DE102014224410A1 - SX repair via AM coupon - Google Patents

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Abstract

Durch ein additives Herstellungsverfahren kann ein entsprechend hergestellter Coupon (13) mit einer gewünschten Orientierung hergestellt werden, der genau ein Fehlvolumen einer zu reparierenden Komponente (1) ersetzt.By an additive manufacturing process, a correspondingly produced coupon (13) can be produced with a desired orientation, which replaces exactly one missing volume of a component (1) to be repaired.

Description

Die Erfindung betrifft die Reparatur von gerichtet erstarrten Bauteilen, bei denen ein Coupon verwendet wird, der mittels eines additiven Herstellungsverfahrens (additive manufacture AM) hergestellt wird. The invention relates to the repair of directionally solidified components using a coupon made by an additive manufacturing AM.

Hochleistungsturbinen weisen gerichtet erstarrte Bauteile wie Einkristalle oder kolumnar erstarrte Bauteile auf. High-performance turbines have directionally solidified components such as single crystals or columnar solidified components.

Auch diese können für den erneuten Einsatz repariert werden, wobei jedoch die reparierte Stelle dieselbe Eigenschaft aufweisen soll wie das Substrat. These can also be repaired for reuse, but the repaired site should have the same property as the substrate.

Es gibt Möglichkeiten, durch Auftragsschweißen eine gerichtete Struktur zu erzeugen, jedoch ist das bei der Herstellung mit hohen Wärmegradienten verbunden, was zu Problemen führen kann. There are ways to create a directional structure by build-up welding, but this involves high thermal gradients during manufacture, which can lead to problems.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren aufzuzeigen, das dieses Problem überwindet. It is therefore an object of the invention to provide a method which overcomes this problem.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. The object is achieved by a method according to claim 1.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können um weitere Vorteile zu erzielen. In the dependent claims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages.

Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. The figures and the description represent only embodiments of the invention.

Es zeigen: Show it:

1 ein Bauteil mit einer gerichtet erstarrten Struktur, 1 a component with a directionally solidified structure,

2 Vorgehensweise der Reparatur. 2 Procedure of repair.

Eine Wärmeableitung aus einem Schmelzbad beim AM erfolgt gerichtet, so dass ein Gradient in Aufbaurichtung entsteht, was dazu führt, dass eine stängelförmige Kornstruktur bevorzugt entsteht. Beim schichtweisen Aufbau der Struktur bei der Herstellung des Coupons wird jeweils mindestens die vorhergehende Lage mit angeschmolzen. Somit wird beim Erstarrungsprozess von der vorherigen Lage die kristallographische Orientierung übernommen. A heat dissipation from a molten bath at the AM is directed, so that a gradient arises in the construction direction, which leads to a stem-shaped grain structure preferably arises. When layered structure of the structure in the production of the coupon at least the previous layer is also melted with. Thus, during the solidification process, the crystallographic orientation is adopted from the previous position.

Zuerst wird der defekte Bereich entfernt. First, the defective area is removed.

Als vorbereitender Schritt für die Herstellung des Coupons wird die kristallographische Orientierung – primär und sekundär – des zu reparierenden SX-Bauteils im Bereich der Oberfläche bestimmt. As a preparatory step for the production of the coupon, the crystallographic orientation - primarily and secondarily - of the SX component to be repaired in the area of the surface is determined.

Die Geometrie des fehlenden Volumens wird insbesondere über 3D-Laserscan bestimmt. Sie dient als Grundlage, um das 3D-Volumenfile für den AM-Prozess herzustellen, was letztlich zu einem exakt passenden, individuell angepassten Coupon führt. The geometry of the missing volume is determined in particular via 3D laser scanning. It serves as the basis to create the 3D volume file for the AM process, ultimately leading to a perfectly fitting, customized coupon.

Der Coupon wird mittels Selective Laser Melting aufgebaut. Dabei wird im Coupon die für das zu reparierende Bauteil passende kristallographische Orientierung über einen Saatkristall auf der Bauplattform mit der passenden Orientierung vorgegeben. The coupon is set up using Selective Laser Melting. In the coupon, the crystallographic orientation suitable for the component to be repaired is set via a seed crystal on the construction platform with the appropriate orientation.

Alternativ kann die Orientierung einer dünnen Scheibe des Originalbauteils benutzt werden, die in das SLM-Pulverbett eingelegt wird. Die Scheibe wird dabei von einer nur wenige μm dicken Pulverschicht bedeckt. Beim Auftreffen des Laserstrahls schmilzt die Pulverschicht und ein kleiner Teil der Originalbauteilscheibe. So wird beim Erstarren die Orientierung des zu reparierenden Bauteils in den Reparaturcoupon eingebracht. Alternatively, the orientation of a thin slice of the original component can be used, which is inserted into the SLM powder bed. The disk is covered by a few microns thick powder layer. When the laser beam strikes, the powder layer melts and a small part of the original component disk melts. Thus, during solidification, the orientation of the component to be repaired is introduced into the repair coupon.

Der entstandene Coupon mit der passenden Geometrie und kristallographischen Orientierung wird über ein Fügeverfahren eingefügt, vorzugsweise eine Hochtemperaturlötung mit borhaltiger Folie. The resulting coupon with the appropriate geometry and crystallographic orientation is inserted via a joining process, preferably a high-temperature soldering with boron-containing film.

Die 1 zeigt ein zu reparierendes Bauteil 1. Das Bauteil 1 weist im Substrat 2 eine gerichtet erstarrte Struktur auf, hier beispielsweise kolumnar erstarrte Körner 3‘, 3‘‘, 3‘‘‘. Ebenso kann das Substrat 2 eine einkristalline Struktur aufweisen. The 1 shows a component to be repaired 1 , The component 1 points in the substrate 2 a directionally solidified structure, here, for example, columnar solidified grains 3 ' . 3 '' . 3 ''' , Likewise, the substrate 2 have a monocrystalline structure.

Das Substrat 2 ist metallisch und vorzugsweise eine Nickelbasislegierung. The substrate 2 is metallic and preferably a nickel-based alloy.

In jedem Fall gibt es eine kristalline Hauptrichtung 4, die mit einem Pfeil angedeutet ist. In any case, there is a crystalline mainstream 4 which is indicated by an arrow.

Im Bereich einer Oberfläche war ein Defekt vorhanden, der entfernt wurde. Dies kann vorzugsweise mechanisch oder durch eine Laserbearbeitung erfolgen. In the area of a surface there was a defect that was removed. This can preferably be done mechanically or by laser processing.

Das so bearbeitete Substrat 2 wird dreidimensional (3D) geometrisch vermessen, so dass mit der bekannten Ausgangsgeometrie ein Fehlvolumen bestimmt werden kann. The substrate thus processed 2 is geometrically measured three-dimensionally (3D), so that with the known initial geometry a missing volume can be determined.

Diese Daten des Fehlvolumens werden an eine Apparatur zur additiven Fertigung (additive manufacture AM) weitergeleitet, die aus einem Pulverbett 10 ein Coupon 13 als ein entsprechendes Ersatzteil mit der Größe des Fehlvolumens erzeugen kann (2). These data of the defective volume are forwarded to an additive manufacturing AM apparatus which consists of a powder bed 10 a coupon 13 can produce as a corresponding spare part with the size of the missing volume ( 2 ).

Der Saatkristall 7 wurde vorzugsweise im Rahmen der Entfernung der Schädigung aus dem Substrat 2 herausgearbeitet. The seed crystal 7 was preferably used in the removal of the damage from the substrate 2 worked out.

Der Saatkristall kann auch durch andere Art und Weise hergestellt sein. The seed crystal can also be made by other means.

Als Saatkristall 7 wird vorzugsweise eine dünne Scheibe von der lokalen Oberfläche 5 verwendet. As a seed crystal 7 is preferably a thin slice from the local surface 5 used.

Durch einen Saatkristall 7 wird ebenfalls die Orientierung in dem zu erzeugenden Coupon 13 sowohl in primärer als auch sekundärer Orientierung vorgegeben (nicht dargestellt), der größtenteils oder eine ganze Grenzfläche des Coupons abdeckt. Through a seed crystal 7 is also the orientation in the coupon to be generated 13 given in both primary and secondary orientations (not shown) covering most or all of the coupon's interface.

In einem letzten Schritt muss der Coupon 13 dann auf die Oberfläche 5 der Komponente 1 aufgebracht und dort gefügt werden (2, rechts). In a final step, the coupon must 13 then to the surface 5 the component 1 applied and joined there ( 2 , right).

Dies erfolgt vorzugsweise durch eine beliebige Lötung, insbesondere Folienlötung, die insbesondere Bor enthält. This is preferably done by any soldering, in particular foil soldering, which in particular contains boron.

Gegebenenfalls ist eine Nacharbeitung notwendig. If necessary, a reworking is necessary.

Claims (8)

Verfahren zur Reparatur eines Bauteils (1) mit einem geschädigten Substrat (2) mit einer gerichtet erstarrten Struktur, bei dem ein Bereich mit einem Defekt von dem Substrat (2) entfernt wird, so dass eine defektfreie, lokale Oberfläche (5) auf dem Substrat (2) entsteht, bei dem dann die kristalline Orientierung (4) der defektfreien, lokalen Oberfläche (5) bestimmt wird, bei dem dann durch eine dreidimensionale Vermessung des Substrats (2) nach Entfernung des Defekts ein Fehlvolumen ermittelt wird, welche an eine Apparatur zur additiven Herstellung weitergeleitet wird, wobei die Apparatur zur additiven Herstellung mit Hilfe eines Saatkristalls (7) und der vorab bestimmten kristallinen Orientierung (4) des Bauteils (1) im Bereich der defektfreien, lokalen Oberfläche (5) einen Coupon (13) herstellt, der (13) dem vorab bestimmten Fehlvolumen entspricht und die bestimmte kristalline Orientierung (4) aufweist, und in einem letzten Schritt der Coupon (13) mit dem Substrat (2) des Bauteils (1) gefügt wird, so dass die kristalline Orientierung des Coupons (13) mit der bestimmten kristallinen Orientierung (4) des Substrats (2) übereinstimmt. Method for repairing a component ( 1 ) with a damaged substrate ( 2 ) having a directionally solidified structure in which a region having a defect is removed from the substrate ( 2 ) is removed, so that a defect-free, local surface ( 5 ) on the substrate ( 2 ), in which the crystalline orientation ( 4 ) of the defect-free, local surface ( 5 ) is determined, in which then by a three-dimensional measurement of the substrate ( 2 ) is determined after removal of the defect, a false volume, which is forwarded to an apparatus for additive production, wherein the apparatus for additive production using a seed crystal ( 7 ) and the predetermined crystalline orientation ( 4 ) of the component ( 1 ) in the area of the defect-free, local surface ( 5 ) a coupon ( 13 ) which ( 13 ) corresponds to the predetermined volume of error and the particular crystalline orientation ( 4 ), and in a last step the coupon ( 13 ) with the substrate ( 2 ) of the component ( 1 ), so that the crystalline orientation of the coupon ( 13 ) having the particular crystalline orientation ( 4 ) of the substrate ( 2 ) matches. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (2) eine einkristalline Struktur aufweist. Process according to claim 1, wherein the substrate ( 2 ) has a monocrystalline structure. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (2) eine Kolumnarstruktur aufweist. Process according to claim 1, wherein the substrate ( 2 ) has a columnar structure. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem der Coupon (13) als Einkristall hergestellt wird. Method according to one or more of claims 1, 2 or 3, wherein the coupon ( 13 ) is produced as a single crystal. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem ein Coupon (13) als kolumnar erstarrte Struktur hergestellt wird. Method according to one or more of claims 1, 2 or 3, in which a coupon ( 13 ) is prepared as a columnar solidified structure. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem der Saatkristall (7) bei der Entfernung des Defekts aus dem Substrat (2) herausgearbeitet wird. Process according to one or more of the preceding claims, in which the seed crystal ( 7 ) upon removal of the defect from the substrate ( 2 ) is worked out. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem eine dünne Schicht von der Oberfläche (5) als Saatkristall (7) bei der Entfernung des Defekts aus dem Substrat (2) abgetrennt wird. Method according to one or more of the preceding claims, in which a thin layer is removed from the surface ( 5 ) as seed crystal ( 7 ) upon removal of the defect from the substrate ( 2 ) is separated. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem der Coupon (13) mittels einer Lotfolie (16) mit dem Substrat (2) gefügt wird, insbesondere mit einer borhaltigen Lotfolie (16). Method according to one or more of the preceding claims, in which the coupon ( 13 ) by means of a solder foil ( 16 ) with the substrate ( 2 ), in particular with a boron-containing solder foil ( 16 ).
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