EP2117756A1 - Verfahren zur lötreparatur eines bauteils unter vakuum und einem eingestellten sauerstoffpartialdruck - Google Patents

Verfahren zur lötreparatur eines bauteils unter vakuum und einem eingestellten sauerstoffpartialdruck

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EP2117756A1
EP2117756A1 EP08709017A EP08709017A EP2117756A1 EP 2117756 A1 EP2117756 A1 EP 2117756A1 EP 08709017 A EP08709017 A EP 08709017A EP 08709017 A EP08709017 A EP 08709017A EP 2117756 A1 EP2117756 A1 EP 2117756A1
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EP
European Patent Office
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solder
component
solder alloy
scandium
zirconium
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08709017A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Paul Heinz
Robert Friedrich Singer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
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Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH, Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Priority to EP08709017A priority Critical patent/EP2117756A1/de
Publication of EP2117756A1 publication Critical patent/EP2117756A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/49318—Repairing or disassembling

Definitions

  • the invention relates to a method for solder repair of a component under vacuum.
  • Components sometimes have to be repaired after manufacture, for example after casting or after they have been used and cracks have formed.
  • repair methods such as the welding method, in which, however, a substrate material of the component must be melted with, which can lead to damage in particular of cast and directionally solidified components and for evaporation of components of the substrate material.
  • soldering process works with respect to the temperature during the welding process and thus with respect to the melting temperature of the substrate material at lower temperatures. Nevertheless, the solder should have a high strength, so that the solder-filled crack or the recess does not lead to a weakening of the entire component at the high operating temperatures.
  • Nickel-based solder alloy comprising (in wt%), in particular consisting of (in wt%)
  • Co Co
  • 8.0% by weight to 11.4% by weight particularly preferably from 9.0% to 10.4% of Co
  • the melting point depressant of zirconium (Zr) is formed.
  • solder alloy according to claim 1 characterized in that
  • the melting point lower contains zirconium (Zr), 4. solder alloy according to claim 1 or 3, characterized in that
  • the melting point depressant consists of zirconium (Zr), aluminum (Al), titanium (Ti) and tantalum (Ta).
  • solder alloy according to claim 1 or 3 characterized in that
  • the melting point depressant consists of zirconium (Zr) and two elements from the group comprising aluminum (Al), titanium (Ti) and tantalum (Ta).
  • the melting point depressant consists of zirconium (Zr) and one of the elements from the group comprising aluminum (Al), titanium (Ti) and tantalum (Ta).
  • the melting point depressant contains at least 4wt% scandium (Sc), in particular at least 6wt%, 8wt% or 10wt%.
  • the melting point lower tantalum (Ta) and titanium (Ti) comprises, in particular at most 6wt% (titanium + tantalum), in particular 3wt% tantalum and 3wt% titanium.
  • solder alloy according to claim 1, 3, 5 or 8 characterized in that
  • solder alloy according to claim 1, 3, 5 or 8 characterized in that
  • the melting point lower aluminum (Al) and titanium (Ti) comprises, in particular at most 6wt% (aluminum + titanium), in particular 3wt% aluminum and 3wt% titanium.
  • solder alloy according to claim 1 7, 8, 9, 10 or 11, characterized in that
  • the melting point depressant does not contain zirconium (Zr).
  • solder alloy according to claim 1, 3, 8 or 12 characterized in that
  • the melting point depressant having the elements tantalum (Ta), aluminum (Al) and titanium (Ti), in particular in equal proportions.
  • the melting point lower two of the elements from the group comprising tantalum (Ta), aluminum (Al) and titanium (Ti), in particular at most 6wt%, in particular in equal proportions.
  • solder alloy according to claim 1, 3, 8 or 12 characterized in that
  • the melting point lower one of the elements from the group comprising tantalum (Ta), aluminum (Al) and titanium (Ti), in particular at most 3wt%.
  • solder alloy according to claim 1 3, 4, 5, 8, 9, 10, 11 or 12, characterized in that
  • At least one of the elements from the group comprising tantalum (Ta), aluminum (Al) or titanium (Ti) contains the melting point lower than 9wt%, in particular in equal proportions. 17. solder alloy according to claim 1, characterized in that
  • the melting point depressant consists of tantalum (Ta), aluminum (Al) and titanium (Ti), in particular in equal proportions.
  • solder alloy according to claim 1 3, 4, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 or 16, characterized in that
  • the melting point depressant does not contain scandium (Sc).
  • solder alloy according to claim 1 3 to 6, 9 to 11, 13 to 17, characterized in that
  • the melting point lower contains aluminum (Al), in particular 3wt% Al.
  • the melting point lower contains titanium (Ti), in particular 3wt% Ti.
  • the melting point lower tantalum (Ta) contains, in particular 3wt% Ta. 22. solder alloy according to claim 1, 3, 8, 12, 14, 15, 18, 19 or 21, characterized in that
  • the melting point depressant does not contain titanium (Ti).
  • the melting point depressant does not contain aluminum.
  • the melting point depressant does not contain tantalum (Ta).
  • Solder alloy according to claim 1 3, 9, 10, 11, 13, 19, 20 or 21, characterized in that
  • the melting point depressant contains up to 2wt% scandium (Sc), in particular 0.5wt% scandium.
  • the melting point depressant tantalum (Ti) and zirconium (Zr) contains, in particular 3wt% Ti and 3wt% Zr.
  • Ti titanium
  • Zr zirconium
  • the melting point lower aluminum (Al) and zirconium (Zr) contains, in particular with 3wt% Al.
  • the chrome share is 10wt%.
  • the chromium percentage is 8.5wt%.
  • the cobalt content is 9wt%.
  • the cobalt content is 10wt% to llwt%, in particular 10.4wt%.
  • the tungsten content is 3.8wt%, 33. solder alloy according to claim 1, characterized in that
  • the tungsten content is 4.4 wt%
  • the tungsten content is 5, 9wt%
  • the alloy contains molybdenum, in particular l, 9wt s
  • the alloy does not contain molybdenum
  • the melting point depressant contains 6wt% scandium
  • solder alloy according to claim 1 or 8 characterized in that
  • the melting point depressant contains 8wt% scandium 39. solder alloy according to claim 1 or 8, characterized in that
  • the melting point depressant contains 10wt% scandium
  • solder alloy according to claim 1, 2 or 3 characterized in that
  • the melting point lower contains 13.4wt% zirconium
  • the melting point lower contains 0.5wt% scandium.
  • the alloy contains no chromium.
  • solder alloy contains 4.0wt% to ⁇ 8.5wt%, especially 4wt% to ⁇ 7.5wt% chromium. 44. solder alloy according to one or more of the preceding claims 1 to 41, characterized in that
  • the solder alloy contains> 10wt% to 12.5wt%, especially llwt% to 12.5wt% chromium.
  • the solder alloy contains cobalt in the range of 4.0wt% to ⁇ 9wt%, in particular 4wt% to ⁇ 8wt%.
  • the solder alloy contains no cobalt.
  • the solder alloy contains no tungsten.
  • solder alloy contains l, 8wt% to ⁇ 3.8wt%, especially l, 8wt% to ⁇ 2.8wt% tungsten. 49. solder alloy according to one or more of the preceding claims, characterized in that
  • solder alloy rhenium contains, in particular between 2.5wt% to 3.0wt%.
  • the solder alloy contains at least one rare earth element, in particular yttrium, in particular 0.5 wt% to 2 wt%.
  • the solder alloy contains hafnium, in particular in the range of 0,5wt% to 2,5wt%.
  • the solder alloy is preferably nickel-based and has the further constituents chromium, cobalt and tungsten and 2 wt% to 22.4 wt% of a melting point depressant comprising at least one element from the group scandium (Sc), aluminum (Al), titanium (Ti), zirconium (Zr) or tantalum (Ta).
  • a melting point depressant comprising at least one element from the group scandium (Sc), aluminum (Al), titanium (Ti), zirconium (Zr) or tantalum (Ta).
  • the proportions of chromium are preferably 7.5% to 11% by weight and especially 10% by weight.
  • the proportions of cobalt are preferably between 8% and 11.4% by weight, more preferably 10.4% by weight.
  • the proportions of tungsten are preferably from 2.8wt% to 6, 9wt%, and more preferably 3.8wt% or 5.9wt%.
  • up to l, 9wt%, in particular l, 9wt% molybdenum (Mo) can be added to the solder alloy.
  • Other elements may be present, preferably the above listing is final of nickel, chromium, cobalt, tungsten, the melting point depressant and optionally molybdenum.
  • the solder preferably contains no boron, no silicon or no hafnium. Also, the addition of rhenium can preferably be dispensed with. Likewise, preferably no carbon is used.
  • the solder 10 can be connected to the substrate 4 of the component 1, 120, 130, 155 in an isothermal or a temperature gradient process.
  • a gradient method is suitable if the substrate 4 has a directional structure, for example an SX or DS structure, so that the solder 10 subsequently has a directed structure.
  • the component 1 does not need to have a directionally solidified structure (but a CC structure), whereby a high strength of the component 1 is achieved by the directionally solidified structure in the repaired point 3 at high temperatures, because the directionally solidified structure of the solder
  • solder 10 In the melting (isothermal method or gradient method), it is preferable to use an inert gas, particularly argon, which reduces the chromium evaporation from the substrate 4 at the high temperatures, or uses a reducing gas (argon / hydrogen).
  • argon argon
  • the solder 10 can also be applied over a large area on a surface of a
  • Component 1, 120, 130, 155 are applied to a thickening of the substrate 4, in particular in hollow components to reach.
  • the solder 10 is used to fill in cracks 7 or depressions 7.
  • the table shows exemplary compositions HT according to the invention of the solder alloy of the solder 10 (in wt%), the remainder being nickel.
  • the solder alloys may preferably be divided into at least four segments with respect to the composition of the melting point. lower part consisting of Zr, Al, Ti, Ta and Sc: the first segment contains at least zirconium, the second has at least scandium, a third segment contains no zirconium and no scandium and a fourth segment has zirconium, aluminum, titanium, tantalum small proportions of scandium (up to 2wt%).
  • the first segment consists either only of zirconium (claims 1 + 2) or only of zirconium, aluminum, titanium and tantalum (claims 1 + 4) or only of zirconium and two further elements from the group aluminum, titanium, tantalum (claims 1 + 5) or only of zirconium with an element from the group aluminum, titanium, tantalum (claims 1 + 6).
  • titanium, aluminum and / or zirconium are particularly advantageous, since these elements promote the formation of the ⁇ 'phase in a nickel-based material which improves the high temperature mechanical properties.
  • One, two or three of these three elements can advantageously be used in the solder 10 (see HT5, HT9, HT10, HT14, HT19).
  • the second segment consists either only of scandium (claims 1 + 7) or only of scandium, aluminum, titanium and tantalum (claims 1 + 8 + 12 + 13) or just scandium and two
  • the third segment consists of at least one element of the group aluminum, titanium or tantalum and contains no zirconium and no scandium, wherein a first example of the third segment with the three elements of the group aluminum, titanium and tantalum is shown (claims 1 + 17).
  • the melting point can contain two elements from the group consisting of aluminum, titanium or tantalum (claims 1 + 12 + 18 + 14) or it is only one element from the group aluminum, titanium or tantalum used (claim 1 + 12 + 18 + 15)
  • the fourth segment consists of zirconium, small proportions (up to 2wt%) of scandium and up to three elements from the group aluminum, titanium and tantalum:
  • Zr + Sc + 3 of (Al, Ti, Ta) Claims 1 + 3 + 13 + 25; Zr + Sc + 2 of (Al, Ti, Ta): Claims 1 + 3 + 14 + 25; Zr + Sc + 1 of (Al, Ti, Ta): Claims 1 + 3 + 15 + 25.
  • a preferred solder alloy can not have chromium.
  • Another preferred range is a proportion of greater than llwt% to greater than 12wt% chromium.
  • no cobalt is used for the solder alloy.
  • Another advantageous value range for cobalt is in the range of 4wt% to less than 8wt%.
  • solder alloy may preferably contain no tungsten.
  • Preferred values for tungsten also represent values between 1.4% by weight and less than 2.8% by weight.
  • rhenium (Re) is also added to the brazing alloy, particularly in a range of from 2.5wt% to 3wt%.
  • a rare earth element in particular yttrium (Y)
  • Y yttrium
  • hafnium is added, especially in a range of 0.5wt% to 2.5wt%.
  • the total process pressure is preferably at least 0.35 mbar (3.5 Pa).
  • the oxygen partial pressure p O 2 is preferably at least 10 "7 mbar (10" 5 Pa).
  • the process chamber has a vacuum in the interior and is preferably pumped off permanently and is preferably rinsed with a pure inert gas (Ar 5.0, preferably Ar 6.0).
  • argon 6.0 meaning an oxygen content of 5 ⁇ 10 ⁇ 7 in the process gas
  • a gas cleaning cartridge so that the oxygen and water content is reduced by a factor of 100, so that an oxygen content of 5 ⁇ 10 2 ⁇ 9 is achieved in the process gas, which is introduced into the process chamber.
  • FIG. 1 shows two cross-sectional views of a component during and after a treatment with the solder according to the invention
  • FIG. 2 shows in perspective a turbine blade
  • FIG. 3 shows in perspective a combustion chamber
  • FIG. 4 shows a gas turbine
  • Figure 5 shows a list of superalloys.
  • FIG. 1 shows a component 1 which is treated with a solder 10 made of a solder alloy according to the invention.
  • the component 1 comprises a substrate 4, in particular for components for high-temperature applications, in particular in
  • Turbine vanes 120, 130 (Figure 2) or combustor elements 155 (Figure 3) for steam or gas turbines 100 ( Figure 4) are made of an iron, nickel or cobalt based superalloy. These may preferably be the known materials PWA 1483, PWA 1484 or Rene N5 (see FIG. 5).
  • Lot 10 is also used for blades for aircraft.
  • the substrate 4 has a crack 7 or a recess 7, which is to be filled by soldering.
  • the cracks 7 or recesses 7 are preferably about 200 microns wide and can be up to 5mm deep.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has, along the longitudinal axis 121, a fastening area 400, an adjacent blade platform 403 and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have another platform at its blade tip 415 (not shown).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloy.
  • the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof. Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • Such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt.
  • These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, i.e. grains which run the full length of the workpiece and here, in common language use, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i. the whole workpiece consists of a single crystal.
  • columnar i.e. grains which run the full length of the workpiece and here, in common language use
  • monocrystalline structure i. the whole workpiece consists of a single crystal.
  • Stem-crystal structures which probably have longitudinally extending grain boundaries, but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1 are also preferably used , 5RE.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr ⁇ 2, Y2Ü3-Zr ⁇ 2, ie it is not, partially ⁇ or fully stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer. Suitable coating processes, such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • EB-PVD electron beam evaporation
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • Refurbishment means that components 120, 130 may have to be freed of protective layers after use (eg by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, will also Cracks in component 120, 130 repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • FIG. 3 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is configured, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners 107 arranged in the circumferential direction around a rotation axis 102 open into a common combustion chamber space 154, which generate flames 156.
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C. to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M with an inner lining formed of heat shield elements 155.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating) or is made of high-temperature-resistant material (solid ceramic blocks).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • Such alloys are known from the EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • ceramic heat may be medämm harsh, consisting for example of ZrO 2, ZrO 2 Y2Ü3-ie, it is not partially full text or ⁇ dig stabilized by yttrium oxide and / or calcium and / or magnesium oxide.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • EB-PVD electron beam evaporation
  • thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that heat shield elements 155 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, cracks in the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a recoating of the heat shield elements 155 and a renewed use of the heat shield elements 155.
  • FIG. 4 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 104 a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings.
  • a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example. Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • SX structure monocrystalline
  • DS structure longitudinal grains
  • iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used as the material for the components, in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium.
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition.
  • a thermal barrier coating On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of Zr ⁇ 2, Y2 ⁇ 3-Zr ⁇ 2, that is, it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot. The vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Bauteils (1) mittels eines Lots (10), das unter gezielt ausgewählten Vakuumbedingungen durchgeführt wird, um Oxidation und Verdampfung zu vermeiden.

Description

VERFAHREN ZUR LOTREPARATUR EINES BAUTEILS UNTER VAKUUM UND EINEM EINGESTELLTEN SAUERSTOFFPARTIALDRUCK
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lötreparatur eines Bauteils unter Vakuum.
Bauteile müssen manchmal nach der Herstellung, beispielsweise nach dem Gießen oder nachdem sie im Einsatz waren und sich Risse gebildet haben, repariert werden. Hierzu gibt es verschiedene Reparaturverfahren, wie z. B. das Schweißverfahren, bei dem jedoch ein Substratmaterial des Bauteils mit aufgeschmolzen werden muss, was zu einer Schädigung insbesondere von gegossenen und gerichtet erstarrten Bauteilen sowie zur Verdampfung von Bestandteilen des Sub- stratmaterials führen kann.
Ein Lotverfahren arbeitet gegenüber der Temperatur beim Schweißverfahren und damit gegenüber der Schmelztemperatur des Substratmaterials bei niedrigeren Temperaturen. Das Lot soll aber trotzdem eine hohe Festigkeit aufweisen, damit der mit Lot aufgefüllte Riss oder die Vertiefung nicht zu einer Schwächung des gesamten Bauteils bei den hohen Einsatztemperaturen führt.
Die US-Patentschriften US 4,908,185, US 5,993,980, US 4,913,752, US 4,915,903 sowie die US 4,789,412 offenbaren die Zugabe von Additiven.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Reparatur eines Bauteils aufzuzeigen, bei dem Oxidation und Ver- dampfung vermieden werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig in vorteilhafter Art und Weise mit- einander kombiniert werden können. Vorzugsweise verwendete Lotlegierungen sind in der Anmeldung PCT/EP2006/065753 offenbart, die hier nur in Anspruchsform offenbart werden:
1. Lotlegierung auf Nickelbasis, umfassend (in wt%) , insbesondere bestehend aus (in wt%)
Chrom (Cr), insbesondere 7,5wt% bis llwt%, besonders be- vorzugt 8,5% bis 10% Cr,
Kobalt (Co), insbesondere 8,0wt% bis ll,4wt%, besonders bevorzugt 9,0% bis 10,4% Co,
Wolfram (W), insbesondere 2,8wt% bis 6, 9wt%, besonders bevorzugt 3,8% bis 5,9% W, sowie 2% bis 22,4%, insbesondere 3% bis 19,4%, eines Schmelzpunkterniedrigers, der zumindest ein Element aus der Gruppe enthält, die Scandium (Sc) , Zirkon (Zr) , Aluminium (Al) , Titan (Ti) und Tantal (Ta) umfasst, optional bis 1.9% Molybdän (Mo) und
Rest Nickel (Ni)
2. Lotlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger von Zirkon (Zr) gebildet wird.
3. Lotlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger Zirkon (Zr) enthält, 4. Lotlegierung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger aus Zirkon (Zr), Aluminium (Al), Titan (Ti) und Tantal (Ta) besteht.
5. Lotlegierung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger aus Zirkon (Zr) und zwei Elementen aus der Gruppe, die Aluminium (Al), Titan (Ti) und Tantal (Ta) umfasst, besteht .
6. Lotlegierung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger aus Zirkon (Zr) und einem der Elemente aus der Gruppe, die Aluminium (Al) , Titan (Ti) und Tantal (Ta) umfasst, besteht .
7. Lotlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger von Scandium (Sc) gebildet wird.
8. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger mindestens 4wt% Scandium (Sc), insbesondere mindestens 6wt%, 8wt% oder 10wt% enthält. 9. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3, 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger Tantal (Ta) und Titan (Ti) um- fasst, insbesondere maximal 6wt% (Titan + Tantal) , insbesondere 3wt% Tantal und 3wt% Titan.
10. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3, 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger Aluminium (Al) und Tantal (Ta] umfasst, insbesondere maximal 6wt% (Aluminium und Tantal), insbesondere 3wt% Aluminium und 3wt% Tantal.
11. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3, 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger Aluminium (Al) und Titan (Ti; umfasst, insbesondere maximal 6wt% (Aluminium + Titan) , insbesondere 3wt% Aluminium und 3wt% Titan.
12. Lotlegierung nach Anspruch 1, 7, 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger kein Zirkon (Zr) enthält. 13. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3, 8 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger die Elemente Tantal (Ta) , Aluminium (Al) und Titan (Ti) aufweist, insbesondere zu gleichen Anteilen.
14. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3, 8, 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger zwei der Elemente aus der Gruppe, die Tantal (Ta), Aluminium (Al) und Titan (Ti) umfasst, aufweist, insbesondere maximal 6wt%, insbesondere zu gleichen Anteilen.
15. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3, 8 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger eines der Elemente aus der Gruppe, die Tantal (Ta) , Aluminium (Al) und Titan (Ti) umfasst, aufweist, insbesondere maximal 3wt%.
16. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 8, 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger maximal 9wt% zumindest eines der Elemente aus der Gruppe, die Tantal (Ta) , Aluminium (Al) oder Titan (Ti) umfasst, enthält, insbesondere zu gleichen Anteilen. 17. Lotlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger aus Tantal (Ta) , Aluminium (Al) und Titan (Ti) besteht, insbesondere zu gleichen Anteilen.
18. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3, 4, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger kein Scandium (Sc) enthält.
19. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3 bis 6, 9 bis 11, 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger Aluminium (Al) enthält, insbesondere 3wt% Al.
20. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 6, 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger Titan (Ti) enthält, insbesondere 3wt% Ti.
21. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 6, 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger Tantal (Ta) enthält, insbesondere 3wt% Ta. 22. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3, 8, 12, 14, 15, 18, 19 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger kein Titan (Ti) enthält.
23. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3, 8, 12, 14, 16, 18, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger kein Aluminium enthält.
24. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3, 8, 12, 14, 16, 18, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger kein Tantal (Ta) enthält.
25. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3, 9, 10, 11, 13 ,19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger bis 2wt% Scandium (Sc) enthält, insbesondere 0,5wt% Scandium.
26. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger Tantal (Ti) und Zirkon (Zr) enthält, insbesondere 3wt% Ti und 3wt% Zr. 27. Lotlegierung nach Anspruch 1, 3 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger Aluminium (Al) und Zirkon (Zr) enthält, insbesondere mit 3wt% Al.
28. Lotlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Chromanteil 10wt% beträgt.
29. Lotlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Chromanteil 8,5wt% beträgt.
30. Lotlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kobaltanteil 9wt% beträgt.
31. Lotlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kobaltanteil 10wt% bis llwt%, insbesondere 10,4wt% beträgt.
32. Lotlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Wolframanteil 3,8wt% beträgt, 33. Lotlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Wolframanteil 4,4wt% beträgt,
34. Lotlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Wolframanteil 5, 9wt% beträgt
35. Lotlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung Molybdän enthält, insbesondere l,9wts
36. Lotlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung kein Molybdän enthält
37. Lotlegierung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger 6wt% Scandium enthält
38. Lotlegierung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger 8wt% Scandium enthält 39. Lotlegierung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger 10wt% Scandium enthält,
40. Lotlegierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger 13,4wt% Zirkon enthält
41. Lotlegierung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schmelzpunkterniedriger 0,5wt% Scandium enthält.
42. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung kein Chrom enthält.
43. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lotlegierung 4,0wt% bis < 8,5wt%, insbesondere 4wt% bis < 7,5wt% Chrom enthält. 44. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lotlegierung > 10wt% bis 12,5wt%, insbesondere llwt% bis 12,5wt% Chrom enthält.
45. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lotlegierung Kobalt im Bereich von 4,0wt% bis < 9wt%, insbesondere 4wt% bis < 8wt% enthält.
46. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lotlegierung kein Kobalt enthält.
47. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lotlegierung kein Wolfram enthält.
48. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lotlegierung l,8wt% bis < 3,8wt%, insbesondere l,8wt% bis < 2,8wt% Wolfram enthält. 49. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lotlegierung Rhenium enthält, insbesondere zwischen 2,5wt% bis 3,0wt%.
50. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lotlegierung zumindest ein Selten Erdelement, insbesondere Yttrium, enthält, insbesondere 0,5wt% bis 2wt%.
51. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lotlegierung Hafnium enthält, insbesondere im Bereich von 0,5wt% bis 2,5wt%.
Weitere Erläuterungen zum Lot 10:
Die Lotlegierung ist vorzugsweise nickelbasiert und weist die weiteren Bestandteile Chrom, Kobalt und Wolfram sowie 2wt% bis 22,4wt% eines Schmelzpunkterniedrigers auf, der zumindest ein Element aus der Gruppe Scandium (Sc) , Aluminium (Al) , Titan (Ti), Zirkon (Zr) oder Tantal (Ta) aufweist. Die Anteile von Chrom liegen vorzugsweise bei 7,5% bis llwt% und insbesondere bei 10wt%.
Die Anteile von Kobalt liegen vorzugsweise zwischen 8% und ll,4wt% und insbesondere bei 10,4wt%. Die Anteile von Wolfram liegen vorzugsweise bei 2,8wt% bis 6, 9wt% und insbesondere bei 3,8wt% oder 5,9wt%. Vorzugsweise kann auch bis zu l,9wt%, insbesondere l,9wt% Molybdän (Mo) zu der Lotlegierung hinzu gegeben werden. Weitere Elemente können vorhanden sein, vorzugsweise ist die obige Auflistung von Nickel, Chrom, Kobalt, Wolfram, des Schmelzpunkterniedrigers und optional Molybdän abschließend. Das Lot enthält vorzugsweise kein Bor, kein Silizium oder auch kein Hafnium. Auch auf die Zugabe von Rhenium kann vorzugsweise verzichtet werden . Ebenso wird vorzugsweise kein Kohlenstoff verwendet.
Das Lot 10 kann in einem isothermalen oder einem Temperatur- gradienten-Verfahren mit dem Substrat 4 des Bauteils 1, 120, 130, 155 verbunden werden. Ein Gradientenverfahren bietet sich dann an, wenn das Substrat 4 eine gerichtete Struktur, beispielsweise eine SX- oder DS-Struktur aufweist, sodass auch das Lot 10 anschließend eine gerichtete Struktur auf- weist.
Ebenso braucht das Bauteil 1 keine gerichtet erstarrte Struktur (sondern eine CC-Struktur) aufzuweisen, wobei durch die gerichtet erstarrte Struktur in der reparierten Stelle 3 bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit des Bauteils 1 er- reicht wird, weil die gerichtet erstarrte Struktur des Lots
10 in der reparierten Stelle den negativen Effekt des niedrigen Schmelzpunkts auf die mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen ausgleicht.
Bei dem Aufschmelzen (Isothermales Verfahren oder mit Gradientenverfahren) wird vorzugsweise ein inertes Gas, insbesondere Argon verwendet, das die Chromabdampfung von dem Substrat 4 bei den hohen Temperaturen verringert oder es wird ein reduzierendes Gas (Argon/Wasserstoff) verwendet. Das Lot 10 kann auch großflächig auf eine Oberfläche eines
Bauteils 1, 120, 130, 155 aufgebracht werden, um eine Verdickung des Substrats 4, insbesondere bei hohlen Bauteilen zu erreichen. Vorzugsweise wird das Lot 10 dazu verwendet um Risse 7 oder Vertiefungen 7 aufzufüllen.
Die Tabelle zeigt beispielhafte erfindungsgemäße Zusammensetzungen HT der Lotlegierung des Lots 10 (in wt%) , wobei der Rest Nickel ist.
Die Lotlegierungen lassen sich vorzugsweise zumindest in vier Segmente bezüglich der Zusammensetzung des Schmelzpunkter- niedrigers bestehend aus Zr, Al, Ti, Ta und Sc aufteilen: das erste Segment enthält zumindest Zirkon, das zweite weist zumindest Scandium auf, ein drittes Segment enthält kein Zirkon und kein Scandium sowie ein viertes Segment weist Zirkon, Aluminium, Titan, Tantal mit kleinen Anteilen von Scandium (bis 2wt%) auf.
Das erste Segment besteht entweder nur aus Zirkon (Ansprüche 1 + 2) oder nur aus Zirkon, Aluminium, Titan und Tantal (An- sprüche 1 + 4) oder nur aus Zirkon und zwei weiteren Elementen aus der Gruppe Aluminium, Titan, Tantal (Ansprüche 1 + 5) oder nur aus Zirkon mit einem Element aus der Gruppe Aluminium, Titan, Tantal (Ansprüche 1 + 6) .
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Titan, Aluminium und/oder Zirkon, da diese Elemente die Bildung der γ' -Phase in einem nickelbasierten Werkstoff fördern, die die mechanischen Hochtemperatureigenschaften verbessert. Dabei kann eins, zwei oder drei dieser drei Elemente vorteilhafterweise in dem Lot 10 (siehe HT5, HT9, HTlO, HT14, HT19) verwendet werden .
Das zweite Segment besteht entweder nur aus Scandium (Ansprüche 1 + 7) oder nur aus Scandium, Aluminium, Titan und Tantal (Ansprüche 1 + 8 + 12 + 13) oder nur aus Scandium und zwei
Elementen der Gruppe Aluminium, Titan oder Tantal (Ansprüche 1 + 8 + 12 + 14) oder nur aus Scandium und einem Element der Gruppe Aluminium, Titan, Tantal (Ansprüche 1 + 8 + 12 + 15) .
Das dritte Segment besteht aus zumindest einem Element der Gruppe Aluminium, Titan oder Tantal und enthält kein Zirkon und kein Scandium, wobei ein erstes Beispiel des dritten Segments mit den drei Elementen der Gruppe Aluminium, Titan und Tantal dargestellt wird (Ansprüche 1 + 17) . Ebenso kann der Schmelzpunkterniedriger zwei Elemente aus der Gruppe Aluminium, Titan oder Tantal enthalten (Ansprüche 1 + 12 + 18 + 14) oder es wird nur ein Element aus der Gruppe Aluminium, Titan oder Tantal verwendet (Anspruch 1 + 12 + 18 + 15) . Das vierte Segment besteht aus Zirkon, kleinen Anteilen (bis 2wt%) von Scandium und bis zu drei Elementen aus der Gruppe Aluminium, Titan und Tantal:
Zr + Sc + 3 aus (Al, Ti, Ta) : Ansprüche 1 + 3 + 13 + 25; Zr + Sc + 2 aus (Al, Ti, Ta) : Ansprüche 1 + 3 + 14 + 25; Zr + Sc + 1 aus (Al, Ti, Ta) : Ansprüche 1 + 3 + 15 + 25.
Als beste Lotlegierungen haben sich die (kombinierte Ansprüche in Klammern)
HTl 1 + 3 + 5 + 10 + 18 + 22 + 28 + 30 + 32 + 36 + 42,
HT2 1 + 3 + 6 + 18 + 19 + 22 + 24 + 27 + 28 + 30 + 32 +35+42,
HT3 1 + 3 + 6 + 18 + 19 + 22 + 24 + 27 + 28 + 30 + 34 +36+42,
HT4 1 + 3 + 5 + 9 + 18 + 20 + 21 + 23 + 28 + 30 + 32 + 36+42,
HT5 1 + 3 + 6 + 18 + 20 + 23 + 24 + 28 + 30 + 32 + 35 + 42,
HT 6 1 + 7 + 8 + 28 + 30 + 32 + 36 + 38 + 42
HT7 1 + 8 + 12 h 115 +21 + 22 + 23 + 28 + 30 + 32 + 36 + 39+42
HT8 1 + 7 + 8 + 28 + 30 + 32 + 36 + 37 + 42
HT 9 1 + 3 + 6 + 18 + 20 + 23 + 24 + 28 + 30 + 32 + 36 + 40+42 HT10.1 + 3 + 6 + 18 + 19 + 22 + 24 + 28 + 30 + 32 + 36 +40+42 HT11.1 + 2 + 18 + 22 + 23 + 24 + 29 + 31 + 33 + 36 + 40 + 42 HT12.1 + 3 + 22 + 23 + 24 + 25 + 29 + 31 + 33 + 36 + 40 + 42 HT13.1 + 7 + 8 + 28 + 30 + 32 + 36 + 39 +41 + 42
erwiesen .
Ebenso kann eine bevorzugte Lotlegierung kein Chrom aufwei- sen.
Ebenso können bevorzugte Werte für Chrom im Bereich von
4,0wt% bis kleiner 7,5wt% liegen.
Einen weiteren bevorzugten Bereich stellt ein Anteil von größer llwt% bis größer 12wt% Chrom dar.
Bevorzugterweise wird auch kein Kobalt für die Lotlegierung verwendet . Ein weiterer vorteilhafter Wertebereich für Kobalt liegt im Bereich von 4wt% bis kleiner 8wt%.
Ebenso kann bevorzugtermaßen die Lotlegierung kein Wolfram enthalten.
Bevorzugte Werte für Wolfram stellen auch Werte zwischen l,8wt% und kleiner 2,8wt% dar.
Bevorzugtermaßen wird zu der Lotlegierung auch Rhenium (Re) zugegeben, insbesondere in einem Bereich von 2,5wt% bis 3wt%.
Bevorzugtermaßen wird auch zumindest ein, insbesondere ein Selten Erdelement, insbesondere Yttrium (Y) , hinzugefügt, und das bevorzugtermaßen in einem Wertebereich von 0,5wt% bis 2wt%.
Auch wird Hafnium hinzugefügt, insbesondere in einem Wertebereich von 0,5wt% bis 2,5wt%.
Das Verfahren und seine Parameter
Beim Löten eines Lots 10 unter Vakuum, das oft durchgeführt wird, wenn das Lot 10 oder das Bauteil 1, 120, 130, 155 oxi- diert, ergibt sich durch die Verwendung von Inertgasen (Ar,
He, Ar/He, H2...) und/oder der Verwendung von Vakuum das Problem des Abdampfens von Bestandteilen des Bauteils 1, 120, 130, 155 oder des Lots 10 bei einem zu geringen Prozessdruck. Bei einem zu hohen Sauerstoffpartialdruck pO2 findet eine Oxi- dation des Lots 10 oder des Bauteils 1, 120, 130, 155 statt.
Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt daher vor, ein Lotverfahren im Vakuum einer Prozesskammer, vorzugsweise in einem Ofen bei einem Sauerstoffpartialdruck pO2 von höchstens 3,5*10~6mbar (= 3.5*10~4Pa) durchzuführen.
Der Gesamtprozessdruck beträgt vorzugsweise höchstens lOmbar (=1000Pa) . Der Gesamtprozessdruck beträgt vorzugsweise mindestens 0, 035mbar (3.5Pa) .
Der Sauerstoffpartialdruck pO2 beträgt vorzugsweise mindestens 10"7mbar (10"5Pa) .
Das Lotverfahren wird besonders bevorzugt bei einem Sauerstoffpartialdruck P02 von höchstens 10~6mbar (= ICT4Pa) durchgeführt .
Der Gesamtprozessdruck beträgt besonders vorzugsweise höchstens lmbar (=100Pa) .
Der Gesamtprozessdruck beträgt besonders vorzugsweise mindestens 0, lmbar (=10Pa) .
Der Sauerstoffpartialdruck pO2 beträgt besonders vorzugsweise mindestens 5*107mbar (=5*105Pa)
Diese Druckwerte werden insbesondere dadurch erreicht, dass die Prozesskammer im Inneren ein Vakuum aufweist und vorzugsweise dauerhaft abgepumpt wird und vorzugsweise mit einem reinen Inertgas (Ar 5.0, vorzugsweise Ar 6.0) gespült wird.
Dies geschieht vorzugsweise für mindestens 10 Stunden, insbesondere für 48 Stunden mit einer Durchflussrate von vorzugsweise zwischen 0,21/min und 11/min.
Dabei wird vorzugsweise Argon 6.0 (bedeutet einen Sauerstoff- anteil von 5xlO~7 im Prozessgas) verwendet, das jedoch vorzugsweise durch eine Gasreinigungspatrone gefiltert wird, so dass der Gehalt an Sauerstoff und Wasser um den Faktor 100 verringert wird, so dass ein Sauerstoffanteil von 5xlO~9 im Prozessgas erreicht wird, das in die Prozesskammer eingeleitet wird. Mögliche Lotverfahren werden anhand der Figur 1 erläutert.
Figur 1 zeigt zwei Querschnittsansichten eines Bauteils während und nach einer Behandlung mit dem erfin- dungsgemäßen Lot,
Figur 2 zeigt perspektivisch eine Turbinenschaufel,
Figur 3 zeigt perspektivisch eine Brennkammer,
Figur 4 zeigt eine Gasturbine,
Figur 5 zeigt eine Liste von Superlegierungen .
Figur 1 zeigt ein Bauteil 1, das mit einem Lot 10 aus einer erfindungsgemäßen Lotlegierung behandelt wird.
Das Bauteil 1 umfasst ein Substrat 4, das insbesondere bei Bauteilen für Hochtemperaturanwendungen, insbesondere bei
Turbinenschaufeln 120, 130 (Fig. 2) oder Brennkammerelementen 155 (Fig. 3) für Dampf- oder Gasturbinen 100 (Fig. 4) aus einer eisen-, nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung besteht. Dies können vorzugsweise die bekannten Werkstoffe PWA 1483, PWA 1484 oder Rene N5 sein (siehe Fig. 5) .
Anwendung findet das Lot 10 auch bei Schaufeln für Luftfahrzeuge .
Das Substrat 4 weist einen Riss 7 oder eine Vertiefung 7 auf, der bzw. die durch Löten aufgefüllt werden soll. Die Risse 7 bzw. Vertiefungen 7 sind vorzugsweise etwa 200μm breit und können bis zu 5mm tief sein.
Dabei wird das Lot 10 aus der Lotlegierung in oder in die Nähe der Vertiefung 7 aufgebracht und durch eine Wärmebehand- lung (+T) schmilzt das Lot 10 unterhalb einer Schmelztemperatur des Substrats 4 auf und füllt die Vertiefung 7 vollständig auf. Die Figur 2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf- einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge- stellt) .
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab- strömkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein. Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastun- gen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprach- gebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwen- digerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch
Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) .
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind bzgl. des Erstarrungsverfahrens Teil der Offenbarung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen
Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10Al-0,4Y-l,5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2Ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teil¬ weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht . Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör- ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
Die Figur 3 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 10000C bis 16000C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög- liehen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutz- schicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wär- medämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2Ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän¬ dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör- ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrah- len) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitze- schildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf. Die Figur 4 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be- reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine. Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet .
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden. Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) . Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superle- gierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung Teil dieser Offenbarung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2θ3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Lötreparatur eines Bauteils (1, 120, 130, 155) mittels eines Lots (10) in einer Prozesskammer, bei dem in der Prozesskammer ein Sauerstoffpartialdruck Po2 kleiner 3,5*10~6mbar (= 3.5*10~4Pa) eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in der Prozesskammer ein Gesamtdruck von kleiner lOmbar (= 1000Pa) eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Gesamtdruck in der Prozesskammer größer als 0,035mbar (= 3.5Pa) eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der Sauerstoffpartialdruck p02 in der Prozesskammer größer 10~7mbar (=10~5Pa) eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem vor Erwärmung des Bauteils (1, 120, 130, 155) in der Prozesskammer mit dem Lot (10) eine Spülung der Prozesskammer mit einem Inertgas erfolgt, insbesondere für mindestens 10 Stunden (10h), insbesondere für bevorzugt 48 Stunden (48h) .
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Durchsatz bei dem Spülvorgang zwischen 0,21/min und 11/min liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, der Durchsatz bei dem Spülvorgang 11/min beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, bei dem ein Inertgas, insbesondere mit dem Reinheitsgrad 6.0, vor dem Eintritt in die Prozesskammer durch eine Gasreinigungspatrone gefiltert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Bauteil (1, 120, 130, 155) eine nickelbasierte Legierung, insbesondere die Legierungen PWA 1483, PWA 1484 oder Rene N5, aufweist .
10. Verfahren nach einem oder mehren der vorherigen Ansprüche, bei dem das Löten isothermal durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem oder mehren der vorherigen Ansprüche, bei dem das Löten in einem Temperatur-Gradientenverfahren durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, 9, 10 oder 11, bei dem das Lot (10) gerichtet, insbesondere einkristallin, erstarrt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, 9, 10, 11 oder 12, bei dem das Lot (10) nickelbasiert ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Lot (10) Chrom, Kobalt und Wolfram aufweist,
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Lot (10) Zirkon enthält.
16. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, bei dem das Lot (10) Scandium enthält.
17. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Lot (10) Zirkon enthält und kein Scandium enthält.
18. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Lot (10) Scandium enthält und kein Zirkon enthält.
19. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Lot (10) Zirkon und Scandium enthält.
20. Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 oder 9 bis 19, bei der eine Lotlegierung (10) auf Nickelbasis verwendet wird, die umfasst (in wt%) : insbesondere bestehend aus (in wt%)
Chrom (Cr), insbesondere 7,5wt% bis llwt%, besonders bevorzugt 8,5% bis 10% Cr,
Kobalt (Co), insbesondere 8,0wt% bis ll,4wt%, besonders bevorzugt 9,0% bis 10,4% Co,
Wolfram (W), insbesondere 2,8wt% bis 6, 9wt%, besonders bevorzugt 3,8% bis 5,9% W, sowie 2% bis 22,4%, insbesondere 3% bis 19,4%, eines Schmelzpunkterniedrigers, der zumindest ein Element aus der Gruppe enthält, die Scandium (Sc) , Zirkon (Zr) , Aluminium (Al) , Titan (Ti) und Tantal (Ta) umfasst, optional bis 1.9% Molybdän (Mo) und
Rest Nickel (Ni) .
21. Verfahren nach Anspruch 1, 9, 10, 11 oder 12, bei dem das Bauteil (1, 120, 130, 155) eine DS- oder eine SX-Struktur aufweist.
22. Verfahren nach Anspruch 1, 9, 10, 11 oder 12, bei dem das Bauteil (1, 120, 130, 155) eine CC-Struktur aufweist .
23. Verfahren nach Anspruch 1, 9, 10, 11, 21 oder 22, bei dem das Lot (10) nicht gerichtet erstarrt wird.
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