DE69925796T2

DE69925796T2 - Verfahren zum Aufbringen von verschleissfesten Materialen auf Turbinenschaufeln

Info

Publication number: DE69925796T2
Application number: DE69925796T
Authority: DE
Inventors: Aaron Todd Ballston Spa Frost; Andrew Jones Jr.; Rosalia Marie Martinez-Brandon; Raymond Alan Schenactady White
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 1999-10-12
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2019-10-13
Also published as: EP0999009A1; JP2000225475A; TW445191B; JP4831379B2; KR20000035121A; EP0999009B1; US6164916A; KR100639450B1; DE69925796D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aufbringen von verschleißfestem Material auf ein Substrat durch Diffusionsschweißen und spezieller ein Verfahren zum Hartlöten einer verschleißfesten Legierung an eine Turbinenschaufel.
Gewisse Gasturbinenschaufeln weisen am äußersten Ende des aerodynamischen Profils Deckbänder auf. Die Schaufeldeckbänder sind typischerweise mit einem Verkopplungsmerkmal konstruiert, normalerweise in der Form eines Schlitzes, der ermöglicht, dass jede Schaufel an ihrem Deckband mit einer angrenzenden Nachbarschaufel verkoppelt wird, wenn solche Schaufeln um den Umfang einer Turbinenscheibe angebracht werden. Dieses Verkopplungsmerkmal trägt dazu bei, zu verhindern, dass die aerodynamischen Profile vibrieren, wodurch die Spannungen verringert werden, die während eines Betriebs auf die Schaufeln beaufschlagt werden.
Unglücklicherweise sind die Turbinenschaufeln typischerweise aus Superlegierungen auf Nickelbasis oder anderen Hochtemperatur-Superlegierungen hergestellt, die konstruiert sind, um eine hohe Festigkeit bei hoher Temperatur beizubehalten, und ist das Deckbandmaterial der Schaufel und der Verkopplungs-"Schlitz" nicht von einer ausreichenden Härte, um Verschleißbeanspruchungen und reibender Bewegung standzuhalten, die während eines Anlaufens und Abfahrens eines Turbinenmotors auftreten, wenn sich die Schaufeln zu einer "verkoppelten" bzw. "nicht verkoppelten" Position tordieren. Aufgrund der verhältnismäßig geringen Rockwellhärte der Deckbandmaterialien verschleißen die Verkopplungen und bewirken, dass sich in den Deckbändern Zwischenräume öffnen, wodurch ermöglicht wird, dass sich die aerodynamischen Profile tordieren und weiter verformen und selbst möglicherweise während eines Betriebs vibrieren, was äußerst unerwünscht ist, da derartiges zusätzliche höhere Spannungen auf die Schaufel beaufschlagt, was schnell zur einem Schaufelbruch und nachfolgendem Ausfall der Turbine führen kann.
Die EP-A-0837220 offenbart ein Verfahren zum Reparieren von verschlissenen Turbinenschaufeln, umfassend (a) Entfernen eines verschlissenen Schaufelspitzenteils, so dass der übrige Teil der Schaufel eine Länge oder eine Höhe aufweist, die einer standardisierten Höhe h entspricht; (b) Messen der aktuellen Geometrie des Endes des übrigen Teils der Schaufel bei der Höhe h; (c) Bilden eines Reparaturprofils oder Reparaturteils eines Reparaturmaterials mit einer Dicke d, die im Wesentlichen dem Unterschied zwischen der gewünschten nominalen Länge oder Höhe H der fertigen reparierten Turbinenschaufel und der standardisierten Höhe h des übrigen Teils der Schaufel entspricht und einen Umriss entsprechend der aktuellen Geometrie des Endes des übrigen Teils der Schaufel aufweist; und Anordnen und Anbringen des Reparaturprofils auf den übrigen Teil der Schaufel.
Die US-A-2994125 offenbart eine harte Oberflächenmetallstruktur, umfassend ein Grundmetall, auf dem aufeinanderfolgend überlagert sind: eine Schicht eines Hartlotmetalls, eine Schicht eines zweiten Metalls, das aus Nickel, Silber, Edelstahl, Zinn und Kupfer ausgewählt ist, und eine Schicht eines harten Oberflächenmaterials, bestehend nach Gewicht aus einem Minimum von 56% Kobalt, 27–30% Chrom, 3–6% Wolfram, 2–4% Nickel, 0,03–0,2% Manganen und aus 0,25–0,4% Kohlenstoff, wobei die benachbarten Schichten von Metall miteinander verbunden sind.
Als ein Mittel zur Erhöhung der Härte der Schaufeldeckbänder an der Verkopplungsgrenzfläche zwischen benachbarten Schaufeln, ist es bekannt, die Deckbandverkopplungen maschinell mit Untermaß zu bearbeiten und mittels eines Flammspritzvorgangs ein hochfestes Material d.h. ein Chromcarbidmaterial, auf die Verkopplungsoberfläche aufzubringen. Das hochfeste Chromcarbidmaterial wird unter Verwendung eines solchen Flammspritzvorgangs bis zu einer Dicke aufgebracht, die ausreicht, um die Deckbandverkopplungsfläche bis auf die Konstruktionsmaßtoleranzen anzuheben. Nachteiligerweise jedoch erzeugt die Aufbringung eines härteren Materials auf der Verkopplungsfläche der Turbinenschaufeln (der sogenannten "Z-Schlitz"-Fläche des Schaufeldeckbands) auf die zuvor genannte Weise eine Hartmetallauflage, die porös ist und eine geringe Bindehaftung an der Superlegierung auf Nickelbasis aufweist, aus der das Deckband besteht. Die Porosität macht es schwierig, die genauen Abmessungen der Dicke der Hartmaterialauflage zu bestimmen, wodurch Probleme beim Verkoppeln erzeugt werden, was auf das Entstehen von Toleranzen an der Verkopplungsgrenzfläche um die Periphere einer Turbinenscheibe zurückzuführen ist. Außerdem bewirkt die geringe Haftung, dass die Hartmetallauflage während eines Turbinenbetriebs herunterfällt, wodurch das ursprüngliche Problem von verschlissenen Untermaßverkopplungen und eine unerwünschte Beanspruchung von nicht verkoppelten Schaufeln erneut eingeführt wird.
Als eine Alternative wird manchmal ein Schweißen einer Hartmaterialauflage an das Deckband durchgeführt. Wieder werden bei diesem Verfahren die Verkopplungen maschinell mit Untermaß bearbeitet, und die Hartmetallauflage einer größeren als gewünschten Dicke wird an dem Verkopplungs-'Z-Schlitz' durch Schweißen aufgebracht und danach maschinell bearbeitet, um einen Verkopplungs-Z-Schlitz von den gewünschten Maßtoleranzen zu erzeugen. Unerwünschterweise jedoch bringt ein Schweißen notwendigerweise ein Schmelzen von sowohl der Hartmaterialauflage als auch des Deckbandsubstrats mit sich, was ein unerwünschtes Mischen der beiden Materialien und nicht nur eine resultierende Verminderung in der Härte der Hartmaterialauflage sondern auch ein Schwächen der Superlegierungscharakteristiken des Deckbandmaterialsubstrats in der Nähe der Schweißstelle hervorruft. Außerdem ruft ein Schweißen häufig eine Rissbildung während einer Herstellung aufgrund der thermisch induzierten Spannungsgradienten hervor und erzeugt weiter häufig eine nichtgleichmäßige Härte und Porosität in der Hartmaterialauflage. Erzeugung von Rissen in hochbeanspruchten Materialien ist äußerst unerwünscht. Demgemäß existiert ein Bedarf an einem Verfahren, um Hartmaterialauflagen mit Schaufeln zu verbinden, die nicht porös sind und bei denen Maßtoleranzen leicht erfüllt werden können, die ein hohes Haftvermögen aufweisen, das zum Verbinden von hochbeanspruchten Bauteilen geeignet ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um die zahlreichen Nachteile der Verfahren des Standes der Technik zum Aufbringen einer Hartmaterialauflage an einer Turbinenschaufel zu überwinden, umfasst in einem von seinen breiten Aspekten die vorliegende Erfindung ein Verfahren, wodurch eine Hartmaterialauflage an einem Turbinenschaufeldeckband diffusionsgeschweißt wird.
Diffusionsschweißen, wie z.B. das Verfahren, das in der US 4,034,454 für Materialien wie beispielsweise Zirconium, Titanium und ihre Legierungen offenbart ist, ist bekannt. Bis jetzt ist man jedoch nicht der Meinung gewesen, dass es zweckmäßig ist, ein solches Verfahren zu verwenden, um Materialien mit hochbeanspruchten Bauteilen, wie z.B. Turbinenschaufeln, insbesondere in der Z-Schlitz-Stelle, zu verbinden, was auf die Wahrnehmung von Schwachstellen der Verbindung und die resultierenden katastrophalen Folgen zurückzuführen ist, wenn die Hartmaterialauflage von ihrem Platz entfernt wurde. Vorteilhafterweise und überraschenderweise sorgt die vorliegende Erfindung für ein Verfahren zum Diffusionsschweißen einer Hartmaterialauflage auf einem Deckbandteil einer Turbinenschaufel, das nicht nur die zahlreichen Nachteile einer Hartmetallauflage nach dem Stand der Technik überwindet, wie z.B. Schweißstellenrissbildung, sondern auch überraschenderweise eine Verbindung von wesentlicher Festigkeit liefert. Insbesondere ist es weiter entdeckt und festgestellt worden, dass eine spezi fische Hartmaterialauflage und zwei Folienmaterialien, jede von einer speziellen Materialzusammensetzung, eine Diffusionsverbindung von hoher Verbindungsfestigkeit für diesen Typ von Anwendung erzeugt.
Demgemäß und spezieller umfasst in einem von seinen breiten Aspekten die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen einer verschleißfesten Hartmetalllegierungsauflage an einem Teil einer Turbinenschaufel, umfassend:

(i) Platzieren einer dünnen Folie eines Hartlots über einer Passfläche des Teils der Turbinenschaufel;
(ii) Positionieren einer Hartmetalllegierungsauflage von einer größeren als gewünschten Dicke über der Folie, wodurch die Folie zwischen dem Teil der Turbinenschaufel und der Hartmetalllegierungsauflage als Zwischenlage angeordnet wird;
(iii) Erhitzen des Teils der Turbinenschaufel, Folie und Hartmetalllegierungsauflage über eine Zeitspanne, die ausreicht, um die Folie zu schmelzen und ein Verbinden der Hartmetalllegierungsauflage mit dem Teil der Turbinenschaufel zu bewirken; und
(iv) danach, maschinelles Bearbeiten der Hartmetalllegierungsauflage, um die größere als gewünschte Dicke auf eine gewünschte kleinere Dicke zu verringern.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Hartmaterialauflage und die Folienmaterialien, von denen gefunden wurde, dass sie zu einer ausreichend starken Diffusionsverbindung führen, die für diesen Typ von Hochbeanspruchungsanwendung (Turbinenschaufeln) geeignet ist, für die Hartmaterialauflage eine Kobaltlegierung, die aus Stellite 694^TM besteht, umfassend (nach Gew.-%):

Kohlenstoff 0,70–1,0

Cr 26–30

Si 1,0

Ni 4–6

Fe 3,0

Vanadium 1,25

B 0,10

W 18–21

Co Rest
Für die Folienelemente ist gefunden worden, dass zwei Folien ausreichen, erstens eine Legierung auf Nickel-Basis, die als Amdry 915 bekannt ist, umfassend die folgenden Elemente nach Gew.-%:

Cr 13

Fe 4

Bor 2,8

Si 4

Ni Rest

oder zweitens eine Superlegierung auf Nickelbasis, umfassend die folgenden Elemente nach Gew.-%:

Cr 19

Si 7,3

Bor 1,5

C 0,08

Ni Rest.
Es wird die These vertreten, dass das Bor in den Folienmaterialien als ein eutektisches Hemmmittel wirkt, das bei Schmelzen der Folie in sowohl die Hartmaterialauflage als auch das Deckbandsubstrat diffundiert, wobei sich die übrige Folie dann verfestigt und eine Verbindung zwischen der Hartmaterialauflage und dem Deckbandsubstrat bildet. Es wird folglich bevorzugt, dass der Erhitzungsschritt bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung eine Zeitlang erfolgt, die ausreicht, um eine Diffusion von mindestens einem Teil des Bors in der Folie weg von einer Grenzfläche, die an der Treffstelle der Deckbandoberfläche und Folie gebildet ist, und in eines oder beides von der Hartmaterialauflage und dem Deckbandmaterial zu ermöglichen, um ein zweckmäßiges Diffusionsschweißen zu bewerkstelligen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren der vorliegenden Erfindung weiter ein Hinzufügen eines Metalllegierungspulvers an einer Stelle, die sich zwischen der Hartmetalllegierungsauflage und der Turbinenschaufel befindet, und spezieller ein Hinzufügen eines Kügelchens aus Hartlotpaste über mindestens eine freiliegende Verbindungsgrenzfläche zwischen der Hartmaterialauflage und der Turbinenschaufel vor oder von gleicher Dauer mit einem Erhitzen der Folie, um das Diffusionsschweißen zu unterstützen. Spezieller ist in einer bevorzugten Ausführungsform das Metalllegierungspulver eine Superlegierung auf Kobaltbasis, umfassend AMS 4783, d.h. (nach Gew.-%):

Ni 17

Cr 19

Wolfram 4

Kohlenstoff 0,4

Bor 0,8

Si 8

Co Rest.
Die Erfinder haben gefunden, dass ein Metalllegierungspulver, das aus Legierung A oder Legierung B besteht, oder das aus zwei Legierungen A und B besteht, wobei A eine Superlegierung auf Nickel-Basis ist, die 60% (nach Gewicht) umfasst, und B eine Superlegierung auf Nickel-Basis ist, die 40% (nach Gewicht) eines solchen Metalllegierungspulvers umfasst, geeignet sind. Insbesondere umfasst Legierung A (nach Gew.-%):

Co 10

Cr 8,3

Al 5,5

Ti 1,0

Tantal 3,0

Molybdän 0,7

Wolfram 10

Hafnium 1,5

C 0,14

Bor 0,015

Ni Rest

und Legierung B umfasst (nach Gew.-%):

Co 22

Cr 15

Bor 2,8

Si 3,5

Ni Rest.
Es ist gefunden worden, dass die Mischung, die 60%A/40%B umfasst, als ein Metalllegierungspulver nützlich ist, das auf die oben erwähnte Weise hinzugefügt werden kann, um das Diffusionsschweißen zu steigern und folglich die Festigkeit der Verbindung zwischen der Hartmaterialauflage und dem Turbinenschaufelsubstrat zu erhöhen.
Vorteilhafterweise überwindet der Hartmetallauflagendiffusionsschweißprozess der vorliegenden Erfindung zum Aufbringen einer Hartmaterialauflage an einer Turbinenschaufel und insbesondere an einer Z-Schlitz-Oberfläche in einer Turbinenschaufel mit Deckband die Probleme bei den Verfahren nach dem Stand der Technik. Anders als die Schweißtechnik nach dem Stand der Technik, bei der die Hartmaterialauflage an das Deckband angeschweißt wurde, und das zu örtlich festgelegtem Schmelzen der Hartmaterialauflage und des Deckbandmaterials in der Nähe der Schweißstelle führte, führt bei der Hartlöttechnik der vorliegenden Erfindung der Erhitzungsprozess darin nur zu einem Erhitzen der Hartmaterialauflage, Folie und Deckband zum Schmelzpunkt der Folie, der typischerweise viel niedriger als der der Hartmaterialauflage oder des Deckbandmaterials ist. Demgemäß tritt kein Schmelzen und Mischen dieser letztgenannten Materialien auf, wodurch die einzelnen physikalischen Eigenschaften des Hartmetallauflagenbauteils und des Substrats bewahrt werden, d.h. die Härtevermögen der Hartmaterialauflage und die Hochfestigkeitsvermögen des Superlegierungsmaterials auf Nickel-Basis für das Deckband, was äußerst kritisch für hochbeanspruchte Turbinenschaufeln ist. Außerdem, gibt es, wegen der niedrigeren Temperaturen, die inbegriffen sind, keine (oder signifikant geringere) thermisch induzierte Spannung und keine induzierte Rissbildung aufgrund des örtlich festgelegten Erhitzens und Kühles einer Schweißstelle.
Zusätzlich besitzt im Vergleich zum aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Hartmetallauflagenbildung durch Carbidablagerung das Diffusionsschweißen einer Hartmaterialauflage durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung signifikante Vorteile darüber, d.h. dass es keine resultierende Porosität der Hartmaterialauflage gibt, und weiter, dass das Diffusionsschweißen von einer ausreichenden Festigkeit ist, um die Hartmaterialauflage zu bewahren.
Turbinenschaufeln erfordern entweder nach Herstellung oder nach anhaltender Verwendung Wärmebehandlungen, um die maximale Festigkeit der Superlegierung wiederherzustellen. Vorteilhafterweise ist in einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung entdeckt worden, dass der Erhitzungsschritt der vorliegenden Erfindung über ein Zeitintervall durchgeführt werden kann, wobei das Erhitzen gleichzeitig dazu dient, nicht nur das Hartlöten und Diffusionsschweißen der Hartmetalllegierungsauflage an einem Teil der Turbinenschaufel zu ermöglichen, sondern auch dazu dient, um eine Wärmebehandlung und/oder einen Spannungsabbau der Turbinenschaufel zu bewerkstelligen. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist besonders angepasst und ermöglicht folglich, dass der Diffusionsschweißschritt, wenn gewünscht, zur selben Zeit wie der Wärmebehandlungsschritt durchgeführt wird, wodurch bei Herstellungsschritten sparsam verfahren wird und vermieden wird, dass man ein separates Erhitzen für den Diffusionsschweißschritt der vorliegenden Erfindung ausführen muss.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird, um eine Oxidation und Einführung von Verunreinigungen in das Turbinendeckband und die Schaufel während des Erhitzungsprozesses zu vermeiden, ein solches Erhitzen in einer nichtoxidierenden, inerten oder Unterdruckatmosphäre durchgeführt. Außerdem, um den Diffusionsschweißprozess zu unterstützen, erwägt das Verfahren der vorliegenden Erfindung weiter, dass ein Druck auf die Hartmaterialauflage während ihrer Erhitzung aufgebracht werden kann, um das Diffusionsschweißen der Hartmaterialauflage an das Turbinendeckband zu fördern.
In einer noch weiteren Verfeinerung der vorliegenden Erfindung weist die vorliegende Erfindung eine Anwendung nicht nur zur Herstellung von neuen Schaufeln auf, sondern auch beim Wiederherstellen von Oberflächen von neuen oder gebrauchten Schaufeln. In einem solchen weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Wiederherstellung eines Teils einer Turbinenschaufel mit Herstellungstoleranzen, umfassend:

(i) Schleifen eines Teils der Turbinenschaufel, um eine geschliffene Passfläche zu bilden;
(ii) Platzieren einer dünnen Folie von Hartlot über der Passfläche;
(iii) Positionieren einer Hartmetalllegierungsauflage von einer größeren als gewünschten Dicke über der Folie, wodurch die Folie zwischen der Passfläche und der Hartmetalllegierungsauflage als Zwischenlage angeordnet wird;
(iv) Erhitzen des Teils der Turbinenschaufel, Folie und Hartmetalllegierungsauflage, um die Folie zu schmelzen, und ein Verbinden der Hartmetalllegierungsauflage mit dem Teil der Turbinenschaufel zu bewirken; und
(v) maschinelles Bearbeiten der Hartmetalllegierungsauflage, wenn sie mit dem Teil der Turbinenschaufel verbunden ist, um die größere als gewünschte Dicke auf eine gewünschte kleinere Dicke zu verringern.

Ein solches Verfahren zur Wiederherstellung eines Teils einer Turbinenschaufel ist besonders nützlich beim Wiederherstellen von verschlissenen Verkopplungsoberflächen auf einem Turbinenschaufeldeckband, das durch Betrieb verschlissen worden ist. Vorteilhafterweise ermöglicht ein solches Verfahren zur Wiederherstellung von Turbinenschaufeln, dass die Verkopplungsoberflächen zu ursprünglichen Konstruktionstoleranzen erstellt werden, wodurch zuvor unbrauchbare Schaufeln wieder brauchbar gemacht werden. Das Verfahren zur Wiederherstellung von Schaufeln gemäß der vorliegenden Erfindung ist desgleichen angepasst, um von gleicher Dauer mit einer Wärmebehandlung der Materialien der Turbinenschaufeln durchgeführt zu werden, um dadurch die Materialien zu verjüngen. Indem man die zwei Schritte in einen kombiniert, können Einsparungen beim Wiederfunktionieren von gebrauchten Schaufel erzielt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung und den folgenden Zeichnungen von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich.
1 ist eine Perspektivansicht von drei Turbinenscheiben, die in wechselseitig angrenzender Position angeordnet sind, wie sie vorliegen würden, wenn sie um die Periphere einer Turbinenscheibe angeordnet wären, wobei das Turbinenschaufeldeckband und das Z-Schlitz-Verkopplungsmerkmal auf dem Deckband angepasst sind, um die Schaufeln an ihrem äußersten Ende miteinander zu verkoppeln, wenn sie in einer Turbinenscheibe angebracht werden, um eine Schwingung von einzelnen Schaufeln zu verhindern;
2 ist eine Ansicht auf Pfeil 'A' von 1, wobei das Z-Schlitz-Verkopplungsmerkmal in größerer Einzelheit dargestellt ist, und wobei auch die Stelle der Hartmaterialauflage dargestellt ist, die am Deckband gebunden ist, gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine vergrößerte Ansicht der Hartmaterialauflage, die an dem Schlitz in der Turbinenschaufel, die in 2 dargestellt ist, hartgelötet ist; und
4 ist ein schematisches Flussdiagramm, das das Verfahren der vorliegenden Erfindung in groben Zügen wiedergibt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie aus 1 (Perspektivansicht) und 2 (Draufsicht) entnommen werden kann, ist darin eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln 10 wiedergegeben, die um die radiale Peripherie eines Teils einer Turbinenscheibe 14 angebracht sind, wobei jede Schaufel 10 ein entsprechendes Deckband 20 am äußersten Ende ihres aero dynamischen Profils 22 aufweist. Jedes Deckband 20 weist zwei entsprechend entgegengesetzte Z-Schlitze 25 auf. Jeder Z-Schlitz 25 weist eine Hartmaterialauflage (Legierung) 28 auf, die daran gebunden ist, gemäß dem Verfahren der Erfindung, wie nachstehend in Einzelheit beschrieben wird.
Die Hartmaterialauflage 28 jeder Schaufel 10 ist angepasst, um mit einer entsprechenden Hartmaterialauflage 28 mit einem entsprechenden Z-Schlitz 25 einer Nachbarturbinenschaufel 10 in Kontakt zu kommen, wenn die Turbinenscheibe 14 mit Betriebsgeschwindigkeiten gedreht wird. Die an den entsprechenden Z-Schlitzen 25 gebundene Hartmaterialauflage 28 schützt jeden Schlitz 25 in jedem Deckband 20 gegen Verschleiß, der von Reibungskontakt während eines Betriebs entsteht, wenn die Schaufeln 10 unter Zentrifugal-, Druck-, Wärme- und Schwingungslast stehen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zum Aufbringen einer Hartmaterialauflage 28 an einem Z-Schlitz 25 einer Turbinenschaufel 10 wird nun beschrieben. Es wird Bezug auf den Z-Schlitz 25 eines Deckbands 20 einer Turbinenschaufel 10, der in 3 dargestellt ist, genommen.
Eine dünne Folie 40 von ungefähr 1 mm bis 5 mm oder größer wird zuerst in im Wesentlichen die Form und Fläche einer geplanten Passfläche 42 eines Z-Schlitzes 25 des Deckbands 10 geschnitten, an die die Hartmaterialauflage 28 aufgebracht werden soll. Die Passfläche 42 ist typischerweise eine im Wesentlichen flache Oberfläche, die in einer im Wesentlichen vertikalen Ebene liegt. Eine solche Fläche 42 kann eine ursprünglich gegossene Oberfläche sein, oder kann (und vorzugsweise ist) zu einer solchen Konfiguration durch einen herkömmlichen Fräs- oder Schleifprozess maschinell bearbeitet werden. Die Passfläche 42 kann fakultativ mit Nickel abgestrahlt werden, um die Oberfläche 42 aufzurauhen, um das Diffusionsschweißen zu fördern. Nickel wird für diesen Zweck gewählt, um keinerlei Verunreinigungen in die Superlegierung auf Nickelbasis einzuführen, aus der das Deckband 20 typischerweise besteht.
Danach wird die dünne Folie 40 über die Passfläche 42 des Deckbands 20 der Turbinenschaufel 10 platziert. Vorteilhafterweise gewährleistet die Folie 40, die im Allgemeinen auf den Flächeninhalt der Passfläche 42 zugeschnitten ist oder dieselbe abdeckt, besser, dass Hartlot über die ganze Grenzfläche anwesend ist, die zwischen der Hartmaterialauflage 28 und der Passfläche 42 vorhanden ist. Dies ist nicht notwendigerweise immer der Fall, wenn nur ein Pastenkügelchen aus Metall verwendet wird und man auf Kapillarwirkung angewiesen ist. Wie unten beschrieben, kann jedoch ein Pastenkügelchen aus Metalllegierung auch verwendet werden, um jegliche interstitiellen Zwischenräume aufzufüllen, aber es wird als ein definitiver Vorteil dieses Prozesses betrachtet, dass die Folienvorform 40 zuerst auf Größe zugeschnitten wird oder mindestens die gewünschte Passflächenoberfläche 42 abdeckt, um zu gewährleisten, dass Hartlot in allen Stellen an der Passfläche 42 anwesend ist.
Die Hartmaterialauflage 28 (nachstehend die Hartmetallauflagenvorform 28) mit Abmessungen, die im Wesentlichen denjenigen der Passfläche 42 entsprechen und von einer Dicke sind, die etwas größer als gewünscht ist, wird über der Folie 40 platziert, um die Folienvorform 40 zwischen der Passfläche 42 und der Hartmetallauflagenvorform 28 als Zwischenlage anzuordnen. Eine solche Hartmetallauflagenvorform 28 kann gegen die Folie 40 gepresst und während des Erhitzungsschritts dagegen gehalten werden (unten beschrieben). Alternativ kann die Hartmetallauflagenvorform 28 leicht heftgeschweißt werden. In einer solchen Ausführungsform wird eine Schweißstabspitze (nicht dargestellt) auf die Außenoberfläche der Hartmetallauflagenvorform 28 aufgebracht, und die Hartmaterialauflagen 28-Heftverbindung wird an einer oder zwei diskreten Stellen durch die Hartmaterialauflage 28 an die Passfläche 42 geschweißt, um die Hartmetallauflagenvorform 28 in einer Position zu halten, die die Folie 40 zwischen der Hartmetallauflage 28 und der Passfläche 42 als Zwischenlage anordnet. Die Dicke der Hartmetallauflagenvorform 28 ist typischerweise 0,20–0,254 cm (0,080–0,100'') dick. Demgemäß muss der Schweißbrenner leistungsstark genug sein, um durch die Hartmetallauflagenvorform 28 heftzuschweißen, aber darf nicht ausreichend leistungsstark sein, um mehr als ein geringes örtlich festgelegtes Schmelzen an einer oder zwei diskreten Stellen zu bewirken, das ausreicht, um die Hartmetallauflage 28 an das Deckband 20 zu heften.
Aufgrund der Tatsache, dass die Passfläche 42 eine unregelmäßige Oberfläche aufweist, können Zwischenräume um die Ränder der Hartmetallauflagenvorform 28 und der Passfläche 42 vorhanden sein. Eine Randlegierung (nicht dargestellt) in der Form eines Pastenkügelchens aus Metalllegierung kann an der Stelle B (siehe 3) aufgebracht werden, um jegliche Zwischenräume an der Grenzfläche zwischen der Hartmaterialauflage 28 und der Passfläche 42 aufzufüllen, um sicherzustellen, dass Hartlot, das die Folie 40 umfasst, nach Erhitzung (unten beschrieben) an solchen Stellen schmilzt und mit sowohl der Hartmaterialauflage als auch dem Deckband 20 in Kontakt tritt.
Sobald die Folie 40 zwischen der Hartmetallauflagenvorform 28 und der Passfläche 42 als Zwischenlage angeordnet ist, wird bei einer Temperatur, die ausreicht, um zu bewirken, dass die Folienvorform 40 schmilzt, und für eine Zeitspanne, die ausreicht, um ein Diffusionsschweißen der Hartmetalllegierungsauflage mit dem Deckband zu bewirken, auf die Anordnung Wärme aufgebracht. Die aktuelle Schmelztemperatur hängt von der Zusammensetzung der Folie 40 ab, die verwendet wird, aber typischerweise ist für Folien, die Legierungen auf Nickel-Basis enthalten, die Bor oder ein Äquivalent aufweisen, das als ein eutektisches Hemmmittel hinzugefügt ist, der Schmelzpunkt im Bereich von etwa 482°C (900 F). Diese Schmelztemperatur ist typischerweise viel geringer als der Schmelzpunkt der Hartmaterialauflage 28 oder des Deckbands 20, wobei das letztgenannte typischerweise eine Superlegierung auf Nickelbasis umfasst und einen Schmelzpunkt von über 1191°C (2175 F) aufweist. Die Zeitspanne, die erforderlich ist, um ein ausreichendes Diffusionsschweißen zu bewirken, befindet sich bei einer Temperatur zwischen 427–482°C (800–900 F) im Allgemeinen im Bereich von etwa 45 Minuten, obwohl längere Zeitspannen empfohlen werden.
Aufgrund der außerordentlichen Unerwünschtheit einer Einführung jeglicher Verunreinigungen in die Metalle während des Erhitzungsprozesses wird der Erhitzungsprozess in einer nichtoxidierenden Atmosphäre im Allgemeinen unter einem Unterdruck oder in der Anwesenheit eines Inertgases durchgeführt.
Als ein letzter Schritt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird die Hartmetallauflagenvorform 28 nach Kühlen maschinell bearbeitet, um die größere als gewünschte Dicke zu einer kleineren gewünschten Dicke zu verringern, um zu ermöglichen, dass der Z-Schlitz 25 der verschiedenen Schaufeln 10 Abmessungen besitzt, die innerhalb von Konstruktionstoleranzen reproduzierbar sind. 4 stellt eine schematische Darstellung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wie vorstehend beschrieben dar.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann das Diffusionsschweißen gleichzeitig mit einer Wärmebehandlung stattfinden, die auf die Schaufeln zwecks Spannungsabbau und Materialverjüngung aufgebracht wird. Die Temperaturen und Zeiten, die zum Spannungsabbau erforderlich sind, überschreiten typischerweise die Temperaturen und Zeiten um ein gutes Stück, um ein Diffusionsschweißen der Hartmaterialauflagenvorform 28 an dem Deckband 20 zu bewirken. Demgemäß kann der Diffusionsschweißprozess der vorliegenden Erfindung als ein Teil des Schaufelverjüngungsprozesses durchgeführt werden. Dieses Vermögen, die zwei Schritte zu kombinieren, ist besonders nützlich, wo gewünscht wird, dass gebrauchte Schaufeln 10 mit verschlissenen Z-Schlitz-Flächen 25 in einer solchen Fläche bis zu ursprünglichen Materialtoleranzen wiederhergestellt werden, indem man eine neue Hartmaterialauflage 28 daran aufbringen lässt. Der Erhitzungsschritt, der als Teil der vorliegenden Erfindung zum Diffusionsschweißen verwendet wird, wird eine Teilmenge der Schaufelwärmebehandlung, die zum Schaufelspannungsabbau und zur Schaufelverjüngung verwendet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform, wo die Folie 40 Bor enthält, das als ein eutektisches Hemmmittel verwendet wird, wird die Sandwichanordnung von Hartmetallauflagenvorform 28, Folie 40 und Z-Schlitz-Substrat 25 eine Zeitspanne lang erhitzt, um eine Diffusion von Bor von innerhalb der Folie 40 zu ermöglichen, was eine Verfestigung der eutektisch geschmolzen Folie und ein Verbinden der Hartmetallauflage an dem Deckbandsubstrat bei Verfestigung der Folienlegierung zur Folge hat.
BEISPIEL 1
Eine erste Reihe von Untersuchungen wurde durchgeführt, um das Vermögen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zu bewerten, um eine Hartmetallauflagenvorform 28 erfolgreich an einem Z-Schlitz 25 in einem Deckband 20 einer Turbinenschaufel 10 zu binden, wobei gewisse ausgewählte Materialien für das Deckband 20, die Folie 40, die Hartmetallauflagenvorform 28 und die Randlegierung als Teil einer Schaufelwärmebehandlung verwendet wurden.
Das für diese Reihe von Untersuchungen (und auch Beispiel 2 unten) ausgewählte Deckbandmaterial 20 war ein patentiertes Material von General Electric, speziell eine GTD 111-Superlegierung auf Nickelbasis.
Die Hartmaterialauflagenvorform 28, die für die erste Untersuchung ausgewählt wurde, war eine Hartmetalllegierungsauflage auf Kobalt-Basis, die von Deloral Stellite Inc. unter dem Handelsnamen Tribaloy T800 erzeugt wird. Eine solche Hartmetalllegierungsauflage besteht aus, nach Gew.-%:

Co 51,0–53,0

Cr 16,5–17,5

Si 3,0–3,5

Fe + Ni 3,0 Maximum

Mo 27–29

S 0,03 Maximum

P 0,03 Maximum

C 0,1% Maximum.
Zwei Typen einer Folie 40 wurden untersucht, eine erste im Handel erhältliche Legierung auf Nickel-Basis (die mit Folie A bezeichnet ist), die als Amdry 915 bekannt ist, bestehend aus, nach Gew.-%:

Cr 13

Fe 4

Bor 2,8

Silicium 4

Ni Rest.
Eine zweite Folie (die mit Folie B bezeichnet ist), desgleichen eine im Handel erhältliche Legierung auf Nickel-Basis, umfassend, nach Gew.-%:

Cr 13

Bor 1,5

Silicium 7,3

C 0,08

Ni Rest.
Desgleichen wurden zwei Typen von Randlegierung untersucht, eine erste, die aus einem Pastenkügelchen aus einer Metalllegierung auf Kobalt-Basis bestand, die aus AMS 4783 bestand, umfassend, nach Gew.-%:

Ni 17

Cr 19

Wolfram 4

Kohlenstoff 0,4

Bor 0,8

Silicium 8

Co Rest.
Eine zweite Randlegierung wurde verwendet, desgleichen in der Form einer Kügelchenpaste aus Metalllegierung, die aus 60% Legierung A bestand, wobei Legierung A umfasst, nach Gew.-%:

Co 10

Cr 8,3

Al 5,5

Titanium 1,0

Tantal 3,0

Molybdän 0,70

Hafnium 1,5

Kohlenstoff 0,14

Bor 0,015

Ni Rest.
Um mit der Untersuchung fortzufahren, wurden zuerst sechzehn Überlappungsscherprobekörper angefertigt, wobei jeder ein langgestrecktes rechteckiges Element von Breiten- und Dickenabmessungen von 1,270 ± 0127 cm (0,500'' ± 0,005'') bzw. 0,320 ± 0127 cm (0,125'' ± 0,005'') enthielt. Zwei identische halbe Probekörper wurden von der obigen Breite und Dicke gefertigt, wobei die erste Hälfte aus dem GTD 111-Deckbandsubstratmaterial und die andere aus dem Hartmetallauflagenmaterial Triballoy T800 bestand. Die zwei Hälften wurden dann an ihren entsprechenden Enden für einen Abstand von 4,76 mm (3/16'') überlagert, und eine Folie zwischen den zwei Hälften eingefügt, wobei eine solche Folie entweder die Folie 'A' oder die Folie 'B' wie oben gekennzeichnet war. Eine Randlegierung von entweder AMS 4783 oder 60% Legierung A/40% Legierung B wurde auf die äußere Grenzfläche um die Peripherie der Überlappung aufgebracht. Ein Reinigungsschritt vor dem Hartlöten, umfassend eine Nickelabstrahlung auf jeder der beiden Hälften in der Fläche der Überlappung wurde bei acht von den sechzehn Probekörpern durchgeführt.
Es wurde dann gemäß einer von zwei zyklischen Wärmebehandlungen Wärme aufgebracht, um die Materialien miteinander hartzulöten. Insbesondere wurden acht von den Zugprobekörpern dem folgenden zyklischen Erhitzen unterzogen, nämlich:
Zyklus 1 482°C (900 F)/45 min + 1066°C (1950 F)/30 min + 1191°C (2175 F)/20 min + 1121°C (2050 F)/120 min + 1149°C (2100 F)/12 min
Die acht übrigen Probekörper erfuhren das folgende Erhitzen:
Zyklus 2 482°C (900 F)/45 min + 1066°C (1950 F)/30 min + 1191°C (2175 F)/60 min + 1121°C (2050 F)/60 min Beide Erhitzungszyklen wurden bei einem Unterdruck (0,07 Pa) (5 × 10^–4 Torr) durchgeführt, und der verbundene Überlappungsscherprobekörper wurde anschließend mit Argon auf weniger als 930°C (200 F) gekühlt.
Danach wurden Zugspannungsuntersuchungen bei den sechzehn Scherprobekörpern ausgeführt, die wie oben dargelegt gefertigt waren. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 unten dargestellt.
TABELLE I
Ein Ausfall von allen Probekörpern trat in der Hartmaterialauflage des Überlappungsscherzugprobekörpers auf und nicht an der Verbindungsüberlappung oder im GTD111-Material.
Zusätzlich wurde vor der Zuguntersuchung der sechzehn Probekörper die Hartmetallauflagenseite von acht von den sechzehn Probekörpern an der Fläche der Überlappung auf die Rockwell-c-Härte untersucht.
Die Ergebnisse einer solchen Härteuntersuchung sind unten dargelegt:
TABELLE II
BEISPIEL 2
Weitere sechzehn Probekörper wurden identisch zu denjenigen gefertigt, die in Beispiel 1 gefertigt wurden, nur und außer dass Stellite 694 für T800 als die Hartmaterialauflage 28 substituiert wurde, und es wurden Zuguntersuchungen wie oben ausgeführt. Die Ergebnisse von diesen Untersuchungen sind unten dargelegt:
TABELLE III
Ein Ausfall von allen Probekörpern im Beispiel 2 trat in ähnlicher Weise in der Hartmaterialauflage des Überlappungsscherprobekörpers auf und nicht an der Verbindungsüberlappung oder im GTD111-Material.
Zusätzlich wurde eine ähnliche Rockwellhärteuntersuchung in drei separaten Stellen bei acht der sechzehn Proben in der Fläche der Überlappung ausgeführt, wie im Fall von Beispiel 1 ausgeführt.
TABELLE IV
Eine Prüfung der obigen Untersuchungs- und Datentabellen I bis IV zeigt, dass eine Verwendung von zyklischem Erhitzen (im Bereich und von einer Dauer, die typischerweise für Spannungsabbau von Turbinenschaufeln erforderlich ist) als ein Mittel eines Diffusionsschweißens einer Hartmaterialauflage 28 an ein Turbinenschaufelmaterial (GTD111) eine Verbindung mit hoher Zugspannung erzeugt. Außerdem zeigt aufgrund der Tatsache, dass der Ausfall in allen Fällen in der Hartmaterialauflage auftrat, statt an der Verbindung oder im GTD111-Material, diese Tatsache, dass es eine unmessbare oder nicht minderbare Verschlechterung aufgrund des Verbindens in den Zugcharakteristiken des Deckbandsubstratmaterials GTD111 gegeben hat. Dies bedeutet, dass keine wesentliche Materialverschlechterung aufgrund irgendeines Mischens der Härtelegierung mit dem Deckbandsubstrat im Bereich der Verbindung auftrat. Dies wird weiter dadurch bestätigt, dass keine Materialverschlechterung der Hartmetallauflage aufgetreten ist, da die Rockwellhärte hoch sowie im Wesentlichen gleichförmig geblieben ist (Bezugnahme auf die Tabellen II und IV).
Obwohl die Offenbarung die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschreibt und veranschaulicht, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf diese speziellen Ausführungsformen beschränkt ist. Viele Variationen und Modifikationen kommen Fachleuten in den Sinn. Für eine Definition der Erfindung sei auf die angefügten Ansprüche Bezug genommen.

Claims

Verfahren zum Aufbringen einer verschleißfesten Hartmetalllegierungsauflage an einem Teil einer Turbinenschaufel, umfassend: Platzieren einer dünnen Folie eines Hartlots über einer Passfläche des Teils der Turbinenschaufel; Positionieren einer Hartmetalllegierungsauflage von einer größeren als gewünschten Dicke über der Folie, wodurch die Folie zwischen dem Teil der Turbinenschaufel und der Hartmetalllegierungsauflage als Zwischenlage angeordnet wird; Erhitzen des Teils der Turbinenschaufel, Folie und Hartmetalllegierungsauflage über eine Zeitspanne, die ausreicht, um die Folie zu schmelzen und ein Verbinden der Hartmetalllegierungsauflage mit dem Teil der Turbinenschaufel zu bewirken; und danach, maschinelles Bearbeiten der Hartmetalllegierungsauflage, um die größere als gewünschte Dicke auf eine gewünschte kleinere Dicke zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hartmetalllegierungsauflage eine Legierung auf Kobalt-Basis umfasst, die nach Gewichtsprozenten aus den folgenden Elementen zusammengesetzt ist: Kohlenstoff 0,70–1,0 Cr 26–30 Si 1,0 Ni 4–6 Fe 3,0

Vn 0,75–1,25 B 0,005–0,10 W 18–21 Co Rest
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Hinzufügen eines Metalllegierungspulvers in einer Stelle, die sich zwischen der Hartmetalllegierungsauflage und dem Teil der Turbinenschaufel befindet.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt eines Hinzufügens eines Metalllegierungspulvers ein Hinzufügen eines Kügelchens aus Hartlotpaste über mindestens einer freiliegenden Verbindungsgrenzfläche zwischen der Hartmetalllegierungsauflage und dem Teil der Turbinenschaufel vor einem Erhitzen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend den Schritt eines Heftschweißens einer oder mehrerer örtlich festgelegter Positionen der Hartmetalllegierungsauflage an den Teil der Turbinenschaufel nach Positionieren der Hartmetalllegierungsauflage über der Folie, wodurch die Folie vorübergehend in einer als Zwischenlage angeordneten Position zwischen der Hartmetalllegierungsauflage und dem Teil der Turbinenschaufel gehalten wird.
Verfahren zur Wiederherstellung eines Teils einer Turbinenschaufel mit Herstellungstoleranzen, umfassend: Schleifen eines Teils der Turbinenschaufel, um eine geschliffene Passfläche zu bilden; Platzieren einer dünnen Folie von Hartlot über der Passfläche; Positionieren einer Hartmetalllegierungsauflage von einer größeren als gewünschten Dicke über der Folie, wodurch die Folie zwischen der Passfläche und der Hartmetalllegierungsauflage als Zwischenlage angeordnet wird; Erhitzen des Teils der Turbinenschaufel, Folie und Hartmetalllegierungsauflage, um das Hartlot zu schmelzen und ein Verbinden der Hartmetalllegierungsauflage mit dem Teil der Turbinenschaufel zu bewirken; und maschinelles Bearbeiten der Hartmetalllegierungsauflage, wenn sie mit dem Teil der Turbinenschaufel verbunden ist, um die größere als gewünschte Dicke auf eine gewünschte kleinere Dicke zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Turbinenschaufel ein Deckband mit einem Schlitz umfasst, wo sich eine Oberfläche des Schlitzes benachbart zu der Hartlotfolie befindet und die Hartmaterialauflage über der Folie positioniert wird.