DE102004021467A1

DE102004021467A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Reibrührschweißen von hochfesten Materialien und damit hergestellte Gegenstände

Info

Publication number: DE102004021467A1
Application number: DE102004021467A
Authority: DE
Inventors: Pazhayannur Ramanathan Subramanian; Bernard Patrick Bewlay; Earl Claude Cincinnati Helder; Timothy Joseph Upper Arlington Trapp
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2004-12-16
Also published as: JP4721659B2; GB2402905B8; GB2402905A; GB2402905B; US7337940B2; US20040238599A1; US20060249556A1; GB2402905A8; US7032800B2; JP2004358556A; GB0411925D0

Abstract

Eine Vorrichtung (100) zum Reibrührschweißen (Friction Stir Welding), ein Schweißwerkzeug (102) zum Reibrührschweißen und ein Verfahren zur Herstellung eines Schweißwerkzeuges (102) zum Reibrührschweißen sind dargestellt. Das Schweißwerkzeug (102) beinhaltet ein hochschmelzendes Material auf Wolframbasis. Außerdem ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes offenbart, wobei das Verfahren den Einsatz der Vorrichtung (100) zum Reibrührschweißen beinhaltet, und ein mit diesem Verfahren hergestellter Gegenstand ist außerdem vorgestellt.

Description

Hintergrund
Die Erfindung betrifft die Schweißtechnologie. Mehr im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf das Reibrührschweißen (auch Friction Stir Welding genannt) von Metallkomponenten. Die Erfindung betrifft außerdem Gegenstände, die unter Verwendung von Reibrührschweißen hergestellt worden sind.

Das fortwährende Bestreben leistungsfähigere und bessere Turbomaschinen, wie z.B. Gas- und Dampfturbinen, zu konstruieren und herzustellen erfordert die Verwendung von Materialien, die eine erhöhte Wärmebeständigkeit aufweisen. Eine Verbesserung der Gebrauchseigenschaften in so wesentlichen Eigenschaften wie der Beanspruchbarkeit und der Dauerfestigkeit wie sie bei vielen bekannten Turbinenmaterialien erzielt wurde, geht aber häufig zu Lasten anderer Eigenschaften, so dass ein Kompromiss zu beobachten ist. So zeigen z.B. viele hochtemperaturfeste Legierungen auf Nickelbasis eine deutliche erhöhte Anfälligkeit für Rissbildung, wenn sie mit gebräuchlicher Schweißtechnologie zusammengefügt werden. Das mit dem üblichen Schweißen verbundene Schmelzen und Verfestigen des Materials ruft in vielen dieser Materialien eine örtliche Verschlechterung der Eigenschaften hervor. Dies hat zur Folge, dass solche Legierungen bei Maschinenkonstruktionen nicht brauchbar sind, die einen beträchtlichen Einsatz von konventionell geschweißten Strukturen erforderlich machen. Der kostengünstige Zusammenbau komplexer Maschinenkomponenten durch Verschweißen von durch Gießen oder Schmieden von Metalllegierungen hergestellten Subkomponenten gilt in der Industrie als anzustrebendes Ziel, und die Unmöglichkeit bestimmte Hochleistungsmaterialien bei solchen Schweißkonstruktionen verwenden zu können, bedeutet eine wesentliche Beschränkung.

Festkörperschweißverfahren wurden als ein Weg geschaffen, um dieses Problem anzugehen. Diese Verfahren fügen Metallkomponenten ohne Schmelzen zusammen, wodurch die mit den traditionellen Schweißtechniken verbundenen nachteiligen Wirkungen vermieden werden. Typische Festkörpertechniken wie Schwungradreibschweißen und translatorisches Reibschweißen wurden in der Turbinenindustrie schon als Alternativen zu dem üblichen Schweißen eingesetzt, doch sind diese Techniken auf die Ausbildung von Verbindungen bei einfachen Geometrien verhältnismäßig begrenzter Größe beschränkt. Eine Festkörperschweißtechnik, die als sogenanntes „Friction Stir Welding" (Reibrührschweißen) bezeichnet wird (im Folgenden auch als „FSW" bezeichnet), kann große Schweißnähte in einer Vielzahl geometrischer Konfigurationen erzeugen, die anderen solchen Verfahren nicht zugänglich sind. Bei diesem Verfahren wird ein sich nicht verbrauchendes, umlaufendes zylindrisches Werkzeug in ein starr festgeklemmtes Werkstück eingetaucht und dann längs der zu verschweißenden Fügefuge bewegt. Das Werkzeug ist typischerweise so konstruiert, dass es bei der Bewegung des Werkzeuges längs der Fügefuge eine Kombination von Reibungswärme und thermomechanischer Bearbeitung auf das Material des Werkstücks ausübt. Hinter dem Werkzeug wird eine hochfeste Festkörperverbindung hergestellt.

Das Reibrührschweißen wurde ursprünglich von The Welding Institute, Great Abington, UK entwickelt, um Aluminiumverbindungen zusammenzufügen, die mit gebräuchlichen Verfahren nur schwer verschweißbar sind. Wenngleich erfolgreich beim Zusammenfügen verhältnismäßig weicher Materialien, hat sich die Erweiterung der Anwendung von SFW auf härtere festere Materialien, wie z.B. Nickel- und Titanlegierungen wegen der Neigung des Werkzeugs zum Verschleiß während des Schweißprozesses als schwierig erwiesen. Ein erhebliches Maß der Qualitätsverschlechterung kann der hohen Wärmeentwicklung und den bei dem FSW dieser hochfesten Materialien auftretenden hohen Beanspruchungen zu gerechnet werden.

Es besteht deshalb ein Bedürfnis, Schweißwerkzeuge, -vorrichtungen und -verfahren zu schaffen, die es erlauben aus hochfesten Materialien bestehende Komponenten zuverlässig mittels SFW zusammenzufügen. Außerdem besteht ein Bedürfnis nach Gegenständen, die unter Verwendung dieser Vorrichtungen und Verfahren hergestellt sind.

Kurze Beschreibung

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wenden sich diesen und anderen Bedürfnissen zu. Eine Ausführungsform ist eine Vorrichtung zum Reibrührschweißen, die ein Schweißwerkzeug aufweist. Das Schweißwerkzeug weist ein hochschmelzendes Material auf Wolframbasis auf. Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht in einem Schweißwerkzeug zum Reibrührschweißen. Das Schweißwerkzeug weist ein hochschmelzendes Material auf Wolframbasis auf.

Eine dritte Ausführungsform ist ein Verfahren zur Her stellung eines Schweißwerkzeugs zum Reibrührschweißen. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines hochschmelzenden Materials auf Wolframbasis, das Verarbeiten des Materials zur Ausbildung eines im Wesentlichen selbsttragenden Rohlings, Bearbeiten des Rohlings, wobei die Bearbeitung die Querschnittsfläche des Rohlings um mindestens 50% verringert und Zurichten des Rohlings zu einem Schweißwerkzeug, das in einer Reibrührschweißvorrichtung arbeiten kann.

Eine vierte Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen einer Reibrührschweißvorrichtung, wobei die Vorrichtung ein Schweißwerkzeug aufweist und das Schweißwerkzeug ein hochschmelzendes Material auf Wolframbasis enthält, Bereitstellen wenigstens eines Werkstückes und Einsetzen der Vorrichtung zum Schweißen des wenigstens einen Werkstückes durch Reibrührschweißen zur Ausbildung wenigstens eines geschweißten Elementes, wobei das wenigstens eine geschweißte Element einen reibrührgeschweißten Bereich aufweist.

Eine fünfte Ausführungsform ist ein mit dem vorgenannten Verfahren hergestellter Gegenstand.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die nachfolgende detaillierte Beschreibung trägt im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen in allen Figuren gleiche Teile angeben, zum besseren Verständnis dieser und weiterer Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung bei, wobei:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.

Detaillierte Beschreibung

Bezugnehmend auf 1 weist eine einer Ausführungsform entsprechende Vorrichtung 100 ein Schweißwerkzeug 102 auf. Das Schweißwerkzeug 102 besteht aus einem hochschmelzenden Material (refractory material) auf Wolframbasis. So wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck „auf Wolframbasis" auf Materialien, bei denen der größte Gewichtsanteil der Materialzusammensetzung Wolfram ist. Hochfeste Materialien, einschließlich aber nicht beschränkt auf Nickel- und Titanlegierungen, wurden unter Verwendung dieser Materialien auf Wolframbasis als Schweißwerkzeug 102 in einer FSW-Vorrichtung 100 erfolgreich durch FSW zusammengefügt. Es wurde gefunden, dass bestimmte Werkzeugmaterialien dieser Klasse beim FSW von hochfesten Materialien gegen eine Qualitätsverschlechterung widerstandsfähig sind und vorteilhafterweise Verbindungen ergeben, die im Wesentlichen frei von Werkzeugbruchteilchen sind, wie diese bei Verwendung von gebräuchlichen SFW Werkzeugmaterialien beobachtet werden. In die Verbindungsstelle eingebrachte Werkzeugbruchteilchen beeinträchtigen die Festigkeit und andere Eigenschaften der Verbindung und deshalb verbessert die Verwendung der erfindungsgemäßen Werkzeugmaterialien die Gesamtqualität der mit FSW hergestellten Verbindungsstellen.

Bestimmte hochschmelzende Materialien auf Wolframbasis haben sich zur Verwendung als Werkzeug 102 in zum Fügen von hochfesten Materialien verwendeten FSW-Vorrichtungen als besonders zweckmäßig erwiesen. Einige diese Materialien werden in der nachfolgenden Beschreibung vorgestellt, doch dürfen diese spezielle Ausführungsformen nicht im Sinne einer Beschränkung des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verstanden werden.

Bei einigen Ausführungsformen weist das hochschmelzende Material auf Wolframbasis eine Legierung auf, die im Wesentlichen aus Wolfram besteht, wobei bei speziellen Ausführungsformen die Legierung im Wesentlichen aus gesintertem Wolfram besteht. Gesintertes Wolfram wird aus Wolframpulver hergestellt, das bei erhöhten Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Wolframs mit einem an sich bekannten Verfahren komprimiert und verfestigt wurde, derart, dass das Pulver in den festen Aggregatzustand verdichtet wird. Dieses Material hat sich beim Verschweißen von Titanlegierungen, wie Ti 6-4 (Ti-6% Aluminium – 4% Vanadium, alles Gewichtsprozente) und Superlegierungen auf Nickelbasis, wie Alloy 718, als zweckmäßig erwiesen.

Bei anderen Ausführungsformen umfasst das hochschmelzende Material auf Wolframbasis dotiertes Wolfram, wobei das dotierte Wolfram ein Dotiermaterial und Wolfram enthält. Wie hier verwendet, bedeutet der Ausdruck „dotiert", dass ein oder mehrere als „Dotiermaterial" bezeichnete Hilfsstoffe oder -komponenten dem Wolfram zugefügt wurden. Bei bestimmten Ausführungsformen enthält das dotierte Wolfram eine Konzentration von bis zu 100 parts per million des Dotiermaterials und bei speziellen Ausführungsformen liegt die Konzentration des Dotiermaterials in dem Bereich von 10 ppm bis etwa 80 ppm. Zu geeigneten Dotiermaterialien gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cesium, Lanthanoxyd, Yttriumoxyd, Ceroxyd und Thoriumoxyd. Bei einer beispielhaften Ausführungsform enthält das Dotiermaterial Kalium in einer Konzentration von etwa 20 ppm. Bei einigen Ausführungsformen ist das dotierte Wolfram ein mit an sich bekannten Verfahren gesintertes und extrudiertes Wolfram. Die Verarbeitung des dotierten Wolframs durch Sintern und Extrudieren scheint dem Material zur Verwendung als Werkzeug 102 in einer zum Zusammenfügen hochfester Materialen eingesetzten FSW-Vorrichtung 100 eine vorteilhafte Beanspruchungsfähigkeit zu verleihen. Unter Verwendung dieses Werkzeugsmaterials wurden Platten aus Ti 6-4 und Ti-5% Al – 2% Zinn – 4% Molybdän – 2% Zirkonium – 4% Chrom (auch als „Ti17"-Legierung bekannt, alles Gewichtsprozente) erfolgreich verschweißt.

Bei alternativen Ausführungsformen weist das wolframbasierte hochschmelzende Material eine Legierung auf, wobei die Legierung ein Mischkristallverfestigungsmaterial und Wolfram enthält. So wie er hier verwendet wird, bedeutet der Ausdruck „Mischkristallverfestigungsmaterial" (solid-statestrengthening-material) eine oder mehrere dem Wolfram zugegebene Elemente, die sich in der Wolframkristallstruktur auflösen, ohne dass sich Sekundärphasen bilden, wobei sie das Wolfram durch Verspannen von dessen Kristallgitters festigen. Beispiele von solchen Mischkristallverfestigungsmaterialien beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein: Rhenium, Molybdän, Tantal, Niob und deren Mischungen. Bei einigen Ausführungsformen enthält die Legierung bis zu 40 Gewichtsprozent des Mischkristallverfestigungsmaterials und bei speziellen Ausführungsformen enthält die Legierung von etwa 20 Gewichtsprozent bis etwa 30 Gewichtsprozent des Mischkristallverfestigungsmaterials. Bei einer exemplarischen Ausführungsform enthält die Legierung etwa 25 Gewichtsprozent Rhenium, während der Rest Wolfram enthält. Bei einigen Ausführungsformen enthält die Legierung wenigstens a) Sintermaterial und/oder b) gesintertes und isostatisch warm gepresstes Material. Material, das nach einem dieser beispielhaften Verfahren, unter Verwendung von an sich bekannten Verfahrenweisen und Parametern, verarbeitet worden ist, liefert ein ausreichend dichtes, widerstandsfähiges Material, aus dem FSW Werkzeuge 102 mit vorteilhaften Eigenschaften hergestellt werden können. Titanlegierungen und Nickellegierungen wurden unter Verwendung dieses Werkzeugsmaterials erfolgreich miteinander verschweißt.

Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 enthält das wolframbasierte ochschmelzende Material des Werkzeugs 102 Wolfram und wenigstens ein Material, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Mischkristallverfestigungsmaterial und einem hochschmelzenden Karbidmaterial besteht. Dieses Werkzeugmaterial hat sich zum Zusammenfügen von Titanlegierungen als brauchbar erwiesen. Geeignete Beispiele von Mischkristallverfestigungsmaterialien wurden oben angegeben. Für diese Ausführungsform geeignete hochschmelzenden Karbidmaterialien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Karbide von hochschmelzenden Übergangsmetallen, wie Hafnium, Zirkonium, Tantal und Niob. Bei bestimmten Ausführungsformen liegt das Mischkristallverfestigungsmaterial in dem hochschmelzenden Material auf Wolframbasis mit einer Konzentration von bis zu 8 Gewichtsprozent vor, während das hochschmelzende Karbidmaterial in dem hochschmelzenden Material auf Wolframbasis in einer Konzentration in dem Bereich von etwa 0,25 Gewichtsporzent bis etwa 2 Gewichtsprozent vorhanden ist. Bei speziellen Ausführungsformen liegt der Konzentrationsbereich des Mischkristallverfestigungsmaterials zwischen etwa 2 Gewichtsprozent bis etwa 6 Gewichtsprozent, während die Karbidkonzentration zwischen etwa 0,25 Gewichtsporzent bis etwa 1 Gewichtsprozent liegt. Bei einer exemplarischen Ausführungsform enthält das wolframbasierte hochschmelzende Material etwa 4% Rhenium und etwa 0,5% Hafniumkarbid (Konzentrationen in Gewichtsprozent), wobei der Rest Wolfram enthält.

Das Werkzeugmaterial der vorbeschriebenen Ausführungsformen enthält bei bestimmten Ausführungsformen eines der folgenden Materialien: a) gegossenes und extrudiertes Material; b) gegossenes und geschmiedetes Material; c) verfestigtes und extrudiertes Material. Jede dieser alternativen Verarbeitungsweisen ist an sich bekannt, und für den Fachmann ergeben sich geeignete Abwandlungsmöglichkeiten unter den verschiedenen allgemein gebräuchlichen Metallformtechniken. Ein Beispiel für verfestigtes und extrudiertes Material ist Material, das zunächst bei verhältnismäßig niedriger Temperatur isostatisch gepresst (isostatisch kalt gepresst oder CIP), dann gesintert, dann isostatisch warm gepresst und schließlich extrudiert wurde. Das sich ergebende Material ist dicht und ausreichend fest, um als Werkzeug 102 bei Ausführungsformen der Erfindung dienen zu können.

Das Werkzeug 102 kann vollständig aus einem Material oder in einigen Fällen unter Verwendung einer Kombination von Materialien hergestellt sein. So hat z.B. bei bestimmten Ausführungsformen das Schweißwerkzeug 102 einen Schulterabschnitt 104, der Material enthält, das sich von dem ein Zapfenteil 106 umfassenden Material in wenigstens einem Merkmal wesentlich unterscheidet, wie etwa z.B. in der chemischen Zusammensetzung, der Mikrostruktur oder in der Verarbeitung. In diesen Fällen weist das Zapfenteil 106 ein hochschmelzendes Material auf Wolframbasis auf. Das Zapfenteil 106 kann deshalb als ein an dem Schulterabschnitt 104 des Werkzeugs 102 angebrachter Einsatz vorliegen und damit ein modulares Werkzeugsystem ermöglichen, das einen schnellen Austausch des Zapfens 106 erlaubt, ohne dass eine Notwendigkeit zum Ausbau des ganzen Werkzeugs 102 bestünde.

Zusätzlich zu der oben beschriebenen FSW-Vorrichtung 100 gehören zu der vorliegenden Erfindung das Schweißwerkzeug 102 und alle im Vorstehenden beschriebene Alternativen.

Ein Verfahren zur Herstellung des Schweißwerkzeugs 102 ist als weitere Ausführungsform eingeschlossen. Bei diesem Verfahren wird ein hochschmelzendes Material auf Wolframbasis geschaffen. Dieses Material ist gleich dem, das im Vorstehenden für das Werkzeug 102 beschrieben wurde. Das Mate rial wird dann so verarbeitet, dass es einen im Wesentlichen selbst tragenden Rohling bildet. Der Ausdruck „im Wesentlichen selbsttragend" bedeutet, dass der bei diesem Verarbeitungsschritt hergestellte Rohling so widerstandsfähig ist, dass er sein Eigengewicht, ohne wesentliche Verformung, tragen kann. Der mit diesem Ausdruck beschriebene Zustand steht im Gegensatz zu einem Pulver oder einem Brei, die ihr Eigengewicht nicht tragen können ohne zusammenzufallen oder sich in anderer Art wesentlich zu verformen. Die Verarbeitung kann bei den Ausführungsformen der Erfindung die Verwendung irgendeines von mehreren geeigneten Verfahren zum Verfestigen von Metallen aus dem flüssigen Zustand, wie etwa irgendeines der bekannten Gießverfahren beinhalten. Darüberhinaus kann die Verarbeitung auch die Anwendung von Verfahren zum Verdichten von Feststoffpulvern, wie etwa Sintern und isostatisches Pressen beinhalten. Schließlich sind alle die verschiedenen Verfahren, mit denen Feststoffrohmaterialien geschmolzen und abgelagert werden, einschließlich z.B. Lichtbogenauftragschweißen, Plasmasprühbeschichten und Laserauftragschweißen, dazu geeignet, in den Verarbeitungsschritt dieser Ausführungsform aufgenommen zu werden.

Nach der Verarbeitung des hochschmelzenden Materials auf Wolframbasis zu dem Rohling wird der Rohling so bearbeitet, dass seine Querschnittsfläche um wenigstens 50% reduziert wird. Durch die Bearbeitung des Rohlings in diesem Maße wird das Rohlingsmaterial so weit kaltverfestigt, dass es unter den Beanspruchungs- und Temperaturbedingungen, denen das Werkzeug 102 beim FSW von hochfesten Materialien ausgesetzt ist, in vorteilhafter Weise einer Materialverschlechterung widersteht. Bei speziellen Ausführungsformen wird der Rohling noch weiter bearbeitet, um seine Querschnittsfläche um wenigstens 75% zu reduzieren, so dass eine noch weitergehende Kaltverfestigung des Rohlings möglich ist. Der Rohling kann durch jeden geeigneten Metallbearbei tungsprozess, einschl. z.B. Extrudieren, Hämmern, Gesenkschmieden und Schmieden bearbeitet werden. Kombinationen und Aufeinanderfolgen verschiedener Metallbearbeitungsvorgänge sind ebenfalls dazu geeignet, die jeweils gewünschte Reduzierung der Querschnittsfläche des Rohlings zu erzielen.

Nach der Bearbeitung des Rohlings bis zu dem jeweils gewünschten Zustand wird der Rohling zu dem Schweißwerkzeug 102 zugerichtet. Das Zurichten des Rohlings zu dem Werkzeug 102 kann die Verwendung von oben beschriebenen Metallbearbeitungsvorgängen, wie auch irgendwelche andere spanende Bearbeitungsvorgänge beinhalten, einschließlich Schneiden, Gewindescheiden, Schleifen, Honen, Polieren und dergleichen. Das Endergebnis ist ein Werkzeug 102, das in einer Reibrührschweißvorrichtung 100 eingesetzt werden kann. Ein Werkzeug 102 ist dann für den Betrieb in der Vorrichtung 100 geeignet, wenn das Werkzeug 102 eine Größe und Gestalt aufweist, die zur ordnungsgemäßen Montage bzw. zum Betrieb in einer FSW-Vorrichtung 100 geeignet ist.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, ebenso wie ein mittels eines solchen Verfahrens hergestellter Gegenstand. Bei diesem Verfahren wird eine Reibrührschweißvorrichtung 100 bereitgestellt. Die Vorrichtung 100 weist ein Schweißwerkzeug 102 auf, und das Schweißwerkzeug 102 enthält hochschmelzendes Material auf Wolframbasis. Das Werkzeug 102 und das zur Herstellung des Werkzeugs 102 verwendete Material sind gleich wie bei dem vorbeschriebenen Ausführungsformen. Das Verfahren beinhaltet außerdem das Bereitstellen wenigstens eines Werkstücks 108 und die Betätigung der Vorrichtung 100 zum Schweißen des wenigstens einen Werkstücks 108 durch Reibrührschweißen, um damit wenigstens ein (nicht dargestelltes) geschweißtes Element auszubilden, wobei das wenigstens eine geschweißte Element einen reibrührgeschweißten Bereich aufweist.

Wie oben erwähnt, wird wenigstens ein Werkstück 108 bereitgestellt. Die Verwendung des aus den vorbeschriebenen Materialien hergestellten und gemäß den Verfahren zur Herstellung des oben genannten Werkzeugs 102 hergestellten Werkzeugs 102 erlaubt ein FSW von hochfesten Materialien. Demgemäß umfassen zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignete Materialien, ohne darauf beschränkt zu sein: Stahl, Edelstahl, Superlegierung (Super Alloy) auf Nickelbasis, Superlegierung (Super Alloy) auf Kobaltbasis, Superlegierung (Super Alloy) auf Eisenbasis, Superlegierung (Super Alloy) auf Nickel-Eisenbasis, Oxyddispersionsgehärtete Nickel-Eisenlegierung und eine Legierung auf Titanbasis. Die zur Formgebung des Werkstückes 108 verwendeten Verarbeitungsschritte beeinträchtigen die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen FSW Verfahrens in der Regel nicht, so dass das Werkstück 108 z.B. ein Gegenstand sein kann, der durch Schmieden, Gießen, Extrudieren, Walzen oder durch pulvermetallurgische Verfahren hergestellt worden ist.

Bei gewissen Ausführungsformen liegen eine Anzahl Werkstücke 108 vor. In diesen Fällen wird die Vorrichtung 100 dazu benutzt, die mehreren Werkstücke 108 unter Verwendung von FSW so zu verschweißen, dass ein oder mehrere verschweißte Elemente ausgebildet werden. Jedes mit dem Verfahren geschweißte Element weist einen reibrührgeschweißten Bereich auf, wie etwa z.B. einen Verbindungsbereich der zwei oder mehr vorher getrennte Werkstücke zu einem verschweißten Element verbindet. Bei bestimmten Ausführungsformen sind die ein oder mehreren verscheißten Elemente die mittels des Verfahrens hergestellten Fertigartikel. Bei alternativen Ausführungsformen können aber das eine oder mehrere geschweißte Element (e) zur Ausbildung des Artikels zusammengebaut werden, wobei bei speziellen Ausführungsformen der Zusammenbau, wenigstens teilweise, derart erfolgt, dass wenigstens zwei der geschweißten Elemente durch Reibrührschweißen miteinander verschweißt und so zusammengefügt werden.

Das erfindungsgemäße FSW-Verfahren ist hinsichtlich der Zusammensetzung der verschiedenen vorliegenden Werkstücke sehr flexibel. So weist z.B. bei einigen Ausführungsformen ein erstes Werkstück ein erstes Material auf, während ein zweites Werkstück aus einem zweiten Material besteht und die beiden Materialien sich, zumindest hinsichtlich eines Merkmals, voneinander unterscheiden, wie etwa durch die chemische Zusammensetzung, die Mikrostruktur und die Verarbeitung. Eines oder beide des ersten und zweiten Materials können ein Material sein, das mit gebräuchlichen Verfahren nur schwer verschweißbar ist, wie z.B. ein Stahl, ein Edelstahl, eine Superlegierung auf Nickelbasis, eine Superlegierung auf Kobaltbasis, eine Superlegierung auf Eisenbasis, eine Superlegierung auf Nickel-Eisenbasis, eine oxyddispersiongehärtete Nickellegierung oder eine titanbasierte Legierung. Bei einem anderen Beispiel kann ein polykristallines Werkstück durch erfindungsgemäßes FSW an ein einkristalliges Werkstück angefügt werden. Die Flexibilität des vorliegenden Verfahrens beim Zusammenfügen von Werkstücken unterschiedlicher Zusammensetzung, Aufbaus und Verarbeitung erlaubt es, Gegenstände herzustellen, die an die örtlichen Anforderungen des speziellen Anwendungsfalls angepasste Eigenschaften aufweisen. So könnte z.B. eine teure hochtemperaturfeste Legierung lediglich in den Bereichen eines Gegenstands angeordnet werden, in denen die Temperaturen über einen bestimmten Punkt hinaus steigen. Der Großteil des Gegenstandes könnte aus einem billigeren Strukturmaterial hergestellt werden, das an die hochtemperaturfeste Legierung mittels FSW angefügt wird, um damit eine maßgeschneiderte Komponente auszubilden. Zu den Gegenständen, die mit dem vorbeschriebe nen Verfahren hergestellt werden können, gehören Maschinenteile, wie etwa Teile, die in Turbomaschinen Verwendung finden. Bei bestimmten Ausführungsformen werden die geschweißten Elemente zur Ausbildung einer Komponente einer Turbinenmaschine, bspw. einer Gasturbine oder einer Dampfturbine, zusammengebaut. Die Vorteile der Erfindung erlauben den Zusammenbau von sehr großen Konstruktionselementen einer Turbine, wie Kanälen, Rahmen und Gehäusen. Bei aufwendigen Turbinenkonstruktionen können diese Komponenten zu groß sein als um einzeln geschmiedet oder gegossen werden zu können, und demgemäß ist die Möglichkeit FSW zum Zusammenfügen dieser Komponenten einzusetzen für eine kostengünstige Turbinenherstellung von Vorteil.

Um die oben beschriebenen Vorteile ganz auszunutzen, besteht eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer Turbinenkomponente, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Bei dieser speziellen Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Bereitstellen einer FSW Vorrichtung 100 mit einem Schweißwerkzeug 102. Das Schweißwerkzeug 102 weist wenigstens ein hochschmelzendes Material auf Wolframbasis auf, das aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist.

a) Eine gesinterte Legierung, die im Wesentlichen aus Wolfram besteht;
b) ein Metall, das gesintertes und extrudiertes Wolfram enthält und außerdem etwa 20 ppm Kalium beinhaltet,
c) ein Metall, das wenigstens a) gesintertes Material und/oder b) gesintertes und isostatisch warm gepresstes Metall enthält, wobei das Metall außerdem 25 Gewichtsprozent Rhenium und der Rest Wolfram enthält,
d) ein gegossenes und extrudiertes hochschmelzendes Mate rial auf Wolframbasis, wobei das Material etwa 4 Gewichtsprozent Rhenium und etwa 0,5 Gewichtsprozent Hafniumkarbid und der Rest Wolfram enthält, und
e) ein gegossenes und extrudiertes hochschmelzendes Material auf Wolframbasis, wobei das Material von etwa 0,5 Gewichtsprozent bis etwa 2 Gewichtsporzent Hafniumkarbid und der Rest Wolfram enthält.

Eine Anzahl Werkstücke 108 wird bereitgestellt. Ein erstes Werkstück weist ein erstes Material und ein zweites Werkstück weist ein zweites Material auf, wobei das erste Material sich von dem zweiten Material in wenigstens einem der folgenden Merkmale wesentlich unterscheidet: chemische Zusammensetzung, Mikrostruktur und Verarbeitung. Das erste Material und/oder das zweite Material beinhaltet ein Material, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: einem Stahl, einem Edelstahl, einer Superlegierung auf Nickelbasis, einer Superlegierung auf Kobaltbasis, einer Superlegierung auf Eisenbasis, einer Superlegierung auf Nickel-Eisenbasis und einer oxyddispersionsverfestigten Nickellegierung.

Die Vorrichtung 100 wird dazu eingesetzt, die mehreren Werkstücke durch FSW so zu verschweißen, dass eine Anzahl geschweißter Elemente ausgebildet werden, wobei jedes der geschweißten Elemente einen reibrührgeschweißten Bereich aufweist, worauf die Elemente zur Ausbildung einer Turbinenkomponente zusammengefügt werden.

Ausführungsbeispiele
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele sind zur weiteren Veranschaulichung gewisser Ausführungsformen der Erfindung angegeben und sind nicht so zu verstehen, dass sie die Erfindung in irgendeiner Weise beschränken.
Ausführungsbeispiel 1:
Ein Reibrührschweißwerkzeug aus H-13 Werkzeugstahl wurde dazu verwendet mittels FSW ein aus einer nickelbasierten Superlegierung Alloy 718 hergestelltes Werkzeug zu verschweißen. Werkzeugstahl ist ein Material, das für die Herstellung von Werkzeugen zum FSW von Aluminium-Werkstücken üblicherweise verwendet wird. Beim Einsatz an den Alloy 718 Werkstücken dieses Ausführungsbeispiels war das aus Werkzeugstahl hergestellte Werkzeug jedoch nicht in der Lage die Beanspruchung aufzunehmen, die erforderlich war um das Werkzeug in das Werkstück einzutauchen, und das Werkzeug ging bereits bei den Anfangsvorgängen des Verfahrens zu Bruch.
Ausführungsbeispiel 2:
Ein Reibrührschweißwerkzeug aus einer gesinterten Wolframlegierung, die etwa 25 Gewichtsprozent Rhenium enthielt wurde zu dem Versuch eingesetzt, mittels FSW ein Werkstück aus Alloy 718 zu verschweißen. Im Gegensatz zu dem gebräuchlichen, aus Stahl hergestellten Werkzeug des Ausführungsbeispiels 1 blieb das Wolfram-Rhenium Werkzeug während des Schweißvorgangs intakt und verschweißte die Werkstücke erfolgreich. Eine metallographische Untersuchung der Schweißstelle im Querschnitt offenbarte aber eine Anzahl kleiner Abfallteilchen, die von dem Verschleiß des Werkzeugs während des FSW Vorgangs herrührend, in der Schweißstelle eingeschlossen waren. Obwohl eine starke Verbindung hergestellt wurde, hätten die Zahl und Größe der eingeschlossenen Teilchen die Schweißstelle für bestimmte kritische Anwendungen mit hoher Beanspruchung und hohen Temperaturen ungeeignet gemacht.
Ausführungsbeispiel 3:
Ein Reibrührschweißwerkzeug aus einer gegossenen und extrudierten Wolframlegierung, die etwa 4 Gewichtsprozent Rhenium und etwa 0,5 Gewichtsprozent Hafni umkarbid enthält, wurde zu dem Versuch eingesetzt, ein Werkstück aus Titanlegierung Ti17 mit einem anderen Werkstück aus Ti 6-4 zu verschweißen. Dieses Werkzeug blieb während des Schweißvorgangs intakt und verschweißte die beiden Werkstücke ebenso erfolgreich wie das Werkzeug des Ausführungsbeispiels 2. Die metallographische Untersuchung der Schweißstelle im Querschnitt ließ keine der bei dem Ausführungsbeispiel 2 beobachteten Abfallteilchen erkennen.
Wenngleich hier mehrere verschiedene Ausführungsformen beschrieben sind, so ergibt sich doch aus der Beschreibung, dass dem Fachmann verschiedene Kombinationen von Elementen, Abwandlungen, Äquivalente oder Verbesserungen zur Verfügung stehen, die jedoch nichts desto weniger in dem durch die nachfolgenden Patentansprüche gegebenen Schutzbereich der Erfindung liegen.

Claims

Vorrichtung (100) zum Reibrührschweißen, die enthält: ein Schweißwerkzeug (102), das ein hochschmelzendes Material auf Wolframbasis enthält.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der das hochschmelzende Material auf Wolframbasis eine im Wesentlichen aus Wolfram bestehende Legierung aufweist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der das hochschmelzende Material auf Wolframbasis dotiertes Wolfram aufweist, wobei das dotierte Wolfram Dotiermaterial und Wolfram enthält.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der das hochschmelzende Material auf Wolframbasis eine Legierung aufweist, die ein Mischkristallverfestigungsmaterial und Wolfram enthält.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 4, bei der die Legierung bis zu etwa 40 Gewichtsprozent des Mischkristallverfestigungsmaterials enthält.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 5, bei der das Mischkristallverfestigungsmaterial wenigstens eines der folgenden Materialen enthält: Rhenium, Molybdän, Tantal und Niob.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, bei der die Legierung etwa 25 Gewichtsprozent Rhenium und der Rest Wolfram enthält.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 4, bei der das hochschmelzende Material auf Wolframbasis wenigstens a) ein gesintertes Material und/oder b) gesintertes und isostatisch warm gepresstes Material aufweist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der das hochschmelzende Material auf Wolframbasis, Wolfram und wenigstens ein Material enthält, das aus der Gruppe gewählt ist die aus einem Mischkristallverfestigungsmaterial und einem hochschmelzenden Karbidmaterial besteht.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, bei der das Mischkristallverfestigungsmaterial in dem hochschmelzenden Material auf Wolframbasis in einer Konzentration von bis zu 8 Gewichtsprozent vorliegt und bei der das hochschmelzende Karbidmaterial in dem hochschmelzenden Material auf Wolframbasis in einer Konzentration in dem Bereich von etwa 0,25 Gewichtsprozent bis etwa 2 Gewichtsprozent vorliegt.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, bei der das Mischkristallverfestigungsmaterial in dem hochschmelzenden Material auf Wolframbasis in einer Konzentration in dem Bereich von etwa 2 Gewichtsporzent bis etwa 6 Gewichtsprozent vorliegt und bei der das hochschmelzende Karbidmaterial in dem hochschmelzenden Material auf Wolframbasis in einer Konzentration in dem Bereich von etwa 0,25 Gewichtsprozent bis etwa 1 Gewichtsprozent vorliegt.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, bei der das Mischkristallverfestigungsmaterial wenigstens eines der folgenden Materialen aufweist: Rhenium, Molybdän, Tantal und Niob.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, bei der das hoch schmelzende Material auf Wolframbasis wenigstens 4 Gewichtsprozent Rhenium und außerdem etwa 0,5 Gewichtsprozent Hafniumkarbid aufweist und bei der der Rest Wolfram enthält.
Vorrichtung (100) zum Reibrührschweißen die beinhaltet: – ein Schweißwerkzeug (102), das ein gesintertes hochschmelzendes Material auf Wolframbasis aufweist, wobei das Metall im Wesentlichen aus Wolfram besteht.
Vorrichtung (100) zum Reibrührschweißen, das beinhaltet: – ein Schweißwerkzeug (102), das hochschmelzendes Material auf Wolframbasis enthält, wobei das Metall gesintertes und extrudiertes Wolfram und außerdem etwa 20 ppm Kalium enthält.
Vorrichtung (100) zum Reibrührschweißen die beinhaltet: – ein Schweißwerkzeug (102), das ein hochschmelzendes Material auf Wolframbasis enthält, wobei das Material wenigstens a) gesintertes Metall und b) gesintertes und isostatisch warm gepresstes Metall enthält, wobei das Metall außerdem etwa 25 Gewichtsprozent Rhenium enthält und der Rest Wolfram enthält.
Vorrichtung (100) zum Reibrührschweißen, die beinhaltet: – ein Schweißwerkzeug (100) das ein gegossenes und extrudiertes hochschmelzendes Material auf Wol frambasis enthält, wobei das Material etwa 4 Gewichtsprozent Rhenium und etwa 0,5 Gewichtsprozent Hafniumkarbid enthält und der Rest Wolfram enthält.