DE69102600T2

DE69102600T2 - Diffusionsschweissrepariertechnik.

Info

Publication number: DE69102600T2
Application number: DE69102600T
Authority: DE
Inventors: Robert W Baumgarten; John M Robertson
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1990-08-10
Filing date: 1991-08-12
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2011-08-13
Also published as: EP0470868A1; DE69102600D1; JP3219154B2; US5111570A; KR920004079A; JPH05169323A; EP0470868B1; IL99102A; KR100197480B1; IL99102A0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Reparatur von Titan- oder Superlegierungs-Gasturbinentriebswerkskomponenten mit beschädigten falsch angeordneten, falsch ausgerichteten oder falsch gebohrten Löchern. Siehe beispielsweise EP-A-0 263 713, das den nächstkommenden Stand der Technik bildet.
Bisher gab es keine Technik zur erfolgreichen Reparatur von Superlegierungsgebilden mit Löchern darinnen, die sich nicht auf eine statische, mechanische Fügeverbindung verläßt. Obwohl die vorliegende Erfindung zur spezifischen Anwendung in dem Gasturbinentriebswerksbereich entwickelt wurde und auf diesem Gebiet eine spezielle Anwendung hat, ist die Erfindung nicht darauf begrenzt.
Gasturbinentriebwerke sind vielfältig verwendete und gut entwickelte Krafterzeuger, die in erster Linie als Flugzeugantrieb verwendet werden. Die Temperaturen und Spannungen, denen die meisten Gasturbinentriebwerkskomponenten ausgesetzt sind, erfordern, daß diese Komponenten aus hochfesten Hochtemperaturmaterialien hergestellt werden, wie Superlegierungen und Titanlegierungen. Außerdem erfordern die Temperaturen, bei denen solche Komponenten arbeiten, und die Spannungen, denen sie ausgesetzt sind, daß die Materialien durch Warmverformen verarbeitet werden, um die notwendigen Eigenschaften zu erzielen. Solche warmverformten Materialien waren in der Vergangenheit ohne deutliche Verluste an Hochtemperaturfähigkeit sehr schwierig zu reparieren. Außerdem sind Superlegierungen hauptsächlich auf Nickelbasis mit hohem Volumenanteil an Gamma wegen Streckalterungsrißbildung nicht schweißbar.
In großen Gasturbinentriebwerken haben der Verdichter- und der Turbinenabschnitt einen Axialströmung-Aufbau und weisen eine Mehrzahl von Stufen auf, von denen jede aus einer Scheibe oder einem Ring mit einer Mehrzahl von daran am Rand befestigten Flügeln besteht.
Die Schaufeln und die Scheibe oder der Ring sind an Drehwellen befestigt und harten Umgebungsbedingungen angesetzt. In der Vergangenheit wurden Schaufel- und Scheibenanordnungen aus getrennten Komponenten hergestellt und mechanisch verbunden. Dies ermöglicht zwar die Herstellung von Schaufeln und Scheiben aus unterschiedlichen Materialien, die Verwendung mechanischer Verbindungseinrichtungen trägt jedoch wesentlich zu dem Gewicht der Anordnung bei.
Steigerungen bei den Leistungsan forderungen für Gasturbinentriebwerke haben nun zu der Entwicklung von Integralschaufelrotoren geführt. Bei diesen sind die Schaufeln ein integraler Teil des Rotors, entweder integral durch Prozesse wie isothermes Schmieden unter Bedingungen geringer Festigkeit und hoher Duktilität gebildet oder metallurgisch mit der Scheibe verbunden. Beide Arten verringern den Gewichtsnachteil, der sich bei den mechanischen Verbindungsverfahren im Stand der Technik ergibt.
Mit der steigenden Nachfrage nach Anordnung mit höherer Leistung und geringerem Gewicht werden viele Gasturbinenkomponenten wie der Turbinenabschnitt jetzt als eine einstückige Anordnung hergestellt. Die Hauptvorteile solcher Anordnungen liegen in der Gewicht- und Brennstoffeinsparung und der Komponentenlebensdauer als Folge der Elimination der die Lebensdauer begrenzenden Spannungskonzentratoren, die zu den mechanisch angebrachten Komponenten gehören.
Beim Zusammenbau von einem Gasturbinentriebwerk werden die Komponenten häufig durch Verschrauben einer Baugruppe mit einer anderen verbunden, wobei man sich höchst präzisen Bohrens bedient, um die Schraubenlöcher in den zu verbindenden Bauteilen korrekt anzuordnen. Wenn ein solches Loch falsch angeordnet, falsch ausgerichtet oder falsch gebohrt ist oder während des Zusammenbaus oder der Verwendung beschädigt worden ist, muß die Baugruppe, in der dieses Loch ist, häufig ausgesondert werden. Das kann zwar für den Fall einzelner Rotoren teuer sein, ist es aber umso mehr bei Integralschaufelrotoren, bei denen der wesentliche Aufwand vor dem Verbinden eines Bauteils mit einem anderen angefallen ist. Deshalb wird, wie sich der Wert der einzelnen Anordnung erhöht, die Fehlerquote beim Bearbeiten und Verbinden der Komponenten kritischer.
Frühere Techniken zur Reparatur solcher Löcher waren häufig auf mechanische Mittel angewiesen und waren allgemein auf Materialien mit geringerer Festigkeits- und Temperaturfähigkeit begrenzt als die Superlegierungen und das Titan, die in heutigen Gasturbinentriebwerken verwendet werden. Das U.S. Patent 2,010,569 von Sitzler beispielsweise lehrt ein Verfahren zum Verstopfen von Löchern in Platten unter Verwendung eines Zapfens mit einer speziellen Form oder Gestalt mit einem zylindrischen Körperbereich und einem zentral anhängenden Vorsprung, dessen Durchmesser von dem oberen Ende zu dem unteren Ende zunimmt. Der Zapfen wird mit Kraft in das Loch eingepaßt, das gegengesenkt wurde, so daß es vorstehende Schultern besitzt, die vorgesehen sind, den Zapfen unter Druck an seinem Ort zu halten. Der Zapfen und die Metallplatte sind typischerweise aus dem gleichen Metall, geeignet zur Verwendung in Dampfplatten, und werden keiner Wärmebehandlung ausgesetzt.
Crossmann et al lehren in dem U.S. Patent 3,952,395 ein Verfahren zum Verschließen eines gebohrten Lochs in einem pneumatischen oder hydraulischen System durch Druckeinpassen einer Kugel in das Loch um einen Verschluß zu bilden, und dann "Vernieten" der Kugel in der Position, so daß ein Bereich des Arbeitsstücks über der Oberfläche der Kugel umgebördelt wird. In diesem Fall besteht die Kugel aus einem härteren Material als das Arbeitsstück und ist ein wenig größer ausgelegt, als der Durchmesser des Lochs. Eine Wärmebehandlung wird nicht verwendet.
Auch Weber lehrt in dem U.S. Patent 3,522,648 das Verschließen eines Loches durch Verformen einer duktilen Kugel oder eines Metallstücks. Hier wird die sphärische Kugel verformt oder gestaucht, so daß sie einen engen Kontakt und eine mechanische Metall- Metallkontaktverbindung mit den zylindrischen Wänden des Lochs bildet. Die Kugel ist so gewählt, daß sie ein wenig duktiler ist als das Gußstück, so daß sie leicht verformt werden kann. Eine Wärmebehandlung wird nicht verwendet.
In dem U.S. Patent 3,487,530 lehrt Ely ein Verfahren zur Reparatur von Gußfehlern, bei dem man den Fehler ausbohrt, den ausgebohrten Bereich mit einem Zapfen füllt, das Gußstück und den Zapfen diffusionsverbindet und überschüssiges Zapfenmaterial entfernt. Dieses Verfahren ist besonders zur kosmetischen Reparatur oder Oberflächenreparatur von superlegierungs- und hochwarmfesten Metallgußteilen vorgesehen, um mit konventionellen Verbindungsverfahren verbundene Rißbildungsprobleme zu vermeiden. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens lehrt der Patentinhaber das Bohren oder Ausbohren des Fehlers, um diesen in eine kegelstumpfförmige Öffnung oder Loch umzuformen, und das Eintreiben eines sich komplementär verjüngenden Zapfens in das Loch mit einem Hammer, um ihn darin einzupressen. In allen Fällen wird eine Diffusionsverbindung hergestellt, ohne den Schmelzpunkt zu erreichen oder die Fließgrenze des Gußteils oder des Zapfens zu überschreiten. Das Verfahren kann aiich in der Form des Reibschweißens ausgeführt werden.
In den Verdichter- und Turbinenabschnitten von Gasturbinentriebwerken werden der Scheiben- und Trommelabschnitte nahe oder an den äußersten Grenzen ihrer Eigenschaftsfähigkeiten sowohl bezüglich der Temperatur als auch der Spannung betrieben. Folglich muß jede Reparaturtechnik für solche Bauteile Reparaturen liefern, die die Festigkeits- und Temperaturfähigkeiten des Ausgangsmetalls haben. Andere Anforderungen der Komponenten, wie Ermüdungswiderstand, Bruchwiderstand und Lebensdauer, müssen auch erfüllt werden.
Die Notwendigkeit zur Reparatur kann sowohl im Betrieb als auch bei der ursprünglichen Herstellung entweder von einzelnen Scheiben-, Rotor-und Trommelanordnungen oder von integrierten Einheiten entstehen. Bei der einstückigen Herstellung, bei der Befestigungslöcher an genauen bestimmten Stellen angeordnet sein müssen, ist die Kritikalität davon, daß ein Loch korrekt angeordnet ist, wesentlich erhöht. Außerdem können Schrauben löcher und Befestigungslöcher beim Betrieb ausgeweitet werden. Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Reparatur von Bolzen1öchern bereitzustellen.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Reparatur eines beschädigten Bereiches, insbesondere eines Loches, in einem Metallsubstrat geschaffen, das den Schritt des Erweiterns des Bereichs zu einem Durchgangsloch mit vorbestimmtem, gleichförmigen Durchmesser aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß es die weiteren Schritte des Positionierens eines Zapfens aus Metall mit einem vorbestimmten, gleichförmigen Durchmesser, der geringer ist als der vorbestimmte, gleichförmige Durchmesser des Loches, in dem Loch so, daß der Zapfen aus dem Loch ragt, und des Aufbringens einer Kraft auf die Enden des Zapfens während des örtlichen Erhitzens des Zapfens und der Wände des erweiterten Loches aufweist, um so eine Verformung des Zapfens, Erweichen, Metallfluß und Verbinden des Zapfens und der Wände zu bewirken.
Bei bevorzugten Ausführung sformen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Füllen eines Lochs in einen Superlegierungsmaterial auf Nickelbasis oder einem Titanmaterial durch Einsetzen eines Zapfens aus im wesentlichen dem gleichen oder einem ähnlichen Material und der gleichen Wärmebehandlungshistorie wie das zu reparierende Metall, und örtliches Erhitzen des Zapfens und des Lochbereichs bei Einspannung, so daß der Zapfen umfangsmäßig um die Zapfen/Lochgrenzfläche durch Aufbringung von axialen Verbindungsdrücken in dem Bereich von 5-50 ksi verbunden wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung wird ein beschädigtes oder abweichendes Loch in einer Turbinentriebwerksanordnung durch Bohren vergrößert, und es bleibt ein vergrößertes Loch. Ein Reparaturzapfen aus dem gleichen oder einem ähnlichen Material und gleicher Wärmebehandlung wie das Ausgangsmetall wird in dem vergrößerten Loch aus dessen beiden Enden vorstehend angeordnet und wird Schmiedeverbindungsdrücken und - Temperaturen ausgesetzt, sö daß sich eine ganz rekristallisierte Verbindungsgrenzfläche zwischen dem Zapfen und den Wänden des Lochs ergibt. Folglich sind die mechanischen Eigenschaften der Anordnung und die Zug- und Bolzenloch-Niederzyklus-Ermüdungs- Faktoren nahe bei den Ausgangsniveaus.
Deshalb schafft diese Erfindung wenigstens mit ihren bevorzugten Ausführungsformen ein Verfahren zur Reparatur von Löchern in Metall auf eine solche Art, daß man eine metallurgische Verbindung zwischen dem Ersatzzapfen und der Lochgrenzfläche erhält. Sie liefert auch ein Verfahren zur Reparatur von Superlegierungsanordnungen mit beschädigten, falsch angeordneten, falsch ausgerichteten oder falsch gebohrten Löchern darin auf eine solche Art, daß die Reparatur die Festigkeits- oder Temperaturfähigkeit der Anordnung nicht schwächt oder verringert. Sie leistet insbesondere die Reparatur eines falsch gebohrten oder falsch ausgerichteten Lochs in Titan oder in einer Superlegierung auf eine solche Art, daß ein neues korrekt positioniertes und ausgerichtetes Loch durch die Reparaturstelle gebohrt werden kann, wobei die notwendigen mechanischen Eigenschaften des Arbeitsstücks beibehalten werden. Obwohl die Erfindung hinsichtlich der Reparatur von Löchern, die vollständig durch ein Arbeitsstück hindurchgehen, beschrieben wurde, ist die Technik auch zur Reparatur von Oberflächendefekten und Oberflächenbeschädigungen anwendbar.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen werden nun nur beispielhaft mit den folgenden Zeichnungen beschrieben für die gilt:
Fig. 1 stellt eine Integral-Schaufelverdichterscheibe mit einem beschädigten Loch in dem Flansch dar;
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des beschädigten Lochs, das auf einen größeren Durchmesser ausgebohrt wurde;
Fig. 3 zeigt einen Ersatzzapfen in Verbindungsposition in dem vergrößerten Loch;
Fig. 4 zeigt eine auseinandergezogene, schematische Ansicht der Einrichtung zum Schmieden des Ersatzzapfens;
Fig. 5 zeigt einen Zapfen nach der Schmiedeverbindungsverformung;
Fig. 6 zeigt den Trommelflansch von Fig. 1, bei dem die Reparatur abgeschlossen und der Verformungsüberstand des Ersatzzapfens durch Bearbeitung entfernt wurde;
Fig. 7 zeigt den Flansch der Fig. 1, mit einem neuen an der korrekten Position gebohrten Loch;
Die Fig. 8A, B und C sind Mikroskopaufnahmen, die Mikrostrukturen von einem Erzeugnis nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigen.
Die vorliegende Erfindung liefert in ihren bevorzugten Ausführungsformen ein Verfahren zur Reparatur von beschädigten oder unkorrekten Löchern in hoch festen Hochtemperaturmaterialien, wie Superlegierungen auf Nickelbasis und Titan. Sie kann auch angewendet werden, um Löcher wie Schraubenlöcher, Kühllöcher oder Führungspassagen zum Zusammenbau in derartigen Materialien zu füllen. Die Erfindung ist besonders nützlich zur Reparatur von Löchern in Legierungen auf Titanbasis und sowohl nicht härtbaren als auch ausscheid ungshärtbaren Superlegierungen auf Nickelbasis. Beispielhafte Legierungen sind die Legierungen auf Nickelbasis, die in der Industrie als Mar M 200, IN 100, Inconel 718, Waspaloy, Astroloy, Udimet 500, Rene 41, Inconel X, Inconel 625 und MERL 76 bezeichnet werden. Titanlegierungen können sein Alpha-, Alpha-Beta- oder Beta- Titanlegierungen. Häufig verwendete Titanlegierungen umfassen die Legierungen Ti-6Al-4Mo, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo und andere Legierungen ähnlicher Art und Zusammensetzung.
Derartige Materialien werden häufig zur Herstellung von Gasturbinentriebwerkskomponenten verwendet, wie einer in Fig. 1 dargestellten Integralschaufel-Verdichterscheibe 1. Sie hat Bolzenlöcher 2, die an dem Flansch 3 zum Verbinden mit weiteren Triebwerkskomponenten angeordnet sind. Das unrichtige Bolzenloch 4 stellt ein beschädigtes Loch dar, könnte jedoch genausogut ein falsch angeordnetes oder falsch ausgerichtetes Loch darstellen, genauso wie die beispielhafte Verdichterscheibe jede Komponente sein könnte, die mit einer anderen Komponente durch solche Mittel wie Verschrauben verbunden werden sollen. Die vorliegende Erfindung ist ähnlich anwendbar zur Reparatur von Löchern in anderen Gebilden, wie Turbinen, Kesseln, Wärmetauschern, Platten, Düsen, Druckkessel, etc., aus verschiedenen Metallen oder Legierungen, wie Kupferlegierungen, Eisenlegierungen, Superlegierungen auf Kobaltbasis, Magnesiumlegierungen, Aluminiumlegierungen, Nioblegierungen, etc.
Die Vorbereitung zur Reparatur umfaßt das Erweitern des beschädigten Bereiches auf eine zylindrische Gestalt größeren Durchmessers, wie in Fig. 2 dargestellt, die eine Teilansicht der Fig. 1 ist und den Flansch 3 mit dem durch 5 bezeichneten erweiterten Loch zeigt. Das Loch ist auf den Durchmesser der beabsichtigten Reparatur-Fügeverbindung erweitert und schließt den gesamten zu reparierenden Bereich innerhalb des Oberflächenbereichs des Flansches 3 ein. Die Entfernung des beschädigten Bereichs kann durch irgendeine konventionelle Lochbohrtechnik erfolgen, und die vorgesehene Bindungsoberfläche, d.h. die Wand des erweiterten Loches, sollte dann behandelt werden, um das Verbinden zu fördern. Das schließt allgemein das Entfernen aller Fremdmaterialien, einschließlich Schmutz, Schmiermittel, Bohrrückstände, etc. und von Oberflächenoxidation ein. Eine solche Oberflächenvorbereitung kann durch eine Vielzahl von leicht ersichtlichen Techniken, wie mechanisches Oberflächenschleifen, Bohrungsnacharbeiten und selektives chemisches Ätzen, ausgeführt werden.
Der Zapfen 6, wie in Fig. 3 in Verbindungsposition gezeigt, ist vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das das erweiterte Loch 5 im Flansch 3 umgebende Material und ist vorzugsweise genauso wärmebehandelt, um so die maximale Gleichheit der Eigenschaften mit dem Umgebungsmaterial zu erhalten. Geeignete Ersatzzapfen können jedoch auch eine unterschiedliche Wärmebehandlung und/oder Zusammensetzung haben abhängig von der Anwendung und der Anforderungen der spezifischen Verwendung des Materials an die mechanischen Eigenschaften. Deshalb kann sich der Zapfen von dem Substrat entweder in der Zusammensetzung oder der Wärmebehandlung unterscheiden, solang ein solcher Unterschied nicht die Bildung einer Verbindung zwischen dem Zapfen und dem Substrat von angemessener Festigkeit und anderen Eigenschaften verhindert, die dem reparierten Substrat die Verwendung für seinen vorgesehenen Zweck und seine vorgesehenen Funktion ermöglichen.
Die Größe des Zapfens ist so gewählt, daß er eng in den Durchmesser des erweiterten Lochs 5 paßt, aber vorzugsweise ein Untermaß von ungefähr 0,0005 bis 0,004 inch im Durchmesser aufweist und höchst vorzugsweise ein Untermaß von ungefähr 0,001 bis 0,002 inch im Durchmesser aufweist. Man hat festgestellt, daß eine Passung mit enger Toleranz kritisch ist hinsichtlich des Erhaltens der festesten Grenzflächenverbindung zwischen dem Zapfen und den Wänden des erweiterten Loches. Der Zapfen sollte auf gleiche Art wie die Wand des erweiterten Loches behandelt werden, um das Verbinden zu fördern. Der Zapfen 6 sollte über die Oberflächen des Flansch 5 mindestens ungefähr 0,025 inch, vorzugsweise etwa 0,080 inch, aber mindestens so weit vorstehen, daß nach dem Schmiedeverbinden eine Stauchung von ungefähr 0,020 bis 0,100 inch geschaffen ist. Man hat festgestellt, daß man die besten Ergebnisse erhält, wenn die Höhe des Zapfens und damit die Länge des Zapfens, die über das erweiterte Loch 7 und 8 ragt, gerade genug ist, um die Anwesenheit von ausreichend Material sicherzustellen, um Metallfluß bei der Deformation zu bekommen und den leeren Bereich zwischen dem Zapfen 6 und dem erweiterten Loch 5 zu füllen. Dennoch ist es möglich, einen kürzeren Zapfen zu verwenden; die resultierende Reparatur kann dann schwächer sein oder in extremen Fällen nicht groß genug, um die Länge des erweiterten Lochs 5 zu füllen, was zu Vertiefungen des Flansches 3 führt.
Nachdem der Reparaturzapfen 6 in dem erweiterten Loch 5 angebracht worden ist, wird ein Schmiedeverbindungsdruck von beiden Enden des Zapfens aufgebracht, der eine Radialkraft erzeugt, die durch den Zapfen umfangsmäßig auf die Wand des Lochs ausgeübt wird. Die Aufbringung der Kraft ist schematisch in Fig. 4 durch einen oberen und einen unteren Stempel 9 und 10 dargestellt, die so geformt und positioniert sind, daß sie eine gleichförmige Erhitzung und Verformung des Zapfens 6 fördern. Obwohl es nicht dargestellt ist, wird daran gedacht, Druckeinrichtungen, wie Formen oder Klammern etc., an den seitlichen Rändern des Flansches neben der Reparaturstelle anzulegen, um so eine Verformung des Flansches während des Schmiedeverbindens des Zapfens und des Flansches zu verhindern. Solche Einrichtungen könnten von besonderem Wert bei der Reparatur von Löchern in relativ dünnen Flanschen oder Metallegierungsblechmaterialien sein oder dort, wo die Reparatur in enger Nachbarschaft zu dem Rand des Arbeitsstücks notwendig ist. Solche Einrichtungen sollen als zum Umfang der vorliegenden Erfindung gehörig betrachtet werden.
Während Kraft auf den Zapfen aufgebracht ist, wird die Grenzfläche zwischen dem Zapfen und der Wand des erweiterten Lochs örtlich auf eine Temperatur allgemein innerhalb ungefähr 200ºF von der Lösungswärmetemperatur der Legierung, aber diese nicht überschreitend erhitzt, ohne deren örtliches Schmelzen zu bewirken, und dadurch das Kornwachstum begrenzt. Bei den Schmiedeverbindungstemperaturen und -drücken zeigen der Zapfen und der der Wand des erweiterten Lochs direkt benachbarte Bereich geringe Festigkeit und hohe Duktilität, was zuläßt, daß sich der Zapfen verformt und mit der Wand verbindet. Das örtliche Erhitzen kann durch irgendein geeignetes Mittel einschließlich Widerstands-, Induktions-, Strahlungs- und Elektronenstrahlheizen bewirkt werden. Das bevorzugte Heizen ist durch elektrischen Widerstand unter Verwendung der Berührungsfläche des Werkzeugs mit den flachen Enden des Zapfens, um gleichförmigen elektrischen Kontakt zu erhalten, obwohl andere Heiztechniken verwendet werden können. Solche Mittel, die Erhitzen durch Reibung mittels Verfahren wie Inertial- oder Reibungsschweißen erfordern und einen sich verjüngenden Zapfen benutzen, sind weniger effizient und außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung.
Die Verformung des Zapfens in dem erweiterten Loch wird normalerweise in Hochvakuum d.h. 10&supmin;&sup5; Millimeter Quecksilberdruck ausgeführt, obwohl die Erfindung auch in einer inerten Atmosphäre wie Argon ausgeführt werden kann. Die Temperatur und der aufgebrachte Druck werden eingestellt und gesteuert, so daß eine Verformung des Zapfens unter Bedingungen niedriger Festigkeit und hoher Duktilität und eine Bewegung des superplastischen Materials geliefert wird und eine metallurgische Verbindung zwischen dem Zapfen und der Lochgrenzfläche erzeugt wird. Diese Bedingungen werden sich natürlich ändern streng abhängig von den verwendeten Materialien. Die Temperaturen für typische Superlegierungen auf Nickelbasis werden jedoch in der Größenordnung von 1.700 bis 2.100 ºF, vorzugsweise von 1.900 bis 2.100ºF und ganz besonders vorzugsweise von 1.960 bis 2.040ºF sein, und die Drücke werden in der Größenordnung von 5 bis 50 ksi, vorzugsweise von 15 bis 30 ksi sein. Reparaturtemperaturen für Legierungen auf Titanbasis können von etwa 1.500 bis 1.900ºF mit Drücken vorzugsweise zwischen 4 und 10 ksi sein. Geeignete Temperaturen und Drücke für andere Metalle und Metallegierungen wird der Fachmann leicht bestimmen können. Am Ende des Schmiedeverbindungsschritts befindet sich überschüssiges, überstehendes Material 11 an beiden Seiten des Flansches 3, wie in Fig. 5 gezeigt. Solches Material kann dann durch Bearbeiten entfernt werden, und es bleibt ein Flansch mit glatter Oberfläche mit fertiger Reparatur 12, wie in Fig. 6 dargestellt. Diese Oberfläche kann dann wieder gebohrt werden, um ein neues Loch 13 mit ausgewählter Position und ausgewähltem Durchmesser zu schaffen, wie in Fig. 7 dargestellt.
Eine wichtige Eigenschaft dieser Erfindung bei ihren bevorzugten Ausführungsformen ist die Fähigkeit, eine Rekristallisation des Metalls an der Verbindungsgrenzfläche zu erhalten. Das heißt, der Verbindungsbereich wird während des Verbindungsprozesses genügend warmverformt, um Keime zu bilden und kleine, spannungsfrei rekristallisierte Körner an der und über die Verbindungsgrenzfläche wachsen zu lassen. Das Ergebnis ist eine Korngrenzenbewegung und/oder Wachstum über die Verbindungsgrenzfläche, was zu einer Modifizierung der ursprünglichen Verbindungslinie durch Absorbtion/Elimination von Bereichen mit hoher Leerstellendefektkonzentration (d.h. Leerstellen an der Bindungsgrenze) während der Rekristallisation führt. Ein derartiges Ergebnis kann nur auftreten, wenn an dem Grenzflächenbereich genügend Verformung während dem Verbinden erzeugt wird, um die Verbindungsgrenzflächen zu rekristallisieren. Das Kritische bei dem Verhältnis der Dimensionen des Zapfens und des erweiterten Lochs ist es, eine ausreichende Eingrenzung, d.h. Metallflußwiderstand, zu bieten, um das Material ausreichend zu verformen, um die Minimalverformung zu überschreiten, die nötig ist, um Rekristallisation zu erhalten. Der typische Diffusionsverbindungsprozeß liefert wegen einem Mangel an Eingrenzung nicht genügend Verformung, um die Grenzfiäche zu rekristallisieren. Die vorliegende Ausführungsform führt zu einer rekristallisierten Grenzfläche, was die Korngrenzenmigration über die Grenzfläche und die Absorption von assozierten Leerstellendefekten der Verbindungsgrenze bewirkt.
Die Fig. 8A, 8B und 8C sind Mikroskopaufnahmen, die die rekristallisierte Zone an der Verbindungsgrenzfläche für eine reparierte IN 100 Legierung zeigen bei Vergrößerungen von 100x, 200x bzw. 500x und geätzt mit Kalling's Ätzmittel. Die Durchmessergröße der rekristallisierten Körner ist 2,5 bis 5 Mikroinch (ASTM 12-14), während das umgebende zugrundeliegende Material 22 bis 90 Mikroinch (ASTM 4 bis 8) Korndurchmesser hat. Von einer derart verringerten Korngröße in dieser Region kann man erwarten, daß sie bei einigen Materialien einen Anstieg der Festigkeit ergibt. Mechanische Eigenschaften, wie Zugfestigkeit und Niederzyklusermüdungswiderstand treffen oder überschreiten in dem reparierten Bereich allgemein die minimalen Anforderungen an die ursprünglichen Legierungen, obwohl auch tatsächliche Werte im verformten Zustand der Originallegierungen gezeigt und überschritten wurden. Es sollte auch festgehalten werden, daß das reparierte Stück nach dem Verbinden einer ausgewählten Wärmebehandlung unterworfen werden kann, wenn das für notwendig oder geeignet angesehen wird.

Beispiel 1

Eine Übersichtsstudie wurde an Bolzenlochkonfigurationen im Durchmesserbereich von 0,25 bis 0,50 inch in Flanschen im Dickenbereich von 0,20 bis 0,46 inch und unter Verwendung von IN 100 Superlegierung auf Nickelbasis durchgeführt, um die Signifikanz der Schlüsselvariablen abzuschätzen. Sechzehn Mikrostrukturbeobachtungen wurden durchgeführt und eingestuft, um die folgenden Variablen auszuwerten: Bolzenlochdurch messer, Materialdicke, Verbindungstemperatur, Loch- und Zapfenpaßtoleranzen, Schmiedebelastung, Stauchung und Kühlrate. Testergebnisse zeigten, daß die Verbindung von enger Zapfenpaßtoleranz (d.h. ungefähr 0,001 inch), hoher Stauchung (d.h. ungefähr 0,070 inch) und hohem Druck (d.h. 35- 50 ksi), das Rekristallisationsphänomen in dem Temperaturbereich von etwa 1.960 bis 2.040ºF erleichtert. TABELLE I VERSUCHSMATRIX MIT EINFLUßFAKTOREN UND EINSTUFUNG Laufende Nr. Toleranz (in.) Stangendicke (in.) Zapfendurchmesser (in.) Temperatur (ºF±10ºF) Aufgebrachter Druck auf den Zapfenendbereich (psig) Stauchung (in.) Abkühlrate (ºF/min) Einstufung * *Die Mikrostruktur der Verbindungsgrenzfläche eingestuft von 1(beste Qualität)-4

Beispiel 2

Zwei Reparaturen von in IN 100 Legierungsstangen gebohrten Löchern wurden gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt. Bezeichnet mit HR-6 und HR-17 wurden diese Reparaturen ausgeführt mit den in Tabelle II angegebenen Parametern. T ABELLE II TYPISCHE VERBINDUNGSPARAMETER EINER SCHMIEDEVERBUNDENEN BOLZENLOCHREPARATUR -IN-100 Testprobe Verbindungstemperatur +10ºF Verbindungsdruck ksi Stauchungsweg In Wärmebehandlung ±10ºF Zapfendurchmesser Zapfenlänge Lochdurchmesser Flanschdicke * HR = Stunde AC = mit Luft gekühlt

Beispiel 3

Legierungsstäbe, die wie in Beispiel 2 repariert worden waren, wurden Zugtests unterworfen, um die Eigenschaften des reparierten Materials mit den Minimalspezifikationen von IN 100 Legierung zu verg1eichen. Diese Ergebnisse sind in Tabelle III angegeben. TABELLE III TYPISCHE MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN EINER SCHMIEDEVERBUNDENEN BOLZENREPARATUR -IN-100 Materialspezifikation Testtemperatur ºF Zugfestigkeit ksi Streckgrenze ksi Fehlerstelle IN-100 Spezifikationsminimum Außerhalb der Verbindungszone

Beispiel 4

Zusätzliche Bolzenlochreparaturen wurden in IN 100 Legierungsstangen material gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt und einem uniaxialen Niederzyklusermüdungstest unterzogen, generell in Übereinstimmung mit den Verfahren von ASTM E606-80, "Standard Recommended Practice for Constant-Amptitude Low-Cycle Fatigue Testing" (standardisiertes, empfohlenes Verfahren zum Testen von Niederzyklusermüdung bei konstanter Amplitude). Der Test wurde bei 800ºF, 240 ksi maximal konzentrierter Spannung (maximale Nominalspannung von 94 ksi für ein Kτ von 2,55), einem Spannungsverhältnis Rθ von 0,05 und einer Zyklusfrequenz von 10 cpm ausgeführt. Die Bolzenloch-Testproben wurden unter Verwendung von Standardherstellungsverfahren hergestellt, und Zentrallöcher wurden unter Verwendung eines Honwerkzeugs für ein Bohrloch und der Sutton- Barrel Methode bearbeitet. Die Ergebnisse dieses Ermüdungstests sind in Tabelle IV dargestellt.
Es soll auch bezüglich des Niederzyklusermüdungstests festgehalten werden, daß unter den Bedingungen, bei denen der Test durchgeführt wurde, von IN 100 Legierungsstangenmaterial erwartet werden konnte, eine 99,9 %-untere Grenze von 12.599 Zyklen vor Versagen zu ergeben, wobei jede der reparierten Proben diese Zahl weit übertraf. TABELLE IV BOLZENLOCH-NIEDERZYKLUS-ERMÜDUNGSTESTS-IN-100 MITTELOCH-KERB-PROBE Testprobe Testtemperatur ºF Max.spannung (Konzentr.) (ksi) Zyklen bis Versagen Bemerkungen unterbrochener Test kein Versagen

Claims

1. Verfahren zur Reparatur eines beschädigten Bereiches, insbesondere eines Loches, in einem Metallsubstrat (3), das den Schritt des Erweiterns des Bereichs zu einem Durchgangsloch (5) mit einem vorbestimmten, gleichförmigen Durchmesser aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß es die weiteren Schritte des Positionierens eines Zapfens (6) aus Metall mit einem vorbestimmten, gleichförmigen Durchmesser, der geringer ist als der vorbestimmte, gleichförmige Durchmesser des Loches, in dem Loch so, daß der Zapfen aus dem Loch ragt, und des Aufbringens einer Kraft auf die Enden des Zapfens während des örtlichen Erhitzens des Zapfens und der Wände des erweiterten Loches aufweist, um so eine Verformung des Zapfens, Erweichen, Metallfluß und Verbinden des Zapfens und der Wände zu bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Metallsubstrat eine Legierung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Legierung eine Titanlegierung oder eine Superlegierung auf Nickelbasis ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Legierung aus der aus Mar M Legierungen, MERL 76, IN 100, Inconel-Legierungen, Waspaloy, Astroloy und Udimet-Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Legierung aus der aus Ti-6Al-4Mo, Ti-8Al-1Mo-1V und Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der Zapfen aus einem Material besteht, welches dem Substrat gleich oder ähnlich ist und die gleichen oder ähnliche Wärmebehandlungseigenschaften aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem der Zapfen einer Temperatur im Bereich von 200ºF von der Lösungstemperatur der Legierung, aber diese nicht überschreitend, ausgesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem das örtliche Erhitzen eine Temperatur erzeugt, die ausreicht, das Auftreten einer Rekristallisation an und über die Grenzfläche zwischen dem Zapfen und den Wänden des erweiterten Loches zu bewirken.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Verbindungsliniengrenzfläche zwischen dem Zapfen und dem erweiterten Loch in einer rekristallisierten Zone liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Durchmessergröße der rekristallisierten Körner geringer ist als der Korndurchmesser des Materials, das die rekristallisierte Zone umgibt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Durchmesser der rekristallisierten Körner 0,064 bis 0,127 um (2,5 bis 5 mikroinch) beträgt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Zapfen einen um 1,27 x 10&supmin;&sup5; bis 1,02 x 10&supmin;&sup4; m (0,0005 bis 0,004 inch) geringeren Durchmesser als das erweiterte Loch besitzt.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wände des erweiterten Loches behandelt werden, um Verschmutzungen zu entfernen und das Verbinden zu fördern.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das außerdem den Schritt des Entfernens überschüssigen Zapfenmaterials von der Obeffiäche nach dem Pressen aufweist.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das außerdem den Schritt des erneuten Bohrens eines Loches durch die Reparaturstelle aufweist.

16. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat eine Paßfläche eines Bauteils eines Gasturbinentriebwerks bildet.