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Single-crystal laser deposition of superalloys: processing–microstructure maps

2001; Elsevier BV; Volume: 49; Issue: 6 Linguagem: Inglês

10.1016/s1359-6454(00)00367-0

1873-2453

M. Gäumann, Cyrille Bezençon, Paula Canalís, W. Kurz,

High Entropy Alloys Studies

In order to extend the life cycle of modern single-crystal (SX) high-pressure high-temperature gas turbine blades, repair of cracked or worn parts is of great interest. The success of the repair technique depends critically on a close process control in order to ensure SX repair. Based on solidification theory a process called epitaxial laser metal forming (E-LMF) has been developed. This paper presents the important concepts necessary for any process control for SX repair based on processing maps which relate the expected solidification microstructures and growth morphologies to the processing conditions. These maps are obtained in two steps. Firstly, the relationships between local solidification conditions and the resulting solidification microstructures, i.e. columnar or equiaxed, are formulated. Secondly, the local solidification conditions as a function of the laser processing parameters are calculated with an analytical heat flux model. By a combination of both approaches, processing–microstructure maps are obtained which define processing windows for SX generation and repair by laser deposition. La réparation locale d'aubes monocristallines (SX) de turbines à gaz, apportant la possibilité d'augmenter le cycle de vie de ces éléments, est de grand intérêt. Afin de garantir une réparation monocristalline des parties endommagées, un procédé permettant le contrôle des microstructures de solidification est nécessaire. Un tel procédé, epitaxial laser metal forming (E-LMF), a été développé sur la base de théories de solidification. Cet article présente les concepts importants pour le contrôle de la microstructure lors de déposition par laser, et propose des cartes de procédé, reliant la microstructure de solidification et la morphologie de croissance aux paramètres du procédé. Ces cartes sont obtenues en deux étapes. Premièrement, la relation entre les conditions locales de solidification et la microstructure de solidification résultante, i.e. colonnaire ou équiaxe, est établie Deuxièmement, les conditions locales de solidification sont calculées en fonction des paramètres de procédé laser, par un modèle analytique de flux de chaleur. La combinaison des deux approches donne des cartes de microstructure/procédé, permettant l'établissement de fenêtres de procédé pour une réparation monocristalline, par rechargement laser. Die Einkristallreparatur von defekten Einkristall-Turbinenschaufeln kann zu einer beträchtlichen Erhöhung der Lebensdauer führen. Der Erfolg der Reparatur hängt kritisch von der Prozesskontrolle ab, durch die das Einkristallgefüge wiederhergestellt wird. Aufgrund von erstarrungstheoretischen Überlegungen wurde ein Prozess entwickelt, der Epitaxiales Laser Metall Formen (E-LMF) genannt wird. Für dieses Verfahren werden Prozesskarten in zwei Stufen ermittelt: (1) Beziehung zwischen den lokalen Erstarrungsbedingungen (G, V) und den Gefügen (gerichtet/globulitisch); (2) Beziehung zwischen lokalen Erstarrungsbedingungen und Laserprozessparametern. Durch Kombination beider Beziehungen konnten Prozess–Gefüge-Karten aufgestellt werden, die es erlauben, eine Einkristallreparatur hoher Qualität zu realisieren.