度(沿x方向)比如與應(yīng)當(dāng)填充材料的區(qū)域(的寬度為中文通順是否將此三個字省去？)相適配，大約具有與該填充材料13沿x方向的延伸寬度相同的寬度從而在一個單次連續(xù)進給運動中完成對整個待加工表面21的完全掃掠以敷設(shè)一層由材料13構(gòu)成的連貫附屬層。
該燃燒斑3、從而該熔化區(qū)同樣可以為線形的(即在長度延伸方向很窄)或橢圓形的。這樣的燃燒斑3例如可以由盤形激光器得到。產(chǎn)生這種合適的燃燒斑幾何尺寸的其他可能性是通過光導(dǎo)纖維的排列(光導(dǎo)纖維陣)、合適的射線束變換鏡組、二極管堆以及可能的緊湊型如漏斗形特殊鏡組來得到。
在該射線橫截面的側(cè)邊緣區(qū)5未引入材料13。該矩形燃燒斑3的中間區(qū)域越寬，則由敷設(shè)材料13形成的焊道越寬。通過合適的措施可以改變此寬度。例如這通過激光器15的相應(yīng)鏡組來實現(xiàn)。
材料13如以粉末狀沿x方向敷設(shè)成直線條12。所有的直線條12形成焊道，即基板18上新生成的層。
按照現(xiàn)有技術(shù)，射線束2沿x方向?qū)γ總€直線條12來回成蛇曲形運動，直到步進式地沿進給方向(z方向)4運動。按照本發(fā)明可以省去這種來回的蛇曲形運動。這也使射線束的行進或者能源15或構(gòu)件6的運動變得簡單了。
此外可以這樣調(diào)節(jié)功率，使得燃燒斑3中間區(qū)域的功率密度保持不變。于是在燃燒斑3運動期間允許焊道形成不同的或變化的寬度。
通過本發(fā)明的方法，以外延生長方式敷設(shè)了寬的焊道。通過重復(fù)該方法，允許一個個焊道逐層為任意厚度結(jié)構(gòu)，不會由側(cè)向(即沿x方向)的重疊而降低材料的性能。
應(yīng)當(dāng)注意到，單晶層生長的前提是送入的材料13完全熔化。如果不是這樣，例如未完全熔化的粉末體成為枝狀晶體或結(jié)晶的晶核，這就會干擾和破壞該結(jié)構(gòu)的單晶生長。
在用一個結(jié)晶外延生長方法構(gòu)造一個較大的結(jié)構(gòu)或一個較大的物體時，在最后制成的這一層的表面形成球雛晶區(qū)。這種“等軸晶?！笔歉蓴_或阻止晶體定向生長的晶核。
因此，在構(gòu)造緊靠位于其上的一層時比較重要的是這些球雛晶完全熔化，從而會干擾單晶結(jié)構(gòu)的枝狀晶體消失了或者在表面下完全不會產(chǎn)生。
其他允許用來按照本發(fā)明方法構(gòu)造單晶結(jié)構(gòu)的超級合金例如是IN738LC、IN 939、IN 100、B 1914、CM 99、SRR 99、CM-247 LC、CMSX-2、CMSX-3、CMSX-6、Mar-M 002。
例如用一個電子束作為能源的方法在真空中進行。用激光器作為能源的方法也可以在真空中進行。雖然在真空中不要求保護氣體，但為此會給能源、基板和供送材料的操作帶來困難。
溫度控制可以通過一個確定什么時候應(yīng)當(dāng)生成下一個結(jié)晶外延層的光學(xué)鏡頭33來完成。
圖3示出了被能量射線束2所覆蓋的照射區(qū)24(用虛線表示其包圍的邊緣)。該區(qū)域24在表面21的上方行進。形成了一個表示由能量射線發(fā)射所產(chǎn)生的整個燃燒斑3的內(nèi)部區(qū)域(灰色)和一個雖然也被能量射線2照射但能量太小而未產(chǎn)生燃燒斑(材料熔化)的外部區(qū)域27。在燃燒斑3較小的端側(cè)達到一個均勻不變的能量分布。在迄今通用的圓形燃燒斑情況則不是這樣。此外，該矩形燃燒斑3與待熔化區(qū)域的外形相適配。
通過合適地調(diào)節(jié)或控制光學(xué)鏡頭可以在加工期間將射線束截面調(diào)節(jié)到所希望的寬度。同樣激光器功率可以同時通過一個計算機來適配。例如另一個前置的鏡頭可以得到待熔化區(qū)的最佳寬度，且就地傳送給能源15，即可以獲知該燃燒斑3必須多寬。尤其由此允許避免彼此相鄰區(qū)域8的搭接。一個已結(jié)晶生長的區(qū)域與一個熔化區(qū)的接觸會導(dǎo)致晶格錯誤定向。采用本發(fā)明的方法，通過使表面上待敷設(shè)材料13的區(qū)域通過一次沿z方向的運動來實現(xiàn)敷設(shè)，從而能避免出現(xiàn)這種搭接。沿y方向該方法可多次重復(fù)；在此也完成逐層的涂覆和熔化。
必要時，如果這些直線條12沿x方向如現(xiàn)有技術(shù)那樣行進，搭接也是可能的。然而，通過本發(fā)明的燃燒斑3相對于現(xiàn)有技術(shù)而言在該燃燒斑3較小的端側(cè)達到了一個沿x方向均勻且恒定的能量分布。
激光器就其激光波長這樣來選擇，使得該工件強烈吸收該激光射線束的能量，且/或反射較弱。例如，對于波長為1.06μm的釔鋁石榴石激光器和對于高功率二極管激光器(0.81μm；0.94μm)就是這種情況。
圖4示出了另一個射線束(燃燒斑3)沿x方向的強度分布。
燃燒斑3沿x方向在其剖面端部5相對于該燃燒斑3的中間區(qū)域具有一個增高的能源15能量輸入強度。于是表面張力效應(yīng)可以被補償。
圖5示出了現(xiàn)有技術(shù)的方法過程。按照現(xiàn)有技術(shù)的方法，一層待敷設(shè)的材料在垂直于待加工表面11長度的方向(x方向)上分別沿著與待加工表面區(qū)域相應(yīng)的狹長軌跡12彼此相鄰地涂覆在其上。這樣一來形成各個焊道(在其上生長新材料的軌跡)的搭接或接觸，它們由于幾何結(jié)構(gòu)關(guān)系導(dǎo)致了帶有不能令人滿意的結(jié)晶定向的非結(jié)晶外延生長。圓形的激光射線束2產(chǎn)生一個圓形的燃燒斑3。激光射線束2沿著x方向反復(fù)來回運動，且沿著z方向步進式地向前運動。
權(quán)利要求
1.一種在基板(18)上制造單晶結(jié)構(gòu)、部件或工件的方法，尤其是制造金屬超合金的單晶結(jié)構(gòu)、部件或工件的方法，特別是帶有單晶結(jié)構(gòu)或者通過外延生長的單晶結(jié)構(gòu)，其中通過一個能源(15)的能量輸入借助該能源(15)的燃燒斑(3)使該構(gòu)件(6)的一個待加工表面(11)熔化，向該熔化區(qū)域送入材料(13)，使送入的材料(13)完全熔化或者使送入的材料(13)與該表面(11)一起熔化，可以將該熔化的材料變成單晶結(jié)構(gòu)，再讓該熔化的材料凝固，其特征在于所述燃燒斑(3)具有一個基本上為線形、橢圓形或矩形的幾何形狀。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述能量輸入由一激光器(15)來完成。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述能量輸入由電子束來完成。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述燃燒斑(3)通過能量輸入產(chǎn)生，以形成一個帶有基本上為線形、橢圓形或矩形幾何形狀的熔化區(qū)。
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述燃燒斑(3)的大小在加工期間可改變。
6.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述燃燒斑(3)具有剖面端部(5)，所述燃燒斑(3)的剖面端部(5)具有一個相對于該燃燒斑(3)的中間區(qū)域被加大了的能量輸入強度(36)。
7.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述材料的送入通過至少一個材料供給器(30)來實現(xiàn)，并且所述材料的送入可以隨時間和隨地點而變化。
8.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述燃燒斑(3)的溫度可控制。
9.按照權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征在于所述燃燒斑(3)沿著進給方向(4)在基板(18)上方運動，該基板(18)具有一個添加材料(13)的區(qū)域，且該燃燒斑(3)與這一區(qū)域的幾何形狀這樣相適配，使得該燃燒斑(3)在垂直于該進給方向(4)上的寬度與這一區(qū)域的寬度相適配。
10.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述燃燒斑(3)沿著進給方向(4)在基板(18)上方運動，該進給方向(4)位于該待加工表面(11)的長度延伸方向，且該能源(15)產(chǎn)生一燃燒斑(3)，該燃燒斑在垂直于進給方向(4)上的尺寸相應(yīng)于該待加工表面(11)的整個寬度，并在唯一一次連續(xù)的進給運動中完全掃掠該待加工表面(11)以敷設(shè)一層由材料(13)構(gòu)成的連續(xù)覆蓋層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在基板上制造單晶結(jié)構(gòu)的方法。按照現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)晶外延生長，常常需要在一個平面內(nèi)產(chǎn)生多條行進軌跡，以修復(fù)一個待修復(fù)區(qū)域。這會導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的搭接和錯誤定向。在本發(fā)明的方法中，該軌跡是如此之寬，從而不會出現(xiàn)搭接，因為其寬度與待修復(fù)區(qū)域的外形相適配。
文檔編號B23K26/06GK1516756SQ03800437
公開日2004年7月28日 申請日期2003年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月15日
發(fā)明者托馬斯·貝克, 托馬斯 貝克, 喬格·博斯坦喬格洛, 博斯坦喬格洛, 奈杰爾-菲利普·考克斯, -菲利普 考克斯, 威爾肯霍納, 羅爾夫·威爾肯霍納 申請人:西門子公司