WO2008095531A1 - Lotzusammensetzung und hartlötverfahren für superlegierungen - Google Patents

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WO2008095531A1
WO2008095531A1 PCT/EP2007/051100 EP2007051100W WO2008095531A1 WO 2008095531 A1 WO2008095531 A1 WO 2008095531A1 EP 2007051100 W EP2007051100 W EP 2007051100W WO 2008095531 A1 WO2008095531 A1 WO 2008095531A1
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base material
phase
temperature
heat treatment
solder composition
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Brigitte Heinecke
Volker Vosberg
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K35/3033—Ni as the principal constituent
    • B23K35/304—Ni as the principal constituent with Cr as the next major constituent

Definitions

  • the present invention relates to a solder composition
  • a solder composition comprising a base material which has a solidus temperature and at least one further phase.
  • the invention relates to a joining method in which such a solder material is used.
  • solder compositions and joining methods are used, for example, in the field of production and repair (refurbishment) of components, in particular components for high-temperature applications.
  • components for high temperature applications such as turbine components in the hot gas path of a turbine
  • operational damage can rarely be prepared with the usual welding and soldering, since the strength of the filler used is not sufficient to ensure structural integrity in the high ⁇ temperature environment.
  • soldering method described therein is a solder material which similar in composition to the superalloy of a component, filled in a crack and heated for a long period to a temperature above the melting point of the solder material.
  • the solder material boron is added to lower the melting temperature.
  • Other melting temperatures, such as silicon, are also known in the art.
  • diffusi ⁇ onsreae take place which reduce the concentration of Schmelzpunk- terniedrigers in the solder material by diffusion, so that the solder solidifies. The diffusion leads to a concentration balance with the surrounding superalloy ⁇ material.
  • boron as a melting point depressant, it may, for example, come to the excretion of brittle borides, which impair the mechanical properties of the component in the repaired area.
  • a solder composition according to the invention comprises a base material having a solidus temperature ⁇ and at least one further phase, which is an output phase.
  • the solder composition may of course comprise further ingredients.
  • the ingredients may be present in particular in powder form.
  • At least one output phase has a solidus temperature, which is below the Solidustempera ⁇ structure of the base material. It is also chosen so that it forms with a heat treatment above a certain temperature with the base material completely or at least partially and / or with at least one other starting phase at least one resulting phase whose solidus ⁇ temperature is higher than the solidus temperature of the initial phase or the initial phases.
  • the solder composition according to the invention allows the joining without the use of melting point-lowering additives such as boron or silicon.
  • a method for the cohesive joining of components from a base material is possible.
  • the solder joint provided with the solder composition according to the invention is subjected to a first heat treatment.
  • the temperature of the first heat treatment is chosen so that the initial phase melts. If the initial phase has melted, it can completely surround the base material.
  • An ⁇ closing the joint of a second heat treatment at a temperature is subjected to the result that the output phase ⁇ which forms with the base material entirely or in front of preferably partially and / or with the further output phase at least a resultant phase.
  • the tempera ture ⁇ the second heat treatment is selected in particular as high overall, that the output phase with a portion of the base material to the resulting phase reacts least, which then has a higher solidus temperature than the initial phase ⁇ .
  • the output phase of a part, and the base material and / or the at least one further output stage on the other are ⁇ hand, chosen so that the resulting phase comprises, after the second heat treatment, mechanical properties that come close to the mechanical properties of the base material, a reliable joining, for example. for repairing a component, such as the closing of a crack, forth ⁇ be added.
  • the resulting phase then provides the corresponding mechanical properties in the area of the joint.
  • the temperature of the first heat treatment ranges between 660 0 C (the melting point of aluminum) and about 800 0 C. If the aluminum particles are small enough, the melting point of the aluminum can be lowered, so even at temperatures below 660 0 C a melting of the aluminum takes place.
  • the temperature of the second heat treatment is in the range between about 800 0 C and 1200 0 C, preferably in the range between 1000 0 C and 1100 0 C. At this temperature, hard nickel aluminide (Ni 3 Al) is formed. This nickel aluminide has a solidus temperature that is comparable to and also exhibits the solidus temperature of superalloys comparable mechanical properties. In order to compensate for a possible shrinkage of the solder composition during the second heat treatment, the application of a pressure during this heat treatment may be useful.
  • solder composition with nickel as a base material and aluminum as the starting phase of the Alumini ⁇ umanteil especially below 25 weight percent, preferably below 10 weight percent.
  • the solder composition can also be formed of a so-called MCrAlX material, where M is nickel, cobalt or iron and X is yttrium and / or silicon and / or at least one element of the rare earths.
  • M stands for nickel
  • the advantages described with respect to nickel as the base material and aluminum as the starting phase can essentially also be achieved with the MCrAlX material.
  • Fig. 1 shows an example of a gas turbine in a longitudinal section ⁇ cut.
  • Fig. 2 shows a perspective view of a blade or vane of a turbomachine.
  • Fig. 3 shows a combustion chamber of a gas turbine.
  • Fig. 4 shows highly schematically a to be repaired turbine blade.
  • FIG. 5 shows the turbine blade from FIG. 4 after the repair.
  • Fig. 6 shows a two-part turbine blade at the start of egg ⁇ nes joining process in a highly schematized representation.
  • FIG. 7 shows the turbine blade from FIG. 6 at the end of the joining process.
  • FIG. 1 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has a rotatably mounted about a rotational axis 102 ⁇ rotor 103 having a shaft 101, which is also referred to as the turbine rotor.
  • a compressor 105 for example, a torus-like
  • Combustion chamber 110 in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109.
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an example annular hot gas channel 111.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings . As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
  • Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).
  • air 135 is sucked by the compressor 105 through the intake housing and ver ⁇ seals.
  • the loading 105 compressed air provided at the turbine end of the compressor is ge ⁇ leads to the burners 107, where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner, so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components can have a directional structure, ie they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • SX structure monocrystalline
  • DS structure longitudinal grains
  • iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used as a material for the components.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloys.
  • the blades 120, 130 may have anticorrosive coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and represents yttrium (Y) and / or silicon, scandium (Sc) and / or at least one element of rare earth or hafnium).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and represents yttrium (Y) and / or silicon, scandium (Sc) and / or at least one element of rare earth or hafnium).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition.
  • a thermal barrier coating On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by Ytt ⁇ riumoxid and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the guide vane 130 has an inner housing 138 of the turbine 108 facing guide vane root (not Darge here provides ⁇ ) and a side opposite the guide-blade root vane root.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a rotor blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for electricity generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 to each other, a securing region 400, an adjoining blade or vane platform 403 and a blade 406 and a blade tip 415.
  • the vane 130 having at its blade tip 415 have a further platform (not Darge ⁇ asserted).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is, for example, as a hammerhead out staltet ⁇ . Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has for a medium which flows past the scene ⁇ felblatt 406, a leading edge 409 and a trailing edge 412.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloy.
  • the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, according to general usage, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the entire workpiece be ⁇ stands of a single crystal.
  • directionally solidified or a monocrystalline structure, ie the entire workpiece be ⁇ stands of a single crystal.
  • Stem-crystal structures which probably have longitudinally extending grain boundaries, but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al are also preferably used.
  • a thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially ⁇ or fully stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer. Suitable coating processes, such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • EB-PVD electron beam evaporation
  • the heat insulating layer can comprise porous, micro- or macro-cracked compatible grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • 120, 130 may need to be cleared of protective layers (e.g., by sandblasting) after use. This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • protective layers e.g., by sandblasting
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and also has, if necessary, film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • FIG. 3 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is configured, for example, as so-called an annular combustion chamber, in which are arranged a plurality of in the circumferential direction about an axis of rotation 102 Burners 107 open into a common combustion chamber space 154, the flames 156 produce.
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C. to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M facing side with a formed from heat shield elements 155. liner.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working fluid side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating) or is made of high-temperature-resistant material (solid ceramic blocks).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • a ceramic thermal insulation layer may be present and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or fully ⁇ dig stabilized by yttrium and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the heat- insulating layer may have porous, micro- or macro-cracked Kör ⁇ ner for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that heat shield elements 155 may be replaced after use by heat shielding elements 155
  • Protective layers must be freed (eg by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, cracks in the heat shield element 155 are also repaired. Then recoated and the Hitzeschildele ⁇ elements 155, after use of the heat shield elements 155 is performed.
  • the heat shield elements 155 are then, for example, hollow and possibly still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.
  • FIG. 1 a crack in a turbine blade in the context of a refurbishment process is repaired by means of cohesive joining.
  • FIG. 4 shows in highly schematic form the turbine blade 120, 130 in a section through the blade leaf 406, which runs perpendicular to the surface 503 of the blade wall 501.
  • Blade wall 501 consists of a superalloy base ⁇ as has been described in the preceding paragraphs.
  • a crack 505 extends into the blade wall 501 which is to be repaired as part of the refurbishment process.
  • the crack 505 is filled in a first step with a solder composition, which in the present ing embodiment includes nickel (Ni) as the base material and aluminum (Al) as a further phase.
  • the Lotzusam ⁇ mené may further include other additives. However, it does not contain melting point depressants.
  • the filling of the crack 505 with the solder composition 507 is done so that some of the solder composition projects beyond the surface 503 of the blade wall 501. This serves as a reservoir to compensate for shrinkage of the solder composition that occurs during the repair.
  • an increased pressure is applied to the site to be repaired during the process. This pressure can be brought about, for example, mechanically or by an increased atmospheric pressure during the process.
  • both the nickel and the aluminum are in the form of powder, wherein the dimensions of the nickel particles are larger than those of the aluminum particles in the powder.
  • the finer aluminum particles can better distribute between the coarser nickel particles.
  • the turbine blade is 120, 130 or at least the area to be repaired the blade wall a first Wär ⁇ me opposition subjected.
  • the temperature of the heat treatment is chosen so that the aluminum particles aufschmel ⁇ zen, the nickel particles but not. In other words, the temperature of heat treatment is above the solidus temperature of aluminum (660 0 C) and below the solidus temperature of nickel (1,455 ° C). It should be noted at this point that the solidus temperature can be somewhat reduced if the particle size is in the nanometer range. In particular, the fine aluminum particles can therefore have particularly small P firmwareab ⁇ measurements, which lowers the solidus temperature of aluminum below 660 0 C.
  • a temperature for the heat treatment is selected, which is about 750 0 C. This ensures that a sufficient ⁇ the distance between the temperature of the melting temperature of the nickel and the superalloy is respected and neither nickel nor the superalloy base from which the blade wall is built 501 melts during the Heat Treatment ⁇ development can be ensured (the solidus temperature of nickel-base superalloys is about 1300 0 C, that of nickel at about 1,455 ° C).
  • the turbine blade or the area to be repaired of the turbine blade is held for a certain time at the temperature of the heat treatment, to provide warranty order that all the aluminum is melted and completely wraps around the Ni ⁇ ckelp
  • a second heat treatment a so-called diffusion heat treatment or a so-called solution annealing
  • the temperature during the diffusion heat treatment is below the melting temperature of the nickel-based alloy and is about 1,020 0 C - 1,080 0 C.
  • the starting ⁇ phase disappears, so the aluminum, and forms with parts of the nickel, a high-melting nickel aluminide phase, namely Ni 3 Al.
  • the previously mentioned loss of solder material may insbeson ⁇ wider occur during the diffusion heat treatment. This is partly due to the fact that aluminum diffuses into the surrounding nickel base alloy and is therefore no longer available in the crack.
  • Ni 3 Al phase is indicated in Figure 5 by short dashes. It extends beyond the crack into the nickel base material of the blade wall.
  • FIG. 6 A second embodiment of the inventive feet ⁇ ge Kunststoff is shown in Figures 6 and 7.
  • FIG. In contrast to the joining method of FIGS. 1 and 2, the method according to FIGS. 3 and 4 is not a repair method but a method for connecting two separate parts 601, 611. The method is carried out in accordance with the described repair method, however, care must be taken that the solder composition 607 remains in the area between the two joining surfaces 613, 615. This can be done for example by adhesion-increasing additives in the powder of the solder composition 607. However, it is also possible to hold the solder composition 607 mechanically between the joining surfaces 613, 615, for example by closing the circumference of the gap defined by the joining surfaces after filling with solder material.
  • the heat treatments to be carried out in the context of the second exemplary embodiment correspond to those in the first exemplary embodiment.
  • the solder composition may be constructed differently than just nickel and aluminum.
  • a MCrAlX composition as a solder composition. Even when such solder compositions are processed, homogenization of the aluminum content leads to an increase in the solidus point of the resulting phase.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Es wird eine Lotzusammensetzung 507 für das Löten von Superlegierungen, mit einem Grundwerkstoff (z.B. Nickel) mit wenigstens einer Ausgangsphase (z.B. feine Aluminiumpartikel) zur Verfügung gestellt. Die Ausgangsphase weist eine Solidustemperatur auf, die unterhalb der Solidustemperatur des Grundwerkstoffes 507 liegt, und oberhalb einer bestimmten Temperatur mit dem Grundwerkstoff und/oder mit wenigstens einer weiteren Ausgangsphase wenigstens eine resultierende Phase bildet (z.B. Nickel-aluminid, Ni3Al), deren Solidustemperatur höher liegt als die Solidustemperatur der Ausgangsphasen. Die Wärmebehandlung erfolgt zweistufig, wobei die Temperatur der zweiten Wärmebehandlung vorzugsweise 800-1200°C beträgt. Die Lotzusammensetzung kann ebenfalls vom Typ MCrAIX sein, und die Pulverpartikel der Ausgangsphase können als Nanopartikel vorliegen. Die Erfindung hat den Vorteil dass auf den Einsatz von Schmelzpunkterniedrigern verzichtet werden kann.

Description

LOTZUSAMMENSETZUNG UND HARTLÖTVERFAHREN FÜR SUPERLEGIERUNGEN
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lotzusammensetzung mit einem Grundwerkstoff, welche eine Solidustemperatur aufweist und wenigstens einer weiteren Phase. Daneben betrifft die Erfindung ein Fügeverfahren, in dem ein derartiges Lotmaterial Verwendung findet.
Derartige Lot Zusammensetzungen und Fügeverfahren kommen bspw. im Umfeld der Herstellung und Instandsetzung (Refurbishment ) von Bauteilen, insbesondere von Bauteilen für Hochtemperaturanwendungen, zum Einsatz. Bei Bauteilen für Hochtemperaturanwendungen, wie etwa Turbinenbauteile im Heißgaspfad einer Turbine, können betriebsbedingte Beschädigungen nur selten mit den gebräuchlichen Schweiß- und Lötverfahren präpariert werden, da die Festigkeit der verwendeten Zusatzwerkstoffe nicht ausreicht, um die strukturelle Integrität in der Hoch¬ temperaturumgebung zu gewährleisten.
Besondere Füge- und Reparaturverfahren unter Verwendung eines Materials, welches sich stoffschlüssig mit den zu fügenden oder zu reparierenden Teilen verbindet, sind aus dem Stand der Technik bekannt, bspw. aus der EP 1 258 545. In dem darin beschriebenen Lötverfahren wird ein Lotmaterial, welches in seiner Zusammensetzung der Superlegierung eines Bauteils ähnelt, in einen Riss eingefüllt und über einen längeren Zeitraum auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Lotmaterials erhitzt. Dem Lotmaterial ist Bor zur Absenkung der Schmelztemperatur beigefügt. Andere Schmelztemperaturer- niedriger wie etwa Silizium sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt. Während der Wärmebehandlung finden Diffusi¬ onsprozesse statt, welche die Konzentration des Schmelzpunk- terniedrigers im Lotmaterial durch Diffusion reduzieren, so dass das Lotmaterial erstarrt. Die Diffusion führt dabei zu einem Konzentrationsausgleich mit dem umgebenden Superlegie¬ rungsmaterial. Der während der Wärmebehandlung in die Super¬ legierung diffundierte Schmelzpunkterniedriger kann in der Superlegierung zu spröden Ausscheidungen führen. Im Falle von Bor als Schmelzpunkterniedriger kann es bspw. zur Ausscheidung von spröden Boriden kommen, welche die mechanischen Eigenschaften des Bauteils im Bereich der reparierten Stelle beeinträchtigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Lotzusammensetzung sowie eine Fügeverfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen die Bildung spröder Phasen in dem die gefügte Stelle umgebenden Material verringert ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Lotzusammensetzung nach Anspruch 1 beziehungsweise ein Verfahren zum Stoffschlüssigen Fügen nach Anspruch 7 gelöst . Die abhängigen Ansprüche ent- halten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Lotzusammensetzung umfasst einen Grund¬ werkstoff mit einer Solidustemperatur und wenigstens eine weitere Phase, die eine Ausgangsphase darstellt. Daneben kann die Lotzusammensetzung selbstverständlich weitere Inhaltsstoffe umfassen. Die Inhaltsstoffe können dabei insbesondere in Pulverform vorliegen. Wenigstens eine Ausgangsphase weist eine Solidustemperatur auf, die unterhalb der Solidustempera¬ tur des Grundwerkstoffes liegt. Sie ist außerdem so gewählt, dass sie bei einer Wärmebehandlung oberhalb einer bestimmten Temperatur mit dem Grundwerkstoff vollständig oder zumindest teilweise und/oder mit wenigstens eine weiteren Ausgangsphase wenigstens eine resultierende Phase bildet, deren Solidustem¬ peratur höher liegt als die Solidustemperatur der Ausgangs- phase beziehungsweise der Ausgangsphasen.
Die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung ermöglicht das Fügen ohne die Verwendung von schmelzpunkterniedrigenden Zusätzen wie etwa Bor oder Silizium. Mit dem erfindungsgemäßen Lotma- terial ist ein Verfahren zum Stoffschlüssigen Fügen von Bauteilen aus einem Basismaterial möglich. In dem Verfahren wird die mit der erfindungsgemäßen Lotzusammensetzung versehene Lötstelle einer ersten Wärmebehandlung unterzogen. Die Tempe- ratur der ersten Wärmebehandlung ist so gewählt, dass die Ausgangsphase schmilzt. Wenn die Ausgangsphase geschmolzen ist, kann sie den Grundwerkstoff vollständig umgeben. An¬ schließend wird die Fügestelle einer zweiten Wärmebehandlung mit einer Temperatur unterzogen, die dazu führt, dass die Ausgangsphase mit dem Grundwerkstoff vollständig oder vor¬ zugsweise teilweise und/oder mit der weiteren Ausgangsphase die wenigstens eine resultierende Phase bildet . Die Tempera¬ tur der zweiten Wärmebehandlung ist insbesondere so hoch ge- wählt, dass die Ausgangsphase mit wenigstens einem Teil des Grundwerkstoffes zu der resultierenden Phase reagiert, die dann eine höhere Solidustemperatur als die Ausgangsphase auf¬ weist .
Wenn die Ausgangsphase einerseits und der Grundwerkstoff und/oder die wenigstens eine weitere Ausgangsphase anderer¬ seits so gewählt sind, dass die resultierende Phase nach der zweiten Wärmebehandlung mechanische Eigenschaften aufweist, die den mechanischen Eigenschaften des Basismaterials nahe kommen, kann eine zuverlässige Fügung, bspw. zur Reparatur eines Bauteils wie etwa dem Verschließen eines Risses, her¬ beigeführt werden. Die resultierende Phase sorgt dann für die entsprechenden mechanischen Eigenschaften im Bereich der Fügestelle .
Als Grundwerkstoff der Lotzusammensetzung kann bspw. Nickel und als Ausgangsphase Aluminium Verwendung finden. In diesem Fall liegt die Temperatur der ersten Wärmebehandlung im Bereich zwischen 6600C (den Schmelzpunkt von Aluminium) und ca. 8000C. Wenn die Aluminiumpartikel klein genug sind, kann der Schmelzpunkt des Aluminiums abgesenkt sein, so dass bereits bei Temperaturen unter 6600C ein Aufschmelzen des Aluminiums stattfindet. Die Temperatur der zweiten Wärmebehandlung liegt im Bereich zwischen ca. 8000C und 1.2000C, vorzugsweise im Bereich zwischen 1.0000C und 1.1000C. Bei dieser Temperatur bildet sich hartes Nickelaluminid (Ni3Al) . Dieses Nickel- aluminid hat eine Solidustemperatur, die vergleichbar ist mit der Solidustemperatur von Superlegierungen und weist auch vergleichbare mechanische Eigenschaften auf. Um ein mögliches Schwinden der Lotzusammensetzung während der zweiten Wärmebehandlung zu kompensieren, kann das Aufbringen eines Druckes während dieser Wärmebehandlung nützlich sein.
In einer geeigneten Lotzusammensetzung mit Nickel als Grundwerkstoff und Aluminium als Ausgangsphase liegt der Alumini¬ umanteil insbesondere unter 25 Gewichtsprozent, vorzugsweise unter 10 Gewichtsprozent.
Statt aus Nickel und Aluminium kann die Lotzusammensetzung auch aus einem so genannten MCrAlX-Werkstoff gebildet sein, wobei M für Nickel, Kobalt oder Eisen steht und X für Yttrium und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden. Insbesondere wenn M für Nickel steht, lassen sich im Wesentlichen die mit Bezug auf Nickel als Grundwerkstoff und Aluminium als Ausgangsphase beschriebenen Vorteile auch mit dem MCrAlX-Werkstoff erreichen.
Um das Schmelzen der Ausgangsphase zu vereinfachen und außerdem ein einfacheres Umfließen der geschmolzenen Ausgangsphase um den Grundwerkstoff herum zu unterstützen, können die Pulverpartikel der Ausgangsphase kleiner sein als die Pulverpar¬ tikel des Grundwerkstoffes.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren .
Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Gasturbine in einem Längsteil¬ schnitt .
Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel oder Leitschaufel einer Strömungsmaschine.
Fig. 3 zeigt eine Brennkammer einer Gasturbine. Fig. 4 zeigt stark schematisiert eine zu reparierende Turbi¬ nenschaufel .
Fig. 5 zeigt die Turbinenschaufel aus Fig. 4 nach der Repara- tur .
Fig. 6 zeigt eine zweiteilige Turbinenschaufel zu Beginn ei¬ nes Fügeprozesses in einer stark schematisierten Darstellung.
Fig. 7 zeigt die Turbineschaufel aus Fig. 6 am Ende des Fügeprozesses .
Die Figur 1 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotations¬ achse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige
Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109. Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufel¬ ringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) . Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und ver¬ dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be- reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge¬ führt und dort mit einem Brennmittel vermischt . Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet .
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden. Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur ) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) . Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinen¬ schaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superle- gierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierungen Teil der Offenbarung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung Teil dieser Offenbarung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Ytt¬ riumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge¬ stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .
Die Figur 2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschau- fei 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampf- turbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf¬ einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufel¬ spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge¬ stellt) . Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausge¬ staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau¬ felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab- strömkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas¬ sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken er- folgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline
Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be¬ steht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwen- digerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbil¬ den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch
Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind bzgl. des Erstarrungsverfahrens Teil der Offenbarung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen
Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10A1-0, 4Y-1, 5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teil¬ weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht . Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme- dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör¬ ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht .
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Bauteile
120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu¬ tet) auf.
Die Figur 3 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine.
Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ring¬ brennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 10000C bis 16000C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebspa- rametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög¬ lichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsme¬ dium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen. Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt. Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wär- medämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän¬ dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme- dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör¬ ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Hitze- schildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von
Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildele¬ mente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Füge¬ verfahren wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 4 und 5 beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird mittels stoffschlüssigen Fügens ein Riss in einer Turbinenschaufel im Rahmen eines Refurbishmentprozesses repariert.
Fig. 4 zeigt stark schematisiert die Turbinenschaufel 120, 130 in einem Schnitt durch das Schaufelblatt 406, der senk- recht zur Oberfläche 503 der Schaufelwand 501 verläuft. Die
Schaufelwand 501 besteht aus einer Superlegierung auf Nickel¬ basis wie sie in den vorherigen Absätzen beschrieben worden ist.
Von der Oberfläche 503 aus erstreckt sich ein Riss 505 in die Schaufelwand 501, der im Rahmen des Refurbishmentprozesses repariert werden soll. Dazu wird der Riss 505 in einem ersten Schritt mit einer Lotzusammensetzung gefüllt, die im vorlie- genden Ausführungsbeispiel Nickel (Ni) als Grundwerkstoff und Aluminium (Al) als eine weitere Phase enthält. Die Lotzusam¬ mensetzung kann darüber hinaus weitere Zusätze umfassen. Sie enthält jedoch keine Schmelzpunkterniedriger . Das Füllen des Risses 505 mit der Lotzusammensetzung 507 erfolgt so, dass etwas von der Lotzusammensetzung über die Oberfläche 503 der Schaufelwand 501 vorsteht. Dies dient als Reservoir, um Schwund der Lotzusammensetzung, der im Verlauf der Reparatur auftritt, auszugleichen. Um die über die Oberfläche 503 vor- stehende Lotzusammensetzung 507 während des Verfahrens in den Riss 505 zu drücken, wird während des Verfahren ein erhöhter Druck auf die zu reparierende Stelle aufgebracht. Dieser Druck kann bspw. mechanisch oder durch einen erhöhten Atmosphärendruck während des Verfahrens herbeigeführt werden.
In der Lotzusammensetzung 507 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt sowohl das Nickel als auch das Aluminium in Form von Pulver vor, wobei die Abmessungen der Nickelpartikel größer als die der Aluminiumpartikel im Pulver sind. Dies führt dazu, dass sich die feineren Aluminiumpartikel besser zwischen den gröberen Nickelpartikeln verteilen können .
Nachdem der Riss 505 mit der Lotzusammensetzung 507 gefüllt worden ist, wird die Turbinenschaufel 120, 130 oder zumindest die zu reparierende Stelle der Schaufelwand einer ersten Wär¬ mebehandlung unterzogen. Die Temperatur der Wärmebehandlung ist dabei so gewählt, dass die Aluminiumpartikel aufschmel¬ zen, die Nickelpartikel jedoch nicht . Mit anderen Worten, die Temperatur der Wärmebehandlung liegt über der Solidustempera- tur von Aluminium (6600C) und unter der Solidustemperatur von Nickel (1.455°C) . Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Solidustemperatur etwas herabgesetzt sein kann, wenn die Partikelgröße im Nanometerbereich liegt . Insbesondere die feinen Aluminiumpartikel können daher besonders kleine Partikelab¬ messungen aufweisen, welche die Solidustemperatur von Aluminium unter 6600C senkt. Auf diese Weise kann der für die erste Wärmebehandlung nutzbare Temperaturbereich erhöht wer- den. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Temperatur für die Wärmebehandlung gewählt, die ca. 7500C beträgt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass ein ausreichen¬ der Abstand der Temperatur von der Schmelztemperatur des Nickels und der Superlegierung eingehalten wird und weder das Nickel noch die Superlegierung auf Nickelbasis, aus der die Schaufelwand 501 aufgebaut ist, während dieser Wärmebehand¬ lung schmilzt (die Solidustemperatur von Nickelbasissuperlegierungen liegt bei etwa 1.3000C, die von Nickel bei ca. 1.455°C) .
Die Turbinenschaufel beziehungsweise die zu reparierende Stelle der Turbinenschaufel wird für eine bestimmte Zeit auf der Temperatur der Wärmebehandlung gehalten, um zu gewähr- leisten, dass das gesamte Aluminium aufschmilzt und die Ni¬ ckelpartikel vollständig umfließt und so umschließt .
Anschließend an die erste Wärmebehandlung erfolgt eine zweite Wärmebehandlung, eine so genannte Diffusionswärmebehandlung oder ein so genanntes Lösungsglühen. Die Temperatur während der Diffusionswärmebehandlung liegt unterhalb der Schmelztemperatur der Nickel-Basislegierung und beträgt ca. 1.0200C - 1.0800C. Bei diesen Temperaturen verschwindet die Ausgangs¬ phase, also das Aluminium, und bildet mit Teilen des Nickels eine hochschmelzende Nickelaluminid-Phase, nämlich Ni3Al. Der bereits zuvor erwähnte Schwund an Lotmaterial kann insbeson¬ dere bei der Diffusionswärmebehandlung auftreten. Dieser ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass Aluminium in die umgebende Nickel-Basislegierung diffundiert und daher im Riss nicht mehr zur Verfügung steht. Mittels des aufgebrachten
Druckes wird dann Lotzusammensetzung des auf der Oberfläche 503 der Schaufelwand 501 befindlichen Lotreservoirs in den Riss 505 gedrückt. Die Wärmebehandlung wird solange durchge¬ führt, bis das Aluminium weitgehend und vorzugsweise voll- ständig im Ni3Al überführt worden ist.
Nach dem Ende der Wärmebehandlung kann über die Oberfläche 503 vorstehendes Lotmaterial entfernt werden, so dass eine glatte Oberfläche 503 erzielt wird, wie sie in Fig. 5 darge¬ stellt ist. Die Ni3Al-Phase ist in Fig.5 durch kurze Striche angedeutet. Sie erstreckt sich über den Riss hinaus in das Nickel-Basismaterial der Schaufelwand hinein. Durch die Wahl von Nickel und Aluminium als Komponenten der Lotzusammenset¬ zung 507 kann für eine Schaufelwand, die aus einer Superle- gierung auf Nickelbasis hergestellt ist, erreicht werden, dass die resultierende Phase, nämlich Ni3Al, vergleichbare mechanische Eigenschaften wie die umgebende Superlegierung aufweist.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Fü¬ geverfahren ist in den Figuren 6 und 7 dargestellt. Im Unter- schied zum Fügeverfahren aus den Figuren 1 und 2 handelt es sich beim Verfahren gemäß der Figuren 3 und 4 nicht um ein Reparaturverfahren, sondern um ein Verfahren zum Verbinden zweier getrennter Teile 601, 611. Das Durchführen des Verfahrens entspricht dem beschriebenen Reparaturverfahren, jedoch ist dafür Sorge zu tragen, dass die Lotzusammensetzung 607 im Bereich zwischen den beiden Fügeflächen 613, 615 verbleibt. Dies kann bspw. durch adhäsionserhöhende Zusätze im Pulver der Lotzusammensetzung 607 geschehen. Es ist aber auch möglich, die Lotzusammensetzung 607 mechanisch zwischen den Fügeflächen 613, 615 zu halten, bspw., indem der Umfang des durch die Fügeflächen begrenzten Spaltes nach dem Befüllen mit Lotmaterial verschlossen wird. Die im Rahmen des zweiten Ausführungsbeispiels durchzuführenden Wärmebehandlungen entsprechen denen im ersten Ausführungsbeispiel.
Wie im ersten Ausführungsbeispiel kann die Lotzusammensetzung anders aufgebaut sein als lediglich aus Nickel und Aluminium. Insbesondere ist es möglich, eine MCrAlX-Zusammensetzung als Lotzusammensetzung zu verwenden. Auch bei der Verarbeitung solcher Lotzusammensetzungen führt eine Homogenisierung des Aluminiumgehaltes zu einer Anhebung des Soliduspunktes der resultierenden Phase. In dem beschriebenen Fügeverfahren ist es vorteilhaft, wenn nicht das gesamte Nickel in die Ni3Al-Phase eingeht. Es ist daher wünschenswert, dass der Anteil an Aluminium im Vergleich zu Nickel 25 Gewichtsprozent, vorzugsweise 10 Ge¬ wichtsprozent nicht überschreitet. Dies gilt auch bei Verwen¬ dung der MCrAlX-Zusammensetzung als Lotzusammensetzung.

Claims

Patentansprüche
1. Lotzusammensetzung (507, 607) mit einem Grundwerkstoff mit einer Solidustemperatur und wenigstens einer Ausgangsphase, die eine Solidustemperatur aufweist, die unterhalb der Solidustemperatur des Grundwerkstoffes (507, 607) liegt, wobei die Ausgangsphase so gewählt ist, dass sie bei einer Wärmebehandlung oberhalb einer bestimmten Temperatur mit dem Grundwerkstoff und/oder mit wenigstens einer weiteren Ausgangsphase wenigstens eine resultierende Phase bildet, deren Solidustemperatur höher liegt als die Solidustemperatur der Ausgangsphase bzw. der Ausgangsphasen.
2. Lotzusammensetzung (507, 607) nach Anspruch 1, in der der Grundwerkstoff Nickel und die Ausgangsphase Alu¬ minium ist .
3. Lotzusammensetzung (507, 607) nach Anspruch 2, in der der Aluminiumanteil nicht mehr als 25 Gew.-% be¬ trägt .
4. Lotzusammensetzung (507, 607) nach Anspruch 2, in der der Aluminiumanteil nicht mehr als 10 Gew.-% be¬ trägt .
5. Lotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in der die Lotzusammensetzung ein MCrAlX-Werkstoff ist, wobei M für Nickel, Cobalt oder Eisen steht und X für Ytt- rium und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden steht.
6. Lotzusammensetzung (507, 607) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche in Form eines Pulvergemisches vorliegt, in dem die Ausgangsphase Pulverpartikel aufweist, die kleiner sind als die Pulverpartikel des Grundwerkstoffes.
7. Verfahren zum Stoffschlüssigen Fügen einer Fügestelle
(505, 613, 615) aus einem Basismaterial unter Verwendung einer Lotzusammensetzung (507, 607) nach einem der
Ansprüche 1 bis 6, in dem die mit der Lotzusammensetzung (507, 607) versehene
Fügestelle (505, 613, 615) einer ersten Wärmebehandlung mit einer Temperatur unterzogen wird, die so gewählt ist, dass die Ausgangsphase schmilzt, und anschließend einer zweiten Wärmebehandlung unterhalb der
Solidustemperatur des Basismaterials mit einer Temperatur unterzogen wird, die dazu führt, dass die Ausgangsphase mit dem Grundwerk- Stoff und/oder der weiteren Ausgangsphase die wenigstens eine resultierende Phase bildet.
8. Verfahren nach Anspruch 7, in dem die Ausgangsphase einerseits und der Grundwerkstoff und/oder die wenigstens eine weitere Ausgangsphase anderer¬ seits so gewählt sind, dass die resultierende Phase nach der zweiten Wärmebehandlung mechanische Eigenschaften aufweist, die den mechanischen Eigenschaften des Basismateri- als nahe kommen.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, in dem der Grundwerkstoff Nickel und die Ausgangsphase AIu- minium ist und in dem die Temperatur der zweiten Wärmebehandlung 8000C - 1.2000C beträgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, in dem die zweite Wärmebehandlung unter Druck erfolgt.
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