EP3972772A1 - Elektronenstrahlschweissen von nickelbasis-superlegierungen und vorrichtung - Google Patents

Elektronenstrahlschweissen von nickelbasis-superlegierungen und vorrichtung

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EP3972772A1
EP3972772A1 EP20736578.4A EP20736578A EP3972772A1 EP 3972772 A1 EP3972772 A1 EP 3972772A1 EP 20736578 A EP20736578 A EP 20736578A EP 3972772 A1 EP3972772 A1 EP 3972772A1
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electron
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Definitions

  • the invention relates to electron beam welding and a device for two nickel-based alloys.
  • the idea relates to the technical welding of components made of high-g ' nickel-based superalloys, in particular turbine blades for the last turbine stage of the next generation of gas turbines or generally of long, thin-walled components. Due to their size, the production of hollow blades by casting is becoming more and more difficult. Due to the thin wall thicknesses at the blade tip and the size of the blade cores during manufacture, casting defects can occur and lead to the turbine blade being scrapped.
  • Ni-base or Co-base superalloys that are highly susceptible to hot cracks was previously not possible without the formation of at least small hot cracks.
  • Various phenomena, solidification cracks, remelting cracks, cracks due to a drop in toughness or the so-called phase-wise melting are the reason for extremely complex technologies for joining such materials.
  • a possible alternative is the production of two blade components by casting, which are joined together.
  • a possible alternative is the production of two blade components by casting, which are joined together.
  • the object is achieved by a method according to claim 1 and a device according to claim 11.
  • the idea is to use casting technology to manufacture two blade components that are joined together using electron beam welding.
  • nickel-based superalloys can be joined without cracks at slow travel speeds, in particular from 40mm - 80mm / min and with sheet thicknesses of up to 12mm.
  • Such a process can be used to join blade parts to hollow blades.
  • the electron beam welding is carried out with a relatively low travel speed of 12 mm / min - 120 mm / min, thereby avoiding crack initiation
  • Figure 1 shows schematically a system 1 with a vacuum chamber 3, in which 3 a component 4 to be joined from the compo nents 4 'and 4' 'is or can be arranged as well as an electron gun 7 that emits electron beams 10 or a laser .
  • the electron beam gun 7 or the laser can also be arranged outside of the vacuum chamber 3, the beams then being coupled into the vacuum chamber 3.
  • a joining zone is preferably heated to 773K to 1273K prior to irradiation or joining.
  • the component 4 to be produced is preferably pressed together at both opposite ends 22 ′, 22 ′′ with a force 19 ′, 19 ′′, so that the joining zone 16 is compressed.
  • a circumferential weld seam or joint is preferably produced, which is achieved in that the component is rotated about an axis 13 by means of a rotating device.
  • the joining zone has a shoulder which has a length of 8 mm to 12 mm.
  • FIG. 2 shows the components 4 ′, 4 ′′ to be joined, the component 4 ′ preferably having a projection or shoulder 30 on an inner side 36.
  • the electron radiation 10 strikes the opposite surface 33 of the inner surface 36.
  • the paragraph 30 is provided on the surface 36 facing away from the electron beam 10.
  • the invention can also be applied to laser beams in a vacuum.
  • the components (4 ', 4' ') can have the same alloy or different alloys.
  • At least one alloying element is more or less present or that at least a proportion of the same alloying element differs by at least 20%.
  • Joining zones of different types can also be implemented, for example Alloy247DS / PWA1483, so that turbine blade tips can be repaired with improved resistance to oxidation.

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Abstract

Durch das Elektronenschweißen mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 40mm/min bis 80mm/min können insbesondere artungleiche Fügezonen von Nickelbasis-Superlegierungen erreicht werden.

Description

Elektronenstrahlschweißen von Nickelbasis-Superlegierungen und Vorrichtung
Die Erfindung betrifft das Schweißen und eine Vorrichtung mittels Elektronenstrahlen von zwei Nickelbasislegierungen.
Die Idee betrifft das schweißtechnische Fügen von Bauteilen aus hoch g' -haltigen Nickelbasis-Superlegierungen, insbeson dere von Turbinenlaufschaufeln für die letzte Turbinenstufe der nächsten Generation von Gasturbinen oder allgemein von langen, dünnwandigen Bauteilen. Aufgrund der Größe wird die gießtechnische Herstellung von Hohlschaufeln immer schwieri ger. Aufgrund der dünnen Wandstärken an der Schaufelspitze und der Größe der Schaufelkerne bei der Herstellung können Gießfehler auftreten und zum Ausschuss der Turbinenschaufel führen .
Das Schweißen von hoch heißrissanfälligen Ni-basis oder Co- basis Superlegierungen war bisher ohne die Entstehung zumin dest kleiner Heißrisse nicht möglich. Verschiedene Phänomene, Erstarrungsrisse, Wiederaufschmelzrisse, Risse aufgrund von Zähigkeitsabfall oder das sog. phasenweise Anschmelzen sind der Grund für äußerst aufwendige Technologien zum Verbinden solcher Werkstoffe.
Bisher werden zahlreiche Methoden zur extremen Reduzierung von Wärmeeinbringung genutzt, z.B. geringvolumiges Laser- Pulver-Schweißen, was zu sehr hohen Abkühlungsgradienten führt, aber eine geringe Aufbaurate zur Folge hat.
Andererseits werden solche Werkstoffe mit minderwertigen, zäheren und/oder oxidationsunbeständigeren Stoffen verbunden, um Spannungen während der Abkühlphase zu vermindern. Eine grundwerkstoffnahe, d.h. in seinen Eigenschaften identische Verbindung konnte bisher nur aufwändig erreicht werden. Ein Schweißprozess zur Fügung von Turbinenlaufschaufeln aus hoch g' -haltigen Nickelbasis-Superlegierungen wird bisher nicht eingesetzt.
Eine mögliche Alternative ist die gießtechnische Herstellung von zwei Schaufelbauteilen, die miteinander gefügt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung dieses Problem zu lösen.
Eine mögliche Alternative ist die gießtechnische Herstellung von zwei Schaufelbauteilen, die miteinander gefügt werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 11.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Idee ist die gießtechnische Herstellung von zwei Schau felbauteilen, die mittels Elektronenstrahl-Schweißen mit einander gefügt werden.
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass Nickelbasis-Super legierungen bei langsamen Verfahrgeschwindigkeiten insbeson dere von 40mm - 80mm/min und bei Blechdicken bis 12mm riss frei gefügt werden können.
Ein solcher Prozess kann zur Fügung von Schaufelteilen an Hohlschaufeln eingesetzt werden.
Vorgeschlagen wird ein Strahlschweißen einer großen Hohl schaufel aus einer Nickelbasis-Superlegierung, insbesondere aus Reihe 3 und/oder 4 einer Turbine, mit Elektronenstrahlung in einer Prozesskammer.
Die bevorzugte Vorgehensweise gliedert sich in folgende Un terpunkte :
- Gießtechnische Fertigung von zwei Turbinenschaufelteilen oder Turbinenschaufel und Schaufelspitze - Beide Bauteile werden an der Fügezone insbesondere mit einem Absatz rundum gefertigt
- Verklemmung beider Teilkomponenten in Vakuumkammer, damit eine Verschiebung beider Bauteile während des Schweißpro zesses vermieden wird (alternativ: Vorfixierung mittels Hochtemperaturlöten)
- Fügung der beiden Bauteile in Vakuumkammer mittels Elekt ronenstrahl-Schweißen
- Das Elektronenstrahl-Schweißen wird mit relativ kleiner Verfahrgeschwindigkeit von 12 mm/min - 120 mm/min durchge führt, dadurch Vermeidung einer Rissinitiierung
- Artungleiche Fügezonen können ebenfalls realisiert werden, insbesondere von DS-Werkstoffen an SX-Werkstoffen, damit ist Schaufelspitzfertigung / Schaufelspitzreparatur an Turbinenschaufeln mit verbesserter Oxidationsbeständigkeit möglich
Vorteile :
—» Fügung von Heißgaskomponente aus einfacher gießbaren Teil bauteilen
—» Verkleinerung der Ausschussraten bei der gießtechnischen Herstellung von großen Turbinenschaufeln
—» Einsparung von Kosten und Material
Das hier beschriebene Verfahren basiert auf eine erhöhte Wär meeinbringung, die aber nicht mittels Vorwärmtechnik, wie In duktion, erreicht wird, sondern aus dem flüssigen Anteil der Schweißung entsteht.
In Kombination mit der extrem langsamen Verfahrgeschwindig keit von vorzugsweise 30mm/min bis 60mm/min führt dies zu Ab kühlungsbedingungen, die eine Heißrissbildung verhindern / extrem minimieren. Rein rechnerisch ergibt sich hier eine sehr hohe Streckenenergie, welche normalerweise bei Schweiß systemen als Referenz angegeben wird. Jedoch ist hier, auf grund der ungleichmäßigen geometrischen Verteilung, dieser Wert eher störend. Die Figuren zeigen schematisch die Vorrichtung und die Vorge hensweise der Erfindung.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungs beispiele der Erfindung dar.
Die Figur 1 zeigt schematisch eine Anlage 1 mit einer Vakuum kammer 3, in der 3 ein zu fügendes Bauteil 4 aus den Kompo nenten 4 ' und 4 ' ' angeordnet ist oder angeordnet werden kann sowie eine Elektronenstrahlkanone 7, die Elektronenstrahlen 10 aussendet oder ein Laser.
Die Elektronenstrahlkanone 7 oder der Laser kann auch außer halb der Vakuumkammer 3 angeordnet sein, wobei die Strahlen dann in die Vakuumkammer 3 eingekoppelt werden.
Vorab wird vorzugsweise die Fügezone, d. h. von Kontaktflä chen der Komponenten 4', 4'', im Vakuum von Oxidschichten be freit, insbesondere durch Abdampfen von 20pm bis 50pm eines Oberflächenbereichs .
Vorzugsweise wird eine Fügezone vor der Bestrahlung oder Fügung auf 773K bis 1273K erwärmt wird.
Das herzustellende Bauteil 4 wird vorzugsweise an beiden gegenüberliegenden Enden 22', 22'' mit einer Kraft 19', 19'' zusammengedrückt, so dass die Fügezone 16 zusammengedrückt ist .
Es wird vorzugsweise eine umlaufende Schweißnaht oder Fügung erzeugt, die dadurch erzielt wird, dass die Komponente mit tels einer Drehvorrichtung um eine Achse 13 gedreht wird.
Die Fügezone weist einen Absatz auf, der eine Länge von 8mm bis 12mm aufweist.
Vorteilhafterweise werden folgende Parameter verwendet:
• Schweißen mit Streckenenergie höher als 600 J/mm oder
• Verfahrgeschwindigkeit 0,2 ... 0,5 ... 1,0 ... 2,0mm/s. Vorgeschlagen wird ein Strahlschweißen eines hohlen Bauteils, insbesondere einer Hohlschaufel aus einer Nickelbasis-Super legierung mit Elektronenstrahlung in einer Prozesskammer mit optionaler interner Badstütze nach vorliegender schematischer Darstellung .
Figur 2 zeigt die zu fügenden Komponenten 4', 4'', wobei die Komponente 4 ' vorzugsweise einen Vorsprung oder Absatz 30 auf einer Innenseite 36 aufweist.
Die Elektronenstrahlung 10 trifft auf die gegenüberliegende Oberfläche 33 der Innenfläche 36.
Der Absatz 30 ist auf der der Elektronenstrahlung 10 abge wandten Oberfläche 36 vorhanden.
So wird ein Verrutschen quer zur Längsrichtung oder Richtung der Kraft 19', 19'' vermieden.
Die Erfindung lässt sich auch auf Laserstrahlen im Vakuum an wenden .
Die Komponenten (4', 4'') können dieselbe Legierung oder ver schiedene Legierungen aufweisen.
Verschieden bedeutet, dass zumindest ein Legierungselement (keine Verunreinigung) mehr oder weniger vorhanden ist oder dass sich zumindest ein Anteil desselben Legierungselementes um mindestens 20% unterscheidet.
Eine weitere vorteilhafte Vorgehensweise ist insbesondere wie folgt :
- Aufspannung beider Komponenten 4', 4'' in einer Halte- und Kippvorrichtung in einer Vakuumkammer
- Vorbereitung der Fügezone im Vakuum durch kurzes Abdampfen, insbesondere 20pm-50pm der Fügezone sowie
- Vorwärmung auf T = 773K - 1273K der Fügefläche - Kippung und Zentrierung beider Komponenten 4', 4'' mit an schließender Fügung der beiden Bauteile in der Vakuumkammer mittels Elektronenstrahl-Schweißen . Artungleiche Fügezonen können ebenfalls realisiert werden, beispielsweise Alloy247DS/PWA1483, damit ist eine Reparatur von Turbinenschaufelspitzen mit verbesserter Oxidationsbe ständigkeit möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren
zum Fügen zweier Komponenten (4', 4'') eines herzu
stellenden Bauteils (4)
aus Nickelbasis-Superlegierungen
mittels Elektronenstrahlung (10),
bei dem die Elektronenstrahlung (10)
mit einer Verfahrgeschwindigkeit von
12mm/min bis 120mm/min,
insbesondere von 40mm/min bis 80mm/min,
über eine Fügezone (16) der zwei Komponenten (4', 4'') ge führt wird.
2 Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem die zu fügenden Komponenten (4', 4'') während des Fügens mittels einer Kraft (19', 19'') zusammengedrückt werden .
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die zu fügenden Komponenten (4', 4'') mittels einer Drehvorrichtung (13) während des Fügens gedreht werden.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3,
mit folgenden Parametern:
Streckenenergie höher als 600J/mm
und/oder
Verfahrgeschwindigkeit 0,2mm/s oder 0,5mm/s oder l,0mm/s oder 2 , 0mm/ s .
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4,
bei dem Badstütze in einem Hohlraum (5) oder hohlen Kompo nenten (4) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,
wobei eine Komponente (4'') einen Absatz (30) aufweist, und die andere Komponente (4') komplementär dazu ausgebil det ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
wobei der Absatz (30) auf der der Elektronenstrahlung (10) abgewandten Oberfläche (36) vorhanden ist.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
7,
bei dem die Komponenten (4', 4'') dieselbe Legierung auf weisen.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
7,
bei dem die Komponenten (4', 4'') verschiedene Legierungen aufweisen .
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen An sprüche,
bei dem ein Laser im Vakuum anstatt der Elektronenstrahlung verwendet wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen An sprüche,
bei dem eine Fügezone der Komponenten (4', 4'') im Vakuum von Oxidschichten befreit wird,
insbesondere durch Abdampfen von Material in der Fügezone von 20pm bis 50pm.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen An sprüche,
bei dem eine Fügezone vor der Bestrahlung oder Fügung auf 773K bis 1273K erwärmt wird.
13. Vorrichtung
zum Elektronenstrahlschweißen von zwei Komponenten (4',
4'') zu einer Komponente (4)
aus Nickelbasislegierungen,
die zumindest aufweist:
eine Vakuumkammer (3),
in der (3) eine Elektronenstrahlung (10) oder Laserstrah lung erzeugt werden kann und
auf eine Fügezone (16) zweier zu fügenden Komponenten (4', 4'') gerichtet werden kann.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
die eine Drehvorrichtung zum Drehen der Komponenten (4',
4 ' ' ) aufweist .
15. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 13 oder 14,
die Mittel aufweist,
um die Komponenten (4', 4'') mittels einer Kraft (19',
19'') während des Fügens zusammenzudrücken.
EP20736578.4A 2019-07-15 2020-06-15 Elektronenstrahlschweissen von nickelbasis-superlegierungen und vorrichtung Withdrawn EP3972772A1 (de)

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EP (1) EP3972772A1 (de)
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WO (1) WO2021008792A1 (de)

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