EP2117757A1 - Bauteil und ein lot - Google Patents

Bauteil und ein lot

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Publication number
EP2117757A1
EP2117757A1 EP08716874A EP08716874A EP2117757A1 EP 2117757 A1 EP2117757 A1 EP 2117757A1 EP 08716874 A EP08716874 A EP 08716874A EP 08716874 A EP08716874 A EP 08716874A EP 2117757 A1 EP2117757 A1 EP 2117757A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
solder
base material
melting temperature
melting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08716874A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl-Heinz Manier
Michael Ott
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.)
Siemens AG
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH, Siemens AG filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Priority to EP08716874A priority Critical patent/EP2117757A1/de
Publication of EP2117757A1 publication Critical patent/EP2117757A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0008—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
    • B23K1/0018—Brazing of turbine parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B23K35/3033—Ni as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/001—Turbines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/18—Dissimilar materials
    • B23K2103/26—Alloys of Nickel and Cobalt and Chromium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00019—Repairing or maintaining combustion chamber liners or subparts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12222—Shaped configuration for melting [e.g., package, etc.]

Definitions

  • the present invention relates to a component and a solder.
  • Components of turbines are nowadays often made of materials with a directional microstructure.
  • materials with a directed microstructure in particular monocrystalline materials and materials which have a grain structure, the extent of the grains having a common preferred direction, should be considered here.
  • the grains may have a larger dimension in a certain preferred direction than in the other directions.
  • Components with such a grain structure are also referred to as directionally solidified components (directionally solidified).
  • Highly stressed components such as turbine blades
  • soldering One possibility of repairing damaged components is, for example, soldering.
  • soldering a solder in the region of the damage is applied to the material of the component, that is to say to the base material, and connected to the base material by means of heat.
  • the solder material does not have a monocrystalline or directionally solidified structure in the conventional method.
  • a disordered structure has inferior material properties compared to a directional microstructure, especially in the high temperature range. that the solder joint has poorer material properties than the surrounding base material.
  • US Pat. No. 6,050,477 discloses a method for joining two component elements, wherein the solder is applied over a large area between the two component components and a temperature gradient is used to produce the same directional microstructure. The entire component is heated.
  • US 2003/0075587 A1 discloses a method of repairing a component having a directionally solidified microstructure, but wherein the repaired site does not have the same microstructure as the component to be repaired.
  • US Pat. No. 6,495,793 discloses a nickel-based superalloy weld repair process using a laser, wherein the laser melts the material supplied via a material conveyor. In addition, during the welding process, the base material is melted. A statement about the microstructure of the component or the repair site is not made.
  • EP 1 258 545 A1 discloses a soldering process without temperature gradients.
  • EP 1 340 567 A1 discloses a welding process in which additional material is added to the already reflowed site to be repaired. Likewise, the base material is melted here. A temperature gradient is also used to treat the components with straightened microstructure.
  • US Pat. No. 4,878,953 discloses a welding process for repairing a directional microstructure device in which material is applied to the repairing site by means of powder and that site has a fine-grained microstructure. Likewise, the base material is melted here.
  • the object of the invention is to show a solder or a component which have improved properties.
  • the object is achieved by a component according to claim 1 and a solder according to claim 8.
  • FIG. 1 shows a solder according to the invention
  • FIG. 2 shows a grain size distribution of a solder according to the invention
  • FIGS. 3, 4, 5 show an exemplary embodiment of a method for
  • Figure 6 shows a gas turbine
  • Figure 7 shows a perspective combustion chamber
  • FIG. 8 shows in perspective a turbine blade.
  • FIG. 1 shows powder particles of a solder 7 according to the invention.
  • the solder 7 represents a mixture of two metallic powder constituents 22, 25, ie has a first powder constituent 22 of coarser particles 22 with particle sizes in the sub-micrometer or micrometer range (0.7 ⁇ m-100 ⁇ m, in particular ⁇ 0.7 ⁇ m to 75 ⁇ m or particularly preferably ⁇ 25 ⁇ m and ⁇ 75 ⁇ m) and a powder constituent 25 whose particle sizes are in the nanometer range (FIG. 2), which has particle sizes of less than 500 nanometers.
  • the curves of the grain size distributions of the powder components 22, 25 (FIG. 2) may also partially overlap. However, there are always two spaced-apart maxima in the two particle size distributions of the powder constituents of the solder 7 (FIG. 2).
  • the first component 22 and the second component 25 are preferably made of different materials.
  • the second component 25 preferably corresponds to the material of the base material of a component 1, 120, 130, 155 (FIGS. 3, 6, 7, 8) to be repaired, which is preferably nickel-based.
  • the first component 22 preferably has a melting temperature below the second component 25, since the second component 25 is similar to the base material of the component 1 or corresponds. Since the second component 25 is similar to or corresponds to the base material of the component 1, the melting temperature of the second component 25 is reduced from that of the base material by the grain size effect because the second component 25 has the smaller particles 25 in the nanometer range.
  • the melting temperature of the base material of the component 1, 120, 130, 155 is that of a solid material, ie it is not influenced by the particle size effect. Due to the grain size effect of the melting temperature, the melting temperatures of the two components 22, 25 of the solder 7 are adjusted, i. the melting temperature of the higher melting component is adjusted by the grain size effect to the lower melting temperature of the first component 22, that is lowered. Also preferably, the melting point of the first constituent 22 may have a higher melting temperature than the second constituent 25.
  • the melting temperatures of the constituents 22, 25 of the solder 7 are always below the melting point of the base material of a component 1 to be repaired.
  • the first component 22 is an alloy, preferably nickel-based.
  • the second component 25 is an alloy that is preferably nickel-based.
  • the second component 25 may correspond or resemble the material of the substrate.
  • Similar composition means that the constituents 22, 25 have at least the main alloying elements (elements with alloying fraction ⁇ lwt%) of an alloy composition (base material), preferably at least all alloying elements of the alloy of the base material, but their proportions are changed for this constituent of the solder, plus additives (Melting point depressant).
  • base material preferably at least all alloying elements of the alloy of the base material, but their proportions are changed for this constituent of the solder, plus additives (Melting point depressant).
  • the term “... corresponds to the base material” means identical composition with the base material.
  • the first constituent 22 may preferably have a lower melting point without a melting point depressant, because its composition deviates from the base material of the constituent 1, 120, 130, 155.
  • the first component 22 has at least one melting point depressant, in particular one, in particular boron
  • Ti tantalum
  • Ta zirconium
  • First component 22 base material of the component 1 + melting point lower.
  • solder 7 the composition of which is different from the base material ( ⁇ substrate).
  • FIG. 3 shows a schematic view of a damaged component 1 which is repaired with the solder 7 according to the invention.
  • the base material of the component 1 for example a turbine blade 120, 130 (Figure 7), comprises an alloy, preferably nickel-based, and preferably has a directional microstructure, indicated in the figures by short diagonal bars.
  • the damage 3 of the component 1 is located in the region of the surface 5 and is shown in FIG. 3 as a depression.
  • a solder 7 which in the present exemplary embodiment is in powder form, is used. is applied to the pre-cleaned damaged site 3 and then by means of heat with the base material of the component 1 soldered (Fig. 4).
  • the entire required solder 7 is preferably introduced with a small excess into the preferably pre-cleaned damaged area 3 and, in particular, is not added stepwise during the melting.
  • the solder 7 is pressed into the damaged area 3.
  • This has the advantage that the entire damaged area 3 is filled with the solder 7.
  • an external powder feed with a powder feeder would not ensure that the solder 7 can reach the crack tip.
  • the solder 7 can be applied in the form of a paste, a slurry, in pure powder form or by means of a film and introduced into the damaged area 3. It is advantageous if the material composition of the solder 7 is similar to that of the component 1.
  • the solder 7 must comprise at least one constituent whose melting temperature is lower than the melting temperature of the base material of the component 1, so that melting of the solder 7, but not of the base material of the component 1, takes place by means of the heat.
  • the difference in the melting temperature of Lot 7 and base material is in particular at least 70 0 C, preferably 70 0 C ⁇ 4 ° C.
  • the solder 7 is preferably first melted so that it runs into the point to be repaired 3.
  • the temperature required for this may be higher or lower than the temperatures for adjusting the directional microstructure.
  • the materials PWA 1483, PWA 1484 and RENE N5 have proven particularly advantageous for the application of the solder 7 according to the invention.
  • PWA 1483 has a melting point of 1341 0 C
  • RENE N5 has a melting point in the region around 1360 - 1370 having 0 C.
  • the solder 7 to be used has a melting temperature of 1271 ° C.
  • an electron beam gun 9 is preferably present in the present exemplary embodiment, which irradiates the solder 7 to be melted and thus supplies the heat necessary for melting.
  • the heat effect on the solder 7 can also be done by means of laser beam.
  • the electron beam treatment is preferably carried out in vacuo.
  • oxidation-sensitive materials such as in superalloys, the oxidation plays an important role, so that a heat treatment by means of a laser or an electron beam should be carried out anyway in a vacuum.
  • the electron beam treatment has the advantage that it leads to a better energy coupling into the material and that the electric be moved through the coil, which in this case represent the optics, on the point to be repaired 3 without contact.
  • a temperature gradient in the region of the damage 3 is selectively produced in the preferred direction of the microstructure of the base material.
  • the temperature gradient can be produced by moving the component 1 and the electron beam gun 9 relative to one another. In the exemplary embodiment, therefore, the electron beam gun 9 is guided parallel to the surface 5 via the solder 7. The speed with which the electron beam gun 9 passes over the solder 7 is selected such that the desired temperature gradient in the region of the damage 3, i. in Lot 7, sets. The temperature gradient thereby induces the formation of an epitaxially directed microstructure when the solder 7 melted by the electron beam gun 9 solidifies again.
  • the steepness of the temperature gradient can be adjusted, for example, by the speed with which electron beam gun 9 and component 1 are moved relative to one another, or the laser power.
  • the steepness of the gradient here means the increase or decrease in the temperature per unit length.
  • the steepness of the temperature gradient which leads to the formation of a directed microstructure in the solidifying solder, depends on the composition of the solder 7.
  • the preferred direction of the directed microstructure in the base material of the component 1 extends from left to right within the plane of the drawing.
  • the movement of the electron beam gun 9 relative to the component 1 is parallel to the preferred direction of the directed microstructure of the base material.
  • FIG. 5 shows the component 1 after repairing the damage 3.
  • the solidified solder 7, ie the repair material has a directional microstructure which has the same preferred direction as the directed one Microstructure of the base material of the component 1 has.
  • Lot 7 solidify undirected. This can be done for a SX, DS or CC component.
  • the electron beam can also be widened in such a way that, for example, it irradiates the entire solder 7 and in any case completely heats it.
  • a method of the electron gun is therefore not absolutely necessary.
  • an electron beam gun 9 was used to supply the heat.
  • the use of other optical means was used to supply the heat.
  • Heating methods such as lighting with a conventional lighting device, possible.
  • inductive heating methods instead of optical heating methods, in which the solder is heated by means of heating coils.
  • special heating furnaces such as a so-called “hot box” or a casting furnace for producing a casting with a directionally oriented microstructure. In any case, that must be be used to produce a temperature gradient in the direction desired for the solidification in the area of damage or solder-filled damage.
  • a furnace this can for example be done by a stationary oven, which makes it possible to adjust the heating effect in different areas of the furnace separately.
  • a film or a paste by means of which the solder 7 is applied may partially comprise a powder of nanopowders.
  • FIG. 6 shows by way of example a gas turbine 100 in one embodiment
  • 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
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. In the flow direction of a working medium As can be seen in the hot gas duct 111 of a guide blade row 115, a row 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the highest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • the components in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110 are For example, iron, nickel or cobalt-based superalloys used.
  • the guide blade 130 has a guide blade root facing the inner housing 138 of the turbine 108 (not shown here) and a guide blade foot opposite
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 7 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.
  • blades 120, 130 for example, solid metallic materials, in particular superalloys, are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130.
  • 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 blade 120, 130 can hereby be manufactured 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, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, for general language use, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole workpiece consists of a single crystal.
  • a columnar grain structure columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, for general language use, referred to as directionally solidified
  • a monocrystalline structure ie the whole workpiece consists of a single crystal.
  • directionally solidified structures generally refers to single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, as well as stem crystal structures that have grain boundaries running in the longitudinal direction but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. 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 ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • 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 ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • 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 of the alloy.
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • a heat-insulating layer which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr ⁇ 2, Y2 ⁇ 3-Zr ⁇ 2, i. it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • suitable coating methods e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the thermal barrier coating may be porous, micro- or macro-cracked bodies. have ner for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • 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.
  • 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.
  • the heat shield elements 155 are then, for example, hollow and possibly still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating). equipped or is made of high temperature resistant material (solid ceramic stones).
  • 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 EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • MCrAlX may still be present, for example, a ceramic thermal barrier coating and consists for example of ZrC> 2, Y2Ü3-Zr ⁇ 2, i. it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • Other coating methods are conceivable, e.g. atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD.
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 may need to be deprotected (e.g., by sandblasting) after use. This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, cracks in the turbine blade 120, 130 or the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a re-coating of the turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 and a renewed use of the turbine blades 120, 130 or the heat shield elements 155.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

In einem erfindungsgemäßen Reparaturverfahren zum Reparieren von einem Basismaterial mit einer gerichteten Mikrostruktur umfassenden Bauteilen (1) erfolgt die Reparatur derart, dass ein Lot (7) verwendet wird, das Bestandteile mit unterschiedlichen Korngrößenverteilungen aufweist.

Description

Bauteil und ein Lot
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil und ein Lot.
Bauteile von Turbinen sind heutzutage nicht selten aus Materialien mit einer gerichteten Mikrostruktur hergestellt. Als Materialien mit einer gerichteten Mikrostruktur sollen hierbei insbesondere einkristalline Materialien und Materialien, die eine Kornstruktur aufweisen, wobei die Ausdehnung der Körner eine gemeinsame Vorzugsrichtung aufweist, anzusehen sein. So können die Körner in einer bestimmten Vorzugsrichtung eine größere Abmessung aufweisen als in den übrigen Richtungen. Bauteile mit einer derartigen Kornstruktur werden auch als direktional erstarrte Bauteile (directional solidi- fied) bezeichnet.
Stark belastete Bauteile, wie etwa Turbinenschaufeln, unterliegen während des Betriebs einer hohen thermischen und me- chanischen Beanspruchung, die zu Materialermüdungen und infolgedessen zu Rissen führen kann. Da das Herstellen von Bauteilen aus Basismaterialien, welche eine gerichtete Mikrostruktur aufweisen, relativ kostspielig ist, ist man in der Regel bemüht, derartige Bauteile nach Eintritt von Schädigun- gen zu reparieren. Damit wird die Funktionstüchtigkeit wieder hergestellt und das Bauteil für eine weitere Revisionsperiode einsetzbar .
Eine Möglichkeit der Reparatur beschädigter Bauteile ist bei- spielsweise das Löten. Bei diesem Löten wird ein Lot im Bereich der Beschädigung auf das Material des Bauteils, also auf das Basismaterial, aufgebracht und mittels Wärmeeinwirkung mit dem Basismaterial verbunden. Nach dem Löten weist das Lotmaterial jedoch bei der bisher üblichen Verfahrens- weise keine einkristalline oder direktional erstarrte Struktur auf. Eine ungeordnete Struktur besitzt jedoch im Vergleich zu einer gerichteten Mikrostruktur schlechtere Materialeigenschaften - vor allem im Hochtemperaturbereich -, so- dass die Lötstelle schlechtere Materialeigenschaften als das umgebende Basismaterial aufweist.
Zum Reparieren von beschädigten Bauteilen mit einer gerichte- ten Mikrostruktur stehen Schweißverfahren zur Verfügung, mit denen auch gerichtete Mikrostrukturen in den verschweißten Strukturen erzeugt werden können. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in EP 089 090 Al offenbart.
Weitere Verfahren bzw. verwendete Lotpulver sind bekannt aus den Publikationen US 6,283,356, US 4,705,203, US 4,900,394, US 6,565,678, US 4,830,934, US 4,878,953, US 5,666,643, US 6,454,885, US 6,503,349, US 5,523,170, US 4,878,953, US 4,987,736, US 5,806,751, US 5,783,318, US 5,873,703.
Die US-PS 6,050,477 offenbart ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteilelemente, wobei das Lot großflächig zwischen den beiden Bauteilkomponenten aufgebracht wird und ein Temperaturgradient benutzt wird, um dieselbe gerichtete Mikro- struktur zu erzeugen. Das gesamte Bauteil wird erwärmt.
Die US 2003/0075587 Al offenbart ein Reparaturverfahren eines Bauteils mit einer gerichtet erstarrten Mikrostruktur, wobei jedoch die reparierte Stelle nicht dieselbe Mikrostruktur wie das zu reparierende Bauteil aufweist.
Die US-PS 6,495,793 offenbart ein Schweißreparaturverfahren für nickelbasierte Superlegierungen, bei dem ein Laser verwendet wird, wobei der Laser das Material, das über einen Materialförderer zugeführt wird, aufschmilzt. Außerdem wird beim Schweißprozess das Basismaterial aufgeschmolzen. Eine Aussage über die Mikrostruktur des Bauteils oder der Reparaturstelle wird nicht getroffen.
Die EP 1 258 545 Al offenbart ein Lötverfahren ohne Temperaturgradienten . Die EP 1 340 567 Al offenbart ein Schweißverfahren, bei dem zusätzliches Material zu der bereits aufgeschmolzenen zu reparierenden Stelle zugefügt wird. Ebenso wird hier das Basismaterial aufgeschmolzen. Es wird ebenfalls ein Temperaturgra- dient verwendet, um die Bauteile mit gerichteter Mikrostruktur zu behandeln.
Die US-PS 4,878,953 offenbart ein Schweißverfahren zur Reparatur eines Bauteils mit gerichteter Mikrostruktur, bei dem Material auf die reparierende Stelle mittels Pulver aufgetragen wird und diese Stelle eine feinkörnige Mikrostruktur aufweist. Ebenso wird hier das Basismaterial aufgeschmolzen.
Schweißverfahren schmelzen jedoch immer das Basismaterial des zu reparierenden Bauteils auf. Strukturell tragende Bereiche eines Bauteils dürfen daher nicht geschweißt werden, da aufgrund des Aufschmelzens des Basismaterials die Integrität der gerichteten Struktur verloren ginge. Deshalb werden Bauteile mit einer gerichteten Mikrostruktur nur dann mittels der Schweißverfahren repariert, wenn sich die Beschädigungen nicht in strukturell tragenden Bereichen des Bauteils befinden. Befindet sich dagegen eine Beschädigung in einem strukturell tragenden Bereich des Bauteils, so wird, falls eine gerichtete Schweißstruktur verlangt wird, dieses Bauteil als nicht reparierbar deklariert und gegen ein intaktes Bauteil ausgetauscht .
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lot bzw. ein Bauteil aufzu- zeigen, die verbesserte Eigenschaften aufweisen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil nach Anspruch 1 und ein Lot nach Anspruch 8.
Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, die in vorteilhafter Art und Weise beliebig miteinander kombiniert werden können. Ausführungsbeispiele werden in den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein erfindungsgemäßes Lot, Figur 2 eine Korngrößenverteilung eines erfindungsgemäßen Lots, Figur 3, 4, 5 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum
Aufbringen des Lots, Figur 6 eine Gasturbine, Figur 7 perspektivisch eine Brennkammer,
Figur 8 perspektivisch eine Turbinenschaufel.
Figur 1 zeigt Pulverteilchen eines erfindungsgemäßen Lots 7.
Das Lot 7 stellt eine Mischung aus zwei metallischen Pulverbestandteilen 22, 25 dar, weist also einen ersten Pulverbestandteil 22 aus gröberen Teilchen 22 mit Korngrößen im Sub- mikro- oder Mikrometerbereich (0,7μm - lOOμm, insbesondere ≥ 0.7μm bis 75μm oder besonders vorzugsweise ≥ 25μm und ≤ 75μm) sowie ein Pulverbestandteil 25 auf, dessen Korngrößen im Nanometerbereich liegen (Fig. 2), das Korngrößen kleiner 500 Nanometer aufweist. Die Kurven der Korngrößenverteilungen der Pulverbestandteile 22, 25 (Fig. 2) können sich auch teilweise überlappen. Jedoch sind immer zwei voneinander beabstandete Maxima in den beiden Korngrößenverteilungen der Pulverbestandteile des Lots 7 (Fig. 2) zu erkennen.
Der erste Bestandteil 22 und der zweite Bestandteil 25 beste- hen vorzugsweise aus verschiedenen Materialien.
Der zweite Bestandteil 25 entspricht vorzugsweise dem Material des Basismaterials eines zu reparierenden Bauteils 1, 120, 130, 155 (Fig. 3, 6, 7, 8), das vorzugsweise nickelbasiert ist.
Der erste Bestandteil 22 weist vorzugsweise eine Schmelztemperatur unterhalb des zweiten Bestandteils 25 auf, da der zweite Bestandteil 25 dem Basismaterial des Bauteils 1 ähnelt oder entspricht. Da der zweite Bestandteil 25 dem Basismaterial des Bauteils 1 ähnelt oder entspricht, ist die Schmelztemperatur des zweiten Bestandteils 25 gegenüber dem des Basismaterials durch den Korngrößeneffekt verringert, da der zweite Bestandteil 25 die kleineren Teilchen 25 im Nanometer- bereich aufweist.
Die Schmelztemperatur des Basismaterials des Bauteils 1, 120, 130, 155 ist die eines Massivmaterials, ist also nicht beein- flusst durch den Korngrößeneffekt. Durch den Korngrößeneffekt der Schmelztemperatur werden die Schmelztemperaturen der zwei Bestandteile 22, 25 des Lots 7 angepasst, d.h. die Schmelztemperatur des höher schmelzenden Bestandteils wird durch den Korngrößeneffekt an die niedrigere Schmelztemperatur des ersten Bestandteils 22 angepasst, also erniedrigt. Ebenso vorzugsweise kann der Schmelzpunkt des ersten Bestandteils 22 eine höhere Schmelztemperatur aufweisen als der zweite Bestandteil 25.
Die Schmelztemperaturen der Bestandteile 22, 25 des Lots 7 liegen aber immer unter dem Schmelzpunkt des Basismaterials eines zu reparierenden Bauteils 1.
Vorzugsweise stellt der erste Bestandteil 22 eine Legierung dar, die vorzugsweise nickelbasiert ist.
Ebenso vorzugsweise stellt der zweite Bestandteil 25 eine Legierung dar, die vorzugsweise nickelbasiert ist.
Der zweite Bestandteil 25 kann dem Material des Substrats entsprechen oder ähneln.
Ähnliche Zusammensetzung bedeutet, dass die Bestandteile 22, 25 zumindest die Hauptlegierungselemente (Elemente mit Legierungsanteil ≥ lwt%) einer Legierungszusammensetzung (Basismaterial) aufweisen, vorzugsweise zumindest alle Legierungselemente der Legierung des Basismaterials, deren Anteile allerdings für diesen Bestandteil des Lots verändert sind, plus Zusätze (Schmelzpunkterniedriger) , aufweisen. Der Begriff „... entspricht dem Basismaterial" bedeutet identische Zusammensetzung mit dem Basismaterial. Der erste Bestandteil 22 kann vorzugsweise ohne einen Schmelzpunkterniedriger einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweisen, weil seine 22 Zusammensetzung vom Basismaterial des Bauteils 1, 120, 130, 155 abweicht.
Vorzugsweise weist der erste Bestandteil 22 zumindest einen Schmelzpunkterniedriger, insbesondere einen, insbesondere Bor
(B), Silizium (Si), Kohlenstoff (C), Hafnium (Hf), Titan
(Ti), Tantal (Ta) oder Zirkon (Zr) auf.
Dabei kann dieselbe Legierung wie beim Basismaterial des Bauteils verwendet werden: Erster Bestandteil 22 = Basismaterial des Bauteils 1 + Schmelzpunkterniedriger.
Wenn ein Substrat eines Bauteils 1, 120, 130, 155 repariert wird, gibt es folgende Möglichkeiten für das Lot 7, dessen Zusammensetzung vom Basismaterial verschieden (Φ Substrat) ist .
In Figur 3 ist in schematischer Ansicht ein beschädigtes Bauteil 1 dargestellt, das mit dem erfindungsgemäßen Lot 7 repariert wird.
Das Basismaterial des Bauteils 1, beispielsweise eine Turbinenschaufel 120, 130 (Fig. 7), umfasst eine Legierung vorzugsweise auf Nickelbasis und weist vorzugsweise eine gerichtete Mikrostruktur, die in den Figuren durch kurze diagonal verlaufende Striche angedeutet ist, auf. Die Beschädigung 3 des Bauteils 1 befindet sich im Bereich der Oberfläche 5 und ist in der Figur 3 als Vertiefung dargestellt.
Zum Reparieren des geschädigten Bauteils 1 wird ein Lot 7, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Pulverform vor- liegt, auf die vorgereinigte beschädigte Stelle 3 aufgebracht und anschließend mittels Wärmeeinwirkung mit dem Basismaterial des Bauteils 1 verlötet (Fig. 4) .
Vorzugsweise wird das gesamte benötigte Lot 7 in die vorzugs- weise vorgereinigte beschädigte Stelle 3 ggf. mit einem kleinen Überschuss eingebracht und insbesondere nicht während des Aufschmelzens schrittweise hinzugeführt.
Vorzugsweise wird das Lot 7 in die beschädigte Stelle 3 hineingedrückt. Das hat den Vorteil, dass die gesamte beschä- digte Stelle 3 mit dem Lot 7 ausgefüllt wird. Insbesondere bei Rissen 3, die in die Tiefe gehen (hohes Aspekt-Verhältnis) und eine ungleichförmige Querschnittsfläche haben, würde nach dem Stand der Technik eine äußere Pulverzufuhr mit einem Pulverförderer nicht gewährleisten, dass das Lot 7 bis zur Rissspitze gelangen kann.
Das Lot 7 kann in Form einer Paste, eines Schlickers, in reiner Pulverform oder mittels einer Folie aufgebracht und in die beschädigte Stelle 3 eingebracht werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Materialzusammensetzung des Lotes 7 der des Bauteils 1 ähnlich ist.
Das Lot 7 muss jedoch zumindest einen Bestandteil umfassen, dessen Schmelztemperatur niedriger ist als die Schmelztemperatur des Basismaterials des Bauteils 1, damit mittels der Wärmeeinwirkung ein Aufschmelzen des Lotes 7, nicht jedoch des Basismaterials des Bauteils 1 erfolgt.
Die Schmelztemperatur des Lots 7 liegt vorzugsweise um mindestens 300C oder mindestens 500C niedriger als die Schmelztemperatur des Basismaterials des Bauteils 1, so dass das Basismaterial nicht gefährdet ist. Insbesondere liegt der Unterschied in den Schmelztemperaturen zwischen 500C und
700C. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn es sich bei dem Basismaterial um Superlegierungen handelt. Bei Super- legierungen verdampft bei hohen Temperaturen nahe seiner Schmelztemperaturen Chrom, sodass die Schmelztemperatur des Lots 7 möglichst gering gehalten und damit der Unterschied möglichst groß gehalten werden soll. Der Unterschied in der Schmelztemperatur von Lot 7 und Basismaterial beträgt insbesondere mindestens 700C, vorzugsweise 700C ± 4°C.
Das Lot 7 wird vorzugsweise erstmal so aufgeschmolzen, das es in die zu reparierende Stelle 3 hineinläuft.
Die dazu notwendige Temperatur kann höher oder niedriger sein als die Temperaturen zur Einstellung der gerichteten Mikrostruktur .
Bezüglich der zu verlötenden Superlegierung besteht keinerlei Einschränkung. Besonders vorteilhaft für die Anwendung des erfindungsgemäßen Lots 7 haben sich jedoch die Werkstoffe PWA 1483, PWA 1484 und RENE N5 herausgestellt. PWA 1483 hat einen Schmelzpunkt um 13410C, wohingegen RENE N5 einen Schmelzpunkt in der Region um 1360 - 13700C aufweist. Vorzugsweise weist daher das zu verwendende Lot 7 eine Schmelztemperatur von 1271°C auf.
Bei der Verwendung von hohen Temperaturen besteht außerdem das Problem der Rekristallation bei DS oder SX-Werkstoffen, sodass auch hier die Anforderung besteht, dass das Lot 7 in der Schmelztemperatur einen großen Unterschied zu der Schmelztemperatur des Basismaterials des Bauteils 1 aufweist.
Um die Wärmeeinwirkung auf das Lot 7 zu verwirklichen, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorzugsweise eine Elektro- nenstrahlkanone 9 vorhanden, welche das aufzuschmelzende Lot 7 bestrahlt und ihm so die zum Schmelzen nötige Wärme zuführt. Die Wärmeeinwirkung auf das Lot 7 kann auch mittels Laserstrahl erfolgen. Die Elektronenstrahlbehandlung erfolgt vorzugsweise im Vakuum. Insbesondere bei oxidationsempfindlichen Materialien, wie z. B. bei Superlegierungen, spielt die Oxidation eine wichtige Rolle, sodass eine Wärmebehandlung mittels eines Lasers oder eines Elektronenstrahls sowieso im Vakuum durchgeführt werden sollte. Die Elektronenstrahlbehandlung hat den Vorteil, dass sie zu einer besseren Energieeinkopplung in das Material führt und dass sich die Elektro- nenstrahlen berührungslos durch Spulen, die in dem Fall die Optik darstellen, über die zu reparierende Stelle 3 bewegen lassen .
Während des Lötvorgangs wird gezielt in Vorzugsrichtung der Mikrostruktur des Basismaterials ein Temperaturgradient im Bereich der Beschädigung 3 hergestellt. Das Herstellen des Temperaturgradienten kann dabei erfolgen, indem das Bauteil 1 und die Elektronenstrahlkanone 9 relativ zueinander bewegt werden. Im Ausführungsbeispiel wird daher die Elektronenstrahlkanone 9 parallel zur Oberfläche 5 über das Lot 7 geführt. Die Geschwindigkeit, mit der das Führen der Elektronenstrahlkanone 9 über das Lot 7 erfolgt, ist dabei derart gewählt, dass sich der gewünschte Temperaturgradient im Be- reich der Beschädigung 3, d.h. im Lot 7, einstellt. Der Temperaturgradient induziert dabei das Entstehen einer epitaktisch gerichteten Mikrostruktur, wenn das durch die Elektronenstrahlkanone 9 aufgeschmolzene Lot 7 wieder erstarrt. Die Steilheit des Temperaturgradienten kann dabei beispielsweise durch die Geschwindigkeit, mit der Elektronenstrahlkanone 9 und Bauteil 1 relativ zueinander bewegt werden, oder die Laserleistung eingestellt werden. Unter der Steilheit des Gradienten ist hierbei die Zu- oder Abnahme der Temperatur pro Längeneinheit zu verstehen. Die Steilheit des Temperatur- gradienten, die zum Entstehen einer gerichteten Mikrostruktur im sich verfestigenden Lot führt, hängt dabei von der Zusammensetzung des Lotes 7 ab.
Im vorliegenden Anwendungsbeispiel erstreckt sich die Vor- zugsrichtung der gerichteten Mikrostruktur im Basismaterial des Bauteils 1 innerhalb der Zeichenebene von links nach rechts. Um im erstarrenden Lot 7 das Entstehen einer gerichteten Mikrostruktur zu induzieren, deren Vorzugsrichtung mit der im Basismaterial übereinstimmt, erfolgt die Bewegung der Elektronenstrahlkanone 9 relativ zum Bauteil 1 parallel zur Vorzugsrichtung der gerichteten Mikrostruktur des Basismaterials . Figur 5 zeigt das Bauteil 1 nach dem Reparieren der Beschädigung 3. Wie durch die diagonal verlaufenden Striche im Bereich des nun verfestigten Lots 7 angedeutet ist, weist das verfestigte Lot 7, also das Reparaturmaterial, eine gerichtete Mikrostruktur auf, welche dieselbe Vorzugsrichtung wie die gerichtete Mikrostruktur des Basismaterials des Bauteils 1 besitzt.
Es ist aber auch möglich das Lot 7 ungerichtet erstarren zu lassen. Die kann für ein SX-, DS- oder CC Bauteill erfolgen.
Der Elektronenstrahl kann auch so aufgeweitet sein, dass er beispielsweise das gesamte Lot 7 bestrahlt und jedenfalls da- durch ganz erwärmt.
Ein Verfahren der Elektronenstrahlkanone ist also nicht unbedingt notwendig.
Durch die Abfuhr von Wärme des Lots 7 in das Substrat des Bauteils 1 entsteht innerhalb des Lots 7 ein Temperaturgra- dient. An der äußeren Oberfläche des Lots 7 ist die Temperatur am höchsten und an der Grenzfläche des Lots 7 zu dem Substrat des Bauteils 1 hin ist es kälter. Ggf. kann das Bauteil 1 auf der Rückseite, der Beschädigung 3 gegenüber oder irgendwo sonst gekühlt oder erwärmt werden, um einen gewünsch- ten bestimmten Temperaturgradienten in Abhängigkeit von der
Geometrie des Bauteils 1 und der Beschädigung 3 einzustellen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde zum Zuführen der Wärme eine Elektronenstrahlkanone 9 verwendet. Alternativ ist jedoch auch die Verwendung anderer optischer
Heizmethoden, beispielsweise das Beleuchten mit einer konventionellen Beleuchtungsvorrichtung, möglich. Außerdem ist es auch möglich, statt optischer Heizmethoden induktive Heizmethoden zu verwenden, in denen das Lot mittels Heizspulen ge- heizt wird. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, spezielle Heizöfen, wie etwa eine sog. "Hot Box" oder einen Gießofen zum Herstellen eines Gussteils mit direktional gerichteter Mikrostruktur zu verwenden. Auf jeden Fall muss das verwendete Verfahren geeignet sein, einen Temperaturgradienten in der für die Erstarrung gewünschten Richtung im Bereich der Beschädigung bzw. der mit Lot verfüllten Beschädigung zu erzeugen. Bei Verwendung eines Ofens kann dies beispielsweise durch einen stationären Ofen erfolgen, der es ermöglicht, die Heizwirkung in verschiedenen Bereichen des Ofens getrennt einzustellen .
Ebenso kann eine Folie oder eine Paste, mittels der das Lot 7 aufgetragen wird, teilweise ein Pulver aus Nanopulver aufweisen .
Der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass hier das Pulver nicht über einen Pulverförderer zugeführt wird, sondern bereits verdichtet der zu reparierenden Stelle 3 zugeführt wird. Ein Nanopulver über eine Düse einer zu reparierenden Stelle 3 zuzuführen, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist fast unmöglich, da die Körner des Nanopulvers viel zu klein sind und beim Sprühen sehr breit streuen würden.
Die Figur 6 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem
Längsteilschnitt .
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotations- achse 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 Tur- bine 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 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge- führt 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 ent- spannt 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 unter- liegen 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 be- lastet.
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 Super- legierungen 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 Legierungen Teil der Offenbarung.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge- stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden
Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .
Die Figur 7 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 Abströmkante 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.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus ge- fertigt 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 Rich- tung 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.
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 bzgl. der chemischen Zusammenset- zung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen. 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) .
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2θ3-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.
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 8 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. 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.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (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 Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrC>2, 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 Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in der Turbinenschaufel 120, 130 oder dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Turbinenschaufeln 120, 130 oder der Hitzeschildelemente 155.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil (1, 120, 130, 155), das insbesondere nickelbasiert ist, aufweisend ein Lot (7) nach einem oder mehreren der
Ansprüche 8 bis 19.
2. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem nur der zweite Bestandteil (25) des Lots (7) dem Basismaterial des Bauteils (1, 120, 130, 155) entspricht oder ähnelt.
3. Bauteil nach Anspruch 2, bei dem nur der zweite Bestandteil (25) des Lots (7) dem Basismaterial des Bauteils (1, 120, 130, 155) entspricht.
4. Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Schmelztemperatur des ersten Bestandteils (22) niedriger ist als die Schmelztemperatur des Basismaterials des Bauteils (1, 120, 130, 155) .
5. Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem die Schmelztemperatur des zweiten Bestandteils (25) des Lots (7) unter dem Schmelzpunkt des Basismaterials des Bauteils (1, 120, 130, 155) liegt.
6. Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem die Schmelztemperatur des zweiten Bestandteils (25) des Lots (7) zwischen der Schmelztemperatur des Basismaterials des Bauteils (120, 130, 155) und der Schmelztemperatur des ersten Bestandteils (22) des Lots (7) liegt.
7. Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem die Schmelztemperatur des ersten Bestandteils (22) des Lots (7) zwischen der Schmelztemperatur des Basismaterials des Bauteils (1, 120, 130, 155) und der Schmelztemperatur des zweiten Bestandteils (25) des Lots (7) liegt.
8. Lot, aufweisend einen metallischen ersten Pulverbestandteil (22) und einen metallischen zweiten Pulverbestandteil (25) ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Bestandteil (22) ein Pulver mit Korngrößen im Mikrometerbereich (0.7μm - lOOμm) darstellt, dass der zweite Bestandteil (25) ein Pulver mit Korngrößen im Nanometerbereich (≤ 500nm) darstellt und dass das Material des ersten Bestandteils (22) von dem Material des zweiten Bestandteils (25) verschieden ist.
9. Lot nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schmelztemperatur des ersten Bestandteils (22) niedriger ist als die des zweiten Bestandteils (25) .
10. Lot nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schmelztemperatur des ersten Bestandteils (22) höher ist als die des zweiten Bestandteils (25) .
11. Lot nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Bestandteil (22) eine Legierung ist.
12. Lot nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Bestandteil (25) eine Legierung ist
13. Lot nach Anspruch 8, 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Bestandteil (22) keinen Schmelzpunkterniedriger, insbesondere kein Bor, aufweist .
14. Lot nach Anspruch 8, 9, 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass
das zweite Bestandteil (25) keinen Schmelzpunkterniedriger, insbesondere kein Bor, aufweist .
15. Lot nach Anspruch 8, 9, 10, 11, 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Bestandteil (22) zumindest einen, insbesondere nur einen Schmelzpunkterniedriger, aufweist, insbesondere Kohlenstoff (C) , Bor (B) , Hafnium (Hf) , Silizium (Si) oder Zirkon (Zr) .
16. Lot nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass
der Volumenanteil des ersten Bestandteils (22) im Lot (7] am größten ist.
17. Lot nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Bestandteil (22) nickelbasiert ist.
18. Lot nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Bestandteil (25) nickelbasiert ist
19. Lot nach Anspruch 8 bis 12 oder 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Bestandteil (22) zumindest einen, insbesondere nur einen Schmelzpunkterniedriger, aufweist, insbesondere Tantal (Ta) oder Titan (Ti) .
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