專利名稱：制造孔的方法和設(shè)備的制作方法
制造孔的方法和設(shè)備 本發(fā)明涉及一種按權(quán)利要求1所述制造孔的方法，其中借助脈沖能量射束在構(gòu)件中制成孔，以及涉及一種按權(quán)利要求40所述包括激光器的設(shè)備。在許多構(gòu)件，尤其在鑄件中必須事后部分切除，如制造凹槽或通孔。尤 其在為了冷卻而具有氣膜冷卻孔的渦輪構(gòu)件中，在構(gòu)件制成后事后添加一些 孔。這些渦輪構(gòu)件往往還有一些分層，例如金屬層或中間層和/或陶資外層。 因此氣膜冷卻孔必須穿過這些層和基層(鑄件)來加工形成。US-PS6172331和US-PS6054673公開了一種激光打孔方法，以便在分 層系統(tǒng)中添加一些孔，在這里使用超短激光脈沖寬度。它從規(guī)定的激光脈沖 寬度范圍內(nèi)選出一種激光脈沖寬度并借此制造孔。DE10063309A1公開了 一種借助激光器制造冷卻氣孔的方法，其中將激 光器參數(shù)調(diào)整為，材料通過升華而被去除。US-PS5939010公開了兩種用于制造多個孔的不同方法。按其中一種方 法(此US-PS的

圖1、 2)，在制造下一個孔之前，首先完整地制成一個孔。按 第二種方法，通過首先制造第一個孔的第一分區(qū)，然后制造第二個孔的第一 分區(qū)，逐步制成這些孑L(此US-PS的圖10)。在這兩種方法中可以使用不同的 脈沖寬度，但在一種方法內(nèi)部始終采用相同的脈沖寬度。這兩種方法互相不 能結(jié)合。要切除區(qū)域的橫截面積始終與要制造的孔的橫截面相應(yīng)。US-PS5073687公開了激光器用于制造一種構(gòu)件中的孔，這種構(gòu)件由基 層及兩面的銅層構(gòu)成。在這里首先借助較長的脈沖持續(xù)時間穿過銅箔制造一 個孔，然后借助較短的脈沖在樹脂組成的基層內(nèi)制造一個孔，在這種情況下 接著用輸出功率更大的激光器穿過背面的銅層制造一個孔。切除區(qū)的橫截面 積始終與要制造的孔的橫截面相應(yīng)。US-PS6479788B1公開了一種制造孔的方法，其中，在第一步內(nèi)使用比 在第二步內(nèi)長的脈沖寬度。在這里，改變脈沖持續(xù)時間，以便能在孔中制成 盡可能好的矩形形狀。在脈沖寬度減小的同時也增大射束的橫截面積。使用這些超短的激光脈沖，由于它們平均功率低，所以既昂貴又非常費時。因此本發(fā)明的目的是能克服這種缺點。此目的通過按權(quán)利要求1所述方法達(dá)到，按此方法使用不同的脈沖寬 度，在這里，對于更短的脈沖寬度移動能量射束。特別有利的是，只在第一個切除步驟中使用較短的脈沖寬度，以便在切 割面的外上部區(qū)內(nèi)造成最佳的特性，因為這種特性對于介質(zhì)從孔的流出特性 以及對于介質(zhì)繞孔的繞流特性具有決定性意義。在孔的內(nèi)部，切割分離面的 特性則并不緊要，所以在那里可以使用可能造成不均勻切割分離面的較長的 脈沖。本發(fā)明的另一個目的是提出一種設(shè)備，借助它能簡單和快速地實施所述 的方法。此目的通過按權(quán)利要求40所述設(shè)備達(dá)到。在本發(fā)明方法或設(shè)備的從屬權(quán)利要求中列舉了方法或設(shè)備的其他有利 措施。在從屬權(quán)利要求中所開列的技術(shù)措施可以按有利的方式相互組合。下面借助附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。附圖中圖l表示基層中的一個孔；圖2表示分層系統(tǒng)中的一個孔；圖3表示要制造的通孔的俯視圖；圖4至ll表示按本發(fā)明的方法的切除步驟；圖12-15表示按本發(fā)明用于實施此方法的設(shè)備；圖16表示一個渦輪葉片；圖17表示一臺燃?xì)廨啓C(jī)；以及圖18表示一個燃燒室。帶孔的構(gòu)件的說明圖1表示有一個孔7的構(gòu)件1。構(gòu)件1由基層4組成(例如鑄件或DS或 SX構(gòu)件)?；鶎?可以是金屬和/或是陶f;的。尤其在汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)100(圖 17)，但也可以在航空燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪構(gòu)件中，例如在渦輪葉片120或渦輪 導(dǎo)向葉片130(圖16、 17)、熱屏元件155(圖18)以及其他殼體構(gòu)件中，基層4 由一種鎳基、鈷基或鐵基的超級高溫合金組成。在飛機(jī)的渦輪葉片中，基層 4例如由鈦或一種鈥基合金組成?；鶎?有孔7，它例如是一個通孔。但它 也可以是一個盲孔?？?由下部區(qū)IO和上部區(qū)13組成，前者^v構(gòu)件1的內(nèi) 側(cè)出發(fā)以及例如設(shè)計為對稱的(例如圖形、橢圓形或矩形)，而后者必要時設(shè)計為在基層4外表面14處的擴(kuò)張段13。擴(kuò)張段13意味著相對于孔7下部區(qū) IO橫截面的一種擴(kuò)展?？?例如是一個氣膜冷卻孔。因為不平度會引起不希 望的紊流、偏轉(zhuǎn)，所以尤其是擴(kuò)張段13處于內(nèi)部的表面12,亦即在孔7的 上部區(qū)內(nèi)，應(yīng)當(dāng)是光滑的，以便介質(zhì)尤其冷卻劑能最佳地從孔7流出。對于 孔7下部區(qū)10內(nèi)孔表面的質(zhì)量提出的要求則低得多，因為由此對于繞流特 性只有小的影響。圖2表示設(shè)計為分層系統(tǒng)的構(gòu)件1。在基層4上存在至少一層16。它例 如可以是一種MCrAlX類型的金屬合金，其中M代表元素組鐵、鈷或鎳中 至少一種元素。X代表釔和/或至少一種稀土元素。層16也可以是陶資的。在MCrAlX層上面還可以存在另一層(未表示)，例如陶資層，尤其是隔 熱層(因此MCrAlX層是一個中間層)。隔熱層例如是一個完全或部分穩(wěn)定化 的氧化鋯層，尤其EB-PVD層或等離子噴鍍(APS、 LPPS、 VPS)、 HVOF或 CGS(cold gas spraying)層。在此分層系統(tǒng)l中同樣加工一個包括下部區(qū)10和擴(kuò)張段13的孔7。 上面針對制造孔7的說明適用于具有或沒有層16或多個層16的基層4。 圖3表示孔7的俯視圖。下部區(qū)IO可通過切削加工法制造。反之，這 種方法不可能用于擴(kuò)張段13或只能非常麻煩地使用?？?也可以與構(gòu)件1 的表面14成銳角。 方法圖4、 5和6表示按本發(fā)明方法的切除步驟。按本發(fā)明在方法實施期間 使用有不同脈沖寬度的能量射束22。能量射束可以是電子束、激光束或高壓 射水。下面只作為范例說明激光器的使用。尤其在第 一個切除步驟中使用較短的激光脈沖(tpuls<<H、于等于 500ns,尤其小于等于100ns。也可以使用在微微秒或毫微微秒范圍內(nèi)的激光 脈沖寬度。在使用小于等于500ns(納秒)，尤其小于等于100ns較短的激光脈 沖時，在切割面區(qū)域內(nèi)幾乎不發(fā)生任何熔化。所以在擴(kuò)張段13的內(nèi)表面12 上不形成裂紋并因而可以制成精確的、平的幾何形狀。在第一個切割步驟中在構(gòu)件1內(nèi)制成孔7的第一個分區(qū)。這一分區(qū)例如 可以至少部分或完全與擴(kuò)張段13相應(yīng)(圖6、 9)。擴(kuò)張段13絕大部分處于陶 瓷層內(nèi)。尤其為了制成整個擴(kuò)張段13使用較短的脈沖寬度。尤其是為了制 造擴(kuò)張段13使用恒定的較短的脈沖寬度。在本方法實施過程中用于制造擴(kuò) 張段13的時間例如與第一個切割步驟相應(yīng)。在制造擴(kuò)張段13時，激光器19、 19'、 19〃將其激光射束22、 22'、 22〃 在一個側(cè)向平面43內(nèi)往復(fù)移動，例如在圖5中表示的那樣。擴(kuò)張段13沿移 動線9例如蛇曲狀移出，以便在這里切除平面內(nèi)的材料(圖4步驟后的圖6)。優(yōu)選地，但非必然，當(dāng)?shù)竭_(dá)金屬的中間層或基層4時，使用較長的激光 脈沖寬度(tpuls〉)大于100ns，尤其大于500ns,以及尤其達(dá)10ms，以便加工 孔其余的下部區(qū)10，如圖1或2所示。擴(kuò)張段13至少絕大部分處于陶瓷層 內(nèi)，但也可以延伸到金屬中間層16和/或金屬基層4內(nèi)，所以金屬材料也仍 有一部分可以用較短的脈沖寬度切除。尤其是為了制造孔7的下部區(qū)10,絕 大部分或全部使用較長的尤其隨時間恒定的激光脈沖。在本方法實施過程中 用于制造下部區(qū)IO的時間與最后一個切割步驟相應(yīng)。在使用較長的激光脈沖時，所述至少一個激光器19、 19'、 19〃將其激光 射束22、 22'、 22〃例如不在平面43內(nèi)往復(fù)運動。因為能量基于熱傳導(dǎo)分布 在層16或基層4的材料內(nèi)并通過每個激光脈沖添加新的能量，從而以此方 式通過材料蒸發(fā)大面積地去除材料，其中被去除材料的面積大體相當(dāng)于要制 造的通孔7、 IO的橫截面積A。此橫截面積可通過能量的功率和脈沖持續(xù)時 間及激光束的導(dǎo)引加以調(diào)整。單個激光器19或多個激光器19'、 19〃的激光脈沖寬度可例如從方法實 施過程的開始到結(jié)束例如連續(xù)改變。此方法的實施過程隨著切除外表面14 的材料開始，以及在達(dá)到孔7期望的深度時結(jié)束。材料例如層狀地在平面11 內(nèi)(圖6)和沿軸向15推進(jìn)地切除。脈沖寬度同樣也可以不連續(xù)改變。優(yōu)選地在方法實施期間使用兩種不同 的脈沖寬度。在較短的脈沖寬度時(例如《00ms)，所述至少一個激光器19、 19'移動，而在較長的脈沖寬度時(例如0.4ms)例如不移動，因為通過熱傳導(dǎo) 使能量的供入反正沿一個比與激光束橫截面積相應(yīng)的面積更大的表面進(jìn)行。在加工期間，表面的其余部分1用一個粉末層，尤其是用一個按 EP1510593A的掩蔽層保護(hù)。粉末(BN, Zr02)和按EP1510593A1的粒度分布 是本申請公開內(nèi)容的組成部分。當(dāng)加工一個還沒有陶瓷層的金屬基層或包括 金屬層的基層時，這樣做是特別合理的。激光器參數(shù) 在使用有規(guī)定脈沖寬度的脈沖時，激光器19、 19'、 19〃的輸出功率例如 是常數(shù)。對于較長的脈沖寬度，激光器19、 19'、 19〃的輸出功率使用多個100 瓦，尤其是500瓦。對于較短的激光脈沖寬度，激光器19、 19'的輸出功率 使用小于300瓦。波長為532nm的激光器19、 19'例如只用于產(chǎn)生較短的激 光脈沖。對于較長的激光脈沖寬度尤其使用激光脈沖持續(xù)時間為0.4ms和激 光器脈沖能量(焦耳)為6J至10J，尤其8J，在這種情況下功率(千瓦)優(yōu)選10kW 至50kW,尤其20kW。較短的激光器脈沖有能量在一位或兩位數(shù)的毫焦耳 范圍(mJ)內(nèi)，優(yōu)選地在一位數(shù)的毫焦耳范圍內(nèi)，在這種情況下使用的功率尤 其大多處于一位數(shù)的千瓦范圍內(nèi)。激光器數(shù)量在實施本方法時可以采用一個激光器19或兩個或多個激光器19'、 19〃， 它們同時或先后投入使用。類似或不同的激光器19、 19'、 19〃它們的激光脈 沖寬度例如有不同的范圍。例如第一個激光器19'可以產(chǎn)生小于等于500ns 尤其小于100ns的激光脈沖寬度，以及第二個激光器19〃可以產(chǎn)生大于100ns 尤其大于500ns的激光脈沖寬度。為了制造孔7，首先使用第一個激光器19'。 然后為了進(jìn)一步加工使用第二個激光器19〃，或反之。在制造通孔7時也可以只使用一個激光器19。尤其是使用例如有波長 為1064nm和既能產(chǎn)生較長的也能產(chǎn)生較短的激光脈沖的激光器19。要制造的孔區(qū)域的順序圖7表示通過孔7的橫截面。在這里首先用大于100ns，尤其大于500ns 的激光脈沖寬度進(jìn)行粗加工以及用小于等于500ns，尤其小于等于100ns的 激光脈沖寬度進(jìn)行精加工?？?的下部區(qū)10全部以及僅擴(kuò)張段13區(qū)域絕大 部分用一個激光脈沖寬度大于100ns，尤其大于等于500ns的激光器19加工 (第一個切除步驟)。為了最終制成孔7或擴(kuò)張段13只還須借助一個激光器 19、 19'、 19〃在擴(kuò)張段13區(qū)域內(nèi)加工一個薄的外邊緣區(qū)28,此激光器可以 產(chǎn)生小于等于500ns，尤其小于100ns的激光脈沖寬度(最后一個切除步驟)。 在此移動激光束。圖8表示構(gòu)件1的孔7的俯視圖。在不同的切除步驟中使用不同的激光 器19、 19'、 19〃或這些激光器19、 19'、 19〃不同的激光脈沖寬度。首先例如 用大的激光脈沖寬度O100ns，尤其〉500ns)進(jìn)行粗加工。因此制造了孔7的 絕大部分。所述的內(nèi)部區(qū)用符號25表示。還只須切除孔7或擴(kuò)張段13的外
邊緣區(qū)28,以達(dá)到孔7的最終尺寸。在這里激光束22、 22'在表面14的平面 內(nèi)移動。只有在借助具有較短的激光脈沖寬度(^500ns，尤其^100ns)的激光 器19、 19'加工外邊緣區(qū)28時，孔7或擴(kuò)張段13才最終制成。也就是說， 擴(kuò)張段13的輪廓29用較短的激光脈沖制造，由此精細(xì)而準(zhǔn)確地切除外邊緣 區(qū)28并因此沒有裂紋和熔化。材料例如在平面11內(nèi)(垂直于軸向15)切除。對于較長的脈沖寬度，在制造孔7時要切除區(qū)的橫截面A同樣可以朝 基層4的深度方向連續(xù)減小到A'，從而與圖7相比外邊緣區(qū)28減小(圖9)。 這通過調(diào)整能量和脈沖持續(xù)時間實現(xiàn)。制造孔7時的另一種方案在于，首先用較短的激光脈沖寬度(^500ns)加 工外邊緣區(qū)28，直到沿軸向15的一個深度，這一深度部分或完全相應(yīng)于孔 7擴(kuò)張段13沿此方向15的尺寸(圖10,內(nèi)部區(qū)25用虛線暗示)。在這里激光 束22、 22'在此第一個切除步驟中在表面14的平面內(nèi)移動。因此在擴(kuò)張段13 切割面的區(qū)域內(nèi)幾乎不造成熔化和在那里不形成裂紋，并因而可以制成精確 的幾何尺寸。只有在這種情況下才用較長的激光脈沖寬度(〉100ns,尤其 〉500ns)切除(最后一個切除步驟)所述內(nèi)部區(qū)25。本方法可應(yīng)用于第一次澆鑄的新制構(gòu)件1。本方法同樣可以使用于要再 加工的構(gòu)件l。再加工(整修)的意思是，經(jīng)使用的構(gòu)件l，例如除去鍍層并在 修理后，例如在填補(bǔ)裂紋和去除氧化和腐蝕產(chǎn)物后重新鍍層。在這里例如借 助激光器19、 19'去除例如污垢或重新施加的鍍層材料(圖11)?；蛟阱儗訁^(qū) 內(nèi)的特殊構(gòu)形(擴(kuò)張段)在重新鍍層后通過加工重新制成。再加工圖11表示孔7的再加工(整修)，其中，當(dāng)基層4用層16的材料鍍層時， 此材料滲入已存在的孔7內(nèi)。例如在孔7的區(qū)域10內(nèi)處于較深的部位可以 用激光器加工，它有激光脈沖寬度大于100ns,尤其大于500ns。這一部位用 25表示。例如在擴(kuò)張段13區(qū)域內(nèi)其上存在污垢的重要邊緣區(qū)28用激光器 19'加工，它有激光脈沖寬度小于等于500ns,尤其小于100ns。設(shè)備圖12至15作為范例表示按本發(fā)明的設(shè)備40,用于實施尤其按本發(fā)明 的方法。此設(shè)備40由至少一個光學(xué)鏡35、 35'，尤其至少一個透鏡35、 35' 組成，它將至少一個激光束22、 22'、 22"導(dǎo)向基層4，用于制造孔7?？梢?存在一個、兩個或更多個激光器19、 19'、 19〃。激光束22、 22'、 22〃可以借
助反射鏡31、 33導(dǎo)入光學(xué)鏡35、 35'。反射鏡31、 33可以這樣的方式移動 或旋轉(zhuǎn)，即，例如使得總是只有一個激光器19'、 19〃可將其激光束22'或22〃 通過反射鏡31或33和透鏡35發(fā)射在構(gòu)件1上。構(gòu)件l、 120、 130、 155或 光學(xué)鏡35、 35'或反射鏡31、 33可以沿方向43移動，從而使激光束22、 22' 例如按圖5在構(gòu)件1上移動。激光器19、 19'、 19〃可例如有波長為1064nm或532nm。激光器19'、 19〃可以有不同的波長1064nm和532nm。關(guān)于脈沖寬度，例如激光器19' 的脈沖寬度可調(diào)整為0.1-5ms;反之，激光器19'的脈沖寬度為50-500ns。通 過移動反射鏡31、 33(圖12、 13、 14)，可分別將具有所述激光脈沖寬度的激 光器19'、 19"的射束通過光學(xué)鏡35與構(gòu)件1耦合，這是必要的，以便例如 能制造外邊緣區(qū)28或內(nèi)部區(qū)25。圖12表示兩個激光器19'、 19〃、兩個反射鏡31、 33和一個形式上為透 鏡35的光學(xué)鏡。若例如按圖6首先制造外邊緣區(qū)28，則接入具有較短激光脈沖寬度的 第一個激光器19'。然后若制造內(nèi)部區(qū)25，則通過運動反射鏡31脫開第一個激光器19'并 通過運動反射鏡33接入具有其較長激光脈沖寬度的第二個激光器19〃。圖13表示與圖12類似的設(shè)備，但現(xiàn)在存在兩個光學(xué)鏡，在這里例如是 兩個透鏡35、 35'，它們允許激光器19'、 19"的激光束22'、 22〃同時導(dǎo)向構(gòu)件 1、 120、 130、 155的不同區(qū)域15、 28。若例如加工外邊緣區(qū)28,則激光束22'可以導(dǎo)向此外套狀區(qū)域28的第 一部位以及導(dǎo)向沿直徑與第 一部位對置的第二部位，從而顯著縮短加工時 間?？蔀榈谝患す馐?2'利用光學(xué)鏡35和可為笫二激光束22〃利用第二光學(xué) 鏡3 5'。按本設(shè)備40可以先后或同時利用具有相同或不同激光脈沖寬度的激 光器19'、 19"。圖14中不存在形式上為透鏡的光學(xué)鏡，而僅有反射鏡31、 33,它們將 激光束22'、 22〃導(dǎo)向構(gòu)件1并通過運動加以利用，使至少激光束22'、 22"在 構(gòu)件上的一個平面內(nèi)移動。在這里激光器19'、 19"同樣可以同時利用。按本設(shè)備40可以先后或同時利用具有相同或不同激光脈沖寬度的激光 器19'、 19〃
圖15表示只有一個激光器19的設(shè)備40，其中激光束22例如通過反射 鏡31導(dǎo)向構(gòu)件1。在這里也沒有必要存在例如形式上為透鏡的光學(xué)鏡。激光束22例如通 過運動反射鏡31在構(gòu)件1表面上移動。這在使用較短的激光脈沖寬度時是 必要的。在激光脈沖寬度較長時，并不一定要移動激光束22，所以反射鏡 31不運動，如在本方法的實施過程中那樣。但在按圖15的設(shè)備40中同樣也可以使用一個或兩個透4竟35、 35'，以 便將激光束同時導(dǎo)向構(gòu)件1、 120、 130、 155的不同區(qū)域25、 28。構(gòu)件圖16表示透平機(jī)工作葉片120或?qū)蛉~片130的透視圖，它沿縱軸線 121延伸。透平機(jī)可以是飛機(jī)或發(fā)電用的電站的燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)或壓縮機(jī)。葉片120、 130沿縱軸線121彼此相繼地有固定區(qū)400、與之鄰接的葉 片平臺403以及葉身406。作為導(dǎo)向葉片130，葉片130在其葉片頂端415 可以有另 一個平臺(圖中沒有表示)。在固定區(qū)400內(nèi)構(gòu)成一葉根183，它用于將工作葉片120、 130固定在 一個軸或一個輪盤上(圖中沒有表示)。葉根183例如設(shè)計為錘頭狀。也可以 不同地設(shè)計為板樹形或燕尾形葉根。葉片120、 130有用于在葉身406上流 過的介質(zhì)的前緣409和后緣412。在傳統(tǒng)的葉片120、 130中葉片120、 130所有的區(qū)域400、 403、 406例 如均使用實心的金屬材料，尤其超級高溫合金。例如由EP1204776B1、 EP1306454、 EP1319729A1、 W099/67435或WO00/44949已知這些超級高溫 合金；這些文件在合金的化學(xué)成分方面是本申請公開內(nèi)容的一部分。在這里， 葉片120、 130可通過還借助定向凝固的鑄造法、通過鍛造法、通過銑削法 或組合這些方法制成。有單晶結(jié)構(gòu)或多結(jié)構(gòu)的工件用作一些機(jī)器的構(gòu)件，這些機(jī)器在運行時遭受高的機(jī)械、熱和/或化學(xué)負(fù)荷。這種單晶工件的制造例如通過熔體的定向凝 固完成。在這里涉及鑄造方法，按此方法液態(tài)的金屬合金定向凝固為單晶結(jié) 構(gòu)，亦即單晶工件。其中樹枝狀晶體沿?zé)崃鞫ㄏ颍约?，或?gòu)成一種條狀晶 體結(jié)構(gòu)(柱狀的，亦即沿工件的全長延伸的晶粒，以及在這里按一般的習(xí)慣 用語稱為定向凝固的晶粒)，或構(gòu)成一種單晶結(jié)構(gòu)，亦即整個工件由單個晶
體組成。在此方法中必須避免轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?多晶的)凝固，因為通過不定向生 長必然構(gòu)成橫向和縱向的晶界，它們使定向凝固或單晶構(gòu)件的良好特性;肖 失。因此，若籠統(tǒng)地談?wù)摱ㄏ蚰探M織，則既指沒有晶界或最多有小角度晶 界的單晶體(5X)，也指條狀晶體結(jié)構(gòu)，它們雖然有縱向延伸的晶界，但沒有 橫向晶界。對于上述第二種晶體結(jié)構(gòu)人們還稱其為定向凝固組織(D9)(directionally solidified structures)。 這些方法由US-PS6024792和 EP08920卯A1已知；這些文件是本申請公開內(nèi)容的一部分。葉片120、 130同樣可以有防腐或防氧化的鍍層，例如(MCrAlX;其中 M是元素組鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)中至少一種元素，X是一種活性元素以 及代表釔(Y)和/或硅和/或代表至少一種稀土元素，亦即鉿(Hf))。這些合金由 EP0486489B1、 EP0786017B1、 EP0412397B1或EP1306454A1是已知的，它 們在合金的化學(xué)成分方面應(yīng)是本申請公開內(nèi)容的一部分。在MCrAlX上還可以存在一個隔熱層，以及例如由Zr02、 Y204-Zr02 組成，也就是說，通過氧化釔和/或氧化釣和/或氧化鎂，它是不穩(wěn)定、部分 穩(wěn)定或完全穩(wěn)定的。采用恰當(dāng)?shù)腻儗庸に嚕珉娮邮锢須庀喑练e (EB-PVD)，在隔熱層內(nèi)生成條狀晶粒。再加工(整修)的意思是，構(gòu)件120、 130在它們使用后必要時必須除去 防護(hù)層(例如通過噴砂處理)。然后進(jìn)行腐蝕層和/或氧化層亦即腐蝕產(chǎn)物和/ 或氧化產(chǎn)物的去除。必要時也還應(yīng)修理構(gòu)件120、 130中的裂紋。在這之后 進(jìn)行構(gòu)件120、 130的再加工和重新使用構(gòu)件120、 130。葉片120、 130可以^沒計為空心或?qū)嵭?。若葉.片120、 130應(yīng)冷卻，則它 們是空心的和必要時還有氣膜冷卻孔418(圖中用虛線表示)。圖17舉例表示一個燃?xì)廨啓C(jī)100的局部縱剖面。燃?xì)廨啓C(jī)100在內(nèi)部 有一個繞旋轉(zhuǎn)軸線102旋轉(zhuǎn)地支承的轉(zhuǎn)子103，它也稱為透平轉(zhuǎn)子。沿轉(zhuǎn)子 103彼此相繼地有進(jìn)氣殼體104、壓氣機(jī)105、 一個例如花托狀有多個同軸排 列的燃燒器107的燃燒室110,尤其環(huán)形燃燒室106、 一個透平機(jī)108和排 氣殼體109。環(huán)形燃燒室106與一個例如環(huán)形的熱燃?xì)馔ǖ?11連通。在那 里例如四個前后串聯(lián)的透平級112構(gòu)成透平108。每個透平級112由兩個葉 片環(huán)構(gòu)成。沿工質(zhì)113的流向看，在熱燃?xì)馔ǖ?11內(nèi)隨導(dǎo)向葉片環(huán)115之 后的是一個由工作葉片120組成的葉片環(huán)125。在這里，導(dǎo)向葉片130固定在定子143的一個內(nèi)殼體138上，反之，葉片環(huán)125的工作葉片120例如借助渦輪盤133安裝在轉(zhuǎn)子103上。在轉(zhuǎn)子103 上連接發(fā)電機(jī)或工作機(jī)械(圖中未表示)。在燃?xì)廨啓C(jī)100運行期間，由壓氣機(jī)105通過進(jìn)氣殼體104吸入并壓縮 空氣135。壓氣機(jī)105在透平一側(cè)的端部制備好的壓縮空氣供入燃燒器107, 并在那里與燃料混合。然后此混合物為了形成工質(zhì)113在燃燒室110內(nèi)燃燒。 工質(zhì)113從那里流出，沿?zé)崛細(xì)馔ㄍ?11經(jīng)過導(dǎo)向葉片130和工作葉片120。 工質(zhì)113在工作葉片120處膨脹并傳遞沖量，因此工作葉片120推動轉(zhuǎn)子 103,以及轉(zhuǎn)子驅(qū)動與它連接的工作機(jī)械。遭遇熱工質(zhì)113的構(gòu)件在燃?xì)廨啓C(jī)IOO運行期間受到熱負(fù)荷。除了作為 環(huán)形燃燒室106襯墊的熱屏片外，沿工質(zhì)113流向看第一級透平112的導(dǎo)向 葉片130和工作葉片120熱負(fù)荷最大。為了承受住那里存在的溫度，它們可 借助一種冷卻劑冷卻?；鶎油瑯涌梢杂幸环N定向結(jié)構(gòu)，也就是說，它們是單 晶體(SX結(jié)構(gòu))或只有縱向晶粒(DS結(jié)構(gòu))。作為材料采用鐵基、鎳基或鈷基 的超級高溫合金。葉片120、 130同樣可以有防腐蝕的鍍層(MCrAlX;其中 M是元素組鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)中至少一種元素，X代表釔(Y)和/或至 少一種稀土元素)以及防熱的隔熱層。隔熱層例如由Zr02、 Y204-Zr02組成， 也就是說，通過氧化釔和/或氧化鉤和/或氧化鎂，它是不穩(wěn)定、部分穩(wěn)定或 完全穩(wěn)定的。采用恰當(dāng)?shù)腻儗庸に?，例如電子束物理氣相沉積(EB-PVD)，在 隔熱層內(nèi)生成條狀晶粒。導(dǎo)向葉片130有一個面朝透平108內(nèi)殼體138的導(dǎo)向葉片葉4艮(圖中未 表示)和一個與導(dǎo)向葉片葉根對置的導(dǎo)向葉片頂部。導(dǎo)向葉片頂部面朝轉(zhuǎn)子 103并固定在定子143的一個固定環(huán)140上。圖18表示燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室110。此燃燒室110例如設(shè)計為所謂的環(huán) 形燃燒室，其中多個沿周向繞透平軸103排列的燃燒器102匯入一個公共的 燃燒室腔內(nèi)。為此，燃燒室110總體上設(shè)計為環(huán)形結(jié)構(gòu)，它圍繞著透平軸103 定位。為了達(dá)到比較高的效率，燃燒室IIO針對工質(zhì)M比較高的約1000。C至 1600°C溫度設(shè)計。為了即使在這種對于材料不利的運行參數(shù)下仍能有比較長 的工作壽命，燃燒室壁153在其面朝工質(zhì)M那一側(cè)設(shè)置一種由熱屏元件155 構(gòu)成的內(nèi)襯。每個由合金制成的熱屏元件155在工質(zhì)側(cè)設(shè)計有一種特別耐熱 的保護(hù)層或用耐高溫的材料制成。此外，基于燃燒室110內(nèi)部高的溫度，為熱屏元件IS5或為它們的支承件設(shè)置冷卻系統(tǒng)。熱屏元件1SS也可以有一些 例如也具有擴(kuò)張段l3的孔以便冷卻熱屏元件lss或允許流出可燃?xì)怏w: 燃燒室壁及其鍍層的材料可類似于透平葉片。
權(quán)利要求
1.一種借助至少一個脈沖能量射束(22、22′、22″)，尤其借助至少一個激光器(19、19′、19″)的至少一個有一脈沖寬度的脈沖激光束(22、22′、22″)，在一分層系統(tǒng)(1、120、130、155)中制造孔(7)的方法，其中，此方法按多個切除步驟實施，以及在第一個切除步驟中采用與在最后一個切除步驟中不同的脈沖寬度，其特征為所述分層系統(tǒng)(1)至少由一個金屬基層(4)和一個陶瓷的最外層組成；在有較短的脈沖寬度的切除步驟中，所述至少一個能量射束(22、22′、22″)在構(gòu)件(1、120、130、155)的表面上移動，以便切除在要制造的孔(7)所在平面區(qū)內(nèi)的材料；以及，使用較長的脈沖寬度，以便切除金屬中間層(16)或金屬基層(4)。
2. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，在第一個切除步驟期間使 用比最后一個切除步驟中更長的脈沖寬度。
3. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，在第一個切除步驟期間使 用比最后一個切除步驟中更短的脈沖寬度。
4. 按照權(quán)利要求l、 2或3所述的方法，其特征為，所述脈沖寬度在制 造孔(7)的方法的推進(jìn)過程中連續(xù)地改變。
5. 按照權(quán)利要求l、 2或3所述的方法，其特征為，所述脈沖寬度在制 造孔(7)的方法的推進(jìn)過程中不連續(xù)改變。
6. 按照權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征為，只使用兩種不同的脈 沖寬度。
7. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，在脈沖持續(xù)時間較長時， 所述至少一個能量射束(22、 22'、 22〃)不在構(gòu)件(1、 120、 130、 155)的表面上移動。
8. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，只使用一個具有波長尤其 為1064nm的激光器(19)。
9. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，為制造孔(7)使用兩個或更 多個激光器(19'、 19〃)。
10. 按照權(quán)利要求9所述的方法，其特征為，對于激光器(19'、 19〃)使用 相同的波長(1064nm或532nm)。
11. 按照權(quán)利要求9所述的方法，其特征為，對于激光器(19'、 19")使用 不同的波長(1064nm和532nm)。
12. 按照權(quán)利要求9、 IO或ll所述的方法，其特征為，激光器(19'、 19〃) 設(shè)置用于產(chǎn)生相同范圍的脈沖寬度。
13. 按照權(quán)利要求9、 IO或11所述的方法，其特征為，激光器(19'、 19〃) 設(shè)置用于產(chǎn)生不同范圍的脈沖寬度。
14. 按照權(quán)利要求9至13之一所述的方法，其特征為，激光器(19'、 19〃) 同時利用。
15. 按照權(quán)利要求9至13之一所述的方法，其特征為，激光器(19'、 19〃) 乂人時間看相繼利用。
16. 按照權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征為，在第一個切除步驟期 間使用的脈沖寬度小于等于500ns，尤其小于等于100ns,以及，在最后一個 切除步驟中使用的脈沖寬度大于100ns，尤其大于500ns，但尤其小于10ms。
17. 按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征為，在第一個切除步驟期 間使用的脈沖寬度大于100ns，尤其大于500ns,但尤其小于10ms，以及， 在最后一個切除步驟中使用的脈沖寬度小于等于500ns，尤其小于等于 畫ns。
18. 按照權(quán)利要求l、 3或16所述的方法，其特征為，首先用較短的脈 沖寬度制造所述孔(7)的外上部區(qū)(13)，然后用較長的脈沖寬度制造所述孔(7) 的下部區(qū)(IO)。
19. 按照權(quán)利要求l、 3或16所述的方法，其特征為，首先用較短的脈 沖寬度制造所述孔(7)的外邊緣區(qū)(28)，然后用較長的脈沖寬度制造所述孔(7) 的內(nèi)部區(qū)(25)。
20. 按照權(quán)利要求l、 2或17所述的方法，其特征為，首先用較短的脈 沖寬度制造所述孔(7)的一內(nèi)部區(qū)(25),然后用較長的脈沖寬度制造所述孔(7) 的一外邊緣區(qū)(28)。
21. 按照權(quán)利要求1至7之一所述的方法，其特征為，從構(gòu)件(1)表面(14) 出發(fā)制造孔(7);以及，從外表面(14)的方向直至孑L(7)的深度改變脈沖寬度。
22. 按照權(quán)利要求l、 2、 4-7、 12、 13、 16-21之一所述的方法，其特征 為，對于較長的脈沖使用脈沖持續(xù)時間為0.4ms。
23. 按照權(quán)利要求l、 2、 4-7、 12、 13、 16-22之一所述的方法，其特征 為，較長的脈沖有能量為6至IO焦耳，尤其8焦耳。
24. 按照權(quán)利要求l、 2、 4-7、 12、 13、 16-23之一所述的方法，其特征 為，較長的脈沖有功率為10至50千瓦，尤其20千瓦。
25. 按照權(quán)利要求l、 3、 5、 6、 12、 13、 16-21之一所述的方法，其特 征為，較短的脈沖的能量處于或低于兩位數(shù)，尤其處于一位數(shù)毫焦耳范圍內(nèi)。
26. 按照權(quán)利要求l、 3、 5、 6、 12、 13、 16-21或25所述的方法，其特 征為，較短的脈沖有功率在一位數(shù)千瓦范圍內(nèi)。
27. 按照權(quán)利要求l、 2-4、 7、 12、 13、 16-24之一所述的方法，其特征 為，對于較長的脈沖在構(gòu)件(1)上切除區(qū)的橫截面積(A)與要制造的孔(7、 10) 的橫截面積一致。
28. 按照前列諸權(quán)利要求中一項或多項所述的方法，其特征為，在使用 較長或較短的脈沖(16)時，只要較長或較短脈沖的脈沖寬度不改變，激光器 (19、 19'、 19〃)的輸出功率是常數(shù)。
29. 按照前列諸權(quán)利要求中一項或多項所述的方法，其特征為，對于較 長的脈沖使用激光器(19、 19'、 19〃)的輸出功率大于100瓦，尤其500瓦。
30. 按照前列諸權(quán)利要求中一項或多項所述的方法，其特征為，對于較 短的脈沖，所述激光器(19、 19'、 19〃)的輸出功率小于300瓦。
31. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，采用本方法加工一種設(shè)計 為分層系統(tǒng)的構(gòu)件(l)。
32. 按照權(quán)利要求31所述的方法，其特征為，采用本方法加工由一金 屬基層(4)和至少一個陶瓷層(16)組成的分層系統(tǒng)(1)。
33. 按照權(quán)利要求31或32所述的方法，其特征為，所述分層系統(tǒng)(l) 由一基層(4)和一金屬層(16)組成，后者尤其有MCrAlX類型的組成成分，其 中M代表元素組鐵、鈷或鎳中的至少一種元素，以及X代表釔和/或至少一 種稀土元素。
34. 按照權(quán)利要求32或33所述的方法，其特征為，所述分層系統(tǒng)(l) 由 一基層(4)和包括一個金屬中間層和一個陶瓷外層的層(l6)組成。
35. 按照權(quán)利要求32或34所述的方法，其特征為，所述陶乾層是一個 隔熱層。
36. 按照權(quán)利要求32、 33、 34或35所述的方法，其特征為，所述基層 (4)是一種鎳基、鈷基或鐵基超級高溫合金。
37. 按照權(quán)利要求1或31所述的方法，其特征為，采用本方法加工一種構(gòu)件(l),它是燃?xì)廨啓C(jī)(100)或汽輪機(jī)的渦輪葉片(120、 130)、熱屏元件(155) 或其他構(gòu)件或殼體構(gòu)件。
38. 按照權(quán)利要求1或37所述的方法，其特征為，本方法在構(gòu)件(1、120、 130、 155)新制時使用。
39. 按照權(quán)利要求1或37所述的方法，其特征為，本方法在構(gòu)件(l 、 120、 130、 155)要再加工時使用。
40. —種尤其用于實施按照前列諸權(quán)利要求1至39中一項或多項所述 方法的設(shè)備(40)，該設(shè)備用于加工構(gòu)件(l、 120、 130)，尤其用于制造孔(7)， 它包括至少一個激光器(19、 19'、 19〃)，尤其兩個激光器(19'、 19〃)，該激光 器可產(chǎn)生不同的激光脈沖寬度，其中，在構(gòu)件(l)加工期間至少一個具有較短 激光脈沖寬度的激光耒(22、 22'、 22〃〉可在一個平面內(nèi)移動。
41. 按照權(quán)利要求40所述的設(shè)備，其特征為，該設(shè)備(40)有至少一個反 射鏡(31、 33)，使用該反射鏡將激光束(22、 22'、 22〃)導(dǎo)向要加工的構(gòu)件(1 、 120、 130、 155)。
42. 按照權(quán)利要求40所述的設(shè)備，其特征為，該設(shè)備(40)有兩個激光器 (19'、 19〃)和兩個反射鏡(31、 33),后者可以將激光束(22'、 22〃)同時或先后 導(dǎo)向所述構(gòu)件(l、 120、 130、 155)。
43. 按照權(quán)利要求40、 41或42所述的設(shè)備，其特征為，該設(shè)備(40)有 至少一個光學(xué)鏡(35、 35')，尤其透鏡(35、 35')，它將所述至少一個激光器(19、 19'、 19〃)的所述至少一個激光束(22、 22'、 22〃)控制到所述構(gòu)件(1、 120、 130、 155)上。
44. 按照權(quán)利要求40、 41或42所述的設(shè)備，其特征為，該設(shè)備(40)有 至少兩個作為光學(xué)鏡的透鏡(35、35'),它們可將激光器(19'、19〃)的激光束(22'、 22〃)同時導(dǎo)向所述構(gòu)件(1、 120、 130、 155)的不同區(qū)域(25、 28)上。
全文摘要
迄今用于在構(gòu)件中制造孔的方法很費時和昂貴，因為采用有短的激光脈沖寬度的專用激光器。按本發(fā)明的方法改變激光脈沖寬度，其中，短的激光脈沖寬度只使用在要切除的區(qū)域中，在那里對流量特性或流出特性有顯著的影響。這例如是孔(7)擴(kuò)張段(13)的內(nèi)表面(12)，它用短的激光脈沖寬度可以非常精確地制造。
文檔編號F01D5/18GK101119826SQ200580046496
公開日2008年2月6日 申請日期2005年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月14日
發(fā)明者盧茨·沃爾克斯, 托馬斯·貝克, 西爾克·塞特加斯特 申請人:西門子公司