NO155185B - Mellomlag for diffusjonsbinding. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en diffusjonsbindingsenhet som omfatter to superlegeringsunderlag, fortrinnsvis av nikkel-, kobolt- eller jernsuperlegeringer, med tilpassete flater som skal sammenføyes, og et tynt mellomlag mellom flatene, idet mellomlaget inneholder som hovedmetall samme hovedmetall som superlegeringene og har en smeltetemperatur som ligger under smeltetemperaturen for superlegeringene og under den temperatur som bevirker irreversibel og ugunstig metallurgisk forandring av underlagene.

Diffusjonsbinding med overgangsvæskefase har vist seg å være en meget brukbar fremgangsmåte til fremstilling av høykvali-tets-diffusjonsbindinger i høytemperatur-superlegeringer, såsom de legeringer som anvendes ved fremstilling av gassturbinmotor-deler. Slik binding er beskrevet i detalj i US-patentskrift 3.678.570.

Superlegeringer er de legeringer som vanligvis er basert på nikkel, kobolt eller jern eller en kombinasjon av disse og som har god fasthet og god oksydasjonsbestandighet ved høy temperatur i omgivelser såsom gassturbinmotorer. Vanligvis inneholder disse legeringer også betydelige mengder krom og også en begrenset mengde av andre elementer såsom aluminium, titan og tungtsmelte-lige metaller.

Det er ofte ønskelig å fremstille visse gassturbinmotor-komponenter ved sammenføyning av lettfremstillbare segmenter til de ønskede utforminger. Men den begrensete sveisbarhet av mange av superlegeringene har sterkt begrenset anvendbarheten av smeltesveisingsteknikk ved fremstilling av konstruksjoner. Dessuten er mange komponenter som følge av deres utforming ikke egnet for anvendelse av smeltesveising. Slaglodding har selv om den gir mange fordeler i forhold til smeltesveising meget begren-?,et anvendbarhet på grunn av de svakheter som er forbundet med relativt lave fastheter og lave smeltepunkter hos typiske slaglo-ddete skjøter.

Som følge av at diffusjonsbindingsteknikken med overgangsvæskefase er relativt enkel og reproduserbar ved fremstilling av høykvalitetsbindinger i ømfintlige produkter er denne teknikk blitt brukt mye. Dette gjelder særlig innen gassturbinmotorindu-strien, selv om det er klart at den foreliggende oppfinnelse ikke er begrenset til denne.

Et nøkkelmoment ved diffusjonsbindingsteknikken med overgangsvæskefase er anbringelse av et tynt legeringsmellomlag' mellom flatene som skal sammenføyes. Sammensetningen av mellomlaget bør fortrinnsvis og generelt skreddersys for legeringene som skal1 sammenføyes, særlig når det gjelder tilsetning av de elementer hvis nærvær er nødvendig i det ferdige bindingsområde og hvis diffusjonshastigheter i fast tilstand er lave. Det er også ønskelig å utelukke fra mellomlagslegeringen de elementer som kan innvirke negativt på bindingsprosessen eller kvaliteten i den ferdige skjøt. I alle mellomlagssammensetningene anvendes det et høyt borinnhold.

En fremgangsmåte til å anbringe mellomlagslegeringen mellom berøringsflatene er å anvende en tynn, duktil folie av den type som er kjent fra US-patentskrift 3.753.794. Selv om bruken av en folie er tilfredstillende for mange, om ikke de fleste anvendelser, kan bruken av folien under visse forhold, såsom ved sammen-føyning av komplekse flater med mange fasetter eller ru flater eller når det er nødvendig med meget tynne (f.eks. 0,0127 mm) mellomlag, være vanskelig eller uøkonomisk. I disse tilfeller ville det være ønskelig å kunne anbringe mellomlaget som et tynt lag i ett med en eller flere av berøringsflatene selv, såsom ved hjelp av en plate eller et belegg på flatene. Selvfølgelig må sammensetningen av mellomlaget som helhet nødvendigvis være et flerkomponent materiale.

Oppfinnelsen kjennetegnes ved at mellomlaget foreligger som minst ett belegg som er festet til i det minste den ene av under-lagsflåtene som skal sammenføyes, og at belegget omfatter et første metallholdig lag med samme hovedmetall som i belegget og minst ett andre metallholdig lag i intim atomær kontakt med det første lag og med et annet av elementene i superlegeringene som hovedmetall, hvorved i det minste ett av lagene har høyt borinnhold.

Plettering uten elektrisitet under anvendelse av et amin-boran som reduksjonsmiddel er blitt anvendt for avleiring av legeringer med høyt borinnhold på underlag. Aminboranbadene, såsom de som er kjent fra US-patentskrift 3.338.726, er en nokså ny utvikling innen pletteringsteknologien og er blitt anvendt for påføring av pletter av nikkel/bor og kobolt/bor. Disse bad inneholder en kilde for metallioner, reduksjonsmidlet dimetylamin-boran og vanligvis en stabilisator og et fuktemiddel.

En plett som inneholder 81 vekt% nikkel, 15 vekt% kobolt og 4 vekt% bor kan fremstilles av følgende bad:

For først å demonstrere gjennomførbarheten av å anvende et overflatebelegg som bindingsmellomlaget i en diffusjonsbindings-prosess med overgangsvæskefase for superlegeringer, ble det fremstilt en-sjøt mellom stykker av en nikkellegering med følgende

sammensetning: 15 vekt% krom, 18,5 vekt% kobolt, 0,07 vekt% karbon, 3,3 vekt% titan, 4,3 vekt% aluminium, 5 vekt% molybden, 0,03 vekt% bor og resten nikkel. En plett av en enkel, binær mellomlagslegering som inneholdt 96 vekt% nikkel og 4 vekt% bor ble anvendt som mellomlagslegering. Dette er meget nær den eutektiske blanding i nikkel-borsystemet.

Ca. 7,6-12,7 mikron plett ble avleiret på hver av de avfettete flater som skulle sammenføyes, og delene ble sammenføyet ved å holde dem på 1177°C i 2 timer under en liten

■sammenpressende belastning pa 0,3 5 kg/cm 2. Smelting av mellomlagslegeringen og binding foregikk isotermt. Den sammenføyete enhet ble homogenisert ved 1171°C i 24 timer og eldnet ved 1038°C i en time.

På grunn av at bare den enkle, binære legering ble anvendt, ble det tilbake litt kjemisk heterogenitet på skjøtgrenseflaten. Et slikt enkelt mellomlag ville kunne være tilfredstillende i noen tilfeller, f.eks. når ultratynne mellomlag er mulige som muliggjør hurtig homogenisering eller når kravet til fasthet er slik at restheterogeniteten er akseptabel. I slike tilfeller kan det være nødvendig med et slikt belegg på bare en av flatene.

Selv om som vist diffusjonsbindinger kan fremstilles ved anvendelse av enkle, binære legeringer eller også nikkel/kobolt/bor-legeringer som mellomlag, krever høykvalitetsbindinger mer komplekse mellomlagslegeringer. Nærværet av krom i mellomlagslegeringen er fordelaktig av mange grunner. For det første har krom i legeringen selv tendens til ytterligere å senke mellomlagslegeringens smeltepunkt slik at bindingsprosessen kan foregå ved en lavere temperatur, opptil 10-66°C lavere i noen tilfeller. For det andre inneholder et stort antall av de aktuelle underlagene krom som en legeringstilsetning for å frembringe oksydasjons- og korrosjonsbestandighet. Ved å tilføre krom til bindingsområdet i mellomlagsmaterialet, er det ikke nødvendig at det migrerer inn i dette ved diffusjon i fast tilstand, hvorved bindingssyklustid nedsettes og homogenitet fremmes.

Ifølge en annen utførelsesform anvendes det et laminært, kompositt mellomlag. Dette kompositte mellomlag inneholder i en foretrukket utførelsesform et kromlag og et lag med høyt borinnhold, såsom nikkel-bor, kobolt-bor eller nikkel-ko'.,olt-bor avleiret separat på en eller flere av berøringsflatene. Vanligvis avsettes først et tynt lag av krom elektolyttisk på den avfettete flate, og det borinneholdende lag avsettes oppå dette. Selv om rekkefølgen vanligvis har vært denne, skal det bemerkes at den spesielle rekkefølge hvorved avleiringene påføres er uvesentlig i de fleste tilfeller når det gjelder å oppnå tilfredstillende resultat ifølge oppfinnelsen. Kromlaget vil f.eks. heller kunne påføres oppå enn under det borinneholdende lag.

Tykkelsen på kromlaget velges slik at det totale krominn-hoid i mellomlagsområdet stort sett tilsvarer krominnholdet i legeringen i underlaget. Med andre ord etter at bindingssyklusen er fullført tilsvarer krominnholdet i grenseflaten krominnholdet i underlaget.

Bindinger som er fremstilt under anvendelse av det laminare, kompositte belegg ifølge den foreliggende oppfinnelse kan ikke skjelnes fra belegg hvor det anvendes folie med samme totale sammensetning, og fremgangsmåten i bindingssyklusen er stort sett den samme. Representative, totale mellomlagssammen-setninger for nikkelsuperlegeringer har vært nikkel med 15 vekt% krom, 2,5 vekt% bor, og nikkel med 15 vekt% krom, 15 vekt% kobolt og 2,5 vekt% bor.

Hverken kromlaget eller nikkel-borlaget vil med de ovenfor angitte sammensetninger hver for seg smelte ved en temperatur på under 1149°C, noe som kan være ønskelig i noen legeringssystemer, men når de frembringes som laminater ifølge den foreliggende oppfinnelse med de individuelle lag i intim atomær berøring, vil det laminare system smelte ved samme temperatur som en homogen mellomlagslegering med samme totale sammensetning. Det har f.eks. vært mulig å bevirke høykvalitetsdiffusjonsbindinger i nikkelsuperlegeringer ved temperaturer på 1093°C eller lavere.

Som resultat av den foreliggende oppfinnelse er de tekniske fordeler med å ha krom i grenseflateområdet blitt kombinert med de praktiske fordeler ved selve prosessen.

Den nøyaktige fremgangsmåte ved mellomlagsavleiring er ikke spesielt viktig. Valget av en prosess for avleiringen av krom, enten den utføres ved hjelp av elektrolyttisk plettering, dampav-leiring eller pakkrommering (pack chromizing) vil avhenge av til-gjengelighet, lettvinthet eller økonomi mer enn teknisk nødven-dighet .

Plettenes tykkelse vil avhenge av den aktuelle anvendelse, delenes tilpasning etc, men det vil generelt være å foretrekke å holde tykkelsen på et fornuftig minimum, særlig når fullstendig homogenisering i skjøtgrenseflåtene er ønskelig i løpet av en formuftig syklustid. Den nøyaktige mellomlagssammensetning vil i mange henseender også være et valgspørsmål som avhenger av den spesielle anvendelse. Det totale borinnhold velges generelt primært som en funksjon av dets smeltetemperaturnedsettende virkning. Vanligvis vil det ikke være noen grunn til å la borinnholdet overskride 4 vekt%, og vanligvis vil det begrenses til den mengde som er nødvendig for at det skal kunne gjøres en jobb.

Ved å benytte den teknikk som er beskrevet ovenfor er det også mulig å anbringe et eller flere ytterligere lag med andre elementer, såsom wolfram, molybden, aluminium, hafnium etc. til dannelse av to, tre eller flere separate lag på berøringsflatene. Hovedforsiktighetsregelen her er å unngå de elementer eller de mengder av elementer i mellomlagslegeringen, totalt sett, som enten vil forstyrre bindingsprosessen eller resultere i en utilfredstillende skjøt, f.eks. ved dannelse av skadelige, sprø forbindelser.

Prøvestykker dannet av en legering som besto av 14 vekt% krom, 4,5 vekt% molybden, 2 vekt% niob, 1 vekt% titan, 6 vekt% aluminium, 0,01 vekt% bor, 0,08 vekt% sirkon og resten nikkel ble elektrolyttisk plettert med krom og deretter belagt med nikkel-bor til dannelse av en laminar, kompositt plett som besto av, når det gjelder den totale sammensetning, 15 vekt% krom, 2,7 vekt% bor og resten nikkel. Disse prøvestykker ble deretter diffusjons-sammenføyet ved 1093°C i 4 timer under vakuum. Under bindingssyklusen viste det kompositte mellomlag seg å oppføre seg på samme måte som en mellomlagsfolie med samme totale sammensetning. Dessuten kunne ikke bindingene som fremkom ved anvendelsen av det kompositte mellomlag skilles fra de bindinger som ble dannet under anvendelse av en mellomlagsfolie, og resultatene var utmerket i begge tilfeller.

Det er således klart påvist at teknikkene som er beskrevet ovenfor er meget effektive når det gjelder å frembringe høykvalitetsdiffusjonsbindinger i superlegeringssystemer, inklusive noen anvendelser hvor alternativer ikke synes å være tilgjengelig på fornuftig måte.

Claims (8)

1. Diffusjonsbindingsenhet som omfatter to superlegeringsunderlag, fortrinnsvis av nikkel-, kobolt- eller jernsuperlegeringer, med tilpassete flater som skal sammenføyes, og et tynt mellomlag mellom flatene, idet mellomlaget inneholder som hovedmetall samme hovedmetall som superlegeringene og har en smeltetemperatur som ligger under smeltetemperaturen for superlegeringene og under den temperatur som bevirker irreversibel og ugunstig metallurgisk forandring av underlagene,karakterisert vedat mellomlaget foreligger som minst ett belegg som er festet til i det minste av den ene av underlags-flåtene som skal sammenføyes, og at belegget omfatter et første metallholdig lag med samme hovedmetall som i belegget og minst ett andre metallholdig lag i intim atomær kontakt med det første lag og med et annet av elementene i superlegeringene som hovedmetall, hvorved i det minste ett av lagene har høyt borinnhold.

2. Enhet i samsvar med krav 1,karakterisertved at et av lagene i mellomlaget er krom.

3. Enhet i samsvar med krav 1 eller 2, hvor mellomlaget inneholder minst ett lag krom og minst ett lag av en nikkel-bor-legering,karakterisert vedat mellomlagets smeltepunkt er ca. 1093°C, og at dets tykkelse er 0.0127 - 0,25 mm.

4. Enhet i samsvar med krav 3,karakterisertved at det totale borinnhold i mellomlaget er i 1-4 vekt%.

5. Enhet i samsvar med krav 3 eller 4,karakterisert vedat. mellomlaget har samme prosentvise krominnhold som superlegeringen.

6. Enhet i samsvar med krav 1, hvor det første lag i mellomlaget er et lag av krom på flaten av hvert underlag,karakterisert vedat det mellom disse er et tynt lag som består av hovedmetallet.

7. Enhet i samsvar med krav 6,karakterisertved at det totale borinnhold i mellomlaget er 2-3 vekt% og at krominnholdet er omtrent det samme som i underlagene.

8. Enhet i samsvar med krav 7,karakterisertved at mellomlaget inneholder ett eller flere ytterligere lag som inneholder et av følgende metaller: wolfram, molybden, tantal, hafnium eller aluminium.