WO2009018839A1 - Lotlegierung und verfahren zur reparatur eines bauteils - Google Patents

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WO2009018839A1
WO2009018839A1 PCT/EP2007/006942 EP2007006942W WO2009018839A1 WO 2009018839 A1 WO2009018839 A1 WO 2009018839A1 EP 2007006942 W EP2007006942 W EP 2007006942W WO 2009018839 A1 WO2009018839 A1 WO 2009018839A1
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germanium
solder
zirconium
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Paul Heinz
Michael Ott
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/057—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being less 10%
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • 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
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
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    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B23K35/3033—Ni as the principal constituent
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Definitions

  • the invention relates to a solder alloy according to claim 1 and a method for repairing a component according to claim 40.
  • Components sometimes need to be repaired after manufacture, for example after casting or after they have been used and cracked. There are various repair methods such. As the welding method, in which, however, a substrate material of the component must be melted with, which can lead to damage in particular of cast and directionally solidified components and for evaporation of components of the substrate material.
  • soldering process works with respect to the temperature during the welding process and thus with respect to the melting temperature of the substrate material at lower temperatures. Nevertheless, the solder should have a high strength, so that the solder-filled crack or the recess does not lead to a weakening of the entire component at the high operating temperatures.
  • the object is achieved by a solder made of a solder alloy according to claim 1 and by a method according to claim 40.
  • FIG. 1 shows two cross-sectional views of a component during and after a treatment with the solder according to the invention
  • FIG. 2 shows in perspective a turbine blade
  • FIG. 3 shows in perspective a combustion chamber
  • FIG. 4 shows a gas turbine
  • Figure 5 is a list of superalloys.
  • FIG. 1 shows a component 1 which is treated with a solder 10 made of a solder alloy according to the invention.
  • the component 1 comprises a substrate 4 which, in particular for components for high-temperature applications, in particular for turbine blades 120, 130 (FIG. 2) or combustion chamber elements 155 (FIG. 3) for steam or gas turbines 100 (FIG cobalt-based superalloy (Figure 5).
  • Lot 10 is also used for turbine blades for aircraft.
  • the solder 10 can preferably be used for all alloys according to FIG. These may preferably be the known materials PWA 1483, PWA 1484 or Rene N5.
  • the substrate 4 is preferably directionally solidified, thus has a DS or SX structure.
  • the substrate may have a CC structure.
  • the substrate 4 has a crack 7 or a recess 7, which is to be filled by soldering.
  • the cracks 7 or recesses 7 are preferably about 200 microns wide and can be up to 5mm deep.
  • the solder 10 is applied from a solder alloy in or in the vicinity of the recess 7 and by a heat treatment (+ T), the solder 10 melts below a melting temperature of the substrate 4 and completely fills the recess 7.
  • the solder may have a CC, DS or SX structure.
  • the solder alloy 10 is nickel-based and therefore preferably has nickel (Ni) as the largest proportion.
  • the solder alloy contains at least 10% zirconium (Zr), in particular at least 3% by weight zirconium.
  • Zr zirconium
  • the particular maximum share of Zr is 18wt%.
  • the zirconium content is preferably in the range of 10wt% to 16wt%, more preferably llwt% to 15wt%, and most preferably 13wt%.
  • the system of nickel and zirconium preferably also contains germanium (Ge).
  • the proportion of germanium is at least lwt% and a maximum proportion of 30wt%, in particular at most only 20wt%.
  • germanium values are between 3wt% and 8wt%, more preferably in a range between 8wt% and 13wt%, or most preferably in a range of 13wt% to 18wt%.
  • chromium (Cr), cobalt (Co), aluminum (Al) and / or tungsten (W) may also be contained in the solder alloy 10. This means that Cr, Co, Al and / or W are deliberately added and therefore above the metrological detection limit or the degree of contamination (whichever is higher) of the each element, in particular twice as high as the detection limit or as the impurity level.
  • Chromium contributes to corrosion protection and solid solution hardening.
  • Cobalt also increases ⁇ ! Formation fraction and contributes to solid solution hardening.
  • Tungsten is also added to solid solution hardening.
  • the proportion of chromium is in the range of 2wt% to 12wt%, more preferably in the range of 4wt% to 10wt%.
  • the cobalt content is preferably in the range between 2wt% and llwt%, in particular in the range between 4wt% and 9wt%.
  • the aluminum content is preferably between 1% and 6% by weight, in particular within a range of 3% by weight to 4% by weight.
  • the tungsten content is preferably between 2wt% and 6wt%, especially at 4wt%.
  • the solder alloy 10 is made of nickel, zirconium, chromium, cobalt, germanium and aluminum.
  • the solder alloy 10 is made of nickel, zirconium, chromium, cobalt, aluminum, germanium and tungsten.
  • silicon (Si) and / or manganese (Mn) or iron (Fe) is dispensed with.
  • FIG. 2 shows by way of example a gas turbine 100 in a partial longitudinal section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 104 a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with, for example, an annular hot gas channel 111.
  • annular hot gas channel 111 There, for example, four turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings.
  • 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 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is guided to the burners 107 and mixed there 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. To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • Iron, nickel or cobalt-based superalloys are used as material for the components, in particular for the turbine blades 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
  • 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.
  • the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the 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 is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • 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 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttria 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 vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot. The vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 3 shows a perspective view of a rotor 120 or guide vane 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 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjacent thereto and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).
  • 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 designed, for example, as a hammer head. Other designs as fir tree or Schissebwschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • blades 120, 130 for example, solid metallic materials, in particular superalloys, are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130.
  • 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.
  • 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.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • Such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt.
  • These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i. the whole workpiece consists of a single crystal.
  • Structures are also called directionally solidified structures. Such methods are known from US Pat. No. 6,024,792 and EP 0 892 090 A1.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. 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)).
  • 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 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which relate to.
  • the chemical composition of the alloy should be part of this disclosure.
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1 are also preferably used , 5RE.
  • 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 completely 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. Other coating methods are conceivable, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD.
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • the Thermal insulation layer is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • Refurbishment means that components 120, 130 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). 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.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • FIG. 4 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of burners 107 arranged in the circumferential direction around a rotation axis 102 open into a common combustion chamber space 154, which generate flames 156.
  • 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 0 C.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M side with an inner lining formed from heat shield elements 155.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating). equipped or is made of high temperature resistant material (solid ceramic stones).
  • 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 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • a ceramic thermal barrier coating may be present and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • Other coating methods are conceivable, e.g. atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD.
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that heat shield elements 155 may need to be deprotected (e.g., by sandblasting) after use. 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.
  • the 110 may also be provided for the heat shield elements 155 and for their holding elements, a cooling system.
  • the heat shield elements 155 are then hollow and have, for example possibly still in the combustion chamber 154 opening cooling holes (not shown).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lotlegierung, die zumindest Nickel-Zirkon aufweist und vorzugsweise auch noch Germanium aufweist.

Description

Lotlegierung und Verfahren zur Reparatur eines Bauteils
Die Erfindung betrifft eine Lotlegierung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Reparatur eines Bauteils gemäß Anspruch 40.
Bauteile müssen manchmal nach der Herstellung, beispielsweise nach dem Gießen oder nachdem sie im Einsatz waren und Risse gebildet haben, repariert werden. Hierzu gibt es verschiedene Reparaturverfahren wie z. B. das Schweißverfahren, bei dem jedoch ein Substratmaterial des Bauteils mit aufgeschmolzen werden muss, was zu einer Schädigung insbesondere von gegossenen und gerichtet erstarrten Bauteilen sowie zur Verdampfung von Bestandteilen des Sub- stratmaterials führen kann.
Ein Lotverfahren arbeitet gegenüber der Temperatur beim Schweißverfahren und damit gegenüber der Schmelztemperatur des Substratmaterials bei niedrigeren Temperaturen. Das Lot soll aber trotzdem eine hohe Festigkeit aufweisen, damit der mit Lot aufgefüllte Riss oder die Vertiefung nicht zu einer Schwächung des gesamten Bauteils bei den hohen Einsatztemperaturen führt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Lotlegierung und ein
Verfahren zur Reparatur eines Bauteils aufzuzeigen, die bzw. das das oben genannte Problem überwindet .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Lot aus einer Lotlegierung gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 40.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig in vorteilhafter Art und Weise miteinander kombiniert werden können. Es zeigen :
Figur 1 zwei Querschnittsansichten eines Bauteils während und nach einer Behandlung mit dem erfindungsgemäßen Lot,
Figur 2 perspektivisch eine Turbinenschaufel,
Figur 3 perspektivisch eine Brennkammer,
Figur 4 eine Gasturbine
Figur 5 eine Liste von Superlegierungen.
Das Verfahren
Figur 1 zeigt ein Bauteil 1, das mit einem Lot 10 aus einer erfindungsgemäßen Lotlegierung behandelt wird. Das Bauteil 1 umfasst ein Substrat 4, das insbesondere bei Bauteilen für Hochtemperaturanwendungen, insbesondere bei Turbinenschaufeln 120, 130 (Fig. 2) oder Brennkammerelementen 155 (Fig. 3) für Dampf- oder Gasturbinen 100 (Fig. 4) aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung besteht (Fig. 5) .
Anwendung findet das Lot 10 auch bei Turbinenschaufeln für Luftfahrzeuge .
Das Lot 10 kann vorzugsweise für alle Legierungen gemäß der Figur 5 verwendet werden. Dies können vorzugsweise die bekannten Werkstoffe PWA 1483, PWA 1484 oder Rene N5 sein. Das Substrat 4 ist vorzugsweise gerichtet erstarrt, weist also eine DS- oder SX-Struktur auf.
Ebenso vorzugsweise kann das Substrat eine CC-Struktur auf- weisen.
Das Substrat 4 weist einen Riss 7 oder eine Vertiefung 7 auf, der bzw. die durch Löten aufgefüllt werden soll. Die Risse 7 bzw. Vertiefungen 7 sind vorzugsweise etwa 200μm breit und können bis zu 5mm tief sein.
Dabei wird das Lot 10 aus einer Lotlegierung in oder in die Nähe der Vertiefung 7 aufgebracht und durch eine Wärmebehand- lung (+T) schmilzt das Lot 10 unterhalb einer Schmelztemperatur des Substrats 4 auf und füllt die Vertiefung 7 vollständig auf .
Je nach Prozessführung und Substrat kann das Lot eine CC-, DS- oder SX-Struktur aufweisen.
Die Lotlegierung
Die Lotlegierung 10 ist nickelbasiert und weist daher vor- zugsweise als größten Anteil Nickel (Ni) auf.
Neben Nickel enthält die Lotlegierung 10 mindestens noch lwt% Zirkon (Zr) , insbesondere mindestens 3wt% Zirkon. Der insbesondere maximale Anteil von Zr liegt bei 18wt%. Der Zirkonanteil liegt vorzugsweise in dem Bereich von 10wt% bis 16wt%, insbesondere bei llwt% bis 15wt%, und ganz insbesondere bei 13wt%.
Vorzugsweise enthält das System aus Nickel und Zirkon auch noch Germanium (Ge) . Der Anteil von Germanium beträgt mindestens lwt% und einen maximalen Anteil von 30wt%, insbesondere maximal nur 20wt%. Vorzugsweise liegen die Werte für Germanium zwischen 3wt% und 8wt%, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 8wt% und 13wt% oder ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 13wt% bis 18wt%.
Neben den Bestandteilen von Nickel, Zirkon und Germanium kann auch noch Chrom (Cr), Kobalt (Co), Aluminium (Al) und/oder Wolfram (W) in der Lotlegierung 10 enthalten sein. Dies bedeutet, dass Cr, Co, Al und/oder W bewusst hinzugegeben werden und somit über der messtechnischen Nachweisgrenze oder dem Verunreinigungsgrad (je nachdem was höher ist) des jeweiligen Elements liegen, insbesondere doppelt so hoch ist wie die Nachweisgrenze oder wie der Verunreinigungsgrad.
Chrom trägt zum Korrosionsschutz und zur Mischkristallhärtung bei.
Die Zugabe von Aluminium fördert die γf -Bildung und führt damit zur Festigkeitssteigerung und trägt ebenso zur Mischkristallhärtung bei.
Auch Kobalt steigert den γ! -Bildungsanteil und trägt zur Mischkristallhärtung bei.
Wolfram wird ebenfalls zur Mischkristallhärtung hinzugefügt.
Der Anteil von Chrom liegt im Bereich von 2wt% bis 12wt%, besonders bevorzugt im Bereich von 4wt% bis 10wt%.
Der Kobaltgehalt liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 2wt% und llwt%, insbesondere im Bereich zwischen 4wt% und 9wt%.
Der Aluminiumgehalt liegt vorzugsweise zwischen lwt% und 6wt%, insbesondere in einem Bereich von 3wt% bis 4wt%.
Der Wolframanteil liegt vorzugsweise zwischen 2wt% und 6wt%, insbesondere bei 4wt%.
Vorzugsweise besteht die Lotlegierung 10 aus Nickel, Zirkon, Chrom, Kobalt, Germanium und Aluminium.
Ebenso vorzugsweise besteht die Lotlegierung 10 aus Nickel, Zirkon, Chrom, Kobalt, Aluminium, Germanium und Wolfram.
Vorzugsweise wird auf die Zugabe von Silizium (Si) und/oder Mangan (Mn) oder Eisen (Fe) verzichtet.
Ebenso weist die Legierung kein Bor (B) , kein Kupfer (Cu) oder kein Palladium (Pd) auf. Die Figur 2 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 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 verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be- reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt 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- schaufei 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.
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.
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 Yttriumoxid 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 dargestellt) 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 3 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 aufeinander 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 dargestellt) .
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 ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwal- benschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive 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.
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 wer- den als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt 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 besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, 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 Korn- grenzen 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.
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- 8Al-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- 10Al-0,4Y-l,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, teilweise 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 Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner 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 angedeutet) auf.
Die Figur 4 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer 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 1000°C bis 16000C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium 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.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht 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. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt . Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) , LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Hitzeschildelemente 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 Hitzeschildelemente 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.

Claims

Patentansprüche
1. Lotlegierung, die nickelbasiert ist und
Zirkon (Zr) mit einem Mindestgehalt von lwt% aufweist.
2. Lotlegierung nach Anspruch 1, die Germanium (Ge) aufweist, insbesondere mit einem Mindestgehalt von 0,lwt%.
3. Lotlegierung nach Anspruch 1 oder 2, die Chrom (Cr) aufweist, insbesondere mit einem Mindestgehalt von 0,lwt%.
4. Lotlegierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, die Kobalt (Co) aufweist, insbesondere mit einem Mindestgehalt von 0,lwt%.
5. Lotlegierung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, die Aluminium (Al) aufweist, insbesondere mit einem Mindestgehalt von 0,lwt%.
6. Lotlegierung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, die Wolfram (W) aufweist, insbesondere mit einem Mindestgehalt von 0,lwt%.
7. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, die zumindest 3wt% Zirkon (Zr) aufweist.
.
8. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche , die Zirkon (Zr) mit einem Maximalgehalt von 16wt% aufweist
9. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, die 3wt% bis 6wt% Zirkon (Zr) aufweist, insbesondere 6wt% Zirkon (Zr) .
10. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, die 6wt% bis 10wt% Zirkon (Zr) aufweist, insbesondere 10wt% Zirkon (Zr) .
11. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche 1 bis 6, die 10wt% bis 16wt%, insbesondere 13wt% Zirkon (Zr) aufweist.
12. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche , die lwt% bis 30wt% Germanium (Ge) aufweist, insbesondere bis 20wt%.
13. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche , die 3wt% bis 8wt% Germanium (Ge) aufweist, insbesondere 3wt% Germanium (Ge) , ganz insbesondere 5wt% Germanium (Ge) .
14. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche , die 8wt% bis 13wt% Germanium (Ge) aufweist, insbesondere 8wt% Germanium (Ge) .
15. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche , die 13wt% bis 16wt% Germanium (Ge) aufweist, insbesondere 13wt% Germanium (Ge) .
16. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche , die 16wt% bis 20wt% Germanium (Ge) aufweist, insbesondere 16wt% Germanium (Ge) .
17. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, die 2wt% bis 12wt% Chrom (Cr) aufweist, insbesondere 4wt% bis 10wt%.
18. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche , die 4wt% bis 7wt% Chrom (Cr) aufweist, insbesondere 4wt%.
19. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche , die 7wt% bis 12wt% Chrom (Cr) aufweist, insbesondere 10wt%.
20. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, die 3wt% bis 5wt% Chrom (Cr) aufweist, insbesondere 4wt%.
21. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, die 9wt% bis llwt% Chrom (Cr) aufweist, insbesondere 10wt%.
22. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche , die 2wt% bis llwt% Kobalt (Co) aufweist, insbesondere 4wt% bis 9wt%.
23. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche , die 2wt% bis 6wt% Kobalt (Co) aufweist, insbesondere 4wt%.
24. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche , die 6wt% bis llwt% Kobalt (Co) aufweist, insbesondere 8wt%.
25. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche , die 3wt% bis 5wt% Kobalt (Co) aufweist, insbesondere 4wt%.
26. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, die 8wt% bis 10wt% Kobalt (Co) aufweist, insbesondere 9wt%.
27. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, die Gallium (Ga) aufweist, insbesondere mindestens 0,lwt%.
28. Lotlegierung nach Anspruch 27, bei der Gallium (Ga) das Germanium (Ge) höchstens teil- weise, insbesondere vollständig ersetzt.
29. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, die lwt% bis 6wt% Aluminium (Al) aufweist, insbesondere 2wt% bis 5wt%.
30. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche , die 2wt% bis 4wt% Aluminium (Al) aufweist, insbesondere 3wt%.
31. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche , die 3wt% bis 5wt% Aluminium (Al) aufweist, insbesondere 4wt%.
32. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, die 2wt% bis 6wt% Wolfram (W) aufweist, insbesondere 3wt% bis 5wt%.
33. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche , die 4wt% Wolfram (W) aufweist, insbesondere 3,8wt%.
34. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche, die aus Nickel (Ni) , Zirkon (Zr) , Chrom (Cr) , Kobalt (Co) , Germanium (Ge) und Aluminium (Al) besteht.
35. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, die aus Nickel (Ni) , Zirkon (Zr) , Chrom (Cr) , Kobalt (Co) , Aluminium (Al), Germanium (Ge) und Wolfram (W) besteht.
36. Lotlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 35, die kein Bor (B) enthält.
37. Lotlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 36, die kein Silizium (Si) aufweist.
38. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche, die kein Kupfer (Cu) enthält.
39. Lotlegierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche , die kein Palladium (Pd) enthält.
40. Verfahren zur Reparatur eines Bauteils (1, 120, 130, 155) , bei dem ein Lot (10) aus einer Lotlegierung gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 39 verwendet wird.
41. Verfahren nach Anspruch 40, bei dem das Lotverfahren isothermal durchgeführt wird.
42. Verfahren nach Anspruch 40, bei dem das Lotverfahren mittels eines Temperaturgradienten durchgeführt wird.
43. Verfahren nach Anspruch 40, 41 oder 42, bei dem das Lot (40) polykristallin erstarrt wird.
44. Verfahren nach Anspruch 40, 41 oder 42, bei dem das Lot (40) gerichtet, insbesondere einkristallin, erstarrt wird.
45. Verfahren nach Anspruch 40, 41, 42, 43 oder 44, bei dem das Lot (10) für die Legierungen PWA 1483 SX, PWA 1484 SX oder Rene N5 verwendet wird.
46. Verfahren nach Anspruch 40, 41, 42, 43, 44 oder 45, bei dem ein Substrat (4) des Bauteils (1, 120, 130, 155) eine gerichtet erstarrte, insbesondere einkristalline Struktur aufweist.
47. Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 45, bei dem das Substrat (4) des Bauteils (1, 120, 130, 155) eine CC-Struktur aufweist.
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