EP2588270A2 - Nickelbasis-lotlegierung - Google Patents

Nickelbasis-lotlegierung

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EP2588270A2
EP2588270A2 EP11830101.9A EP11830101A EP2588270A2 EP 2588270 A2 EP2588270 A2 EP 2588270A2 EP 11830101 A EP11830101 A EP 11830101A EP 2588270 A2 EP2588270 A2 EP 2588270A2
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EP
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weight
solder
nickel
mixture
cobalt
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Withdrawn
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EP11830101.9A
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Markus Eisen
Frank Seidel
Jürgen RÖSING
Harald Krappitz
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MTU Aero Engines AG
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MTU Aero Engines GmbH
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Publication date
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Definitions

  • Gas turbines such as aircraft engines or stationary gas turbines, are subject to high mechanical and thermal stress during operation. Due to the stress during operation, in particular due to thermal cycling, erosion and the like, the components of gas turbines, in particular the blades exposed to the gas stream, may be damaged. By way of example, thermal fatigue cracks, eroded surfaces and the like are mentioned here. Since the components are made of high-quality and therefore expensive materials and must be produced by complex manufacturing processes, an exchange of correspondingly damaged components is not economical, so that during the maintenance and repair of gas turbines, especially aircraft engines, the components must be repaired. For this purpose, according to the state of the art, soldering processes are used in addition to welding processes. DE 10 356 562 A1, DE 10 2004 018 668 A1, EP 1 859 880 A1 or US Pat. No. 4,830,934 and EP 1 689 897 B1 disclose corresponding solder alloys.
  • the first solder material is present in the mixture of the solder alloy in a proportion of 15 to 30 wt.%.
  • the second solder material is also a nickel-based material, which has as alloying constituents chromium, cobalt, molybdenum, tungsten, boron and hafnium.
  • the second solder material is present in a proportion of 15 to 25 wt.% In the mixture.
  • the proportion of the first soldering material in the mixture may have 20 to 25% by weight and / or the proportion of the second soldering material may have 18 to 22% by weight.
  • the corresponding alloy constituents in the first solder material and the second solder material Due to the suitable choice of the corresponding alloy constituents in the first solder material and the second solder material, it is possible in particular in combination with the proportion of the base material, which can correspond to the material to be soldered, a suitably suitable property profile of the solder alloy and adjusted to the application composition, the individual alloy components by training hardening phases z. B. (carbides) affect the strength properties or how, for example, boron act favorably on the melting point of the solder alloy. Other alloying constituents such as yttrium and hafnium can favorably influence the wetting behavior and flowability of the molten solder alloy. The oxidation resistance of the soldered rich becomes z. B. increased by aluminum.
  • the first solder material may contain 10 to 20% by weight of chromium, in particular 13 to 16% by weight of chromium, 5 to 15% by weight of cobalt, in particular 9 to 11% by weight of cobalt, 2 to 4% by weight of tantalum, in particular 2, 5 to 3.5% by weight of tantalum, 3 to 4% by weight of aluminum, in particular about 3.5% by weight of aluminum, 2 to 4% by weight of boron, in particular 2.5 to 3.5% by weight of boron and 0.05 to 0.15 wt.% Yttrium and the balance nickel.
  • the second solder material can contain 2 to 4% by weight of chromium, in particular 2.5 to 3.5% by weight of chromium, 3 to 7% by weight of cobalt, in particular 5 to 6% by weight of cobalt, 0.5 to 1.5% by weight % Molybdenum, in particular 0.9 to 1.1% by weight molybdenum, 5 to 10% by weight tungsten, in particular 7 to 8% by weight tungsten, 0.1 to 1% by weight niobium, in particular 0.2 to 0 , 5% by weight of niobium, 0.1 to 1.5% by weight of aluminum, in particular 0.5 to 1% by weight of aluminum, 2 to 4% by weight of boron, in particular 2.5 to 3.5% by weight of boron and 0, 5 to 1.5 wt.% Palladium, in particular 0.75 to 1.25 wt.% Palladium and the remainder nickel.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lotlegierung auf Nickelbasis aus einem Gemisch mit einem ersten Lotwerkstoff, einem zweiten Lotwerkstoff und einem Basiswerkstoff, wobei der Basiswerkstoff ein Nickelbasiswerkstoff ist, der dem zu lötenden Material entspricht und in einem Anteil von 45 bis 70 Gew.% im Gemisch vorliegt, der erste Lotwerkstoff ein Nickelbasiswerkstoff ist, der Chrom, Kobalt, Tantal, Aluminium und Bor umfasst und in einem Anteil von 15 bis 30 Gew.% im Gemisch vorliegt, und der zweite Lotwerkstoff ein Nickelbasiswerkstoff ist, der Chrom, Kobalt, Molybdän, Wolfram, Bor und Hafnium umfasst und in einem Anteil von 15 bis 25 Gew.% im Gemisch vorliegt, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Lotlegierung und die Verwendung der Lotlegierung zur Reparatur von Gasturbinenbauteilen.

Description

NICKELBASIS-LOTLEGIERUNG
HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lotlegierung auf Nickelbasis sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lotlegierung und die Verwendung der Lotlegierung zur Reparatur von Turbinenbauteilen, insbesondere Flugturbinenbauteilen aus einem Nickelbasiswerkstoff.
STAND DER TECHNIK
Gasturbinen, wie zum Beispiel Flugzeugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen, unterliegen im Betrieb einer hohen mechanischen und thermischen Beanspruchung. Aufgrund der Beanspru- chung während des Betriebs, insbesondere durch thermische Wechselbeanspruchung, Erosion und dergleichen können die Bauteile von Gasturbinen, wie insbesondere dem Gasstrom ausgesetzte Schaufeln, beschädigt werden. Als Beispiel sind hier Thermoermüdungsrisse, erodierte Oberflächen und dergleichen zu nennen. Da die Bauteile aus hochwertigen und somit teuren Werkstoffen gebildet sind und durch aufwändige Fertigungsverfahren hergestellt werden müs- sen, ist ein Austausch entsprechend beschädigter Bauteile nicht wirtschaftlich, sodass bei der Wartung und Instandsetzung der Gasturbinen, insbesondere Flugzeugtriebwerken, die Bauteile repariert werden müssen. Hierzu kommen nach dem Stand der Technik neben Schweißverfahren auch Lötverfahren zum Einsatz. Aus der DE 10 356 562 AI, DE 10 2004 018 668 AI, EP 1 859 880 AI oder der US 4,830,934 sowie der EP 1 689 897 Bl sind entsprechende Lotlegierungen bekannt.
Diese Legierungen müssen eine Reihe von Eigenschaften aufweisen, um als Reparaturlotlegierungen für Turbinenbauteile eingesetzt werden zu können. So muss der Lotwerkstoff, beispiels- weise zum Füllen von Rissen, möglichst die gleichen Eigenschaften aufweisen, wie das zu reparierende Material, sodass die reparierten Stellen keine Fehlerausgangsquellen darstellen. Darüber hinaus müssen die Lotlegierungen aber auch entsprechend verarbeitbar sein, damit sie zu Reparatur eingesetzt werden können. Entsprechend ergibt sich ein hoher Optimierungsbedarf für derartige Legierungen, um die teilweise gegensätzlichen Eigenschaften optimal zu verwirklichen. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung eine Lotlegierung insbesondere für die Reparatur von Bauteilen von Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerken bereitzustellen, mit welcher die Bauteile aus Nickelbasiswerkstoffen, insbesondere Nickelbasissuperlegierungen zuverlässig repariert werden können, wobei sowohl das Eigenschaftsprofil der reparierten Bauteile nicht wesentlich verändert wird als auch sicher gestellt wird, dass eine einfache Verarbeitung möglich ist.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Lötlegierung auf Nickelbasis mit den Merkmalen des An- spruchs 1 , einem Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Lotlegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie der Verwendung der Lotlegierung zur Reparatur von Turbinenbauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass ein besonders ausgewogenes Eigenschaftsprofil der Lotlegierung hinsichtlich zu erzielender Werkstoffeigenschaften als auch Verarbeitungseigenschaften dadurch erzielt werden kann, dass ein Gemisch aus drei Bestandteilen erzeugt wird, wobei insbesondere die Bestandteile in Pulverform vorliegen können und in Pulverform gemischt werden können. Die Bestandteile der Lotlegierung umfassen einen ersten Lotwerkstoff, einen zweiten Lotwerkstoff und einen Basiswerkstoff.
Der Basiswerkstoff ist ein Nickelbasiswerkstoff, der dem zu lötenden Material entspricht und in einem Anteil von 45 bis 70 Gew.% im Gemisch vor liegt.
Der erste Lotwerkstoff ist ebenfalls ein Nickelbasiswerkstoff, der Chrom, Kobalt, Tantal, Aluminium und Bor als Legierungsbestandteile sowie als Hauptbestandteil Nickel umfasst. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass bei der vorliegenden Offenbarung unter Nickelbasiswerkstoff ein Werkstoff verstanden wird, der als größten Legierungsbestandteil Nickel aufweist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform weisen derartige Nickelbasiswerkstoffe mehr als 50 Gew.% Nickel auf. Allerdings wird unter Nickelbasiswerkstoff in der vorliegenden Offenbarung auch ein Werkstoff verstanden, bei dem der Nickelgehalt unter 50 Gew.% liegt, jedoch Nickel als größter Legierungsbestandteil enthalten ist.
Der erste Lotwerkstoff liegt in dem Gemisch der Lotlegierung mit einem Anteil von 15 bis 30 Gew.% vor.
Der zweite Lotwerkstoff ist ebenfalls ein Nickelbasiswerkstoff, der als Legierungsbestandteile Chrom, Kobalt, Molybdän, Wolfram, Bor und Hafnium aufweist. Der zweite Lotwerkstoff liegt mit einem Anteil von 15 bis 25 Gew.% im Gemisch vor.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann der Anteil des ersten Lotwerkstoffs im Gemisch 20 bis 25 Gew.% aufweisen und/oder der Anteil des zweiten Lotwerkstoffs 18 bis 22 Gew.%.
Der erste Lotwerkstoff kann bis auf unvermeidbare Verunreinigungen kein Molybdän und/oder kein Wolfram und/oder kein Niob und/oder kein Hafnium und oder Palladium enthalten, während der zweite Lotwerkstoff bis auf unvermeidbare Verunreinigungen kein Tantal aufweisen kann.
Allerdings kann der zweite Lotwerkstoff weiterhin Niob und/oder Palladium aufweisen.
Bei einer Ausführungsform der Lotlegierung kann der Gehalt an Chrom und an Kobalt beim ersten Lotwerkstoff höher gewählt werden als beim zweiten Lotwerkstoff.
Durch die geeignete Wahl der entsprechenden Legierungsbestandteile beim ersten Lotwerkstoff und beim zweiten Lotwerkstoff ist es insbesondere in Kombination mit dem Anteil des Basiswerkstoffs, der dem zu lötenden Material entsprechen kann, möglich ein entsprechend geeignetes Eigenschaftsprofil der Lotlegierung und auf den Anwendungsfall angepasste Zusammensetzung einzustellen, wobei die einzelnen Legierungsbestandteile durch Ausbildung härtender Phasen z. B. (Karbide) die Festigkeitseigenschaften beeinflussen oder wie beispielsweise Bor günstig auf den Schmelzpunkt der Lotlegierung wirken. Andere Legierungsbestandteile wie beispielsweise Yttrium und Hafnium können das Benetzungsverhalten und die Fließfähigkeit der aufgeschmolzenen Lotlegierung günstig beeinflussen. Die Oxidationsbeständigkeit der gelöteten Be- reiche wird z. B. durch Aluminium erhöht. Insgesamt hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Lotlegierung eine vorteilhafte Reparatur von Triebwerksbauteilen aus Nickelbasiswerkstoffen, insbesondere Nickelbasissuperlegierungen in vorteilhafter Weise möglich ist. Insbesondere kann der erste Lotwerkstoff 10 bis 20 Gew.% Chrom, insbesondere 13 bis 16 Gew.% Chrom, 5 bis 15 Gew.% Kobalt, insbesondere 9 bis 11 Gew.% Kobalt, 2 bis 4 Gew.% Tantal, insbesondere 2,5 bis 3,5 Gew.% Tantal, 3 bis 4 Gew.% Aluminium, insbesondere ca. 3,5 Gew.% Aluminium, 2 bis 4 Gew.% Bor, insbesondere 2,5 bis 3,5 Gew.% Bor und 0,05 bis 0,15 Gew.% Yttrium sowie als Rest Nickel enthalten.
Der zweite Lotwerkstoff kann 2 bis 4 Gew.% Chrom, insbesondere 2,5 bis 3,5 Gew.% Chrom, 3 bis 7 Gew.% Kobalt, insbesondere 5 bis 6 Gew.% Kobalt, 0,5 bis 1,5 Gew.% Molybdän, insbesondere 0,9 bis 1,1 Gew.% Molybdän, 5 bis 10 Gew.% Wolfram, insbesondere 7 bis 8 Gew.% Wolfram, 0,1 bis 1 Gew.% Niob, insbesondere 0,2 bis 0,5 Gew.% Niob, 0,1 bis 1,5 Gew.% Aluminium, insbesondere 0,5 bis 1 Gew.% Aluminium, 2 bis 4 Gew.% Bor, insbesondere 2,5 bis 3,5 Gew.% Bor und 0, 5 bis 1,5 Gew.% Palladium, insbesondere 0,75 bis 1,25 Gew.% Palladium sowie als Rest Nickel enthalten.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Zur Reparatur von Flugtriebwerksbauteilen aus der Nickelbasislegierung MAR-M-247 mit einer Zusammensetzung von 0,13 bis 0,17 Gew.% Kohlenstoff, maximal 0,2 Gew.% Magnesium, maximal 0,15 Gew.% Silizium, maximal 0,015 Gew.% Phosphor, maximal 0,01 Gew.% Schwefel, 8 bis 8,8 Gew.% Chrom, 9 bis 11 Gew.% Kobalt, 0,5 bis 0,8 Gew.% Molybdän, 2,8 bis 3,3 Gew.% Tantal, 9,5 bis 10,5 Gew.% Wolfram, maximal 0,1 Gew.% Niob, 0,9 bis 1 ,2 Gew.% Titan, 5,3 bis 5,7 Gew.% Aluminium, 0,01 bis 0,02 Gew.% Bor, 1,2 bis 1,6 Gew.% Hafnium, maximal 0,25 Gew.% Eisen, maximal 0,1 Gew.% Kupfer, 0,03 bis 0,08 Gew.% Zirkon, 0,0005 Gew.% Blei, 0,00003 Gew.% Wismut, 0,0001 Gew.% Selen, 0,00005 Gew.% Tellur, 0,00005 Gew.% Titan und Rest Nickel wird eine erfindungsgemäße Lotlegierung dadurch hergestellt, dass ein Pulver aus dem Basiswerkstoff MAR-M-247 bereitgestellt wird und mit den Lotwerkstoffen 1 und 2 entsprechend den oben angegebenen Mischungsverhältnissen gemischt wird. Der Lotwerkstoff 1 weist hierbei eine Zusammensetzung von 14% Chrom, 10% Kobalt, 2,75% Tantal, 3,5 Gew.% Aluminium, 2,75 Gew.% Bor und 0,1 Gew.% Yttrium sowie als Rest Nickel auf. Der Lotwerkstoff 2 hat folgende Zusammensetzung: 2,9 Gew.% Chrom, 5,5 Gew.% Kobalt, 1,1 Gew.% Molybdän, 7,4 Gew.% Wolfram, 0,3 Gew.% Niob, 0,8 Gew.% Aluminium, 2,9 Gew.% Bor, 3 Gew.% Hafnium, 1,1 Gew.% Palladium und Rest Nickel. Die beiden Lotwerkstoffe 1 und 2 liegen ebenfalls in Pulverform vor und werden in Pulverform mit dem Basiswerkstoff gemischt, sodass ein Lotlegierungspulver gemäß der Erfindung gebildet wird. Das Lotlegierungs- pulver kann dann unmittelbar zur Reparatur von entsprechenden Triebwerksbauteilen eingesetzt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern das vielmehr der Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert ist und im Rahmen der Ansprüche Abwandlungen durch andersartige Kombination von Merkmalen oder Weglassen einzelner Merkmale möglich sind.

Claims

Patentansprüche
1. Lotlegierung auf Nickelbasis aus einem Gemisch mit einem ersten Lotwerkstoff, einem
zweiten Lotwerkstoff und einem Basiswerkstoff, wobei der Basiswerkstoff ein Nickelbasiswerkstoffist, der dem zu lötenden Material entspricht und in einem Anteil von 45 bis 70 Gew.% im Gemisch vorliegt, der erste Lotwerkstoff ein Nickelbasiswerkstoff ist, der Chrom, Kobalt, Tantal, Aluminium und Bor umfasst und in einem Anteil von 15 bis 30 Gew.% im Gemisch vorliegt, und der zweite Lotwerkstoff ein Nickelbasiswerkstoff ist, der Chrom, Kobalt, Molybdän, Wolfram, Bor und Hafnium umfasst und in einem Anteil von 1 bis 25 Gew.% im Gemisch vorliegt.
2. Lotlegierung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil des ersten Lotwerkstoffs im Gemisch 20 bis 25 Gew.% und/oder der Anteil des zweiten Lotwerkstoffs im Gemisch 18 bis 22 Gew.% beträgt.
Lotlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sowohl der Gehalt an Chrom als auch der Gehalt an Kobalt beim ersten Lotwerkstoff höher ist als beim zweiten Lotwerkstoff.
Lotlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Lotwerkstoff weiterhin Niob und/oder Palladium enthält.
5. Lotlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Lotwerkstoff 10 bis 20 Gew.% Chrom, insbesondere 13 bis 16 Gew.% Chrom, 5 bis 15 Gew.% Kobalt, insbesondere 9 bis 11 Gew.% Kobalt, 2 bis 4 Gew.% Tantal, insbesondere 2,5 bis 3,5 Gew.% Tantal, 3 bis 4 Gew.% Aluminium, insbesondere ca. 3,5 Gew.% Aluminium, 2 bis 4 Gew.% Bor, insbesondere 2,5 bis 3,5 Gew.% Bor und 0,05 bis 0,15 Gew.% Yttrium sowie als Rest Nickel enthält.
6. Lotlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Lotwerkstoff 2 bis 4 Gew.% Chrom, insbesondere 2,5 bis 3,5 Gew.% Chrom, 3 bis 7 Gew.% Kobalt, insbesondere 5 bis 6 Gew.% Kobalt, 0,5 bis 1,5 Gew.% Molybdän, ins- besondere 0,9 bis 1,1 Gew.% Molybdän, 5 bis 10 Gew.% Wolfram, insbesondere 7 bis 8
Gew.% Wolfram, 0,1 bis 1 Gew.% Niob, insbesondere 0,2 bis 0,5 Gew.% Niob, 0,1 bis 1,5 Gew.% Aluminium, insbesondere 0,5 bis 1 Gew.% Aluminium, 2 bis 4 Gew.% Bor, insbesondere 2,5 bis 3,5 Gew.% Bor und 0, 5 bis 1,5 Gew.% Palladium, insbesondere 0,75 bis 1,25 Gew.% Palladium sowie als Rest Nickel enthält.
7. Lotlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gemisch pulvermetallurgisch hergestellt ist oder als Pulver vorliegt.
8. Verfahren zur Herstellung einer Lotlegierung auf Nickelbasis aus einem Gemisch mit einem ersten LotwerkstofF, einem zweiten Lotwerkstoff und einem Basiswerkstoff, wobei der Basiswerkstoff ein Nickelbasiswerkstoff ist, der dem zu lötenden Material entspricht und in einem Anteil von 45 bis 70 Gew.% im Gemisch vorliegt, der erste Lotwerkstoff ein Nickelbasiswerkstoff ist, der Chrom, Kobalt, Tantal, Aluminium und Bor umfasst und in einem Anteil von 15 bis 30 Gew.% im Gemisch vorliegt, und der zweite Lotwerkstoff ein Nickelbasiswerkstoff ist, der Chrom, Kobalt, Molybdän, Wolfram, Bor und Hafnium umfasst und in einem Anteil von 15 bis 25 Gew.% im Gemisch vorliegt, wobei sowohl der Gehalt an Chrom als auch der Gehalt an Kobalt beim ersten Lorwerkstoff höher ist als beim zweiten Lotwerkstoff, und wobei der erste Lotwerkstoff, der zweite Lotwerkstoff und der Basiswerkstoff als Pulver vorliegen und gemischt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mischung als Pulver vorliegt.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mischung als Paste vorliegt.
11. Verwendung der Lotlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Reparatur von Gasturbinenbauteilen, insbesondere Flugtriebwerksbauteilen.
EP11830101.9A 2010-07-03 2011-06-16 Nickelbasis-lotlegierung Withdrawn EP2588270A2 (de)

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