EP2760614A1 - Umschmelzverfahren und anschliessendes auffüllen und bauteil - Google Patents
Umschmelzverfahren und anschliessendes auffüllen und bauteilInfo
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- EP2760614A1 EP2760614A1 EP12761599.5A EP12761599A EP2760614A1 EP 2760614 A1 EP2760614 A1 EP 2760614A1 EP 12761599 A EP12761599 A EP 12761599A EP 2760614 A1 EP2760614 A1 EP 2760614A1
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Definitions
- the invention relates to a remelting process which removes impurities from the zone to be remelted and a subsequent filling and a component.
- High temperature components such as e.g. Turbine blades that have been in service for a long time sometimes show cracks that extend through the layers into the substrate where they oxidize.
- FIGS. 1 to 4 schematically show a device with which the method can be carried out.
- Figure 5 shows a turbine blade
- Figure 6 is a list of superalloys.
- the substrate 4 is in particular nickel- or cobalt-based and has, in particular, an alloy according to FIG.
- the substrate 4 has a crack 7 (defect) in which oxides are present (oxides not shown).
- This crack 7 is now to be repaired, i. filled or
- the substrate 4 is remelted at the crack 7 (ie without feed material) is in a first step by means of a Sch Strukturge ⁇ Raets basis of which the invention is illustrated by way of example.
- the laser 13 thereby moves along the crack 7 (in this case perpendicular to the plane of the drawing).
- An inert gas nozzle preferably surrounds the laser beam in order to prevent oxygen access ( ⁇ 150 ppm oxygen) to the molten bath.
- the trough 28 is then filled with material and results in a filling area 31.
- the filling can take place in situ, in that a second device, in particular a second welding device, very particularly by a second laser 16, in which material is additionally applied to the surface, allows the depression 28, by the second device, in particular a second welding device, very particularly by a second laser 16, in which material is additionally applied to the surface, allows the depression 28, by the second device, in particular a second welding device, very particularly by a second laser 16, in which material is additionally applied to the surface, allows the depression 28, by the
- the filling area 31 is significantly smaller than the remelting area 25.
- a Lotmate ⁇ rial in particular a mixture of the base material (GW) of the substrate 4 and a solder material (lower melting temperature, at least 10K) as the material of the substrate 4 or a pure solder material (lower Melting temperature as GW, at least 10K).
- the method proposed here combines two already known methods in a novel way. With a first
- a second laser 16 follows the first laser 13 trailing.
- the second laser 16 is either pure high-temperature solder or any mixture of high ⁇ temperature solder (difference melting temperature> 10K) and basic material powder introduced through a nozzle located around the laser steel.
- the energy input of the laser is preferably chosen so that a melting of the component surface of the
- Umschmelz Symposium 25 and smaller than the filling area 31.
- the oxide is washed to the edge of the molten bath, on the other hand, the powder is deposited.
- solder is applied (or solder / GW) to closed volume loss by remelting (wg stray material. Oxide!)
- kompensie ⁇ reindeer To kompensie ⁇ reindeer, are simultaneously cracks, which are caused by the Umschmelzpro- process with the highly liquid solder. This creates a new homogeneous surface.
- the advantage lies in the safe closing of the main crack.
- cracks which are occasionally ent ⁇ by the remelting process, are subsequently closed by the solder.
- the new cracks are peroxide-free and also small, so that the best conditions for a secure soldering are given.
- Another advantage lies in the significantly reduced melting point of the powder additive for filling. This allows the
- FIG. 5 shows a perspective view of a rotor blade 120 or guide vane show ⁇ 130 of a turbomachine, which extends along a longitudinal axis of the 121st
- 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 to each other, a securing region 400, an adjoining blade or vane platform 403 and a blade 406 and a blade tip 415.
- the vane 130 having at its blade tip 415 have a further platform (not Darge ⁇ asserted).
- 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, for example, as a hammerhead out staltet ⁇ .
- Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
- the blade 120, 130 has for a medium which flows past the scene ⁇ felblatt 406 on a leading edge 409 and a trailing edge 412th
- Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
- the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
- Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
- 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, in common parlance, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole workpiece be ⁇ is made of a single crystal.
- a columnar grain structure columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified
- a monocrystalline structure ie the whole workpiece be ⁇ is made of a single crystal.
- Structures are also called directionally solidified structures.
- the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. B. (MCrAlX, M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co),
- Nickel (Ni) 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 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
- the density is preferably 95% of the theoretical
- the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
- nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0, 4Y-1 are also preferably used , 5Re.
- thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr0 2 , Y2Ü3-Zr02, ie it is not, partially ⁇ or fully stabilized by yttria
- the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
- Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
- the heat insulating layer can ⁇ ner to have better thermal shock resistance porous, micro- or macro-cracked pERSonal.
- the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the
- Refurbishment means that components 120, 130 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
- the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and also has, if necessary, film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschmelzen und Auffüllen eines Defekts (7) einer Oberfläche (19) eines Substrats (4), bei dem der Defekt (7) umgeschmolzen wird und wobei eine Mulde (28) entsteht und wobei die entstandene Mulde (28) aufgefüllt wird, sowie ein Bauteil mit einem umgeschmolzenen Bereich (25) und einem Lotbereich (31) darüber. Insbesondere wird ein nickel- oder kobaltbasiertes Substrat (4) durch ein Laserumschmelzverfahrenumgeschmolzen umgeschmolzen, und danach die entstandene Mulde (28) durch ein Laserauftragsverfahren insbesondere durch Löten aufgefüllt wird.
Description
Umschmelzverfahren und anschließendes Auffüllen und Bauteil
Die Erfindung betrifft ein Umschmelzverfahren, das Verunrei- nigungen von der umzuschmelzenden Zone entfernt und ein anschließendes Auffüllen sowie ein Bauteil.
Hochtemperaturbauteile wie z.B. Turbinenschaufeln, die lange im Einsatz waren, weisen manchmal Risse auf, die bis in das Substrat durch die Schichten hindurchgehen und dort oxidie- ren .
Für die Wiederverwendung der Turbinenschaufeln müssen die Risse wieder gefüllt werden.
Vorab werden die Oxide aber entfernt, da sonst keine Benet¬ zung mit dem Schweißmaterial stattfinden kann. Daher erfolgt vor dem Schweißen in einem separaten Prozess eine Reinigung mit Flouridgas (FIC-Reinigung) .
Dies stellt einen separaten Verfahrensschritt dar und ist da¬ her zeitaufwändig .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Bauteil gemäß Anspruch 11. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön¬ nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen:
Figuren 1 - 4 schematisch eine Vorrichtung, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann,
Figur 5 eine Turbinenschaufel und
Figur 6 eine Liste von Superlegierungen .
Die Beschreibung und die Figuren stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Figur 1 zeigt ein Bauteil 1, 120, 130 mit einem Substrat 4. Das Substrat 4 ist insbesondere nickel- oder kobaltbasiert und weist ganz insbesondere eine Legierung gemäß Figur 6 auf. Das Substrat 4 weist einen Riss 7 (Defekt) auf, in dem Oxide vorhanden sind (Oxide nicht dargestellt) .
Dieser Riss 7 soll nun repariert, d.h. gefüllt oder
geschlossen werden. Dazu wird in einem ersten Schritt mittels eines Schweißge¬ räts, insbesondere eines Lasers 13 und eines Laserstrahls anhand dessen die Erfindung beispielhaft erläutert wird, das Substrat 4 im Bereich des Risses 7 umgeschmolzen (d.h. ohne Materialzufuhr) .
Vorzugsweise verfährt der Laser 13 dabei entlang des Risses 7 (hier senkrecht zur Zeichnungsebene) .
Vorzugsweise umhüllt eine Schutzgasdüse den Laserstrahl um Sauerstoffzutritt (< 150 ppm Sauerstoff) zum Schmelzbad zu unterbinden.
Durch den Umschmelzprozess entsteht oft eine Mulde 28 im Be¬ reich der Oberfläche 19 des Substrats 4, wie es in Figur 2 dargestellt ist. Unter der Mulde 28 ist ein Umschmelzbereich 25 entstanden.
In einem zweiten Schritt wird dann die Mulde 28 mit Material aufgefüllt und ergibt einen Auffüllbereich 31.
Dies kann durch bekannte Löt- oder Schweißprozesse erfolgen.
Ebenso kann das Auffüllen, wie in Figur 3 dargestellt, insitu erfolgen, indem ein zweites Gerät, insbesondere ein zweites Schweißgerät, ganz insbesondere durch einen zweiten Laser 16, bei dem zusätzlich Material an der Oberfläche aufgebracht wird, es ermöglicht, dass die Mulde 28, die durch das
Umschmelzen durch das Schweißgerät 13 entstand, direkt an¬ schließend - solange das Substrat 4 an dieser Stelle noch heiß oder angeschmolzen ist - durch ein Auftragsverfahren, insbesondere durch Auftragen eines Lötverfahrens, aufgefüllt wird. Der Auffüllbereich 31 ist deutlich kleiner als der Umschmelzbereich 25.
So wird sehr schnell ein Riss 7 verschlossen, ohne dass vorab eine aufwändige und zeitintensive Oxidreduktion des Defekts 7 stattfinden muss.
Als Material, das die Mulde 28 auffüllt, kann ein Lotmate¬ rial, insbesondere eine Mischung aus dem Basismaterial (GW) des Substrats 4 und einem Lotmaterial (geringere Schmelztem- peratur, mindestens 10K) als Material des Substrats 4 oder ein reines Lotmaterial (geringere Schmelztemperatur als GW, mindestens 10K) verwendet werden.
Das hier vorgeschlagene Verfahren kombiniert zwei bereits bekannte Verfahren in neuartiger Weise. Mit einem ersten
Laser 13 wird der Riss 7 umgeschmolzen, ohne Pulverzusatz und ohne vorherige gaschemische Reinigung von Oxiden. Dadurch wird der Riss 7 verschlossen und das im Riss befindliche Oxid wird auf die Oberfläche geschwemmt.
Vorzugsweise ein zweiter Laser 16 folgt dem ersten Laser 13 nachlaufend. In den zweiten Laser 16 wird entweder reines Hochtemperaturlot oder aber eine beliebige Mixtur aus Hoch¬ temperaturlot (Differenz Schmelztemperatur > 10K) und Grund-
werkstoffpulver durch eine um den Laserstahl befindliche Düse eingebracht .
Der Energieeintrag des Lasers ist dabei vorzugsweise gewählt, dass ein Anschmelzen der Bauteiloberfläche des
Umschmelzbereichs 25 gewährleistet ist. Dieser
Anschmelzbereich ist aber deutlich kleiner als der
Umschmelzbereich 25 und kleiner als der Auffüllbereich 31. Dadurch wird einerseits das Oxid an den Rand des Schmelzbades geschwemmt, andererseits wird das Pulver deponiert. Dabei wird Lot (oder Lot/GW) aufgebracht, um den Volumenverlust durch das Umschmelzen (Fehlmaterial wg. Oxid!) zu kompensie¬ ren, gleichzeitig werden Risse, die durch den Umschmelzpro- zess entstanden sind, mit dem hochflüssigen Lot verschlossen. So entsteht eine neue homogene Oberfläche.
Der Vorteil liegt im sicheren Verschließen des Hauptrisses. Nebenrisse, die gelegentlich durch den Umschmelzprozess ent¬ stehen, werden nachfolgend durch das Lot verschlossen. Die neuen entstandenen Risse sind jedoch per se oxidfrei und außerdem klein, so dass beste Voraussetzungen für eine sichere Lötung gegeben sind.
Ein weiterer Vorteil liegt im deutlich reduzierten Schmelz- punkt des Pulverzusatzes zum Auffüllen. Dadurch kann die
Laserleistung (und damit der Energieeintrag in das Substrat => Rissanfälligkeit) so reduziert werden, dass keine neuen Risse im Bauteil mehr auftreten.
Die Figur 5 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschau¬ fel 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 Schaufel¬ spitze 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 ausge¬ staltet. 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 Ab¬ strömkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Berei- chen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas¬ sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, 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 gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden 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 be¬ steht 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 ausbil¬ den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korn- grenzen 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 AI 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 AI.
Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen
Dichte.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Vorzugsweise weist die SchichtZusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10A1-0, 4Y-1, 5Re .
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y2Ü3-Zr02, 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 Wärme¬ dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör- ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die
MCrAlX-Schicht .
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu¬ tet) auf.
Claims
1. Verfahren zum Umschmelzen und Auffüllen eines Defekts (7) einer Oberfläche (19) eines Substrats (4),
bei dem der Defekt (7) umgeschmolzen wird und
wobei eine Mulde (28) entsteht und
wobei die entstandene Mulde (28) aufgefüllt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem ein metallisches Substrat (4),
insbesondere ein nickel- oder kobaltbasiertes Substrat (4) umgeschmolzen wird.
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem ein Laserumschmelzverfahren verwendet wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche 1, 2 oder 3,
bei dem durch ein Auftragsverfahren die entstandene Mulde (28) aufgefüllt wird,
insbesondere durch ein Laserauftragsverfahren.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem die Auffüllung der Mulde (28) unmittelbar nach dem
Umschmelzen des Defekts (7) erfolgt.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem die Mulde (28) durch ein Löt- oder Schweißprozess mit einem Auffüllbereich (31) aufgefüllt wird,
insbesondere durch einen Lötprozess.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem das Material zur Auffüllung der Mulde (28) ein
Material des Substrats (4) aufweist,
insbesondere eine Mischung mit einem Lotmaterial,
das einen niedrigeren Schmelzpunkt (mindestens 10K) als das Material des Substrats (4) aufweist.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem der Defekt (7) Oxide aufweist,
insbesondere bei dem der Defekt (7) vor dem Umschmelzen keiner Oxidentfernungsbehandlung unterzogen wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem der Auffüllbereich (31) nachbearbeitet wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem Oxide nach dem Umschmelzen entfernt werden.
11. Bauteil mit einem umgeschmolzenen Bereich (25) und einem Lotbereich (31) darüber.
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