EP3837078A1 - Verfahren zum fügen einer modular aufgebauten heissgaskomponente mittels schweissen und hochtemperaturlöten und gefügte komponente - Google Patents

Verfahren zum fügen einer modular aufgebauten heissgaskomponente mittels schweissen und hochtemperaturlöten und gefügte komponente

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EP3837078A1
EP3837078A1 EP19778833.4A EP19778833A EP3837078A1 EP 3837078 A1 EP3837078 A1 EP 3837078A1 EP 19778833 A EP19778833 A EP 19778833A EP 3837078 A1 EP3837078 A1 EP 3837078A1
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pins
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welding
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Torsten JOKISCH
Britta Stöhr
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Definitions

  • the invention relates to a method for joining a modularly constructed hot gas component by means of welding and assembled component.
  • Components such as turbine guide vanes and blades made of nickel-based superalloys.
  • the shovel e.g. Blade, outer and inner platform made of 15 optimized materials.
  • the tip of a turbine blade is made of materials that are more resistant to oxidation and corrosion compared to the blade root or blade.
  • the separately manufactured segments must be metallurgically linked with each other using suitable manufacturing technologies.
  • a suitable manufacturing process is a combination of laser beam welding and high-temperature soldering.
  • the object is achieved by a method according to claim 1 and a component according to claim 5.
  • Figures 1, 2 show schematically the invention.
  • the various components of the hot gas components e.g. Blade, outer and inner platform made of optimized materials and suitable manufacturing processes, e.g. casting technology, selective laser melting.
  • the pins are individually preheated to 773k - 1073k. As a result, compressive stresses between the platform 10 and the airfoil 7 are achieved and the components 7, 10 cannot slide together during the later joining process.
  • the preheating is regulated to a constant value by means of an (eg optical) temperature measurement and preferably does not melt the solder 16.
  • Laser beam welding is carried out in particular with single-mode laser radiation in the preheated state, which results in a reduction in the susceptibility to hot cracking of the nickel-based superalloy and, in addition, no stitching is necessary as preparation for the welding process.
  • Figure 1 shows an exemplary component 1, which is composed of two or more parts 4, 7, 10 and which are to be joined together.
  • it is a guide vane, but can also represent a moving blade or generally a component in which two components are to be joined together.
  • this component 1 of a turbine guide vane has a blade 7 and a lower and upper blade platform 4, 10, which 4, 10 in the joining area (here, for example, the stump of the blade on the platform 4) are particularly flat.
  • the two outer solid platforms 4, 10 can be manufactured using conventional investment casting technology or an additive manufacturing process such as SLS or SLM. The same applies to the blade 7.
  • FIG. 2 shows in more detail how two components 7, 10 are joined together.
  • the airfoil 7 or the component 7 has at least one, in particular three pins 13 ', 13'',13''', which through corresponding openings 14 ', 14'',14''' in the second component 10, the outer blade shape 10 can be inserted or inserted.
  • Airfoil shape 10 a solder material, in particular a foil or solder material, which was applied by means of laser deposition welding, is present.
  • the two components 7, 10 are then inserted one into the other, the solder material 16 then being between them.
  • the pins 13 ', 13' ', 13' '' are heated to correspondingly high temperatures, in particular from 773K - 1073K, in order to create a tension between the pins 13 ', 13' ', 13' '' and the blade shape 10 to reach so that these are biased.
  • component 1 Thereafter, high-temperature soldering of component 1 takes place in an oven, which can accommodate several such components.

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Abstract

Durch das Aufstecken einer ersten Komponente (10) in Pins (13', 13'') einer zweiten Komponente (7) mit einem Lotwerkstoff zwischen denen und einem Verschweißen der Pins (13', 13'') der zweiten Komponente mit der ersten Komponente (10) wird eine optimale Fügung von Hochtemperaturbauteilen erzielt.

Description

VERFAHREN ZUM FÜGEN EINER MODULAR AUFGEBAUTEN HEISSGASKOMPONENTE MITTELS SCHWEISSEN UND
HOCHTEMPERATURLÖTEN UND GEFÜGTE KOMPONENTE
5
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen einer modular aufgebauten Heißgaskomponente mittels Schweißen und zusammen gefügte Komponente.
10 Die Idee betrifft das Herstellungsverfahren von Heißgaskompo
nenten wie insbesondere Turbinenleitschaufein und Laufschau feln aus Nickelbasis-Superlegierungen. Dabei werden verschie dene Bereiche (Segmente) der Heißgaskomponenten z.B. Schau felblatt, äußere- und innere Plattform aus dafür optimierten 15 Werkstoffen hergestellt. Beispielsweise sollte die Schaufel
spitze einer Turbinenschaufel aus oxidations- und korrosions beständigeren Werkstoffen hergestellt werden im Vergleich zum Schaufelfuß oder Schaufelblatt. Die separat gefertigten Seg mente müssen mit geeigneten Fertigungstechnologien so metal- 20 lurgisch miteinander verbunden werden.
Ein geeignetes Fertigungsverfahren ist eine Kombination aus Laserstrahl-Schweißen und dem Hochtemperaturlöten.
Für eine hinreichende Positionierung der Segmente zueinander 25 sind bei dieser Erfindungsmeldung keine komplizierten Vor
richtungen notwendig.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
30
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Komponente nach Anspruch 5.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen
35 aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön
nen, um weitere Vorteile zu erzielen. Die Figuren 1, 2 zeigen schematisch die Erfindung.
Die Beschreibung und die Figuren stellen nur Ausführungsbei spiele der Erfindung dar.
Vorgeschlagen wird ein Fügeverfahren für Heißgaskomponenten wie insbesondere für Turbinenleitschaufein und Laufschaufeln aus Nickelbasis-Superlegierungen, nur beispielhaft erläutert für diese Bauteile.
Dabei werden die verschiedenen Komponenten der Heißgaskompo nenten, z.B. Schaufelblatt, äußere und innere Plattform aus dafür optimierten Werkstoffen und dafür geeigneten Herstel lungsverfahren, z.B. gießtechnische Herstellung, Selective Laser Melting, gefertigt.
Dies erfolgt dabei in zwei Schritten: Die formschlüssige Fü gung der äußeren Plattformen und des Schaufelblattes erfolgt über Pins an Schaufelblatt und durch Bohrungen in die äußere Plattform in vier Schritten. Dabei wird ein Lotwerkstoff in Form einer Folie oder mittels Laserstrahl-Auftragschweißen zwischen Schaufelblatt und Plattform eingebracht.
Die Pins mit einem vorteilhaften Durchmesser von 20mm - 30mm werden vorzugsweise mit Bohrungen mit einem vorteilhaften Durchmesser = 3mm - 5mm versehen und weisen vorteilhafter weise eine Tiefe von 30mm - 50mm auf.
1. Mittels defokussierter Laserstrahlung und angepasster La serleistung werden die Pins einzeln auf 773k - 1073k vorge wärmt. Dadurch werden Druckspannungen zwischen Plattform 10 und Schaufelblatt 7 erzielt und die Komponenten 7, 10 können sich während des späteren Fügeprozesses nicht zueinander ver schieben .
2. Die Vorwärmung wird auf einen konstanten Wert mittels einer (z.B. optischen) Temperaturmessung geregelt und schmilzt das Lot 16 vorzugsweise nicht auf. 3. Laserstrahl-Schweißen erfolgt insbesondere mit Single-Mode Laserstrahlung im vorgewärmten Zustand, wodurch sich eine Re duzierung der Heißrissanfälligkeit der Nickelbasis-Super legierung ergibt und zudem keine Heftung notwendig ist als Vorbereitung für den Schweißprozess.
4. Hochtemperaturlöten der Komponente.
Vorteile sind:
• Bauteile für höchste thermisch-mechanische Beanspruchun gen
• Hochtemperaturlöten möglich ohne komplizierte Vorrich tung .
Figur 1 zeigt ein beispielhaftes Bauteil 1, das aus zwei oder mehreren Teilen 4, 7, 10 aufgebaut ist und die zusammengefügt werden sollen.
In diesem Beispiel ist es eine Leitschaufei , kann aber auch eine Laufschaufel darstellen bzw. allgemein ein Bauteil, bei den zwei Komponenten miteinander gefügt werden sollen.
Im Falle dieses Bauteils 1 einer Turbinenleitschaufei weist dieses ein Schaufelblatt 7 und eine untere und obere Schau felplattform 4, 10 auf, die 4, 10 im Fügebereich (hier bspw. der Stumpf des Schaufelblatts auf der Plattform 4) insbeson dere flach ausgebildet sind. Die beiden äußeren massiven Plattformen 4, 10 können mittels konventioneller Feinguss technik oder einem additiven Herstellungsverfahren wie SLS oder SLM hergestellt sein. Vergleichbares gilt für das Schau felblatt 7.
In Figur 2 ist näher dargestellt, wie zwei Komponenten 7, 10 miteinander gefügt werden. Das Schaufelblatt 7 oder die Komponente 7 weist zumindest einen, insbesondere drei Pins 13', 13'', 13''' auf, die durch entsprechende Öffnungen 14', 14'', 14''' in der zweiten Kom ponente 10, der äußeren Schaufelblattform 10 hinein oder durchgesteckt werden können.
An der Kontaktflache zwischen erster Komponente 7 und zweiter Komponente 10 (= Fügebereich) , hier Schaufelblatt 7 und
Schaufelblattform 10, ist ein Lotwerkstoff, insbesondere eine Folie oder Lotwerkstoff, der mittels Laserauftragschweißen aufgetragen wurde, vorhanden.
Die zwei Komponenten 7, 10 werden dann so ineinander ge steckt, wobei der Lotwerkstoff 16 dann zwischen ihnen vorhan den ist.
Die Pins 13', 13'', 13''' werden auf entsprechend hohe Tem peraturen, insbesondere von 773K - 1073K, erwärmt, um eine Spannung zwischen den Pins 13', 13'', 13''' und der Schaufel blattform 10 zu erreichen, so dass diese vorgespannt sind.
Dann werden die Pins 13', 13'' der ersten Komponente 7 mit dem zweiten Bauteil verschweißt, so dass eine feste Verbin dung vorliegt.
Danach findet ein Hochtemperaturlöten des Bauteils 1 in einem Ofen statt, der mehrere solcher Bauteile aufnehmen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren
zum Fügen zumindest zweier Komponenten (4, 7, 10),
bei dem insbesondere zumindest eine Komponente (4, 10), im Fügebereich insbesondere flach ausgeführt ist,
wobei die zumindest eine Komponente (4, 10) zumindest ein
Loch (14', 14'', 14''', ...) für entsprechende Pins (13',
13'', ...) der anderen Komponente (7) aufweist,
so dass die Pins (13', 13'') durch die Löcher (14', 14'',
14''') der anderen, der zweiten Komponente (4, 10) hinein oder hindurch gesteckt werden,
und auf oder von der anderen Seite (11) der Komponente (10) zugänglich sind,
wobei vorab ein Lotwerkstoff (16) zwischen zwei Komponenten (4, 7, 10) im Fügebereich aufgebracht wurde,
wobei vorab dann eine Vorerwärmung der Pins (13', 13'') auf insbesondere 773K - 1073K erfolgt,
insbesondere durch einen Laser,
so dass durch eine Druckspannung die Komponenten (4, 7, 10) fest zueinander gehalten sind,
dann eine Schweißung der Pins (13', 13'') an der anderen Seite (11) stattfindet, so dass die Komponenten (4, 7, 10) fest miteinander verbunden sind,
wobei in einem abschließenden,
insbesondere in einem Batch-Prozess,
die Komponenten (4, 7, 10) eine Hochtemperaturlötung durch laufen .
2 Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem der Lotwerkstoff eine Folie darstellt.
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Lotwerkstoff durch ein Laserauftragschweißen aufgetragen wurde.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3,
bei dem zum Schweißen ein Laserstrahlschweißen,
insbesondere im Singlemode,
verwendet wird.
5. Zusammengefügte Komponente (1) aus mehreren Komponenten (4, 7, 10),
insbesondere hergestellt nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 4,
wobei die zumindest eine Komponente (4, 10) zumindest ein Loch (14', 14'', 14''', ...) für entsprechende Pins (13', 13'', ...) der anderen Komponente (7) aufweist,
so dass die Pins (13', 13'') durch die Löcher (14', 14'', 14''') der anderen, der zweiten Komponente (4, 10), hinein oder hindurch steckbar sind,
und auf oder von der anderen Seite (11) der Komponente (10) zugänglich sind,
wobei ein Lotwerkstoff (16) zwischen zwei Komponenten (4,
7, 10) im Fügebereich vorhanden ist.
6. Verfahren oder zusammengefügte Komponente nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,
bei dem zumindest eine Komponente (4, 7, 10) durch ein ad ditives Herstellungsverfahren hergestellt wurde oder ist.
7. Verfahren oder zusammengefügte Komponente nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6,
bei dem die Komponenten (4, 7, 10) durch verschiedene Her stellungsverfahren,
insbesondere Gusstechnik und additive Herstellungsverfah ren,
hergestellt wurden oder sind.
8. Verfahren oder zusammengefügte Komponente nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, bei dem die Pins (13', 13'', ...) einstückig mit der anderen Komponente (7) ausgebildet ist.
9. Verfahren oder zusammengefügte Komponente nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
bei dem die Pins (13', 13'', ...) eine Bohrung (15', 15'', ...) aufweisen,
insbesondere mit einem Durchmesser von 3mm bis 5mm.
10. Verfahren oder zusammengefügte Komponente nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
bei dem die Pins (13', 13'', ...) einen Durchmesser von 2cm bis 3cm aufweisen.
11. Verfahren oder zusammengefügte Komponente nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
bei dem die Bohrungen (15', 15'', ...) eine Tiefe von 30mm - 50mm aufweisen .
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