DE3638385A1

DE3638385A1 - Verfahren zum verbinden von gegenstaenden aus superlegierungen auf nickelbasis und foliensatz zur verwendung fuer dieses verfahren

Info

Publication number: DE3638385A1
Application number: DE19863638385
Authority: DE
Inventors: Edward Joseph Ryan
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1984-12-20
Filing date: 1986-11-11
Publication date: 1988-05-19
Anticipated expiration: 2006-11-12
Also published as: FR2607045A1; FR2607045B1; DE3638385C2; GB2197235A; GB2197235B; GB8626868D0; US4700881A; CH671903A5

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Verbin dens von metallischen Materialien miteinander, insbesondere von Superlegierungsgegenständen und ganz besonders bevor zugt von feinkörnigen Superlegierungsgegenständen, und zwar nach dem Verbindungsverfahren mit einer zwischenzeit lichen Flüssigphase.

Bei der Herstellung von Hochtemperaturgegenständen, ins besondere von Bauteilen von Gasturbinentriebwerken, be steht ein Bedarf nachTechniken zur Verbindung von Gegen ständen nach einem Verfahren, das zu einer hochfesten Ver bindung führt. Dabei ist es ganz besonders bevorzugt, wenn die gebildete Verbindung fehlerfrei ist und eine Festig keit aufweist, die der der verbundenen Gegenstände ver gleichbar ist. Das Verbindungsverfahren mit einer zwischen zeitlichen oder Übergangs-Flüssigphase (transient liquid phase bonding process) ist in der US-PS 36 78 570 beschrie ben und befaßt sich mit diesem Problem. Am genannten Ort wird ein Verfahren zum Verbinden von Gegenständen bei einer konstanten Temperatur beschrieben. Dabei geht es kurz gesagt darum, daß eine borhaltige Nickelfolie zwischen den miteinander zu verbindenden Gegenständen angeordnet wird und die gebildete Anordnung aus Gegenständen und Folie zusammengedrückt und auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der der borhaltige Bereich der Zwischenfolie schmilzt, bei der die miteinander zu verbindenden Gegenstände jedoch nicht schmelzen. Wenn die Anordnung bei dieser im wesent lichen konstanten Temperatur einen gewissen Zeitraum ge halten wird, diffundiert das Bor in die nicht geschmolze nen Bereiche der Baugruppe und es kommt schließlich zu einer Verfestigung bei der erhöhten Temperatur, wenn der lokale Borgehalt durch Diffusion ausreichend vermindert ist. Bei der Anwendung dieses Verfahrens zum Verbinden feinkörniger Materialien haben sich jedoch Probleme ergeben.

Es wird angenommen, daß diese Probleme mit der schnelleren Diffusion von Bor in feinkörnige Materialien als in groberkörnige Materialien zu tun haben. Feinkörnige Materia lien weisen ein wesentlich größeres Korngrenzenvolumen auf als die grobkörnigeren Materialien, und das Bor weist eine sehr viel höhere Diffusionsgeschwindigkeit in die Korngrenzen auf als in das zwischen solchen Korngrenzen liegende Material.

Die bei dem bekannten Verbindungsverfahren mit Übergangs- Flüssigphase verwendete Folie ist reich an Bor, da Bor ein sehr wirksames Mittel zur Schmelzpunkterniedrigung ist, und sie wird typischerweise dadurch hergestellt, daß man Bor in die Oberfläche der Folie eindiffundieren läßt, z. B. gemäß der Lehre der US-PS 37 53 794.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verbin dungsverfahren mit einer Übergangs-Flüssigphase zu schaffen, das die fehlerfreie und dauerhafte Verbindung auch von feinkörnigen Nickel-Superlegierungsmaterialien ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentan spruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient dabei ein neuartiger Foliensatz gemäß Anspruch 6.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit die Verwendung mehrerer Folien bei dem Verbinden mit Übergangs-Flüssig phase offenbart. Unter Verwendung von zwei Folien, von denen jede borhaltige Oberflächen aufweist, schmelzen beim Erhitzen auf erhöhte Temperaturen die im Verbindungs bereich angeordneten Folien, und zwar beide an ihren den zu verbindenden Gegenständen zugewandten Oberflächen und an der Grenzfläche zwischen sich. Indem eine borreiche und folglich flüssige Zone in der Mitte des Foliensatzes geschaffen wird, wird die vorher zu beobachtende Tendenz zur Ausbildung einer Porosität im wesentlichen eliminiert. Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine besondere Nütz lichkeit beim Verbinden von feinkörnigen Superlegierungs gegenständen auf, bei denen eine entstehende Porosität früher ein Problem darstellte.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezug nahme auf vier Figuren noch näher erläutert. Dabei ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung für den Fachmann weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen.

Es zeigen:

Fig. 1 das Verbinden mit Übergangs-Flüssigphase nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 die Anordnung der zwei borhaltigen Folien zwischen den zu verbindenden Gegenständen nach der vorlie genden Erfindung;

Fig. 3 die entsprechend angeordneten Gegenstände unter der Einwirkung einer Kraft, die sie gegeneinander drückt; und

Fig. 4 die Anordnung aus mehreren Folien zwischen den zu verbindenden Gegenständen während der Anfangsstufen des Verfahrens, wobei diejenigen Bereiche gezeigt sind, in denen es zum Schmelzen kommt.

Fig. 1 zeigt das Verbinden mit Übergangs-Flüssigphase nach dem Stand der Technik. In Fig. 1 sind die beiden miteinander zu verbindenden Gegenstände sowie eine einzige, zwischen ihnen angeordnete borierte Folie gezeigt. Bei einer entsprechenden Anordnung und beim Erhitzen auf die geeignete Temperatur kommt es zum Schmelzen der beiden borreichen Bereiche (in der Nachbarschaft der miteinander zu verbindenden Oberflächen), und danach tritt eine iso therme Verfestigung der geschmolzenen Bereiche ein, weil Bor in die zu verbindenden Gegenstände eindiffundiert. Wie vorher angegeben, bereitete eine beobachtete Porosität Probleme, die sich bei diesem Verfahren im Bindungsbereich zeigt, insbesondere, wenn feinkörnige Gegenstände mitein ander verbunden werden müssen.

Im Zusammenhang der vorliegenden Beschreibung sind dabei feinkörnige Gegenstände als solche definiert, die eine mittlere Korngröße von ASTM 5 oder feiner aufweisen, ob wohl natürlich die Anwendung von derartigen Bindungsver fahren mit Übergangs-Flüssigphase auf andere Legierungen auf Nickelbasis eine gewisse Modifikation dieser Definition erforderlich machen kann.

Fig. 2 zeigt die gegenseitige Anordnung gemäß der vor liegenden Erfindung, wobei zwischen den zu verbindenden Gegenständen zwei Folien verwendet werden.

Jede Folie weist eine mit Bor angereicherte borierte Oberfläche auf, und zwar gemäß US-PS 37 53 794. Wenn diese Folien zwischen den Gegenständen angeordnet sind und unter Einwirkung einer Bindungskraft wie in Fig. 3 zusammenge halten werden, existiert im Zentrum der ganzen Anordnung eine borreiche Zone. Da zwei borreiche Oberflächen im Zentrum der Anordnung miteinander in Berührung stehen ist der Borgehalt im Zentrum der Anordnung fast doppelt so hoch wie der Borgehalt im Übergangsbereich der Folien zu den zu verbindenden Oberflächen.

Beim Erhitzen auf eine geeignete Temperatur kommt es in den drei Bereichen gemäß der vorliegenden Erfindung zum Schmelzen, nämlich in den borhaltigen Bereichen in un mittelbarer Nachbarschaft der zu verbindenden Oberflächen sowie in der borhaltigen Zone doppelter Dicke im Zentrum der Anordnung. Beim Stand der Technik wurde eine Porosität in unmittelbarer Nachbarschaft der miteinander zu ver bindenden Oberflächen beobachtet, und es wird angenommen,

daß der Grund für diese Porosität die Diffusion von Bor in die zu verbindenden Gegenstände ist. Besonders schwere Porositätsprobleme traten dann auf, wenn feinkörnige Gegen stände miteinander verbunden werden sollten, und das wird darauf zurückgeführt, daß das Bor in die Korngrenzen der artiger Materialien sehr rasch eindiffundiert.

Bezugnehmend auf Fig. 4 erlaubt die Schaffung einer flüssigen Zone im Zentrum der miteinander zu verbindenden Gegenstände das Ausfüllen oder Eliminieren der Porosität, und zwar entweder durch eine direkte flüssige Infiltration oder aufgrund der Tatsache, daß die die zu verbindenden Gegenstände trennende Schicht flexibler und breiiger ist und grundsätzlich besser in der Lage ist, eine Porosität auszufüllen. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß deshalb, weil die flüssige Schicht im Zentrum der An ordnung nahezu die doppelte Dicke der flüssigen Schichten in unmittelbarer Nachbarschaft der zu verbindenden Gegen stände aufweist, und weil das Bor in der zentralen flüssigen Schicht nicht so leicht in die zu verbindenden Gegenstände diffundieren kann, die letzte Flüssigkeit, die sich in der Anordnung von Fig. 4 verfestigen kann, die Flüssigkeit im Zentrum der miteinander zu verbindenden Gegenstände ist, und das stellt zusätzlich sicher, daß die erhaltene Porosi tät nur minimal ist.

Die Verwendung von mehreren Folien gestattet es auch, den gesamten Borgehalt im Verbindungsbereich zu vermindern. Während beim Bindungsverfahren unter Verwendung einer einzigen Schicht Borgehalte von etwa 2 bis etwa 3,5 Gew.-% Bor typisch sind, werden gemäß dem erfindungsgemäßen Ver fahren unter Verwendung einer mehrschichtigen Folienan ordnung Borgehalte von 1,5 bis 2,5 Gew.-% und vorzugsweise von 1,75 bis 2,25 Gew.-% vorgesehen. Die Schaffung eines höheren Borgehalts würde nämlich sogar zu einem über mäßigen Schmelzen führen und die Wahrscheinlichkeit einer Porosität wieder erhöhen. Typische Foliendicken liegen im Bereich von etwa 0,0127 mm bis 0,127 mm (0,0005 bis 0,005 inch).

Unter Anwendung des Verbindungsverfahrens mit Übergangs- Flüssigphase mit Gegenständen aus IN 100 (Nominalzusammen setzung (Gew.-%): 12,4% Cr, 18,5% Co, 3,2% Mo, 4,3% Ti, 5,0% Al, 0,4% Hf, 1,4% Nb, 0,02% B, 0,06% Zr, Rest Nickel) mit einer typischen Korngröße von ASTM 8-10 unter Verwendung einer Zwischenschicht mit einer Nominalzusammen setzung: Nickel-15% Chrom-X% Bor, wurde bei Verwendung einer einzigen Schicht mit einem Gehalt von 2,7% Bor eine Porosi tät beobachtet. Bei einem Verbinden unter Verwendung mehrer er Schichten einer Dicke von 0,025 oder 0,050 mm (0,001 oder 0,002 inch), die von 1,8 bis 2,27% Bor enthielten, wurden dagegen porositätsfreie Verbindungen erzeugt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Diffusionsver bindung von Legierungen auf Nickelbasis für zahlreiche Verwendungen, jedoch insbesondere für Gasturbinentrieb werke, angewandt werden.

Das Verbinden von Nickel-Superlegierungsgegenständen nach dem Verfahren mit Übergangs-Flüssigphase wird somit dadurch verbessert, daß anstelle einer als Zwischenschicht ver wendeten Metallfolie mehrere derartige Folien mit bor haltigen Oberflächen verwendet werden.

Durch die Schaffung einer Zwischenschicht aus mehreren Folien wird während des Bindeverfahrens ein Vorrat an flüssigem Material gebildet, der die in früheren Fällen zu beobachtende Porosität eliminiert.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit mehr als einer Zwischenfolie ist insbesondere zum Verbinden feinkörniger Materialien geeignet.

Claims

1. Verfahren zum Verbinden von Gegenständen aus Superlegierun gen auf Nickelbasis mit aneinander anliegenden Oberflächen, zwischen denen eine Bindung hergestellt werden soll, mit den Stufen:

a) Anordnen von wenigstens zwei Bindefolien zwischen den an einander anliegenden Oberflächen, wobei jede Folie eine Folie auf Nickelbasis ist und mit Bor angereicherte Oberflächen aufweist;
b) Anordnen der zu verbindenden Gegenstände unter Bedingungen, daß die aneinander angrenzenden Oberflächen und die dazwischen liegenden Folien gegeneinander gedrückt werden;
c) Erhitzen der Kombination aus den Gegenständen und Folien auf eine Temperatur, bei der die an Bor reichen Bereiche der Folien schmelzen, die miteinander zu verbindenden Gegenstände jedoch nicht;
d) Halten der Kombination bei dieser Temperatur für einen solchen Zeitraum, der ausreicht, daß das Bor in den zu verbindenden Gegenstand eindiffundiert, wodurch der Schmelz punkt des geschmolzenen Materials ansteigt und es zu dessen isothermer Verfestigung kommt,
wobei der flüssige Bereich, der sich zwischen den Folien ausbildet, eine ausreichende Materialmenge aufweist, um jede Porosität zu erreichen und auszufüllen, die während des Verfahrens auftreten würde, wenn nur eine einzige Folie verwendet würde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem wenigstens einer der miteinander zu verbindenden Gegenstände eine mittlere Korn größe entsprechend ASTM 5 oder feiner aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwischen den zu ver bindenden Gegenständen drei Folien angeordnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Dicke der Folien im Bereich von 0,0127 bis 0,127 mm liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Gesamt-Borgehalt der Folien im Bereich von 1,5 bis 2,5% liegt.

6. Foliensatz zur Verbindung von Gegenständen aus Super legierungen auf Nickelbasis, dadurch gekennzeichnet, daß er aus wenigstens zwei Folien auf Nickelbasis mit mit Bor angereicherten Oberflächen besteht und die Anordnung der Folien eine solche ist, daß während eines Verbindungs schritts innerhalb des Foliensatzes ein an Bor reicher Bereich geschaffen wird.