NO782392L - Fremgangsmaate til anbringelse av et belegg ved smeltesveising - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører overflatebehandling ved smeltesveising, hvorved det benyttes en smeltesveisings-prosess for å påføre et overflatesjikt som harønskete egenskaper på en underliggende gjenstand uten å forårsake krakelering.

Ved mange tekniske anvendelser er delers levetid begrenset av delens overflateegenskaper i et begrenset område. Ved mange anvendelser av lagre f.eks. reguleres lagerets anvendbarhet av lagerflåtenes slitestyrke, men denne slitestyrke er bare nødvendig i begrensete områder. Et annet eksempel er gassturbinblader hvor bladets levetid kan reguleres med oksydasjons/korrosjonsbestandig-het og slitestyrke hos bladspissen. Ved slike anvendelser er det blitt forsøkt bruken av overflatebehandlingsteknikk i begrensete områder. En slik overflatebehandlingsteknikk omfatter bruken av smeltesveising for påføring av et hardere og/eller mere korro-sjonsbestandig materiale på et begrenset område. Et eksempel på dette er den hardsveisingsprosess som er beskrevet i bind 6 av "Metals Handbook", sider;152-166. Det er blitt gjort forsøk på å benytte en liknende fremgangsmåte for å fremstille korrosjons-bestandige og slitesterke bladspisser på gassturbinblader. Et problem begrenser anvendelsen av smeltesveising som en overflatebehandlingsteknikk. Dette problem er krakelering som skyldes termiske forhold, enten i gjenstanden som sveises eller i mat-erialet som påføres ved smeltesveisingsprosessen. Krakelerings-problemet er særlig fremherskende i nikkelsuperlegeringer med høy fasthet, som det er vanlig å anvende i gassturbinmotorer.

For å motvirke dette sveisekrakeleringsproblem er det blitt foreslått å benytte en tosjikts-sveiseløsning. Ved denne løsning påføres det på den underliggende gjenstand et første sjikt av en duktil legering med lav fasthet som er mindre tilbøyelig til å krakelere etter sveising. Deretter påføres det et andre sjikt av et materiale som har deønskete egenskaper når det gjelder hardhetdg/eller okdsydasjonsbestandighet. Det mellomliggende sjikt kan gi etter og deformeres for å oppta termiske spenninger og minske krakelering.

Idet kjente ikke-krakelerende legeringer som anvendes som et mellomliggende sjikt er legeringer med lav fasthet er de mekaniske egenskaper til det mellomliggende sjikt en begrensende faktor som bestemmer ytelsen til den ferdige gjenstand. I et eksempel på denne kjente tosjikts-sveiseprosess anvendes det et mellomliggende sjikt av AMS 5837 og et ytre sjikt av AMS 5801 for beskyttelse av gassturbinbladspisser. En slik prosess er på grensen for aktuelle høy-ytelsesgassturbiner. De lave mekaniske egenskaper til AMS 5837 kan føre til termisk utmatningskrakeler^-ing i bruk. Dessuten mangler legeringen AMS 5801 tilstrekkelig bestandighet mot oksydasjon, korrosjon og erosjon under de blad-spissbetingelser som påtreffes i bruk. Mellomsjiktslegeringer med høyere fastheter kan forårsake krakelering i underlaget.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en tos j ikts-smel te^-sveisingsteknikk hvor det mellomliggende sjikt er en sveise-krakeleringsbestandig nikkellegering med høy fasthet. Denne mellomsjiktslegering er bestandig mot sveisekrakelering i kraft av nærværet av en liten mengde mangan. Bruken av denne sveise-krakeleringsbestandige legering med høy fasthet muliggjør bruken av høy-ytelseslegeringer i det siste sveisesjikt. Teknikken med-fører liten varmetilførsel for minimalisering av forvridning og mikrostrukturen skade. Den resulterende, sveiseoverflatebehand-lete gjenstand utgjør også en del av oppfinnelsen.

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori;

Fig. 1 viser et gassturbinblad med en tosjikts sveiset spiss. Fig. 2 viser et mikrofotografi av en tosjikts sveiset spiss bestående av AMS 5837 og AMS 5801. Fig. 3 viser et mikrofotografi av en tosjikts sveiset spiss ifølge den foreliggende oppfinnelse.

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte til frembringelse av en smeltesveiset overflate på underlag som er tilbøyelig til å krakelere, samt den resulterende gjenstand.

Visse legeringer har en markert tendens til å krakelere ved smeltesveising som et resultat av de termiske spenninger som opp-står under sveisingen og en tendens til å krakelere ved varmebehandling etter sveising. Blant de legeringer som er mest til- bøyelig til krakelering er de legeringer som benevnes nikkelsuperlegeringer. Disse legeringer er forsterket ved dannelse av y-fasen, og inneholder også vanligvis tungtsmeltelige metaller for ytterligere forsterkning. Eksempler på spesifikke super-legeringsammensetninger vil bli gitt nedenfor. Selv om fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen har særlig nytte ved sveiseoverflatebehandling av superlegeringer er den like anvendbar for sveise-overf latebehandling av andre materialer som er tilbøyelig til å krakelere, såsom stål med høy fasthet og liknende.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet i forbindelse med anvendelser for sveiseoverflatebehandling i gassturbinmotorer. Disse anvendelser omfatter fremstillingen av slitesterke bladspisser, anvendelsen av hardsveisingsmaterialer for bladdeksler og det generelle felt reparasjon av blad- og skovlenheter. Slike repara-sjoner har tidligere vært begrenset av naturen for de tilgjenge^-lige sveisematerialer og tendensen hos superlegeringer til å krakelere under sveising og under varmebehandling etter sveising. Kjente materialer har ikke hatt den nødvendige kombinasjon av høy fasthet og krakeleringsbestandighet som oppnås med legerings-materialet i det mellomliggende sjikt som anvendes ifølge den foreliggende oppfinnelse.

En familie av sveisefyllstoffmaterialer som herder med alderen har meget høy fasthet og er bemerkelsesverdig bestandig mot syeisekrakelering som følge av tilsetningen av en liten mengde mangan. Legeringene faller i to kategorier. Den første kategori består av legeringer som inneholder minst 3%, fortrinns-vis minst 4%, av (Al+Ti) og som er forsterket hovedsakelig av Y!-fasen. Fra 0,5 til 3% mangan er tilsatt til disse legeringer for å minske sveisekrakelering. Den andre klasse av legeringer er de legeringer som inneholder minst 5% (Al+Ti+Nb+Ta). og som er forsterket hovedsakelig ved utfelling avY"-fasen« Fra 0/5 til 3% mangan er også tilsatt til disse legeringer for å minske sveisekrakelering.Sammensetningsgrenser for legeringer av disse typer er angitt i tabell 1. Legering A er av den type som er forsterket av -fasen, mens legering B er av den type som er forsterket avY"-fasen. Disse krakeleringsbestandige legeringer anvendes som et mellomsjikt mellom gjenstanden som overflatebehandles og et ytre overflatesjikt som har de ønskete egenskaper når det gjelder hardhet, oksydasjonsbestandighet, korro-sjonsbestandighet og liknende. Eksempler på legeringer som kan anvendes som et ytre sjikt ved anvendelser hvor oksydasjon, korrosjon og slitasje er problemer er vist i tabell 1 hvor legering C er en legering ifølge amerikansk patentsøknad 793.334 og legering D er en legering ifølge amerikansk patentsøknad 638.882. Legering C er optimalisert med hensyn til hardhet og slitestyrke under oksyderende betingelser ved høy temperatur, mens legering D er optimalisert med hensyn til<p>ksydasjons- og varmkorrosjons-bestandighet. En annen klasse legeringer er de legeringer som benevnes hardsveisingslegeringer. Legering E er en typisk, kjent hardsveisingslegering.

Også vist i tabell 1 som legering F er de vide områder som omfatter de fleste handelsvanlige nikkelsuperlegeringer som anvendes i gassturbinmotorer.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen omfatter avsetning, for-trinnsvis ved smeltesveising, av det tynne sjikt av krakeleringsbestandig legering, såsom legeringene A og B i tabell 1, etterfulgt av avsetningen av et tynt sjikt av en hard og/ellér oksyda-^ s jons^-korros jonsbestandig legering, såsom legeringene C, D og E. Under henvisning til tabell 1 er forsøk med å avsette legeringene C, D og E direkte på et underlag av legeringen F ved smeltesveising mislykket på grunn av krakelering. Da fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse ble benyttet, slik at et mellomsjikt av legeringene A eller B ble avsatt før sjiktet av legeringene C, D eller E ble avsatt, ble det oppnådd helt vel-lykkete resultater, og det ble ikke iakttatt noen krakelering.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan anvendes som en reparasjonsprosess, f.eks. for reparasjon av overflatedefekter i støpestykker. Ved denne anvendelse kan sammensetningen av overflatesjiktet være den samme som eller liknende sammensetningen av underlaget.

Selv ved sveising med et krakeleringsbestandig fyllstoff-materiale, såsom det som anvendes i det mellomliggende sjikt,

kan krakelering oppstå ved uriktig sveiseteknikk. Følgelig - benyttes det sveiseteknikk hvor det anvendes minst mulig opp-varming, og slik teknikk krever lav avsetningshastighet. Bruken av sveisetråd med liten diameter, f.eks. en diameter på 0,76 mm, foretrekkes.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen vil bli illustrert når det gjelder fremstilling av en slitesterk spiss på et gassturbinblad. Fig. 1 viser et typisk turbinblad 1 som består av et fotparti 2 og et vingeparti 3 som har en spissflate 4. Under drift i en gassturbinmotor vil spissflaten 4 gni imot en tetningsflate i motoren. Driftsbetingelsene i motoren er harde og omfatter høye temperaturer og korrosive gassblandinger kombinert med den ovenfor angitte gniing. Legeringen som hovedmassen av bladet er fremstilt av er optimalisert med hensyn til mekanisk fasthet ved høy-ere temperaturer, og det erønskelig å anvende en spiss med en annen sammensetning som kan være optimalisert med hensyn til slitasje, hardhet og oksydasjonsbestandighet. Legeringen i blad-legemet kan typisk være en legering såsom legeringen F i tabell 1, og det kan væreønskelig å anvende en legering for spissen, såsom legeringene C og D i tabell 1. Men som angitt ovenfor er ikke smeltesveising av legeringer som legeringene C og D i tabell 1 til legeringen F i tabell 1 vellykket på grunn av krakelering. Ved å anvende fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan en slik bladspiss påføres, og den resulterende gjenstand er anvendbar og holdbar i dens anvendelsesmiljø.

Som vist i fig. 1 påføres det først et sjikt 5 av krakelr-eringsbestandig legering på bladspissen, etterfulgt av et sjikt 6 av den ønskete spisslegering. Som angitt ovenfor er det ønske^-lig at varmetilførselen til gjenstanden som overflatebehandles minimaliseres for å unngå krakelering og for- å unngå skade av mikrostrukturen i gjenstanden som overflatebehandles. For å oppnå dette mål med minimal varmetilførsel, kan det anvendes kjøle-anordninger, og når det gjelder anvendelse for bladspisser kan det anvendes en vannkjølt anordning 7 av kobber slik som vist i fig. 1.

Det mellomliggende sjikt fremstilles ved smeltesveising under anvendelse av en wolframelektrode og under elektriske betingelser som vil frembringe en bue mellom wolframelektroden og gjenstanden som overflatebehandles, Fyllstofftråden for det mellomliggende sjikt smeltes deretter i buen og får størkne på gjenstanden som overflatebehandles. (Denne fremgangsmåte benevnes vanligvis GTA-sveising, GMA-sveising hvor fyllstoff<-metallet anvendes direkte som elektroden vil også kunne benyttes). I det spesielle tilfellet bladspisser benyttes smeltesveisingsT-prosessen for å fremstille et sjikt av den mellomliggende legering som har en tykkelse i størrelsesorden 0,76t-1,0 mm, Etter avsetningen av det mellomliggende sjikt kan det utføres sliping eller liknende for å pusse den avsatte legering ned til et jevnt lag som har en tykkelse på ca. 0,50 mm. Denne pusseopera^sjon fjerner oyerflateoksyder som kan dannes under sveisepro-sessen og frembringer en jevn, glatt flate og et sjikt med jevn tykkelse for avsetning av det ytre sjikt ved en liknende smeltesveiseprosess. Etter avsetningen av det ytre sjikt i den ønskete tykkelse, som vanligvis er tykkere enn det mellomliggende sjikt, f.eks. 0,50-9,03 mm, kan også det ytre sjikt pusses ned slik at det oppnås en jevn tykkelse og en glatt overflate. Etter denne avsetning kan det foretas hensiktsmessige varmebehandlinger for utløsning av spenning, selv om disse ikke utgjør en del av oppfinnelsen.

Fordelene som kan oppnås ved bruken av den foreliggende oppfinnelse er vist i fig, 2 og 3, som er mikrofotografier som<y>iser bladspisskrakeleringspenetrering etter 175 timer akselerert motorprøving. Fig. 2 viser krakeleringspenetreringen av bladspisser fremstilt på kjent måte under anvendelse av et sjikt av AMS 5837 og et sjikt av AMS 5801. Fig, 3 viser et tverrsnitt av en bladspiss fremstilt ifølge den foreliggende oppfinnelse. Sam^mensetningen av det mellomliggende sjikt (C4). og det ytre sjikt (MERL 7 2) i fig. 3 er angitt i tabell 2 sammen med sammensetningen av underlaget og sammensetningen av de kjente legeringer AMS 5837 og AMS 58 01. Fotografiene i fig, 2 og 3 ble valgt som typiske etter iakttagelse av tallrike krakeleringer. Begge blader ble kjørt i samme motor under helt like betingelser,

og forskjellen i krakeleringspenetrering mellom de to blader er vesentlig. Den kjente bladspiss (fig. 2) hadde krakeleringer som raget gjennom spissen inn i underlaget, mens bladet som var fremstilt ifølge den foreliggende oppfinnelse (fig, 3) hadde

krakeleringer som bare raget omtrent gjennom halve spissen, I tillegg viste den kjente bladspiss tegn til generell mekanisk skade og nedbrytning på grunn av erosjon. Skaden på bladspissen ifølge op<p>finnelsen er typisk for oksydasjons/korrosjonsskade uten generell mekanisk nedbrytning. Forskjellen i bladspissenes oppførsel skyldes hovedsakelig det bedre ytre sjikt som bare kan påføres uten krakelering ved å benytte fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse, og den høyere fasthet hos det mellomliggende sjikt som anvendes ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Selv om det i beskrivelsen ovenfor er benyttet fremstilling av en bladspiss som et eksempel, kan den beskrevne tosjikts-prosess benyttes for andre anvendelser hvor det må påføres en overflate som har andre egenskaper enn underlaget.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte til påføring av beskyttende overflatesjikt på underlag som er tilbøyelig til å krakelere, karakterisert ved at det ved smeltesveising påføres et mellomliggende sjikt av en nikkelsuperlegering som herder med alderen og som inneholder fra 0,5 til 3% mangan sammen med -aluminium og titan, og at detø nskete beskyttende overflatesjikt ved smeltesveising påføres på det mellomliggende sjikt, hvorved det krakeleringsbestandige mellomliggende sjikt stort sett eliminerer sveisekrakelering i både underlaget og overflatesjiktet.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det mellomliggende sjikt er fremstilt av en legering som inneholder 14-22% Cr, 5-15% Co, 0-8% Mo,

0-5% Fe, 0,7-3,0% Al, 0,5-4% Ti, 0-6% (Ta+Nb), 0,5-3,0% Mn, 0-0,1% C, 0-0,05% B, 0-0,1 Zr, mer enn 3% (Al+Ti) og resten hovedsakelig Ni.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det mellomliggende sjikt er fremstilt av en legering som inneholder 14-22% Cr, 0-5% Co, 7-18% Fe,

0-8% Mo, 0,5-1,5% Al, 0-2% Ti, 0-8% Ta, 2-5% Nb, 0,5-3% Mn, opptil 0,1% C, opptil 0,05% B, opptil 0,08% Zr, idet summen av (Al+Ti+Nb+Ta) er over 5%, mens resten hovedsakelig er Ni.

4. Fremgangsmåte i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at sammensetningen av det beskyttende overflatesjikt er 21-27% Cr, 0-20% Co, 4,7-7% Al, Or-3% Ti, 0,1-0,3% C, 2,5-7% Ta, 0,02-0,15% Y mens resten stort sett er Ni.

5,o Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at sammensetningen av overflatesjiktet er 18-30% Cr, 3,5-8% Al, 0-0,5% Ti, 1-5% (Ta+Nb), 0,05-0,6% C, 0^ 0,5% B, 5-15% (W+Mo), 0,02-0,1% Y, 0,5-2% Hf mens resten hovedsakelig er Co.

6. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at sammensetningen av overflatesjiktet er 26-30% Cr, 18-21% VI, 0,6-1% C, 0,005-0,1% B, 4-6% Ni, 0,75-1,25% V mens resten hovedsakelig er Co.

7. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at sammensetningen av underlaget er 5-25% Cr, 0-25% Co, 0-10% Mo, 0-15% W, 0,5-7% Al, 0,5-5% Ti, 0,1-0,25% C, 0-0,2% B, 0-0,5% Zr, 0-5% Ta, 0-5% Nb, 0-3% Hf, 2-10% (Al+Ti) mens resten hovedsakelig er Ni.

8. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at sammensetningen av overflatesjiktet er 5-25% Cr, 0-25% Co, 0-lCIMo, 0-15% W, 0,5-7% Al, 0,5-5% Ti,

0,01-0,25% C, 0-0,2% B, 0-0,5% Zr, 0-5% Ta, 0-5% Nb, 0-3% Hf, 2-10% (Al+Ti) mens resten hovedsakelig er Ni.

9. Fremgangsmåte til påføring av et overflatesjikt ved smeltesveising, hvor det forekommer sveisekrakelering, karakterisert ved at det ved smeltesveising påføres en krakeleringsbestandig nikkellegering som er utfellingsherdbar og som inneholder en tilstrekkelig mengde Mn til å eliminere sveisekrakeleringen.

10. Komposittgjenstand fremstilt ved fremgangsmåten ifølge krav 1, karakterisert ved at den består av et sveisekrakeleringstilbøyelig underlag, et mellomliggende, smeltesveiset sjikt på underlaget, av en utskillingsherdet nikkelsuperlegering som inneholder en tilstrekkelig mengde mangan til å eliminere krakelering, samt et overflatesjikt som er avsatt på det mellomliggende sjikt ved sveising.