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Diese
Erfindung betrifft die Schweißreparatur
von Gegenständen
mit einer durch gerichtete Verfestigung erzeugten gerichteten Kornstruktur
und insbesondere die Schweißreparatur
von gerichtet verfestigten Superlegierungen auf Basis von Nickel.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Metallische
Gegenstände
können
mit einer gerichtet verfestigten Kornstruktur hergestellt werden,
um ihre mechanischen Eigenschaften bei höheren Temperaturen zu verbessern.
Bei der gerichteten Verfestigung wird geschmolzenes Metall in einer
die Gestalt des Gegenstands definierenden Form einseitig gerichtet
von einem Ende der Form aus abgekühlt. Das Metall verfestigt
sich erst an dem Ende, von welchem Wärme entzogen wird, und dann
entlang dem Längsverlauf
der Form, sobald die Temperatur unter die Solidus-Temperatur fällt. Die
sich ergebende Struktur hat eine Anzahl von Körnern, die entlang des Längsverlaufs
der Form parallel zur Wärmeflussrichtung
länglich
sind. Die Korngrenzen sind ebenfalls parallel zur Wärmeflussrichtung.
Die Körner
zeigen typischerweise eine gerichtete Kornstruktur gemäß der am
schnellsten wachsenden kristallographischen Richtung oder einer
an dem verfestigten ersten Ende indizierten Keimausrichtung. Die
Kornausrichtung wird so gewählt,
dass gute Hochtemperatureigenschaften erzielt werden.
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Im
Einsatz wird der durch gerichtete Verfestigung hergestellte Gegenstand
so positioniert, dass die mechanische Hauptbelastung parallel zu
der Wärmeflussrichtung
während
der Verfestigung aufgebracht wird. Die Ausrichtung der Kornstruktur
parallel zur Wärmeflussrichtung
legt die größte Materialfestigkeit
in diese Richtung. Zusätzlich
reduziert die Ausrichtung der Korngrenzen parallel zu der Wärmeflussrichtung
das Auftreten von Korngrenzenkriechen. Die gerichtete Verfestigung
wird zum Herstellen gegossener Gegenstände aus Superlegierungen auf
Basis von Nickel zur Verwendung in den heißesten Abschnitten von Flugzeuggasturbinentriebwerken
verwendet.
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Wenn
der Gegenstand gerichtet verfestigt wird, können Gießeffekte, sowohl der Art, die
allen Gießprozessen
gemeinsam ist, als auch der Art, die für gerichtete Verfestigung typisch
sind, auftreten. Diese Defekte manifestieren sich als Risse, insbesondere
Zwischenkornrisse, die sich parallel zu der Richtung der Verfestigung
erstrecken. Es können auch
andere Arten von Defekten während
der Verfestigung und auch während
des Einsatzes erzeugt werden.
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Die
gerichtet verfestigten Gegenstände
sind relativ teuer herzustellen. Es ist daher erwünscht, die während des
Gießvorgangs
oder des Einsatzes erzeugten Defekte zu reparieren, wenn eine derartige Reparatur
ausführbar
ist. In einem Konzept kann der Defekt durch einen Schweißprozess,
in welchem der Defekt mit einem Zusatzmaterial gefüllt und
verfestigt wird, oder mittels anderer Auffüllprozeduren repariert werden.
Derartige Techniken sind für
gleichachsige Gegenstände
bekannt. Wenn sie bei gerichtet verfestigten Gegenständen angewendet
werden, ist das Ergebnis eine unzureichende Reparatur, die eine
inhomogene Mikrostruktur aufweist und deren mechanischen Eigenschaften
unabnehmbar niedrig sind. Der repa rierte Gegenstand kann auch zu
einer geringeren Duktilität
als der defektfreie Gegenstand neigen.
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EP-A-0
478 734 offenbart ein Verfahren für ein rissfreies Schweißen eines γ'-ausfällungsverfestigten
Superlegierung auf Basis von Nickel.
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Es
besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Konzept für die Reparatur
von gerichtet verfestigten metallischen Gegenständen. Die vorliegende Erfindung
stillt diesen Bedarf und stellt weiter damit zusammenhängende Vorteile
bereit.
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KURZZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren für die Reparatur von gerichtet
verfestigten Gegenständen.
Dieses Konzept erzeugt eine chemisch homogene Struktur und eine
Kornstruktur, die zu dem Rest des Gegenstandes ähnlich gerichtet ist. Demzufolge
hat der reparierte Gegenstand Eigenschaften, welche dieselben oder
nahezu dieselben wie eines defektfreien Abschnittes des Gegenstandes
sind. Der reparierte Gegenstand kann daher im Dienstbetrieb ohne
wesentliche Reduzierung in den Eigenschaften im Vergleich zu einem
defektfreien Gegenstand eingesetzt werden.
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Ein
Verfahren zum Reparieren eines gerichtet verfestigten Gegenstandes
weist die Schritte der Bereitstellung eines gerichtet verfestigten
Gegenstandes auf, der ein Basismaterial mit einer Solidus-Temperatur
und einen Reparaturbereich mit einer Kornstruktur aus Körnern aufweist,
die im Wesentlichen parallel zu einer Verfestigungsrichtung länglich sind.
Der Reparaturbereich enthält
einen Defekt, der parallel zu der Verfestigungsrichtung länglich ist.
Der Gegenstand wird auf eine Reparaturtemperatur von etwa 60 bis
etwa 98 Prozent der Solidus-Temperatur, bevorzugt von etwa 60 bis
etwa 80 Prozent der Solidus-Temperatur des Basismaterial in einer
ein Schutzgas enthaltenden Kammer erwärmt, das eine Oxidation des
Basismaterials verhindert. Der Defekt wird mit einem Zusatzmaterial
gefüllt, während gleichzeitig
der Gegenstand auf der Reparaturtemperatur gehalten wird. Der Schritt
der Füllung
umfasst die Schritte der Bereitstellung einer Quelle aus einem Zusatzmaterial
mit im Wesentlichen derselben Zusammensetzung wie das Basismaterial
des gerichtet verfestigten Gegenstandes, und ein progressives Einfließenlassen
des Zusatzmaterials in den Defekt unter Bewegung der Zusatzmaterialquelle
in Bezug auf den Gegenstand in einer Richtung parallel zu der Verfestigungsrichtung,
so dass das Zusatzmaterial innerhalb des Defektes verfestigt. Optional
kann dem Gegenstand künstlich Wärme in einer
Wärmeflussrichtung
entzogen werden, die innerhalb etwa 45° der Verfestigungsrichtung liegt.
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Der
Gegenstand besteht bevorzugt aus einer Superlegierung auf Basis
von Nickel. Der Defekt in dem Gegenstand ist typischerweise ein
Riss, der sich parallel zu der Verfestigungsrichtung erstreckt,
und ist insbesondere ein Riss zwischen Korngrenzen. Die Erfindung
ist auch für
andere Reparaturarten oder Defekte anwendbar. Bevorzugt werden vor
der Erwärmung
alle in dem Defekt vorhandenen Fremdmaterialien entfernt. Die Entfernung
des Fremdmaterials wird üblicherweise
durch Wegschleifen des Basismaterials um den Defekt erzielt, wodurch
ein Hohlraum erzeugt ist, der mit dem Zusatzmaterial zu füllen ist, und
indem der den Defekt enthaltende Reparaturbereich chemisch gereinigt
wird.
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Das
vorliegende Konzept erzeugt einen reparierten Bereich, in welchem
der ursprüngliche
Defekt mit demselben Material wie die das Basismaterial des Gegenstandes
gefüllt
ist. Die Erwärmung
des Gegenstandes auf eine hohe Temperatur während des Füllvorgangs des Defektes verringert
das Auftreten einer Inkompatibilität zwischen dem Zusatzmaterial
und dem Basismetall und reduziert auch die Wahrscheinlichkeit von
Ausfällen
des Basismetalls aufgrund einer niedrigen Duktilität des Basismetalls in
Zwischentemperaturbereichen.
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Die
Kornstruktur des reparierten Bereichs, die ursprünglich die Defekte enthielt, ähnelt dem
Rest des Gegenstandes. Die Kornstruktur des reparierten Bereichs
hat zu der ursprünglichen
Wärmeflussrichtung
gerichtete parallele Körner
der Basismetallzusammensetzung, und die Korngrenzen liegen ebenfalls
parallel zu der Wärmeflussrichtung.
Die Korngröße kann
unterschiedlich sein, aber die gerichtete Kornstruktur des reparierten
Bereichs führt
zu keiner Beeinträchtigung
der Eigenschaften, wie sie beobachtet werden könnte, wenn die Kornstruktur
des reparierten Bereichs gleichachsig wäre oder zu der ursprünglichen
Wärmeflussrichtung
senkrechte Korngrenzen hätte.
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Das
vorliegende Konzept ermöglicht
somit die Reparatur von Defekten in gerade gegossenen oder in Dienstbetrieb
eingesetzten gerichtet verfestigten Gegenständen mit sehr geringer, wenn überhaupt
einer, Reduzierung in den Eigenschaften der Gegenstände. Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
nachstehenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
ersichtlich, welche im Rahmen eines Beispiels die Prinzipien der
Erfindung veranschauli chen. Der Schutzumfang der Erfindung ist jedoch nicht
auf diese bevorzugte Ausführungsform
beschränkt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Block-Flussdiagramm eines Konzeptes zur praktischen Ausführung der
Erfindung;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Gegenstandes mit einem Defekt;
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3 ist
eine Draufsicht auf den der Reparatur unterzogenen Gegenstand;
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4 ist
eine Schnittansicht des Gegenstandes von 3 entlang
der Linie 4-4;
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5 ist
eine Draufsicht auf einen mittels eines anderen Konzeptes reparierten
Artikel, welches nicht innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegt;
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6 ist
eine Schnittansicht des Gegenstandes von 5 entlang
der Linie 6-6; und
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7 ist
eine perspektivische Ansicht eines typischen Innen- oder Außenkanaleinsatzbleches.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 ist
ein Block-Flussdiagramm eines bevorzugten Konzeptes zur praktischen
Ausführung
der Erfindung. Ein gerichtet verfestigter Gegenstand wird bereitgestellt,
Bezugszei chen 20. 2 veranschaulicht
einen derartigen gerichtet verfestigten Gegenstand 40,
in diesem Falle eine Turbinenlaufschaufel für ein Gasturbinentriebwerk.
Die Turbinenlaufschaufel 40 enthält ein Schaufelblatt 42,
gegen welches der Strom heißen
Abgases gerichtet ist, wenn sich das Turbinenlaufschaufelblatt in
einem Gasturbinentriebwerk im Betrieb befindet. Die Turbinenlaufschaufel 40 ist
auf einer (nicht dargestellten) Turbinenscheibe mittels eines Schwalbenschwanzes 44 befestigt,
welcher sich von dem Schaufelblatt 42 nach unten erstreckt
und in einen Schlitz auf der Turbinenscheibe eingreift. Eine Plattform 46 erstreckt
sich in Längsrichtung
nach außen
aus dem Bereich, in welchem das Schaufelblatt 42 mit dem
Schwalbenschwanz 44 verbunden ist. Eine Anzahl interner
Kanäle
kann sich durch das Innere des Schaufelblattes 42 erstrecken und
in Öffnungen 48 in
der Oberfläche
des Schaufelblattes 42 enden. Der gesamte Gegenstand 40 oder Abschnitte
davon können
mit einer Schutzbeschichtung beschichtet sein. Die vorliegende Erfindung
ist bei Turbinenlaufschaufeln, der bevorzugten Anwendung, sowie
auch bei anderen gerichtet verfestigten Gegenständen anwendbar. Beispiele von
in Gasturbinentriebwerken verwendeten Gegenständen umfassen Turbinenleitschaufeln,
Mischerdüsen,
innere und äußere Übergangskanaleinsatzbleche
und Übergangskanalstreben. 7 stellt
ein typisches Innen- oder Außenkanaleinsatzblech
dar.
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Die
Turbinenlaufschaufel 20 besteht aus einem metallischen
Legierungsbasismaterial, das bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise
eine Superlegierung auf Basis von Nickel ist. Die bevorzugte Legierung
auf Basis von Nickel bedeutet, dass mehr Nickel in Gewichtsprozent
als jedes andere Element enthalten ist. Die bevorzugte Legierung
auf Basis von Nickel ist eine Superlegierung und wird durch die Ausfällung von γ'- (typischerweise Ni3)(Al,
CI))-Partikeln in einer γ-Matrix
verstärkt.
Die Legierung besitzt eine Solidus-Temperatur, welche die Temperatur
ist, bei welcher nach dem Erwärmen
eines festen Materials mit der Zusammensetzung der Legierung das Auftreten
einer Flüssigphase
beginnt. Die Erfindung ist auch mit anderen Legierungen ausführbar.
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Beispiele
bevorzugter Superlegierungen auf Basis von Nickel, die mit dem vorliegenden
Konzept einsetzbar sind, enthalten Rene 80H mit einer nominellen
Zusammensetzung in Gewichtsprozent von etwa 9,5 Prozent Kobalt,
etwa 14 Prozent Chrom, etwa 4 Prozent Molybdän, etwa 4 Prozent Wolfram, etwa
3 Prozent Aluminium, etwa 5 Prozent Titan, etwa 0,75 Prozent Hafnium,
etwa 0,2 Prozent Kohlenstoff und etwa 0,015 Prozent Bor, der Rest
Nickel und Verunreinigungen; Rene 108 mit einer nominellen Zusammensetzung
in Gewichtsprozent von etwa 9,4 Prozent Kobalt, etwa 8,2 Prozent
Chrom, etwa 0,5 Prozent Molybdän,
etwa 9,5 Prozent Wolfram, etwa 3,2 Prozent Tantal, etwa 5,6 Prozent
Aluminium, etwa 0,7 Prozent Titan, etwa 1,5 Prozent Hafnium, etwa
0,1 Prozent Kohlenstoff, etwa 0,015 Prozent Bor, der Rest Nickel
und Verunreinigungen; Rene 150 mit einer nominellen Zusammensetzung
in Gewichtsprozent von etwa 12 Prozent Kobalt, etwa 5 Prozent Chrom,
etwa 1 Prozent Molybdän,
etwa 5 Prozent Wolfram, etwa 2,2 Prozent Vanadium, etwa 6 Prozent
Tantal, etwa 5,5 Prozent Aluminium, etwa 3 Prozent Eisen, der Rest
Nickel und Verunreinigungen; Rene 142 mit einer nominellen Zusammensetzung
in Gewichtsprozent von etwa 12 Prozent Kobalt, etwa 6,8 Prozent
Chrom, etwa 1,5 Prozent Molybdän, etwa
4,9 Prozent Wolfram, etwa 6,4 Prozent Tantal, etwa 6,2 Prozent Aluminium,
etwa 2,8 Prozent Eisen, etwa 1,5 Prozent Hafnium, etwa 0,1 Prozent
Kohlenstoff, etwa 0,015 Prozent Bor, der Rest Nickel und Verunreinigungen;
und Mar-M247 mit einer nominellen Zusammensetzung in Gewichtsprozent
von etwa 10,3 Prozent Kobalt, etwa 8,4 Prozent Chrom, etwa 0,75
Prozent Molybdän,
etwa 9,9 Prozent Wolfram, etwa 3,1 Prozent Tantal, etwa 5,5 Prozent
Aluminium, etwa 1 Prozent Titan, etwa 1,5 Prozent Hafnium, etwa
0,2 Prozent Kohlenstoff, der Rest Nickel und Verunreinigungen. Die
vorliegende Erfindung ist auch bei anderen Legierungen ausführbar.
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Der
Gegenstand 40 wird zu Beginn durch eine gerichtete Verfestigung
hergestellt. Das Ergebnis der Verarbeitung mittels gerichteter Verfestigung, welche
im Fachgebiet allgemein bekannt ist, ist eine Vielzahl von Korngrenzen 50,
die sich in Längsrichtung
durch den Gegenstand 40 erstreckt, und Körner 52 trennt.
Die Körner 52 sind
mit einer bevorzugten kristallographischen Richtung, wie z.B. [001],
in dem Falle der meisten Superlegierungen auf Basis von Nickel parallel
zu einer Verfestigungsrichtung 54 gerichtet. Die Korngrenzen 50 verlaufen
auch parallel zu der Verfestigungsrichtung 54. Diese Korngrenzen 50 sind
auf der Oberfläche
des Gegenstandes 40 sichtbar und dringen in dessen Inneres
ein. Die kristallographischen Richtung der Körner 52 und die Korngrenzen 50 müssen nicht
genau parallel zu der Verfestigungsrichtung 54 sein, sondern
liegen typischerweise innerhalb 15° der Verfestigungsrichtung. Der
Gegenstand 40 kann auch einige Körner und Korngrenzen enthalten,
die nicht parallel zu der Verfestigungsrichtung 54 sind,
insbesondere in unregelmäßigen Bereichen,
wie z.B. der Plattform 46.
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Der
Gegenstand 40 weist einen Reparaturbereich 56 auf,
in welchem die Körner 52 im
Wesentlichen parallel zu der Verfestigungsrichtung 54 in
der beschriebenen Weise länglich
sind. Der Reparaturbereich 56 enthält einen Defekt 58.
Die üblichs te
Defektart 58, welche hierin detaillierter diskutiert wird,
ist ein Riss, welcher sich von der Oberfläche aus nach innen erstreckt,
und welcher parallel zur Verfestigungsrichtung 54 länglich ist.
Der Defekt 58 ist typischerweise intergranular, d.h., in
der Korngrenze 50 zwischen zwei benachbarten Körnern 52.
Ein derartiger intergranularer Riss kann während der Richtungsverfestigung
der Gießprozedur,
in welcher der Gegenstand 40 gegossen wird, ausgebildet
werden, oder kann während
des Einsatzes ausgebildet werden. Die Erfindung ist auch bei der
Reparatur anderer Defekttypen ausführbar. Beispiele derartiger
Defekte umfassen diejenigen, die man üblicherweise während des
Gießens
findet, wie z.B. Einschlüsse,
Bereiche ohne Füllung
und Porosität
und Defekte, die direkter Richtungsverfestigungsprozessen zugeordnet sind,
wie z.B. Sprenkel und vereinzelte Kornkeimbildung. Einsatzdefekte
umfassen beispielsweise Aufprallereignisse, Korrosion und Stichflammendefekte.
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Der
Defekt 58 weist typischerweise verschiedene Arten von Fremdmaterial
in dem Bereich 56 des Defektes, wie z.B. entlang den Seiten
eines Zwischenkornrisses, eingebettet auf. Das Fremdmaterial kann
beispielsweise Oxide, Verunreinigungspartikel und dergleichen beinhalten.
Wo derartiges Fremdmaterial vorhanden ist, wird es bevorzugt aus
dem Bereich 56 des Defektes 58 vor den anschließenden Schritten
des Reparaturprozesses entfernt, Bezugszeichen 22. Wenn
das Fremdmaterial nicht entfernt wird, könnte es die Füllung des
Defektes stören
und den reparierten Defekt geschwächt hinterlassen. Die Entfernung
des Fremdmaterials wird bevorzugt durch Schleifen des Basismaterials
des Gegenstandes 40 an den Seiten des Defektes 58 typischerweise
auf eine Breite wenigstens des Doppelten der Breite der ursprünglichen
Breite des Defektes 58 entfernt. Der den Defekt enthaltende
Bereich 56 kann auch chemisch gereinigt werden, wie z.B.
durch Verwendung einer Säure
zum Entfernen einer Oberflächenschicht des
Bereichs 56. Das Ergebnis der Entfernung des Fremdmaterials
ist üblicherweise
ein größeres Volumen,
das mit Material zu füllen
ist, als die Größe des ursprünglichen
Defektes, wobei aber für
die vorliegenden Zwecke dieses Volumen immer noch als der Defekt
bezeichnet wird.
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Der
Gegenstand wird auf eine Reparaturtemperatur erwärmt, Bezugszeichen 24.
Die anschließende
Fülloperation
muss bei der erhöhten
Reparaturtemperatur ausgeführt
werden. Die Fülloperation
kann nicht bei Raumtemperatur oder einer niedrigeren Temperatur
als der anschließend
als Reparaturtemperatur spezifizierten ausgeführt werden, oder die Reparatur
wird nicht erfolgreich. Die Reparaturtemperatur liegt bei etwa 60
bis etwa 98 Prozent der Solidus-Temperatur, bevorzugt bei etwa 60
bis etwa 80 Prozent der Solidus-Temperatur des Legierungsbasismaterials,
das den Gegenstand 40 bildet. Wenn die Reparaturtemperatur
niedriger ist, ist der anschließende
Füllvorgang
nicht erfolgreich und/oder der letztlich reparierte Gegenstand hat
keine ausreichenden Eigenschaften. Die Reparaturtemperatur kann
nicht höher
sein, da sonst der Gegenstand zu schmelzen beginnen kann.
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Während des
anschließenden
Füllvorgangs kann
die Temperatur des den Defekt 58 enthaltenden Bereichs 56 lokal
höher sein,
da das Zusatzmaterial in den Defekt 58 einschmilzt. Die
vorstehend spezifizierte "Reparaturtemperatur" bezieht sich auf
die Temperatur des Volumenbasismaterials des Gegenstandes 40 in
der Nähe
des Defektes 58, die durch eine allgemeine Er wärmung des
Gegenstandes erzeugt wird, jedoch nicht auf die Temperatur in dem Defekt 58.
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Der
Gegenstand 40 wird im Allgemeinen in einer Schweißkammer
mittels eines irgendeines ausführbaren
Verfahrens erwärmt.
Die Schweißkammer umgibt
den Gegenstand mit einem Schutzgas, das die Oxidation des Gegenstandes 40 während der Füllprozedur
verhindert. Das bevorzugte Schutzgas ist Argon bei einem Druck leicht über einer
Atmosphäre,
um eine Leckage in die Kammern zu verhindern. Das Schutzgas kann
eine bestimmte geringe Oxidation zulassen, wobei jedoch der Oxidationsgrad erheblich
im Vergleich zu dem Grad reduziert ist, der bei Fehlen des Schutzgases
auftreten würde.
Die Schweißkammer
ist bevorzugt ein Handschuhkasten, der bei leichtem Überdruck
(typischerweise 0,07–0,14
bar (1 bis 2 psi) über
Atmosphärendruck) des
Inertgases wie gerade eben beschrieben betrieben wird, um eine hohe
Reinheit zu erzielen. Das Innere des Handschuhkastens wird bevorzugt
vor dem Start des Schweißvorgangs
vorgeheizt, um Sauerstoff, Feuchtigkeit und andere Gase auszugasen.
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In
dem bevorzugten Falle des Schweißens unter hochreinem inerten
Argongas wird darauf geachtet, den Sauerstoffanteil des Inertgases
kleiner als 1 ppm zu halten, da der Restsauerstoff erheblich Legierungselemente
in der Superlegierung auf Basis von Nickel oxidiert, und so die
Schweißqualität reduziert.
Aus demselben Grunde wird die Feuchtigkeit des Inertgases sehr niedrig
gehalten, wobei der Taupunkt des Inertgases niedriger als etwa –66°C (–80°F) ist. Die
Sauerstoff- und Feuchtigkeitsanteile können auf diesen niedrigen Werten
gehalten werden, indem das Inertgas durch einen bei 871°C (1600°F) betriebenen
Nickelzuggasreiniger geführt wird,
bevor es in die Schweißkammer
eintritt und indem kontinuierlich der Sauerstoffanteil des Inertgases überwacht
wird.
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Der
(durch die Entfernung von Fremdmaterial modifizierte) Defekt 58 wird
mit einem Zusatzmaterial gefüllt,
während
der Gegenstand 40 im Wesentlichen auf der Reparaturtemperatur
gehalten wird, Bezugszeichen 26. Während des Füllprozesses wird eine Quelle
mit einem Zusatzmaterial bereitgestellt, Bezugszeichen 28.
Das Zusatzmaterial weist im Wesentlichen dieselbe Zusammensetzung
wie das metallische Basismaterial auf, aus welchem der Gegenstand 40 im
Wesentlichen hergestellt ist. Kleinere Varianten in der Zusammensetzung
sind jedoch hinnehmbar. Die Aufgabe des Füllprozesses besteht in der
Füllung
des Defektes mit einem Metall mit etwa derselben Zusammensetzung
wie das metallische Basismaterial, und auch in dem Erzielen einer
gerichtet orientierten Kornstruktur. Das Zusatzmaterial kann in
jeder verarbeitbaren Form vorliegen. Bevorzugte Formen beinhalten
einen Schweißstab
und Pulver.
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3 und 4 stellen
den Reparaturbereich 56 detaillierter dar. In 3 ist
der ursprüngliche
Defekt mit dem Bezugszeichen 58' bezeichnet, und der Defekt nach
der Entfernung von Fremdmaterial (Schritt 22) ist mit dem
Bezugszeichen 58 bezeichnet. Man lässt progressiv eine Quelle 59 des Zusatzmaterials
in den Defekt 58 unter Bewegung der Zusatzmaterialquelle 59 in
Bezug auf den Gegenstand 40 in einer Richtung parallel
zu der Verfestigungsrichtung 54 einschmelzen. In der Darstellung von 3 beginnt
die Quelle des Zusatzmaterials an dem ersten Ende 60 des
Defektes 58 und wird allmählich parallel zu der Verfestigungsrichtung 54 zu einem
zweiten Ende 62 geführt.
Diese Relativbewegung kann erzielt werden, indem der Gegenstand 40 festgehalten
wird und die Quelle 59 bewegt wird, indem die Quelle 59 festgehalten
wird und der Gegenstand 40 bewegt wird, oder durch eine
beliebige Kombination dieser Bewegungen.
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Die
Quelle 59 des Zusatzmaterials wird allmählich durch eine geeignete
Erwärmungstechnik geschmolzen,
Bezugszeichen 30. Im Falle der dargestellten Schweißstabquelle
kann die Quelle 59 durch einen elektrischen Lichtbogenbeschuss
zwischen der Quelle 59 und dem Gegenstand 40,
indem ein Lichtbogen zwischen einer Elektrode und dem Gegenstand
ausgebildet wird, und das Füllermaterial
in den Lichtbogen geführt
wird, durch Laserschmelzen, durch eine getrennte Wärmequelle
oder durch irgendeine andere ausführbare Wärmequelle geschmolzen werden.
In dem Falle einer Pulverquelle 59 kann die Erwärmung durch
ein Plasmaspritzen oder eine andere betreibbare Wärmequelle
erreicht werden.
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Das
geschmolzene Zusatzmaterial bildet einen Pool, der das Volumen des
Defektes 58 ausfüllt. Gleichzeitig
wird Wärme
aus dem Gegenstand in einer Wärmeflussrichtung 64 oder
in mehreren Wärmeflussrichtungen
entzogen, Bezugszeichen 32. Die Wärmeflussrichtung 64 ist
bevorzugt parallel zu der Verfestigungsrichtung 54 und
entgegengesetzt zu der Relativbewegung der Quelle 59 in
Bezug auf den Gegenstand 40. D.h., dass, wenn sich die
Quelle 50 von dem ersten Ende 60 zu dem zweiten
Ende 62 hin bewegt, die Wärmeflussrichtung von dem ersten Ende 60 in
einer Richtung von dem zweiten Ende 62 weg liegt. Die Wärmeflussrichtung 64 kann,
obwohl sie bevorzugt parallel zu der Verfestigungsrichtung 54 liegt,
von der Verfestigungsrichtung 54 bis zu etwa 45° abweichen.
Jedoch ist, je größer die
Abweichung der Wärmeflussrichtung 64 von
der Verfestigungsrichtung 54 ist, die Endstruktur des reparierten
Defek tes weniger erwünscht.
Der Entzug von Wärme
bewirkt, dass das Zusatzmaterial sich progressiv als eine Abscheidung
des Füllermaterials 65 innerhalb des
Volumens des Defektes 58 von dem ersten Ende 60 zu
dem zweiten Ende 62 hin verfestigt. Der gerichtete Wärmeentzug
in der Wärmeflussrichtung 64 tritt natürlich als
eine Folge der Relativbewegung der Quelle 59 des Zusatzmaterials
auf. Optional kann der Wärmeentzug
künstlich
durch die Verwendung von Kühlmitteln,
wie z.B. eines Kühlgasstroms,
der auf die Oberfläche
des Gegenstandes 40 auftrifft, oder eines Kühlblockes,
der so platziert ist, dass der Wärmeentzug
entlang der Wärmeflussrichtung 64 beschleunigt
wird, unterstützt
oder beschleunigt werden.
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3 und 4 stellen
die Kornstruktur dar, die sich aus diesem gesteuerten Schweißreparaturprozess
ergibt. Das Zusatzmaterial hat eine orientierte Kornstruktur, die
Körner 66 innerhalb
des reparierten Defektes umfasst, der sich von dem ersten Ende 60 zu
dem zweiten Ende 62 hin erstreckt. Die bevorzugte Ausrichtung
der Körner 66 ist
zu der Verfestigungsrichtung 54 parallel oder nahezu parallel,
und somit zu der bevorzugten Ausrichtung innerhalb der Körner 52 des
Basismetalls des Gegenstandes 40 parallel. Die Korngrenzen 68 der
Körner 66 innerhalb des
reparierten Defektes 58 sind zu der Verfestigungsrichtung 54 und
somit zu den Korngrenzen 50 des Basismetalls parallel oder
nahezu parallel.
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Diese
reparierte Struktur ist im Wesentlichen in der Zusammensetzung homogen,
da das Zusatzmaterial im Wesentlichen dieselbe Zusammensetzung wie
das metallische Basismaterial des Gegenstandes 40 aufweist.
Die Körner,
einschließlich
sowohl der Körner 52 des
Basisgegenstandes 40 als auch die Körner 66 des reparierten
Bereichs 56, sind größtenteils
in ih ren bevorzugten Richtungen zu der Verfestigungsrichtung 54 parallel
orientiert. Die Korngrenzen, einschließlich sowohl der Korngrenzen 50 des
Basismaterials als auch der Korngrenzen 68 des reparierten
Bereichs 56 sind größtenteils
zu der Verfestigungsrichtung parallel orientiert. Die Folge dieser
Homogenität
der Zusammensetzung und der Gleichförmigkeit der Orientierung besteht
darin, dass der reparierte Gegenstand Eigenschaften besitzt, die dieselben
oder nahezu dieselben sind wie die eines Gegenstandes, der keine
Defekte oder reparierte Bereiche besitzt.
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Nach
dem Füllungsschritt 26 kann
der Gegenstand 40 optional wärmebehandelt werden, Bezugszeichen 34.
Die Wärmebehandlung
wird, wenn sie ausgeführt
wird, normalerweise so gewählt,
dass sie die optimale Struktur für
die in dem Endgegenstand gewünschten
Eigenschaften bereitstellt. Demzufolge ist die ausgewählte Wärmebehandlung
der spezifischen Legierung zugeordnet, die repariert worden ist.
Beispielsweise kann der Gegenstand gemäß legierungsspezifischen Prozeduren
lösungsbehandelt
und gealtert und/oder entspannt werden.
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Diese
Struktur ist einer überlegen,
in welcher die Zusammensetzung des Zusatzmaterials sich wesentlich
von dem des Basismaterials unterscheidet, und in welcher die Wärmeflussrichtung
nicht gesteuert wird, so dass der Wärmefluss im Wesentlichen hauptsächlich entlang
der Verfestigungsrichtung 54 verläuft. Gemäß Darstellung in den 5 und 6 liegen,
wenn eine Wärmeflussrichtung 70 senkrecht zu
der Verfestigungsrichtung 54 vorliegt, die Körner in
dem reparierten Defekt ebenfalls im Wesentlichen senkrecht zu der
Verfestigungsrichtung 54. Die Folge ist, dass, wenn die
Zusammensetzung des Zusatzmaterials sich von dem des Basismetalls
unterscheidet, eine Inhomogenität
in der Festigkeit, Korrosion und anderen Eigenschaften vorliegt.
Da die Wärmeflussrichtung
senkrecht zu der Verfestigungsrichtung ist, sind die Körner in
dem reparierten Defekt so orientiert, dass die Korngrenzen senkrecht
zu der Verfestigungsrichtung 54 sind, und somit zu der
Hauptbelastungsrichtung des Gegenstandes im Einsatz. Diese Orientierung
kann zu einem vorzeitigen Ausfall führen. Eine gleichachsige Kornstruktur
in dem reparierten Defekt würde
ebenfalls unter diesem Problem leiden.
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Obwohl
eine spezielle Ausführungsform
der Erfindung im Detail für
die Zwecke der Darstellung beschrieben wurde, können verschiedene Modifikationen
und Verbesserungen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung
gemäß Definition in
den beigefügten
Ansprüchen
ausgeführt
werden.