DE102014204347A1 - Spark plasma sintering with improved joining zone strength - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils (1) mit einem zweiten Bauteil ein. Das Verfahren weist wenigstens folgende Schritte auf: – Laserumschmelzen einer Fügefläche (2) des ersten Bauteils (1); – Aufsetzen der laserumgeschmolzenen Fügefläche (2) des ersten Bauteils (1) auf eine Fügefläche des zweiten Bauteils; und – Verbinden des auf das zweite Bauteil aufgesetzten ersten Bauteils (1) mit dem zweiten Bauteil durch ein Spark Plasma Sintering Verfahren. Die Erfindung betrifft ferner eine Gasturbinenkomponente, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde.The invention relates to a method for connecting a first component (1) to a second component. The method has at least the following steps: laser remelting of a joining surface (2) of the first component (1); - placing the laser-remelted joining surface (2) of the first component (1) onto a joining surface of the second component; and - connecting the first component (1) placed on the second component to the second component by means of a spark plasma sintering method. The invention further relates to a gas turbine component which has been manufactured according to the method according to the invention.

Description

Technisches Gebiet Technical area

Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren und eine mit dem Fügeverfahren gefertigte Gasturbinenkomponente. The invention relates to a joining method and a gas turbine component produced by the joining method.

Technischer Hintergrund Technical background

Bauteile von Maschinen wie Gasturbinen, die unter hohen mechanischen, chemischen und thermischen Belastungen betrieben werden, werden häufig aus nickalbasierten Superlegierungen hergestellt. Dabei ist jedoch nachteilig, dass solche Nickelbasissuperlegierungen sich wegen des hohen Anteils an intermetallischer Phase schwierig schweißen oder zusammenfügen lassen. Components of machines such as gas turbines, which are operated under high mechanical, chemical and thermal loads, are often made of nickel-based superalloys. However, it is disadvantageous that such nickel-base superalloys are difficult to weld or assemble because of the high proportion of intermetallic phase.

Aus der Familie der Sinterverfahren ist das Spark Plasma Sintering Verfahren bekannt, mit dem ein Bauteil aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff fertigen lässt. Dazu wird dieser Ausgangsstoff in eine Form gegeben, unter hohen Druck gesetzt und ein kontinuierlicher oder gepulster Strom hindurchgeleitet. Nach jüngeren Erkenntnissen der Erfinder lässt sich das Spark Plasma Sintering Verfahren (unter Weglassen einer Form) jedoch auch zum Zusammenfügen makroskopischer Bauteile verwenden. Ziel ist es dabei, eine möglichst feste Verbindung der derart zusammengefügten Bauteile zu erreichen. From the family of sintering processes, the spark plasma sintering method is known, with which a component made of a powdered starting material can be produced. For this purpose, this starting material is placed in a mold, placed under high pressure and passed through a continuous or pulsed current. According to recent findings of the inventors, however, the spark plasma sintering method (omitting a form) can also be used for joining macroscopic components. The aim is to achieve the strongest possible connection of such assembled components.

Die Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, ein verbessertes Fügeverfahren zum Verbinden zweier Bauteile anzugeben. The invention therefore sets itself the task of specifying an improved joining method for joining two components.

Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention

Die Erfindung führt daher ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil ein. Das Verfahren weist wenigstens folgende Schritte auf:

  • – Laserumschmelzen einer Fügefläche des ersten Bauteils;
  • – Aufsetzen der laserumgeschmolzenen Fügefläche des ersten Bauteils auf eine Fügefläche des zweiten Bauteils; und
  • – Verbinden des auf das zweite Bauteil aufgesetzten ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil durch ein Spark Plasma Sintering Verfahren.
The invention therefore introduces a method for connecting a first component to a second component. The method has at least the following steps:
  • - Laser remelting a joining surface of the first component;
  • - placing the laser-remelted joining surface of the first component onto a joining surface of the second component; and
  • - Connecting the first component mounted on the second component with the second component by a spark plasma sintering method.

Das Laserumschmelzen ist ein Verfahren, bei dem die Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laser bestrahlt und aufgeschmolzen wird. Der Laser wird dabei über die Oberfläche verfahren, so dass die Oberfläche sukzessive aufgeschmolzen wird. Sobald der Laserarbeitspunkt eine jeweilige Stelle verlässt, erstarrt diese wieder, wobei der erstarrende Schmelzpool von dem unbearbeiteten Teilen des Werkstücks abweichende Eigenschaften aufweist. So wird durch das Laserumschmelzen der Fügefläche des ersten Bauteils dessen Porosität im Bereich der Fügefläche reduziert oder entfernt, so dass sich nach Anwendung des Spark Plasma Sintering Verfahrens eine festere Fügezone ergibt. Laser remelting is a process in which the surface of a workpiece is irradiated with a laser and melted. The laser is moved over the surface, so that the surface is melted successively. As soon as the laser working point leaves a respective point, it solidifies again, wherein the solidifying melt pool has properties deviating from the unprocessed parts of the workpiece. Thus, the laser remelting of the joining surface of the first component reduces or removes its porosity in the region of the joining surface, so that a firmer joining zone results after application of the spark plasma sintering method.

Vorzugsweise wird vor dem Aufsetzen ein zusätzlicher Schritt des Laserumschmelzens der Fügefläche des zweiten Bauteils durchgeführt. Dadurch wird auch der Bereich um die Fügefläche des zweiten Bauteils wie oben beschrieben vorteilhaft bearbeitet, bevor das Spark Plasma Sintering Verfahren verwendet wird, um die beiden Bauteile zusammenzufügen. Preferably, an additional step of laser remelting of the joining surface of the second component is carried out prior to placement. As a result, the region around the joining surface of the second component is also advantageously processed as described above, before the spark plasma sintering method is used to join the two components together.

Besonders bevorzugt wird durch das Laserumschmelzen eine Kristallausrichtung des ersten Bauteils an eine Kristallausrichtung des zweiten Bauteils angeglichen, so dass nach dem Schritt des Aufsetzens das erste und zweite Bauteil wenigstens näherungsweise gleiche Kristallausrichtungen aufweisen. The laser remelting particularly preferably aligns a crystal orientation of the first component with a crystal orientation of the second component, so that after the placement step, the first and second components have at least approximately the same crystal orientations.

Hierbei wird die bei Testdurchführungen durch die Erfinder beobachtete Tatsache ausgenutzt, dass sich im Bereich der Fügezone ein epitaktisches Aufwachsen beobachtet werden kann, also eine Kristallorientierung eines der Bauteile in die Fügezone und den Fügepartner übernommen wird. Indem die Kristallausrichtungen der beiden Fügepartner durch das Laserumschmelzen gezielt angeglichen werden, kann eine entlang der Fügeflächen verlaufende großflächige Störung des inneren Gefüges des derart zusammengefügten Bauteils vermieden werden. Die ungestörte Fortführung der Kristallausrichtungen beiderseits der Fügezone bewirkt eine besonders fest Verbindung der beiden Ausgangsbauteile. Beim Laserumschmelzen wachsen die Kristalle in der Richtung des größten Temperaturgradienten, der üblicherweise von der durch den Laser erhitzten Oberfläche ins Innere des Werkstücks zeigt. In this case, the fact observed during test procedures by the inventors is exploited that an epitaxial growth can be observed in the region of the joining zone, ie a crystal orientation of one of the components in the joining zone and the joining partner is adopted. By aligning the crystal orientations of the two joining partners in a targeted manner by the laser remelting, a large-area disturbance of the inner structure of the component assembled in this way along the joining surfaces can be avoided. The undisturbed continuation of the crystal alignments on both sides of the joining zone causes a particularly strong connection of the two output components. In laser remelting, the crystals grow in the direction of the largest temperature gradient, usually from the surface heated by the laser, to the interior of the workpiece.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet, Bauteile aus schwierig schweißbaren Metallen (etwa Refraktärmetallen) und Legierungen miteinander zu verbinden. Daher enthält vorzugsweise wenigstens eines von erstem und zweitem Bauteil eine Nickelbasissuperlegierung oder besteht aus der Nickelbasissuperlegierung. The method according to the invention is particularly suitable for joining components made of difficult-to-weld metals (such as refractory metals) and alloys. Therefore, at least one of the first and second members preferably includes a nickel-base superalloy or is made of the nickel-base superalloy.

Bei dem Laserumschmelzen kann eine dendritische Kristallstruktur erzeugt werden. Die Dendriten sind dabei gewöhnlich senkrecht oder näherungsweise senkrecht zu der laserumgeschmolzenen Fügefläche angeordnet. In the laser remelting, a dendritic crystal structure can be generated. The dendrites are usually arranged perpendicular or approximately perpendicular to the laser-melted joining surface.

Vorzugsweise wird die Fügefläche bis in eine Tiefe von wenigstens 50 Mikrometern laserumgeschmolzen, um eine genügend breite Fügezone zu ermöglichen. Die Tiefe beträgt dabei bevorzugt weniger als einen Millimeter, da eine größere Umschmelztiefe schwierig zu erreichen ist und keine weiteren Vorteile brächte, die die erhöhte Prozessdauer rechtfertigen würden. Preferably, the joining surface is laser remelted to a depth of at least 50 microns to allow for a sufficiently wide joining zone. The depth is preferably less than one millimeter, since a larger remelting depth is difficult to achieve and would bring no further advantages that would justify the increased process time.

Das erste Bauteil kann während des Spark Plasma Sintering Verfahrens mit einem Druck von 1 bis 40 Megapascal auf das zweite Bauteil gepresst werden. Außerdem können das erste und das zweite Bauteil während des Spark Plasma Sintering Verfahrens auf eine Temperatur von 1000 bis 1200 Grad Celsius erhitzt werden. Geeignete Erwärmungs- und Abkühlraten können in dem Bereich zwischen 20 bis 200 Kelvin pro Minute liegen. Während des Spark Plasma Sintering Verfahrens kann ein gepulster oder ein kontinuierlicher Strom durch das erste und das zweite Bauteil geleitet werden. Für das Verbinden der beiden Bauteile durch das Spark Plasma Sintering Verfahren kann eine Zeit von 3 bis 60 Minuten aufgewendet werden, wobei sich durch das Erwärmen und Abkühlen eine Gesamtdauer für die Durchführung des Spark Plasma Sintering Verfahrens eine Dauer von etwa 2 bis 3 Stunden ergeben kann. The first component can be pressed onto the second component at a pressure of 1 to 40 megapascals during the Spark Plasma Sintering process. In addition, the first and second components may be heated to a temperature of 1000 to 1200 degrees Celsius during the spark plasma sintering process. Suitable heating and cooling rates may be in the range of 20 to 200 Kelvin per minute. During the spark plasma sintering process, a pulsed or continuous current may be passed through the first and second components. For the connection of the two components by the spark plasma sintering method, a time of 3 to 60 minutes can be spent, whereby the heating and cooling a total time for performing the spark plasma sintering process can result in a duration of about 2 to 3 hours ,

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Gasturbinenkomponente, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde. Ein Beispiel für eine solche Gasturbinenkomponente ist eine Gasturbinenschaufel. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich jedoch auch für die Fertigung anderer Maschinenkomponenten und Werkstücke verwenden. A second aspect of the invention relates to a gas turbine component made according to the method of the invention. An example of such a gas turbine component is a gas turbine blade. However, the method according to the invention can also be used for the production of other machine components and workpieces.

Ausführungsbeispiel embodiment

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Abbildung eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch ein Werkstück 1, das aus einer Nickelbasissuperlegierung besteht und dessen im Bild oben liegende und in die Tiefe der Abbildung verlaufende Oberfläche 2 durch ein Laserumschmelzverfahren umgeschmolzen wurde. Die laserumgeschmolzene Zone 3 ist dabei durch eine gebogene gestrichelte Linie von dem unveränderten Teil 4 des Werkstücks abgegrenzt. Der Laser wurde dabei aus einer Einfallrichtung 5 auf die Oberfläche 2 des Werkstücks 1 gerichtet. The invention will be described in more detail below with reference to an illustration of an embodiment. The single figure shows a cross section through a workpiece 1 , which consists of a nickel-base superalloy and its surface in the image above and in the depth of the image 2 remelted by a laser remelting process. The laser-remelted zone 3 is by a curved dashed line from the unmodified part 4 of the workpiece delimited. The laser was thereby from a Einfallrichtung 5 on the surface 2 of the workpiece 1 directed.

Für die Bearbeitung des gezeigten Werkstücks kann eine Laserleistung von beispielsweise 75 bis 100 Watt verwendet werden, wenn der Laser mit einer Geschwindigkeit von 40 bis 60 Millimeter pro Minute über die Oberfläche des Werkstücks verfahren wird. Dadurch ergibt sich eine Schmelzpooltiefe von etwa 200 bis 300 Mikrometern. Vorliegend wurde über eine Breite von einigen Millimetern gearbeitet. Es können selbstredend vom Fachmann von diesen Angaben abweichende Parameter für das Laserumschmelzen bestimmt werden. For the processing of the workpiece shown, a laser power of, for example, 75 to 100 watts can be used when the laser is moved at a speed of 40 to 60 millimeters per minute over the surface of the workpiece. This results in a melt pool depth of about 200 to 300 microns. In the present case, work was carried out over a width of a few millimeters. Of course, parameters deviating from these specifications for laser remelting can be determined by the person skilled in the art.

In der Abbildung sind die senkrecht zur Oberfläche 2 stehenden dendritischen Kristallstrukturen deutlich zu erkennen. Wenn diese Kristallausrichtung mit der eines auf die Oberfläche 2 aufgebrachten weiteren Werkstücks übereinstimmt, beispielsweise weil die entsprechende Oberfläche des weiteren Werkstücks ebenfalls durch Laserumschmelzen behandelt wurde, ergibt sich nach Anwendung des Spark Plasma Sintering Verfahren eine besonders fest Fügestelle, die zu einem resultierenden Bauteil mit besonderer Haltbarkeit führt. Auf diese Weise können beispielsweise Gasturbinenbauteile aus mehreren Einzelteilen zusammengefügt werden. In the picture, they are perpendicular to the surface 2 standing dendritic crystal structures clearly visible. If this crystal alignment with the one on the surface 2 coincides applied further workpiece, for example, because the corresponding surface of the other workpiece was also treated by laser remelting, results after application of the spark plasma sintering method, a particularly firm joint, which leads to a resulting component with particular durability. In this way, for example, gas turbine components can be assembled from several individual parts.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen hiervon können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert wird, zu verlassen. Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples. Variations thereof may be derived by those skilled in the art without departing from the scope of the invention as defined by the appended claims.

Claims (10)

Ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils (1) mit einem zweiten Bauteil, wobei das Verfahren wenigstens folgende Schritte aufweist: – Laserumschmelzen einer Fügefläche (2) des ersten Bauteils (1); – Aufsetzen der laserumgeschmolzenen Fügefläche (2) des ersten Bauteils auf eine Fügefläche des zweiten Bauteils; und – Verbinden des auf das zweite Bauteil aufgesetzten ersten Bauteils (1) mit dem zweiten Bauteil durch ein Spark Plasma Sintering Verfahren. A method for connecting a first component ( 1 ) with a second component, wherein the method has at least the following steps: - laser remelting of a joining surface ( 2 ) of the first component ( 1 ); - placing the laser-remelted joining surface ( 2 ) of the first component on a joining surface of the second component; and - connecting the first component mounted on the second component ( 1 ) with the second component by a spark plasma sintering method. Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs, bei dem vor dem Aufsetzen ein zusätzlicher Schritt des Laserumschmelzens der Fügefläche des zweiten Bauteils durchgeführt wird.  The method of the preceding claim, wherein an additional step of laser remelting the joining surface of the second component is performed prior to placement. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch das Laserumschmelzen eine Kristallausrichtung des ersten Bauteils (1) an eine Kristallausrichtung des zweiten Bauteils angeglichen wird, so dass nach dem Schritt des Aufsetzens das erste und zweite Bauteil wenigstens näherungsweise gleiche Kristallausrichtungen aufweisen. The method of any one of the preceding claims, wherein the laser remelting causes crystal orientation of the first component ( 1 ) is aligned with a crystal orientation of the second component, so that after the step of placing the first and second components have at least approximately the same crystal orientations. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei denen wenigstens eines von erstem und zweitem Bauteil eine Nickelbasissuperlegierung enthält oder aus der Nickelbasissuperlegierung besteht.  The method of any one of the preceding claims, wherein at least one of the first and second members includes a nickel-base superalloy or consists of the nickel-base superalloy. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem beim Laserumschmelzen eine dendritische Kristallstruktur erzeugt wird. The method of any of the preceding claims, wherein the laser remelting produces a dendritic crystal structure. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fügefläche (2) bis in eine Tiefe von wenigstens 50 Mikrometern laserumgeschmolzen wird. The method of one of the preceding claims, wherein the joining surface ( 2 ) is laser remelted to a depth of at least 50 microns. Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs, bei dem die Tiefe weniger als einen Millimeter beträgt.  The method of the preceding claim, wherein the depth is less than one millimeter. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Bauteil (1) während des Spark Plasma Sintering Verfahrens mit einem Druck von 1 bis 40 Megapascal auf das zweite Bauteil gepresst wird. The method of one of the preceding claims, wherein the first component ( 1 ) is pressed onto the second component at a pressure of 1 to 40 megapascals during the spark plasma sintering process. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste und das zweite Bauteil während des Spark Plasma Sintering Verfahrens auf eine Temperatur von 1000 bis 1200 Grad Celsius erhitzt werden.  The method of any one of the preceding claims, wherein the first and second components are heated to a temperature of 1000 to 1200 degrees Celsius during the spark plasma sintering process. Eine Gasturbinenkomponente, die gemäß dem Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche gefertigt wurde.  A gas turbine component made according to the method of any one of the preceding claims.
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