DE60219982T2

DE60219982T2 - Zusatzpulver zum Diffusionshartlöten von Werkstücken aus Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasislegierungen

Info

Publication number: DE60219982T2
Application number: DE60219982T
Authority: DE
Inventors: Pascal Etuve; Frederic Jacquot; Andre Malie; Christian Michel
Original assignee: SNECMA Services SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: ATE361810T1; FR2822741B1; NO20021545D0; CA2378632A1; DE60219982D1; EP1245327B1; FR2822741A1; NO20021545L; JP2002361479A; EP1245327A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Zusatzpulver zum Diffusionshartlöten von Werkstücken aus Legierungen auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis mit polykristallinem oder monokristallinem Aufbau, insbesondere auf dem Gebiet der Luftfahrttechnik. Sie betrifft ferner ein kompaktes Werkstück, das aus diesem Pulver hergestellt ist.
Die strengen Betriebsbedingungen, denen beispielsweise die Schaufeln von Turbotriebwerken und von Turbinen in der Industrie unterliegen, erfordern insbesondere eine ausgezeichnete Oxydationsfestigkeit unter Hitze und/oder eine ausgezeichnete Korrosionsfestigkeit, kombiniert mit guten mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen wie eine gute Kriechfestigkeit, und haben daher dazu geführt, dass zu deren Herstellung Superlegierungen auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis verwendet werden. Zur Durchführung von Verbindungen oder von Reparaturen durch Auftragen erweisen sich die üblichen Techniken des Schmelzschweißens für diese Werkstoffe als schlecht geeignet oder würden komplexe und oft undurchführbare Ausführungsverfahren erforderlich machen.
Bei bestimmten Anwendungen und insbesondre zur Reparatur von Werkstücken auf dem Gebiet der Luftfahrttechnik werden unter anderem Zusätze hergestellt, für die Legierungen des Typs MCRALY verwendet werden, die Cr, Al, Y enthalten, wobei mit M Ni, Co oder Fe bezeichnet wird.
Dabei wurden Diffusionshartlöt-Verfahren verwendet. Unter Vermeidung einer tiefergehenden Modifikation des metallurgischen Aufbaus des Werkstoffs zielt man mit diesen Verfahren darauf ab, chemisch und strukturell homogene Verbindungen zu erhalten. Dies wird beispielsweise in EP-A-0 075 497 dargestellt.
Zur Durchführung von Reparaturen durch Auftragen ist es bekannt, sogenannte Zweikomponenten-Lötpulver zu verwenden, die aus einem Gemisch von zwei Pulvern gebildet sind, die insbesondere durch Zerstäuben unter Argon hergestellt werden:

– ein Superlegierungspulver mit einer chemischen Zusammensetzung, die nahe an die des zu reparierenden Werkstoffs herankommt;
– ein Pulver auf Nickel- oder Kobaltbasis, das 2 bis 6 % Masseanteile an Schmelzzusatzelementen wie Bor oder Silizium enthält. Der Vorgang des Diffusionshartlötens wird bei einer Temperatur durchgeführt, die zwischen 1050 °C und 1220 °C beträgt und so bestimmt wird, dass sie niedriger ist als die Schmelztemperatur der Superlegierung. Bei der Temperatur dieses Vorgangs bleibt das Superlegierungspulver in festem Zustand, und das Pulver, das die Schmelzzusatzelemente enthält, wird flüssig und gewährleistet zugleich die Flüssigkeit des Gemischs, wobei das Verlöten der Superlegierungspulverkörner untereinander eine Verdichtung erbringt und bei der Löttemperatur durch Diffusion der Schmelzzusatzelemente eine isotherme Verfestigung der flüssigen Verbindung erzielt wird. Die Diffusion zwischen der gelöteten Verbindung und der Superlegierung des Basismetalls gewährleistet die Homogenisierung der chemischen Zusammensetzungen. Nach den klassischen Wärmebehandlungen weisen die durch Diffusionshartlöten wieder aufgefüllten Zonen die gewünschten mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen auf, die sehr nahe an diejenigen des Basiswerkstoffs der Werkstücke herankommen. Ferner können die bekannten Beschichtungen, die die Korrosionsbeständigkeit und Oxydationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen verbessern, angewendet werden.

Die bekannten Verfahren des Diffusionshartlötens, bei denen Zweikomponentenpulver verwendet werden, bringen jedoch gewisse Belastungen und Nachteile bei der Ausführung mit sich:

– der Vorgang des Mischen der beiden Pulver ist langwierig und aufwändig,
– die Homogenisierung der chemischen Zusammensetzung des Gemischs ist schwierig und erfordert häufige Kontrollen, ist aber unumgänglich,
– es müssen besondere Lagerungsbedingungen geschaffen werden, um jegliche Entmischung des Gemischs zu verhindern,
– das Verhältnis der Anteile der beiden Pulver in dem Gemisch muss ferner je nach der Art des Auftragens und insbesondere der Breite der zu reparierenden Risse geeignet sein.

Eine der Aufgaben dieser Erfindung ist es, ein Zusatzpulver zu erzielen, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist und insbesondere für die Durchführung der oben angeführten Art von Verfahren des Diffusionshartlötens verwendbar ist.
Ein Zusatzpulver zum Diffusionshartlöten von Werkstücken aus Legierungen A auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis nach Anspruch 1 ist erfindungsgemäß darin bemerkenswert, dass es aus Körnern aus einem bestimmten Legierungswerkstoff B gebildet wird, der spezifische Funktionseigenschaften aufweist, die sich für den Anwendungsbereich an dem Werkstück eignen, wobei diese Körner allgemein kugelförmig sind und an der Oberfläche in Form von Ablagerungen Zusätze tragen, deren Zusammensetzung mindestens ein Schmelzzusatzelement aus der Gruppe des Bor und Silizium enthält, wobei diese abgelagerten Zusätze in dem Pulver ferner als freie Zusätze vorhanden sind.
Ein solches Pulver ist bereits in EP-A-9 74418 beschrieben.
Dieses Zusatzpulver nach Anspruch 1 kann insbesondere einer Wärmebehandlung durch Sintern unterzogen werden, die es ermöglicht, ein kompaktes Zusatzwerkstück in einem Behandlungszyklus unter bestimmten Bedingungen hinsichtlich der Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs, hinsichtlich der Temperatur und hinsichtlich der Dauer des Temperaturhaltens zu erzielen, welche zu einer Mikrostruktur mit einer homogenen Verteilung feiner Poren, zu einer geringen Anzahl von nur kleinen eutektischen Phasen ohne Ballung sowie zu einer feinen Verteilung von Härtephasen auf Basis eines oder mehrerer Schmelzzusatzelemente führen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen näher aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, wobei
1 mit der Vergrößerung 3500 eine Mikrofotographie darstellt, die unter einem elektronischen Mikroskop unter Abtasten einer Probe eines erfindungsgemäßen Zusatzpulvers zum Diffusionshartlöten erzielt wurde,
2 eine Mikrofotographie darstellt, die ein Beispiel einer Mikrostruktur eines kompakten Zusatzwerkstücks zeigt, das aus dem erfindungsgemäßen Zusatzpulver erzielt wurde.
Die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Zusatzpulvers zeigt sich in der in 1 dargestellten Mikrofotographie. Die Körner 1 bestehen aus einer Legierung A, beispielsweise auf Nickelbasis. Die auf der Oberfläche der Körner 1 abgelagerten Zusätze 2 bestehen aus einer Legierung auf Basis von mindestens einem Schmelzzusatzelement wie Bor oder Silizium. Die kleinen Körner 3, die sich als freie zwischen den Körnern 1 der Legierung befinden, bestehen ebenfalls aus dieser Legierung mit Schmelzzusatzelement(en).
Das so gebildete Pulver wird mittels einer an sich bekannten Technik der Mechanosynthese hergestellt, indem ein Gemisch von Pulvern, einer Legierung B einerseits und einer Legierung eines oder mehrerer Schmelzzusatzelemente andererseits in einen Behälter in einer Perlmühle jeglichen bekannten Typs, Umlaufmühle, horizontale oder Schwingmühle, gegeben wird.
Das so erzielte Zusatzpulver kann bei der Ausführung jeglichen Verfahrens des Diffusionshartlötens verwendet werden, das bei der Herstellung oder bei der Reparatur von Werkstücken aus Legierungen auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis angewendet wird, insbesondere auf dem Gebiet der Luftfahrttechnik. Es kann sich um ein Zusammenfügen von Werkstücken, um ein Wiederverschließen eines Risses oder Spalts an einem Werkstück, oder um ein Oberflächenauftragen an einem Werkstück, um die geometrischen Abmessungen des Werkstücks wieder herzustellen.
Je nach Anwendung kann das Anbringen des Zusatzpulvers in unterschiedlichen Formen erfolgen. So kann das Pulver direkt unter Beigabe eines Zusatzes, insbesondere eines Bindemittels von bekannter Art, verwendet werden. Das Pulver kann auch nach einer Verarbeitung als Band verwendet werden.
Bemerkenswerterweise kann gemäß dieser Erfindung bei bestimmten Anwendungen und insbesondere im Falle eines Oberflächenauftragens an einem Werkstück ein Zusatz in Form eines kompakten Zusatzwerkstücks ausgeführt werden.
Dieses kompakte Zusatzwerkstück wird aus dem Pulver durch den Einsatz an sich bekannter Fertigungstechniken hergestellt, insbesondere mittels eines Wärmebehandlungszyklus, der eine Verdichtung durch Sintern gewährleistet.
Insbesondere kann ein kompaktes Zusatzwerkstück dadurch erzielt werden, dass es 5 Minuten bis eine Stunde lang einer Temperatur von 1160 °C bis 1200 °C ausgesetzt wird. Das hergestellte Werkstück weist einen Porositätsgrad von weniger als 4 % auf.
2 zeigt ein Beispiel des erzielten Ergebnisses. Dieses Ergebnis ist durch die Mikrostruktur bemerkenswert, die insbesondere eine homogene Verteilung feiner Poren 4 und Härtephasen 5 auf Basis eines Schmelzzusatzelements, insbesondere unter den Boren oder Siliziumverbindungen, in Form eine feiner Verteilung und in kontrollierter Qualität aufweist. Ferner ist bemerkenswerterweise das Fehlen von eutektischen Phasen festzustellen.
Bei allen Verwendungen des erfindungsgemäßen Zusatzpulvers, sei es bei Reparaturen oder beim Auftragen, bei jeder beliebigen Form der Anwendung, direkt mit Bindemittelzusatz oder nach einer zwischengeschobenen Verarbeitung, als Band oder als kompaktes Zusatzwerkstück, hat sich eine deutliche Verbesserung der Betriebshaltbarkeit der Werkstücke aus Legierungen auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis gezeigt.
Die in den Zonen des Hinzusetzens oder der Verbindung durch Diffusionshartlöten an den Werkstücken beobachteten Mikrostrukturen zeigen bemerkenswerte Merkmale, die von dem erfindungsgemäßen Zusatzpulver herrühren.
Es ist insbesondere das geringe Vorhandensein von Porositäten festzustellen, und dort, wo sie noch auftreten, sind sie klein, homogen verteilt und ohne Ballung. Daraus ergibt sich durch die Beseitigung oder Reduzierung der Stellen, an denen ein Riss beginnt, ein gutes Verhalten der Werkstücke hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit.
Desgleichen wird durch das geringe Vorhandensein von eutektischen Phasen, die nur klein sind und ohne Ballung auftreten, das Verhalten der Werkstücke bei hoher Temperatur verbessert.
Ferner wird durch eine homogene Verteilung kleiner Härtephasen auf Basis eines oder mehrerer Schmelzzusatzelemente wie Bore oder Siliziumverbindungen eine Blockierung von Verwerfungsbewegungen und eine bessere Festigkeit durch Verzögerung des Auftretens von Rissen erreicht.
Alle diese Bedingungen fördern eine Festigkeit der Werkstücke gegen Beschädigungen in einer belastenden Umgebung, insbesondere bei der Verwendung in der Luftfahrt, gegen hohe Temperaturen sowie gegen Bedingungen, die oxydations-/korrosionsfördernd sind und die Festigkeit gegen hohe mechanische Belastungen erforderlich machen.

Claims

Zusatzpulver zum Diffusionshartlöten von Werkstücken aus Legierungen A auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Körnern aus einem Legierungswerkstoff B des Typs M Cr Al Y gebildet wird, wobei mit M Ni, Co oder Fe bezeichnet wird, wobei diese Körner allgemein kugelförmig sind und an der Oberfläche in Form von Ablagerungen Zusätze tragen, deren Zusammensetzung mindestens ein Schmelzzusatzelement aus der Gruppe des Bor und Silizium enthält, wobei diese abgelagerten Zusätze in dem Pulver ferner als freie Zusätze vorhanden sind.
Kompaktes Werkstück für Werkstücke aus Superlegierungen A auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis, das in einer Wärmebehandlung durch Sintern eines Zusatzpulvers nach Anspruch 1 hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Mikrostruktur mit homogener Verteilung feiner Poren (4) und mit feiner Verteilung von Härtephasen (5) auf Basis eines oder mehrerer Schmelzzusatzelemente des Typs Bor oder Siliziumverbindungen aufweist und keine eutektische Phase beinhaltet.