WO2017060044A1 - Bauteil und auffüllung einer fehlstelle mittels alternativen lot- und grundwerkstoffschichten - Google Patents

Bauteil und auffüllung einer fehlstelle mittels alternativen lot- und grundwerkstoffschichten Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a filling of a defect in which a layer of solder and a base material or material similar material is used to fill the defect.
  • the idea relates to a coating repair, in particular by means of laser beam build-up welding of components in combination with a solder material. Materials are used for this process. This is a material with a high proportion of intermetallic phase, e.g. Rene80 and a similar solder material. Fast build-up welding can rapidly switch back and forth between at least two streams of powder masses of different chemical composition, so that the chemical composition of the applied material changes seamlessly and no break in the powder mass flow into the molten bath occurs.
  • similar soldering materials in addition to the powder of the base materials can be used as filler metals for laser deposition welding.
  • the advantages are improved material properties of the component compared to conventionally welded components and an equal thermal expansion coefficient due to the same type of repair.
  • the figure shows a component 1 with a defect 4.
  • the component 1 may be any component of a metal.
  • the component is a high-temperature component, in particular a turbine, in particular a gas turbine, which then has a nickel- or cobalt-based superalloy.
  • defect 4 where there is too little material and must be replenished.
  • this is a trough.
  • the shape of the defect 4 is not restrictive, that is, a flank can also be open and have no side surface.
  • a substrate 14 of this component 1 has a certain base material, which has a certain melting point.
  • a solder material has melting point depressants such as boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), magnesium (Mg), manganese (Mn) in addition to the base material or another composition which has a melting point which is at least 10K, in particular 20K lower relative to the base material.
  • melting point depressants such as boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), magnesium (Mg), manganese (Mn) in addition to the base material or another composition which has a melting point which is at least 10K, in particular 20K lower relative to the base material.
  • the defect 4 is filled in layers and alternately with a base material or material similar to base material and a solder material. This starts, for example, with a layer or lower layer 10 'made of a solder material, on which the base material or the material similar to the base material is applied as a layer 11'. This is continued alternately until the defect 4 is completely filled and then provided with a filling 7.
  • the thickness of the individual layers 10 ⁇ , 11 ⁇ , 10 ⁇ ⁇ , 11 ⁇ ⁇ , ... can be different from each other and vary along the direction of the outer surface 17 towards.
  • the individual layers 10 ⁇ , 11 ⁇ , 10 ⁇ ⁇ , 11 ⁇ ⁇ , ... are means of a build-up welding process, in particular a powder-ver Huaweissch spavons generated more in particular a laser powder build-up welding process.
  • the individual webs are laid so that they are optimal for the subsequent load direction 20.

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Abstract

Bauteil und schichtweise Auffüllung einer Fehlstelle mittels Lot- und Grundwerkstoff Durch die schichtweise (10', 11', …) Auffüllung einer Fehl- stelle (4) werden gute mechanische Eigenschaften für die Fehlstelle (4) und das gesamte Bauteil (1) erreicht.

Description

BAUTEIL UND AUFFÜLLUNG EINER FEHLSTELLE MITTELS ALTERNATIVEN LOT- UND GRUNDWERKSTOFFSCHICHTEN
Die Erfindung betrifft eine Auffüllung einer Fehlstelle, bei dem schichtweise ein Lot- und ein Grundwerkstoff oder grund- werkstoffähnliches Material verwendet wird, um die Fehlstelle aufzufüllen . Die Idee betrifft eine Beschichtungsreparatur, insbesondere mittels Laserstrahl- Auftragsschweißen von Bauteilen in Kombination mit einem Lotwerkstoff. Für diesen Prozess werden Werkstoffe eingesetzt. Dabei handelt es sich um einen Werkstoffen mit großem Anteil an intermetallischer Phase, z.B. Rene80 und einen artähnlichen Lotwerkstoff. Beim Auftragsschweißen mit schnellem Pulverschalter kann zwischen mindestens zwei Pulvermassenströmen mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung schnell hin- und her zu schalten, so dass sich die chemische Zusammensetzung des aufgetragenen Werkstoffes nahtlos ändert und es zu keinem Abbruch des Pulvermassenstroms in das Schmelzbad kommt. Somit können auch artähnliche Lötwerkstoffe neben dem Pulver aus den Grundwerkstoffen (z.B. Rene80) als Zusatzwerkstoffe für das Laserstrahl-Auftragsschweißen eingesetzt werden.
Bisher gibt es keine Beschichtungsverfahren für Nickelbasis- Superlegierungen mit großem Anteil an intermetallischer Phase wie Rene80, In738. Beim Coupon Repair mittels Hochtemperaturlöten werden Grundwerkstoff und Zusatzwerkstoff vermischt und zu einem Coupon geformt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen . Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 2. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen. Es zeigt die Figur ein erfindungsgemäßes Bauteil 1 und die erfindungsgemäße Vorgehensweise.
Die Figur und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
In einem beschädigten Bereich einer Turbinenschaufel als beispielhaftes Bauteil werden Muldengeometrien gefertigt, so dass Risse und Oxide für eine anschließende Beschichtung vollständig entfernt sind. Die vorgefertigten Muldengeome- trien werden anschließend vorzugsweise mittels Laserstrahl- Auftragsschweißen unter Verwendung von zwei Werkstoffen wieder aufgefüllt. Dabei wird einmal der Grundwerkstoff dem Schmelzbad zugeführt. Als zweiter Werkstoff wird ein artähnlicher Werkstoff eingesetzt, der bisher für das Engspaltlöten von Rissen dieser Grundwerkstoffe verwendet wird. Beide Werkstoffe werden schichtweise übereinander auftragsgeschweißt, so dass die auftragsgeschweißten Schichten in der Hauptbelastungsrichtung ausgerichtet werden. Zum schnellen Schalten zwischen beiden Werkstoffen kann ein schneller Pulverschalter während des Schweißprozesses eingesetzt werden. Während des Schweißens vom Grundwerkstoff kommt es aufgrund des großen Anteils an intermetallischer Phase zu Heißrissbildung im Schweißgut. In einer abschließenden Wärmebehandlung nach dem Schweißprozess werden diese Heißrisse durch den Lotwerkstoff verschlossen und es wird ein rissfreies Gefüge ausgebildet.
Die Vorteile sind verbesserte Materialeigenschaften des Bauteils im Vergleich zu konventionell geschweißten Bauteilen und ein gleicher thermischer Ausdehnungskoeffizient aufgrund der artgleichen Reparatur.
Es zeigt die Figur ein Bauteil 1 mit einer Fehlstelle 4. Das Bauteil 1 kann jedes beliebige Bauteil aus einem Metall sein. Insbesondere ist das Bauteil ein Hochtemperaturbauteil, insbesondere einer Turbine, ganz insbesondere einer Gasturbine, das dann eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegie- rung aufweist.
Bei der Neuherstellung oder bei der Wiederaufbearbeitung gibt es eine Fehlstelle 4, an der zu wenig Material vorhanden ist und die wieder aufgefüllt werden muss. In diesem Ausführungs- beispiel ist dies eine Mulde. Die Form der Fehlstelle 4 ist aber nicht einschränkend, das heisst, eine Flanke kann auch offen sein und keine Seitenfläche aufweisen.
Ein Substrat 14 dieses Bauteils 1 weist einen bestimmten Grundwerkstoff auf, der einen bestimmten Schmelzpunkt aufweist .
Ein Lotwerkstoff weist Schmelzpunkterniedriger wie Bor (B) , Silizium (Si) , Germanium (Ge) , Magnesium (Mg) , Mangan (Mn) zusätzlich zum Grundwerkstoff auf oder eine andere Zusammen- Setzung, der eine um mindestens 10K, insbesondere 20K niedrigeren Schmelztemperatur gegenüber dem Grundwerkstoff aufweist .
Wenn von Grundwerkstoff die Rede ist, kann auch von grund- werkstoffähnlichem Material gesprochen werden, der dann eine andere Zusammensetzung, eine andere Schmelztemperatur als der Grundwerkstoff des Substrats 14 aufweist, der aber immer noch eine um mindestens 10K, insbesondere 20K höhere Schmelztemperatur als der Lotwerkstoff aufweist. Die Fehlstelle 4 wird schichtweise und abwechselnd mit einem Grundwerkstoff oder grundwerkstoffähnlichen Material und einem Lotwerkstoff aufgefüllt. Dabei fängt man beispielsweise mit einer Schicht oder unteren Lage 10' aus einem Lotwerkstoff an, auf dem der Grundwerkstoff oder das grundwerkstoff- ähnliche Material als eine Schicht 11' aufgetragen wird. Dies wird alternierend fortgesetzt bis die Fehlstelle 4 vollständig aufgefüllt ist und dann mit einer Füllung 7 versehen ist. Die Dicke der einzelnen Lagen 10 λ, 11 λ, 10λ λ, 11λ λ, ... können untereinander verschieden sein und auch entlang der Aufbaurichtung zur äußeren Oberfläche 17 hin variieren.
Die einzelnen Schichten 10 λ, 11 λ, 10λ λ, 11λ λ, ... werden mit- tels eines Auftragsschweißverfahrens, insbesondere eines Pul- verauftragsschweißverfahrens , ganz insbesondere eines Laserpulverauftragsschweißverfahrens erzeugt. Dabei werden die einzelnen Bahnen so gelegt, dass sie optimal zur späteren Belastungsrichtung 20 liegen.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil (1)
mit einer aufgefüllten Fehlstelle (4),
wobei das Bauteil (1) zumindest aufweist:
ein Substrat (14) mit der Fehlstelle (4) ,
wobei das Substrat (14) einen Grundwerkstoff aufweist, wobei die Fehlstelle (4) schichtweise abwechselnd mit einem Grundwerkstoff oder grundwerkstoffähnlichem Material
und einem Lotwerkstoff aufgefüllt ist,
bei dem der Lotwerkstoff gegenüber dem Grundwerkstoff oder dem grundwerkstoffähnlichem Material eine um mindestens 10K, insbesondere um mindestens 20K niedrigere Schmelztemperatur aufweist.
2. Verfahren zur Auffüllung einer Fehlstelle (4),
insbesondere zur Herstellung eines Bauteils (1) nach An- spruch 1,
bei dem eine Fehlstelle (4) eines Substrats (14) aus einem Grundwerkstoff schichtweise abwechselnd mit einem Grundwerkstoff oder grundwerkstoffähnlichem Material und einem Lotwerkstoff aufgefüllt wird,
bis die Fehlstelle (4) vollständig aufgefüllt ist,
bei dem der Lotwerkstoff gegenüber dem Grundwerkstoff oder dem grundwerkstoffähnlichem Material eine um mindestens 10K, insbesondere um mindestens 20K niedrigere Schmelztemperatur aufweist .
3. Bauteil oder Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem die Lagen (10 11 λ, 10λ λ, 1Γ \ ...) durch ein Pulverauftragsschweißverfahren,
insbesondere ein Laserpulverauftragsschweißverfahren
erzeugt sind oder werden.
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