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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Reparaturmaterial für Bauteile
im Allgemeinen und insbesondere die Reparatur von metallischen Bauteilen.
Von besonderem Interesse sind aus Legierungen (insbesondere Superlegierungen)
hergestellte Bauteile und deren Reparatur unter Verwendung geeigneter
Reparaturmaterialien.
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Hintergrund
der Erfindung
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Legierungen
und insbesondere jene Legierungen, welche große Drücke und Temperaturen aushalten
können,
sind von Interesse, da mit diesen Materialien gebildete Bauteile
oft teuer herzustellen sind und es wirtschaftlicher ist, sie zu
reparieren, anstatt sie zu ersetzen.
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Ein
gut bekanntes Verfahren zum Reparieren von Rissen und anderen Brüchen in
einem Gegenstand, wie einem Bauteil, ist Hartlöten. Demgemäß gibt es einen Bedarf für Hartlötmaterialien,
welche zur Verwendung zum Reparieren von Bauteilen geeignet sind.
Es ist wünschenswert,
dass das als Hartlot verwendete Material zu einer Reparatur führt, die
das Bauteil in einen benutzbaren Zustand wiederherstellt. Hartlötmaterialien
und -verfahren, welche gut funktionieren, um Legierungen, wie zum
Beispiel Superlegierungen zu reparieren, sind daher wichtig. Superlegierungen
sind Fachleuten gut bekannt. Derartige Materialien werden verwendet,
um viele Typen von Bauteilen herzustellen und insbesondere im Zusammenhang
der vorliegenden Erfindung sind die Legierungen (Superlegierungen),
die von höchstem Interesse
sind, jene, die in der Herstellung von Turbinenbauteilen (Gasturbinenbauteilen)
des in (Turbinen-)Maschinen eines Flugzeugs gefundenen Typs und
dergleichen verwendet werden.
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Die
Verwendung von Hartlötmaterialien
kann helfen, die Betriebslebensdauer von Bauteilen, welche, wenn
sie nicht zu einer genügend
hohen Festigkeit repariert werden, anderenfalls entfernt und ersetzt
werden müssen,
zu verlängern.
Hartlötverfahren
sind Fachleuten gut bekannt und schließen Vakuumverfahren ein. Derartige
Verfahren werden hier nicht ausführlich
diskutiert.
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Es
ist selbstverständlich,
dass eine der Hauptrahmenbedingungen der Festigkeit einer Reparatur
die Fähigkeit
der Reparatur ist, sehr hohe Temperaturen auszuhalten. Es ist selbstverständlich, dass
die in zum Beispiel einer Turbinenmaschine erreichten Temperaturen
sehr hoch sein können,
so dass nicht alle Hartlötmaterialien
(Gegenstände)
zur Reparatur geeignet sind. Insbesondere ist es wünschenswert,
Materialien zu finden, welche zum Verbinden von Superlegierungsmaterialien
zum Zweck der Reparatur (z.B. Verbinden gegenüberliegender Seiten eines Bruchs)
geeignet sind. Von besonderem Interesse im Zusammenhang der vorliegenden
Erfindung sind Einkristall- (englisch: Single Crystal, „SC") und gerichtet erstarrte
(englisch: Directionally Solidified, „DS") Superlegierungen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Zusammensetzungen, welche zur Verwendung
als Reparaturmaterialien für
die Reparatur von Superlegierungsmaterialien geeignet sind. Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine feste Zusammensetzung,
insbesondere ein Pulvermaterial, welches so verwendet werden kann.
Von besonderem Interesse sind Zusammensetzungen in Pulverform. Im Besonderen
betrifft diese Erfindung ein Hartlötmaterial, umfassend eine Hartlötlegierung
(die Hartlötlegierung
kann als eine aus einem Pulvergemisch gebildete Legierung betrachtet
werden). Die in der vorliegenden Erfindung gebrauchten Materialien
weisen eine hohe Schmelztemperatur auf. Die Erfindung betrifft ebenfalls
ein Verfahren zur Hartlötreparatur
von Bauteilen, zum Beispiel Turbinenbauteilen. Ebenfalls innerhalb
des Umfangs der Erfindung ist ein durch ein Verfahren der Erfindung
reparierter Gegenstand.
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Es
ist festgestellt worden, dass viele Materialien, welche zum Reparieren
herkömmlicher
Gegenstände/Bauteile
geeignet sind, SC- oder DS-Superlegierungen nicht genügend gut
reparieren. Es ist wünschenswert,
Reparaturmaterialien und/oder Reparaturverfahren bereitzustellen,
welche besonders zur Reparatur von SC- oder DS-Materialien geeignet sind.
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Superlegierungen
auf Nickel- und Kobaltbasis sind die am häufigsten in der Herstellung
von Turbinenbauteilen, wie Turbinenblättern, verwendeten Superlegierungen.
SC- oder DS-Superlegierungen, welche
diese Materialien enthalten, sind in der vorliegenden Erfindung
von besonderem Interesse. Derartige Materialien sind mit Zusammensetzungen
des Standes der Technik nicht genügend gut repariert worden.
Es ist wünschenswert,
dass die Materialien und Verfahren der Erfindung die verringern
Verwendung des schmelzpunktsenkenden Mittels Bor, von welchem angenommen
wird, die Reparaturfestigkeiten in Reparaturmaterialien zu verringern,
ermöglichen.
Insbesondere ist es wünschenswert,
dass die Zusammensetzungen der Erfindung als wenig Bor enthaltende
Zusammensetzungen betrachtet werden. Mit SC- oder DS-Materialien verwendete Reparaturmaterialien
enthalten gewöhnlich
verhältnismäßig hohe
Mengen an Bor.
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Aufgabe der
Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein alternatives Hartlötmaterial
zur Verwendung bei der Reparatur von Trägern/Bauteilen und insbesondere jenen
aus Superlegierungen, wie Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis,
zusammengesetzten Trägern
bereitzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung versucht, die Anforderung an Zusammensetzungen
und Verfahren, welche die Betriebslebensdauer von Bauteilen, insbesondere
Bauteilen von Gasturbinen, verlängern, anzugehen.
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Die
Erfindung stellt eine für
die Reparatur von Superlegierungen geeignete Zusammensetzung bereit,
zum Beispiel um Schäden,
welche während des
Kundendienstbetriebs auftreten, zu reparieren.
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Es
ist wünschenswert,
dass die Reparatur zu einer reparierten Zone mit einer erwünschten
einheitlichen Mikrostruktur führt,
die mechanische und Umgebungseigenschaften erzeugt, welche ähnlich der des
Superlegierungsmaterials (insbesondere SC oder DS) selbst sind.
Insbesondere ist es wünschenswert,
dass die Reparatur zu einem Material führt, welches gegen Oxidation,
Verformung usw. bei hohen Temperaturen (den in einer Turbinenmaschine erreichten
Temperaturen) beständig
ist.
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Insbesondere
für eine
Reparatur, wie Hartlöten,
verwendete herkömmliche
Legierungen – oft
als „Reparaturlegierungen" bezeichnet, umfassen
eine „Füllstoff-"Zusammensetzung und
eine „Hartlöt-"Zusammensetzung.
Die Füllstoffzusammensetzung
ist eine Zusammensetzung, welche selbst gewöhnlich eine Legierung ist und
welche eine Zusammensetzung aufweist, die ähnlich der des zu reparierenden Materials
ist. Das zu reparierende Material wird oft als die „Grund-"Legierung bezeichnet.
Die Hartlötzusammensetzung
ist ebenfalls oft ähnlich
der Zusammensetzung der Grundlegierung und umfasst zusätzlich mindestens
eine und gewöhnlich
eine Anzahl zusätzlicher
Komponenten. Insbesondere ist es wünschenswert, dass zusätzliche
Komponenten mindestens die Gesamtwirkung des Senkens des Schmelzpunkts
der Hartlötzusammensetzung
haben. Wie vorstehend angegeben, ist es wünschenswert, geringe Mengen
an Bor zu verwenden.
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Das
Reparaturmaterial, welches eine Reparaturlegierung (oder Hartlötlegierung)
bildet, kann daher als ein Gemisch aus mindestens zwei Legierung bildenden
Pulvern – der
Grundlegierung und der Hartlötlegierung,
betrachtet werden. Die Reparaturlegierung wird oft einen definierten
Mischungszusammensetzungsbereich aufweisen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In
der vorliegenden Erfindung wird eine Zusammensetzung (die Zusammensetzung
ist geeignet für
die Reparatur von Gegenständen,
mindestens teilweise zusammengesetzt aus einer Legierung, insbesondere
Superlegierungen und im Besonderen SC- oder DS-Superlegierungen) bereitgestellt, umfassend
Ni und die folgenden zusätzlichen
Komponenten:
- (i) Co in einer Menge im Bereich
von 4,5 bis 11%;
- (ii) Cr in einer Menge im Bereich von 7 bis 12%;
- (iii) Mo in einer Menge im Bereich von 0,5 bis 1,4%;
- (iv) W in einer Menge im Bereich von 1,8 bis 4,5%;
- (v) Re in einer Menge im Bereich von 1,0 bis 2,6%;
- (vi) Al in einer Menge im Bereich von 2,4 bis 5,6%;
- (vii) Ta in einer Menge im Bereich von 2,4 bis 5,9%;
- (viii) Hf in einer Menge im Bereich von 2,5 bis 6,0%;
- (ix) C in einer Menge bis zu 0,1%;
- (x) B in einer Menge im Bereich von 0,2 bis 2,2%;
- (xi) Zr im Bereich von 0 bis 0,02%;
- (xii) Fe in einer Menge im Bereich von 0,07 bis 0,2%; und
- (xiii) Mn in einer Menge im Bereich von 0,03 bis 0,1%,
wobei
alle Prozentwerte Gewichtsprozente sind, bezogen auf das Gesamtgewicht
der Zusammensetzung. Ni macht den Rest der Zusammensetzung (welcher
nicht durch die Komponenten (i) bis (xiii) abgedeckt ist) aus.
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Für die Komponenten
C und Zr ist es erwünscht,
dass diese jeweils unabhängig
in einer Menge von mindestens etwa 0,1% vorliegen.
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Es
ist bevorzugt, dass die Borkomponente in einer Menge von 0,4 bis
1,2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung, vorliegt. Es
ist bevorzugt, dass die Hafniumkomponente in einer Menge zwischen
2,5 und 4,6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung,
vorliegt.
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Es
ist wünschenswert,
dass sowohl Bor als auch Hafnium in der Zusammensetzung in diesen
bevorzugten Bereichen vorliegen.
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Eine
derartige Zusammensetzung, wie die gerade beschriebene, ist für die Reparatur
von Turbinenbauteilen verwendbar. Der mit dem Material reparierte
Bereich weist minimale Fehlerhaftigkeit und eine erwünschte Mikrostruktur
auf.
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Die
Zusammensetzungen der Erfindung können als Hartlötmaterial
zum Reparieren eines Gegenstands betrachtet werden. Eine wichtige
Komponente in der Zusammensetzung ist Hf und es ist wünschenswert,
dass diese Komponente vorliegt. Es wird gedacht, dass die Gegenwart
dieser Komponente als schmelzpunktsenkendes Mittel wirkt, bewirkend,
dass die Reparaturzusammensetzung einen niedrigeren Schmelzpunkt
als mindestens einige Superlegierungsmaterialien aufweist. Die Gegenwart von
Hf und B zusammen kann eine vereinigte Schmelzpunktsenkungswirkung
bereitstellen, so dass die Gegenwart dieser beiden Komponenten wünschenswert
ist. Mit anderen Worten ist es ein Vorteil der Erfindung, dass das
Reparaturmaterial Hf und B umfasst. Die Erfindung betrifft daher
die Verwendung von Hf und wünschenswert
Hf/B in der Herstellung einer Reparaturzusammensetzung für die Reparatur
von Superlegierungen. Wünschenswert wird
die Zusammensetzung in Pulverform bereitgestellt. Die gebildete
Lötstelle
oder Schweißstelle
(z.B. durch Auftragen einer Zusammensetzung der Erfindung unter
geeigneten Bedingungen, um die Reparatur eines Bauteils zu bewirken),
wird ähnliche
physikalische Eigenschaften, wie die des Bauteils, aufweisen. Das
durch Hartlöten
oder Schweißen
gebildete Material wird eine Legierungsform aufweisen.
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Geeignet
ist die Legierung des zu reparierenden Bauteils eine SC- oder DS-Superlegierung.
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Ein
Verfahren der Reparatur kann den Schritt des Erwärmens des Reparaturmaterials
und/oder eines Bereichs eines Gegenstands, auf den es aufgetragen
wird, auf eine Temperatur (zum Beispiel im Bereich von 1200°C bis 1250°C) und einen
Zeitraum, die geeignet sind, um die Reparatur zu bewerkstelligen
und insbesondere den zu reparierenden Bereich zu erwärmen, beinhalten.
Der Erwärmungsschritt kann
nach dem Auftragen der Zusammensetzung auf den Reparaturbereich,
gleichzeitig mit dem Auftragen der Zusammensetzung oder vor dem
Auftragen der Zusammensetzung, wie angemessen, durchgeführt werden.
Die Erfindung betrifft ebenfalls einen durch ein Verfahren der vorliegenden
Erfindung reparierten Gegenstand.
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Weiteres
Erwärmen
kann durchgeführt
werden, um die Reparatur und tatsächlich den reparierten Gegenstand
(mindestens den Reparaturbereich) zu tempern. Ein sekundärer Erwärmungs-(Temper-)Schritt
kann zusätzlich
durch Erwärmen
mindestens des reparierten Bereichs (und wünschenswert des ganzen zu reparierenden
Gegenstands) auf eine Temperatur im Bereich von 1125°C bis 1175°C durchgeführt werden.
Ein derartiger sekundärer
Erwärmungsschritt
kann für
einen Zeitraum durchgeführt werden,
der geeignet ist, die Reparatur zu tempern. Derartige Zeiträume sind
oft größer als
etwa 6 h und wünschenswert
wird das sekundäre
Erwärmen
für einen
Zeitraum von mindestens 6 bis 25 h durchgeführt.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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1 ist
ein durch ein Rasterelektronenmikroskop [REM] hergestelltes Bild
eines Turbinenbauteils, welches hartgelötet worden ist, wie im nachstehenden
Beispiel beschrieben;
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2 ist
ein durch ein Rasterelektronenmikroskop [REM] hergestelltes Bild
desselben Bauteils, wie in 1 gezeigt,
nach dem Tempern des Bauteils.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Versuchsdurchführung und
Ergebnisse
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Pulver
einer Reparaturlegierungszusammensetzung (nachstehende Zusammensetzung
3), gemäß der vorliegenden
Erfindung in Pastenform, wurden auf standardisierte geschlitzte
Laborproben, Schlitze 0,3 mm breit, aufgetragen, unter regulierten Parametern
in einem Temperaturbereich von 1200–1250°C für 15–45 min. (Optimum 30 min.)
hartgelötet,
gefolgt durch eine zweite Temperaturbehandlung im Bereich von 1125–1175°C für mindestens
6–25 h
(10 h, wie geprüft).
Ein gemäß der vorstehenden
Versuchsdurchführung
hergestelltes Bauteil zeigte eine minimale Mikrostruktur (siehe 1 und 2).
Bei einer Vergleichsprüfung
mit SC CMSX-4-Material lieferte es zufriedenstellende Zugeigenschaften, äquivalent
zu etwa 60 bis 70% von CMSX-4-Material. Es lieferte äquivalente
statische Oxidationseigenschaften. [CMSX-4 ist ein Markenname eines
Einkristallmaterials, hergestellt durch Canon Muskegan in Michigan
in den USA].
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Weitere Zusammensetzungen
der vorliegenden Erfindung:
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Der
Begriff „nominell" wird verwendet,
um ausdrücklich
die Tatsache anzuerkennen, dass die Zusammensetzungen nicht in den
nachstehend aufgelisteten exakten Prozentwerten vorliegen können, aber
innerhalb von für
einen Fachmann annehmbaren Toleranzen liegen. Derartige Toleranzparameter liegen
innerhalb der Fertigkeit und des Verständnisses des Fachmanns.
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Zusammensetzung Nr. 1.
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- (i) Co nominell 6%;
- (ii) Cr nominell 10,6%;
- (iii) Mo nominell 0,75%;
- (iv) W nominell 2,45%;
- (v) Re nominell 1,4%;
- (vi) Al nominell 3,1%;
- (vii) Ta nominell 3,1%;
- (viii) Hf nominell 2,75%;
- (ix) C in einer Menge bis zu etwa 0,1%;
- (x) B nominell 1,26%;
- (xi) Zr nominell bis zu 0,2%;
- (xii) Fe nominell 0,1% und
- (xiii) Mn nominell 0,05%.
- Rest ist Nickel.
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Zusammensetzung Nr. 2.
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- (i) Co nominell 6%;
- (ii) Cr nominell 10,6%;
- (iii) Mo nominell 0,75%;
- (iv) W nominell 2,45%;
- (v) Re nominell 1,4%;
- (vi) Al nominell 3,1%;
- (vii) Ta nominell 3,1%;
- (viii) Hf nominell 2,75%;
- (ix) C in einer Menge bis zu etwa 0,1%;
- (x) B nominell 1,51%;
- (xi) Zr nominell bis zu 0,2%;
- (xii) Fe nominell 0,1% und
- (xiii) Mn nominell 0,05%.
- Rest ist Nickel.
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Zusammensetzung Nr. 3.
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- (i) Co nominell 8,3%;
- (ii) Cr nominell 8,6%;
- (iii) Mo nominell 1,0%;
- (iv) W nominell 3,4%;
- (v) Re nominell 1,9%;
- (vi) Al nominell 4,3%;
- (vii) Ta nominell 4,4%;
- (viii) Hf nominell 3,0%;
- (ix) C in einer Menge bis zu etwa 0,1%;
- (x) B nominell 1,0%;
- (xi) Zr nominell bis zu 0,2%;
- (xii) Fe nominell 0,13% und
- (xiii) Mn nominell 0,07%.
- Rest ist Nickel.
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Zusammensetzung Nr. 4.
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- (i) Co nominell 8,1%;
- (ii) Cr nominell 8,5%;
- (iii) Mo nominell 1%;
- (iv) W nominell 3,3%;
- (v) Re nominell 1,9%;
- (vi) Al nominell 4,2%;
- (vii) Ta nominell 4,3%;
- (viii) Hf nominell 4,5%;
- (ix) C in einer Menge bis zu etwa 0,1%;
- (x) B nominell 1,0%;
- (xi) Zr nominell bis zu 0,2%;
- (xii) Fe nominell 0,13% und
- (xiii) Mn nominell 0,07%.
- Rest ist Nickel.
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Ergebnisse mit den Zusammensetzungen
1–4.
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Die
Testergebnisse für
die als Hartlötmaterialien
verwendeten Zusammensetzungen 1–4
(wie nach der vorstehenden Beschreibung) sind in der nachstehenden
Tabelle angegeben. Die Ergebnisse sind Zugprobenergebnisse bei 850°C an Hartlötverbindungen,
hergestellt aus jeder dieser Hartlötzusammensetzungen. Die Daten
werden als Zugfestigkeit eines Teststücks, enthaltend eine 0,8 mm
breite Lücke,
gefüllt
mit Hartlötmaterial,
ausgedrückt.
Die Zugfestigkeit wurde bei 850°C
gemessen und wird als UTS (äußerste Zugfestigkeit,
englisch: Ultimate Tensile Strength) ausgedrückt. Die Einheiten sind MPa
(Megapascal).
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Zusammensetzungen
der vorliegenden Erfindung haben auf diese Weise gezeigt, dass sie
geeignete Materialien für
die Reparatur von Legierungsbauteilen, insbesondere durch Hartlötreparatur sind.
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Die
Worte „umfasst/umfassend" und die Worte „aufweisend
einschließend" werden, wenn sie hier
unter Bezugnahme auf die vorliegende Erfindung verwendet werden,
verwendet, um die Gegenwart von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten
oder Komponenten zu spezifizieren, schließen aber nicht die Gegenwart
oder Zugabe von einem einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen
Zahlen, Schritten, Komponenten oder Gruppen davon aus.
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Es
ist selbstverständlich,
dass bestimmte Merkmale der Erfindung, welche zur Deutlichkeit im Zusammenhang
von getrennten Ausführungsformen beschrieben
sind, ebenfalls in Kombination in einer einzelnen Ausführungsform
bereitgestellt werden können.
Umgekehrt können
verschiedene Merkmale der Erfindung, welche in der Kürze im Zusammenhang
einer einzelnen Ausführungsform
beschrieben werden, ebenfalls getrennt oder in jeder geeigneten Unterkombination
bereitgestellt werden.
