EP4380749A1 - Stopfen zum löten, bauteil einer gasturbine und verfahren - Google Patents

Stopfen zum löten, bauteil einer gasturbine und verfahren

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EP4380749A1
EP4380749A1 EP22786298.4A EP22786298A EP4380749A1 EP 4380749 A1 EP4380749 A1 EP 4380749A1 EP 22786298 A EP22786298 A EP 22786298A EP 4380749 A1 EP4380749 A1 EP 4380749A1
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EP
European Patent Office
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plug
head
elongate part
wall
hole
Prior art date
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Pending
Application number
EP22786298.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas NÄGEL
Ingo Reinkensmeier
Harald Krappitz
Jane Awayes
Michael Stemmler
Sheik Minhaz Uddin
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F05D2300/175—Superalloys

Definitions

  • the invention relates to a plug for components of gas turbines, which is soldered in, a component of a gas turbine and a method.
  • Turbine components in the hot gas area of gas turbines are usually manufactured using vacuum investment casting.
  • mold cores are often set in order to generate cavities for cooling concepts.
  • Ceramic retaining pins are more process-stable, but leave punctures (through-holes) when used.
  • This through hole must be closed for the finished cast component of a gas turbine.
  • Such mold cores are used in turbine blades for gas turbines in a power class greater than 200 MW.
  • Figure 1 shows a component with a through hole
  • Figure 5 plugs in the wall after soldering.
  • FIG. 1 shows a cast component 1 for a gas turbine with a through hole 7 .
  • the component 1 has a wall 4 to a cavity 5 not shown in detail.
  • the through hole 7 preferably has a cylindrical or symmetrical shape.
  • the wall 4 has a substrate material, in particular a nickel-based or cobalt-based superalloy.
  • FIG. 2 shows a top view or cross section of a first stopper 20 according to the invention.
  • the plug 20 has an elongated portion 23 and a head 26 .
  • the plug 20 consists of the elongate part 23 and the head 26 and is preferably formed in one piece.
  • the plug 20 has a longitudinal axis 13 .
  • the head 26 in particular adjoins or sits concentrically on the elongate part 23 .
  • the elongate part 23 of the stopper 20 has a cross-section which becomes smaller perpendicularly to its longitudinal axis 13 towards the end face ( 18 ′), in particular the elongate part 23 is designed in the form of a truncated cone in the plane of the drawing.
  • the elongate part 23 will be located completely in the through hole 7 during soldering (FIG. 4).
  • the head 26 will remain outside of the through hole 7 during the soldering and in particular will bear against the outside of the wall 4 (FIG. 4).
  • the plug 20 has a layer of solder in its edge area 18' of the elongated part 23 and in the edge area 18'' of the head 26, ie the solder layer forms the edge area 18', 18''.
  • the outer edge regions 18', 18'' have a composition of 100% solder material or at least a higher proportion of solder material, in particular of at least 60% in absolute terms, in particular of at least 70% of solder material, i.e. the remainder forms a substrate material of the stopper 20
  • the remaining portion of the elongate member 23 and head 26 comprises a mixture of this substrate material and preferably the same solder material.
  • the stopper 20 therefore has outside of the edge regions 18 ', 18' '; 28', 28'' (FIG. 3) have a mixing ratio of solder material and substrate material of 40% by weight to 60% by weight to 0% by weight to 100% by weight, in particular 10% by weight to 90% by weight.
  • the proportion of solder material in this “inner” area differs from the edge areas 18′, 18′; 28′, 28′′ (FIG. 3) by at least 20% relatively.
  • the substrate material of the plug 20, 30 (Fig. 3) is preferably the same as or similar to that of the substrate material of the wall 4.
  • the soldering material is preferably also a nickel-based or cobalt-based alloy, which has a melting temperature that is at least 10K, in particular at least 20K, lower than that of the substrate material (the wall 4 or the plug 20, 30).
  • the thickness of the edge regions 18', 18'';28',28'' is selected in such a way that after soldering, which requires homogenization, there is a distribution of substrate material to solder material for the entire plug 20, 30 (FIG. 5).
  • solder material in the edge areas 18', 18''; 28', 28'' and the solder material for the mixture of substrate material and solder material between the edge regions 18', 18'' is preferably the same.
  • the geometry of the elongate part 23 is almost complementary to the geometry of the through hole 7 .
  • FIG. 3 shows another variant of a stopper 30 according to the invention in cross section, in which, in contrast to FIG.
  • the statements according to FIG. 2 apply except for the geometry of the head 36, i.e. the edge area 28'' does not represent a plate but a semi-hollow sphere.
  • Figure 4 shows simplified the arrangement of the plugs 20, 30 in the component 1 with the through hole 7, shown here as an example for the plug 30, in which the elongated part 33 with the edge area 28 'is completely in the through hole 7 and fills it and the Head 36 rests on the outside of wall 4 .
  • the plug 30, 20 was preferably pressed into the through hole 7 in the green state, ie as a powder compact with binder.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stopfen (20, 30) zum Löten in ein Durchgangsloch (7) und zum Verschließen eines Durchganglochs (7) eines Substrats (4) eines Gasturbinenbauteils, wobei der Stopfen (20, 30) zumindest ein längliches Teil (23, 33) sowie einen Kopf (26, 36) aufweist, wobei der Kopf (26, 36) im Querschnitt breiter ausgebildet ist als das längliche Teil (23, 33), wobei das längliche Teil (23, 33) entlang seiner Längsachse (13) zu seiner Stirnseite hin einen kleiner werdenden Querschnitt aufweist, wobei das längliche Teil (23, 33) an seiner Stirnfläche einen Randbereich (18', 28') aufweist, wobei der Randbereich (18', 28') des länglichen Teils (23, 33) ein Lot, wobei der Kopf (26, 36) an seiner Stirnfläche einen Randbereich (18", 28") aufweist, wobei der Randbereich (18", 28") des Kopfes (26, 36) ein Lot, und der restliche und größte Teil des länglichen Teils (23, 33) und des Kopfes (26, 36) eine Mischung aus Lot und einem Substratmaterial aufweisen.

Description

Beschreibung
STOPFEN ZUM LÖTEN, BAUTEIL EINER GASTURBINE UND VERFAHREN
Die Erfindung betri f ft einen Stopfen für Bauteile von Gasturbinen, der eingelötet wird, ein Bauteil einer Gasturbine sowie ein Verfahren .
Turbinenkomponenten im Heißgasbereich von Gasturbinen werden üblicherweise im Vakuumfeinguss hergestellt .
In diesem Prozess werden viel fachfach Formkerne gesetzt , um Hohlräume für Kühlungskonzepte zu generieren .
Diese Formkerne werden normalerweise über Platinpins in Position gehalten . Prozessbedingt können diese Platinpins vorzeitig abschmel zen und führen zum Verrutschen der Formkerne und damit zu Maßabweichungen .
Keramische Haltepins dagegen sind prozessstabiler, hinterlassen aber beim Einsatz Durchstöße ( Durchgangslöcher ) .
Dieses Durchgangsloch muss für das fertige Gussbauteil einer Gasturbine verschlossen sein .
Solche Formkerne werden bei Turbinenschaufeln für Gasturbinen in einer Leistungsklasse größer 200MW verwendet .
Auch bei anderen Durchgangslöchern bei Bauteilen von Gasturbinen, die durch ggf . Überarbeitung von Rissen oder anderen Defekten entstehen, ergibt sich dieselbe Problematik .
Dies kann durch einfaches Befüllen des Durchgangslochs durch Löten mit Lot erfolgen, was j edoch nicht immer befriedigend ist .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen . Die Aufgabe wird gelöst durch einen Stopfen gemäß Anspruch 1 , ein Bauteil nach Anspruch 7 sowie ein Verfahren zum Löten gemäß Anspruch 12 .
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet , die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen .
Es zeigen die
Figur 1 ein Bauteil mit einem Durchgangsloch,
Figuren 2 , 3 erfindungsgemäße Stopfen und
Figur 4 die Vorgehensweise beim Löten,
Figur 5 Stopfen in der Wand nach dem Löten .
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Aus führungsbeispiel der Erfindung dar .
Durch dieses Stopfen-Konzept können sowohl Ausschussrate als auch innovative Kühlkonzepte umgesetzt werden .
Jegliche Randbedingungen für den Einsatz im Heißgasbereich von Gasturbinen werden hier berücksichtigt :
Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit Materialeigenschaf ten mechanische Integrität .
Bei dem Stopfen löten mit einem flexiblen Material mit Infiltrationstechnologie handelt es sich um eine komplett neue Fertigungsmöglichkeit .
In Figur 1 ist ein gegossenes Bauteil 1 für eine Gasturbine mit einem Durchgangsloch 7 dargestellt .
Das Bauteil 1 weist eine Wand 4 zu einem nicht näher dargestellten Hohlraum 5 auf .
Während des Gießens war im Bereich des Hohlraums 5 ein Kern vorhanden, der im Bereich des Durchgangslochs 7 durch einen Pin zu einer äußeren Guss form abgestützt wurde . Dieses Durchgangsloch 7 in der Wand 4 des Bauteils 1 gilt es zu verschließen .
Generell gilt das für alle Bauteile 1 mit Durchgangslöchern 7 .
Das Durchgangsloch 7 hat vorzugweise eine zylindrische oder symmetrische Form .
Dies ist aber nicht einschränkend, da der Stopfen beliebig in seiner Form angepasst werden kann .
Die Wand 4 weist ein Substratmaterial , insbesondere eine nickelbasierte oder kobaltbasierte Superlegierung, auf .
Figur 2 zeigt einen ersten erfindungsgemäßen Stopfen 20 in Aufsicht oder Querschnitt .
Der Stopfen 20 weist ein längliches Teil 23 und einen Kopf 26 auf .
Insbesondere besteht der Stopfen 20 aus dem länglichen Teil 23 und dem Kopf 26 und ist vorzugsweise einstückig ausgebildet .
Der Stopfen 20 weist eine Längsachse 13 auf .
Der Kopf 26 schließt sich insbesondere konzentrisch an dem länglichen Teil 23 an oder sitzt dort auf .
Das längliche Teil 23 des Stopfens 20 weist senkrecht zu seiner Längsachse 13 zur Stirnseite ( 18 ' ) hin einen kleiner werdenden Querschnitt auf , insbesondere ist das längliche Teil 23 in der Zeichnungsebene stumpf kegel förmig ausgebildet .
Das längliche Teil 23 wird sich beim Löten komplett im Durchgangsloch 7 befinden ( Figur 4 ) .
Der Kopf 26 wird beim Löten außerhalb des Durchgangslochs 7 verbleiben und insbesondere an der Wand 4 außen anliegen ( Figur 4 ) . Der Stopfen 20 weist in seinem Randbereich 18' des länglichen Teils 23 sowie in dem Randbereich 18' ' des Kopfes 26 jeweils eine Lotschicht auf, d.h. die Lotschicht bildet den Randbereich 18', 18' '.
Die äußeren Randbereiche 18', 18' ' weisen eine Zusammensetzung von 100% Lotmaterial auf oder zumindest einen höheren Anteil an Lotmaterial, insbesondere von absolut mindestens 60%, insbesondere von mindestens 70% an Lotmaterial auf, d.h. der Rest bildet ggf. ein Substratmaterial des Stopfens 20.
Der restliche Bereich des länglichen Teils 23 und des Kopfs 26 weist eine Mischung aus diesem Substratmaterial und vorzugsweise demselben Lotmaterial auf.
Der Stopfen 20 weist also außerhalb der Randbereiche 18', 18' '; 28', 28' ' (Fig. 3) ein Mischungsverhältnis von Lotmaterial und Substratmaterial von 40 Gew.% zu 60 Gew.% bis 0 Gew.% zu 100 Gew.%, insbesondere 10 Gew.% zu 90 Gew.% auf.
Der Anteil des Lotmaterials in diesem „inneren" Bereich unterscheidet sich von den Randbereichen 18', 18'; 28', 28' ' (Fig. 3) zumindest relativ um 20%.
Das Substratmaterial des Stopfens 20, 30 (Fig. 3) ist vorzugsweise dasselbe wie das des Substratmaterials der Wand 4 oder ist ähnlich.
Das Lotmaterial ist vorzugsweise auch eine nickelbasierte oder kobaltbasierte Legierung, welche gegenüber dem Substratmaterial (der Wand 4 oder des Stopfens 20, 30) eine um mindestens 10K, insbesondere mindestens 20K, niedrigere Schmelztemperatur aufweist.
Dies erfolgt vorzugsweise durch Zugabe von Bor (B) und/oder Silizium (Si) und/oder Phosphor (P) .
Die Dicke der Randbereiche 18', 18' '; 28', 28' ' ist so gewählt, dass nach dem Löten, was eine Homogenisierung bedingt, eine Verteilung von Substratmaterial zu Lotmaterial für den gesamten Stopfen 20, 30 vorliegt (Fig. 5) .
Das Lotmaterial in den Randbereichen 18', 18' '; 28', 28' ' und das Lotmaterial für die Mischung aus Substratmaterial und Lotmaterial zwischen den Randbereichen 18', 18' ' ist vorzugsweise das dasselbe.
Die Geometrie des länglichen Teils 23 ist fast komplementär zur Geometrie des Durchgangslochs 7 ausgebildet.
Figur 3 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Stopfen 30 im Querschnitt, bei dem im Gegensatz zu Figur 2 der Kopf 36 einen Kugelkopf darstellt, aber wieder ebenso ein längliches Teil 33 aufweist.
In den äußeren Randbereichen 28', 28' ' des Stopfen 30 sind wiederum Bereiche vorhanden, die insbesondere nur aus Lotmaterial bestehen.
Ansonsten gelten bis auf die Geometrie des Kopfes 36 die Ausführungen gemäß Figur 2, d.h. der Randbereich 28' ' stellt keine Platte dar, sondern eine Halbhohlkugel.
Figur 4 zeigt vereinfacht die Anordnung der Stopfen 20, 30 in dem Bauteil 1 mit dem Durchgangsloch 7, hier beispielhaft gezeigt für den Stopfen 30, bei dem das längliche Teil 33 mit dem Randbereich 28' sich komplett im Durchgangsloch 7 befindet und dieses ausfüllt und der Kopf 36 außen an der Wand 4 anliegt .
Der Stopfen 30, 20 wurde vorzugsweise im grünen Zustand, also als Pulverpressling mit Binder, in das Durchgangsloch 7 gepresst .
Vor dem Löten des Stopfens 20, 30 innerhalb des Durchgangslochs 7 findet eine Entbinderung statt.
Nach dem Löten haben sich Lotmaterial der Randbereiche 18', 18' '; 28', 28' ' und Lotmaterial des länglichen Teils 23, 33 gleichmäßig verteilt , also von 50% Substratmaterial zu 50% Lotmaterial bis
75% Substratmaterial zu 25% Lotmaterial insbesondere von 60% Substratmaterial zu 40% Lotmaterial bis 75% Substratmaterial zu 25% Lotmaterial für eine Lötfüllung 14 .
Nach Überarbeitung des überschüssigen Materials aufgrund des Kopfes 26 , 36 ergibt sich eine Anordnung gemäß Figur 5 , bei dem in dem Durchgangsloch 7 eine gleichmäßige Verteilung der Lötfüllung 14 von Substratmaterial und Lotmaterial gegeben ist .
Natürlich gibt es in den Randbereichen zwischen dem Bereich 14 und der Wand 4 Di f fusionserscheinungen von Lotmaterial in das Substratmaterial der Wand 4 hinein .

Claims

7
Patentansprüche
1. Stopfen (20, 30) zum Löten in ein Durchgangsloch (7) und zum Verschließen eines Durchganglochs (7) einer Wand (4) eines Gasturbinenbauteils, wobei der Stopfen (20, 30) zumindest ein längliches Teil (23, 33) sowie einen Kopf (26, 36) aufweist, der sich insbesondere konzentrisch an den länglichen Teil (23, 33) anschließt, wobei der Kopf (26, 36) im Querschnitt breiter ausgebildet ist als das längliche Teil (23, 33) , wobei das längliche Teil (23, 33) entlang seiner Längsachse (13) zu seiner Stirnseite hin einen insbesondere kleiner werdenden Querschnitt aufweist, ganz insbesondere bei dem das längliche Teil (23, 33) im Querschnitt stumpf kegelförmig ausgebildet ist, wobei das längliche Teil (23, 33) an seiner Stirnfläche einen Randbereich (18', 28') aufweist, wobei der Randbereich (18', 28') des länglichen Teils (23, 33) ein Lotmaterial, insbesondere nur Lotmaterial aufweist, wobei der Kopf (26, 36) an seiner Stirnfläche einen Randbereich (18' ', 28' ') aufweist, wobei der Randbereich (18' ', 28' ') des Kopfes (26, 36) ein Lotmaterial , insbesondere nur Lotmaterial aufweist, und der restliche und größte Teil des länglichen Teils (23, 33) und des Kopfes (26, 36) eine Mischung aus Lotmaterial und einem Substratmaterial aufweisen.
2. Stopfen nach Anspruch 1, bei dem das Mischungsverhältnis von
Lotmaterial und
Substratmaterial 8 der Wand (4) bzw. des Stopfens (20, 30) außerhalb der Randbereiche (18', 18' '; 28 ', 28 ' ') 40 Gew.% zu 60 Gew.% bis 0 Gew.% zu 100 Gew.%, insbesondere 10 Gew.% zu 90 Gew.% beträgt. Stopfen nach einem oder beiden der vorherigen Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Substratmaterial des Stopfens (20, 30) eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung darstellt. Stopfen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem Kopf (36) halbkugelförmig oder halbovalförmig ausgebildet ist. Stopfen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem der Kopf (26) zylindrisch ausgebildet ist. Stopfen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem das Lotmaterial für die Randbereiche (18', 18' '; 28', 28' ') eine nickelbasierte oder kobaltbasierte Legierung darstellt, welche gegenüber dem Substratmaterial eine um mindestens 10K, insbesondere mindestens 20K, niedrigere Schmelztemperatur aufweist, vorzugsweise durch Zugabe von Bor (B) und/oder Silizium (Si) . Bauteil (1) für eine Gasturbine, insbesondere eine Turbinenschaufel, mit einer Wand (4) als Substrat, wobei die Wand (4) ein Durchgangsloch (7) aufweist, in dem ein Stopfen (20, 30) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 eingelötet ist. 9
8. Bauteil nach Anspruch 7, bei dem das Substratmaterial der Wand (4) eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung darstellt.
9. Bauteil nach einem oder beiden der Ansprüche 7 oder 8, bei dem nach dem Löten das Mischungsverhältnis auf den ganzen Stopfen (20, 30) bezogen von
Lotmaterial zu Substratmaterial des Stopfens (20, 30) 50% zu 50% bis 25% zu 75%, insbesondere 40% zu 60% bis 25% zu 75%, beträgt .
10. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 7, 8, oder 9, wobei das Material der Wand (4) dem Substratmaterial für die Mischung des länglichen Teils (23, 33) und/ oder des Kopfes (26, 36) des Stopfen (20, 30) innerhalb der Randbereiche (18', 18' '; 28', 28' ') entspricht.
11. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 7, 8, 9 oder 10, bei dem das längliche Teil (23, 33) des Stopfens (20, 30) im Innern des Durchgangslochs (7) angeordnet ist, und der Randbereich (18', 28') des länglichen Teils (23, 33) ein Teil der äußeren oder inneren Oberfläche der Wand (4) darstellt.
12. Verfahren zum Verbinden von Stopfen (20, 30) in einem Durchgangsloch (7) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Wand ( 4 ) , wobei eine Lötwärmebehandlung mit einem Stopfen (20, 30) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 6 durchgeführt wird. 10 . Verfahren nach Anspruch 12 , bei dem überschüssiges Material nach der Lötwärmebehandlung abgetragen wird .
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