DE3883080T2

DE3883080T2 - Legierungspulvergemisch zur Behandlung von Legierungen.

Info

Publication number: DE3883080T2
Application number: DE88108115T
Authority: DE
Inventors: Stephen Joseph Ferrigno; Mark Nmn Somerville; William Rollin Young
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-06-01
Filing date: 1988-05-20
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2008-05-21
Also published as: US4830934A; IL86362A0; EP0293695A1; JP2779166B2; CA1326142C; AU615903B2; AU1523588A; EP0293695B1; DE3883080D1; JPS6453797A; IL86362A

Description

Diese Erfindung bezieht sich in erster Linie auf die Reparatur von Legierungsgegenständen und mehr im besonderen auf eine Pulvermischung zur Reparatur von Superlegierungen auf Cobaltbasis und Nickelbasis sowie den reparierten Gegenstand .
Hochtemperaturbeständige Superlegierungen auf Cobaltbasis und Nickelbasis werden bei der Herstellung von bei hoher Temperatur betriebenen Gasturbinen-Komponenten benutzt, die unter anderem Brenner sowie Turbinenleit- und -laufschaufeln einschließen. Während des Betriebes solcher Komponenten unter den strengen Betriebsbedingungen bei hoher Temperatur können verschiedene Arten von Schäden oder Beeinträchtigungen eintreten. So können sich zum Beispiel Risse aus den thermischen Cyclen, dem Aufprall von Fremdgegenständen usw. ergeben. Auch können solche Komponenten während der Herstellung einen Schaden erleiden, wie Rißbildung und Einschlüsse. Es ist gut bekannt, daß die Kosten solcher Komponenten aus hochtemperaturbeständigen Superlegierungen auf Cobaltbasis und Nickelbasis relativ hoch sind. Es ist daher erwünschter, solche Komponenten zu reparieren, als sie durch neue zu ersetzen.
Die Reparatur und Reinigung gewisser Gegenstände aus Superlegierungen, zum Beispiel unter Verwendung von Fluoridionen, ist in der US-A-4,098,450 beschrieben. Andere Verfahren, die besonders brauchbar sind in Verbindung mit Legierungen auf Cobaltbasis, schließen ein erstes Reinigen des Gegenstandes in einer reduzierenden Atmosphäre, wie Wasserstoff, oder das mechanische Entfernen beschädigter Teile ein, gefolgt vom Reparieren des beschädigten oder gerissenen Teiles mittels Vakuum-Hartlot- Techniken. Solche Verfahren haben Legierungspulver oder Mischungen von Pulvern benutzt, wie das in der US-A- 3,759,692 beschriebene Pulver oder Mischungen von Pulvern, wie in der US-A-4,381,944 oder US-A-4,478,638 beschrieben.
Die EP-A-0 186 046 beschreibt ein Lotmaterial, das besonders geeignet ist zum Verbinden von Stücken aus oxidations-dispergierten Legierungen und anderen Superlegierungen, bestehend aus ≥ 16 Gew.-% Cr, 1-30 Gew.-% Co, ≤ 1,5 Gew.-% B, ≤ 4 Gew.-% Si, ≤ 4 Gew.-% W, Mo und Ta, ≤ 1 Gew.-% Fe, 0,1 Gew.-% N, ≤ 0,4 Gew.-% O, ≤ 0,015 Gew.-% C, 4-9 Gew.-% Al, ≤ 1 Gew.-% Ti, ≤ 0,5 Gew.-% Zr oder ≤ 0,1 Gew.-% La, Rest Ni.
Die US-A-4,285,459 beschreibt ein Verfahren zum Reparieren eines Risses in einem Gegenstand, bestehend aus einem Superlegierungsmaterial, wobei das Verfahren das Füllen einer Ausnehmung um den Riß herum mit einer Hartlotmischung, das Aussetzen der Mischung gegenüber einer ersten erhöhten Temperatur von 1162,8-1190,5ºC unter Vakuumbedingungen zum Schmelzen der Mischung, nicht aber der Superlegierung, und das Halten bei einer zweiten Temperatur von 1121,1-1176,7ºC zur Diffusionsbehandlung umfaßt.
Mit der Einführung kürzlicher, eine höhere Festigkeit aufweisender und stärker legierter Superlegierungen wurde festgestellt, daß solche bekannten Legierungssysteme oder -mischungen von Pulvern entweder die Risse oder Fehler nicht richtig füllen oder reparieren oder weniger erwünschte Materialeigenschaften aufweisen oder die Ausgangs- oder Substratlegierung ernstlich beeinflussen.
Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Legierungspulvermischung zu schaffen, die zum Reparieren hochfester, hochlegierter Superlegierungen auf Cobaltbasis und Nickelbasis benutzt werden kann.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Superlegierungsgegenstand zu schaffen, der einen Reparaturteil einschließt, der eine hohe Festigkeit und ein einzigartiges Gefüge aufweist, das an das Gefüge der reparierten Legierung angepaßt ist.
Es ist eine weitere Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zum Verwenden einer solchen Pulvermischung zur Reparatur von Superlegierungen zu schaffen.
Diese und andere Aufgaben und Vorteile werden aufgrund der folgenden detaillierten Beschreibung und Beispiele besser verstanden werden.
Kurz gesagt schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Mischung von Legierungspulvern zum Einsatz beim Behandeln einer vorausgewählten Gegenstandslegierung auf Nickelbasis oder Cobaltbasis eines vorbestimmten zusammensetzungsbereiches bei einer Temperatur, die geringer ist als die beginnende Schmelztemperatur bzw. die Schmelzeinsatztemperatur des Legierungsgegenstandes. Die Mischung hat mindestens drei bestimmte Gruppen von Legierungspulvern, die in Kombination einen Mischungszusammensetzungsbereich definieren. Jedes Legierungspulver der Gruppen ist gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung und einen Schmelzbereich, die sich von den anderen und von der Gegenstandslegierung unterscheiden. Eine erste der Gruppen besteht aus mindestens einer Legierung, wobei jede solche Legierung einen Schmelzbereich hat, der höher ist als die Schmelzbereiche der Legierungen in den anderen Gruppen, und sie Cr, W, mindestens ein Element, ausgewählt aus Ni und Co und gegebenenfalls ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus C, Ta, Al, Ti, Mo, Hf und Re, umfaßt. Legierungen der ersten Gruppe sind weiter gekennzeichnet durch alle Elemente, ausgewählt aus W und Mo, das gesamte C, das in der Mischungszusammensetzung vorhanden ist und, in der Cobaltbasisform, den geringeren Gesamtgewichtsprozentgehalt der den Schmelzpunkt herabsetzenden Bestandteile, ausgewählt aus B und Si, verglichen mit einer zweiten Gruppe. Die zweite der Gruppen hat mindestens eine Legierung, wobei jede solche Legierung einen Schmelzbereich aufweist, der tiefer liegt als der der Legierungen in der ersten Gruppe. Die zweite Gruppe ist weiter gekennzeichnet durch die Abwesenheit von Elementen, ausgewählt aus W und Mo und von C. Die Legierungen der zweiten Gruppe umfassen Cr, Al, mindestens eines der Elemente von Ni und Co und gegebenenfalls eines oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Ti, Ta, B, Si und Nb. Eine dritte der Gruppen hat mindestens eine eutektische Legierung, die eine Mischung von ein oder zwei Elementen, ausgewählt aus Cr, Ti, B und Nb mit entweder Ni oder Co ist, die in einer Legierung mit einem bestimmten Schmelzpunkt unterhalb der Hartlottemperatur resultiert, wobei jede Legierung der dritten Gruppe einen Schmelzbereich aufweist, der tiefer ist, als der der Legierungen der zweiten Gruppe. Die dritte Gruppe ist weiter gekennzeichnet durch die Abwesenheit von C. Der Mischungszusammensetzungsbereich umfaßt bis zu insgesamt 2 Gew.-% von B und Si, weniger als 1 Gew.-% Kohlenstoff, sowie verfestigende und härtende Legierungen der Gegenstandslegierung und schließt 15-30 Gew.-% Cr, 1-7 Gew.-% W, 1-6 Gew.-% Ta, 0,4-4 Gew.-% Al, 1-11 Gew.-% Ti und gegebenenfalls bis zu 2 Gew.-% B, bis zu 0,5 Gew.-% Si, bis zu 0,2 Gew.-% Zr, bis zu 3 Gew.-% Mo, bis zu 0,3 Gew.-% Hf, bis zu 6 Gew.-% Nb, bis zu 3 Gew.-% Re ein, wobei der Rest ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ni und Co sowie üblichen Verunreinigungen.
Ein bevorzugter Mischungszusammensetzungsbereich umfaßt, bezogen auf das Gewicht, 15-30% Cr, 1,5-6,5% W, 0,4-4% Al, 1-11% Ti, 1-6% Ta, bis zu 1,5% B, bis zu 0,5% Si, bis zu 0,2% Zr, bis zu 3% Mo, bis zu 0,3% Hf, bis zu 6% Nb, bis zu 2% Re, wobei der Rest ausgewählt ist aus Ni und Co, sowie üblichen Verunreinigungen.
In einer bevorzugten Form, insbesondere zum Einsatz mit Superlegierungen auf Cobaltbasis, besteht der Mischungszusammensetzungsbereich aus, bezogen auf das Gewicht, 15-30% Cr, 2-7% W, 0,4-1,5% Al, 1-4% Ti, 2-6% Ta, 0,5 bis 2% B, bis zu 0,5% Si, bis zu 0,2% Zr, 9-15% Ni, Rest Co zusammen mit üblichen Verunreinigungen. In einer bevorzugten Form, insbesondere zum Einsatz mit Superlegierungen auf Nickelbasis, umfaßt der Mischungszusammensetzungsbereich, bezogen auf das Gewicht, 15-25% Cr, 1,5-4% W, 0,5 bis 4% Al, 2-11% Ti, 1-4% Ta, bis zu 1% B, 2-30% Co, 1-3% Mo, 0,1-0,3% Hf, 0,5-6% Nb, bis zu 2% Re, Rest Ni zusammen mit üblichen Verunreinigungen.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung schließt das Reinigen des Legierungsgegenstandes, insbesondere im zu reparierenden Bereich, das Anordnen der Pulvermischung an dem Reparaturbereich, das Erhitzen des Gegenstandes oder des Reparaturbereiches in einen ersten Temperaturbereich unterhalb der beginnenden Schmelztemperatur der Legierung des Gegenstandes, wie in den Bereich von 1162,8-1246,1ºC (2125-2275ºF), zum Beispiel von 1193,5-1218,3ºC (2175-2225ºF) für eine ausreichende Zeit, um mindestens einen Teil der Pulvermischung auf dem Reparaturbereich zum Fließen zu bringen und nachfolgendes Erhitzen des Reparaturbereiches auf eine zweite Temperatur in einem Bereich, der vorzugsweise unter der ersten Temperatur liegt, zum Beispiel in den Bereich von 1093,3-1162,8ºC (2000-2125ºF) für mindestens acht Stunden ein, um mindestens einen Teil der Pulvermischung in die Cobaltbasisstruktur und mit sich selbst zu diffundieren.
Der reparierte Gegenstand, der sich aus der Ausführung des Verfahrens und dem Einsatz der Pulvermischung der vorliegenden Erfindung ergibt, schließt einen Reparaturbereich mit einem einzigartigen Gefüge ein, das charakterisiert ist durch eine feine, diskrete Dispersion von Zweitphasen-Boriden oder -Carbiden oder beiden sowie Festigkeitseigenschaften, die mindestens der Festigkeit der reparierten Superlegierung angenähert sind.
Der Gebrauch der bekannten Reparaturlegierungssysteme und -verfahren bei gewissen modernen Legierungen auf Cobaltbasis mit relativ hoher mechanischer Festigkeit hat sich vom Standpunkt des Gefüges als auch der mechanischen Festigkeit als unbefriedigend erwiesen. So hat zum Beispiel der Einsatz einer im Handel erhältlichen Legierung auf Cobaltbasis, die als Mar M 302-Legierung bezeichnet worden ist, die eine hohe mechanische Festigkeit aufweist und derzeit als die Legierung benutzt wird, aus der gewisse Hochdruck-Turbinen-Lauf schaufeln hergestellt werden, die Notwendigkeit für ein neues Reparaturlegierungssystem und ein neues Reparaturverfahren gezeigt. Die nominelle Zusammensetzung der Mar M 302-Legierung, bezogen auf das Gewicht, beträgt 21,5% Cr, 10% W, 9% Ta, 0,75% Ti, 1% C, 1% (maximal) Si, Rest Co und übliche Verunreinigungen. Der Schmelzbereich der Mar M 302-Legierung beträgt 1315,5-1343,3ºC (2400-2450ºF). Eine andere kommerziell benutzte Legierung für solche allgemeinen Zwecke ist eine, die als WI 52 bezeichnet wird und, bezogen auf das Gewicht, die nominelle Zusammensetzung hat: 21% Cr, 11% W, 2% Nb, 2% Fe, 0,45% C, Rest Co und übliche Verunreinigungen. Der Schmelzbereich der WI 52-Legierung beträgt 1315,5-1343,3ºC (2400-2450ºF). Mit der Einführung der neueren, eine höhere Festigkeit aufweisenden und stärker legierten Superlegierungen wurde deutlich, daß die existierenden Legierungssysteme und Verfahren zur Reparatur nicht geeignet waren; das Legierungssystem füllte entweder die Fehler nicht richtig oder führte zu einer unerwünschten Materialwechselwirkung.
Die vorliegende Erfindung schafft in einer Form eine verbesserte Mischung von Legierungspulvern, die brauchbar ist bei der Reparatur gewisser, relativ hochfester, hochlegierter Legierungen und Gegenstände daraus.
Während der Auswertung der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß es in einem Reparaturlegierungssystem zum Einsatz mit solchen höherfesten Materialien notwendig war, verfestigende und härtende Elemente der reparierten Gegenstandslegierung einzuschließen und doch für angemessene Fließeigenschaften zu sorgen, um die Anordnung und Einführung des Reparaturlegierungssystems an erwünschten Stellen während der Ausführung des Reparaturverfahrens zu erleichtern. Zusätzlich ist es auch erwünscht, ein Gefüge zu erzeugen, das mit dem Gefüge der Gegenstandslegierung nach Abschluß der Reparatur verträglich ist und vorzugsweise eng daran angepaßt ist.
Die vorliegende Erfindung schafft solche Möglichkeiten durch eine verbesserte Mischung bestimmter Gruppen von Legierungspulvern, die zu der verbesserten Mischung kombiniert werden. Jede der Gruppen schließt mindestens ein Legierungspulver ein.
Jede Legierung einer ersten der Gruppen hat einen Schmelzbereich, der höher ist als die Schmelzbereiche der Legierungen der anderen Gruppen und schließt alle der in fester Lösung verfestigenden bzw. härtenden Elemente, ausgewählt aus W und Mo, zusammen mit dem gesamten C ein, der in der Mischungszusammensetzung vorhanden sein mag: die Gesamtanalyse-Zusammensetzung der gesamten Mischung. Die Funktion der ersten Gruppe ist es, einen großen Teil der verfestigenden und härtenden Elemente der Gegenstandslegierung einzuschließen und, in der Cobaltbasisform, alle den Schmelzpunkt senkenden Bestandteile, ausgewählt aus B und Si, verglichen mit einer zweiten der Gruppen, auszuschließen. Auf diese Weise schafft die erste Gruppe eine hohe Festigkeit und ein verträgliches Gefüge für einen reparierten Teil eines Gegenstandes.
Jede Legierung der zweiten Gruppe der Gruppen von Legierungspulvern hat einen Schmelzbereich, der tiefer liegt als der der Legierungen der ersten Gruppe. Die zweite Gruppe schafft zusätzliche verfestigende und oxidationsbeständige Elemente zusammen mit einer Verbesserung des Fließverhaltens für das System. Die Legierungen der zweiten Gruppe umfassen daher Cr, Al und mindestens ein Element, ausgewählt aus Ni und Co.
Eine dritte der Gruppen von Legierungspulvern hat mindestens eine eutektische Legierung, allgemein von der binären oder ternären eutektischen Art. In den Beispielen dieser Beschreibung bedeutet der Begriff "eutektisch" eine Mischung von ein oder zwei Elementen mit entweder Ni oder Co, die zu einer Legierung mit einem bestimmten Schmelzpunkt unterhalb der Hartlotemperatur führt. Jedes Legierungspulver der dritten Gruppe hat einen Schmelzbereich, der unter dem der Legierungen der zweiten Gruppe liegt. Sie verleihen der Mischung ein Fließvermögen in einem vorausgewählten Temperaturbereich, ausgewählt als eine Funktion der Legierung des reparierten Gegenstandes, und sie liefern Legierungszusätze. In der Cobaltbasisform der vorliegenden Erfindung werden zum Beispiel Legierungszusätze, wie Ti, zur Kontrolle von B außerhalb seiner Rolle als Schmelzpunktsverringerer bereitgestellt, wie der B-Diffusion in die Gegenstandslegierung.
Zum Einsatz zur Behandlung einer vorausgewählten Gegenstandslegierung, insbesondere auf Cobaltbasis, besteht der Mischungszusammensetzungsbereich der vorliegenden Erfindung, bezogen auf das Gewicht, aus 15-30% Cr, 2-7% W, 0,4-1,5% Al, 1-4% Ti, 2-6% Ta, 0,5-2% B, bis zu 0,5% Si, bis zu 0,2% Zr, bis zu 3% Mo, bis zu 0,3% Hf, bis zu 1% Nb, wobei der Rest ausgewählt ist aus Co und Ni sowie üblichen Verunreinigungen. Es folgen die bevorzugten Zusammensetzungsbereiche der vorliegenden Erfindung (Gew.-%) bis zu 2 Rest
Während der Auswertung der vorliegenden Erfindung wurde eine Vielfalt von Legierungen der ersten, zweiten und dritten Gruppe in verschiedenen Kombinationen getestet. Einige solcher Legierungen, die sowohl zusammen mit Legierungsgegenständen auf Cobaltbasis als auch Nickelbasis brauchbar waren, sind, bezogen auf die Gruppe, in der folgenden Tabelle I gezeigt. Kombinationen solcher einzelnen Legierungen zu einer Mischung von Legierungspulvern zur Auswertung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung sind in Tabelle 11 gezeigt. Tabelle I NOMINELLER ZUSAMMENSETZUNGSBEREICH (Gew.-% plus übliche Verunreinigungen) Element Erste Gruppe Legierung 1 Rest Schmelzbereich Tabelle II NOMINELLE MISCHUNGSZUSAMMENSETZUNG (Gew.-% plus Verunreinigungen) Pulvermischung (% vom Gesamten) 1. Gruppe - 27% Leg. 1, 18% Leg. 2
Während der Auswertung der in den obigen Tabellen I und II gezeigten Legierungen zum Einsatz mit hochfesten Superlegierungen auf Cobaltbasis der oben beschriebenen MAR M302- und WI52-Art wurde festgestellt, daß gewisse Elemente innerhalb der Grenzen der vorliegenden Erfindung gehalten werden sollten, um nachteilige Wirkungen in der Verbindung oder dem reparierten Teil zu vermeiden. So wurde zum Beispiel in der Cobaltbasisform der Mischung der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß Al in der Mischungszusammensetzung in Mengen von mehr als 1,5 Gew.-% zu Hohlräumen führte. Ti unterhalb von 1 Gew.-% führte zur Bildung großer Mengen von "Chinesenschrift"- Phase in dem Grundwerkstoff oder Baumaterial, während mehr als 4 Gew.-% Ti zu viel war und zu einem Ti-Netzwerk entlang der hartgelöteten oder verbundenen Grenzfläche führte. "Chinesenschrift" ist eine große blockartige eutektische Struktur, die üblicherweise als CrxBy-Phase in Hartlotmaterial beschrieben wird. Normalerweise ist eine solche Phase unerwünscht. In einer solchen Form fördert Ni unterhalb von 8 Gew.-% eine solche Schriftbildung, und Ta unter 2 Gew.-% und Cr über 30 Gew.-% fördert eine außerordentlich rasche Oxidation.
Ein wichtiges Element in der Mischung der vorliegenden Erfindung ist Ta, das ein Lösungshärter ist und zusätzlich das Einschließen von B unterstützt: Ta ändert das Diffusionsvermögen von B über die Verbindungs- oder Reparaturgrenzfläche. In der Cobaltbasisform der vorliegenden Erfindung, die durch die Tabellen I und II dargestellt ist, waren weniger als 1,8 Gew.-% Ta zu schwach und führten zur Bildung von Chinesenschrift-Phase, während mehr als 6 Gew.-% Ta zu einer Mischung mit Fließeigenschaften führten, die zu schlecht waren, um einen Fehler innerhalb einer praktikablen Zeit zu füllen.
Bor ist das hauptsächliche Mittel zur Schmelzpunktverringerung in der Mischung. Mehr als 1,5 Gew.-% B führten zu einem beginnenden Schmelzen und zu einem Eindringen von Bor in die Gegenstandslegierung. Die untere Grenze wird ausgewählt, um ein angemessenes Fließen für die Mischung zu schaffen.
In der Form der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die Tabellen I und II repräsentiert ist, reagiert Nickel im Bereich von 8 bis 15 Gew.-% mit Chinesenschrift-Phase, um diese in der hartgelöteten Matrix fein zu halten. In einigen Beispielen wurde das Element C hinzugegeben, um die Porosität in aufgebauten Bereichen zu verringern, und es wurde festgestellt, daß bis zu 0,2% Gesamtkohlenstoff in der Mischungszusammensetzung toleriert werden können. Diese Elemente, zusammen mit Cr zur Oxidationsbeständigkeit und W und/oder Mo zur Verfestigung in fester Lösung, helfen die Legierungsmischung der vorliegenden Erfindung zu definieren. Die Zugabe von Ta und W in Kombination mit Cr in der Mischungszusammensetzung der vorliegenden Erfindung hilft, die Bildung von CrxBy-Schriftphase zu kontrollieren und gestattet eine bessere Homogenisierung während des nachfolgenden Diffusionsprozesses. Si und Zr verbessern die Fließeigenschaften.
Die vorliegende Erfindung erfordert das Vermischen der drei oben beschriebenen Gruppen von Legierungspulvern zur Bildung der Mischung der vorliegenden Erfindung, um in die Gesamtmischung die erforderlichen Mengen von Elementen einzuführen. Die erste Gruppe von Legierungspulvern schafft die Hauptmenge von verfestigenden bzw. härtenden Elemente und solcher, die erforderlich sind, um das Gefüge an das des Grundmetalles oder der Gegenstandslegierung anzupassen. Die zweite Gruppe von Legierungen fügt Ni und/oder Co zur Mischung hinzu und unterstützt das Verfestigen sowie die Fließeigenschaften. Die dritte Gruppe von Legierungen, die eutektischen Legierungen, sorgen für ein Fließen sowie zusätzliches Legieren, das die Kontrolle von B unterstützt: Ti hilft, die B-Diffusion in das Grund- oder Baumetall zu vermeiden, während B als den Schmelzpunkt absenkendes Mittel wirkt und für ein angemessenes Fließen während des Verarbeitens sorgt. Die oben beschriebene WI52-Legierung ist zum Beispiel empfindlich auf B-Infiltration, was zur Verminderung ihrer Schmelzeinsatztemperatur führen würde.
Eine Verringerung von B in der Mischung der vorliegenden Erfindung würde jedoch ihr Fließen vermindern. Das System der vorliegenden Erfindung ist daher, zum Beispiel durch den Einsatz von Ti in der eutektischen Legierung der dritten Gruppen, entworfen, solches zu verhindern. In anderen Formen der vorliegenden Erfindung kann bei Abwesenheit von Ti das Ta in den Legierungen der dritten Gruppe die gleiche Funktion erfüllen, wo erforderlich.
Eine zusätzliche Auswertung der vorliegenden Erfindung, insbesondere mit Superlegierungsgegenständen auf Nickelbasis, schloß die pulverförmigen Legierungen und Pulvermischungen ein, die in den folgenden Tabellen III und IV gezeigt sind. In dieser Form wirkt Co in erster Linie als γ'-Härter bei hoher Temperatur, und Al und Ti sind zusammen γ'-Bildner. Hf wirkt, zumindest teilweise, als ein Flußmittel, während Nb ein γ/γ'-Bildner ist. Re wird als ein Matrix-Verfestiger bzw. -Härter bei hohen Temperaturen hinzugegeben, und es wird angenommen, daß es die Spannungsbrucheigenschaften verbessert. Tabelle III NOMINELLER ZUSAMMENSETZUNGSBEREICH (Gew.-% plus übliche Verunreinigungen) Element Erste Gruppe Legierung 9 Rest Schmelzbereich Tabelle IV NOMINELLE MISCHUNGSZUSAMMENSETZUNG (Gew.-% plus Verunreinigungen) Pulvermischung (% vom Gesamten) 1. Gruppe - 40% Leg. 9

Beispiel 1

Probestücke zum Testen wurden von den konvexen und konkaven Flügeln einer Hochdruck-Turbinenlaufschaufel einer Gasturbine aus der oben beschriebenen MAR M302-Legierung und der WI52-Legierung geschnitten. Nach dem Abflachen wurden die Probestücke mit einem Sägeschnitt 0,38 mm (0,015 Zoll) eingekerbt und dann zur Entfernung des gesamten Oberflächenüberzuges und der gesamten Oberflächenverunreinigungen gereinigt. Die Kerben wurden mit der pulverisierten Mischung legiert, die in Tabelle II als L2 und als L2M1 beschrieben ist, indem man im Bereich von 1190,5-1218,3ºC (2175-2225ºF) eine halbe Stunde lang hartlötete. Diesem Hartlötzyklus folgte eine Diffusionsbehandlung im Bereich von 1093,3-1162,8ºC (2000-2125ºF) für eine Dauer im Bereich von 8 bis 15 Stunden, in diesem Falle etwa 12 Stunden. Die Probestücke in Form von Proben für den Zugversuch wurden bei Temperaturen im Bereich von 760-982,2ºC (1400-1800ºF) getestet; die Probestücke in Form von Proben für den Spannungsbruchversuch wurden bei 760ºC/220,5 MPa (1400ºF/32 ksi), 871,1ºC/172,25 MPa (1600ºF/25 ksi) und 982,2ºC/68,1 MPa (1800ºF/10 ksi) getestet. Die folgenden Tabellen, die Daten solcher Tests wiedergeben, zeigen, daß der Einsatz der Legierungen und Mischungen der vorliegenden Erfindung zumindest die erwünschten mechanischen Eigenschaften zum Einsatz mit den getesteten Basislegierungen erfüllen. Tabelle V MITTLERE ZUGDATEN Probe Testtemperatur ºC (ºF) Zugfestigkeit MPa (ksi) Streckgrenze Dehnung Grundwerkstoff (a) Probe versagte, bevor die 0,2%-Streckgrenze erreicht war (b) Probe versagte nahe dem Radius (c) Probe lag nach dem Test in drei Stücken vor Tabelle VI MITTLERE SPANNUNGSBRUCHDATEN Probe Testtemperatur ºC (ºF) Spannung MPa (ksi) Lebensdauer Dehnung Grundwerkstoff
In den obigen Tabellen V und VI und anderswo in der Beschreibung bedeuten "UTS" "Zugfestigkeit", "YS" bedeutet "Streckgrenze", "ksi" bedeutet "Tausend US-Pfund pro Zoll²" und "Elong" bedeutet "Dehnung".
In Verbindung mit der Auswertung der L2M1-Mischung mit Probestücken aus WI52-Legierung und dem Testen der Legierungsmischung L2M1 mit probestücken der MAR M302-Legierung wurde festgestellt, daß das Gefüge der hartgelöteten Verbindung nach der Diffusion dem der Gegenstandslegierung des Probestückes angepaßt und damit verträglich war. Zum Beispiel besteht ein solches Gefüge aus epitaxial kristallisierten Bereichen an den Grenzflächen und einem an Hartlotkomponente reichen Mittelbereich. Der Diffusionszyklus hatte die Chinesenschrift- Phase wirksam in diskrete Teilchen auf gebrochen. Durch den reparierten Bereich dieser Cobaltbasisform der vorliegenden Erfindung gab es fein dispergierte Ta-Carbide, Ti-Carbide, Cr-Carbide und Ta-Boride. Es wurde sehr wenig Wechselwirkung zwischen dem Bor und dem Grundmetall festgestellt.

Beispiel 2

Probestücke zum Testen wurden aus gegossenen Kästen aus Rene'80-Superlegierung auf Nickelbasis geschnitten, die nominell, bezogen auf das Gewicht, bestand aus 0,17% C, 14% Cr, 5% Ti, 0,015% B, 3% Al, 4% W, 4% Mo, 9,5% Co, 0,06% Zr, Rest Ni und übliche Verunreinigungen. Der Schmelzbereich der Rene'80-Legierung war 1260-1301ºC (2300-2375ºF). Flache Rohlinge mit einer Dicke von etwa 1,5 cm (0,06 Zoll) wurden zu Abmessungen von 38·19 mm (1,5 Zoll·3/4 Zoll) geschnitten. Bei der Herstellung der Testproben wurde ein Paar der Rohlinge mit den Enden aneinandergelegt, wobei ein Spalt im Bereich von 0,0762-0,854 mm (0,003-0,010 Zoll) bis 1,016 mm (0,040 Zoll) angeordnet wurde, um einen sich verjüngenden Riß zu simulieren. Diese Einheit wurde dann an den Enden der Rohlinge punktgeschweißt, um den Spalt zu halten. Pulverisierte Mischungen der Tabelle IV, zum Beispiel SA-813-Pulvermischung, wurden in dem sich verjüngenden Spalt angeordnet und in den Bereich von 1173,9ºC bis 1218,3ºC (2145 - 2225ºF), bei dem spezifischen Beispiel unter Verwendung der SA-813-Mischung auf etwa 1182,2ºC (2160ºF) für 10 bis 30 Minuten erhitzt, um mindestens einen Teil der Mischung in den Spalt fließen zu lassen. Diesem Hartlötcyclus folgte eine Diffusionsbehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 1093,3-1162,8ºC (2000-2125ºF) für eine Dauer im Bereich von 8 bis 15 Stunden. In dem Beispiel unter Verwendung der SA-813-Pulvermischung wurde der thermische Zyklus von etwa 1121,1ºC (2050ºF) 8 Stunden lang und von 1154,4ºC (2110ºF) 5 Stunden lang benutzt. Nach dem maschinellen Bearbeiten der Probestücke in die Form von Probekörpern für den Zugtest und den Test auf Spannungsbruch wurden diese für etwa 4 bis 8 Stunden im Temperaturbereich von 843,3-871,1ºC (1550-1600ºF) zur Härtung der γ'-Phase gealtert.
Die Probestücke in Form von Proben für den Zugtest wurden bei 871,1ºC (1600ºF) getestet, die Proben in Form von Probekörpern für den Spannungsbruchtest wurden bei 926,6ºC/172,25 MPa (1700ºF/25 ksi) und bei 871,1ºC/ 172,25 MPa (1600ºF/25 ksi) getestet. Die folgenden Tabellen VII und VIII zeigen Daten des Testens der SA-813-Mischung mit Rene'80-Superlegierung auf Nickelbasis. Diese Daten zeigen, daß der Einsatz der Mischungen der vorliegenden Erfindung bei Probenspalten oder in Rissen von weniger als 0,508 mm (0,020 Zoll) zumindest die mechanischen Eigenschaften zum Einsatz mit der getesteten Nickelbasis-Superlegierung erfüllen. Tabelle VII ZUGFESTIGKEITSDATEN BEI 871,1ºC (1600ºF) Probe Zugfestigkeit MPa (ksi) 0,2%-Streckgrenze Rene'80-Legierung (a)
(a) überzogen mit gemeinsam abgeschiedenem (CODEP) Aluminiumdiffusionsüberzug
(b) nicht überzogen; Probe mit 0,076 mm(0,003 Zoll)- Spalt Tabelle VIII SPANNUNGSBRUCHDATEN [bei einer Spannung von 172,25 MPa (25 ksi)] Probe Testtemperatur ºC (ºF) Lebensdauer (h) Rene'80-Legierung (a)
(a) überzogen mit gemeinsam abgeschiedenem (CODEP) Aluminiumdiffusionsüberzug
(b) nicht überzogen; Probe mit 0,076 mm(0,003 Zoll)- Spalt
Die Beobachtung des Gefüges der hartgelöteten Verbindungen, die in diesem Beispiel hergestellt und getestet wurden, zeigte, daß es dem der Probekörperlegierung angepaßt und verträglich damit war. Es wurde ein epitaxiales Kornwachstum über die Verbindungsgrenzen bemerkt. Die Struktur schloß etwas feinere Körner als die Probekörperlegierung ein, und sie schloß eine γ-Matrix mit γ'-Ni&sub3;(Al,Ti) und γ/γ'-Ni&sub3; Nb ein. Die einzigen Boride, die nach der Diffusionsbehandlung in der Matrix bemerkt wurden, waren stabartige Ta-Boride mit einer Mischung untergeordneter Mengen von Cr-Schriftphasen-Boriden in den Korngrenzen. Im ganzen reparierten Bereich gab es fein dispergierte Ti/Ta-Carbide. Es wurde sehr geringe Wechselwirkung zwischen dem Bor und dem Grundmetall festgestellt.
Die Mischung der vorliegenden Erfindung schafft die Möglichkeit Legierungsgegenstände, insbesondere die oben beschriebenen Superlegierungen höherer Festigkeit auf Cobaltbasis und Nickelbasis, zu reparieren.

Claims

1. Eine verbesserte Mischung von Legierungspulvern zur Verwendung bei der Behandlung einer vorausgewählten Legierung eines Gegenstandes von vorbestimmtem Zusammensetzungsbereich und auf der Grundlage eines Elementes, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ni und Co, bei einer Temperatur unterhalb der Schmelzeinsatztemperatur (incipient melting temperature) der Legierung des Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß

die genannte Mischung mindestens drei bestimmte Gruppen von Legierungspulvern aufweist, die zusammen einen Zusammensetzungsbereich der Mischung definieren,

wobei jedes Legierungspulver der Gruppen einen Zusammensetzungs- und Schmelzbereich hat, der sich von denen der anderen und von der Legierung des Gegenstandes unterscheidet;

eine erste der Gruppen mindestens eine Legierung aufweist, jede der Legierungen der ersten Gruppe einen Schmelzbereich hat, der höher ist als die Schmelzbereiche der Legierungen in anderen Gruppen und umfassend Cr, W und mindestens ein Element ausgewählt aus Ni und Co und ggf. ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus C, Ta, Al, Ti, Mo, Hf und Re, wobei jede der Legierungen der ersten Gruppe enthält:

a) alle die Elemente, die aus der Gruppe bestehend aus W und Mo ausgewählt sind und

b) das gesamte C, das in der Mischungszusammensetzung vorhanden ist,

die zweite der Gruppen mindestens eine Legierung hat, wobei jede der Legierungen der zweiten Gruppe einen Schmelzbereich aufweist, der geringer ist als der der Legierungen der ersten Gruppe und umfassend Cr, Al, mindestens ein Element, ausgewählt aus Ni und Co und ggf. ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Ti, Ta, B, Si und Nb,

wobei jede der Legierungen der zweiten Gruppe frei ist von:

a) Elementen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus W und Mo und

b) C;

eine dritte der Gruppen mindestens eine eutektische Legierung aufweist, die eine Mischung von ein oder zwei Elementen, ausgewählt aus Cr, Ti, B und Nb mit entweder Ni oder Co ist, was zu einer Legierung mit einem bestimmten Schmelzpunkt führt, der unterhalb der Hartlöttemperatur liegt,

wobei jede der Legierungen der dritten Gruppe einen Schmelzbereich aufweist, der tiefer liegt als der der Legierungen der zweiten Gruppe, wobei die Legierungen der dritten Gruppe frei sind von C;

die Mischungszusammensetzung bis zu 2 Gew.-% insgesamt von Elementen einschließt, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus B und Si, weniger als 1 Gew.-% C und sie 15 bis 30 Gew.-% Cr, 1-7 Gew.-% W, 1-6 Gew.-% Ta, 0,4-4 Gew.-% Al, 1-11 Gew.-% Ti und ggf. bis zu 2 Gew.-% B, bis zu 0,5 Gew.-% Si, bis zu 0,2 Gew.-% Zr, bis zu 3 Gew.-% Mo, bis zu 0,3 Gew.-% Hf, bis zu 6 Gew.-% Nb, bis zu 3 Gew.-% Re, Rest ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ni und Co zusammen mit üblichen Verunreinigungen einschließt.

2. Die Mischung nach Anspruch 1, bei der der Zusammensetzungsbereich der Mischung umfaßt, in Gew.-%, 15 bis 30 Cr, 1,5-6,5 W, 0,4-4 Al, 1-11 Ti, 1-6 Ta, bis zu 1,5 B, bis zu 0,5 Si, bis zu 0,2 Zr, bis zu 3 Mo, bis zu 0,3 Hf, bis zu 6 Nb, bis zu 3 Re, Rest ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ni und Co zusammen mit üblichen Verunreinigungen.

3. Die Mischung nach Anspruch 1, worin:

die erste der Gruppen charakterisiert ist durch den geringeren Gesamtgewichts-%-Gehalt von den Schmelzpunkt erniedrigenden Substanzen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus B und Si, verglichen mit Pulvern in der zweiten Gruppe der Mischung und

der Zusammensetzungsbereich der Mischung, in Gew.-%, besteht aus 15 bis 30 Cr, 2-7 W, 0,4-1,5 Al, 1-4 Ti, 2-6 Ta, 0,5-2 B, bis zu 0,5 Si, bis zu 0,2 Zr, 9-15 Ni, Rest Co und üblichen Verunreinigungen.

4. Die Mischung nach Anspruch 3, die nominell, in Gew.-%, besteht aus 19-20 Cr, 3-4 W, 14 bis 15 Ni, 0,4 bis 0,6 Al, 1 bis 2 Ti, 1 bis 3 Ta, 1-1,5 B, Rest Co und üblichen Verunreinigungen.

5. Die Mischung nach Anspruch 3, die nominell, in Gew.-%, besteht aus 15-16 Cr, 6-7 W, 9-10 Ni, 0,4-0,5 Al, 1-2 Ti, 4-5 Ta, 1-1,2 B, Rest Co und üblichen Verunreinigungen.

6. Die Mischung nach Anspruch 3, die, in Gew.-%, nominell besteht aus 25-30 Cr, 4-5 W, 9-10 Ni, 0,9-1,1 Al, 1-2 Ti, 5-6 Ta, 0,7-1 B, 0,2-0,4 Si, 0,1-0,2 Zr, Rest Co und üblichen Verunreinigungen.

7. Die Mischung nach Anspruch 3, die, in Gew.-%, nominell besteht aus 20-23 Cr, 2-3 W, 9-10 Ni, 1-1,2 Al, 3-4 Ti, 2-4 Ta, 1,1-1,5 B, 0,2-0,3 Si, 0,1-0,2 Zr, Rest Co und üblichen Verunreinigungen

8. Die Mischung nach Anspruch 1, bei der der Zusammensetzungsbereich der Mischung, in Gew.-%, besteht aus 15-25 Cr, 1,5-4 W, 0,5-4 Al, 2-11 Ti, 1-4 Ta, bis zu 1 B, 2-30 Co, 1-3 Mo, 0,1-0,3 Hf, 0,5-6 Nb, bis zu 3 Re, Rest Ni und üblichen Verunreinigungen.

9. Die Mischung nach Anspruch 1, die in Gew.-%, nominell besteht aus 16-18 Cr, 3-5 W, 0,6-0,8 Al, 2-3 Ti, 3-4 Ta, 0,9-1,1 B, 25-30 Co, 1-1,5 Mo, 0,2-0,3 Hf, 0,5-1 Nb, Rest Nickel und üblichen Verunreinigungen.

10. Die Mischung nach Anspruch 1, die in Gew.-%, nominell besteht aus 18-20 Cr, 2-3 W, 3-4 Al, 2-3 Ti, 1-2 Ta, 0,2-0,3 B, 3-4 Co, 2-3 Mo, 0,2-0,3 Hf, 5-6 Nb, 1-2 Re, Rest Ni und üblichen Verunreinigungen.

11. Die Mischung nach Anspruch 1, die in Gew.-%, nominell besteht aus 16-18 Cr, 2-3 W, 3-4 Al, 6-7 Ti, 1-2 Ta, bis zu 0,2 B, 2-3 Co, 2-3 Mo, 0,2-0,3 Hf, 5-6 Nb, 1-2 Re, Rest Ni und üblichen Verunreinigungen.

12. Die Mischung nach Anspruch 1, die, in Gew.-%, nominell besteht aus 21-23 Cr, 1-2 W, 2-4 Al, 9-11 Ti, 1-2 Ta, bis zu 1 B, 3-4 Co, 1-2 Mo, 0,1-0,2 Hf, 1-2 Nb, 1-2 Re, Rest Ni und üblichen Verunreinigungen.

13. Die Mischung nach Anspruch 1, die, in Gew.-%, nominell besteht aus 16-18 Cr, 2-4 W, 3-4 Al, 7-8 Ti, 1-3 Ta, 0,05-0,15 B, 3-5 Co, 2-4 Mo, 0,2-0,4 Hf, 1-2 Nb, 1-3 Re, Rest Ni und üblichen Verunreinigungen.

14. Verfahren zum Reparieren eines Reparaturbereiches eines Gegenstandes aus einer Legierung auf der Grundlage eines Elementes ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ni und Co, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Stufen umfaßt:

Anordnen der Pulvermischung nach Anspruch 1 auf dem Reparaturbereich,

Erhitzen des Bereiches bis unterhalb der Schmelzeinsatztemperatur der Legierung und in einen ersten Temperaturbereich von 1162,8-1246,1ºC (2125-2275ºF) für eine ausreichende Zeit, um mindestens einen Teil der Pulvermischung auf dem Reparaturbereich zum Fließen zu bringen und danach Erhitzen des Reparaturbereiches in einen zweiten Temperaturbereich unter dem ersten Temperaturbereich für mindestens 8 Stunden, um mindestens einen Teil der Pulvermischung in die Legierung des Gegenstand zu diffundieren und ein Reparaturbereichsgefüge mit einer feinen Dispersion von Zweitphasen-Boriden oder -karbiden oder beiden zu schaffen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, zur Reparatur einer Nickelbasissuperlegierung, bei dem nach dem Erhitzen auf die zweite Temperatur der Reparaturbereich zur Gamma'- Verfestigung bzw. Härtung gealtert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Altern in einem Temperaturbereich von 843,3-871,1ºC (1550-1650ºF) 4 bis 8 Stunden lang ausgeführt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem:

der erste Temperaturbereich von 1173,9-1218,3ºC (2145-2225ºF) reicht;

der zweite Temperaturbereich von 1093,3-1162,8ºC (2000-2125ºF) reicht und

der Reparaturbereich mindestens 8 Stunden lang im zweiten Temperaturbereich gehalten wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Reparaturbereich 8 bis 15 Stunden bei der zweiten Temperatur gehalten wird.

19. Ein reparierter Gegenstand aus einer Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Superlegierung, der einen Reparaturbereich einschließt, der gemäß dem Verfahren nach Anspruch 14 behandelt worden ist, wobei der Temperaturbereich durch ein Gefüge einer feinen diskreten Dispersion von Zweitphasenboriden oder -karbiden oder beiden und Festigkeitseigenschaften gekennzeichnet ist, die mindestens der Festigkeit der Superlegierung angenähert sind.

20. Der Gegenstand nach Anspruch 18, bei dem der Reparaturbereich einen reparierten Spalt bis zu 0,508 mm (0,02 Zoll) einschließt.