DE2248130C2

DE2248130C2 - Pulverförmiger Schweißzusatzwerkstoff auf Nickelbasis sowie damit erhaltenes geschweißtes Werkstück

Info

Publication number: DE2248130C2
Application number: DE2248130A
Authority: DE
Inventors: John William Cincinnati Ohio Zelahy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-10-04
Filing date: 1972-09-30
Publication date: 1982-06-24
Also published as: GB1362458A; IT968429B; JPS5655544A; JPS4844123A; FR2156631B1; FR2156631A1; JPS5542139B2; JPS5843457B2; DE2248130A1; US3759692A; BE789481A

Description

Die Erfindung betrifft einen pulverförmigen Schweißzusatzwerkstoff gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I sowie ein Werkstück gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

In der US-PS 36 32 319 ist ein Schweißzusatzwerkstoff der vorstehenden Art beschrieben, dessen Zusammensetzung der der zu verbindenden Legierungsstelle angepaßt ist und der gewisse, den Schmelzpunkt erniedrigende Elemente enthält, ausgewählt aus Bor, Silizium, Mangan. Niob, Tantal und deren Mischungen. Bei der Anwendung dieses Schweißzusatzwerkstoffes ist lediglich ein relativ leichter Ausrichtdruck zwischen den zu verbindenden Teilen erforderlich, um eine fehlerfreie Diffusionsschweißung unter relativ hohem Vakuum zu bewirken.

Durch Mikroprobenanalysen wurde festgestellt, daß gewisse, durch eine solche Diffusionsschweißung erhal iene Schweißzonen in Legierungen auf Nickelbasis bestimmte, den Schmelzpunkt erniedrigende Substanzen, kombiniert mit Molybdän, Wolfram und Titan, enthalten, die zu brüchigen, kontinuierlichen Phasen führen und demgemäß zu geringen Duktilitäten der Verbindungsstellen.

Metallographische und chemische Untersuchungen der durch Diffusionsschweißung entstandenen Zonen bestimmter Superlegierungen auf Nickelbasis, die durch Elemente, wie Aluminium und Titan ausscheidungsgehärtet und durch Elemente, wie Wolfram und Molybdän lösungsgehärtet werden, /eigen versprödende Phasen. Es wird angenommen, daß dies in erster Linie durch Elemente, die den Schmelzpunkt erniedrigen, wie Silizium und/oder Bor. die in einem alterungshärtbaren, pulverförmigen Schweißzusatzwerkstoff enthalten sind, hervorgerufen wird.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen pulverförmigen Schweißzusatzwerkstoff der eingangs 'genannten Art /ti schaffen, mit dem man eine Ve-bindungs/one mit verbesserter Zähigkeit und Duktilitat erhält

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Schweißzusatzwerkstoff die im kennzc;· hnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Zusammensetzung

20 aufweist.

Das erfindungsgemäße Werkstück hat durch Anwendung des erfindungsgemäßen Schweißzusaizwerkstoffes eine Schweißzone mit rekristallisiertem, inhomogenem Gefüge, das eine verbesserte Zähigkeit und Duktilitat aufweist und das in erster Linie diskrete, dispergierte Boride anstelle einer homogenen Boridphase enthält, wie man sie häufig in Schweißzonen gefunden hat, die mit den bekannten Schweißzusatzwerkstoffen erhalten wurden.

jo Die Vermeidung von Molybdän und Wolfram verbessert merklich die Schlagfestigkeit, während die Vermeidung von Titan die Ausbildung einer inhomogenen, gegen Rißausbreitung beständigen Schweißzone fördert

r> Zur Durchführung der vorliegenden Erfindung wurde eine Vielzahl von Schweißzusatzwerkstoffen durch ■wiederholtes Argon-Lichtbogerischmelzen hergestellt, um die Homogenität zu gewährleisten, woraufhin die Legierungen in einem Schmiedehammer zerkleinert wurden. Es wurden im Vakuum Fließplattentests durchgeführt, um die Liquidus- und Solidus-Temperaturen, ebenso wie die Fließeigenschaften und die Reinheit, zu bestimmen.

Als Grundmetall wurde für die zu verbindenden Teile eine Legierung auf Nickelbasis ausgesucht, die aus folgenden Bestandteilen besteht: 0.17% Kohlenstoff, 140/0 Chrom. 5% Titan, 0,015% Bor. 3% Aluminium. 4% V»olfram, 4% Molybdän. 9,5% Kobalt, 0.06% Zirkon, und der Rest sind im wesentlichen Nickel und übliche Verunreinigungen.

Von besonderem Interesse im Zusammenhang mit der Bewertung der vorliegenden Erfindung sind die Legierunger. deren Zusammensetzungen in der folgenden Tabelle I angegeben sind und die. wie oben beschrieben, erzeugt wurden.

Tabelle I

dew.-V_n, Rest Ni und übliche Verunreinigungen

	Cr	Co	Al	B	Mo
A	14,0	9,0	3,0	2,1	4,0
I	15,0	10,7	3,4	2,0
2	15,2	10,1	4,0	1,9
3	15,4	10,2	3,4	2,3
4	15,7	10,5	3,7	2,4

III

4,9

3,2

2,5

2,9

Die Probestücke wurden aus Paaren von langen Stäben mit einem Durchmesser von etwa 9,5 mm hergestellt, die mit den Enden gegeneinander angeordnet waren, wobei der SchweiBzusatzwerkstoff in der Verbindungsstelle als eine etwa 0,25 mm dicke, 50% dichte Vorform des Schweißzusatzwerkstoffes mit Acrylbinder angeordnet war. Die Stabe wurden dann vertikal in Dreier-Gruppen angeordnet und mit einer Gewichtsbelastung versehen. Dann verschweißte man die Probestücke unt.?r den verschiedenen, in der folgenden Tabelle Il aufgeführten Bedingungen. Die Schlagversuche wurden bei Raumtemperatur an ungekerbten, einen Durchmesser von etwa 7,6 mm aufweisenden langen Stäben unter Verwendung eines Pendelschlagtestgerätes durchgeführt. Die Probestücke waren an den Enden aufgelegt, und das Schlagpendel schlug auf die Schweißzone.

Tabelle II

Ergebnisse der Schlaguntersuchung bei Zimmertemperatur

Legierung

Bedingungen /ur I lerslellung der Schueili/onc

Schweiß- Schweiü- SthweiU-

lemperatur duu^r druck

K| |h| |N/cm^:|

(a) die Hälfte der untersuchten Probestücke wurde im Grundmetall zerstört.

(b) alle untersuchten Probestucke wurden im (irundmetall zerstört

Sdilagarheil

Ufündmetall	121S	1/2	31,5	19,3
Λ	1232	2	31,5	4,14
1	1232	2	31,5	13,8
2	1204	2	31,5	15,2
	1204	2	7.0	23,4
	1204	1/2	31.5	20,7 (a)
	1190	2	31,5	13,8
	Il 17	2	31,5	20,7 (b)
	1218	2	31.5	19,3 (b)
3	1204	2	31.5	9,f)6
	204	2	7,0	23,4 (a)
	1204	1/2	31,5	17,9 (a)
	1204	1/2	7,0	13,8
	1190	2	31,5	15.2
	1177	2	31.5	20,7 ,b)
			19.3 ib)

Die Ergebnisse der Tabelle II zeigen, daß die unter Verwendung des Schweißzusatzwerkstoffes der vorliegenden Erfindung erhaltene Schweißzone, die kein Molybdän, Wolfram und Titan enthält, durchschnittlich eine Schlagarbeit aufweist, die nicht nur gleich der Schlagarbeit des Grundmetalles sein, sondern diese sogar übertreffen kann. Wie diesen Daten zu entnehmen ist, sind die bei Temperaturen von etwa 1200⁰C und darunter mehr als 30 Minuten geschweißten Probestükke besonders bevorzugt, da sie eine Schlagarbeit aufweisen, die gleich und im allgemeinen größer ist als die des Grundmetalls. Es ist darauf hinzuweisen, daß die bei den Probestücken auftretenden Zerstörungen, die bei unterhalb von 1200°C geschweißt wurden, in jedem Falle zu einer Zerstörung im Grundmetall führten und nicht zu einer Zerstörung im Bereich der Schweißzone. Durch geeignete Auswahl der Herstellungsbedingungen kann der Schweißzusatzwerkstoff der vorliegenden Erfindung daher zur Herstellung zäher und duktiler Schweißzonen zwischen Superlegierungsteilen verwendet werden.

Die Gefügeausbildung der Schweißzonen steht in engem Zusammenhang mit den Ergebnissen der Schlaguntersuchungen. Die Schweißzonen mit einer großen Schlagarbeit zeigten eine rekristallisierte Zone mit dispergierten Boriden, während die schwächeren Schweißzonen größere und homogenere Boridbereiche

5n aufwiesen. Die bei den höheren Drucken und während längeren Zeiten hergestellten Schweißzonen haben eine geringere Porosität und weniger Boride.

Das Vermeiden der Boridbildner Molybdän, Wolfram und Titan aus dem Schweißzusatzwerkstoff führt durchschnittlich zu einer Schlagarbeit der Schweißzone, die mehr als 3mal so groß ist, als die der unter Verwendung bekannter Schweißzusatzwerkstoffe erhaltenen Schweißzonen. Durch die Verwendung der Elemente Tantal und/oder Hafnium kann eine weitere und beträchtlich größere Verbesserung der Schlagarbeit der Schweißzpne erhalten werden, die sogar die Schlagarbeit des die Schweißzone umgebenden Grundmetalls übersteigt. Eine bevorzugte Form der vorliegenden Erfindung vermeidet daher nicht nur die Verwendung von Molybdän, Wolfram und Titan, sondern verwendet Hafnium und/oder Tantal.

Von den in dem Schweißzusatzwerkstoff der Vöfliegenden Erfindung vorhandenen Elementen sind

die Anteile von Bor und die von Tantal und/oder Hafnium entscheidend. Verwendet man Bor in Mengen von weniger als etwa 1,5%, dann führt dies zu einer zu hohen Liquidustemperatur und zu schlechten Fließeigenschaften. Mehr als etwa 2,4% Bor führen zur Bildung von Überschußboriden und von zu viel Schmelze. Die Elemente Tantal und Hafnium haben bei der besonders bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung bei einem Anteil von weriger als etwa 2% keinen vorteilhaften Einfluß auf die Rekristallisation der Schweißzone und erniedrigen die Liquidustemperatur nicht wirksam. Mehr als etwa 4% von diesen Elementen

ergeben keinen zusätzlichen Vorteil für den Schweißzusatzwerkstoff und erhöhen lediglich dessen Kosten.

Kohlenstoff scheint bis zu einer Menge von etwa 0,2 Gew.-% keine merkliche Wirkung auf die Legierung zu haben. Mehr als etwa 0,2% erhöhen jedoch die Schmelztemperatur.

Von den anderen bei dem Schweißzusatzwerkstoff der vorliegenden Erfindung verwendeten Elementen isi das bedeutendere Chrom, und die bevorzugte Obergrenze seines Anteils liegt bei etwa 17%. Oberhalb dieser Menge kann sich in einigen Legierungen die unerwünschte brüchige Sigma-Phase bilden.

Claims

Patentansprüche:

1. Pulverförmiger Schweißzusatzwerkstoff auf Nickelbasis, insbesondere für das Schweißen von Werkstücken aus Superlegierungen, bestehend aus:

1,5 bis 2,4% Bor.

2 bis 5% Aluminium,

gegebenenfalls 2 bis 4% Tantal und/oder Hafnium,

0 bis 0,2% Kohlenstoff,

8 bis 30% Chrom und Kobalt.

Rest Nickel.

2. Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1 mit

einem zwingenden Gehalt von 2 bis 4% Tantal und/oder Hafnium.

3. Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1, wobei die Gehalte von Chrom 14 bis 17%, von Kobalt 8 bis 12% und von Aluminium 3 bis 4% betragen.

4. Geschweißtes Werkstück aus einer Nickelsuperlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß dieses unter Verwendung der Schweißzusatzwerkstoffe gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 geschweißt worden ist.