EP2129486A1 - Schutzgasgemisch und verfahren zum schweissen - Google Patents

Schutzgasgemisch und verfahren zum schweissen

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EP2129486A1
EP2129486A1 EP07723556A EP07723556A EP2129486A1 EP 2129486 A1 EP2129486 A1 EP 2129486A1 EP 07723556 A EP07723556 A EP 07723556A EP 07723556 A EP07723556 A EP 07723556A EP 2129486 A1 EP2129486 A1 EP 2129486A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
welding
gas mixture
nickel
protective gas
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Withdrawn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
EP07723556A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nikolai Arjakine
Rolf WILKENHÖNER
Manuela Zinke
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
Original Assignee
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 Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2129486A1 publication Critical patent/EP2129486A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/23—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
    • F05D2230/232—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding

Definitions

  • the invention relates to a protective gas mixture according to claim 1 and a method for welding according to claim 8.
  • Components which are subjected to mechanical and / or thermal stresses e.g. Components of a gas or steam turbine, often have cracks after their use.
  • Such components can be reused if the substrates of the components are repaired.
  • the cracks are repaired, for example, by welding or surfacing.
  • Nickel-based superalloys can crack during joint welding. The resulting cracks are called hot cracks.
  • hot cracks leaflet DVS 1004-1: hot crack test method, basics, Dusseldorf, German Welding Association, 11/96.
  • grain boundaries microstructure area melt, for example, since the material can melt in those structural areas whose solidus temperature is below the equilibrium solidus temperature of the average composition of the alloy.
  • structural areas include phases which have already developed during the production of the material (for example low-melting sulfides,
  • Allocation of the grain boundaries to foreign phases may favor the formation of hot cracks. This is for
  • Grain boundaries form (constitutional melting of carbides, sulfides or borides, etc.).
  • a protective gas mixture with 2.0% -3.7% N 2 and 0.5% -1.2% H 2 is known from EP 0 826 456 B1 for TIG welding of austenitic steels. nitric steels, where the austenite forms poorly at the welding temperatures during cooling (too fast cooling).
  • the nitrogen is added to reduce the ferrite content at the weld of corrosion-resistant, austenitic steels, since nitrogen is known as Austenitstoryner because the unwanted ⁇ -ferrite phase is shifted in the phase diagram by nitrogen to higher temperatures, so that the phase range of ⁇ - Austenite increases and therefore prefers forms.
  • Hydrogen is added to increase the service life of the tungsten electrode.
  • EP 0 163 379 A2 discloses a welding method in which nitrogen is added to the inert gas. The nitrogen is only added because the process welds nitrogen-containing (0.15wt% -0.25wt%) alloys.
  • EP 0 673 296 B1 discloses that argon or argon-helium mixtures are used during welding.
  • EP 1 595 633 A1 discloses a protective gas mixture of argon and nitrogen.
  • US Pat. No. 6,024,792 discloses a method for build-up welding.
  • a laser beam or electron beam is used to melt powder. It is therefore an object of the invention, by reducing the oxide formation and the formation of low-melting crystalline or amorphous phases such as oxides, borides, carbides, nitrides, oxycarbonitrides, on the grain boundaries to overcome the susceptibility to cracking after welding.
  • Another object of the invention is to improve the hot crack resistance.
  • the object is achieved by a protective gas mixture according to claim 1 and a method for welding according to claim 8.
  • FIG. 4 shows a component 1 after completion of the method
  • FIG. 5 shows a list of usable alloys
  • FIG. 6 shows a turbine blade as an exemplary component and FIG. 7 shows a gas turbine.
  • FIG. 1 shows a component 1 with a substrate 4, which has a weld seam 8, which was produced with a tungsten anode 6.
  • the weld 8 of the weld 11 in the substrate 4 consists of grains 14.
  • argon and helium are noble gases.
  • the nitrogen in the nickel- or cobalt-based materials used here has no influence on the phase formation in the grains of the material, which are austenites, since the iron content is less than 1.5wt% or, in particular, not at all contained as alloying constituent (Fe * 0%) is, but at most contained in the form of undesirable impurities.
  • the nickel- or cobalt-based materials very preferably form stable austenites, so there is no need to use austenite formers such as nitrogen in welding.
  • Figure 5 shows a listing of such materials for which the shielding gas can be used.
  • FIG. 2 shows a component 1 which is treated by means of the method according to the invention.
  • the component 1 comprises a substrate 4 which consists in particular of a nickel- or cobalt-based superalloy and not of an iron-based alloy.
  • the alloy of component 1 or superalloy is precipitation hardened.
  • the component 1 is, for example, a turbine blade 120, 130 (FIG. 7) of a turbine, in particular a gas turbine 100 (FIG. 8) for a power plant or an aircraft.
  • the substrate 4, after manufacture or after use, has a crack 13 which is to be repaired.
  • an electrode 7 for example, a tungsten electrode, or a laser or electron beam 7, the crack 13 is closed.
  • electrodes for example, a tungsten electrode, or a laser or electron beam 7, the crack 13 is closed.
  • electrodes are used in welding, electrodes other than tungsten electrodes may be used.
  • the protective gas 25 according to the invention is used, which is rinsed around the crack 13 or in a box (not shown), which surrounds the crack 13 is present.
  • FIG. 3 shows a component 1 which is likewise treated by means of a further method according to the invention.
  • the substrate 4 has an area 19 (recess), e.g. has exhibited a crack or corroded surface areas. These have been removed and must be filled up to the surface 16 of the substrate 4 for the reuse of the component 1 with new material 28.
  • the inert gas mixture 25 according to the invention is used, which surrounds or lavages the molten or hot regions 19 in order to reduce the formation of oxides and / or low-melting phases on the grain boundaries 12.
  • FIG. 4 shows a component 1 after carrying out the method according to FIG. 1 or 2.
  • the substrate 4 no longer has cracks 13 or regions 19 that have been removed. Indicated by dashed lines is the area 22 in which cracks 13 were previously present or material was removed.
  • the component 1 can now be used again as a newly manufactured component and coated again.
  • One way of avoiding hot cracks in the method according to FIGS. 3 or 4 is to reduce the temperature gradient and thus the voltage gradient between the weld point and the remainder of the component. This is achieved by preheating the component during welding, for example during manual TIG welding in a protective gas box, wherein the weld is preheated inductively (by means of induction coils) to temperatures greater than 900 ° C.
  • the protective gas 25, which is used during the welding process, has proportions of nitrogen and / or hydrogen and / or the inert gas helium.
  • the hydrogen in the shielding gas 25 bonds with oxygen that comes from the alloy or the environment.
  • the oxidation of the weld metal is avoided or reduced.
  • large-area welds in good quality without mechanical processing of each previously applied weld bead (it represents a surface of a weld bead and a grain boundary 12) for the removal of tarnished / oxidized areas are allowed.
  • intercrystalline corrosion is prevented, which would weaken the grain boundaries. This reduces the susceptibility to cracking and improves the mechanical properties of the materials.
  • additions of hydrogen in the range of 0.3vol% to 25vol% are suitable, in particular 0, 5vol% -3vol% or about 0.7vol%.
  • Nitrogen can e.g. suppress or reduce the formation of coarser primary carbides on the grain boundaries. Less and finer primary carbides are formed. Partly carbonitrides rather than primary carbides are formed. This also reduces the susceptibility to hot cracking. Additions of nitrogen in the range from lvol% to 20 vol% are suitable, in particular lvol% -12vol% or about 3vol%.
  • One application example is the welding of the alloy Rene ⁇ O, a nickel-based material that has been precipitation-hardened, by means of manual plasma powder deposition welding.
  • the aim is the welding repair of operational gas turbines.
  • the welding repair should have properties in the range of the base material, so that must be welded the same way.
  • Application example is the welding of the alloy Rene 80, especially when it is operational, by means of manual TIG welding and plasma powder plating. Other welding processes and repair applications are not excluded.
  • the weld repair sites have properties that allow "structural" repairs in the transition radius of the airfoil platform or in the airfoil of a turbine blade.
  • nickel-based additives can be selected according to how large the proportion of the ⁇ 'phase is, namely preferably greater than or equal to 35vol% with a preferably given maximum upper limit of 75vol%.
  • materials IN 738, IN 738 LC, IN 939, PWA 1483 SX or IN 6203 DS can be welded with the welding consumable material.
  • the process with the protective gas mixture can also be used for welding without welding consumables.
  • FIG. 6 shows a perspective view of a blade 120, 130 as an exemplary component 1, which extends along a longitudinal axis 121.
  • the blade 120 may be a blade 120 or stator 130 of a turbomachine.
  • 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 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjoining thereto and an airfoil 406.
  • the blade at its blade tip 415 may have another platform (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 blade 406.
  • the blade 120, 130 can in this case by a casting process, also by means of directional solidification, by a Schmiedever- drive, be made 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.
  • 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.
  • 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
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. When the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still have film cooling holes (not shown). As a protection against corrosion, the blade 120, 130, for example, corresponding mostly metallic coatings and as protection against heat usually still a ceramic coating.
  • FIG. 7 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, which is also referred to as a turbine runner. Along the rotor 103 successively follow an intake housing 104, a compressor 105, for example, a torus-like
  • Combustion chamber 110 in particular annular combustion chamber 106, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109.
  • the annular combustion chamber 106 communicates with an example annular hot gas channel 111.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, 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, for example by means of a turbine disk 133.
  • Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).
  • air 105 is sucked in by the compressor 105 through the intake housing 104 and compressed.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner, so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it.
  • 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 direction of flow of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield bricks lining the annular combustion chamber 106.
  • substrates of the components can have a directional structure, ie 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.
  • 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 and / or at least one element of the rare earths) and heat through a thermal barrier coating.
  • 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 and / or at least one element of the rare earths) and heat through a thermal barrier coating.
  • the thermal barrier coating consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 4 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), stalk-shaped grains are produced 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

Bisherige Auftragsschweißverfahren haben den Nachteil, dass sich aufgrund der Bildung von niedrigschmelzenden Phasen oder Oxiden Risse nach dem Schweißen oder während des Einsatzes bilden. Durch das erfindungsgemäße Schutzgasgemisch und das Verfahren zum Auftragsschweißen wird die Bildung von solchen Phasen oder Oxiden verringert.

Description

Schutzgasgemisch und Verfahren zum Schweißen
Die Erfindung betrifft ein Schutzgasgemisch gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Schweißen gemäß Anspruch 8.
Bauteile, die mechanischen und/oder thermischen Belastungen ausgesetzt sind, wie z.B. Bauteile einer Gas- oder Dampfturbine, weisen oft nach ihrem Einsatz Risse auf.
Solche Bauteile können jedoch wieder verwendet werden, wenn die Substrate der Bauteile repariert werden. Die Risse werden beispielsweise durch Zuschweißen oder Auftragsschweißen repariert .
Superlegierungen auf Nickel -Basis können beim Verbindungs- schweißen Risse bilden. Die entstehenden Risse werden als Heißrisse bezeichnet.
Es können prinzipiell mehrere Arten von Heißrissen unterschieden werden (Merkblatt DVS 1004-1: Heißrissprüfverfahren, Grundlagen, Düsseldorf, Deutscher Verband für Schweißtechnik, 11/96) . Beim Schweißen schmelzen die Korngrenzen (Gefügebereich) bei- spielsweise auf, da der Werkstoff in solchen Gefügebereichen anschmelzen kann, deren Solidustemperatur unterhalb der Gleichgewichtssolidustemperatur der mittleren Zusammensetzung der Legierung liegt. Zu diesen Gefügebereichen zählen Phasen, die sich bereits während der Herstellung des Werkstoffs her- ausgebildet haben (zum Beispiel niedrigschmelzende Sulfide,
Primärkarbide oder Boride) oder auch Phasen, die sich während der Erstarrung des aufgeschmolzenen Grundwerkstoffs und - bei artgleichem Schweißzusatzwerkstoff - des Schweißguts aufgrund von Seigerungen oder Segregationen bilden.
Je nach Zeitpunkt der Entstehung kann man zwischen Erstar- rungs- und Wiederaufschmelzrissen unterscheiden. Risse, die durch einen Abfall der Zähigkeit bei hohen Temperaturen entstehen (DDC, Ductility Dip Cracks) , können einen größeren Abstand zur Schmeizlinie aufweisen. Sie werden bei Temperaturen gebildet, die unterhalb derer liegen, welche für die Entstehung von Wiederaufschmelzrissen nötig sind. Der Abfall der Zähigkeit kann dazu führen, dass KontraktionsSpannungen während des Abkühlens zur Rissinitiierung führen.
Eine Belegung der Korngrenzen mit Fremdphasen (z.B. Karbiden) kann die Bildung von Heißrissen begünstigen. Dies ist zum
Beispiel dann der Fall, wenn die Phasen aufgrund ihrer Form als innere Kerben wirken, so dass KontraktionsSpannungen eher zu einer Rissbildung führen. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Fremdphasen bei tieferen Temperaturen schmelzen als der Grundwerkstoff, so dass sich Flüssigkeitsfilme auf den
Korngrenzen bilden (konstitutionelles Aufschmelzen von Karbiden, Sulfiden oder Boriden etc.).
Ein weiteres Problem beim Auftragsschweißen von Superlegie- rungen ist eine mögliche Oxidation der Schweißstelle während des Schweißens. Eine Oxidation der Schweißstelle erschwert großflächige Schweißungen durch überlappendes oder mehrlagiges Schweißen von einzelnen Raupen, da die Anbindung zwischen den einzelnen Raupen zunehmend erschwert wird. Es können Bin- defehler entstehen, welche die mechanische Integrität der
Schweißung beeinträchtigen. Zudem führt Sauerstoff zu einer interkristallinen Korrosion entlang der Korngrenzen der Schweißstelle. Dadurch werden die Korngrenzen geschwächt und versprödet, was die Bildung von Rissen an den Korngrenzen be- günstigt und die mechanischen Eigenschaften verschlechtert.
Der Effekt der Verringerung der Heißrissanfälligkeit durch einen Zusatz von Stickstoff zum Schutzgas ist in der Literatur für die mischkristallgehärtete Legierung NiCr25FeAlY (2.4633) beschrieben (DVS-Band 225 (2003), S. 249-256).
Ein Schutzgasgemisch mit 2.0%-3.7%N2 und 0.5%-1.2%H2 ist aus der EP 0 826 456 Bl bekannt für das WIG-Schweißen von auste- nitischen Stählen, wobei der Austenit sich bei den Schweißtemperaturen während des Abkühlens schlecht bildet (zu schnelle Abkühlung) . Hierbei wird der Stickstoff zur Verringerung des Ferritgehalts an der Schweißstelle von korrosi- onsbeständigen, austenitischen Stählen zugesetzt, da Stickstoff als Austenitbildner bekannt ist, weil die unerwünschte δ-Ferritphase im Phasendiagramm durch Stickstoff zu höheren Temperaturen verschoben wird, so dass der Phasenbereich von γ-Austenit sich vergrößert und sich daher bevorzugt bildet. Wasserstoff wird zugesetzt, um die Standzeit der Wolfram- elektrode zu erhöhen.
Die EP 0 163 379 A2 offenbart ein Schweißverfahren bei dem Stickstoff zu dem Inertgas hinzugefügt wird. Der Stickstoff wird nur deshalb zugegeben, weil bei dem Verfahren Stickstoff enthaltende (0.15wt%-0.25wt%) Legierungen geschweißt werden.
Die US-Patentschriften 5,897,801, 5,554,837, 5,374,319, 5,106,010, 6,124,568, 6,333,484, 6,054,672 sowie 6,037,563 offenbaren Verfahren und Vorrichtungen zum Schweißen von Metallen.
Die EP 0 673 296 Bl offenbart, dass beim Schweißen Argon oder Argon-Helium-Gemische verwendet werden.
Die EP 1 595 633 Al offenbart ein Schutzgasgemisch aus Argon und Stickstoff.
Die DE 197 48 212 Al offenbart eine Vielzahl von Schutzgasge- mischen und Schutzgasen.
Die US-PS 6,024,792 offenbart ein Verfahren zum Auftragsschweißen. Bei dem Auftragsschweißen wird ein Laserstrahl oder Elektronenstrahl verwendet um Pulver auf zu schmelzen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, durch Verringerung der Oxidbildung und der Bildung von niedrigschmelzenden kristallinen oder amorphen Phasen wie z.B. Oxiden, Boriden, Karbiden, Nitriden, Oxycarbonitriden, auf den Korngrenzen die Rissanfälligkeit nach dem Schweißen zu überwinden.
Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Heißrissbeständigkeit zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schutzgasgemisch gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Schweißen nach Anspruch 8.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet. Die in den Unteransprüchen aufgelisteten Maßnahmen können in vorteilhafter Art und Weise miteinander kombiniert werden.
Es zeigen:
Figur 1, 2, 3 ein Bauteil 1, das mittels des erfindungsgemä- ßen Verfahrens behandelt wird,
Figur 4 ein Bauteil 1 nach Beendigung des Verfahrens,
Figur 5 eine Auflistung verwendbarer Legierungen,
Figur 6 eine Turbinenschaufel als beispielhaftes Bauteil und Figur 7 eine Gasturbine.
Figur 1 zeigt ein Bauteil 1 mit einem Substrat 4, das eine Schweißnaht 8 aufweist, die mit einer Wolframanode 6 erzeugt wurde. Die Schweißnaht 8 der Schweißstelle 11 im Substrat 4 besteht aus Körnern 14.
Durch die Verwendung von Helium und/oder Stickstoff und/oder Wasserstoff in dem Schutzgas wird eine Bildung von niedrig- schmelzenden Phasen auf den Korngrenzen 12 (und nicht in den Körnern 14) , die die Körner 14 begrenzen, reduziert oder verhindert . Erst durch die Verwendung von Helium ohne das Beimischen anderer Inertgase konnten die unten aufgeführten Vorteile bei den genannten Werkstoffen erzielt werden.
Dieser Vorteil überwiegt bei weitem den Einsatz des sehr viel teuren Heliums (im Vergleich zu Argon) .
Dies ist insbesondere erstaunlich, da Argon und Helium Edelgase sind. Jedoch hat sich vorteilhafterweise herausgestellt, dass bei der Verwendung von Helium die Energieeinbringung verbessert wird, obwohl Helium eine höhere Ionisationsenergie als Argon aufweist.
Der Stickstoff bei den hier verwendeten nickel- oder kobalt- basierten Werkstoffen hat keinen Einfluss auf die Phasenbildung in den Körnern des Werkstoffs, die Austenite sind, da der Eisengehalt kleiner 1.5wt% ist oder insbesondere gar nicht als Legierungsbestandteil (Fe * 0%) enthalten ist, sondern höchstens in Form von unerwünschten Verunreinigungen enthalten ist. Außerdem bilden die nickel- oder kobaltbasierten Werkstoffe sehr bevorzugt stabile Austenite, so dass gar keine Notwendigkeit besteht, Austenitbildner wie Stickstoff beim Schweißen zu verwenden.
Aufgrund des geringen oder gar nicht vorhandenen Eisengehalts stellt auch die Ferritbildung insbesondere bei den nickel - oder kobaltbasierten Werkstoffen hier kein Problem dar (bilden keine Ferrite) .
Figur 5 zeigt eine Auflistung von solchen Werkstoffen, für die das Schutzgas verwendet werden kann.
Ebenso ist in den Legierungen Stickstoff als Legierungsbestandteil nicht erwünscht (max. lOOppm) .
Figur 2 zeigt ein Bauteil 1, das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelt wird. Das Bauteil 1 weist ein Substrat 4 auf, das insbesondere aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung und nicht aus einer Legierung auf Eisenbasis besteht. Die Legierung des Bauteils 1 oder der Superlegierung ist ausscheidungsgehärtet.
Das Bauteil 1 ist beispielsweise eine Turbinenschaufel 120, 130 (Fig. 7) einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine 100 (Fig. 8) für ein Kraftwerk oder ein Flugzeug.
Das Substrat 4 weist nach der Herstellung oder nach dem Ein- satz einen Riss 13 auf, der repariert werden soll.
Das kann dadurch geschehen, dass mittels einer Elektrode 7, beispielsweise auch einer Wolframelektrode, oder eines Laser oder Elektronenstrahls 7 der Riss 13 verschlossen wird. Wenn Elektroden beim Schweißen verwendet werden, können auch andere Elektroden als Wolframelektroden verwendet werden.
Dabei wird das erfindungsgemäße Schutzgas 25 verwendet, das um den Riss 13 gespült wird oder in einer Box (nicht darge- stellt), die den Riss 13 umgibt, vorhanden ist.
Figur 3 zeigt ein Bauteil 1, das ebenfalls mittels eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens behandelt wird.
Das Substrat 4 weist einen Bereich 19 (Vertiefung) auf, der z.B. einen Riss oder korrodierte Oberflächenbereiche aufgewiesen hat. Diese wurden entfernt und müssen für den Wiedereinsatz des Bauteils 1 mit neuem Material 28 bis zur Oberflä- che 16 des Substrats 4 aufgefüllt werden.
Dies geschieht beispielsweise durch Auftragsschweißen. Dabei wird beispielsweise mittels eines Pulverförderers 11 Material (Schweißwerkstoff) 28 dem Bereich 19 zugeführt, das durch eine Schweißelektrode 7 oder einen Laser 7 aufgeschmolzen wird.
Dies kann, wie im Stand der Technik (US 6,024,792) beschrieben, durchgeführt werden. Jedoch wird das erfindungsgemäße Schutzgasgemisch 25 verwendet, das die aufgeschmolzenen oder heißen Bereiche 19 umgibt oder umspült, um die Entstehung von Oxiden und/oder niedrig- schmelzenden Phasen auf den Korngrenzen 12 zu verringern.
Figur 4 zeigt ein Bauteil 1 nach Durchführung des Verfahrens gemäß Figur 1 oder 2.
Das Substrat 4 weist keine Risse 13 oder Bereiche 19, die entfernt wurden, mehr auf. Gestrichelt angedeutet ist der Bereich 22, in dem vorher Risse 13 vorhanden waren oder Material abgetragen wurde.
Das Bauteil 1 kann jetzt wieder wie ein neu hergestelltes Bauteil eingesetzt und wieder beschichtet werden.
Eine Möglichkeit zur Vermeidung von Heißrissen bei den Ver- fahren gemäß Figuren 3 oder 4 ist die Verringerung des Temperatur- und damit der Spannungsgradienten zwischen Schweißstelle und dem Rest des Bauteils. Dies wird durch eine Vorwärmung des Bauteils während des Schweißens erreicht, beispielsweise beim manuellen WIG-Schweißen in einer Schutzgas- box, wobei die Schweißstelle induktiv (mittels Induktionsspulen) auf Temperaturen größer 9000C vorgewärmt wird.
Das Schutzgas 25, das während des Schweißprozesses verwendet wird, weist Anteile von Stickstoff und/oder Wasserstoff und/oder das Inertgas Helium auf.
Der Wasserstoff in dem Schutzgas 25 bindet sich mit Sauerstoff, der aus der Legierung oder der Umgebung kommt. Dadurch wird die Oxidation des Schweißguts vermieden oder verringert. So können großflächige Schweißungen in guter Qualität ohne mechanische Bearbeitung der jeweils zuvor aufgetragenen Schweißraupe (dabei stellt eine Oberfläche einer Schweißraupe auch eine Korngrenze 12 dar) zur Abtragung der angelaufenen / oxidierten Bereiche ermöglicht werden. Zugleich wird eine interkristalline Korrosion verhindert, welche die Korngrenzen schwächen würde. Dadurch wird die Rissanfälligkeit verringert, und die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe wer- den verbessert .
Hierfür sind Zugaben von Wasserstoff im Bereich von 0.3vol% bis 25vol% geeignet, insbesondere 0 , 5vol%-3vol% oder etwa 0,7vol%.
Stickstoff kann z.B. die Bildung von gröberen Primärkarbiden auf den Korngrenzen unterdrücken oder verringern. Es bilden sich weniger und feinere Primärkarbide. Zum Teil werden eher Karbonitride als Primärkarbide gebildet. Auch dadurch wird die Heißrissanfälligkeit verringert. Es sind Zugaben von Stickstoff im Bereich von lvol% bis 20 vol% geeignet, insbesondere lvol%-12vol% bzw. etwa 3vol%.
Bei der Anwendung dieses speziellen Schutzgases 25, wird die Heißrissanfälligkeit beim Schweißen von Nickel- oder Kobalt- superlegierungen (Figur 6) verringert und zugleich das Bauteil vor Oxidation geschützt.
Ein Anwendungsbeispiel ist das artgleiche Schweißen der Legierung ReneδO, eines nickelbasierten Werkstoffs, der aus- scheidungsgehärtet ist, mittels manuellem Plasmapulverauf- tragsschweißen .
Ziel ist die Schweißreparatur von betriebsbeanspruchten Gas- turbinenschaufein. Die Schweißreparatur soll Eigenschaften im Bereich des Grundwerkstoffs besitzen, so dass artgleich geschweißt werden muss.
Dabei wird als Schutzgas 25 ein Gemisch aus 96.3vol% He, 3vol% N2 und 0.7vol% H2 verwendet. Eine wesentlich verringerte Heißrissanfälligkeit bei gleichzeitig verringerter Oxi- dation des Schweißgutes im Vergleich zum herkömmlichen
Schutzgas He 5.0 (He > 99.999% Reinheit) wird erreicht. Auch wenn Helium ein sehr teures Gas ist, überwiegen die Vorteile der hergestellten Schweißnaht. Die folgende Tabelle listet vorzugsweise verwendete Schweißzusatzwerkstoffe SC60 und SC60+ auf. Weitere vorzugsweise verwendete Schweißzusatzwerkstoffe SC52, SC52+ listet die nächste Tabelle auf.
Anwendungsbeispiel ist das Schweißen der Legierung Rene 80, insbesondere wenn es betriebsbeansprucht ist, mittels manuellem WIG-Schweißen und Plasmapulverauftragsschweißen. Weitere Schweißverfahren und Reparaturanwendungen sind nicht ausgeschlossen. Die Schweißreparaturstellen besitzen Eigenschaften, die „strukturelle" Reparaturen im Übergangsradius Schaufelblatt-Plattform oder im Schaufelblatt einer Turbinenschaufel erlauben.
Weitere nickelbasierte Zusatzstoffe können danach ausgewählt werden, wie groß der Anteil der γ' -Phase ist, nämlich vorzugsweise größergleich 35vol% bei einer vorzugsweise gegebenen maximalen Obergrenze von 75vol%.
Vorzugsweise lassen sich Werkstoffe IN 738, IN 738 LC, IN 939, PWA 1483 SX oder IN 6203 DS mit dem Schweißzusatzwerkstoff schweißen. Das Verfahren mit dem Schutzgasgemisch lässt sich auch beim Schweißen ohne Schweißzusatzwerkstoffe anwenden.
Figur 6 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Schaufel 120, 130 als beispielhaftes Bauteil 1, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Schaufel 120 kann eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine sein. 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 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel an ihrer Schaufel- spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt) .
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 Schau- felblatt 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 mas- sive metallische Werkstoffe verwendet.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedever- fahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen wer- den als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen 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 Sprachgebrauch 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 notwendigerweise 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. 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 (nicht dargestellt) auf. Als Schutz gegen Korrosion weist die Schaufel 120, 130 beispielsweise entsprechende meistens metallische Beschichtungen auf und als Schutz gegen Wärme meistens noch eine keramische Beschichtung.
Die Figur 7 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 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 106, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109. Die Ringbrennkammer 106 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 Schaufel - ringen 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 mitteis 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 ver- dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte 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 106 auskleidenden Hitzeschildsteinen 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 . o
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776, EP 1 306 454, EP 1 319 729, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind Teil der Offenbarung.
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 und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden) und Wärme durch eine Wärmedämmschicht aufweisen.
Die Wärmedämmschicht besteht beispielsweise ZrO2, Y2O4-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (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. Schutzgasgemisch zur Verwendung beim Schweißen, insbesondere Auftragsschweißen von nickel- oder kobalt- basierten Substraten (4) , umfassend Helium (He) und optional
10vol% bis 20vol%, insbesondere lvol% bis 7vol%,
Stickstoff (N2) zur Verringerung der Bildung von niedrigschmelzenden Phasen auf den Korngrenzen oder Oberflächen (16) des Substrats (4) und optional 0,3vol% bis 25vol%, insbesondere 0,5vol% bis 3vol%,
Wasserstoff (H2) zur Verringerung einer Oxidbildung.
2. Schutzgasgemisch nach Anspruch 1, das nur aus Helium (He) besteht.
3. Schutzgasgemisch nach Anspruch 1, das nur aus Helium (He) und Stickstoff (N2) besteht.
4. Schutzgasgemisch nach Anspruch 1, das nur aus Helium (He) und Wasserstoff (H2) besteht.
5. Schutzgasgemisch nach Anspruch 1, das nur aus Helium (He) , Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) besteht.
6. Schutzgasgemisch nach Anspruch 1, 3 oder 5, dessen Stickstoffgehalt bei 3vol% liegt.
7. Schutzgasgemisch nach Anspruch 1, 4, 5 oder 6, dessen Wasserstoffgehalt bei 0,7vol% liegt.
8. Verfahren zum Schweißen, insbesondere Auftragsschweißen, eines Substrats (4) , bei dem ein Schutzgasgemisch nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7 verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Werkstoff des zu behandelnden Substrats (4) auf einer Nickel- oder Kobaltbasis basiert, insbesondere eine Superlegierung ist .
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Werkstoff des Substrats (4) eine gerichtet erstarrte Struktur aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem einer Oberfläche (16) des Substrats (4) ein
Schweißzusatzwerkstoff , insbesondere Pulver (10) , zugeführt wird, das aufgeschmolzen wird, insbesondere mittels einer Anode (7) , und wieder erstarren gelassen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Erstarrung des aufgeschmolzenen Schweißzusatz- werkstoffes (10) in der Weise durchgeführt wird, dass der Schweißzusatzwerkstoff (10) nach dem Erstarren eine gerichtet erstarrte Struktur aufweist.
13. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, bei dem der Werkstoff des Substrats (4) ausscheidungsgehär- tet ist.
14. Verfahren nach Anspruch 8, 9, 10 oder 13, bei dem der Werkstoff des Substrats (4) einen maximalen Eisengehalt von l,5wt% aufweist.
15. Verfahren nach Anspruch 8, 9, 10 oder 13, bei dem der Werkstoff des Substrats (4) kein Eisen als Legierungsbestandteil enthält.
16. Verfahren nach Anspruch 8, 9, 10, 13, 14 oder 15, bei dem der Werkstoff des Substrats (4) Stickstoff nicht als Legierungsbestandteil enthält.
17. Verfahren nach Anspruch 8, 9, 10, 13, 14 oder 15, bei dem der nickelbasierte Werkstoff des Substrats (4) eine γ' -Phase mit einem Anteil von ≥ 35vol% aufweist.
18. Verfahren nach Anspruch 9, 10, 13, 14, 15, 16 oder 17, bei dem der Anteil der γ' -Phase bei maximal 75vol% liegt.
19. Verfahren nach Anspruch 9, 10, 13, 17 oder 18, bei dem der nickelbasierte Werkstoff des Substrats (4) IN 738 oder IM 738 LC aufweist, insbesondere aus IN 738 oder IN 738 LC besteht.
20. Verfahren nach Anspruch 9, 10, 13, 17 oder 18, bei dem der nickelbasierte Werkstoff des Substrats (4) Rene 80 aufweist, insbesondere aus Rene 80 besteht.
21. Verfahren nach Anspruch 9, 10, 13, 17 oder 18, bei dem der nickelbasierte Werkstoff des Substrats (4) IN 939 aufweist, insbesondere aus IN 939 besteht.
22. Verfahren nach Anspruch 9, 10, 13, 17 oder 18, bei dem der nickelbasierte Werkstoff des Substrats (4) PWA 1483 SX oder IN 6203 DS aufweist, insbesondere aus PWA 1483 SX oder IN 6203 besteht.
23. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 13 bis 22, bei dem der nickelbasierte Werkstoff des Substrats (4) von dem Schweißzusatzwerkstoff (10) verschieden ist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 9, 10, 13, 17 bis 23, bei dem das Bauteil (1, 120, 130, 138, 155) vor dem Schweißen einer Überalterungswärmebehandlung unterzogen wird.
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