DE69724729T2

DE69724729T2 - Ersatzverfahren von aus metallischen Legierungen hergestellten Werkstücken, insbesondere Gasturbinenteilen

Info

Publication number: DE69724729T2
Application number: DE69724729T
Authority: DE
Inventors: Robert P. East Hartford Schaefer; William F. Columbia Bender; Matthew J. Charlotte Arnold
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1996-10-17
Filing date: 1997-10-16
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2017-10-17
Also published as: EP0836904B1; EP0836904A3; ATE249307T1; EP0836904A2; US5806751A; DE69724729D1; JPH10137976A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell ein Verfahren zum Reparieren von Metalllegierungsgegenständen und insbesondere die Reparatur von Defekten in der Form breiter Spalte im Gasturbinenmaschinen-Bauteilen.
Gasturbinenmaschinen-Bauteile, beispielsweise Laufschaufeln und Leitschaufeln werdenden typischerweise aus Superlegierungen auf Nickelbasis, Eisenbasis oder Cobaltbasis hergestellt. Defekte, beispielsweise feine Risse und Spalte, können während des Herstellungsprozesses sowie nach ausgedehntem Triebwerksbetrieb auftreten. Beispielsweise können harsche Maschinenbetriebsbedingungen, beispielsweise die Exposition hohen Temperaturen, hohen Drücken und heißen Gasen eine Verschlechterung der Bauteiloberflächen bewirken. Die Exposition den heißen Gasen bewirkt eine Rissbildung, Korrosion, Oxidation und Erosion. Die hohe Temperatur, der hohe Druck und die hohen Drehzahlen, unter denen Gasturbinenmaschinen arbeiten, bewirken auch eine Kriechverformung der Turbinenlaufschaufeln und -leitschaufeln. In Folge kommt es zu einem Verlust an Maschineneffizienz, und die Leitschaufeln und Laufschaufeln müssen repariert oder ersetzt werden. In Folge der hohen Kosten dieser Triebwerksbauteile ist es wünschenswert, die Bauteile für eine nachfolgende Verwendung zu reparieren, statt sie auszutauschen.
Reparaturverfahren wurden in der Vergangenheit versucht. Beispielsweise Lötverfahren beinhalten das Fließenlassen eines geschmolzenen Lotmaterials in einen Riss an einem Gasturbinenmaschinen-Bauteil. Es kommt jedoch zu Kontaminationsproblemen, wenn nicht die Oberflächenoxide vor dem Füllen des Risses mit Lotmaterial entfernt werden. Es ist auch schwierig, effektiv einen relativ großen Defekt mit einem geschmolzenen Lotmaterial zu reparieren, weil nach dem Verfestigen das Lotmaterial häufig brüchige eutektische Phasen bildet. Außerdem treten häufig Leerstellen als Folge des Schrumpfens auf.
Ein weiterer Ansatz zur Reparatur von Gasturbinenmaschinen-Bauteildefekten ist das Schmelzschweißen. Es kommt jedoch häufig zu zusätzlichen Rissen wegen der Schweißung. Bauteile, die durch Schmelzschweißen repariert wurden, haben auch geringere Spannungstoleranzen als ein nicht geschweißtes Bauteil.
Es ist auch bekannt, ein Metalllegierungsfüllmaterial zur Reparatur oder zum Schweißen von Metalllegierungsgegenständen zu verwenden. Beispielsweise beschreiben das US-Patent 4 008 844, welches den Titel "Method of Repairing Surface Defects Using Metallic Filler Material" trägt und eine Teilanmeldung dazu, jetzt das US-Patent 4 073 639, welches den Titel "Metallic Filler Material" trägt und das als der nächst kommende Stand der Technik angesehen wird, ein derartiges Verfahren. Diese Patente schlagen die Verwendung einer Metallfüllmaterial-Mischung mit einer abgestimmten Mischung aus Teilchenmaterial mit einer Gesamtzusammensetzung, die im Wesentlichen den zu reparierenden Gegenständen entspricht, vor. Die Mischung ist eine abgestimmte Mischung von mindestens zwei verschiedenen Teilchenkomponenten, die ausgewählt ist, dass sie eine flüssige Übergangsphase von mindestens einem Teil der Mischung und eine isotherme Verfestigung bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Gegenstands liefert.
Das hier beschriebene Verfahren ist besonders erfolgreich für die Reparatur von Defekten, die weniger als oder etwa 0,254 mm (0,010 Inch) maximaler Breite haben. Wenn jedoch Defekte in Form von breiten Spalten, beispielsweise Defekte mit einer maximalen Breite, die größer als etwa 0,254 mm (0,010 Inch) an der Oberfläche zu überdecken oder zu füllen sind, kann überschüssiges geschmolzenes Material während der nachfolgenden Wärmebehandlung weg fließen, und eine isotherm verfestigte Reparatur für diese Größe eines Defekts ergibt sich möglicherweise nicht. Zur Klarheit sei angegeben, dass die Breite hier definiert ist als das Maß, welches mit X in der 1 bezeichnet ist, die eine Draufsicht auf einen beispielhaften Defekt mit unregelmäßiger Größe und Gestalt ist.
Defekte, die größer als etwa 0,254 mm (0,010 Inch) in ihrer maximalen Breite sind, können während der Herstellung eines Gasturbinenmaschinen-Bauteils oder nach intensivem Maschinenbetrieb auftreten. Wenn derartige Defekte in der Form von breiten Spalten auftreten, ist es schwierig, wenn nicht unmöglich, eine isotherm verfestigte Reparatur zu erzeugen. Eine isotherm verfestigte Reparatur ist erwünscht, weil sie zu der festesten, zähesten und oxidationsresistentesten Reparatur führt. Diese Eigenschaften sind essenziell für einen effektiven Gasturbinenmaschinen-Betrieb.
Folglich besteht ein Bedürfnis nach einem Verfahren zum effektiven Reparieren von Defekten in der Form von breiten Spalten in Metalllegierungsgegenständen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum effektiven Reparieren von Defekten in der Form von breiten Spalten in Metalllegierungsgegenständen, beispielsweise Gasturbinenmaschinen-Bauteilen, indem eine isotherme Verfestigung in dem reparierten Bereich erzielt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Reparieren eines Metalllegierungsgegenstands mit einem Defekt-Hohlraum der größer als 2,54 × 10^-4 m (0,010 Inch) in maximaler Breite ist, bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Aufbringen eines ersten Metallfüllmaterials auf den Defekt-Hohlraum derart, dass das Füllmaterial den Hohlraum im Wesentlichen füllt, wobei das erste Metallfüllmaterial eine Zusammensetzung besitzt, die im Wesentlichen der des Metalllegierungsgegenstands entspricht oder eine abgestimmte Mischung von mindestens zwei unterschiedlichen Metallfüllmaterialien ist, wobei ein Metallfüllmaterial, welches mindestens mit 60 Gew.-% vorliegt, im Wesentlichen in seiner Zusammensetzung der des Metalllegierungsgegenstands entspricht, und ein anderes Metallfüllmaterial die gleiche Basis wie der Metalllegierungsgegenstand hat und ein Schmelzpunktsenkmittel in einer Menge aufweist, die deutlich über der in dem Gegenstand ist;
Aufbringen eines zweiten Metallfüllmaterials über dem ersten Füllmaterial, wobei das zweite Metallfüllmaterial aus zwischen 0 und 40 Gew.-% eines Metall füllmaterials mit einer Zusammensetzung, die im Wesentlichen dem Metalllegierungsgegenstand entspricht, und zwischen 100 und 60 Gew.-% eines Metallfüllmaterials mit der gleichen Basis wie die Zusammensetzung des Metalllegierungsgegenstands, das ein Schmelzpunktsenkmittel in einer Menge beinhaltet, die deutlich über der in dem Metalllegierungsgegenstand ist, ist;
Bewirken einer isothermen Verfestigung durch ein thermisches Bearbeiten des Gegenstands durch eine Wärmebehandlung, aufweisend:
Erwärmen des Gegenstands auf eine Temperatur über dem Festpunkt des zweiten Metallfüllmaterials, um das zweite Metallfüllmaterial zu schmelzen und isothermisch die Reparatur des Defekt-Hohlraums zu verfestigen.
Der Gegenstand wird thermisch durch eine Wärmebehandlung bearbeitet, um eine isotherm verfestigte Reparatur zu bewirken. Insbesondere weist die Wärmebehandlung ein Erwärmen des Gegenstands auf eine Temperatur über dem Festpunkt des zweiten Metallmaterials auf, beispielsweise auf zwischen 1093°C (2000°F) und 1316°C (2400°F) für zwischen 5 Stunden und 30 Stunden, um das zweite Metallfüllmaterial zu schmelzen und isotherm die Reparaturstelle zu verfestigen. Bei diesem Prozess schmilzt das zweite Metallfüllmaterial und infiltriert das erste Metallfüllmaterial, um eine Leerraum-freie Struktur zu erzeugen.
In bestimmten Anwendungen beinhaltet die Wärmebehandlung der vorliegenden Erfindung ein Erwärmen des Gegenstands auf eine Temperatur (T1), die in der Lage ist, das erste Metallfüllmaterial zu sintern, aber unterhalb dem Festpunkt des zweiten Metallfüllmaterials liegt, beispielsweise zwischen 1093°C (2000°F) und 1316°C (2400°F) für 4 Stunden; und dann Halten bei einer Temperatur (T2) über dem Festpunkt des zweiten Metallfüllmaterials, beispielsweise zwischen 1093°C (2000°F) und 1316°C (2400°F) für zwischen 5 Stunden und 30 Stunden, um das zweite Metallfüllmaterial zu schmelzen und isotherm die Reparaturstelle zu verfestigen. T1 wird niemals gleich T2 sein, welches immer größer als T1 ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Sintern des ersten Metallfüllmaterials durch ein Erwärmen des Gegenstands zwischen 1010°C (1850°F) und 1204°C (2200°F) für etwa 4 Stunden bewirkt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung beinhaltet die Verwendung einer ersten und einer zweiten Metallfüllpaste. Die erste Metallfüllpaste weist einen Binder und ein erstes Metallfüllmaterial auf. Die Zusammensetzung des ersten Metallfüllmaterials entspricht im Wesentlichen der des Metalllegierungsgegenstands.
Alternativ kann das erste Metallfüllmaterial eine abgestimmte Mischung von mindestens zwei verschiedenen Metallfüllmaterialien sein. Ein Metallfüllmaterial, welches zu mindestens 60 Gew.-% anwesend ist, entspricht im Wesentlichen dem des Metalllegierungsgegenstands. Das andere Metallfüllmaterial hat die gleiche Basis wie die Zusammensetzung des Metalllegierungsgegenstands und weist ein Schmelzpunktsenkmittel in einer Menge auf, die wesentlich über der in dem Gegenstand ist.
Eine zweite Metallfüllpaste ist über der ersten Metallfüllpaste vorgesehen. Die zweite Metallfüllpaste weist einen Binder und ein zweites Metallfüllmaterial mit zwischen 0 Gew.-% und 40 Gew.-% Metallfüllmaterial einer Zusammensetzung, die im Wesentlichen der des Metalllegierungsgegenstands entspricht, und zwischen 100 Gew.-% und 60 Gew.-% Metallfüllmaterial mit der gleichen Basis wie die Zusammensetzung des Metalllegierungsgegenstands und aufweisend ein Schmelzpunktsenkmittel in einer Menge wesentlich über der in dem Gegenstand auf.
Der Gegenstand wird dann thermisch bearbeitet, um zuerste das Bindemittel auszutreiben. Das kann durch ein Erwärmen des Gegenstands auf eine niedrige Temperatur, beispielsweise zwischen 538°C (1000°F) und 649°C (1200°F) und Halten bei dieser Temperatur, bis der Binder ausgetrieben ist, bewirkt werden. Alternativ kann eine langsame Erwärmungsrate, beispielsweise etwa 6°C/min (10°F/min) von 204°C (400°F) auf zwischen 538°C (1000°F) und 649°C (1200°F) verwendet werden, bis der Binder ausgetrieben ist. Sobald der Binder effektiv entfernt wurde, können die vorangehend beschriebenen Wärmebehandlungen verwendet werden, um eine isotherm verfestigte Reparatur herzustellen.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Fähigkeit, breite Risse in Metalllegierungsgegenständen, beispielsweise Gasturbinenmaschinen-Bauteilen, zu reparieren, indem eine isotherm Verfestigung und eine minimale Porosität in dem Reparaturbereich erzielt wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, eine isotherme Verfestigung und eine minimale Porosität in der Reparaturstelle in praktischen thermischen Zyklen zu erzielen, ohne irgendeinen anschließend aufgebrachten Druck, beispielsweise ein heißes isostatisches Pressen.
Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 zeigt eine Draufsicht auf einen beispielhaften Defekt unregelmäßiger Größe und Gestalt;
2 zeigt ein erstes Füllmaterial, welches im Wesentlichen den Defekt-Hohlraum füllt; und
3 zeigt ein Metallfüllmaterial, welches über dem ersten Metallfüllmaterial vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reparieren eines Metalllegierungsgegenstands, beispielsweise eines Gasturbinenmaschinen-Bauteils. Das Basismetall des Metalllegierungsgegenstands ist vorzugsweise eine Superlegierung auf Nickelbasis, Cobaltbasis oder Eisenbasis.
Die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise für einen Metalllegierungsgegenstand, der einen Defekt-Hohlraum aufweist, der größer als 2,4 x 10^-4 m (0,010 Inch) maximaler Breite ist, und wird besonders bevorzugt verwendet für De fekt-Hohlräume mit einer maximalen Breite zwischen 2,5 × 10^-4 m (0,010 Inch) und 7,6 × 10^-4 m (0,030 Inch) unabhängig von der Defektlänge. Jedoch können auch Defekt-Hohlräume mit anderen Größen repariert werden.
Das Verfahren weist vorzugsweise zuerste das Entfernen von Oberflächenoxiden von dem Defekt-Hohlraum auf. Typischerweise beinhalten erfolgreiche Verfahren ein thermisches Behandeln in einer reduzierenden Atmosphäre, beispielsweise Wasserstoff oder oder Wasserstofffluorid. Alternativ kann ein mechanisches Abrasionsverfahren, beispielsweise ein Schleifschritt verwendet werden, um Oberflächenoxide von dem Defekt-Hohlraum zu entfernen. Eine Kombination aus einem mechanische Abrasionsverfahren und einer Gasreinigung kann auch verwendet werden. Beispielsweise können die Oberflächenoxide entfernt werden, indem zuerst der Oberflächenbeschädigungsbereich ausgeschliffen wird und dann der Defekt-Hohlraum durch ein thermisches Behandeln in einer reduzierenden Atmosphäre gereinigt wird. Es ist jedoch nicht notwendig, den beschädigten Oberflächenbereich zuerst auszuschleifen.
Sobald der Defekt-Hohlraum frei von Oberflächenoxiden ist, wird ein erstes Metallfüllmaterial 10 auf den Defekt-Hohlraum aufgebracht, so dass das erste Metallfüllmaterial 10 den Hohlraum, wie in 2 gezeigt, im Wesentlichen füllt. Die Zusammensetzung des ersten Metallfüllmaterials 10 entspricht im Wesentlichen der des Metalllegierungsgegenstands.
Alternativ kann das erste Metallfüllmaterial 10 eine abgestimmte Mischung von mindestens zwei verschiedenen Metallfüllmaterialien sein. Ein Metallfüllmaterial, das zu mindestens 60 Gew.-% vorliegt, entspricht im Wesentlichen dem Metalllegierungsgegenstand. Das andere Metallfüllmaterial hat die gleiche Basis wie die Zusammensetzung des Metalllegierungsgegenstands und weist ein Schmelzpunktsenkmittel in einer Menge auf, die deutlich über der in dem Metalllegierungsgegenstand ist. Mit der gleichen Basis bezeichnen wir hier ein Füllmaterial, welches das gleiche Basismetall wie die Substratlegierung verwendet. Das Füllmaterial kann eine etwas einfachere chemische Zusammensetzung als die Substratlegierungszusammensetzung haben. Beispielsweise kann das Basismetall eine Superlegierungszusammensetzung sein, während das Füllmaterial eine Legierungszusammensetzung sein kann.
Die Menge an Schmelzpunktsenkmittel, die verwendet wird, reicht typischerweise von zwischen etwa 1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%. Vorzugsweise wird zwischen etwa 1 Gew.-% und etwa 3 Gew.-% Bor verwendet. Obwohl andere Schmelzpunktsenkmittel und Kombinationen daraus verwendet werden können, ist Bor wegen seiner Fähigkeit der schnellen Diffusion in Superlegierungen bevorzugt.
Vorzugsweise ist das erste Metallfüllmaterial in Pulverform, und die Größe der Pulverteilchen beträgt etwa 88 μm (1 × 10^-6 m) und feiner.
Ein zweites Metallfüllmaterial 12 wird über dem ersten Metallfüllmaterial 10, wie in der 3 gezeigt, in einer Menge vorgesehen, die ausreicht, das erste Metallfüllmaterial 10 zu infiltrieren. Wie in der 3 gezeigt, wird das zweite Metallfüllmaterial vorzugsweise über dem ersten Metallfüllmaterial 10 und um die unmittelbar dazu benachbarten Bereiche aufgehäuft. Eine exakte Menge an zweitem Füllmaterial 12 über dem ersten Metallfüllmaterial 10 ist typischerweise nicht erforderlich zur erfolgreichen Realisierung der Erfindung. Ähnlich ist es nicht erforderlich, das Gewichtsprozentverhältnis des ersten Metallfüllmaterials 10 zu dem anschließend aufgebrachten zweiten Metallfüllmaterial 12 zu bestimmen. Das ist ein weiterer signifikanter Vorteil der vorliegenden Erfindung.
Das zweite Metallfüllmaterial 12 weist zwischen 0 Gew.-% und 40 Gew.-% Metallfüller einer Zusammensetzung auf, die im Wesentlichen der des Metalllegierungsgegenstands entspricht, und zwischen 100 Gew.-% und 60 Gew.-% Metallfüllmaterial mit der gleichen Basis wie die Zusammensetzung des Metalllegierungsgegenstands und weist ein Schmelzpunktsenkmittel in einer Menge auf, die wesentlich über der in dem Metalllegierungsgegenstand ist. Die Menge an verwendetem Schmelzpunktsenkmittel liegt typischerweise zwischen etwa 1 Gew.-% und etwa 10 Gew.-%. Vorzugsweise wird zwischen etwa 1 Gew.-% und etwa 3 Gew.-% Bor verwendet.
Das zweite Metallfüllmaterial 12 ist auch vorzugsweise in Pulverform. Vorzugsweise ist die Größe der Pulverteilchen etwa 88 μm (1 × 10^-6 m) und feiner.
Der Metalllegierungsgegenstand wird dann thermisch behandelt durch eine Wärmebehandlung, um eine isothermisch verfestigte Reparatur zu bewirken. Speziell beinhaltet die Wärmebehandlung ein Erwärmen des Gegenstands auf eine Temperatur über dem Festpunkt des zweiten Metallfüllmaterials 12, beispielsweise zwischen 1093°C (2000°F) und 1316°C (2400°F) für zwischen 5 Stunden und 30 Stunden, um das zweite Metallfüllmaterial 12 zu schmelzen und die Reparaturstelle isothermisch zu verfestigen. Bei diesem Prozess schmilzt das zweite Metallfüllmaterial 12 und infiltriert das erste Metallfüllmaterial 10, um eine Leerraum-freie Struktur zu bilden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann die Wärmebehandlung der vorliegenden Erfindung bewirkt werden durch ein Erwärmen des Gegenstands auf eine Temperatur (T1), die in der Lage ist, das erste Metallfüllmaterial 10 zu sintern, aber unter dem Festpunkt des zweiten Metallfüllmaterials 12 ist, beispielsweise zwischen 1093°C (2000°F) und 1316°C (2400°F) für etwa 4 Stunden; und dann Halten bei einer Temperatur (T2) über dem Festpunkt des zweiten Metallfüllmaterials 12, beispielsweise zwischen 1093°C (2000°F) und 1316°C (2400°F) für zwischen 5 Stunden und 30 Stunden, um das zweite Metallfüllmaterial 12 zu schmelzen und isothermisch die Reparaturstelle zu verfestigen. Folglich wird T1 niemals gleich T2 sein, das immer größer als T1 sein wird.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine erste Metallfüllpaste gebildet. Die erste Metallfüllpaste weist einen Binder und ein erstes Metallfüllmaterial 10 auf.
Die Zusammensetzung des ersten Metallfüllmaterials 10 entspricht im Wesentlichen der des Metalllegierungsgegenstands. Alternativ kann das erste Metallfüllmaterial 10 eine abgestimmte Mischung von mindestens zwei unterschiedlichen Metallfüllmaterialien sein. Ein Metallfüllmaterial, das zu mindestens 60 Gew.-% vorliegt, entspricht im Wesentlichen dem des Metalllegierungsgegenstands. Das andere Metallfüllmaterial hat die gleiche Basis wie die Zusammensetzung des Metalllegierungsgegenstands und weist eine substanzielle Menge eines Schmefzpunktsenkmittel auf. Die Menge an Schmelzpunktsenkmittels, die verwendet wird, liegt typischerweise zwischen etwa 1 Gew.-% und etwa 10 Gew.-%. Vorzugsweise wird zwischen etwa 1 Gew.-% und etwa 3 Gew.-% Bor verwendet.
Der Binder kann irgendein Material sein, das in der Lage ist, an dem Pulver anzuhaften, so dass eine pastenartige Substanz gebildet wird. Die Menge an Binder, die erforderlich ist, ist gerade genug, um das Pulver in Suspension zu halten, und der Fachmann ist in der Lage, diese Menge zu bestimmen. Der Binder muss auch in der Lage sein, bei weniger als etwa 649°C (1200°F) zu verdampfen, ohne irgendwelche schädlichen Rückstände zu hinterlassen. Der Binder und das erste Metallfüllmaterial 10 können in jeglicher konventionellen Weise zusammengebracht werden, beispielsweise durch Mischen.
Nach dem Herstellen der ersten Metallfüllpaste wird die Paste auf den Defekt-Hohlraum aufgebracht, um den Hohlraum im Wesentlichen zu füllen. Die Paste kann in jeder geeigneten Weise aufgebracht werden, um den Hohlraum zu füllen. Die Paste wird typischerweise in den Hohlraum gespritzt. Überschüssige Paste wird dann entfernt.
Eine zweite Metallfüllpaste wird über der ersten Metallfüllpaste vorgesehen. Die zweite Metallfüllpaste weist einen Binder und ein zweites Metallfüllmaterial 12 mit zwischen 0 Gew.-% und 40 Gew.-% Metallfüllmaterial einer Zusammensetzung, die im Wesentlichen der des Metalllegierungsgegenstands entspricht, und zwischen 100 Gew.-% und 60 Gew.-% Metallfüllmaterial mit der gleichen Basis wie die Zusammensetzung des Metalllegierungsgegenstands und aufweisend ein Schmelzpunktsenkmittel in einer Menge, die im Wesentlichen über der in dem Metalllegierungsgegenstand ist, auf. Die Menge an Schmelzpunktsenkmittel liegt typischerweise zwischen etwa 1 Gew.-% und etwa 10 Gew.-%. Vorzugsweise wird zwischen etwa 1 Gew.-% und etwa 3 Gew.-% Bor verwendet.
Der Binder der zweiten Metallfüllpaste kann auch jegliches Material sein, das in der Lage ist, an dem Pulver anzuhaften, so dass eine pastenartige Substanz geformt wird; und die Menge an Binder, die erforderlich ist, ist gerade genug, um das Pulver in Suspension zu halten. Der Binder muss auch in der Lage sein, bei weniger als 649°C (1200°F) zu verdampfen, ohne schädliche Rückstände zu hinterlassen. Der Binder und die zweite Metallfüllpaste können in jeglicher konventioneller Weise zusammengebracht werden, beispielsweise durch Mischen. Die zweite Metallfüllpaste wird dann direkt über der ersten Metallfüllpaste in einer Menge aufgebracht, die ausreichend ist, die erste Metallfüllpaste abzudecken und in einer Menge, die ausreicht, dass das zweite Metallfüllmaterial 12 das erste Metallfüllmaterial 10 infiltrieren kann. Typischerweise wird die zweite Metallfüllpaste über der ersten Mallfüllpaste und an den unmittelbar dazu benachbarten Bereichen aufgebracht. Das Fließen der Paste während der thermischen Behandlung wird derart kontrolliert, dass die Verwendung eines mechanischen Damms nicht erforderlich ist.
Der Metalllegierungsgegenstand wird dann thermisch bearbeitet, um zuerst den Binder auszutreiben. Das kann bewirkt werden durch ein Erwärmen des Gegenstands auf eine Temperatur zwischen 538°C (1000°F) und 649°C (1200°F) und Halten bei dieser Temperatur, bis der Binder ausgetrieben ist. Alternativ kann eine langsame Erwärmungsrate, beispielsweise 6°C/min (10°F/min) von etwa 204°C (400°F) auf eine Temperatur zwischen 538°C (1000°F) und 649°C (1200°F) verwendet werden, bis der Binder ausgetrieben ist. Sobald der Binder effektiv entfernt wurde, können die vorangehend beschriebenen Wärmebehandlungen verwendet werden, um eine isotherm verfestigte Reparaturstelle zu erzeugen.
Die folgenden Beispiele werden gegeben, um die vorliegende Erfindung weiter zu erklären und sind nur beispielhaft und nicht einschränkend gedacht.
Beispiel 1
Reparaturen wurden an einem Gegenstand mit einer Nominal-Gewichtszusammensetzung von 9% Gew.-% Chrom, 10 Gew.-% Cobalt, 12,5 Gew.-% Wolfram, 1 Gew.-% Columbium, 2 Gew.-% Titan, 5 Gew.-% Aluminium, 2 Gew.-% Hafnium, 0,015 Gew.-% Bor und Rest Nickel vorgenommen. Der Gegenstand hatte einen Defekt-Hohlraum mit einer maximalen Breite zwischen 2,5 × 10^-4 m (0,010 Inch) und 7,6 × 10^-4 m (0,030 Inch). Basismetallpulver, das etwa 88 μm (1 × 10^-6 m) und feiner war, wurde mit einem wässrigen Binder, Omni KAO, von Omni Technologies Corporation, Exeter, NH, zusammengebracht, um eine Paste zu bilden, die in den Defekt-Hohlraum platziert wurde und im Wesentlichen das Volumen des Defekt-Hohlraums gefüllt hat.
Eine zweite Paste wurde gebildet durch ein Zusammenbringen des obigen Binders und einer Legierung von 10 Gew.-% Chrom, 10 Gew.-% Cobalt, 5 Gew.-% Wolfram, 3 Gew.-% Bor und dem Rest Nickel. Die zweite Paste wurde über der ersten Paste in einer Menge angeordnet, die ausreichend war, die erste Paste und die unmittelbar dem Defekt-Hohlraum benachbarten Bereiche zu überdecken. Das Pulver der zweiten Paste (zweites Metallfüllmaterial) war 44 μm (4,4 × 10^-5 m) und feiner.
Der Gegenstand wurde auf 538°C (1000°F) bei einer Rate von 6°C/min (10°F/min) erwärmt, um den Binder auszutreiben. Der Gegenstand wurde dann auf 1093°C (2000°F) erwärmt und bei dieser Temperatur 4 Stunden lang gehalten, um das Basismaterialpulver in der ersten Paste zu sintern. Die Temperatur blieb unter dem Festpunkt des zweiten Metallfüllmaterials. Der Gegenstand wurde dann auf 1204°C (2200°F) erwärmt und für 30 Stunden gehalten, um das zweite Metallfüllmaterial zu schmelzen und isotherm die Reparaturstelle zu verfestigen.
Nach dem Abkühlen wurde der Gegenstand metallografisch inspiziert, um eine rissfreie Struktur sicherzustellen. Der Gegenstand wurde inspiziert, indem durch den Gegenstand geschnitten wurde und die Mikrostruktur unter einem Mikro skop überprüft wurde. Scheinbar wurde eine rissfreie, isotherm verfestigte Reparatur erfolgreich erreicht.
Beispiel 2
Reparaturen wurden an einer gegossenen Inconel 713C-Superlegierung mit einer Nennzusammensetzung von 13,5 Gew.-% Cr, 4,5 Gew.-% Mo, 6 Gew.-% Al, 0,9 Gew.-% Ti, 2,1 Gew.-% Cb/Ta, 0,14 Gew.-% C, 0,01 Gew.-% B, 0,08 Gew.-% Zr und der Rest Ni vorgenommen. Die Superlegierung hatte einen durch die Wand gehenden Defekt-Hohlraum mit einer maximalen Breite von 0,051 cm (0,020 Inch). Basismetallpulver, das etwa 88 μm und feiner war, wurde mit einem wässrigen Binder, Amdry^® 1290R, von Sulzer Metco (US) Inc. zusammengebracht, um eine Paste zu bilden, die in dem Defekt-Hohlraum angeordnet wurde, um im Wesentlichen das Volumen des Defekt-Hohlraums zu füllen.
Eine zweite Paste wurde gebildet durch Zusammenbringen des obigen Binders mit Pulver mit einer Nominalzusammensetzung von 4,5 Gew.-% Si, 3 Gew.-% B und der Rest Nickel. Die Partikelgröße des Pulvers betrug etwa 44 μm und feiner. Diese zweite Paste wurde über der ersten Paste und um die Ränder des Defekt-Hohlraums in einer Menge aufgebracht, die ausreichend war, um die erste Paste und die dazu benachbarten Bereiche zu überdecken.
Der Gegenstand wurde dann auf 538°C (1000°F) mit einer Rate von 6°C/min (10°F/min) erwärmt, um den Binder auszutreiben. Der Gegenstand wurde dann auf 1121°C (2050°F) erwärmt und bei 1121°C (2050°F) 12 Stunden gehalten. Der Gegenstand wurde dann luftgekühlt.
Wie in Beispiel 1 wurde der Gegenstand metallografisch untersucht und hat scheinbar zu einer erfolgreichen, rissfreien isotherm verfestigten Reparatur geführt.
Beispiel 3
Reparaturen wurden an einer gegossenen Mar-M509-Superlegierung auf Cobaltbasis mit einer Nominalzusammensetzung von 23,4 Gew.-% Cr, 10 Gew.-% Ni, 7 Gew.-% W, 3,5 Gew.-% Ta, 0,6 Gew.-% C, 0,2 Gew.-% Ti, 0,5 Gew.-% Zr und der Rest Co durchgeführt. Die Superlegierung hatte einen Defekt in der Form einer 0,076 cm (0,030 Inch) Durchmesser Durchgangsöffnung.
Eine erste Paste wurde in den Defekt-Hohlraum eingebracht, um das Volumen des Defekt-Hohlraums im Wesentlichen zu füllen. Die erste Paste enthielt eine Pulverlegierungsmischung wie folgt: 70 Gew.-% Pulver mit der gleichen Zusammensetzung wie das Basismetall und 30 Gew.-% Pulver mit einer Nominalzusammensetzung von 25 Gew.-% Ni, 23,4 Gew.-% Cr, 3 Gew.-% B und der Rest Co. Die Pulverteilchen waren etwa 88 μm und kleiner. Die Pulverlegierungsmischung wurde mit dem gleichen Binder wie in Beispiel 2 zusammengebracht, um eine pastenartige Konsistenz auszubilden.
Eine zweite Paste wurde gebildet durch ein Zusammenbringen des obigen Binders mit einer Pulverlegierungsmischung wie folgt: 60 Gew.-% Pulver mit einer Nominalzusammensetzung von 40 Gew.-% Ni, 24,5 Gew.-% Cr, 2,95 Gew.-% B und der Rest Co und 40 Gew.-% Pulver mit der gleichen Zusammensetzung wie das Basismetall. Die Partikelgröße des Pulvers betrug etwa 44 μm und kleiner. Diese zweite Paste wurde auf beide Seiten des Defekt-Hohlraums aufgebracht und bedeckte die gesamte Defekt-Öffnung und die erste Paste.
Der Gegenstand wurde dann erwärmt auf 538°C (1000°F) bei einer Rate von 6°C/min (10°F/min), um den Binder auszutreiben. Der Gegenstand wurde dann auf 1149°C (2100°F) erwärmt und bei 1149°C (2100°F) 12 Stunden lang gehalten. Der Gegenstand wurde dann luftgekühlt.
Wie in den vorangehenden Beispielen wurde der Gegenstand metallografisch untersucht und hat scheinbar zu einer erfolgreichen, rissfreien, isotherm verfestigten Reparaturstelle geführt.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Fähigkeit zur Reparatur von Defekten in der Form von breiten Spalten in Metalllegierungsgegenständen, indem eine isotherme Verfestigung und eine minimale Porosität in dem Reparaturbereich erzielt wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit zur Reparatur von Gasturbinen-Laufschaufel- und -Leitschaufel-Kühlöffnungen durch das Erzielen einer isotherm verfestigten Struktur mit minimaler Porosität.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, ist, dass sie verwendet werden kann, um Metallgegenstände zu verbinden und auch, um sie zu reparieren.

Claims

Verfahren zum Reparieren eines Metalllegierungsgegenstands mit einem Defekt-Hohlraum, der größer als 2,54 × 10^-4 m (0,010 Inch) in maximaler Breite ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Aufbringen eines ersten Metallfüllmaterials (10) auf den Defekt-Hohlraum derart, dass das Füllmaterial im Wesentlichen den Hohlraum füllt, wobei das erste Metallfüllmaterial eine Zusammensetzung hat, die im Wesentlichen der des Metalllegierungsgegenstands entspricht oder eine Mischung aus mindestens zwei verschiedenen Metallfüllmaterialien ist, wobei ein Metallfüllmaterial, das zu mindestens 60 Gew.-% vorliegt, im Wesentlichen in seiner Zusammensetzung der des Metalllegierungsgegenstands entspricht, und ein anderes Metallfüllmaterial die gleiche Basis wie der Metalllegierungsgegenstand hat und ein Schmelzpunktsenkmittel in einer Menge aufweist, die deutlich über der in dem Gegenstand ist; Aufbringen eines zweiten Metallfüllmaterials (12) über dem ersten Füllmaterial (10), wobei das zweite Metallfüllmaterial aus zwischen 0 und 40 Gew.-% Metallfüllmaterial mit einer Zusammensetzung, die im Wesentlichen der des Metalllegierungsgegenstands entspricht, und zwischen 100 und 60 Gew.-% eines Metallfüllmaterials mit der gleichen Basis wie die Zusammensetzung des Metalllegierungsgegenstands, aufweisend ein Schmelzpunktsenkmittel in einer Menge, die im Wesentlichen über der in dem Metalllegierungsgegenstand ist, besteht; Bewirken einer isothermen Verfestigung durch ein thermisches Bearbeiten des Gegenstands durch eine Wärmebehandlung, aufweisend: Erwärmen des Gegenstands auf eine Temperatur über dem Festpunkt des zweiten Metallfüllmaterials (T2), um das zweite Metallfüllmaterial zu schmelzen und isotherm die Reparaturstelle des Defekt-Hohlraums zu verfestigen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand auf zwischen 1093°C (2000°F) und 1316°C (2400°F) für zwischen 5 Stunden und 30 Stunden erwärmt wird, um eine isotherme Verfestigung zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei vor dem Schritt der isothermen Verfestigung der Gegenstand auf eine Temperatur (T1) erwärmt wird, die in der Lage ist, das erste Metallfüllmaterial (10) zu sintern, aber unter dem Festpunkt des zweiten Metallfüllmaterials (12) ist, wobei T2 größer als T1 ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Gegenstand auf zwischen 1093°C (2000°F) und 1316°C (2400°F) für etwa 4 Stunden erwärmt wird, um ein Sintern des ersten Metallfüllmaterials (10) zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Gegenstand auf zwischen 1010°C (1850°F) und 1204°C (2200°F) für etwa 4 Stunden erwärmt wird, um ein Sintern des ersten Metallfüllmaterials (10) zu bewirken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sowohl das erste als auch das zweite Metallfüllmaterial (10, 12) vor der Aufbringung auf den Defekt-Hohlraum mit einem Binder vermischt wurden, um eine Paste zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Gegenstand auf eine Temperatur zwischen 538°C (1000°F) und 649°C (1200°F) erwärmt wird und bei dieser Temperatur gehalten wird, bis der Binder ausgetrieben ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Metalllegierungsgegenstand ein Superlegierungsgegenstand auf Nickelbasis ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Metalllegierungsgegenstand eine Zusammensetzung von 9 Gew.-% Chrom, 10 Gew.-% Cobalt, 12,5 Gew.-% Wolfram, 1 Gew.-% Columbium, 2 Gew.-% Titan, 5 Gew.-% Aluminium, 2 Gew.-% Hafnium, 0,015 Gew.-% Bor und der Rest Nickel aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Defekt-Hohlraum eine maximale Breite von weniger als 7,6 × 10^-4 m (0,030 Inch) hat.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Oberflächenoxide von dem Defekt-Hohlraum entfernt werden, bevor das erste Füllmaterial in den Defekt-Hohlraum eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen etwa 1 Gew.-% und 3 Gew.-% Bor als das Schmelzpunktsenkmittel in dem zweiten Metallfüllmaterial vorhanden ist.