CN116157227A - 用于涡轮叶片的制造或修复的激光加热 - Google Patents

用于涡轮叶片的制造或修复的激光加热 Download PDF

Info

Publication number
CN116157227A
CN116157227A CN202180059822.5A CN202180059822A CN116157227A CN 116157227 A CN116157227 A CN 116157227A CN 202180059822 A CN202180059822 A CN 202180059822A CN 116157227 A CN116157227 A CN 116157227A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
power
component
heating
emitters
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180059822.5A
Other languages
English (en)
Inventor
达米安·乔纳森·朱利安·库帕德
纪尧姆·瓦伦丁·贾蒙多·马里恩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran SA
Original Assignee
Safran SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran SA filed Critical Safran SA
Publication of CN116157227A publication Critical patent/CN116157227A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P6/00—Restoring or reconditioning objects
    • B23P6/002—Repairing turbine components, e.g. moving or stationary blades, rotors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/067—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/60—Preliminary treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/20—Post-treatment, e.g. curing, coating or polishing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/005—Repairing methods or devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/282—Selecting composite materials, e.g. blades with reinforcing filaments
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/001—Turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/30—Manufacture with deposition of material
    • F05D2230/31—Layer deposition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/40—Heat treatment
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Abstract

公开了一种用于对涡轮叶片或涡轮叶片元件类型的机械部件(35)进行激光加热的设备，该设备包括：一个或多个激光发射器(11j，…，11k)，用于分别以第一预定功率向该部件的第一目标区域发射至少第一激光辐射，以及用于以第二预定功率向该部件的与第一目标区域不同的第二目标区域发射第二激光辐射，该第二预定功率不同于第一预定功率，该第二预定功率不同于第一预定功率。

Description

用于涡轮叶片的制造或修复的激光加热
技术领域
本申请涉及机械部件的制造或修复领域，对于机械部件，必须根据精确的热分布来执行至少一个加热步骤。特别地，本申请适用于部件的制造，该部件特别是由金属和/或复合材料制造，并且具有复杂形状并且可能经受显著的热应力和机械应力，该部件例如为例如用于飞行器发动机的涡轮叶片。
背景技术
在制造叶片的过程中，通常的做法是对叶片元件进行热处理，这改变了叶片元件材料的特性。例如，所谓的“预加热”热处理可以在焊接操作之前或材料添加操作之前实施，以限制材料中的应力并防止裂纹的出现。为了执行这种步骤，已知特别地使用感应加热设备。
感应加热设备的示例在图1A至图1B(分别给出了横截面视图和纵截面视图)中示出，并且能够在由线圈2产生的电磁场中对主体1进行非接触加热。
在所示的示例中，线圈2具有适合于主体1的形状并复制主体的几何形状。这使得热量能够均匀地分布。
这种设备的缺点是难以适应于具有不同几何形状的元件的加热。此外，在一些情况下，可能期望在部件的不同区域上的不均匀但受控的热量分布。
出现了实施针对一个或多个上述缺点而改进的新的加热设备的问题。
发明内容
本发明的实施例提供了一种激光加热设备，该激光加热设备用于根据预定的热廓线对部件或部件元件进行加热，所述加热设备包括：给定的激光源，给定的激光源设置有一个或多个激光发射器，以分别根据第一预定功率在所述部件或所述部件元件的第一目标区域的方向上发射至少一个第一激光辐射，并且根据第二预定功率在所述部件或所述部件元件的与第一目标区域不同的第二目标区域的方向上发射第二激光辐射，第二预定功率不同于第一预定功率。
这种设备可以使得能够获得精确控制的加热温度梯度或对部件或部件元件进行基本上均匀的加热，而不必复制该部件的几何形状。
这种设备可以用于执行“预加热”，换言之，特别是通过粉末床熔化技术或通过LMD(代表“激光金属沉积(Laser Metal Deposition)”)在增材制造期间在给定的材料添加步骤之前的热处理。
这种加热设备还可以用于特别是通过粉末床熔化技术或通过LMD在增材制造期间在给定的材料添加步骤之后进行热处理。
在这两种情况下，加热在低于所述给定材料或所述粉末的熔化温度的温度下进行。
特别地，所考虑的部件可以是金属和/或复合材料部件，特别是要经受显著的热应力和机械应力的部件。
该激光加热设备特别地适用于对飞行器发动机的涡轮叶片元件进行制造或修复。
加热设备设置有用于对所述激光发射器元件进行控制的模块，所述模块被配置成：
-获取将所述部件的目标区域的几何数据和/或位置数据与相应的加热温度值相关联的热廓线数据，
-根据所述热廓线数据调制所述激光源的所述一个或多个激光发射器的发射功率。
根据可能的实施例，根据所述第一功率的所述第一激光辐射和根据所述第二功率的所述第二激光辐射可以由同一激光发射器连续地发射。因此，可以实现加热的时间控制。
根据所述第一功率的所述第一激光辐射和根据所述第二功率的所述第二激光辐射可以分别地并伴随地来自第一激光发射器和第二激光发射器。因此，还可以实现加热的空间控制。
根据可能的实施方式，激光源可以由属于第一支撑件的一个或多个第一发射器以及属于与第一支撑件不同的第二支撑件的一个或多个第二发射器形成，在所述第一支撑件和所述第二支撑件之间设置空间，以容纳所述部件。
根据另一个可能的实施方式，激光源包括分布在支撑件的围绕空腔形成封闭轮廓的区域上的激光发射器，该封闭轮廓特别是圆形或卵形，部件可以布置在该空腔中。
有利地，激光发射器是VCSEL型激光二极管。
有利地，如上文所限定的加热设备可以与通过金属粉末或熔融金属线类型的材料(有利地为LMD类型的材料)的直接沉积进行增材制造的设备相关联，或者集成到特别地通过金属粉末或熔融金属线类型的材料(有利地为LMD类型的材料)的直接沉积进行增材制造的***中。
典型地，这种***设置有至少一个材料分配器构件和与所述给定的激光源不同的另一个激光源。
有利地，该***还设置有控制装置，该控制装置用于根据所述材料分配器构件的定位数据来调制所述一个或多个激光发射器的相应发射功率。根据特定实施例，这些控制装置被集成到上文所限定的控制模块中。
如上文所限定的激光加热设备可以用于实施不同的热处理步骤，以准备部件用于焊接、或用于材料添加、或用于增强，或以特别是在上述步骤中的任一步骤之后控制冷却。
根据另一方面，本发明的实施例提供了如上文所限定的激光加热设备的用途，以用于飞行器发动机的叶片元件或叶片的修复或制造。
根据另一方面，本发明的实施例提供了一种用于对飞行器发动机的叶片的至少一部分进行制造或修复的方法，该方法包括通过激光辅助粉末喷涂，特别是通过LMD类型的激光辅助粉末喷涂进行增材制造的一个或多个步骤，所述增材制造步骤中的至少一个之前或之后是使用如上文所限定的激光加热设备进行加热。
有利地，在低于所述粉末的熔化温度的温度下执行热处理。
附图说明
基于以下描述和附图将更好地理解本发明，在附图中：
图1A和图1B用于示出根据现有技术实施的感应加热设备；
图2用于示出根据本发明的实施例实施的激光加热设备；
图3用于示出LMD型增材制造设备，根据本发明的激光加热设备可以与该LMD型增材制造设备相关联，或者该加热设备可以集成到该LMD型增材制造设备中；
图4A和图4B用于示出热廓线作为根据本发明的加热设备可以实施的部件的坐标的函数的不同示例；
图5A、图5B、图5C和图5D用于示出可以由根据本发明实施的激光加热设备加热的局部区域的不同形状；
图6用于示出根据本发明实施的激光加热设备中的激光发射器的支撑件的特定示例；
图7用于示出根据本发明实施的激光加热设备中的激光发射器的支撑件的另一特定示例。
不同附图的相同、相似或等效的部分具有相同的附图标记，以便于从一个附图切换到另一个附图。
附图中表示的不同部分不一定按照统一的比例，以使得附图更易读。
具体实施方式
图2示意性地示出了根据本发明的实施例实施的激光加热设备的实施例。
这种设备特别地在制造或修复部件5的情况下使用，该部件特别是基于金属和/或复合材料的部件，并且可以旨在经受显著的热应力和机械应力和/或可以具有复杂的形状。特别地，所考虑的部件5可以是燃气涡轮的旨在经受高热应力和蠕变应力的叶片或叶片元件。
被制造或修复的涡轮叶片可以由例如TiAl合金的金属合金制成，或者根据另一示例，由基于镍和以下元素：Cr、Co、Mo、W、Al、Ti、Ta、Hf、Re、Ru中的一种或多种元素的合金制成。
根据其它示例，部件5可以由耐热钢超合金制成或由用低体积分数(百分之几)的纤维增强的镍基超合金构成的复合材料制成。替代地，所考虑的部件5可以设置有由给定材料制成的主体，该主体覆盖有与给定材料不同的材料的一个或多个涂层，该主体例如为涂覆有由陶瓷材料制成的隔热层的金属主体。
激光加热设备可以在用于制造叶片的方法的不同热处理步骤中使用，特别是在低于存在的一种或多种材料的熔化温度的温度下进行热处理。因此，这种加热设备可以用于在将材料添加到该部件或坯件或元件上的步骤之前，对坯件部件或部件或部件元件进行预加热，特别是进行热处理。在这种情况下，通常通过LMD方法，在低于随后用于进行材料添加的粉末的熔化温度的温度下进行预加热热处理。
另一示例为，使用加热设备来执行快速退火以准备焊接，其通常在介于700℃至900℃之间的温度下执行，例如在800℃的范围内的温度下执行。
加热设备不一定用于执行预加热步骤，并且可以用于进行材料添加步骤之后的步骤。例如，可以在所谓的“消除应力(détente)”退火期间使用加热设备，该退火通常在介于600℃至1000℃之间的温度下执行。在此，再次，退火通常在低于存在的一种或多种材料的熔化温度的温度下执行。
使用加热设备的另一示例是在包覆操作期间实施的退火，在包覆操作期间，缺少材料的部件的区域被重建或在该部件上添加材料。例如，可能期望通过提供具有与叶片的晶体取向一致的晶体取向的包覆微结构来包覆由单晶镍基超合金制成的叶片。
可以通过粉末床熔化的增材制造技术，例如LMD(代表“激光金属沉积”)型的粉末床熔化的增材制造技术来执行包覆操作。然后，可以使用激光加热设备获得对期望施加在部件5上的空间温度分布的精确控制。
为了根据可适配于该部件5的几何形状的预定热廓线来加热该部件5，加热设备在此设置有具有可调节功率的激光源11，并且在该示例中由分布在支撑件10上的多个激光发射器111、...、11n形成。
例如，激光发射器111、...、11n可以是激光二极管，特别是VCSEL(“垂直空腔表面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser)”)型的激光二极管，换言之，发射与有源半导体区域的表面垂直的激光射线的半导体激光二极管。该区域与通常由与所述表面平面的布拉格镜形成的激光谐振器相关联。在预期应用的情况下，这种类型的发射器具有以下特定优点：发射低发散光束、能够实现发射器的高集成密度、能够以多个行或矩阵的形式集成、便于对供应到部件5或供应到待加热的部件5的目标区域的能量的量进行空间和时间控制。
发射器的数量和发射器的分布密度取决于待预加热的部件的类型和成形***。根据特定实施例，该设备可以设置有1组至20组竖直或水平的独立发射器，每组可以由1至数百个发射器构成。每个发射器可以在模块上与下一个发射器间隔开一距离，该距离例如在100μm的范围内。
给定的激光发射器11i产生波长λa的辐射，该波长λa通常介于650nm至1300nm之间，例如在800nm至1000nm的范围内。激光器的功率Pi是单独可调节的，并且根据期望使部件的目标区域6i经受的加热温度而例如介于100W至10kW之间。
在所示的示例中，激光发射器111、...、11n被布置在形成封闭轮廓的支撑件10上。激光发射器111、...、11n在此特别地围绕限定空腔17的圆柱形表面分布，在加热期间，部件5被布置在该空腔中。加热设备还设置有光学***13，以引导激光束。例如，光学***包括分布在圆柱形表面上的透镜，并且每个透镜面对一个或多个激光发射器。
这种加热设备可以使得对部件5进行均匀加热，尽管该部件的几何形状与围绕该部件分布的所有加热元件的几何形状不同。
为此，通过对激光发射器111、...、11n进行单独的功率控制，第一激光辐射发射器111可以在部件5的位于距该发射器111一第一距离d1处的第一目标区域61的方向上根据第一预定功率P1发射辐射，而另一发射器在部件5的位于距部件5一第二距离d2处的另一目标区域65的方向上根据与第一功率P1不同的另一功率P5发射辐射。功率P1、P5根据目标区域61、65相对于激光源的定位进行调整，换言之，根据暴露对象的形状进行调整。在所示的示例中，距离d1小于距离d5，功率P5例如可以被设置为高于功率P1，以使得能够在部件5的目标区域61、65之间进行均匀或基本上均匀的加热。
利用这种加热设备，也可以例如通过使部件5的局部区域经受给定的加热温度来执行部件5的非均匀加热，但具有受控的热梯度，而将部件的另一区域置于不同的温度，或者甚至不暴露于激光束，与该另一区域相对定位的发射器不发射激光束。
为了能够对发射器111、...、11n的功率进行单独控制，加热设备设置有控制模块28或与该控制模块相关联。典型地，该控制模块28设置有计算机和/或处理器和/或至少一个电子电路，例如ASIC(代表“专用集成电路(Application-Specific IntegratedCircuit)”)，专用集成电路具有硬件部件和/或软件部件，以使得能够产生用于对发射器111、...、11n的发射和功率进行控制的信号。在VCSEL发射器的情况下，这些信号例如特别地作用于激光二极管的电极的相应的电位。
控制模块28还可以设置有至少一个存储器或与至少一个存储器相关联，至少一个存储器使得能够存储与部件5的几何形状相关的几何数据和/或部件5的不同目标区域在给定的参考系中的定位数据。也可以使用部件的与该部件的构成材料的结构数据相关联的三维模型。
典型地，部件的几何和/或定位数据分别与加热温度、和/或激光能量和/或激光功率数据相关联。更具体地，基于与部件5的几何数据和/或部件5的目标区域的定位相关联的热廓线数据，控制模块28可以单独地控制激光发射器111、...、11n..
除了单独的发射功率控制之外，还可以实施“开/关”型控制，以使一个或多个所述激光发射器激活，即，使得每个发射器发射激光辐射，而使一个或多个其他发射器不激活，换言之，不发射任何激光辐射。
可以使用诸如高温计或热电偶或热感相机的温度测量传感器来实现由这种设备进行的加热控制。例如可以通过对激光二极管的功率进行调制来进行加热温度的伺服控制，以使部件中的温度随时间保持恒定。
如前所述，具有激光发射器的加热设备的特定应用是该加热设备与增材制造设备相关联或该加热设备集成到增材制造***中，该增材制造设备或***特别是基于在由高功率激光器加热的熔化表面上沉积粉末射流的原理，在粉末床上使用熔化技术的设备或***，例如LMD(“激光金属沉积”)设备。
这种设备可以设置有由金属形成的分配器构件，这使得感应加热设备的使用不合适。事实上，这种加热设备的使用可能在典型的金属材料分配器构件处产生寄生涡流，并且通过引起该构件的过早地加热来干扰该加热设备的操作。
图3示出了使用LMD技术的特定增材制造设备，并且该特定增材制造设备可以与根据本发明的加热设备(在该图中未示出)相关联。在此使用激光器38来实施投射粉末的熔化，以形成或包覆叶片元件35。
增材制造设备的操作参数，特别是激光源38的操作参数，特别是激光源在整个过程中的功率，可以借助于独立的控制单元来调制。替代地，可以使用与前述激光加热设备的控制模块相同的控制模块28。
控制单元或控制模块28还可以配置成从材料分配器构件获取定位数据，并根据这些定位数据调整激光发射器的相应的功率。也可以考虑部件的支撑件的定位数据。反过来，这种定位数据可以源自位置传感器和/或运动传感器。
在该示例中，用于通过在粉末床上选择性熔化进行增材制造的设备被设计成通过在水平板型支撑件32上沉积材料来制造叶片元件35。该设备设置有相对于支撑件32可移动的并且例如由机械臂承载的可移动材料分配器构件。制造设备被连接到金属粉末供应器和金属粉末分配器。材料分配器构件包括用于投射金属粉末的喷嘴34和被构造成发射穿过喷嘴34的激光束38的至少一个激光发射器36。粉末由运载气体输送，并且以粉末流的形式投射。例如，粉末包括镍基合金。
激光束38可以通过在所示的特定示例中由光纤36a和透镜(例如具有准直透镜36b和聚焦透镜36c)限定的光路而传送到喷嘴34。束38旨在穿过喷嘴34的内轴向开口，并且朝向粉末被投射在其上的支撑件32。激光束38以预定波长λb和预定功率发射，以使投射的粉末熔化。例如，波长λb在1064nm的范围内。例如，束38是具有例如介于0.2kW至2kW之间的功率的YAG激光器的束。
在所示的示例中，喷嘴34具有大致圆锥形或截头圆锥形形状，喷嘴的具有较小直径的一个端部形成粉末出口。在该示例中，喷嘴34包括多个同轴的圆锥体34a、34b、34c，在此圆锥体的数量为三个，这些圆锥体一个安装在另一个内部。
内圆锥体34a与围绕该内圆锥体的中间圆锥体34b限定了用于围绕束38进行保护气流37a的喷射的内环形通道。通道被连接到用于从上述供应器输送保护气体的装置。典型地，保护气体37a是诸如氩气、氦气或氮气的惰性气体。中间圆锥体34b与围绕该中间圆锥体的外圆锥体34c限定用于粉末流33的喷射的外环形通道。中间圆锥体34b与围绕该中间圆锥体的内圆锥体34c限定用于使成形气体37b通过的环形通道。
热源在热源的路径中产生显著的热梯度，热梯度例如在10000K/s至20000K/s的范围内，这可能引起残余机械应力。在固化和冷却期间，材料可能在横向方向、纵向方向和整个厚度上收缩。这些收缩导致的机械应力可能是横向裂纹(与纵向收缩有关)或纵向裂纹(与横向收缩有关)的来源。当激光束38通过从而导致材料熔化时，局部机械应力取决于热梯度以及元件35的夹紧条件。在非夹紧元件35的情况下，加热产生上部分的局部膨胀，这可能导致凹的曲度。由于这种曲度，上表面经受拉伸应力。
为了克服不希望的应力，可以提供使利用前述增材制造设备实施的元件35经受被称为“后加热”(换言之，在材料添加步骤之后进行)的热处理步骤。因此，然后元件35经受具有受控热梯度的热处理，以限制材料中的应力。例如，后加热型退火可以在例如介于500℃至1000℃之间的温度下进行。
除了在元件35的冷却期间控制的热处理或在添加材料之后执行的热处理之外，根据本发明实施的激光加热设备也可以用于进行预加热，换言之，在添加材料之前对主体或元件进行的热处理的步骤。例如，预加热型退火可以在例如介于300℃至1000℃之间的温度下进行。
前述设备的激光源38的发射功率可以根据部件35在给定的参考系中的定位数据和/或与该部件的几何形状相关的数据来调整。
在图4A所示的特定示例中，增材制造设备的激光源38的功率根据由控制模块记录和使用的预定热廓线P1来调整，从而使得能够调制源激光器38的功率。在此，所考虑的廓线P1是将温度数据和定位数据相关联的线性函数，在此，定位数据与部件35的高度或厚度(相对于参照系(référentiel)平行于参考系[O；X；Y；Z]的轴线Y测量的尺寸)相关。根据廓线P1，激光器38的功率随着元件35的厚度增加而增加。
图4B给出了热廓线P2的另一示例。与P1不同的热廓线P2这次将温度数据与尺寸X(例如部件35的横向尺寸)相关联。根据廓线P2，当接近部件的中心区域时激光器38的功率增加，当接近横向区域时激光器38的功率降低。
特别是当如前所述的激光加热设备与如前所述的控制模块相关联或设置有如前所述的控制模块时，随着热廓线变化的这种功率调制也可以由该激光加热设备来实施。功率控制模块还可以使用将加热温度与2D或3D坐标相关联的其它廓线，例如2D或3D廓线。也可以提供遵循更复杂分布的非线性热廓线。
激光加热设备还使得能够对具有非常不同的相应形状和分布的区域进行加热。
在图5A的示例中，部件35的经受激光热处理的区域136a例如对应于激光束在静止时可以照亮的基本表面Si(单元)。
在图5B所示的示例中，在部件35的整个宽度上延伸的区域136b例如通过从相同激光源扫描或通过以相同功率同时发射的不同激光发射器而经受相同功率的激光辐射。
根据图5C所示的另一示例，在部件35的给定高度上延伸的区域136c经受相同功率的激光辐射。
图5D中给出的加热廓线的另一示例例如提供了使位于不同厚度处的区域13621、13631经受相同的激光功率，而位于相同厚度但不同水平处的区域13631、13637接收不同的相应激光功率。
可以为激光发射器元件的支撑结构提供不同的形状。在图6给出的特定实施例中，加热设备包括分布在例如类似于平行六面体杆的第一支撑件61上的一个或多个第一发射器11j，而一个或多个第二发射器11k集成到类似于平行六面体杆62的第二支撑件62中。在两个支撑件61、62之间设置空间67或空腔67，以容纳待加热的部件5。
因此，根据发射器11j和11k的相应功率和/或被激活并从一个支撑件发射到另一个支撑件的发射器的数量，可以对位于同一部件5的相对面F1、F2上的目标区域进行加热，并且可能从一个面到另一个面执行不同的加热廓线。例如，第一支撑件的发射器11j以与第二支撑件的发射器11k的功率不同的功率发射。替代地，特别是当两个面F1、F2具有不同的几何轮廓时，第一支撑件61的发射器11j根据按照第一功率分布的相应功率发射，而第二支撑件62的发射器11k根据按照与第一分布不同的第二功率分布的相应功率发射。
在图7中给出的特定实施例中，分布在支撑件71的形成封闭轮廓(特别是圆形或卵形轮廓)的区域上的激光发射器11j、11k可以根据所需的加热廓线以相同或不同的相应功率同时地或连续地发射。这样的设备可以使得能够获得更均匀的加热分布。
如前所述，根据本发明实施的加热设备不保留用于进行焊接或材料添加的热处理步骤。加热设备例如还可以用于在元件分离步骤期间进行加热。

Claims (10)

1.一种激光加热设备，所述激光加热设备用于根据预定的热廓线对机械部件(5，35)或部件元件进行加热，特别是对涡轮的叶片元件或叶片进行加热，所述加热设备包括给定的激光源，所述给定的激光源设置有一个或多个激光发射器(111，…，11j，11k，…，11n)，以分别根据第一预定功率在所述部件或所述部件元件的第一目标区域(61)的方向上发射至少一个第一激光辐射，并且根据第二预定功率在所述部件或所述部件元件的与所述第一目标区域不同的第二目标区域(65)的方向上发射第二激光辐射，所述第二预定功率不同于所述第一预定功率，所述设备还包括所述激光发射器元件(111，…，11n)的控制模块(28)，所述控制模块被配置成：
-获取将所述部件的目标区域(61，65，6i，136a，136b，136c)的几何数据和/或位置数据与相应的加热温度值相关联的热廓线数据，
-根据所述热廓线数据调制所述激光源的所述一个或多个激光发射器的发射功率。
2.根据权利要求1所述的设备，
根据所述第一功率的所述第一激光辐射和根据所述第二功率的所述第二激光辐射由同一激光发射器连续地发射，或
根据所述第一功率的所述第一激光辐射和根据所述第二功率的所述第二激光辐射分别地并伴随地来自第一激光发射器(111)和第二激光发射器。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述给定的激光源包括属于第一支撑件(61)的一个或多个第一发射器(11j)以及属于与所述第一支撑件不同的第二支撑件(62)的一个或多个第二发射器(11k)，在所述第一支撑件和所述第二支撑件之间设置空间，以容纳所述部件(5)。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述给定的激光源包括分布在支撑件(71)的围绕空腔(77)形成封闭轮廓的区域上的激光发射器(11j，11k)，所述封闭轮廓特别地具有圆形或卵形形状，所述部件(5)能够布置在所述空腔中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述激光发射器是VCSEL型激光二极管。
6.一种用于通过金属粉末或熔融金属线类型的材料，特别是LMD类型的材料的直接沉积进行增材制造的***，所述***包括根据权利要求1至5中任一项所述的激光加热设备。
7.根据权利要求6所述的增材制造***，所述增材制造***设置有材料分配器构件和与所述给定的激光源不同的另一个激光源，所述加热设备被配置成使得所述一个或多个激光发射器以特定功率发射，从而在低于所述材料的熔化温度的温度下实现加热。
8.一种根据权利要求1至5中任一项所述的加热设备的用途，以用于飞行器发动机的叶片元件或叶片的修复或制造。
9.一种用于对飞行器发动机的叶片或叶片元件进行制造或修复的方法，所述方法包括通过激光辅助粉末喷涂，特别是通过LMD类型的激光辅助粉末喷涂进行增材制造的一个或多个步骤，所述步骤中的至少一个步骤之前或之后是使用根据权利要求1至5中任一项所述的激光加热设备进行热处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在低于粉末的熔化温度的温度下执行所述热处理。
CN202180059822.5A 2020-06-18 2021-06-09 用于涡轮叶片的制造或修复的激光加热 Pending CN116157227A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2006357A FR3111577B1 (fr) 2020-06-18 2020-06-18 Chauffage laser pour la fabrication ou la reparation d’aube de turbine
FR2006357 2020-06-18
PCT/FR2021/051032 WO2021255365A1 (fr) 2020-06-18 2021-06-09 Chauffage laser pour la fabrication ou la reparation d'aube de turbine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116157227A true CN116157227A (zh) 2023-05-23

Family

ID=74045463

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180059822.5A Pending CN116157227A (zh) 2020-06-18 2021-06-09 用于涡轮叶片的制造或修复的激光加热

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230302588A1 (zh)
EP (1) EP4149714A1 (zh)
CN (1) CN116157227A (zh)
FR (1) FR3111577B1 (zh)
WO (1) WO2021255365A1 (zh)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004001276A1 (de) * 2004-01-08 2005-08-04 Mtu Aero Engines Gmbh Verfahren zur Erwärmung von Bauteilen
US11084132B2 (en) * 2017-10-26 2021-08-10 General Electric Company Diode laser fiber array for contour of powder bed fabrication or repair

Also Published As

Publication number Publication date
FR3111577B1 (fr) 2022-10-07
FR3111577A1 (fr) 2021-12-24
WO2021255365A1 (fr) 2021-12-23
US20230302588A1 (en) 2023-09-28
EP4149714A1 (fr) 2023-03-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11027536B2 (en) Diode laser fiber array for powder bed fabrication or repair
US11020955B2 (en) Control of solidification in laser powder bed fusion additive manufacturing using a diode laser fiber array
US20090283501A1 (en) Preheating using a laser beam
CN107030283B (zh) 使用二极管激光器光纤阵列在激光粉末床熔合加性制造中的凝固控制
US20160230283A1 (en) Fused Material Deposition Microwave System And Method
GB2453945A (en) Apparatus for Additive Manufacture Welding
US8813360B2 (en) Method for beam welding on components
EP3554795B1 (en) Additive manufacturing systems and methods
GB2453943A (en) Method and apparatus for welding
US10981247B2 (en) Device for additive manufacturing of a turbomachinery part by direct metal deposition onto a substrate
US20200164436A1 (en) Method of additively manufacturing a structure on a pre-existing component out of the powder bed
US20240051024A1 (en) Irradiation strategy in additive manufacturing with pulsed irradiation
US20230182210A1 (en) Method for additive manufacturing by means of dual selective irradiation of a powder bed and preheating
CN116157227A (zh) 用于涡轮叶片的制造或修复的激光加热
US20220324027A1 (en) Am apparatus

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination