专利名称：在使用不同的激光器位置的条件下加工孔的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于加工孔的方法，其中激光器相对于基底的角度位置在加工期 间不连续地变化。
背景技术：
已知利用激光在基底中加工孔，其中激光器在表面上移动。在现有技术中已知，用于加工具有侧边的限制侧面的孔的方法。在US 6, 420, 677 中描述了一种用于在涡轮叶片中激光支持地形成冷却空气孔的方法。在此规定，在涡轮叶 片的表面上给出激光脉冲序列，其中部分涡轮材料被蒸发，由此形成沿着ζ轴的孔。激光射 束在加工期间以+/-10-20°的角度相对于ζ轴倾斜地射到叶片表面上。
发明内容
因此本发明的目的是，给出一种上述形式的方法，其中不产生由于与孔交互作用 造成的孔侧面损伤。这个目的通过权利要求1或2所述的方法得以实现这个目的按照本发明由此得以实现，在多个加工步骤中分别构成孔的部分体积。在从属权利要求中描述其它有利的措施，它们可以任意相互组合，用于实现其它 优点。因此本发明的基本思想是，将要被加工的孔的总体积分成部分体积并且在各个加 工步骤中构成它们。首先产生内部部分。保留剩余部分，用于形成孔的扩散部。通过以激 光射束分别扫描孔的侧面，去除这个剩余部分自身的单个部分体积的部件材料。优选这样对准激光射束，使它与扫描的侧面形成大于8°的角度。因为激光射束在加工孔期间不靠近并平行于已经构成的孔侧面地对准部件表面， 因此排除了在激光射束与侧面之间的不允许的交互作用。此外允许将孔的总体积分成多个 构成复杂的孔几何形状的部分体积。按照本发明的另一方案规定，这样对准激光射束，使它与扫描的侧面形成大于 10°且小于90°、优选大于15°小于80°且特别优选大于20°小于60°的角度。尤其优 选9°的角度。在本发明的改进方案中规定，使用脉冲式的激光射束对准孔内的部件表面。在此 可以使用具有变化的脉冲宽度的激光射束。脉冲宽度可以位于50ns至800ns的范围，优选 70ns至600ns且尤其200ns至500ns。特别优选400ns的脉冲宽度。通过这种脉冲式的激 光射束可以特别快速地蒸发部件材料。这一点对于加工扩散部是特别有利的。以有利的方式，使用频率在20kHz至40kHz、优选25kHz至35kHz且尤其28kHz至 32kHz的激光射束对准部件表面。这一点对于加工扩散部是特别有利的。本发明的优选改进方案规定，在涡轮部件、尤其在涡轮叶片中加工孔。所述孔尤其 可以是完整的冷却空气孔或冷却空气孔的扩散孔。
附图中图1示出待加工的薄膜冷却孔，图2-9简示出本方法的过程，图10示出燃气涡轮机，图11示出涡轮叶片，图12示出超合金的列表。描述和附图只是本发明的实施例。
具体实施例方式在图1中示出基底4内的孔1。基底4尤其对于涡轮部件如涡轮叶片120、130是 按照图12的镍基或钴基超合金。孔1是通孔(不是盲孔)。借助于薄膜冷却孔，不受发明思想限制地解释本发明。薄膜冷却孔1在热燃气的溢流方向9上溢流。来自薄膜冷却孔1的冷却介质的流 出方向8与溢流方向9相互间形成锐角。薄膜冷却孔1具有至少两个不同构造的区段7、10，尤其是薄膜冷却孔1只具有两 个区段7、10。第一区段是内部部分7，它在横截面上优选圆柱形或旋转对称地构成，或者优 选在流出方向8上具有至少恒定的横截面。从基底4的外表面12以下的特定深度直到基底4的表面12，薄膜冷却孔1的横截 面比内部部分7明显加宽。这是扩散部10。在薄膜冷却孔1的左边的侧面17a的拐点14 (它是从扩散部10到内部部分7相 互间的过渡)上，内表面17a上的垂线19在基底4中在表面12上与对置的区段15相交。在图2-9中简示出用于加工孔1的方法过程。下面使用激光器22示例地作为加工机器。本方法通过制备基底4开始(图2)，然后通过激光器22或电子射线源在第一角度 位置(I)、优选激光器位置(I)加工基底。通过激光射束25的中心线和围绕薄膜冷却孔1 的表面12定义角度位置I、II、III的角度。在此从表面12直到基底4的对置的内表面13加工内部部分7 (在涡轮叶片中在 空心空间内)(图3)。在此激光器22优选不必移动。同时在要被加工的孔1内保留剩余部 分16，用于制成扩散部10(图3)。完成内部部分7的加工。在另一步骤(图4)和第二激光器位置II (它与第一激光器位置I不同)中，作为 还要去除的用于扩散部10的剩余部分16的第一区段，去除所述剩余部分16的第一部分体 积，左边的部分体积28 (图6-9)。在此激光器22的角度位置已经相对于侧面表面变化到不 同于角度位置I的角度位置II。激光器22移动到角度位置II，优选在剩余部分16的右边的侧面17b上，直到露出 扩散部10的左边的侧面17a。激光器22的移动没有其他角度位置。在这里II优选也使用与第一激光器位置I不同的激光参数如脉冲长度。但是还保留剩余部分16的第二部分体积18，右边的部分体积18，它在激光器位置II不能加工，因为否则将去除尖部15 (图1)。因此在最后的方法步骤(图5)中，将激光器22带到变化的第三位置III，用于去 除右边的部分体积18，由此得到按照图1的薄膜冷却孔。激光器22的角度位置III与位置 II、尤其也与角度位置I不同。激光器22的角度位置I、II、III优选对应于分步骤。所述加工和所述激光器22的激光器位置I、II、III相对于基底4的变化，由这个 事实引起，即当平行于激光射束方向加工切削面时，不能使用激光器22，因为激光射束锥具 有10°的散射，其中加工射线锥不允许与要被加工的部位的最终轮廓相切。所述复杂的方法步骤(可能有不同的激光器、不同长度的激光脉冲、不同的激光 切削方式和不同的激光器位置)，与只在II和III中唯一的中间位置或只在位置I中使用 激光器相比，得到特别好的效果。对于薄膜冷却孔1的整个加工优选只使用一个激光器22。但是当需要时，尤其对于加工扩散部10，也优选使用两个激光器，其中对于第二激 光器优选使用不同参数，由此使激光器22具有不同的功率特征(功率、脉冲持续时间、频
率. . . ) 。在此尤其规定，这样对准激光射束，使它与扫描的侧面形成大于10°且小于 90°、优选大于15°小于80°且特别优选大于20°小于60°的角度。尤其优选9°的角度。在改进方案中规定，使用脉冲式的激光射束。在此可以使用具有变化的脉冲宽 度的激光射束。脉冲宽度的范围位于50ns至800ns，优选70ns至600ns且尤其200ns至 500ns。特别优选400ns的脉冲宽度。通过这种脉冲式的激光射束可以特别快速地蒸发部 件材料。这一点对于加工扩散部10，即在角度位置II、III中是特别有利的。这些脉冲宽 度优选不在角度位置I中使用。以有利的方式也可以，使用具有20kHz至40kHz、优选25kHz至35kHz且尤其28kHz 至32kHz频率的激光射束对准部件表面。这一点对于加工扩散部10、即在角度位置II，II 中是特别有利的。这些频率优选不在角度位置I中使用。图6示出按照图3的剩余部分16，其中要被去除的剩余部分16通过右边和左边的 侧面限制的侧面17a和17b以虚线表示。同样以虚线使要被去除的剩余部分16的总体积 分成左边的部分体积28和右边的部分体积18。在图7中示出左边的部分体积28的加工，在图8中示出右边的部分体积18的加 工。为了在第一加工步骤中去除所述剩余部分16的左边的部分体积28，激光射束25由激 光器22射到部件表面上。在此使激光器22这样对准，使激光射束25与侧面17a形成优选 大于5°的角度，并且首先射到左边的部分体积13的直接邻接左边的侧面17的部位，在那 里它蒸发部分部件材料。所述激光射束25这样长时间地对准部件表面，直到它达到左边的侧面17a。然后 使激光器22在图面中向右运动，由此使激光射束25碰到还在部分体积13中存在的部件材 料，部件材料再被蒸发直到左边的侧面17a。通过这种方式以激光射束25扫描部分体积13 的整个侧面17a。在通过这种方式加工完剩余部分16的整个部分体积28以后，使激光器22逆时针方向旋转并这样对准，使激光射束25与右边的侧面17b形成大于8°的角度，并且首先碰 到右边的部分体积18的直接邻接右边的侧面17b的部位，在那里激光射束蒸发部分部件材 料。接着以所述的方法通过激光射束25扫描右边的侧面17b，用于也去除右边的部分体积 18(图 8)。在去除所述剩余部分16期间，在激光射束25与薄膜冷却孔1之间没有不允许的 交互作用。因此排除损伤薄膜冷却孔1的侧面。图9以示意图示出图2的剩余部分16，其中在这里表示可选择的孔几何形状，它通 过侧面的限制侧面17a和17b定义。在这个可选择的孔形状中，部分体积28和18上下地 设置，其中部分体积18优选以尖部邻接部件1的外表面12。以所述的方式完成可选择的去除。 如果在基底4上存在优选MCrAlY形式的金属粘附剂层和/或在MCrAlY层或基底 4上存在陶瓷层时，也可以如上所述实现薄膜冷却孔。图10以纵向局部截面图示例地示出涡轮机100。该涡轮机100在内部具有围绕旋 转轴线102旋转支承的转子103，具有轴101，它也称为涡轮转子。沿着转子103相继有抽 吸外壳104、压缩机105、例如复曲面形的燃烧室110、尤其环形燃烧室(具有多个同轴设置 的燃烧器107)、涡轮108和排气外壳109。环形燃烧室110与例如环形的热燃气通道111 连通。在那里例如四个串联的涡轮级112形成涡轮108。每个涡轮级112例如由两个叶片 环形成。在工作介质113的流动方向上看去，在热燃气通道111中接着导向叶片列115设 有由工作叶片120形成的列125。在此导向叶片130固定在定子143的内壳体138上，而列125的工作叶片120例 如利用涡轮盘133安置在转子103上。在转子103上耦联发电机或工作机(未示出)。在涡轮机100的运行期间，由压缩机105通过抽吸外壳104抽吸并压缩空气135。 在压缩机105的涡轮机侧端部上制备的压缩空气导引到燃烧器107并且在那里与燃烧介质 混合。然后使混合物在形成工作介质113的条件下在燃烧室110内燃烧。从那里工作介质 113沿着热燃气通道111在导向叶片130和工作叶片120旁边流过。在工作叶片120上，工 作介质113脉冲传递地膨胀，由此使工作叶片120驱动转子103并且转子驱动耦联在其上 的工作机。处于热工作介质113下的部件在燃气涡轮机100的运行期间处于热负荷下。在工 作介质113的流动方向上看去的第一涡轮级112的导向叶片130和工作叶片120，除了涂覆 环形燃烧室110的热护板元件以外承受最大的热负荷。为了承受在那里存在的温度，可以 利用冷却介质冷却它们。同样可以使部件基底具有定向的结构，即它们是单晶体的(SX-结 构)或只具有纵向定向的晶粒(DS-结构)。作为部件材料、尤其是涡轮叶片120、130的材料 和燃烧室110的部件的材料，例如使用铁基、镍基或钴基超合金。例如由EP 1 204776 Bi、 EP 1 306 454, EP 1 319 729 AUffO 99/67435 或 W000/44949 已知这些超合金。叶片120、130同样可以是防腐覆层(MCrAlX ；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至 少一种元素，X是活性元素并且用于钇(Y)和/或硅、钪(Sc)和/或至少一种稀土元素或 铪)。由 EP 0 486489 Bi、EP 0 786 017 Bi、EP 0 412 397 Bl 或 EP 1 306 454 Al 已知 这些合金。在MCrAlX上还可以存在隔热层，例如由&02，Y2O3-ZrO2组成，即它不是、部分地或完全地通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定。通过适合的涂装工艺(EB-PVD)在隔 热层中产生柱状晶粒。所述导向叶片130具有面对涡轮机108的内壳体138的导向叶片根部(在这里未 示出)和与导向叶片根部对置的导向叶片头部。导向叶片面对转子103并且固定在定子 143的固定环140上。图11以立体图示出流体机械的工作叶片120或导向叶片130，它沿着纵轴线121延伸。所述流体机械可以是飞机或用于产生电能的发电站的燃气涡轮机、蒸汽涡轮机或 压缩机。所述叶片120、130沿着纵轴线121相继地具有固定部位400、与其邻接的叶片平台 403以及叶片406和叶片尖部415。作为导向叶片130，可以使叶片130在其叶片尖部415
上具有另一平台(未示出)。在固定部位400中构成叶片根部183，它用于使工作叶片120、130固定在轴或盘上 (未示出)。所述叶片根部183例如由锤头构成。能够实现其它扩展结构，作为揪树形根部 或燕尾根部。所述叶片120、130对于在叶片406旁边流过的介质具有迎流棱边409和排流棱边 412。在常见的叶片120、130中，在叶片120、130的所有部位400、403、406使用例如实 心的金属材料、尤其是超合金。这些超合金例如由EP 1 204 776 Bi、EP 1 306 454、EP 1 319 729 AUffO 99/67435或WO 00/44949已知。所述叶片120、130可以利用铸造工艺、也 可以利用定向的凝固，通过锻造工艺、通过铣削工艺或其组合制成。具有单晶结构的工件作为机器的零部件使用，它们处于高的机械、热和/化学负 荷下运行。例如通过由熔液定向凝固实现这种单晶工件的加工。在此涉及铸造工艺，其中 液体的金属合金定向凝固成单晶结构、即单晶工件。在此枝状晶体沿着热流取向，并且或者 形成柱状晶体结构(柱形、即晶粒，它们在工件的整个长度上延伸并且在这里按照一般的 语言习惯称为定向凝固)，或者单晶结构，即整个工件由唯一的晶体组成。在这些工艺中指 的是到球晶(多晶)凝固的过渡，因为由于非定向的生长以必需的方式构成横向和纵向的 晶界，它们破坏了定向凝固或单晶的部件的良好特性。如果一般地提到定向凝固的组织，则由此不仅指单晶，它们没有晶界或最多小 角度晶界，而且指柱状晶体结构，它们虽然具有在纵向上延伸的晶界，但是没有横向的晶 界。在所述的这个第二晶体结构中也涉及定向凝固的组织(directionally solidified structures) 由 US-PS 6，024，792 和 EP 0 892 090 Al 已知这种方法。所述叶片120、130同样可以具有防腐蚀或氧化的覆层，例如(MCrAlX ;M是铁 (Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素并且用于钇(Y)和/或硅、钪(Sc) 和 /或至少一种稀土元素或铪(Hf))。由 EP 0 486 489 BUEP 0 786 017 BUEP 0 412397 Bl或EP 1 306 454 Al已知这些合金。密度优选为理论密度的95%。在MCrAlX层上(作 为中间层或最外层)形成保护的氧化铝层(TGO = thermal grown oxide layer)。所述层成分优选具有Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y_0.7Si或者 Co-28Ni-24Cr-10Al-0. 6Y。除了这些钴基保护层以外也优选使用镍基保护层，如 Ni-10Cr-12Al-0. 6Y-3Re 或 Ni_12Co_2ICr-11A1-0. 4Y_2Re 或 Ni-25Co-17Cr-10Al-0. 4Y-1. 5Re。在MCrAlX层上还可以存在隔热层，它优选是最外边的覆层并且例如由&02、 Y2O3-ZrO2组成，即它不是、局部地或完全地通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定。隔 热层覆盖整个MCrAlX层。通过适合的涂装工艺例如电极射线蒸发(EB-PVD)在隔热层中产生柱状晶粒。可 以设想其它的涂装工艺，例如气体等离子溅射仏 幻、^^5、￥ 5或00)。隔热层可以为了更 好地耐受热冲击具有多孔的含微裂纹或大裂纹的晶粒。隔热层优选比MCrAlX层更多孔。再加工(重整)意味着，部件120，130在其使用后必要时必需去除保护层(例如 通过喷砂)。然后去掉腐蚀层和/或氧化层或相应产物。必要时也还要修理部件120、130 中的裂纹。然后实现部件120、130的再涂装并且重新使用部件120、130。所述叶片120、130可以空心或实心地构成。如果要冷却叶片120、130，则它是空心 的并且必要时还具有薄膜冷却孔418 (虚线表示)。
权利要求
1.一种用于在基底⑷中加工复杂的孔⑴的方法，尤其是通孔(1)，所述孔⑴具有 内部部分(7)和扩散部(10)，在该方法中，使用至少一个激光器(22)用于加工所述内部部 分(7)和扩散部(10)，其特征在于，所述激光器(22)的角度位置(I、II、III)或所述激光器(22)相对于基底(4)至少变 化三次，尤其只变化三次。
2.一种用于在基底⑷中加工复杂的孔⑴的方法，尤其是通孔(1)，所述孔⑴具有 内部部分(7)和扩散部(10)，其特征在于，首先加工薄膜冷却孔(1)的内部部分(7)，其中同时加工扩散部(10)的一部分，其中还 保留的用于加工扩散部(10)的剩余部分(16，18，28)在至少两个、尤其只在两个分步骤中去除。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，首先加工孔(1)的内部部分(7)，其中同时 也加工扩散部(10)的一部分，其中还保留的用于加工扩散部(10)的剩余部分(16，18，28) 在至少两个、尤其只在两个分步骤中去除。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，使用至少一个激光器(22)用于去除所述剩 余部分(16，28，18)，其中所述激光器的角度位置(I、II、III)或所述激光器(22)相对于基 底(4)至少变化两次，尤其只变化两次。
5.如权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于，激光器(22)为了加工内部部分(7) 或在角度位置(I)中不移动。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的方法，其特征在于，只使用一个激光器(22)。
7.如权利要求1、2、3、4或5所述的方法，其特征在于，使用至少两个、尤其仅两个激光 器(22)，它们(22)具有不同的功率特征。
8.如权利要求1、2、3、5、6或7所述的方法，其特征在于，对于加工内部部分(7)或在角 度位置(I)中，使用与在加工扩散部(10)或剩余部分(16，18，28)或在角度位置(II，III) 中不同的激光器(22)的参数或激光器(22)。
9.如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的方法，其特征在于，所述激光器(22)在加工 扩散部(10)时移动，尤其在角度位置II、III、IV、V中的至少一个角度位置中，更特别地在 剩余部分(16，18，28)的位于内侧的侧面(17a，17b)上移动。
10.如权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9所述的方法，其特征在于，在多个加工步骤中， 通过以激光射束(25)扫描扩散部(10)的剩余部分(16，18，28)的侧边的侧面(17a，17b)， 分别构成所述保留的剩余部分(16，18,28)的部分体积(13，18)，其中激光射束(25)这样对 准，使它与扫描的侧面(17a，17b)形成大于8°的角度。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，激光射束(25)这样对准，使它与扫描 的侧面(17a，17b)形成大于10°且小于90°，优选大于15°且小于80°，且特别优选大于 20°且小于60°的角度。
12.如上述权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或11中任一项所述的方法，其特征在于， 使用脉冲式的激光射束(25)，尤其为了去除所述剩余部分(16，18，28)或者在至少第二角 度位置(II，III，...)中，更特别地只用于去除所述剩余部分(16，18，28)。
13.如权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12中任一项所述的方法，其中使用具有 变化的脉冲宽度的激光射束(25)，尤其用于去除所述剩余部分(16，18，28)或在至少第二 角度位置(II，III，...)中，更特别地只用于去除所述剩余部分(16，18，28)。
14.如上述权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或13中任一项所述的方法，其特 征在于，使用脉冲宽度在50ns至800ns范围内的激光射束(25)，优选70ns至600ns且尤其 200ns至500ns的脉冲宽度的激光射束，尤其用于去除所述剩余部分(16，18，28)或在至少 第二角度位置(II，III，...)中，更特别地只用于去除所述剩余部分(16，18，28)。
15.如上述权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，使用频率在20kHz至 40kHz范围内的激光射束(25)，优选25kHz至35kHz且尤其28kHz至32kHz的激光射束，尤 其用于去除所述剩余部分(16，18，28)或在至少第二角度位置(II，III，...)中，更特别地 只用于去除所述剩余部分(16，18，28)。
16.如上述权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述通孔(1)构造在 具有基底⑷的涡轮机部件(120，130，155)中，其中所述扩散部(10)具有明显不同于内部 部分(7)的几何形状，尤其是扩散部(10)的横截面比内部部分(7)加大，尤其扩散部(10) 是不对称的。
全文摘要
本发明涉及一种在使用不同的激光器位置的条件下加工孔的方法。通过在相对于要被加工的基底的三个不同角度位置中使用激光器，使在基底中加工复杂的孔明显简化。
文档编号B23K26/38GK101992352SQ20101025679
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月17日 优先权日2009年8月17日
发明者J·闵采尔, T·波德戈斯基 申请人:西门子公司