SE447488B - Forfarande for reparering av tranga fordjupningar i ytan av ett foremal av ni-baserad varmhallfast legering - Google Patents

Description

447 488 2 svenska patentskriften 168 991 avser ett sätt för behandling av ett metallföremål innefattande minst en värmebehandling, favsedd att åt metallföremâlet åtminstone delvis âtergiva fysi- kaliska egenskaper, som gått förlorade vid en föregående behandling, exempelvis en föremålets yta berörande diffusions- behandling. Detta förfarande kännetecknas av att denna värme- behandling företages i en reducerande atmosfär bestående i huvudsak av väte och en fluorhaltig förening samt eventuellt innehållande även en neutral gas, som kväve, varjämte avkyl- ning och eventuellt härdning av metallföremålet företages i samma atmosfär, varigenom föremålet vid slutet av behandlingen uppvisar praktiskt taget oxidfri yta.

Den amerikanska patentskriften 2 374 926 avser beläggning av tråd av järn, koppar eller nickel genom en behandling innefat- tande avlägsnande av syre och oxidbeläggningar i en reduce- rande vätehaltig atmosfär kombinerad med halogensyra, varefter man inför den metall som skall beläggas i ett konventionellt smält beläggningsbad.

Den amerikanska patentskriften 3 457 097 avser ett förfarande för beläggning av järnföremål med aluminium, varvid man först underkastar ytan av metallföremålet reduktion i en reducerande gasatmosfär och därefter inför föremålet i en smälta av alumi- nium.

Den amerikanska patentskriften 3 759 692 avser ett nickelbase- rat bindemedelspulver med hög borhalt. _Den amerikanska patentskriften 4 008 844 innehåller i spalt 5 en uppgift att det är möjligt att anbringa löst pulver i ett hålrum och sintra pulvret så att detta bildar en porös men förhållandevis sammanhängande massa, I patentkravet l anges att man mekaniskt avlägsnar defekterna från föremålet så att ett'hålrum bildas, varefter man påför en fyllmedelsblandning innefattande en blandning av pulver bestående av minst två olika partikelformiga komponenter, varvid blandningen har en sammansättning som är likartad med sammansättningen hos före- 447 488 målet.

Uppfinningen avser ett förfarande för reparering av trånga fördjupningar i ytan av ett föremål av Ni-baserad varmhållfast legering innehållande Al och/eller Ti, varvid fördjupningen har en öppning vid ytan med en bredd av storleksordningen 0,025-2,5 mm och innehåller en ytoxid, som utgöres av en blandoxid innehållande minst ett av ämnena Al och Ti, vilket innefattar rengöring av fördjupningarna och påföring av en pulverformig reparationslegering, som smälter och flyter vid en temperatur som icke ger väsentlig skadeinverkan på föremålets struktur och mekaniska egenskaper, åstadkommer ett vakuum vid föremålet och därefter upphettar föremålet och reparationslegeringen så att legeringen smälter och flyter in i fördjupningen, så att denna fylles och reparationslegeringen diffunderar in i fördjup- ningens väggar.

Förfarandet kännetecknas av att man rengör fördjupningen genom att åstadkomma en reducerande atmosfär vid oxiden i fördjup- ningen och bringar oxiden i kontakt med gasformiga aktiva fluoridjoner under upphettning av föremålet till en temperatur av 871-l093°C, så att oxiden reagerar med fluoridjonerna till bildning av gasformiga fluorider.

Uppfinningen beskrives närmare under hänvisning till bifogade ritning.

Figur l är en skissartad vy av en retort som är lämplig för genomförande av en utföringsform av uppfinningen.

Figur 2 är en grafisk vy av en svepelektronmikroskopbild (SEM scan) av en typisk sprickyta före rengöring.

Figur 3 är en diagramvy av en svepelektronmikroskopbild av en typisk sprickyta efter rengöring med gasformig aktiv fluorid- jon enligt uppfinningen. 447 488 4 Figur 4 är en del av en sektion genom en spricka i en yta av en varmhållfast legering, över vilken anbringas en repara- tionslegering.

I det följande beskrives en föredragen utföringsform.

Vid drift och underhåll av gasturbinmotorer för flygplan kan man uppnå många potentiella fördelar med reparation i stället för utbyte av motorns strömníngsavlänkande delar (airfoils), exempelvis sådana i den hetare turbinsektionen av motorn.

Sådana delar som blivit oanvändbara under drift, exempelvis genom skador orsakade av främmande föremål, kan uppvisa en hög procentuell andel av återstående användningslivslängd. Sådana skadade vingar kan genom upprepad reparation uppnå flera gånger den normala utbyteslivslängden. Ett sådant utnyttjande till nära full konstruktionslivslängd ger materialbesparing och väsentliga kostnadsfördelar jämfört med utbyte av sådana komponenter.

Ifråga om skovlar i gasturbiner för flygplan har sprickbild- ning påverkat sådana områden som främre och bakre kanter, spets, plattform och band. Reparerbarheten av sådana smala sprickor med snäv tolerans försvåras i hög grad av sådana avsättningar som de komplexa, segt vidhäftande oxider som bil- das på turbinskovlar framställda av sådana varmhållfasta lege- ringar som nickelbaserade varmhållfasta legeringar. Eftersom sådana varmhållfasta legeringar innehåller sådana element som Al och Ti, utgöres oxidationsprodukterna i allmänhet av komplexa oxider innefattande minst ett av dessa element och är speciellt stabila mot tidigare kända desoxideringsmetoder som genomföras vid temperaturer under den temperatur vid vilken de mekaniska egenskaperna hos legeringen i föremålet påverkas skadligt. Exempelvis har försök att reducera sådana komplexa oxider i reducerande vätgas i ugnar vid temperaturer understi- gande ca ll00°C varit otillfredsställande.

Ugnar med vätgasatmosfär användes i stor utsträckning för att reducera ytoxider hos Fe, Ni, Co och Cr, som kan uppträda f; 447 488 5 under oxiderande exponering av vanliga stållegeringar och enkla Co- och Ni-baserade legeringar. Sådana förhållandevis enkla legeringar rengöres därför rutinmässigt i väteugnar med en metod som ofta benämnes "blankglödgning". En termodynamisk analys visar emellertid att reduktion av oxider av Al och Ti kräver temperaturer och renhetsgrader hos väte som hittills varit omöjliga att åstadkomma i kommersiella väteugnar, vakuumugnar eller med kommersiella flussmedel. Av detta skäl har konventionell reparation av föremål framställda av Ni- -baserade varmhållfasta legeringar innefattat tidsödande och dyrbara mekaniska åtgärder för avlägsnande av sprickor, exem- pelvis genom slipning, för reparationssvetsning. Eftersom oxiderna förefinnes i smala sprickor eller fördjupningar kan smält reparationsmetall icke väta väggarna av och flyta in i dessa smala eller snäva sprickor med en bredd av området ca 0,025-0,25 mm. I en artikel med titeln "Brazing in reducing fluoride-containing atmosphere" av E. Genieys, som presenteras för The British Association for Brazing and Soldering, First International Brazing and Soldering Conference i London, England, 27-29 november 1972, beskrives ett förfarande för reducering av vissa oxider genom inverkan av reducerande fluoridatmosfär i samband med konventionell hårdlödning av föremål som skall sammanfogas. Uppgifterna i denna publikation är avsedda att utgöra en del av föreliggande beskrivning.

Enligt uppfinningen avlägsnas de angivna oxiderna från spric- kor och fördjupningar i föremål av sådana Ni-baserade lege- ringar, som varit i drift, genom att föremålen före reparatio- nen utsättes för inverkan av gasformiga aktiva fluoridjoner vid temperaturer, 871-l093°C, som är lägre än den temperatur som skulle medföra en försämrande inverkan på de mekaniska egenskaperna och strukturintegriteten i en reducerande atmos- fär. Eftersom man vid reparationsförfarandet enligt uppfin- ningen utnyttjar en gasformig aktiv fluoridjon, som kan intränga i trånga fördjupningar, inkluderande sprickor och andra fördjupningar i ett föremåls yta med snäva toleranser, som är svår att nå och med en öppning vid ytan av storleksord- 447 488 6 ningen ca 0,025-2,5 mm, har behovet av tidsödande och dyrbara behandlingar för hand eliminerats. Det första steget, som genomföres med gas, avlägsnar sådana oxider från innerytorna av sprickor, kylporer, etc. Avlägsnandet av sådan oxid har bekräftats med metallografisk undersökning liksom med svep- elektronmikroskopisk undersökning av sprickytorna före och efter rengöringen, såsom diskuteras i det följande. Dessutom har dessa undersökningar bekräftat fördelen med denna form av reparationsmetod kombinerad med åtgärderna enligt uppfin- ningen, varvid en reparationslegering eller helande legering bringas att strömma eller flyta in i rengjorda sprickor i vakuum. 4 Förfarandet enligt uppfinningen kan genomföras med användning av förhållandevis enkel värmebehandlingsutrustning, exempelvis vätgasatmosfärretort i en luftugn. En sådan apparat visas skissartat på figur 1, på vilken en retort 10 visas. Ett föremål, exempelvis ett turbinblad 12, anordnas i en behand- lingskammare 14 i retorten. I förbindelse med denna behand- lingskammare finnes en kammare 16 med fluoridjonkällmaterial, som åstadkommer en ström av gasformiga aktiva fluoridjoner in i behandlingskammaren 14. Genom den speciella utföringsform som visas på figur 1 är det uppenbart för fackmannen att god- tyokliga medel kan användas för att åstadkomma tillföring av gasformiga fluoridjoner till behandlingskammaren 14 i kontakt med bladet 12. En reducerande atmosfär, i detta fall vätgas, åstadkommas runt kamrarna 14 och l6, så att vätgasen kan strömma såsom visas med pilar på figur l genom kamrarna 14 och 16. Sålunda införas exempelvis H2-gas i inloppet 18 som sam- verkar med gasutloppet 20 för att tillåta ett flöde av H2 i retorten samt flöde av denna gas och reaktionsprodukter från retorten genom utloppet 20._ vid anbringande i en ugn, som representeras med en bruten linje 21, tillföres värme genom väggarna av retorten till kamrarna l4 och 16.

Enligt ett typiskt exempel på användning av anordningen enligt figur l anbringades ett turbinblad av en niokelbaserad varm- hållfast legering, som för-säljes under varumärket Renê® 80 och .. . -..ï-...a-íq-a-.f ...fl- -..._........ . 447 488 7 beskrives i den amerikanska patentskriften 3 615 376, i retor- ten för avlägsnande av komplexa oxider som hade bildats i en spricka i bladet. Denna legering innehåller nominellt räknat på vikten 3 % Al och 5 % Ti som tillsammans med sådana element som Cr, Co och Ni kan bilda starkt vidhäftande och komplexa oxider. Enligt detta exempel utgjorde fluoridjonkällmateria- let CrF3+3,5 H20, som vid upphettning i vätgas reagerar till bildning av HF, vilket utgör källan för gasformig aktiv fluo- ridjon. Andra former av fluorid av Cr kan emellertid användas enligt detta specifika exempel. Vid förfarandet enligt upp- finningen måste tillföring av värme upprätthållas under en temperatur som icke är högre än ca ll00°C i närvaro av de aktiva fluoridjonerna. Det har visat sig att över denna tem- peratur angriper fluoridjonerna företrädesvis korngränserna i den Ni-baserade varmhållfasta legeringen, vilket medför för- störing av legeringsstrukturen. Det är lämpligt att uppvärm- ningen genomföres inom området ca 871-l093°C under en tidrymd av från ca l/4 till 4 timmar. Enligt detta speciella exempel hölls temperaturen inom området ca 870-985°C under ca l-2 tim- mars tid. Under denna tidrymd avlägsnades komplexa oxider från sprickan i föremålet av legeringen Renë® 80.

Undersökning av sprickytorna före och efter rengöringen genom- fördes med ett svepelektronmikroskop. Typiska resultat beträffande sprickans utseende och kemiska sammansättningsvär- den fastställda med svepelektronmikroskop visas på figurerna 2 och 3. Figur 2 är ett svepelektronmikrosko svep över en typisk sprickförsedd yta av legeringen Ren 80 före rengöring och visar den relativt höga halten av Al och Ti som beror på närvaron av komplexa oxider innehållande dessa element. För jämförelseändamål visas på figur 3 ett diagram av ett svep- elektronmikroskopsvep över en typisk sprickyta i ett föremål av legeringen René 80 efter fluoridjonrengöring enligt upp- finningen. Det framgår att de förhållandevis stora mängderna av Al och Ti har avlägsnats från ytan. Smala sprickor med så små öppningar som 0,025 mm vid ytan och med väggar som avsmal- nar mot en punkt på ett avstånd av minst ca 1,3 mm under ytan har rengjorts från oxider med förfarandet enligt uppfinningen. 447 488 8 Föreliggande uppfinning utnyttjar sålunda en praktisk metod för avlägsnande av komplexa oxider från ytor i smala sprickor i varmhållfasta legeringar av nickelbaserad typ som användes till turbindelen i många gasturbinmotorer.

Enligt uppfinningen repareras en spricka i ett föremål av varmhållfast legering efter rengöring på i det föregående angivet sätt. Reparationsmetoden enligt uppfinningen innefat- tar att man anbringar en reparationslegering över sprickan efter rengöringen. Ett sådant arrangemang visas i en delsek- tion på figur 4, enligt vilken en pulverformig reparations- legering 22 anbringas över en rengjord fördjupning 24 i subst- ratlegeringen 26. Vid ett försök reparerades en fördjupning 24 i ett föremål 26 av varmhållfast nickelbaserad legering Renág 80 med användning av en pulverformig reparationslegering 22, som även betecknas D-15-legering och beskrives i den ame- rikanska patentskriften 3 759 692. Nominellt utgjordes lege- ringen väsentligen av, räknat på vikten, 15 % Cr, 10 % Co, 3 % Al, 3 % Ta, 2,5 % B samt resten Ni. Enligt detta exempel anbringades föremålet med sprickan som visas på figur 4 med den pulverformiga reparationslegeringen anbringad över spric- kans öppning i en vakuumugn. Föremålet utsattes först för inverkan av högt vakuum, exempelvis ca 10-5 Torr, varvid all atmosfär, exempelvis luft, avlägsnades från sprickan 24 samt från andra delar av vakuumkammaren. Därefter utsattes föremå- let och reparationslegeringspulvret för inverkan av en tempe- ratur som var tillräckligt hög för att smälta reparationslege- ringen 22 enligt figur 4 för att tillåta att denna under inverkan av vakuum väter väggarna och strömmar in i sprickan 24 och tillsluter denna samt diffunderar in i substratet 26.

På detta sätt åstadkommas diffusionsreparation av den ren- gjorda sprickan. Vid försöket enligt detta exempel med användning av legering D-15 med ett substrat av legering 'Ren 80 användes med gott resultat en temperatur av ca ll95°C, vilket är en temperatur under den begynnande smält- punkten för den reparerade legeringen. Undersökning av mikro- strukturen i och invid sprickområdet efter behandlingen på detta sätt visade fullständig vätning och fyllning av sprickan 447 488 9 med reparationslegeringen. Motorprovning av turbinblad repa- rerade på det beskrivna sättet har visat att denna reparation ger turbinbladen ytterligare användningslivslängd.

Vid provning av förfarandet enligt uppfinningen försökte man reparera en spricka i en gasturbinkomponent utförd av en koboltbaserad legering som även benämnes legering X-40. Denna legering innehåller nominellt, räknat på vikten, 25 % Cr, 2 % Fe, 10,5 % Ni, 7,5 % W samt resten Co. Efter exponering för gasformiga aktiva fluoridjoner enligt uppfinningen såsom beskrivits i det föregående iakttogs angrepp på korngräns- grundmassan runt karbiderna i korngränserna. Detta angrepp uppträdde vid ett flertal temperaturer inom området ca 927-lO66°C och antages bero på den låga Cr-halten på detta ställe och frånvaron av ett eller fler av elementen A1 och Ti, som förefinnes i de Ni-baserade superlegeringar till vilka uppfinningen hänför sig.

Claims (3)

10 447 488 PATENTKRAV
1. l. Förfarande för reparering av trånga fördjupningar i ytan av ett föremål av Ni-baserad varmhållfast legering inne- hållande Al och/eller Ti, varvid fördjupningen har en öppning vid ytan med en bredd av storleksordningen 0,025-2,5 mm och innehåller en ytoxid, som utgöres av en blandoxid innehållande _minst ett av ämnena Al och Ti, vilket innefattar rengöring av fördjupningarna och påföring av en pulverformig reparationslegering, som smälter och flyter vid en temperatur som icke ger väsentlig skadeinverkan på föremålets struktur och mekaniska egenskaper, åstadkommer ett vakuum vid föremålet och därefter upphettar föremålet och reparationslegeringen så att legeringen smälter och flyter in i fördjupningen, så att denna fylles och reparationslegeringen diffunderar in i fördjup- ningens väggar, k ä n n e t e c k n a t därav, att man rengör fördjupningen genom att åstadkomma en reducerande atmosfär vid oxiden i fördjupningen och bringar oxiden i kontakt med gasformiga aktiva fluoridjoner under upphettníng av föremålet till en temperatur av 871-l093°C, så att oxiden reagerar med fluorid- jonerna till bildning av gasformiga fluorider.
2. 2. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k - n a t därav, att föremålet vid rengöringen av fördjupningar upphettas till en temperatur av 871-l093°C under en tidrymd av l/4 till 4 timmar.
3. 3. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k - n a t därav, att upphettningen genomföres inom temperatur- intervallet 871-982°C under l/2 till 2 timmars tid.