DE102006041324A1

DE102006041324A1 - Verfahren zum Fügen von dickwandigen Bauteilen aus hochwarmfesten Werkstoffen

Info

Publication number: DE102006041324A1
Application number: DE102006041324A
Authority: DE
Inventors: Karl Schreiber
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2008-03-06

Abstract

Zur stoffschlüssigen Verbindung von Bauteilen aus hochwarmfesten, insbesondere in der Art unterschiedlichen Werkstoffen für den Triebwerksbau, werden in einer sauerstoffarmen Umgebung die Fügeflächen mit aus einem organischen, sauerstofffreien Elektrolyten abgeschiedenem Aluminium beschichtet. Anschließend werden die Bauteile an den Verbindungsflächen aufeinander gepresst und unter Beibehaltung des den Sauerstoffzutritt hemmenden Druckes allmählich bis auf die Schmelztemperatur des Aluminiums erwärmt. Das in dem an die Fügeflächen angrenzenden Bereich in die Bauteile diffundierende Aluminium sorgt für eine feste stoffschlüssige Verbindung. Die Schmelztemperatur des Werkstoffs im Verbundbereich entspricht der des Basiswerkstoffs. Um eine den Diffusionsvorgang hemmende Oxidation des Aluminiums zusätzlich zu unterbinden, kann der Überzug mit einem Flussmittel oder mit Ultraschall behandelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von dickwandigen Bauteilen aus hochwarmfesten Werkstoffen, insbesondere für den Triebwerksbau zur stoffschlüssigen Verbindung von Bauteilen aus Werkstoffen unterschiedlicher Art oder aus polykristallinen und monokristallinen Werkstoffen.
Zur stoffschlüssigen Verbindung von dickwandigen Bauteilen aus hochwarmfesten Werkstoffen, wie beispielsweise Titan, Nickelbasiswerkstoffe oder Stahl, sind verschiedene Schweißverfahren, wie beispielsweise Elektronenstrahlschweißen, Reibschweißen, Schmelzschweißen und Diffusionsschweißen, oder auch Lötverfahren bekannt. Diese Verfahren haben sich in einer Vielzahl von Anwendungsfällen bewährt, haben aber dennoch verschiedene Nachteile in Bezug auf die Ausbildung von Eigenspannungen, Kornvergrößerungen und Schweißnahtfehlern oder hinsichtlich der Handhabbarkeit der zu verbindenden Bauteile während des Fügeprozesses und des Zeit- und Kostenaufwandes. Schwierigkeiten bereitet insbesondere die stoffschlüssige Verbindung dickwandiger Teile wegen des Aufbaus eines dreiachsigen Spannungszustands und von Bauteilen aus artunterschiedlichen Werkstoffen. Beispielsweise können monokristalline und polykristalline Werkstoffe nicht ohne Weiteres und bisher allenfalls durch Reibschweißen, das jedoch hinsichtlich Qualität, Kosten und Zugänglichkeit der Schweißstelle Probleme bereitet, miteinander verschweißt werden. Beim Verschweißen von zum einen monokristallin und zum anderen polykristallin ausgebildeten Werkstoffen führen Korngrenzenausscheidungen zu ungünstigen mechani schen Eigenschaften. Zudem entstehen aufgrund unterschiedlicher Elastizitätskonstanten und Ausdehnungskoeffizienten Eigenspannungen, die die bei der Verbindung dickwandiger Bauteile ohnehin auftretenden Eigenspannungen noch verstärken, so dass im Fügebereich nur unzureichende mechanische Eigenschaften erreicht werden. Zwar ist bei der Verbindung von monokristallin und polykristallin ausgebildeten Bauteilen die Anwendung von Lötverfahren möglich, jedoch genügt die mit den bekannten Lötverfahren erreichbare Festigkeit in vielen Fällen, zum Beispiel bei der Verbindung einer monokristallin ausgebildeten Turbinenschaufel mit einer Rotorscheibe aus polykristallinem Werkstoff, nicht den an die Festigkeit der Verbindung gestellten hohen Anforderungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur stoffschlüssigen Verbindung von dickwandigen Bauteilen aus hochwarmfesten, vorzugsweise unterschiedlich zusammengesetzten oder mono- und polykristallin ausgebildeten Werkstoffen, die vorzugsweise in Gastubinentriebwerken Verwendung finden, anzugeben, das bei geringem Zeit- und Kostenaufwand eine feste, spannungsarme und fehlerfreie Verbindung zwischen den beiderseitigen Bauteilen gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Galvanisierung der Fügeflächen der beiden miteinander zu verbindenden Bauteile mit einem aus einem organischen Elektrolyten abgeschiedenen dünnen Überzug aus einem gegenüber dem Bauteilwerkstoff niedrigschmelzenden Material, nämlich Aluminium, in einer sauerstofffreien oder -armen Umge bung, wobei die Bauteile oder deren an die Fügeflächen angrenzende Bereiche in der gleichen, gegen Sauerstoffzufuhr abgekapselten Atmosphäre mindestens auf die Schmelztemperatur des Aluminiums erwärmt und die Fügeflächen dabei – unter Vermeidung des Zutritts von Sauerstoff und der Oxidation des Aluminiums – aufeinander gepresst werden. Dabei diffundiert die niedrigschmelzende Phase in den Basiswerkstoff der zu verbindenden Bauteile und schafft eine feste Verbindung, wobei der Schmelzpunkt im Verbindungsbereich wieder der des Bauteilwerkstoffs ist. Mit dem Verfahren können dickwandige Bauteile aus hochwarmfesten Werkstoffen verbunden werden, und zwar Werkstoffe unterschiedlicher Art und auch polykristalline Werkstoffe mit monokristallinen Werkstoffen, jedoch ohne dass die mechanischen Eigenschaften im Fügebereich negativ beeinflusst werden. Im Ergebnis der Anwendung des Verfahrens treten weder Eigenspannungen noch Kornvergrößerungen oder Schweißfehler auf. Probleme bei der Handhabung der Bauteile während des Fügens, wie beim Reibschweißen, treten nicht auf. Der Kostenaufwand ist geringer als bei den bekannten Verfahren.
Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung wird der aus dem niedrigschmelzenden Material bestehende Überzug auf den Verbindungsflächen (Fügeflächen) mit einem Flussmittel behandelt oder mit Ultraschall während des Fügeprozesses überlagert, um einer Oxidation zusätzlich entgegenzuwirken oder bereits gebildete Oxidschichten aufzubrechen.
In weiterer Ausbildung der Erfindung sind die Randbereiche von mindestens einer der Fügeflächen erhöht ausgebildet, und zwar durch eine erhöhte Dicke des Überzugs in diesem Bereich und/oder durch eine leicht konkave Ausbildung der Fügefläche(n). Die Fügeflächen sind dadurch ge genüber Sauerstoffzutritt – und damit verbundener Oxidation des Aluminiums – geschützt.
Die Dicke der Überzugsschichten beträgt maximal 100 μm, vorzugsweise 6 bis 10 μm, während die Eindringtiefe des aufgeschmolzenen Materials in den Bauteilwerkstoff etwa 100 bis 200 μm beträgt und wie die Konzentration des in den Bauteilwerkstoff eingedrungenen Materials von der Temperatur und der Zeit abhängt.
Die zu verbindenden Bauteile können entweder als Ganzes in einem Ofen oder auch nur in dem an die Fügeflächen angrenzenden Bereich zum Beispiel induktiv erwärmt werden.
Das gesamte Verfahren wird in einer sauerstofffreien bzw. -armen Umgebung durchgeführt, beispielsweise im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre.
Um die Entstehung von Sprödphasen soweit wie möglich zu verhindern, erfolgt die Erwärmung während des Fügeprozesses nach einem bestimmten Temperatur-Zeit-Profil.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend näher erläutert.
Die mechanisch bearbeiteten Oberflächen, an denen die Bauteile, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Rotorscheibe aus einem polykristallinen Werkstoff und eine Vielzahl aus einem Einkristall bestehender Turbinenschaufeln, miteinander verbunden werden sollen, werden zunächst gereinigt und mit einem Aktivierungsmittel, wie beispielsweise Fluoride, insbesondere Kaliumaluminiumfluorid, aktiviert und in einer weitgehend sauerstofffreien Atmosphäre, zum Beispiel in einer Vakuumkammer oder einer mit Inertgas beaufschlagten Kammer, mit Reinaluminium beschichtet, das aus einem nicht wässrigen, wasser- und sauerstofffreien organischen Elektrolyten auf den beiden vorbehandelten Oberflächen abgeschieden wird.
Um vor dem anschließenden Fügeprozess eine trotz Vakuum oder Inertgasatmosphäre dennoch mögliche Oxidation soweit wie möglich zu verhindern, werden die beiden aluminierten Oberflächen anschließend – noch innerhalb der sauerstoffgekapselten Anlage – mit einem Flussmittel behandelt. Alternativ können die Aluminiumschichten auch mit Ultraschall beaufschlagt werden, um durch Ausbildung von Oxidschollen eine auf den Aluminiumschichten gebildete Aluminiumoxidschicht zu zerstören.
In dem darauffolgenden Verfahrensschritt werden die aluminierten Oberflächen der beiden zu verbindenden Bauteile übereinander gelegt und in der gleichen sauerstoffgekapselten Atmosphäre, in der zuvor die Aluminiumbeschichtung und die Behandlung der Beschichtung erfolgt ist, werden die beiden Bauteile unter Druck- und Temperatureinwirkung miteinander verbunden.
Um auch während des Fügeprozesses den Zutritt von Sauerstoff zu den aluminierten Oberflächen zu verhindern, weist die beiderseitige Aluminiumschicht zur Ausbildung eines Dichtrandes im umlaufenden Randbereich eine Erhöhung auf. Zur Erzielung des Dichtrandes können die mit Aluminium beschichteten Fügeflächen leicht konkav ausgebildet sein. Die beiden Bauteile werden an den Fügeflächen aufeinander gepresst und gleichzeitig allmählich bis auf die Schmelztemperatur der Aluminiumschichten von 620 °C erwärmt. Die Erwärmung erfolgt in einem Ofen, kann aber auch, vorzugsweise begrenzt auf den Fügebereich, induktiv erfolgen. Die schmelzflüssige Phase der ein gemeinsames Schmelzbad bildenden Aluminiumschichten diffundiert während des Aufschmelzens unter Druck bis zu einer Tiefe von 100 bis 200 μm in das jeweilige Bauteil ein.
Die Aluminiumkonzentration im Substrat und die Eindringtiefe sind bei vorgegebenem Druck abhängig von der Temperatur und der Zeit, wobei die Konzentration mit der Größe der Eindringtiefe geringer wird. Die Verbundwirkung wird über das unter dem Einfluss von Temperatur und Druck in die beiden Bauteile diffundierte Aluminium erzeugt, wobei nach Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung der Schmelzpunkt des Werkstoffs im Verbundbereich wieder nahezu der des jeweiligen hochwarmfesten Ausgangsmaterials der beiden Bauteile ist. Zur Minimierung der nicht erwünschten Sprödphasen Al₃Ni oder Al₃Ni₂ muss ein angepasstes Temperatur-Zeit-Profil angewendet werden, zum Beispiel eine Stunde Haltezeit bei 980°C und anschliessende Abkühlung.

Claims

Verfahren zum Fügen von dickwandigen Bauteilen aus hochwarmfesten Werkstoffen, insbesondere für den Triebwerksbau zur stoffschlüssigen Verbindung von Bauteilen aus Werkstoffen unterschiedlicher Art oder aus poly- und monokristallinen Werkstoffen, gekennzeichnet durch die Schritte – Reinigen der Verbindungsflächen und Behandeln mit einem Aktivierungsmittel; – Galvanisieren von mindestens einer der beiden Verbindungsflächen in einer im Wesentlichen sauerstofffreien Atmosphäre mit Reinaluminium, das aus einem organischen, wasser- und sauerstofffreien Elektrolyten abgeschieden wird; – Zusammenpressen der Bauteile an den gegeneinander zur Vermeidung von Sauerstoffzutritt abgedichteten Verbindungsflächen über einen bestimmten Zeitraum, und zwar bei gleichzeitiger allmählicher Erwärmung bis auf die Schmelztemperatur des Aluminium, in sauerstoffarmer Atmosphäre, wobei das geschmolzene Aluminium durch Diffusionsglühen in einen an die Verbindungsflächen anschließenden Bereich diffundiert und eine feste stoffschlüssige Verbindung schafft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sauerstofffreie oder -arme Atmosphäre durch ein Vakuum oder einer Inertgasatmosphäre gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur gegenseitigen Abdichtung der beiden Verbindungsflächen der umlaufende Rand von mindestens einer der Verbindungsflächen erhöht ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erhöhte Randbereich durch die Aluminiumschicht(en) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erhöhte Randbereich durch eine konkave Formgebung der Verbindungsfläche(n) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration und Eindringtiefe des Aluminiums im an die Verbindungsflächen angrenzenden Bereich durch die Temperatur- und Zeitparameter bestimmt wird, wobei die Konzentration mit größer werdender Eindringtiefe geringer wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Bauteile als Ganzes in einem Ofen oder in einem an die Verbindungsflächen anschließenden Teilbereich induktiv erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Aluminiumüberzugs kleiner als 100 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Aluminiumschicht(en) 6 bis 7 μm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Aluminiumschicht(en) 1 bis 5 μm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe des niedrigschmelzenden Materials in die Bauteilwerkstoffe 100 bis 200 μm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschichten zur Vermeidung der Bildung von Aluminiumoxid mit einem Flussmittel behandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der auf den Fügeflächen vorhandene Überzug während des Fügeprozesses zum Aufbrechen von Aluminiumoxidschichten mit Ultraschall überlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung nach einem bestimmten, die Bildung von Al₃Ni- oder Al₃Ni₂-Sprödphasen ausschließenden Temperatur-Zeit-Profil erfolgt.