本发明涉及一种按权利要求1所述制造孔的方法，其中借助脉冲能量射 束在构件中制成孔，以及涉及一种按权利要求40所述包括激光器的设备。

在许多构件，尤其在铸件中必须事后部分切除，如制造凹槽或通孔。尤 其在为了冷却而具有气膜冷却孔的涡轮构件中，在构件制成后事后添加一些 孔。

这些涡轮构件往往还有一些分层，例如金属层或中间层和/或陶瓷外层。 因此气膜冷却孔必须穿过这些层和基层(铸件)来加工形成。

US-PS6172331和US-PS6054673公开了一种激光打孔方法，以便在分 层系统中添加一些孔，在这里使用超短激光脉冲宽度。它从规定的激光脉冲 宽度范围内选出一种激光脉冲宽度并借此制造孔。

DE10063309A1公开了一种借助激光器制造冷却气孔的方法，其中将激 光器参数调整为，材料通过升华而被去除。

US-PS5939010公开了两种用于制造多个孔的不同方法。按其中一种方 法(此US-PS的图1、2)，在制造下一个孔之前，首先完整地制成一个孔。按 第二种方法，通过首先制造第一个孔的第一分区，然后制造第二个孔的第一 分区，逐步制成这些孔(此US-PS的图10)。在这两种方法中可以使用不同的 脉冲宽度，但在一种方法内部始终采用相同的脉冲宽度。这两种方法互相不 能结合。要切除区域的横截面积始终与要制造的孔的横截面相应。

US-PS5073687公开了激光器用于制造一种构件中的孔，这种构件由基 层及两面的铜层构成。在这里首先借助较长的脉冲持续时间穿过铜箔制造一 个孔，然后借助较短的脉冲在树脂组成的基层内制造一个孔，在这种情况下 接着用输出功率更大的激光器穿过背面的铜层制造一个孔。切除区的横截面 积始终与要制造的孔的横截面相应。

US-PS6479788B1公开了一种制造孔的方法，其中，在第一步内使用比 在第二步内长的脉冲宽度。在这里，改变脉冲持续时间，以便能在孔中制成 尽可能好的矩形形状。在脉冲宽度减小的同时也增大射束的横截面积。

使用这些超短的激光脉冲，由于它们平均功率低，所以既昂贵又非常费 时。

因此本发明的目的是能克服这种缺点。

此目的通过按权利要求1所述方法达到，按此方法使用不同的脉冲宽 度，在这里，对于更短的脉冲宽度移动能量射束。

特别有利的是，只在第一个切除步骤中使用较短的脉冲宽度，以便在切 割面的外上部区内造成最佳的特性，因为这种特性对于介质从孔的流出特性 以及对于介质绕孔的绕流特性具有决定性意义。在孔的内部，切割分离面的 特性则并不紧要，所以在那里可以使用可能造成不均匀切割分离面的较长的 脉冲。

本发明的另一个目的是提出一种设备，借助它能简单和快速地实施所述 的方法。

此目的通过按权利要求40所述设备达到。

在本发明方法或设备的从属权利要求中列举了方法或设备的其他有利 措施。在从属权利要求中所开列的技术措施可以按有利的方式相互组合。

下面借助附图详细说明本发明。附图中：

图1表示基层中的一个孔；

图2表示分层系统中的一个孔；

图3表示要制造的通孔的俯视图；

图4至11表示按本发明的方法的切除步骤；

图12-15表示按本发明用于实施此方法的设备；

图16表示一个涡轮叶片；

图17表示一台燃气轮机；以及

图18表示一个燃烧室。

带孔的构件的说明

图1表示有一个孔7的构件1。构件1由基层4组成(例如铸件或DS或 SX构件)。基层4可以是金属和/或是陶瓷的。尤其在汽轮机或燃气轮机100(图 17)，但也可以在航空燃气轮机的涡轮构件中，例如在涡轮叶片120或涡轮 导向叶片130(图16、17)、热屏元件155(图18)以及其他壳体构件中，基层4 由一种镍基、钴基或铁基的超级高温合金组成。在飞机的涡轮叶片中，基层 4例如由钛或一种钛基合金组成。基层4有孔7，它例如是一个通孔。但它 也可以是一个盲孔。孔7由下部区10和上部区13组成，前者从构件1的内 侧出发以及例如设计为对称的(例如图形、椭圆形或矩形)，而后者必要时设 计为在基层4外表面14处的扩张段13。扩张段13意味着相对于孔7下部区 10横截面的一种扩展。孔7例如是一个气膜冷却孔。因为不平度会引起不希 望的紊流、偏转，所以尤其是扩张段13处于内部的表面12，亦即在孔7的 上部区内，应当是光滑的，以便介质尤其冷却剂能最佳地从孔7流出。对于 孔7下部区10内孔表面的质量提出的要求则低得多，因为由此对于绕流特 性只有小的影响。

图2表示设计为分层系统的构件1。在基层4上存在至少一层16。它例 如可以是一种MCrAlX类型的金属合金，其中M代表元素组铁、钴或镍中 至少一种元素。X代表钇和/或至少一种稀土元素。层16也可以是陶瓷的。

在MCrAlX层上面还可以存在另一层(未表示)，例如陶瓷层，尤其是隔 热层(因此MCrAlX层是一个中间层)。隔热层例如是一个完全或部分稳定化 的氧化锆层，尤其EB-PVD层或等离子喷镀(APS、LPPS、VPS)、HVOF或 CGS(cold gas spraying)层。

在此分层系统1中同样加工一个包括下部区10和扩张段13的孔7。

上面针对制造孔7的说明适用于具有或没有层16或多个层16的基层4。

图3表示孔7的俯视图。下部区10可通过切削加工法制造。反之，这 种方法不可能用于扩张段13或只能非常麻烦地使用。孔7也可以与构件1 的表面14成锐角。

方法

图4、5和6表示按本发明方法的切除步骤。按本发明在方法实施期间 使用有不同脉冲宽度的能量射束22。能量射束可以是电子束、激光束或高压 射水。下面只作为范例说明激光器的使用。

尤其在第一个切除步骤中使用较短的激光脉冲(tpuls＜＜)小于等于 500ns，尤其小于等于100ns。也可以使用在微微秒或毫微微秒范围内的激光 脉冲宽度。在使用小于等于500ns(纳秒)，尤其小于等于100ns较短的激光脉 冲时，在切割面区域内几乎不发生任何熔化。所以在扩张段13的内表面12 上不形成裂纹并因而可以制成精确的、平的几何形状。

在第一个切割步骤中在构件1内制成孔7的第一个分区。这一分区例如 可以至少部分或完全与扩张段13相应(图6、9)。扩张段13绝大部分处于陶 瓷层内。尤其为了制成整个扩张段13使用较短的脉冲宽度。尤其是为了制 造扩张段13使用恒定的较短的脉冲宽度。在本方法实施过程中用于制造扩 张段13的时间例如与第一个切割步骤相应。

在制造扩张段13时，激光器19、19′、19″将其激光射束22、22′、22″ 在一个侧向平面43内往复移动，例如在图5中表示的那样。扩张段13沿移 动线9例如蛇曲状移出，以便在这里切除平面内的材料(图4步骤后的图6)。

优选地，但非必然，当到达金属的中间层或基层4时，使用较长的激光 脉冲宽度(tpuls＞)大于100ns，尤其大于500ns，以及尤其达10ms，以便加工 孔其余的下部区10，如图1或2所示。扩张段13至少绝大部分处于陶瓷层 内，但也可以延伸到金属中间层16和/或金属基层4内，所以金属材料也仍 有一部分可以用较短的脉冲宽度切除。尤其是为了制造孔7的下部区10，绝 大部分或全部使用较长的尤其随时间恒定的激光脉冲。在本方法实施过程中 用于制造下部区10的时间与最后一个切割步骤相应。

在使用较长的激光脉冲时，所述至少一个激光器19、19′、19″将其激光 射束22、22′、22″例如不在平面43内往复运动。因为能量基于热传导分布 在层16或基层4的材料内并通过每个激光脉冲添加新的能量，从而以此方 式通过材料蒸发大面积地去除材料，其中被去除材料的面积大体相当于要制 造的通孔7、10的横截面积A。此横截面积可通过能量的功率和脉冲持续时 间及激光束的导引加以调整。

单个激光器19或多个激光器19′、19″的激光脉冲宽度可例如从方法实 施过程的开始到结束例如连续改变。此方法的实施过程随着切除外表面14 的材料开始，以及在达到孔7期望的深度时结束。材料例如层状地在平面11 内(图6)和沿轴向15推进地切除。

脉冲宽度同样也可以不连续改变。优选地在方法实施期间使用两种不同 的脉冲宽度。在较短的脉冲宽度时(例如≤500ms)，所述至少一个激光器19、 19′移动，而在较长的脉冲宽度时(例如0.4ms)例如不移动，因为通过热传导 使能量的供入反正沿一个比与激光束横截面积相应的面积更大的表面进行。

在加工期间，表面的其余部分1用一个粉末层，尤其是用一个按 EP1510593A的掩蔽层保护。粉末(BN，ZrO2)和按EP1510593A1的粒度分布 是本申请公开内容的组成部分。当加工一个还没有陶瓷层的金属基层或包括 金属层的基层时，这样做是特别合理的。

激光器参数

在使用有规定脉冲宽度的脉冲时，激光器19、19′、19″的输出功率例如 是常数。对于较长的脉冲宽度，激光器19、19′、19″的输出功率使用多个100 瓦，尤其是500瓦。对于较短的激光脉冲宽度，激光器19、19′的输出功率 使用小于300瓦。波长为532nm的激光器19、19′例如只用于产生较短的激 光脉冲。对于较长的激光脉冲宽度尤其使用激光脉冲持续时间为0.4ms和激 光器脉冲能量(焦耳)为6J至10J，尤其8J，在这种情况下功率(千瓦)优选10kW 至50kW，尤其20kW。较短的激光器脉冲有能量在一位或两位数的毫焦耳 范围(mJ)内，优选地在一位数的毫焦耳范围内，在这种情况下使用的功率尤 其大多处于一位数的千瓦范围内。

激光器数量

在实施本方法时可以采用一个激光器19或两个或多个激光器19′、19″， 它们同时或先后投入使用。类似或不同的激光器19、19′、19″它们的激光脉 冲宽度例如有不同的范围。例如第一个激光器19′可以产生小于等于500ns 尤其小于100ns的激光脉冲宽度，以及第二个激光器19″可以产生大于100ns 尤其大于500ns的激光脉冲宽度。为了制造孔7，首先使用第一个激光器19′。 然后为了进一步加工使用第二个激光器19″，或反之。

在制造通孔7时也可以只使用一个激光器19。尤其是使用例如有波长 为1064nm和既能产生较长的也能产生较短的激光脉冲的激光器19。

要制造的孔区域的顺序

图7表示通过孔7的横截面。在这里首先用大于100ns，尤其大于500ns 的激光脉冲宽度进行粗加工以及用小于等于500ns，尤其小于等于100ns的 激光脉冲宽度进行精加工。孔7的下部区10全部以及仅扩张段13区域绝大 部分用一个激光脉冲宽度大于100ns，尤其大于等于500ns的激光器19加工 (第一个切除步骤)。为了最终制成孔7或扩张段13只还须借助一个激光器 19、19′、19″在扩张段13区域内加工一个薄的外边缘区28，此激光器可以 产生小于等于500ns，尤其小于100ns的激光脉冲宽度(最后一个切除步骤)。 在此移动激光束。

图8表示构件1的孔7的俯视图。在不同的切除步骤中使用不同的激光 器19、19′、19″或这些激光器19、19′、19″不同的激光脉冲宽度。首先例如 用大的激光脉冲宽度(＞100ns，尤其＞500ns)进行粗加工。因此制造了孔7的 绝大部分。所述的内部区用符号25表示。还只须切除孔7或扩张段13的外 边缘区28，以达到孔7的最终尺寸。在这里激光束22、22′在表面14的平面 内移动。只有在借助具有较短的激光脉冲宽度(≤500ns，尤其≤100ns)的激光 器19、19′加工外边缘区28时，孔7或扩张段13才最终制成。也就是说， 扩张段13的轮廓29用较短的激光脉冲制造，由此精细而准确地切除外边缘 区28并因此没有裂纹和熔化。材料例如在平面11内(垂直于轴向15)切除。

对于较长的脉冲宽度，在制造孔7时要切除区的横截面A同样可以朝 基层4的深度方向连续减小到A′，从而与图7相比外边缘区28减小(图9)。 这通过调整能量和脉冲持续时间实现。

制造孔7时的另一种方案在于，首先用较短的激光脉冲宽度(≤500ns)加 工外边缘区28，直到沿轴向15的一个深度，这一深度部分或完全相应于孔 7扩张段13沿此方向15的尺寸(图10，内部区25用虚线暗示)。在这里激光 束22、22′在此第一个切除步骤中在表面14的平面内移动。因此在扩张段13 切割面的区域内几乎不造成熔化和在那里不形成裂纹，并因而可以制成精确 的几何尺寸。只有在这种情况下才用较长的激光脉冲宽度(＞100ns，尤其 ＞500ns)切除(最后一个切除步骤)所述内部区25。

本方法可应用于第一次浇铸的新制构件1。本方法同样可以使用于要再 加工的构件1。再加工(整修)的意思是，经使用的构件1，例如除去镀层并在 修理后，例如在填补裂纹和去除氧化和腐蚀产物后重新镀层。在这里例如借 助激光器19、19′去除例如污垢或重新施加的镀层材料(图11)。或在镀层区 内的特殊构形(扩张段)在重新镀层后通过加工重新制成。

再加工

图11表示孔7的再加工(整修)，其中，当基层4用层16的材料镀层时， 此材料渗入已存在的孔7内。例如在孔7的区域10内处于较深的部位可以 用激光器加工，它有激光脉冲宽度大于100ns，尤其大于500ns。这一部位用 25表示。例如在扩张段13区域内其上存在污垢的重要边缘区28用激光器 19′加工，它有激光脉冲宽度小于等于500ns，尤其小于100ns。

设备

图12至15作为范例表示按本发明的设备40，用于实施尤其按本发明 的方法。此设备40由至少一个光学镜35、35′，尤其至少一个透镜35、35′ 组成，它将至少一个激光束22、22′、22″导向基层4，用于制造孔7。可以 存在一个、两个或更多个激光器19、19′、19″。激光束22、22′、22″可以借 助反射镜31、33导入光学镜35、35′。反射镜31、33可以这样的方式移动 或旋转，即，例如使得总是只有一个激光器19′、19″可将其激光束22′或22″ 通过反射镜31或33和透镜35发射在构件1上。构件1、120、130、155或 光学镜35、35′或反射镜31、33可以沿方向43移动，从而使激光束22、22′ 例如按图5在构件1上移动。

激光器19、19′、19″可例如有波长为1064nm或532nm。激光器19′、 19″可以有不同的波长：1064nm和532nm。关于脉冲宽度，例如激光器19′ 的脉冲宽度可调整为0.1-5ms；反之，激光器19′的脉冲宽度为50-500ns。通 过移动反射镜31、33(图12、13、14)，可分别将具有所述激光脉冲宽度的激 光器19′、19″的射束通过光学镜35与构件1耦合，这是必要的，以便例如 能制造外边缘区28或内部区25。

图12表示两个激光器19′、19″、两个反射镜31、33和一个形式上为透 镜35的光学镜。

若例如按图6首先制造外边缘区28，则接入具有较短激光脉冲宽度的 第一个激光器19′。

然后若制造内部区25，则通过运动反射镜31脱开第一个激光器19′并 通过运动反射镜33接入具有其较长激光脉冲宽度的第二个激光器19″。

图13表示与图12类似的设备，但现在存在两个光学镜，在这里例如是 两个透镜35、35′，它们允许激光器19′、19″的激光束22′、22″同时导向构件 1、120、130、155的不同区域15、28。

若例如加工外边缘区28，则激光束22′可以导向此外套状区域28的第 一部位以及导向沿直径与第一部位对置的第二部位，从而显著缩短加工时 间。

可为第一激光束22′利用光学镜35和可为笫二激光束22″利用第二光学 镜35′。按本设备40可以先后或同时利用具有相同或不同激光脉冲宽度的激 光器19′、19″。

图14中不存在形式上为透镜的光学镜，而仅有反射镜31、33，它们将 激光束22′、22″导向构件1并通过运动加以利用，使至少激光束22′、22″在 构件上的一个平面内移动。在这里激光器19′、19″同样可以同时利用。

按本设备40可以先后或同时利用具有相同或不同激光脉冲宽度的激光 器19′、19″

图15表示只有一个激光器19的设备40，其中激光束22例如通过反射 镜31导向构件1。

在这里也没有必要存在例如形式上为透镜的光学镜。激光束22例如通 过运动反射镜31在构件1表面上移动。这在使用较短的激光脉冲宽度时是 必要的。在激光脉冲宽度较长时，并不一定要移动激光束22，所以反射镜 31不运动，如在本方法的实施过程中那样。

但在按图15的设备40中同样也可以使用一个或两个透镜35、35′，以 便将激光束同时导向构件1、120、130、155的不同区域25、28。

构件

图16表示透平机工作叶片120或导向叶片130的透视图，它沿纵轴线 121延伸。

透平机可以是飞机或发电用的电站的燃气轮机、汽轮机或压缩机。

叶片120、130沿纵轴线121彼此相继地有固定区400、与之邻接的叶 片平台403以及叶身406。作为导向叶片130，叶片130在其叶片顶端415 可以有另一个平台(图中没有表示)。

在固定区400内构成一叶根183，它用于将工作叶片120、130固定在 一个轴或一个轮盘上(图中没有表示)。叶根183例如设计为锤头状。也可以 不同地设计为枞树形或燕尾形叶根。叶片120、130有用于在叶身406上流 过的介质的前缘409和后缘412。

在传统的叶片120、130中叶片120、130所有的区域400、403、406例 如均使用实心的金属材料，尤其超级高温合金。例如由EP1204776B1、 EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949已知这些超级高温 合金；这些文件在合金的化学成分方面是本申请公开内容的一部分。在这里， 叶片120、130可通过还借助定向凝固的铸造法、通过锻造法、通过铣削法 或组合这些方法制成。

有单晶结构或多结构的工件用作一些机器的构件，这些机器在运行时遭 受高的机械、热和/或化学负荷。这种单晶工件的制造例如通过熔体的定向凝 固完成。在这里涉及铸造方法，按此方法液态的金属合金定向凝固为单晶结 构，亦即单晶工件。其中树枝状晶体沿热流定向，以及，或构成一种条状晶 体结构(柱状的，亦即沿工件的全长延伸的晶粒，以及在这里按一般的习惯 用语称为定向凝固的晶粒)，或构成一种单晶结构，亦即整个工件由单个晶 体组成。在此方法中必须避免转变为球状(多晶的)凝固，因为通过不定向生 长必然构成横向和纵向的晶界，它们使定向凝固或单晶构件的良好特性消 失。因此，若笼统地谈论定向凝固组织，则既指没有晶界或最多有小角度晶 界的单晶体(5X)，也指条状晶体结构，它们虽然有纵向延伸的晶界，但没有 横向晶界。对于上述第二种晶体结构人们还称其为定向凝固组织 (D9)(directionally solidified structures)。这些方法由US-PS6024792和 EP0892090A1已知；这些文件是本申请公开内容的一部分。

叶片120、130同样可以有防腐或防氧化的镀层，例如(MCrAlX；其中 M是元素组铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中至少一种元素，X是一种活性元素以 及代表钇(Y)和/或硅和/或代表至少一种稀土元素，亦即铪(Hf))。这些合金由 EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或EP1306454A1是已知的，它 们在合金的化学成分方面应是本申请公开内容的一部分。

在MCrAlX上还可以存在一个隔热层，以及例如由ZrO2、Y2O4-ZrO2 组成，也就是说，通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁，它是不稳定、部分 稳定或完全稳定的。采用恰当的镀层工艺，例如电子束物理气相沉积 (EB-PVD)，在隔热层内生成条状晶粒。

再加工(整修)的意思是，构件120、130在它们使用后必要时必须除去 防护层(例如通过喷砂处理)。然后进行腐蚀层和/或氧化层亦即腐蚀产物和/ 或氧化产物的去除。必要时也还应修理构件120、130中的裂纹。在这之后 进行构件120、130的再加工和重新使用构件120、130。

叶片120、130可以设计为空心或实心。若叶片120、130应冷却，则它 们是空心的和必要时还有气膜冷却孔418(图中用虚线表示)。

图17举例表示一个燃气轮机100的局部纵剖面。燃气轮机100在内部 有一个绕旋转轴线102旋转地支承的转子103，它也称为透平转子。沿转子 103彼此相继地有进气壳体104、压气机105、一个例如花托状有多个同轴排 列的燃烧器107的燃烧室110，尤其环形燃烧室106、一个透平机108和排 气壳体109。环形燃烧室106与一个例如环形的热燃气通道111连通。在那 里例如四个前后串联的透平级112构成透平108。每个透平级112由两个叶 片环构成。沿工质113的流向看，在热燃气通道111内随导向叶片环115之 后的是一个由工作叶片120组成的叶片环125。

在这里，导向叶片130固定在定子143的一个内壳体138上，反之，叶 片环125的工作叶片120例如借助涡轮盘133安装在转子103上。在转子103 上连接发电机或工作机械(图中未表示)。

在燃气轮机100运行期间，由压气机105通过进气壳体104吸入并压缩 空气135。压气机105在透平一侧的端部制备好的压缩空气供入燃烧器107， 并在那里与燃料混合。然后此混合物为了形成工质113在燃烧室110内燃烧。 工质113从那里流出，沿热燃气通通111经过导向叶片130和工作叶片120。 工质113在工作叶片120处膨胀并传递冲量，因此工作叶片120推动转子 103，以及转子驱动与它连接的工作机械。

遭遇热工质113的构件在燃气轮机100运行期间受到热负荷。除了作为 环形燃烧室106衬垫的热屏片外，沿工质113流向看第一级透平112的导向 叶片130和工作叶片120热负荷最大。为了承受住那里存在的温度，它们可 借助一种冷却剂冷却。基层同样可以有一种定向结构，也就是说，它们是单 晶体(SX结构)或只有纵向晶粒(DS结构)。作为材料采用铁基、镍基或钴基 的超级高温合金。叶片120、130同样可以有防腐蚀的镀层(MCrAlX；其中 M是元素组铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中至少一种元素，X代表钇(Y)和/或至 少一种稀土元素)以及防热的隔热层。隔热层例如由ZrO2、Y2O4-ZrO2组成， 也就是说，通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁，它是不稳定、部分稳定或 完全稳定的。采用恰当的镀层工艺，例如电子束物理气相沉积(EB-PVD)，在 隔热层内生成条状晶粒。

导向叶片130有一个面朝透平108内壳体138的导向叶片叶根(图中未 表示)和一个与导向叶片叶根对置的导向叶片顶部。导向叶片顶部面朝转子 103并固定在定子143的一个固定环140上。

图18表示燃气轮机的燃烧室110。此燃烧室110例如设计为所谓的环 形燃烧室，其中多个沿周向绕透平轴103排列的燃烧器102汇入一个公共的 燃烧室腔内。为此，燃烧室110总体上设计为环形结构，它围绕着透平轴103 定位。

为了达到比较高的效率，燃烧室110针对工质M比较高的约1000℃至 1600℃温度设计。为了即使在这种对于材料不利的运行参数下仍能有比较长 的工作寿命，燃烧室壁153在其面朝工质M那一侧设置一种由热屏元件155 构成的内衬。每个由合金制成的热屏元件155在工质侧设计有一种特别耐热 的保护层或用耐高温的材料制成。此外，基于燃烧室110内部高的温度，为 热屏元件155或为它们的支承件设置冷却系统。热屏元件155也可以有一些 例如也具有扩张段13的孔7，以便冷却热屏元件155或允许流出可燃气体。

燃烧室壁及其镀层的材料可类似于透平叶片。