DE102018221823A1 - Welding wire with cubic boron nitride additive, process and component with cubic boron nitride in one layer - Google Patents

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Abstract

Durch die Verwendung von Schweißdraht mit kubischem Bornitrid können auftraggeschweißte Schichten mit Bornitrid einfach erzeugt werden und Einsatz finden bei der Dichtung von Schichtsystemen in Gasturbinen.Due to the use of welding wire with cubic boron nitride, overlay welded layers with boron nitride can be easily created and used in the sealing of layer systems in gas turbines.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schweißdraht mit kubischem Bornitrid, das mit einem Schweißmaterial auf ein Bauteil aufgebracht wird und dort eine Auftragsschicht bildet.The invention relates to a welding wire with cubic boron nitride, which is applied to a component with a welding material and forms an application layer there.

Kubisches Bornitrid (cBN) ist ein etabliertes Hochleistungsschleifmittel, welches sich unter anderem durch eine hohe thermische Stabilität bis 1573K auszeichnet, sowie als zweithärtester Werkstoff gilt.
Für cBN gibt es bereits eine Vielzahl an etablierten Fertigungsverfahren zur Applikation. Allen Verfahren ist gemein, dass der Aufbau konturierter cBN-haltiger Geometrien nur sehr langsam und damit teuer möglich ist und dabei einer Einschränkung in z.B. den wählbaren Korngrößen des cBN unterliegt. Die Idee wurde exemplarisch für Turbinenlaufschaufelspitzen entwickelt, ist darauf allerdings nicht beschränkt.
Cubic boron nitride (cBN) is an established high-performance abrasive, which is characterized, among other things, by high thermal stability up to 1573K, and is also considered the second hardest material.
There are already a number of established manufacturing processes for application for cBN. All processes have in common that the construction of contoured geometries containing cBN is only possible very slowly and therefore costly and is subject to a restriction in the selectable grain sizes of the cBN. The idea was developed as an example for turbine blade tips, but is not limited to this.

In der Gasturbine kommt es zu Anstreifvorgängen zwischen rotierenden Turbinenschaufeln im Heißgasbereich und dem Gehäuse. Die Schaufeln werden hierbei abgeschliffen, was zu Performanceverlust führt. Experimentell wurde nachgewiesen, dass mit cBN-gepanzerte Schaufeln sich nicht abschleifen, sondern stattdessen gewollt in eine Einreibschicht einschleifen und es somit zu geringeren Verlusten kommt. Die Schleifwirkung hängt unter anderem von der Korngröße ab.In the gas turbine, rubbing occurs between rotating turbine blades in the hot gas area and the housing. The blades are ground down, which leads to a loss of performance. It has been experimentally proven that cBN-armored blades do not grind off, but instead deliberately grind into a rub-in layer and thus there are lower losses. The grinding effect depends, among other things, on the grain size.

Die Herausforderung besteht nun darin, die Blattspitzenkontur mit cBN anzureichern.The challenge now is to enrich the leaf tip contour with cBN.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.It is therefore an object of the invention to solve the above-mentioned problem.

Dies kann derzeit nur durch einen dem Guss nachgelagerten additiven Prozess erfolgen.Currently, this can only be done using an additive process downstream of the casting.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Schweißdraht gemäß Anspruch 1, einem Verfahren nach Anspruch 7 und einem Bauteil gemäß Anspruch 8.The object is achieved by a welding wire according to claim 1, a method according to claim 7 and a component according to claim 8.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.The subclaims list further advantageous measures which can be combined with one another as desired in order to achieve further advantages.

Es zeigen:

  • 1 eine Anordnung nach dem Stand der Technik,
  • 2 eine erfindungsgemäße Auftragschweißung und
  • 3 einen Schweißdraht.
Show it:
  • 1 an arrangement according to the prior art,
  • 2nd a surfacing according to the invention and
  • 3rd a welding wire.

Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.The figures and the description represent only exemplary embodiments of the invention.

Zum effizienten Aufbringen von Metall mit cBN sind insbesondere Schutzgasschweißverfahren wie CMT, WIG oder MAG geeignet. Hierfür muss entsprechend die Elektrode (CMT/MAG) oder der Schweißzusatzdraht (WIG) die cBN-Partikel enthalten. Die Idee besteht entsprechend darin, die Schweißdrähte als Multi-Material-Elektrode auszuführen. Korngröße und Schweißbasismaterial können dabei frei gewählt werden.Inert gas welding processes such as CMT, TIG or MAG are particularly suitable for the efficient application of metal with cBN. For this, the electrode (CMT / MAG) or the filler wire (TIG) must contain the cBN particles. The idea is accordingly to design the welding wires as a multi-material electrode. Grain size and welding base material can be freely selected.

Für den exemplarischen Anwendungsfall einer Gasturbinenschaufel bietet sich ein MCrAlY Basismaterial mit bis zu 50% cBN-Körnern an.
MCrAlY bedeutet M = Ni, Co und/oder Fe, insbesondere Nickel (Ni) und Kobalt (Co) sowie Y = Yttrium, Seltene Erden, Tantal (Ta), Eisen (Fe) und/oder Silizium (Si) darstellen kann.
An MCrAlY base material with up to 50% cBN grains is ideal for the exemplary application of a gas turbine blade.
MCrAlY means M = Ni, Co and / or Fe, in particular nickel (Ni) and cobalt (Co) and Y = yttrium, rare earths, tantalum (Ta), iron (Fe) and / or silicon (Si).

Ebenso kann eine Nickel- oder Kobalt-basierte Legierung 14 für den Schweißdraht 20 verwendet werden und/oder mit MCrAlY kombiniert werden.A nickel or cobalt-based alloy can also be used 14 for the welding wire 20th be used and / or combined with MCrAlY.

Je nach Basismaterial des Schweißdrahts 20 kann die Herstellung variieren:

  • Niedrigschmelzend: im klassischen Drahtziehverfahren erfolgen (Gussrohling/Faden mit cBN-Körnern 13` wird auf passende Dicke gestreckt/gewalzt).
Depending on the base material of the welding wire 20th the production can vary:
  • Low melting: using the classic wire drawing process (cast blank / thread with cBN grains 13` is stretched / rolled to the appropriate thickness).

Hochschmelzend: z.B. mit Binder angemischtes Basismaterialpulver 14 + cBN-Körner 13', anschließendes Verpressen in Schweißdrahtform + ggf. thermische Behandlung des Grünteils.High-melting: eg base material powder 14 + cBN grains mixed with binder 13 ' , subsequent pressing in the form of welding wire + possibly thermal treatment of the green part.

Der Einsatz ist wie erwähnt insbesondere für Gasturbinen gedacht. Hier wird das cBN in seinem thermischen Grenzbereich genutzt, da cBN erst ab 1573K oxidiert. Bei der Applikation von kleinen cBN-Partikeln 13 bedeutet dies, dass sie rasch oxidieren (1).As mentioned, the use is particularly intended for gas turbines. Here the cBN is used in its thermal limit range, since cBN only oxidizes from 1573K. When applying small cBN particles 13 it means that they oxidize quickly ( 1 ).

Größere Partikel 13` (2) „überleben“ länger. Das Einreiben in das abradable Coating erfolgt gesteuert und kontrolliert innerhalb der ersten 100 Betriebsstunden.Larger particles 13` ( 2nd ) "Survive" longer. The abradable coating is rubbed in in a controlled manner within the first 100 hours of operation.

2 und 1 sind nur schematische Darstellungen, jedoch sind die gröberen Partikel 13` in 2 größer als die Partikel 13 in 1 im Stand der Technik. 2nd and 1 are only schematic representations, however, the coarser particles 13` in 2nd larger than the particles 13 in 1 in the state of the art.

Mit der Verwendung größerer cBN-Partikel 13` ist garantiert, dass diese während der ersten 100h noch vorhanden sind, um ihre abrasiven Eigenschaften nutzen zu können.The use of larger cBN particles 13` guarantees that these are still present during the first 100 hours in order to be able to use their abrasive properties.

Des Weiteren ist die abrasive Wirkung großer Schleifpartikel 13` (2) bei dem zu erwartenden hohen Einschleifgrad wesentlich besser als bei kleinen Partikeln 13 (1). Bei kleinen Partikeln 13 (1) kommt es einfach nur zu einer starken Kumulation der Reibungswärme anstatt eines hohen Materialabtrags. Die bessere abrasive Wirkung größerer Schleifpartikel liegt auch in der größeren Festigkeit selbiger begründet.Furthermore, the abrasive effect of large abrasive particles 13` ( 2nd ) with the expected high degree of grinding in much better than with small particles 13 ( 1 ). With small particles 13 ( 1 ) there is simply a strong accumulation of the frictional heat instead of a high material removal. The better abrasive effect of larger abrasive particles is also due to their greater strength.

Zusätzlich ergeben sich folgende systemimmanente Vorteile:

  • - Mit CMT/MAG/WIG-Schweißverfahren kann sehr schnell und sehr kostengünstig eine große Schichtdicke aufgebracht werden;
  • - Verwendung von sehr großen cBN-Partikeln, die mindestens 120µm, 150µm oder 200µm groß sind und insbesondere bis zu 500µm Körner bei 2mm Schweißdraht 20 (3) verglichen mit max. 90µm beim Laserpulverschweißen;
  • - Schnelligkeit des Prozesses bei großen Schichtdicken;
  • - Präziser Konturaufbau über CNC-gesteuerte Schweißroboter;
  • - Kombination von großen und kleinen cBN-Partikeln in einem Schichtaufbau möglich;
  • - Kein Entmischen wie beim Laserpulver-Auftragschweißen.
In addition, there are the following inherent advantages:
  • - With CMT / MAG / TIG welding processes, a large layer thickness can be applied very quickly and very inexpensively;
  • - Use of very large cBN particles which are at least 120µm, 150µm or 200µm in size and in particular up to 500µm grains with 2mm welding wire 20th ( 3rd ) compared to max. 90µm for laser powder welding;
  • - Speed of the process with large layer thicknesses;
  • - Precise contour construction using CNC-controlled welding robots;
  • - Combination of large and small cBN particles possible in one layer structure;
  • - No segregation as with laser powder cladding.

Die cBN-Partikel weisen ein Aspektverhältnis von mindestens 1.5 auf und sind insbesondere blockig.The cBN particles have an aspect ratio of at least 1.5 and are in particular blocky.

Claims (8)

Metallischer Schweißdraht (20) mit Partikeln (13') aus kubischem Bornitrid (cBN).Metallic welding wire (20) with particles (13 ') made of cubic boron nitride (cBN). Schweißdraht nach Anspruch 1, bei dem das Metall (14) des Schweißdrahtes (20) eine Nickel- oder Kobalt-basierte Superlegierung aufweist, insbesondere nur eine Nickel- oder Kobalt-basierte Superlegierung aufweist.Welding wire after Claim 1 , in which the metal (14) of the welding wire (20) has a nickel or cobalt-based superalloy, in particular has only a nickel or cobalt-based superalloy. Schweißdraht nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Metall (14) des Schweißdrahtes (20) eine MCrAlY-Legierung aufweist, insbesondere nur eine MCrAlY-Legierung aufweist.Welding wire after Claim 1 or 2nd , in which the metal (14) of the welding wire (20) has an MCrAlY alloy, in particular has only one MCrAlY alloy. Schweißdraht nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, der (20) einen Durchmesser von 2mm hat.Welding wire according to one or more of the Claims 1 , 2nd or 3rd which (20) has a diameter of 2mm. Schweißdraht nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, der mindestens 10vol% kubisches Bornitrid (cBN) und insbesondere höchstens 50vol% kubisches Bornitrid (cBN) aufweist.Welding wire according to one or more of the Claims 1 , 2nd or 3rd which has at least 10 vol% cubic boron nitride (cBN) and in particular at most 50 vol% cubic boron nitride (cBN). Schweißdraht nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dessen Partikel (13') aus kubischem Bornitrid (cBn) mindestens 120µm, insbesondere mindestens 150µm, ganz insbesondere mindestens 200µm groß sind und bis zu 500µm groß sind und insbesondere blockig ausgestaltet sind, insbesondere ein Aspektverhältnis von mindestens 1.5 aufweisen.Welding wire according to one or more of the Claims 1 to 5 , whose particles (13 ') made of cubic boron nitride (cBn) are at least 120µm, in particular at least 150µm, very particularly at least 200µm in size and up to 500µm in size and in particular are block-shaped, in particular have an aspect ratio of at least 1.5. Verfahren zur Herstellung einer Auftragschweißung (7), bei dem ein Schweißdraht (20) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 benutzt wird.Method for producing a surfacing (7), in which a welding wire (20) according to one or more of the Claims 1 to 6 is used. Bauteil (1`) aus einem Substrat (4), insbesondere aus einer Nickel- oder Kobalt-basierten Superlegierung, auf dem eine Auftragschweißung (7') vorhanden ist, die kubisches Bornitrid (cBN) als Sekundärpartikel (13') aufweist, und insbesondere mittels eines Schweißdrahtes (20) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 erzeugt wurde.Component (1`) made from a substrate (4), in particular from a nickel or cobalt-based superalloy, on which an overlay weld (7 ') is present, which has cubic boron nitride (cBN) as secondary particles (13'), and in particular by means of a welding wire (20) according to one or more of the Claims 1 to 6 was generated.
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