DE2016137C2

DE2016137C2 - Verfahren zum Verbinden mehrerer Hochleistungslegierungsteile und Anwendung des Verfahens

Info

Publication number: DE2016137C2
Application number: DE2016137A
Authority: DE
Inventors: James Francis Cincinnati Ohio Barker; Thomas Frederic Berry; George Sidney Hoppin Iii; Reed Ervin Yount
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-07-11
Filing date: 1970-04-04
Publication date: 1982-05-06
Also published as: GB1299983A; US3632319A; DE2025833C3; DE2025833B2; GB1302160A; JPS496470B1; BE748730A; FR2056157A5; DE2025833A1; DE2016137A1; CH528327A; SE375714B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden

mehrerer Hochleistungslegierungsteile gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und die Anwendung des Verfahrens.

Im Zusammenhang mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wird darauf hingewiesen, daß sowohl dessen Temperaturangaben als auch alle anderen in der vorliegenden Anmeldung enthaltenen Temperaturangaben das Ergebnis einer Umrechnung aus den in der Ursprungsanmeldung enthaltenen Temperaturangaben in ⁰F sind. Die als Ergebnis dieser Umrechnung angegebenen Zehntel Grade bedeuten daher nicht, daß es auf eine Einhaltung der Temperatur auf Zehntel

Grade ankommt. Vielmehr ist die übliche Auslegung

von Temperaturbereichen zugrundezulegen.

In der Zeitschrift »Schweißen und Schneiden« 20,

599-601 (1968) ist ein Verfahren der eingangs genannten Art beschrieben. Angaben über die Zusammensetzung der zu verbindenden Werkstücke und die für Bor und Silizium im Verbindungsmaterial zulässigen Höchstmengen sind dieser Zeitschrift nicht zu entneh men.

In der US-PS 3 73 940 ist eine nickelhaltige Lötlegierung beschrieben, die neben Nickel 0,5—1,8 Gew.-% Bund 1,5-2,4 Gew.-% Si enthält

In der GB-PS 10 49 724 sind generell Nickellegierun-

gen beschrieben, die neben Bor (2-5%) und Silizium (als einziges Beispiel sind 03% angegeben) noch Kohlenstoff (0-3%), Chrom (5-25%), Kobalt (0-20%), Molybdän (2-18%), Aluminium (2,5-8%), Titan (1 -6%), Wolfram (0-10%), Vanadium (0-8%), Zirkonium (ohne Gehaltsangabe), Eisen (0,5-20%), Mangan (als einziges Beispiel sind 03% angegeben), Niob (0-6%) und Tantal (0-10%) enthalten bzw. enthalten können. Es ist dieser PS jedoch keine Angabe

über die Verwendung dieser Legierungen als Hartlot zu entnehmen.

Der Eifindung lag die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß auf einfachere Weise Verbindungsstellen mit besseren Festigkeitswerten erhalten werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst

Durch die Erfindung werden die Vorzüge der Technologie des üblichen Hartlötens und des Druckdif- ι ο fusionsverbindungsverfahrens im festen Zustand kombiniert, wobei der hohe Druck und die engen Toleranzerfordernisse des Diffusionsverbindungsverfahrens vermieden werden. Im Ergebnis wird ein Verfahren erhalten, das die Leichtigkeit der Herstellung von Hartlötverbindungen mit Festigkeiten der Verbindungsstellen kombiniert, die im allgemeinen größer sind als diejenigen, die beim Verbinden im festen Zustand erhalten werden. Trotzdem unterscheidet sich das Verfahren erheblich vom Diffusionsverbindungsverfahren im festen Zustand dadurch, daß die zwischen den zu verbindenden Teilen herrschenden hohen Drücke vermieden werden und ein Bindemittelpulver yerwendet wird. Es wird nur ein einziger Druck zum Einrichten der Verbindungsstelle von beispielsweise etwas über 0 Pa benötigt, damit eine feste Verbindung gemäß der Erfindung in einem Hochvakuum von etwa 0,133 Pa oder darunter während der Einleitung des Verbindens bewirkt wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer Anwendung davon finden sich in den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher eriäutert Im einzelnen zeigt

F i g. 1 eine grafische Vergleichsdarstellung der Zerreißfestigkeit durch Beanspruchung bei in üblicher Weise hartgelöteten Verbindungen gegenüber der Zerreißfestigkeit bei einer erfindungsgemäß hergestellten Verbindung, wobei in beiden Fällen Gußteile verbunden wurden,

Fig.2 eine grafische Vergleichsdarstellung der Zerreißfestigkeit gemäß Fig. 1, wobei jedoch geschmiedete Teile verbunden wurden,

Fig.3 eine isometrische Ansicht einer Turbinenschaufel, wobei ein Flügelkörper mit einem Basisteil verbunden ist,

F i g. 4 ein isometrischer Teilschnitt eines mit einem Flügel versehenen Rotorteils einer Gasturbine mit einem Flügelkörper, der über einen Fuß mit einem Rad verbunden ist und

Fig.5 eine grafische Vergleichsdarstellung von erfindungägemäß hergestellten und von im üblichen Diffusionsverbindungsverfahren im festen Zustand hergestellten doppelt überlappenden Verbindungen.

Die Entwicklung des erfindungsgemäß eingesetzten Verbindungsmateriials erlaubt die Kombination der Technologien des üblichen Hartlötens und der Diffusionsverbindung im festen Zustand zur Erzielung einer Verbindung verbesserter Festigkeit bei Hochleistungslegierungsteilen.

Die verschiedenen Anwendungen der Erfindung werden im folgenden im Zusammenhang mit Hochleistungslegierungstetlen auf der Basis von Nickel beschrieben, weil sie hier eine erhebliche größere Bedeutung und einen breiteren Anwendungsbereich für energieerzeugende Vorrichtungen, die bei hohen Temperaturen arbeiten, wie Gasturbinen, haben, für die die Erfindung besonders brauchbar ist Es ist jedoch für den Metallurgen erkennbar, daß die Erfindung auch auf andere Hochleistungslegierungsteile, wie solche auf der Basis von Eisen oder Kobalt angewendet werden kann.

Teile aus typischen Hochleistungslegierungen auf der Basis von Nickel, die erfindungsgemäß verbunden werden können, sind in der folgenden Tabelle I angegeben. Alle Legierungen gemäß Tabelle I werden gegenwärtig für Strahltriebwerke hergestellt oder entwickelt

Tabelle I

Gew.-%, Rest Ni und übliche Verunreinigungen einschließlich bis zu 0,5 Gev/.-% Si und Mn

Element	Legierung	B	C	D	E	F	G	H
	A	0,07	0,17	0,09	0,06	0,15	0,05	0,06
C	0,18	15	14	19	14	14	19	12
Cr	9,5	15	9,5	11	15	8		P
Co	15	4,2	4	10	6	3,5	3	7
Mo	3		4		3	3,5		2
W
V	1	4,3	3	1,7	3,8	3,5	0,5	5
Al	5,5	3,4	5	3,2	2,5	2,5	1	3
Ti	4,2	0,015	0,015		0,015	0,01		0,2
B	0,015						*5)**
Ta						3,5	5*)	0,8
Nb						0,05
Zr							18
Fe
*) Gesamt	Nb/Ta.

Die Legierungen gemäß Tabelle I sind typisch für solche, deren Zusammensetzung im brauchbaren Bereich von etwa 0,02-0,3% C; 8-25% Cr; 5-20% Co; 2- 12% Mo; 0,3-7% Al; 0,5-6% Ti; bis 5% W; bis 2% V; bis 6% Nb und/oder Ta; bis 0,2% Zr; bis 0,4% B; bis 25% Fe; Rest Nickel und übliche Verunreinigungen (in Gew.-%) liegt. Wie später näher erläutert, ergibt eine Legierung mit Bestandteilen in einem derartigen Mengenbereich mit einem Zusatz von mehr als 1% bis zu 15%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Masse, eines schmelzpunktsenkenden Elements aus der Gruppe B. Si. Mn. Nb. Ta und deren Gemische das durch Altern härtbare pulverförmige Verbindungsmaterial auf Nikkeibasis gemäß der Erfindung.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das pulverförmige Verbindungsmaterial zwischen einander gegenüberliegende, ausgerichtete Flächen, die miteinander verbunden werden sollen, unter einem minimalen oder gar keinem Druck aufgebracht. Die erfolgreiche niirrhfijhmng rlr«; Vprfahrpns und flip resullipri'ndr Festigkeit und Duktilität der Verbindung hängen von den Eigenschaften des Verbindungsmaterials ab. Dementsprechend wird erfindungsgemäß ein Verbindungsmaterial verwendet, das die Eigenschaft hat. zwischen den zu verbindenden Teilen eine verbesserte Verbindung zu schaffen, deren Zerreißfestigkeit bei Belastung mehrfach größer ist als übliche hartgelötete Verbindungen, wobei jedoch deren Schmelzpunkt unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Hochleistungslegierungen der zu verbindenden Teile zu schmelzen beginnen. Grundsätzlich wird das Bindemittelpulver, das erfindungsgemäß verwendet wird, mit diesen Eigenschaften durch die "\uswahl einer Zusammensetzung versehen, die durch Einschluß von festigkeitsverbessernden Elementen, wie Ti, Al, Mo oder W und dergleichen an die Eigenschaften der zu verbindenden Legierungen angepaßt wird, wozu eine wesentliche, aber kritische Menge eines schmelzpunktsenkenden Elements zugesetzt wird. Das Verbindungsmaterial kann somit in der ersten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens, die dem Hartlöten ähnelt, bereits bei einer Temperatur wirksam werden, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der die mechanischen Eigenschaften der zu verbindenden Teile aus den Hochleistungslegierungen nachteilig beeinflußt werden. Da außerdem festigkeitschöhende

Tabelle II

Silizium als schmelzpunktsenkendes MiUcI

Elemente, die durch Ausfällung wirken, wie Al und Ti, und solche, die in Lösung wirken, wie Mo oder W, oder beide, mitverwendet werden, ist die erhaltene Verbindungsstelle im Gegensatz zu üblicherweise hergestellten Verbindungen alterungsfähig, wobei die Alterung oder Festigkeitserhöhung gleichzeitig auch bei der Legierung der miteinander verbundenen Teile erfolgen kann.

Das Verbindungsmaterial unterscheidet sich hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften von der Hochleistungslegierung der zu verbindenden Teile, an die es hauptsächlich hinsichtlich der Duktilität angepaßt ist. weil es schmel/.punktsenkende Mittel enthält, wird dieses Material selbst spröde. Obwohl diese Eigenschaft dazu beiträgt, daß das Verbindungsmaterial in Pulverform gewonnen werden kann, verhindert sie die Verwendung der Legierung des pulverförmigen Verbindungsmaterials als Bauelement selbst. Wenn jedoch ein derartiges sprödes Verbindungsmaterial zur Verbindung der Hochleistungsleeierungsteile verwendet wird, hat die erhaltene Verbindung, wie gefunden wurde, eine ausreichende Duktilität für den vorgesehenen Zweck.

Es wurdpn im Verlaufe ausgedehnter Untersuchungen viele Verbindungsmaterialien verschiedener Zusammensetzung hergestellt, geprüft und nut Hartlotlegierungen verglichen, die gegenwärtig zur Verbindung von Hochleistungslegieningsteilen auf Nickelbasis verwendet werden. In den folgenden Tabellen II, IM. IV und V sin«⁴ die Zusammensetzungen einiger Verbindungs materialien, die geprüft wurden, zusammen mit Werten des Schmelzpunktbereichs angegeben. Da das erfindungsgemäß verwendete Verbindungsmaterial bezüglich seiner Zusammensetzung den Teilen aus den Mochleislungslegierungen. die verbunden werden sollen angepaßt ist, beziehen sich die Tabellen auf die entsprechende Zusammensetzung der Hochleistungslegierungen gemäß Tabelle I und geben lediglich die nominalen Gewichtsprozentwerte des schmelzpunktsenkenden Elemente bzw. der Elemente wieder.

Die Legierungen des Verbindungsmaterials wurden durch Schmelzen der Elemente in einer inerten Atmosphäre (Argon) unter Verwendung üblicher Gas-Woliram-Lichtbogenvorrichtungen hergestellt. Nach der Herstellung wurde jede Legierung mechanisch zu Pulver zerkleinert.

Verbindung*; rruterial-	Hochleistungs-	Si-Zusdl/	Schmelzbereich	LL..;idus
pulver	legierung*i	tCiew.-'-l		C
			Solidus	1218,4)**
			C"	1184,8
1	B	2	1163,8	1136,1
2	B	4.3	1148,9	1187,8
3	B	8	1093.3	1163,8
4	C	4.5	1160	1148,9
	C	5.5	1112,8	1136,1
6	C	6.5	1115.6	1187,8
-	C	7.5
8	A	5	1160
*') Aus Tabelle I.
**i Liquidus nahe der	Obererenze.

Tabelle III

Bor als schmel/.punktscnkendes Mittel

Verhindungsmalf rial- pulvcr	llochleislungs- lcgierting	B-/.usat/ Kiew .-"»ι	Schnu'l/hi'reich Solidus C
9	C	1.4	1163.8
IO	C	1.7	1163.8
11	C	3	< 1163.X
I?	C	4	< 1136,1
ι ;	Ii	3	1121.1

Liquidus

< 1218,4*) 1204,4
1190.6

119(1.6

ι I iquidus n.ilic '.lei <)Κτμινπ/ο

Obwohl Silizium oder Bor als schmelznunktsenkende Elemente hevnr7iiel sind, krinnrn hrj itnn ernndungsgemaü verwendeten Verbindungsmaterialien auch andere derartige Elemente od'T deren Kombinationen verwendet werden, wie die folgende Tabelle IV zeigt.

Tabelle IV

Schmel/punktsenkende Mittel (Elemente oder Kombinationen)

Verbind U ngsniateriii I- \|UI IVO Γ	Hochleisüing-.- legiemng	Mittelzusat? l(iew.-%>	Schmclzbereich Solidus C	Liquidus C
14	C	1.SSi; 0.4B	1163.8	1204.4
15	C	4Si; 2B	1107,2	1148.9
16	C	2 Si; 2 Mn	> 1218,4	> 1232.2*)
17	C	4Si; 10Mn	-.1148,9	1176.7
18	C	5 Si; 5 Nb	1176,7	1190.6
19	C	15Nb	1168,4	1173.9
20	B	IO Nb	< 1190.6	1218.4")

*) Liquidus zu hoch. **) Liquidus nahe der Obergren/e.

Es sind eine Reihe von Elementen dafür bekannt, daß sie den Schmelzpunkt von Nickel oder Nickellegierungen senken. Wie sich aus der folgenden Tabelle V ergibt, sind merkliche Mengen von zwei solchen Elementen, nämlich Aluminium und/oder Titan, beim Verbinden von bestimmten Hochleistungs-Legierungsteilen gemäß der Erfindung nicht wirksam. Außerdem ist Nb allein in einer Menge bis zu etwa 5 Gew.-% nicht ausreichend als schmelzpunktsenkendcs Mittel für die relativ niedrig schmelzenden Hochleistungslegierungen wirksam.

Tabelle V

Unwirksame schmelzpunktsenkende Mittel

Verbindungsmaterial- Hochleistung^- Mittelzusatz

pulver legierung (Gew.-%)

C C C A B

4 Al, 4 Ti 6 Al. 6 Ti 8 Al, 8 Ti 8Ti 5Nb

Schmelzbereich	Liquidus
Solidus	C
C	> 1232.2
1218,4	> 1232,2
1218,4	> 1232.2
> 1218,4	> 1232,2
1204,4	>1232J
> 1218,4

*) AHe Liquidus-Temperaturen zu hoch.

Eine der Eigenschaften des erfindungsgemäß eingesetzten Verbindungsmaterialpulvers ist die, daß das Pulver eine Liquidustemperatur hat, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der die zu verbindenden Hochleishingslegierungsteile zu schmelzen beginnen und bei der diese Teile hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften nachteilig beeinflußt werden würden. Da die besonders beschriebenen Hochleistungslegierungen auf Nickelbasis einer Wärmebehafrdlung unterhalb der Temperatur unterworfen werden, bei der sie zu schmelzen beginnen, und zwar unterhalb etwa 1232,2"C, ist eine derartige Temperaturgrenze wichtig zur Definition der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf Hochleistungslegierungen auf Nickelbasis.

Verbindungsmaterialpulver, wie diejenigen der Nummern 1, 9 und 20, die die schmelzpunktsenkenden Elemente Silizium, Bor und Niob einzeln enthalten, sind so definiert, daß ihre Liquidustemperaturen nahe an der Obergrenze des erfindungsgemäß verwendeten Bereichs liegen. Wenn daher Silizium als einziges äüiifnciZpüriiCiäcFifCcirucä miüci äüägcwai'ui wii'O, sOnic die Menge wenigstens etwa 2 Gew.-% betragen. Die entsprechenden Mengen liegen bei Bor über etwa 1 Gew.-% und bei Nb bei wenigstens etwa 10 Gew.-%. Wie sich jedoch aus Tabelle IV ergibt, können geringere Mengen solcher schmelzpunktsenkenden Elemente in Kombination verwendet werden. Das erfindungsgemäß verwendete Verbiiidungsmaterialpulver ist daher derart definiert, daß die Menge an schmelzpunktsenkenden Elementen insgesamt mehr als 1 Gew.-% bis zu 15 Gew.-% beträgt, sofern die Liquidustemperatur des Pulvers bei der Verwendung bei Hochleistungslegierungen auf Nickelbasis weniger als etwa 1232,2° C beträgt.

Die gleiche Menge eines schmelzpunktsenkenden Elements bei einem an eine Art eines Hochleistungslegierungsteils angepaßten Pulvers, z. B. gemäß'Tabelle I, kann wirksam sein und innerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs liegen, wie er durch die Liquidustemperatur begrenzt ist. Wenn das gleiche schmelzpunktsenkende Element in einem Pulver verwendet wird, das an eine andere Hochleistungslegierung angepaßt ist, könnte dessen Liquidustemperatur zu hoch und außerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs liegen. Das Verbindungsmaterialpulver gemäC der Erfindung muß daher nicht nur durch die Zusammensetzung, sondern auch durch die Schmelzeigenschaften definiert werden.

ErfindungsgemaB bevorzugte schmelzpunktsenkende Elemente sind Si und B allein oder in Kombination oder zusammen mit anderen Elementen. Besonders bevorzugt sind die Verbindungsmaterialpulver Nr. 4 gemäß Tabelle H und Nr. 9 und 10 gemäß Tabelle III, wobei die bevorzugte Zusammensetzung des Pulvers im folgenden Bereich liegt: 0,1-0,2% C, 12-15% Cr; 6- 12% Co; 3-5% Mo; 2-4% Al; 4-6% Ti· 3-5% W, 0,01-0,05% Zr; 13-10% Elemente der Gruppe B, Si, Mn, Nb, Ta und deren Gemische, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen (in Gew.%). Innerhalb dieses Bereichs beträgt die Menge Bor, wenn dieses ausgewählt ist, \Ji-2J5 Gew.-% und die Menge Silizium, wenn dieses ausgewählt ist, 4—6 Gew.-%.

In den folgenden Tabellen VL ΥΠ, VHI und DC sind Vergleichswerte für die Festigkeit von StoBverbindungen, die erfindungsgemaB und durch Hartlöten unter Verwendung gegenwärtig verwendeter Hartlote hergestellt sind, angegeben. Die bekannten Legierungen sind durch die Nummer 81 mit der Zusammensetzung 19 Gew.% Cr, 10 Gew.% SL Rest Nickel und übDche Verunreinigungen, und durch die Nummer 50 mit der Zusammensetzung 20,5 Gew.-% Cr, 8.5 Gew.% Mo, 10 Gew.% Si, 20,5 Gew.% Fe, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen, bezeichnet.

Bei der Herstellung der Proben, deren Zerreißfestigkeiten in den folgenden Tabellen wiedergegeben sind, wurde das Verbindungsmaterialpulver in einer Aufschlämmung mit Hilfe eines Hilfsstoffes, wie einem Acrylsäureharz in Toluol, der beim Erhitzen sich ohne Rückstand zersetzt, hergestellt. Der Spalt zwischen den

to beiden verbundenen Bauteilen betrug etwa 0,025 mm. Die Bauteile wurden praktisch ohne Druckanwendung festgehalten und ausgerichtet. Alle Probestücke einschließlich der mit den bekannten Hartlotlegierungen als Verbindungsmaterial verbundenen Probestücke

ι) wurden ansonsten erfindungsgemäß hergestellt. Hierbei wurde bei einer ersten Temperatur bei oder oberhalb der Liquidustemperatur des Verbindungsmaterialpulvers, aber unterhalb der Temperatur, die die Eigenschaften der zu verbindenden Bauteile nachteilig beeinflussen

:n würde, eine Verbindung vorgenommen. Anschließend wüiuc düi'Ch cii'ic "A'äiTncucliäiiuiuiig bei einer zweiten Temperatur homogenisiert, die niedriger als die erste Temperatur lag. Schließlich wurde gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen

r, Verfahrens bei einer dritten Temperatur gealtert, die allgemein niedriger als die zweite und immer niedriger als die erste Temperatur lag. Dieses erfindungsgemäße Vorgehen wird nachfolgend in Einzelheiten näher erläutert.

Tabelle VI

Zerreißfestigkeit bei Verbindungen von Gußbauteilen aus Legierung A

Bei	Verbin	Lebens	Test: 815,5	C bei
spiel	dungs-	dauer	3840 Bar
	mate rial-	(h)
	pulver		Ein	Bruch
			schnürung	dehnung
1	81	20	0,6	1,0
2	50	13	0,8	0,1
3	4	131	1,2	1,1
4	10	539	3,0	6,7
5	10	138	0,9	1,7
6	9	179	0,4	1,4

Die Probestücke, deren Werte in Tabelle IV wiedergegeben sind, stellten Stäbe von 9,5 mm Durchmesser und 503 mm Länge dar, die in der Mitte eine Querverbindung hatten. Das Verbinden erfolgte bei allen Proben im Vakuum für 30 Minuten bei 1218,4°C, ausgenommen beim Pulver Nr. 9, mit dem das Verbinden für 5 Minuten bei dieser Temperatur vorgenommen wurde. Bei den Hartlotlegierungen 50 und 81 wurde das Homogenisieren und Altern bei folgenden Temperaturen und Zeiten vorgenommen: 1065,6° C/15 h, 10933°.C/16 h, 8433° C/16 h. Die mit den Pulvern 4,9 und 10, die in den Bereich der Erfindung fallen, verbundenen Proben wurden bei folgenden Temperaturen und Zeiten homogenisiert und gealtert: 1148,9^OC/16 h,8433°C/16 h.

Der erhebliche Anstieg der Zerreißfestigkeit unter Belastung, der erfindungsgemaB erreicht wird, ergibt sich leicht aus den Werten der Tabelle VI. Diese Zerreißfestigkeitseigenschaften, die insbesondere durch

die· Verwendung des Verbindungsmaterialpulvers 10 ei-iieU werden, können die Festigkeit der verbundenen Bauelemente erreichen und in manchen Fällen sogar mit diesen zusammenfallen. Dies ergibt sich noch klarer aus Fig. 1, in der Zerreißfestigkeitswerte bei Beanspruchung in der bekannten und weit verbreitete« Form der Larsen-Miller-Parameter sowie bei den Lebensdauerwerten nach 50 Stunden bei verschiedenen Temperaturen dargestellt sind. Es ist bemerkenswert, wie nahe die Festigkeit von Verbindungen, die mit dem Verbindungsmaterialpulver 4 und insbesondere mit dem Verbin dungsmaterialpulver 10 erhalten werden, an die Festigkeit des Gußstückes aus der Grundlegierung A herankommt. Typisch für die erheblich geringere Festigkeit von hartgelöteten Verbindungen, wie sie gegenwärtig hergestellt werden, verglichen mit der Festigkeit der Grundlegierung, sind die in F i g. 1 dargestellten Werte für ein Gußstück aus der Legierung A, die mit der Legierung 81 hartgelötet ist.

Die Verbindungsstellen bei Teilen aus der gegossenen Legierung C wurden nach dem erfindungsgemaßen Verfahren unter Verwendung von Probeteilen der Größe 6,J mm χ 12,6 mm χ 51 mm hergestellt, wobei eine Längsverbindung über einen Spalt von 0,025 mm geschaffen wurde. Das Verbinden wurde bei 1162,8° C 5 Minuten lang durchgeführt. Die Homogenisierung und das Altern wurden bei 1148,9°C 16 Stunden lang bzw. bei 843,3⁰C 16 Stunden lang durchgeführt. Aus den Werten der folgenden Tabelle VII ergeben sich Zerreißfestigkeitswerte unter Belastung, deren Verbesserung in der gleichen Größenordnung liegt wie dies aus Tabelle VI ersichtlich ist.

Tabelle VII

Zerreißfestigkeit bei Verbindungen von Gußbauteilen aus Legierung C

Be'spiel	Verbindungs-	Test: 815,5 (	bei 3840 Bar
	matcrialpulver
		Lebens	Bruch
		dauer	dehnung
		(h)	(%)
7	4	98	0
8	9	117	1.5
9	IO	238	1.3

Es wurde eine weitere Reihe von Festigkeitsversuchen an Schmiedeteilverbindungen aus der Legierung B durchgeführt. Die verbundenen Probestücke hatten die gleiche Größe und Form wie diejenigen, mit denen die Werte von Tabelle VI erhalten worden waren. Das Verbindungsverfahren entsprach dem erfindungsgemaßen Verfahren, wobei das Verbinden bei 1190,6°C 5 Minuten lang durchgeführt wurde. Die mit dem Verbindungsmaterialpulver 10 verbundene Probe wurde bei 1148,9°C 16 Stunden homogenisiert und bei 843,3°C 16 Stunden lang gealtert. Das unter Verwendung der Legierung 81 verbundene Probestück wurde bei 1065,6° C 16 Stunden homogenisiert und bei 843,3° C 16 Stunden gealtert. Die Zerreißfestigkeit und Zugfestigkeitseigenschaflen sind in der folgenden Tabelle VIII gegenübergestellt.

Tabelle VIII

Festigkeit von Verbindungen, Schmiedestücke aus Legierung B

Beispiel	Verbindungs	Eigenschaften bei	815.5 t	0.2 Streckgrenze	Bruch	9
	materialpulver			(Bari	dehnung	0.5
		Zerreißfestigkeit	Zugfestigkeit		'n}
		bei 3160 ι Bar)	(Bar)	7500
		Lebensdauer(h)		-
10	10	476	8460
11	81	·)	2520

*) Versagen bei Belastung.

Die Tatsache, daß die Festigkeit von Verbindungen von Probestücken, die erfindungsgemäß hergestellt waren, an die Festigkeit der Grundlegierung heranreicht, ist in Fig.2 dargestellt, wobei die Darstellung derjenigen von Fig. 1 entspricht Es ist auch hier festzustellen, daß die Zerreißfestigkeit bei Belastung der erfmdungsgemäß hergestellten Verbindungen an diejenige der geschmiedeten Legierung B herankommt Die überaus starke Verbesserung gegenüber Verbindungen unter Verwendung der bekannten Legierung 81 geht deutlich aus F i g. 2 hervor.

Es wurden weitere Versuefasreihen durchgeführt, um

die Möglichkeit zu zeigen, daß erfindungsgemäß zwei verschiedene Legierungen miteinander verbunden werden können. Typische Festigkeitswerte sind in der folgenden Tabelle DC für erfindungsgemäß miteinander verbundene Gußteile aus der Legierung A mit warmverfonnten Teilen aus der Legierung D angegeben. Größe und Form der Probestücke sowie die Bedingungen beim Homogenisieren und Altern waren die gleichen, wie sie bei den Probestücken angewendet wurden, mit denen die Werte der Tabelle VII erhalten worden waren. Das Verbinden wurde 5 Minutea bei 11623°C bei einem Spalt von 0.025 mm durcheefuhrt

13 14

Tabelle IX Festigkeit von Verbindungen zwischen Gußteilen aus Legierung A und warmverrormten Teilen aus Legierung D

Beispiel	Verbindungs	Eigenschaften bei	648,9 C	Zugfestigkeit	0,2% Streck	Bruch
	materialpulver			(Bar)	grenze	dehnung
		Zerreißfestigkeit	Bruchdehnung		(Bar)	(%)
		bei 6228 (Bar)	(%)	8050	6730	3,0
		Lebensdauer(h)		8120	6730	5,0
12	4	1152	1,2
13	9	1226	2,8

Die Eigenschaften bei 648,9° C gemäß Tabelle IX zeigen erneut die ungewöhnliche Festigkeit und Duktilität der Verbindung, die erfindungsgemäß hergestellt wurde. Wie vorher erwähnt, ergaben sich die in den vorstehenden Tabellen wiedergegebenen Werte aus Proben, bei denen ein Versagen im Versuch eher an der Verbindungsstelle als an dem Metall der verbundenen Siücke auftrat. Die Werte geben daher die Festigkeit an der Verbindungsstelle wieder.

Typische weitere Beispiele für die Verwendung des Tabelle X Festigkeit von Verbindungen

erfindungsgemäßen Verfahrens beim Verbinden vor Teilen aus unterschiedlichen Legierungen und untei verschiedenen Bedingungen sind in der folgender Tabelle X wiedergegeben. Die bei verschiedener Temperaturen und unter verschiedenen Beiastungsbe

T₀ dingungen erhaltenen Werte zeigen wieder, daß die mechanischen Eigenschaften der Verbindungsstelle etwa 80 bis 100% der Festigkeit des Grundmetaiis odei der verbundenen Teile erreichen.

Beispiel	Legierungs	Spalt	Test-	Bean	Lebensdauer	Einschnürung	Bruch
	teile		temp.	spruchung			dehnung
		(mm)	( C)	(Bar)	(h)	(%)	(%)
14	C an C	0,025	815,5	3870	238	1,4	1,3
15	C an C	0,051	815,5	3870	496	7,5	3,4
16	Can D	0,101	648.9	6228	387	6,0	4,4
17	Can F	0,101	648,9	8400	349	5,0	2,8

Die Proben, an denen die Werte der Tabelle X gemessen wurden, wurden alle bei 11483° C 16 Stunden homogenisiert und bei 8433° C 16 Stunden gealtert, außer bei Beispiel 17, wobei die Wärmebehandlung wie folgt vorgenommen wurde: a

1093,3^oC/16 h; 898,9°C/4 h; 10933°C/l h; 732,2°C/64 h. Die Teile aus der Legierung C waren Gußteile, während die Teile aus den Legierungen D und F warmverformt waren. Das Verbindungsmateri?>J 10 wurde in allen Fällen bei einer Verbindungstemperatur von 1218,4° C 5 bis 15 Minuten angewendet. Zusätzlich wurde die Oberfläche der Probestücke als Vorbereitung zum Verbinden über den angegebenen Spalt in einer Stärke von etwa 0,0076 mm mit Nickel plattiert.

Die Kombination der Schritte des erfindungsgemä-Ben Verfahrens unter bestimmten, kritischen Bedingungen macht die Anwendung von Druck überflüssig, ausgenommen den zur Ausrichtung und Gegenüberstellung der entsprechenden zu verbindenden Flächen ausreichenden Druck. Beim üblichen Diffusionsverbinden im festen Zustand ist ein erheblicher Druck, z. B. wenigstens etwa 1 Bar, erforderlich. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens kann das Verbinden bei einem Druck weit unterhalb dessen, im allgemeinen in der Nähe von 0 Bar durchgeführt werden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Flächen der Teile, die miteinander verbunden werden sollen, einander gegenübergestellt und fluchtend ausgerichtet, wobei ein Spalt frei bleibt, der das als Zwischenschicht verwendete Verbindungsmaterial enthält. Dieses Material kann als Pulver in Form einer Aufschlämmung oder in anderer geeigneter Form vorliegen, damit es fest- oder an Ort und Stelle gehalten wird, bis das eigentliche Verbinden durchgeführt wird.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist praktisch kein Druck zwischen den zu verbindenden Teiler erforderlich. Dieses Merkmal unterscheidet das erfindungsgemäße Verfahren von dem üblichen Diffusionsverbindungsverfahren im festen Zustand und ergibt eine Festigkeit der Verbindungsstellen, die ganz erheblich besser ist als die Festigkeit von Verbindungen, die durch Anwendung von mehreren 100 Bar unter den gleicher Bedingungen von Temperatur und Vakuum, aber ohne Gegenwert eines Verbindungsmaterials hergestellt worden sind.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßer Verfahrens besteht darin, daß die Stufe des Verbinden; unter Hochvakuum durchgeführt wird, z. B. von nicht mehr als etwa 0,133 Pa. Bei der Verwendung des in dei Erfindung eingesetzten Verbindungsmaterials liegt die eigentliche Verbindungstemperatur, auch als erste Temperatur bezeichnet, im Bereich von 1065,6 bis 1232,2°C. Die Verbindungstemperatur wird unter dei Temperatur gehalten, die einen nachteiligen Einfluß aul

die mechanischen Eigenschaften der zu verbindenden Bauteile hat, sowie unterhalb der Temperatur, bei der die Legierung der Bauteile zu schmelzen beginnt

Nach dem Verbinden wird die Verbindungsstelle unter nicht oxidierenden Bedingungen, vorzugsweise unter vermindertem Druck, ausreichend lange homogenisiert, damit eine weitere Verbindung durch Diffusion zwischen den Bauteilen und dem Verbindungsmaterial stattfindet Die Homogenisierung wird bei einer Temperatur durchgeführt, die hier als zweite Temperatur bezeichnet wird und unterhalb der ersten Temperatur liegt, bei der das eigentliche Verbinden erfolgt Gemäß den in den vorstehenden Tabellen wiedergegebenen Versuchen liegt diese Temperatur bei den untersuchten Pulvern und Legierungen im Bereich von 871,1 bis 11483° C.

Obwohl die erfindungsgemäß hergestellte Verbindungsstelle fest und duktil ist, kann sie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufgrund der Zusammensetzung weiter verfestigt werden. Diese Verfestigung wird durch Altern bei einer dritten Temperatur durchgeführt, die unterhalb der ersten Temperatur liegt und gewöhnlich, ausgenommen einige besondere Legierungen, auch unterhalb der zweiten Temperatur. Wie im Zusammenhang mit den aufgeführten Beispielen angegeben ist, liegt die dritte Temperatur oder Alterungstemperatur im Bereich von 704,4 bis 1093,3⁰C.

Die Erfindung kann unter Verwendung von Verbindungsspalten bis zu etwa 0,51 mm durchgeführt werden. Es ist jedoch bevorzugt, daß der Spalt im Bereich von 0,025 bis 0,127 mm gehalten wird. Wie sich aus den obigen Werten ergibt, können die Festigkeiten von Verbindungen über solche Spalte nahe an diejenigen d^r Basismetalle der verbundenen Teile herankommen.

Mikrofotografische und chemische Analysen der erfindungsgemäß hergestellten Verbindungen haben gezeigt, daß eine beeinflußte Zone an jeder Seite des ursprünglichen Spaltes von bis zu etwa 0,127 mm, im allgemeinen nicht mehr als etwa 0,051 mm an jeder Seite vorliegt Die gesamte Verbindungsstelle bei einem erfindungsgemäß hergestellten Gegenstand würde einschließlich des ursprünglichen Spaltes bis zu etwa 0,76 mm und vorzugsweise nur bis zu etwa 0,25 mm betragen. Innerhalb dieser Verbindungsstelle existiert, wie gefunden wurde, eine Phase, die sich von den Phasen der verbundenen Teile unterscheidet und an solchen Elementen angereichert ist, die als Mittel zur Senkung der Schmelztemperatur zugesetzt worden sind. Beispielsweise zeigt sich die Gegenwart von Borgehalten durch die typische Phase der »chinesischen Schriftzeichen« an und die Gegenwart von Silicium ist durch blockartige Silicide gekennzeichnet. Die Konzentrationen sind im Zentralgebiet der Verbindungsstelle starker und nehmen ab, wenn eine Diffusion aufgetreten ist.

Erfindungsgemäß werden nicht nur Verbindungsstellen mit erheblich verbesserten Festigkeitseigenschaften gegenüber solchen, die in üblicher Weise durch Hartlöten oder gewöhnliches Diffusionsverbinden im festen Zustand erreichbar sind, erhalten, sondern die Erfindung erlaubt auch die Verbindung von Teilen, die durch andere Verfahren nur sehr schwer ausreichend verbunden werden können. Es ist beispielsweise sehr schwierig, durch gewöhnliche Diffusionsverbindungsverfahren im festen Zustand oder durch Schweißverschmelzung zwei Teile aus der Legierung C gemäß Tabelle I erfolgreich zu verbinden. Wie sich aus den Werten der Tabelle X ergibt, können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Festigkeiten von Stoffverbindungen erhalten werden, die an die Festigkeit der Legierung der Teile selbst herankommen. Derart verbesserte Festigkeitseigenschaften resultieren wenig stens teilweise daraus, daß die Kerbbildung an der Kante der durch Diffusion im festen Zustand verbundenen Verbindungsstellen fortfällt Dadurch, daß man den Verbindungsspalt auf etwa 0,127 mm oder darunter hält, wird die Erzielung hoher Festigkeitswerte unterstützt Weitere Untersuchungen an erfindungsgemäß hergestellten überlappten Verbindungen, insbesondere bei verbundenen Teilen mit mehreren überlappenden Verbindungsstellen, zeigten erheblich bessere Festigkeitseigenschaften. Beispiele solcher überlappter Ver- bindungen, in diesem Fall doppelt überlappte Verbindungen, sind in den F i g. 3 und 4 dargestellt

Fig.3 zeigt eine Schaufel einer Turbine, wie sie gewöhnlich in einem Gasturbinenantrieb verwendet wird, mit einem Flügel 10 und einer Basis 12. Flügel und Basis sind an der überlappenden Verbindungsstelle 14 verbunden, die hier als doppelt überlappte Verbindung bezeichnet wird. Ein solcher Verbundkörper kann gegebenenfalls entweder zur Gewichtsverminderung oder zur Schaffung eines Flüssigkeitsdurchgangs einen hohlen Teil 16 zwischen dem Hügel 10 und der Basis 12 aufweisen. Ein Flüssigkeitsdurchgang 16 kann mit einem oder mehreren Kanälen oder Kammern 18 für ein Kühlmittel für die Flügel in Verbindung stehen. Wenn dies für eine größere Festigkeit erwünscht ist, kann jedoch der Durchgang 16 fortgelassen werden und eine weitere Verbindungsstelle, in diesem Fall eine Stoßverbindung, zwischen dem Flügel 10 und der Basis 12 zusätzlich zu den überlappenden Verbindungsstellen 14 vorgesehen werden. Falls erwünscht, kann der Flügel aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein, die an einer längslaufenden oder radial verlaufenden Verbindungsstelle verbunden sind, damit beispielsweise die Flügel an der einen Kante andere Eigenschaften haben wie an der anderen Kante.

«ι Eine Kombination zwischen einer doppelt überlappenden Verbindungsstelle und einer Stoßverbindung ist in F i g. 4 dargestellt, wobei schematisch ein mit einer Schaufel versehener Rotor der Art dargestellt ist, wie er gewöhnlich in einem Gasturbinenantrieb verwendet wird. Die bei 20 dargestellte Schaufel besteht aus dem Flügelblatt 22 und einem Fuß 24. Der Fuß 24 ist mit dem Rad 26 am Radkranz 27 durch eine doppelt überlappende Verbindungsstelle und eine Stoßverbindung verbunden.

Die Gegenstände gemäß den Fi χ. 3 und 4 stellen allgemein Flügel, Flügelräder und Räder als Beispiele von zwei miteinander verbundenen Bauteilen dar, jedoch können Gegenstände auch einzeln oder in Kombination durch Verbinden verschiedener Teilkom binationen hergestellt werden. Beispielsweise kann der Flügel an den Fuß gebunden werden und der Fuß kann entweder an den Radkranz oder an eine Basis gebunden werden. Es kann erwünscht sein, daß der Flügel aus einem gegossenen Material besteht, während der Fuß

w; aus einer Art von warmverformten Material und das Rad oder die Basis aus einem anderen warmverformten Material bestehen. Es kann außerdem erwünscht sein, zwei Flügelblätter längs einer radialen Basisverbindung zu verbinden, damit eine gemeinsame Basis geschaffen

(,5 wird. Weiterhin kann es erwünscht sein, ein hohles Rad durch Verbinden von zwei Radhälften herzustellen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Kerbe an der Kante von durch übliche Druckdiffusions-

verfahren im festen Zustand hergestellten Verbindungsstellen vermieden. Diese Kerbe kann sohlechtere Ermüdungseigenschaften bei geringem Belastungswechsel bei überlappenden Scherverbindungen ergeben, z, B, bei einer doppelten Verbindung gemäß den F i g. 3 und 4, Es wurde eine Reihe von Untersuchungen durchgeführt, wobei doppelt überlappte Verbindungen, die erfindungsgemäß hergestellt waren, mit üblichen Druckdiffusionsverbindungen im festen Zustand verglichen wurden und die Verbindung der beiden Teile einer, Anordnung gemäß F i g. 3 geprüft wurde. Der Teil, der dem Flügel 10 entsprach, bestand aus der Gußlegierung A und der Teil, der der Basis 12 entsprach, bestand aus der wanngeformten Legierung B. Das bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise verwendete Verbindungsmaterial war das Pulver Nr. 10 gemäß Tabelle

III, das bei einer Temperatur von 121O⁰C 15 Minuten abgebunden wurde. Die Homogenisierungsstufe und die Alterungsstufe wurden erfindungsgemäß bei 1093,3⁰C/ 16 h; 1050,7" C/4 h und 843,3⁰CZl 6 h durchgeführt. Wie sich aus den Werten in F i g, 5 ergibt, waren die Ermüdungsfestigkeitswerte bei geringem Belastungsmaterial bei 6483° C bei den erfindungsgemäß hergestellten Verbindungsstellen denjenigen überlegen, die durch das übliche Druckdiffusionsverbindungsverfahren im festen Zustand bei gleicher Behandlung hergestellt waren, wobei lediglich das erfindungsgemäß verwendete Verbindungsmaterial weggelassen, aber eine nicht geschmolzene Zwischenschicht verwendet und ein Druck von etwa 141 Bar für etwa 2 Stunden angewendet wurde.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verbinden mehrerer Hochleistungslegierungsteile mittels eines Verbindungsmaterials, das eine Liquidustemperatur hat, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Hochleistungslegierungsteile zu schmelzen beginnen, und das schmelzpunktsenkende Elemente wie Bor und Silizium in Mengen über 1 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Zusammensetzung, enthält, das man zwischen zu verbindende angrenzende und fluchtende Flächen der Hochleistungslegierungsteile, deren Verbindungsspalt höchstens 0,51 mm breit ist, einbringt, woraufhin man um den zu verbindenden Abschnitt herum Hochvakuum anlegt und ihn unter diesem Vakuum auf eine Temperatur im Bereich von 1065,6 bis 1232^° C erhitzt, bis das Verbindungsmaterial wenigstens teilweise geschmolzen ist, wobei jedoch die Erhitzungstemperatur unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Hochle'isiungslegierungsteile tu schmelzen beginnen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochleistungslegierungsteile aus einer Eisen-, Kobalt- oder Nickellegierung bestehen, daß die Zusammensetzung des Verbindungsmaterials an die der zu verbindenden Hochleistungslegierungsteile angepaßt ist, daß die schmelzpunktsenkenden Elemente außer Bor, Silizium auch Mangan, Niob oder Tantal oder Gemische dieser Elemente in einer Menge bis zu 15 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Zusammensetzung, sein können und daß man den zu verbindenden Abschnitt durch ein zweites Erhitzen unter nichtoxidiercnden bedingungen bei einer Temperatur unterhalb der beim ersten Erhitzen angewendeten Temperatur aiter Diffusionswechselwirkung zwischen den Hochleistungslegierungsteilen und dem Verbindungsmaterial homogenisiert

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Homogenisieren die Verbindungsstelle einem dritten Erhitzen bei einer Temperatur unterwirft, die unterhalb der Temperatur beim ersten Erhitzen liegt, und so lange erhitzt, bis die Verbindungsstelle gealtert ist

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das dritte Erhitzen nach dem Homogenisieren bei einer Temperatur im Bereich von 704,4 bis 1093,3⁰C durchführt

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Verbinden von Hochleistungslegierungsteilen auf Nickelbasis ein Hochvakuum von nicht mehr als etwa 0,133 Pa anwendet eine Spaltbretie der Verbindungsstelle von 0,025 bis 0,128 mm einhält und als Verbindungsmaterial eine an sich bekannte Legierung mit den folgenden Bestandteilen in Gew.-%: 0,02 -03%C, 8-25% Cr, 5-20% Co, 2-12% Mo, 03-7% Al, 0,5-6% Ti, bis 5% W, bis 2% V, bis 0,2% Zr, bis 25% Pe, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen einbringt, die zusätzlich über 1% bis 15% B, Si, Mn, Nb, Ta oder deren Gemische enthält, wobei das Verbindungsmaterial als durch Altern härtbares Pulvergemisch einer Liquidustemperatur unterhalb von etwa 1232,2" C vorliegt, und daß man das zweite Erhitzen innerhalb eines Temperaturbereiches von etwa 871,1 bis 1148,9⁰C durchführt

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungsmate-

rial eine an sich bekannte Legierung in Pulverform mit den folgenden Bestandteilen in Gew.-%: 0,1 -0,2% C, 12-15% Cr, 6-12% Co, 3-5% Mo, 2-4% Al, 4-6% Tj, 3-5% W, 0,01-0,05% Zr, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen, eingebracht wird, die zusätzlich 14-10% B, Si, Mn, Nb, Ta oder deren Gemische enthält

6, Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekannzeichnet, daß als Verbinduqgsmaterial ein Bindemittel, dessen Gehalt an Mangan, Niob oder Tantal, falls diese nicht mit Bor kombiniert vorliegen, wenigstens 2, vorzugsweise 4 bis 6 Gew.-% der an sich bekannte Borgehalt, wenn Bor nicht mit Silizium, Mangan, Niob oder Tantal kombiniert vorliegt, mehr als 1, vorzugsweise 1,5 bis 2,5 Gew.-% beträgt und der Niobgehalt, wenn Niob nicht mit Bor, Silizium, Mangan oder Tantal kombiniert vorliegt, wenigstens 10 Gew.-% beträgt, eingebracht wird.

7. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6 zur Herstellung von Gegenständen mit einer durch Altern härtbaren Verbindungsstelle, die sich bis zu etwa 0,76 mm zwischen die Hochleistungslegierungsteile erstreckt, wobei die Verbindungsstelle eine Phase aufweist, die sich von den Phasen der Hochleistungslegierungsteile unterscheidet und die an Bor, Silizium, Mangan, Niob oder Tantal reicher ist als die Phf.ien der Hochleistungslegierungsteile.