DE102009051823A1 - Einkristallines Schweißen von direktional verfestigten Werkstoffen - Google Patents
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Abstract
Durch die gezielte Auswahl von Verfahrensparametern bei Laserschweißen, Vorschub, Laserleistungsstrahldurchmesser und Pulvermassenstrom kann der Temperaturgradient gezielt eingestellt werden, der wesentlich entscheidend ist zum einkristallinen Wachstum beim Laserauftragsschweißen.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren von direktional verfestigten metallischen Werkstoffen.
- γ'-verstärkte SX Nickelbasis-Superlegierungen lassen sich weder mittels konventioneller Schweißverfahren noch mit Hochenergieverfahren (Laser, Elektronenstrahl) mit artgleichen Zusatzwerkstoffen in überlappenden Schweißbahnen in ein oder mehreren Lagen auftragsschweißen. Das Problem liegt darin, dass sich bereits bei einer einzelnen Schweißbahn im oberflächennahen Randbereich ein Gefüge mit Fehlorientierung ausbildet. Für die nachfolgende Überlappspur bedeutet das, dass die Erstarrungsfront in diesem Bereich keinen SX Keim zur Verfügung hat und sich der Bereich mit Fehlorientierung (kein SX Gefüge) im Überlappbereich weiter ausdehnt. In diesem Bereich kommt es zur Rissbildung.
- Die bisher verwendeten Schweißverfahren sind nicht in der Lage, für γ'-verstärkte SX Nickelbasis-Superlegierungen ein Schweißgut in Überlappbearbeitung in ein oder mehreren Lagen artgleich mit identischem SX Gefüge aufzubauen. Bei einer Einzelspur auf einem SX Substrat variieren die lokalen Erstarrungsbedingungen in der Weise, dass je nach Position ein dendritisches Wachstums ausgehend von den Primärstämmen oder den Sekundärarmen initiiert wird. Dabei setzt sich von den verschiedenen möglichen dendriten Wachstumsrichtungen die mit den günstigsten Wachstumsbedingungen durch, d. h. die mit dem kleinsten Neigungswinkel zum Temperaturgradienten. Die Ursache für die Ausbildung von Fehlorientierungen im SX Gefüge beim Pulver-Auftragsschweißen von γ'-verstärkten SX Nickelbasis-Superlegierungen ist z. Zt. nicht vollständig geklärt. Man vermutet, dass beim Aufeinandertreffen der Dendriten aus verschiedenen Wachstumsrichtungen möglicherweise Sekundärarme abbrechen und als Keime für die Ausbildung eines fehlorientierten Gefüges dienen. Darüber hinaus können im oberflächennahen Randbereich nicht vollständig aufgeschmolzene Pulverpartikel in der Schmelze als Keime für die Ausbildung eines fehlorientierten Gefüges dienen. Zur Lösung des Problems wird deshalb eine Prozessführung für das Pulver-Auftragsschweißen von γ'-verstärkten SX Nickelbasis-Superlegierungen vorgeschlagen, bei der Wachstumsbedingungen realisiert werden, die nur eine Wachstumsrichtung für die Dendriten favorisieren. Darüber hinaus stellt die Prozessführung ein vollständiges Aufschmelzen der Pulverpartikel in der Schmelze sicher.
- Es ist daher Aufgabe der Erfindung o. g. Problem zu lösen.
- Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
- Zur Lösung dieses technischen Problems der Ausbildung eines nicht einkristallinen Gefüges im oberflächennahen Randbereich einer Einzelspur wird eine Prozessführung für das Auftragsschweißen mit Laserstrahlung vorgeschlagen, bei der dieses Problem nicht auftritt oder in so einem geringen Maße, dass Überlappbearbeitung in ein oder mehreren Lagen ohne Rissbildung bei Raumtemperatur möglich ist.
- In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
- Es zeigen:
-
1 einen schematischen Ablauf des Verfahrens, -
2 eine Gasturbine, -
3 eine Turbinenschaufel, -
4 eine Liste von Superlegierungen. - Die Beschreibung und die Figuren stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
- In
1 ist schematisch der Ablauf des Verfahrens dargestellt mit einer Vorrichtung1 . - Das zu reparierende Bauteil
120 ,130 weist ein Substrat4 aus einer Superlegierung, insbesondere aus einer nickelbasierten Superlegierung gemäß4 auf. - Ganz insbesondere besteht das Substrat
4 aus einer Nickelbasissuperlegierung. - Das Substrat
4 wird repariert, indem neues Material7 , insbesondere mittels Pulver auf die Oberfläche5 des Substrats4 durch Auftragsschweißen aufgebracht wird. - Dies erfolgt durch die Zufuhr von Material
7 und einem Schweißstrahl, vorzugsweise einem Laserstrahl10 eines Lasers, der zumindest das zugeführte Material7 aufschmilzt und vorzugsweise auch teilweise das Substrat4 . - Dabei wird vorzugsweise Pulver verwendet. Vorzugsweise ist der Durchmesser der Pulverteilchen
7 so klein, dass ein Laserstrahl sie vollständig aufschmelzen und eine hinreichend hohe Temperatur der Teilchen7 ergibt. - Dabei gibt es auf dem Substrat
4 während des Schweißens einen aufgeschmolzenen Bereich16 und eine sich daran anschließende Erstarrungsfront19 und davor ein schon wieder erstarrter Bereich13 . - Die Vorrichtung der Erfindung umfasst vorzugsweise einen Laser (nicht dargestellt) mit einer Pulverzuführeinheit und ein Bewegungssystem (nicht dargestellt), mit dem die Laserstrahlwechselwirkungszone und der Auftreffbereich für das Pulver
7 auf der Substratoberfläche5 bewegt werden können. Das Bauteil (Substrat4 ) wird dabei vorzugsweise weder vorgewärmt, noch mittels einer Wärmebehandlung überaltert. - Der zu rekonstruierende Bereich auf dem Substrat
4 wird vorzugsweise lagenweise auftragsgeschweißt. - Die Lagen werden vorzugsweise mäanderförmig, uni- oder bidirektional aufgetragen, wobei die Scanvektoren der Mäanderfahrten von Lage zu Lage vorzugsweise jeweils um 90° gedreht werden, um Anbindefehler zwischen den Lagen zu vermeiden.
- Die Dendriten
31 im Substrat4 und die Dendriten34 im aufgetragenen Bereich13 sind in der1 dargestellt. - Ein Koordinatensystem
25 ist ebenfalls dargestellt. - Das Substrat
4 bewegt sich relativ in x-Richtung22 mit der Scangeschwindigkeit VV. - Auf der Erstarrungsfront
19 gibt es den z-Temperaturgradienten∂T / ∂Z 28 . - Der Schweißprozess wird mit Verfahrensparametern bzgl. Vorschub VV, Laserleistung, Strahldurchmesser und Pulvermassenstrom durchgeführt, die zu einer lokalen Orientierung des Temperaturgradienten auf der Erstarrungsfront führt, der kleiner als 45° zur Richtung der Dendriten
31 im Substrat4 ist. Dadurch wird gewährleistet, dass ausschließlich die Wachstumsrichtung für die Dendriten34 favorisiert wird, die die Dendritenrichtung32 im Substrat4 fortsetzt. Dafür notwendig ist ein Strahlradius, der gewährleistet, dass der Teil der Dreiphasenlinien, der die Erstarrungsfront19 berandet, vollständig von dem Laserstrahl überdeckt wird. -
- A:
- Absorptionsgrad vom Substrat,
- IL:
- Laserintensität,
- VV:
- Scangeschwindigkeit,
- λ:
- Wärmeleitfähigkeit des Substrats,
- T:
- Temperatur
- Aus der Bedingung ergibt sich werkstoffabhängig ein Prozessfenster bzgl. der Intensität der Laserstrahlung (approximativ top hat), dem Strahlradius relativ zum Pulverstrahlfokus, der Vorschubgeschwindigkeit VV und dem Pulvermassenstrom.
- Durch die vollständige Überdeckung der Schmelze mit der Laserstrahlung wird bei der koaxialen Prozessführung eine längere Wechselwirkungszeit der Pulverpartikel mit der Laserstrahlung und eine damit höhere Partikeltemperatur beim Kontakt mit der Schmelze gewährleistet.
- Der Partikeldurchmesser und damit die vorgegebene Wechselwirkungszeit sollen ein zum vollständigen Aufschmelzen ausreichend hohes Temperaturniveau bewirken. Ein ausreichend hohes Temperaturniveau der Schmelze soll bei gegebener Partikeltemperatur und Verweilzeit in der Schmelze bewirken, dass die Partikel vollständig in Schmelze gehen.
- Durch die oben beschriebenen Verfahrensparameter und Mechanismen werden die Voraussetzungen für ein epitaktisches einkristallines Wachstum im Schweißgut mit einer im Substrat identischen Dendritenorientierung gewährleistet. Dadurch, dass beim Schweißprozess nur eine Dendritenwachstumsrichtung normal zur Oberfläche aktiviert ist, wird beim Erstarren ein Nachfließen der Schmelze in den interdendritischen Raum erleichtert und die Bildung von Heißrissen vermieden. Dies resultiert in einer Qualität der Schweißung, die für eine strukturelle Schweißung (z. B. zum Zwecke einer Reparatur oder Fügung in einem hochbelasteten Bereich des Bauteils) akzeptabel sind.
- Die
2 zeigt beispielhaft eine Gasturbine100 in einem Längsteilschnitt. - Die Gasturbine
100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse102 drehgelagerten Rotor103 mit einer Welle101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. - Entlang des Rotors
103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse104 , ein Verdichter105 , eine beispielsweise torusartige Brennkammer110 , insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern107 , eine Turbine108 und das Abgasgehäuse109 . - Die Ringbrennkammer
110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal111 . Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen112 die Turbine108 . - Jede Turbinenstufe
112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums113 gesehen folgt im Heißgaskanal111 einer Leitschaufelreihe115 eine aus Laufschaufeln120 gebildete Reihe125 . - Die Leitschaufeln
130 sind dabei an einem Innengehäuse138 eines Stators143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln120 einer Reihe125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe133 am Rotor103 angebracht sind. - An dem Rotor
103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt). - Während des Betriebes der Gasturbine
100 wird vom Verdichter105 durch das Ansauggehäuse104 Luft135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums113 in der Brennkammer110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium113 entlang des Heißgaskanals111 vorbei an den Leitschaufeln130 und den Laufschaufeln120 . An den Laufschaufeln120 entspannt sich das Arbeitsmedium113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln120 den Rotor103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine. - Die dem heißen Arbeitsmedium
113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln130 und Laufschaufeln120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums113 gesehen ersten Turbinenstufe112 werden neben den die Ringbrennkammer110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet. - Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
- Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d. h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).
- Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel
120 ,130 und Bauteile der Brennkammer110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet. - Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der
EP 1 204 776 B1 ,EP 1 306 454 ,EP 1 319 729 A1 ,WO 99/67435 WO 00/44949 - Ebenso können die Schaufeln
120 ,130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium). Solche Legierungen sind bekannt aus derEP 0 486 489 B1 ,EP 0 786 017 B1 ,EP 0 412 397 B1 oderEP 1 306 454 A1 . - Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d. h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
- Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z. B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
- Die Leitschaufel
130 weist einen dem Innengehäuse138 der Turbine108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor103 zugewandt und an einem Befestigungsring140 des Stators143 festgelegt. - Die
3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel120 oder Leitschaufel130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse121 erstreckt. - Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
- Die Schaufel
120 ,130 weist entlang der Längsachse121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich400 , eine daran angrenzende Schaufelplattform403 sowie ein Schaufelblatt406 und eine Schaufelspitze415 auf. - Als Leitschaufel
130 kann die Schaufel130 an ihrer Schaufelspitze415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt). - Im Befestigungsbereich
400 ist ein Schaufelfuß183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln120 ,130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt). - Der Schaufelfuß
183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. - Die Schaufel
120 ,130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt406 vorbeiströmt, eine Anströmkante409 und eine Abströmkante412 auf. - Bei herkömmlichen Schaufeln
120 ,130 werden in allen Bereichen400 ,403 ,406 der Schaufel120 ,130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet. - Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der
EP 1 204 776 B1 ,EP 1 306 454 ,EP 1 319 729 A1 ,WO 99/67435 WO 00/44949 - Die Schaufel
120 ,130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein. - Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
- Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z. B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d. h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
- Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d. h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d. h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
- Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).
- Solche Verfahren sind aus der
US-PS 6,024,792 und derEP 0 892 090 A1 bekannt. - Ebenso können die Schaufeln
120 ,130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus derEP 0 486 489 B1 ,EP 0 786 017 B1 ,EP 0 412 397 B1 oderEP 1 306 454 A1 . - Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
- Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).
- Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1,5Re.
- Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d. h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
- Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht.
- Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z. B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
- Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z. B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
- Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile
120 ,130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z. B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil120 ,130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils120 ,130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils120 ,130 . - Die Schaufel
120 ,130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel120 ,130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher418 (gestrichelt angedeutet) auf. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (8)
- Verfahren zur direktionalen Verfestigung einer Schweißnaht (
13 ) während des Auftragsschweißens, insbesondere zum Auftragsschweißen eines Substrats (4 ) eines Bauteils (1 ,120 ,130 ), das (4 ) gerichtet verfestigt ist und Dendriten (31 ) aufweist, die (31 ) sich in einer Substratdendritenrichtung (32 ) erstrecken, bei dem die Verfahrensparameter bezüglich Vorschub, Laserleistung, Schweißstrahldurchmesser, Pulverstrahlfokus und/oder Pulvermassenstrom derart ausgestaltet sind, dass sie zu einer lokalen Orientierung des Temperaturgradienten (28 ) auf einer Erstarrungsfront (19 ) führen, die kleiner als 45° zur Substratdendritenrichtung (32 ) der Dendriten (31 ) im Substrat (4 ) ist. - Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Schmelze (
16 ) auf und in dem Substrat (4 ) entsteht, die durch die Zufuhr von Pulver (7 ) und/oder Material des Substrats (4 ) generiert wird, und bei dem die Schmelze (16 ) vollständig von einem Schweißstrahl (10 ), insbesondere einem Laserstrahl, bedeckt wird, insbesondere bei dem die Schmelze (16 ) überlappt wird. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zugeführtes Pulver (
7 ) lagenweise aufgetragen wird. - Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Substrat (
4 ) eine nickelbasierte Superlegierung aufweist, das insbesondere kolumnare Körner aufweist, ganz insbesondere ein einkristallines Gefüge aufweist. - Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem der Durchmesser der Pulverteilchen (
7 ) so klein ist, dass sie im Schweißlaserstrahl (10 ) insbesondere vollständig aufschmelzen und eine hinreichend hohe Temperatur aufweisen. - Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem die Temperatur der aufgeschmolzenen Pulverteilchen (
7 ) 20°C über der Schmelztemperatur der Pulverteilchen (7 ) liegt. - Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei dem ein Laser zum Schweißen verwendet wird.
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