DE60121122T2

DE60121122T2 - Verfahren zum Diffusionsfügen von Bauteilen aus Superlegierung

Info

Publication number: DE60121122T2
Application number: DE60121122T
Authority: DE
Inventors: Richard J. Paradise Valley Stueber; Brenton L. Blanche
Original assignee: Triumph Group Inc
Current assignee: Triumph Group Inc
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: DE60121122D1; EP1216784B1; US20020104875A1; EP1216784A2; EP1216784A3; US6880745B2; US20040169063A1; US6464129B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung und Reparatur von Superlegierungskomponenten, insbesondere ein Verfahren zum Binden von Superlegierungen an einer Schnittstelle.
Superlegierungen werden in Gegenständen wie Komponenten der heißen Triebwerkszone von Gasturbinen verwendet, da sie bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit zeigen. Typische Superlegierungen sind auf Nickel basierende Superlegierungen (wie Inconel 617 und Rene 80) oder auf Kobalt basierende Superlegierungen (wie X-40 und FSX-414). Auf Eisen basierende Superlegierungen (wie V-57) sind ebenfalls üblich. Oft werden Superlegierungskomponenten, die zur Benutzung in Gasturbinenmotoren dienen, als Unterkomponenten hergestellt, die miteinander verbunden werden, um die Endmotorkomponente zu bilden. In manchen Fällen können die Komponenten durch Schweißen verbunden werden, in vielen Fällen ist das Schweißen jedoch entweder aufgrund der Unzugänglichkeit der zu bindenden Verbindungsstelle oder der Empfindlichkeit der Superlegierungsmikrostruktur auf die Schweißtemperaturen (wie bei Legierungen, die durch Gamma-Strich-Ausscheidung gehärtet werden) nicht praktikabel. Dementsprechend sind zahlreiche Diffusionshartlote entwickelt worden, um eine Bindung mit hoher Festigkeit dieser nicht schweißbaren Komponenten zu ermöglichen.
Das Diffusionshartlöten ist auf die Festkörperdiffusion von Atomen über eine Schnittstelle der Verbindungsstelle zwischen dem Hartlot und dem Grundmetall angewiesen. Daraus folgt notwendigerweise, dass die Diffusionshartlote formuliert werden, um das Grundmaterial der Teile zu ergänzen, die verbunden werden. Diffusionshartlote sind folglich im Allgemeinen und je nach der Zusammensetzung des Grundmetalls auf Nickel, Eisen oder Kobalt basierende Legierungen, die mit einem oder mehreren Schmelzpunkterniedrigern wie Bor oder Silizium kombiniert werden. Hartlötverbindungen weisen folglich eine Zusammensetzung auf, die der Grundlegierung ähnlich ist, jedoch einen Schmelzpunkt, der unter dem des Grundmetalls liegt. Hartlötverbindungen werden typischerweise in der Form eines Pulvers, einer Paste oder Dünnschicht bereitgestellt. Das Binden einer Verbindungsstelle wird durch Anordnen des Hartlötmaterials auf der Verbindungsstelle und durch Erwärmen der Verbindungsstelle auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Hartlots, jedoch unter dem anfänglichen Schmelzpunkt der Grundlegierung bewirkt. Das Hartlotmaterial wird durch Kapillarwirkung in die Verbindungsstelle gezogen und bildet bei Abkühlen eine starke metallische Bindung über die Verbindungsstelle.
Das Hartlöten hat seine Nachteile. An den Stellen, an denen die verbundenen Teile kleine Merkmale wie Rillen oder Durchgänge aufweisen, weist das Hartlot in diesen Merkmalen oft eine Dochtwirkung auf oder versperrt diese teilweise oder vollständig. Zum Beispiel weisen die Kühlplatten in den Übergangsleitungen einer fortschrittlichen, industriellen Hochtemperatur-Gasturbine kleine Querschnitts-Kühldurchgänge auf. Die Kühlplatten werden gewöhnlich durch Fräsen einer Reihe Kanäle in ein Superlegierungsblech und durch Hartlöten eines Superlegierungs-Abdeckblechs über die gefrästen Kanäle hergestellt. Herkömmliche Prozesssteuerungen haben sich als unwirksam erwiesen zu vermeiden, dass das Hartlot in den Kühldurchgängen eine Dochtwirkung aufweist, was zu einem hohen Anteil zurückgewiesener Teile führt.
Ein weiterer Nachteil des Hartlötens besteht darin, dass das Hartlot in Anwendungen mit äußerst hohen Temperaturen bei einer Temperatur erweicht, die unter derjenigen des umgebenden Teils liegt, da das Hartlot einen geringeren Schmelzpunkt aufweist als das umgebende Grundmaterial. Folglich schränkt die Temperatureinschränkung des Hartlots die Betriebstemperatur der gesamten Anordnung ein. Die Wärmebehandlung nach dem Hartlöten verbessert die Hochtemperatureigenschaften der hartgelöteten Verbindungsstellen durch die Diffusion der Schmelzpunkterniedriger aus der hartgelöteten Verbindungsstelle und in das umgebende Grundmetall in gewissem Maße.
Aus diesem Grund wird ein Verfahren zur Diffusionsbindung von Superlegierungskomponenten ohne die Benutzung von Hartloten benötigt.
US-A-5 221 039, US-A-4 689 104 und GB-A-2 081 155 betreffen Superlegierungsgegenstände, die mit Hilfe eines Kontaktmediums, welches einen Schmelzpunkterniedriger umfasst, in der flüssigen Phase durch Diffusion gebunden werden.
US-A-4 724 120 offenbart feste Gegenstände, die durch Interdiffusion gebunden werden, oder Pulverkörner aus Superlegierungen, wobei ein Kontaktmedium angewendet wird, das eine Verbindung des BF₄-Typs umfasst. Wenn eine Verbindung auf Gegenstände aufgebracht wird, die vor dem Binden gereinigt werden, ist die benutzte Verbindung anorganisch (NH₄BF₄). Bei der Anwendung auf Pulverkörnern wird die Aufbringung durch Eintauchen der nicht vorbehandelten oder nicht vorgereinigten Pulver in eine Alkohollösung der Verbindung des BF₄-Typs durchgeführt.
Die Erfindung wird in Anspruch 1 definiert, optionale Merkmale davon werden in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zur Diffusionsbindung von Superlegierungssubstraten durch Ablegern eines Aktivators direkt auf die Fläche der zu bindenden Verbindungsstelle und nachfolgendes Wärme- und Druckaussetzen der Verbindungsstelle, was bewirkt, dass die Fläche der Superlegierung in Gegenwart des Aktivators ohne die Benutzung eines Hartlots durch Diffusion gebunden wird. Durch Beseitigen des Hartlots wird eine hochfeste Hochtemperaturbindung erreicht, wobei jedoch kein geschmolzenes Hartlot durch Kapillarwirkung in jegliche feine Merkmale gezogen wird, welche die gebundene Verbindungsstelle umgeben, und wobei an der Schnittstelle keine Rückstände zurückbleiben, welche die mechanischen Eigenschaften der Verbindungsstelle verringern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus dem Lesen der folgenden, detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnungsfigur, in welcher:
1 eine auseinandergezogene Übersicht einer Übergangsleitung ist, die gemäß den Merkmalen der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine erläuternde Ausführungsform, die Merkmale der vorliegenden Erfindung aufnimmt, wird hiernach in Verbindung mit der Herstellung einer Platte beschrieben, die zur Aufnahme in eine Übergangsleitung bestimmt ist, welche benutzt wird, um Heißverbrennungsprodukte aus einem Brenner zu der Turbine der ersten Stufe eines Gasturbinenmotors zu fördern. Wie in 1 dargestellt, umfasst die Platte 110 ein Blech einer gewalzten, auf Nickel basierenden Superlegierung Inconel 617 (erhalten von Haynes Stellite), das zwischen zwei zusätzliche Inconel-617-Bleche 112, 114 geklemmt wird. Das Mittelblech weist eine Reihe paralleler Schlitze auf, die im Wesentlichen entlang der gesamten Länge der Platte verlaufen.
Es ist nicht notwendig, dass die Flächen der Bleche auf eine Glätte endbearbeitet werden, welche besser ist als die Glätte der gefrästen Inconel-Bleche, jedoch können glättere Oberflächenendbearbeitungen für manche Anwendungen bevorzugt werden. Gleichermaßen können Oberflächenendbearbeitungen, die rauer als die Fräsendbearbeitung der gewalzten Inconel-Bleche von Haynes Stellite sind, für einige Anwendungen akzeptabel sein, bei denen die Bindefestigkeit kein entscheidender Faktor ist.
Im Unterschied zu Hartlötprozessen, welche eine Oberflächenoxidation in gewissem Maße dulden, muss die Diffusionsbindung zum Erhalt bester Ergebnisse mit einer Fläche ausgeführt werden, die im Wesentlichen oxidfrei ist. Um zu gewährleisten, dass die Flächen der Bleche frei von Oxiden und anderen Kontaminanten sind, welche den Diffusionsbindeprozess behindern würden, werden die Bleche zuerst mit einem organischen Lösungsmittel wie Aceton oder Alkohol gereinigt, um jegliche organische Kontaminanten zu entfernen. Die Bleche werden dann einem Halogenidionen-Reinigungsprozess unterzogen, in dem die Bleche bei einer erhöhten Temperatur von über 538 °C (1.000 Grad Fahrenheit) einer gasförmigen Halogenidlösung ausgesetzt werden, vorzugsweise einer Lösung aus Flusssäure, am meisten bevorzugt aus einer 10%igen Flusssäure, die mit Wasserstoff gemischt wird. Die Temperatur wird vorzugsweise über der Alterungstemperatur der Superlegierung gehalten, jedoch unter dem anfänglichen Schmelzpunkt. Am meisten bevorzugt wird die Temperatur bei 1.038 °C (1.900 Grad Fahrenheit) plus oder minus 55,5 °C (100 Grad Fahrenheit) gehalten. Die Platten werden der Flusssäureumgebung für einen Zeitraum von 2 bis 5 Stunden, vorzugsweise etwa 4 Stunden, bei erhöhter Temperatur ausgesetzt, wonach die Flusssäurekammer zusammen mit den Nebenprodukten des Fluoridreinigungsprozesses entleert wird. Dieser Zyklus wird ein zweites Mal wiederholt, um zu gewährleisten, dass die Flächen der Platte im Wesentlichen oxidfrei sind.
Die durch Fluorid gereinigten Platten werden dann mit einem Aktivatormaterial besprüht, das eine Lösung aus Boran-Dimethylamin (C₂H₁₀NB) in destilliertem Wasser umfasst. In der erläuternden Ausführungsform werden drei Gramm Boran-Dimethylamin (erhalten von Spectrum-Quality Products of Gardenia, California und New Brunswick, New Jersey) pro Liter Wasser aufgelöst. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung glauben, dass, obwohl Bor ein weitgehend anerkannter Schmelzpunkterniedriger für Superlegierungen ist, das in dem Boran-Dimethylamin enthaltene Bor als ein Aktivator wirkt, um die Oberflächenaktivität des Superlegierungssubstrats zu erhöhen, wenn dieses hohen Temperaturen ausgesetzt wird, jedoch ohne eine beobachtbare Schmelzung zu bewirken. Dementsprechend wird jegliches Verfahren zum Aufbringen einer Dünnschicht aus Bor, Silizium oder jedem anderen Schmelzpunkterniedriger, der im Wesentlichen frei von Eisen, Nickel oder Kobalt (den primären Konstituenten typischer, Superlegierungs-Grandmetalle und -Hartlote) ist, innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung berücksichtigt. Der hier verwendete Begriff „im Wesentlichen frei" von Eisen, Nickel oder Kobalt bedeutet, dass weder Eisen, Nickel noch Kobalt in ausreichender Menge vorhanden sind, um als ein Füllstoff zu wirken, um in den Spalten zwischen den Passflächen der verbundenen Flächen eine Dochtwirkung aufzuweisen. Stattdessen bildet das Grundmaterial selbst die Verbindung ohne irgendwelchen Füllstoff.
Neben organischen Aminen sind andere organische Träger (enthaltend Kohlenstoff, von dem geringe Mengen in das Superlegierungssubstrat ohne verschlechternde Effekte diffundiert werden können, und Wasserstoff, der während des hiernach beschriebenen Schritts des isostatischen Heißpressens leicht entzogen wird) als Liefermechanis mus zur Ablagerung des Bors auf die Fläche des Substrats geeignet. Der organische Träger sollte jedoch relativ frei von Sauerstoff sein, da Sauerstoff in ausreichender Menge dazu neigt, Oxide der Superlegierung zu bilden, wodurch der Diffusionsbindeprozess behindert wird. Obwohl Bor bevorzugt wird, sind ferner andere Schmelzpunkterniedriger wie Silizium akzeptable Flächenaktivatoren. Bor wird jedoch bevorzugt, da Silizium bekanntermaßen eine schädliche Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften des Superlegierungssubstrats hat.
In der erläuternden Ausführungsform wird die Lösung aus Boran-Dimethylamin mit einer gewöhnlichen, handbetriebenen Sprühflasche auf die Fläche der Platten gesprüht, bis die Flächen gründlich nass sind. Die Platten werden durch Abtropfen getrocknet, wonach die Platten noch einmal mit der Boran-Dimethylamin-Lösung besprüht werden. Sobald sie getrocknet sind, bleibt ein dünner, in gewissem Maß unregelmäßiger Boran-Dimethylamin-Rückstand (zwischen wenigen Mikrometern und etwa 20 bis 50 Mikrometern, jedoch weniger als 25 μm (0,001 Inch)) auf der Fläche der Platten zurück, um als Diffusionsbindeaktivator zu wirken. Obwohl Sprühen bevorzugt wird, um den Verbrauch der Aktivatorlösung zu minimieren, werden andere Verfahren zum Aufbringen der Boran-Dimethylamin-Lösung wie das Eintauchen der Platten in einen Behälter mit Boran-Dimethylamin-Lösung oder elektrostatisches Einnebeln innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung berücksichtigt.
Um in der erläuternden Ausführungsform eine gleichförmige Ladung über die gesamte Fläche aufzubringen, die ohne Deformieren der Platten gebunden wird, findet der Diffusionsbindeprozess innerhalb einer isostatischen Heißpresse statt. Dementsprechend werden die Umfänge der drei Platten, welche die Anordnung bilden, vor dem Vorgang des isostatischen Heißpressens entlang des Umfangs 120 zusammengeschweißt, um eine abgedichtete Kammer zu bilden. Die Platten werden in einer inerten Umgebung (wie Argon) oder in einem Vakuum geschweißt, um zu gewährleisten, dass in der Plattenanordnung wenig oder gar kein Sauerstoff eingeschlossen ist, der den Diffusionsbindeprozess behindert. Das Umfangsschweißen kann durch jegliches herkömmliche Schweißverfahren wie Wolfram-Inertgas (WIG), Elektronenstrahlschweißen oder andere Schweißtechniken durchgeführt werden, die bei Hochtemperatur-Superlegierungen benutzt werden. Ein ausreichender Rand 130 wird um den Umfang 120 jeder der Platten bereitgestellt, so dass die Mikrostruktur der Platte in ihrer Endform nicht durch den Schweißprozess beeinflusst wird.
Die geschweißte Plattenanordnung wird durch Diffusion gebunden, indem die Anordnung für einen Zeitraum von 30 bis 35 Minuten in einer isostatischen Heißpresse einer Temperatur von 1.115,5 °C ±13,9 °C (2.040 Grad Fahrenheit plus oder minus 25 Grad Fahrenheit) bei einem Druck von 6,89 bis 7,24 MPa (1.000 bis 1.050 PSI) ausgesetzt wird, wonach die Platten abgekühlt werden. Die isostatische Heißpresse stellt einen ausreichenden Druck bereit, um die Verbindungsstelle zusammenzupressen (was die Notwendigkeit für ein Hartlot vermeidet, um als ein Füllstoff zu wirken), während die Temperatur erhöht wird, um die Aktivität der Fläche derart zu erhöhen, dass die Moleküle des Grundmaterials in Gegenwart des Aktivators interdiffundieren. Obwohl die erläuternde Ausführungsform bei 1.115,5 °C (2.040 Grad Fahrenheit) durch Diffusion gebunden wird, ist jegliche erhöhte Temperatur über der Temperatur, bei der die molekulare Diffusion auftritt (die Aktivierungstemperatur), bis zu dem anfänglichen Schmelzpunkt des Superlegierungssubstrats akzeptabel, solange das Teil nicht durch den Druck bei der erhöhten Temperatur deformiert wird und die mechanischen Eigenschaften der Superlegierung nicht verschlechtert werden (gründliches Korngrenzenwachstum oder sonstwie). Um eine Überalterung des Superlegierungssubstrats zu vermeiden, sollte der Diffusionsbindeprozess vorzugsweise bei einer Temperatur über der Alterungstemperatur der Grundlegierung ausgeführt werden. Am meisten bevorzugt wird der Prozess zwischen 954 und 1.204 °C (1.750 bis 2.200 Grad Fahrenheit) ausgeführt.
Ferner können Drücke über oder unter 6,89 MPa (1.000 PSI) geeignet sein, je nach dem Flächeninhalt der Teile, die gebunden werden, sowie der Bindetemperatur. In manchen Fällen, bei denen die Passflächen der Teile zum Beispiel glatt genug und die Teile massiv genug sind, damit der Druck auf die Verbindungsstelle, die gebunden wird, durch das Gewicht des Teils selbst geliefert wird, kann das Erwärmen der Verbindungsstelle in einer inerten Umgebung ausreichen, um zu bewirken, dass der Diffusionsbindeprozess ohne die Anwendung eines externen Drucks eintritt. Folglich wird jegliches Verfahren zur Anwendung von Druck auf die Verbindungsstelle innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung berücksichtigt, solange diese bei einer erhöhten Temperatur in einer inerten Umgebung gehalten wird.
In der erläuternden Ausführungsform werden die durch Diffusion gebundenen Platten von der isostatischen Heißpresse entfernt und durch Entfernen der Umfangsschweißung und des Randes 120, der zu der Umfangsschweißung benachbart liegt, durch Drahterosion oder einen anderen herkömmlichen Bearbeitungsprozess auf die angemessenen Enddimensionen endbearbeitet. Sobald die Platten der Halogenidionenreinigung unterzogen worden sind, werden sie während der Bearbeitung mit pulverfreien Latexhandschuhen gehandhabt und in Plastiktüten versiegelt, um eine Kontamination zu vermeiden, nachdem das Umfangsschweißen vollendet worden ist.

Claims

Verfahren zum Binden eines ersten Gegenstands, der aus einem Superlegierungsmaterial gebildet ist, an einen zweiten Gegenstand, der aus einem Superlegierungsmaterial gebildet ist, umfassend die folgenden Schritte: Reinigen einer Fläche des ersten Gegenstands, so dass die Fläche im Wesentlichen frei von Oxiden und anderen Kontaminanten ist; Reinigen einer Fläche des zweiten Gegenstands, so dass die Fläche im Wesentlichen frei von Oxiden und anderen Kontaminanten ist; Aufbringen eines Aktivatormaterials auf die gereinigte Fläche des ersten Gegenstands, wobei das Aktivatormaterial eine flüssige Lösung eines organischen Trägers umfasst, wobei der organische Träger einen Schmelzpunkterniedriger, Kohlenstoff und Wasserstoff enthält, und im Wesentlichen frei von Nickel, Kobalt, Eisen und Sauerstoff ist; Trocknen des Aktivatormaterials auf dem ersten Gegenstand; Inkontaktbringen der Aktivator enthaltenden Fläche des ersten Gegenstands mit der gereinigten Fläche des zweiten Gegenstands, um eine Schnittstelle zwischen dem ersten Gegenstand und dem zweiten Gegenstand zu bilden; und dann Erwärmen des ersten und des zweiten Gegenstands unter Bedingungen erhöhten Drucks und erhöhter Temperatur, welche eine Interdiffusion der Super legierungsmaterialien über die Schnittstelle ohne Schmelzen des Superlegierungsmaterials bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend die Schritte des Aufbringens des Aktivatormaterials auf die gereinigte Fläche des zweiten Gegenstands und des Trocknens des Aktivatormaterials auf dem zweiten Gegenstand, bevor der erste und der zweite Gegenstand miteinander in Kontakt gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Erwärmungsschritt bei einer erhöhten Temperatur ausgeführt wird, die über der Alterungstemperatur des Superlegierungsmaterials und unter der Temperatur liegt, bei welcher das beginnende Schmelzen des Superlegierungsmaterials auftritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Erwärmungsschritt das isostatische Heißpressen des ersten und des zweiten Gegenstands aneinander umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Aktivatormaterial eine wässrige Lösung des organischen Trägers ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Aktivatormaterial eine wässrige Lösung einer organischen Verbindung ist, die Bor oder Silizium enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Aktivator eine wässrige Lösung einer borhaltigen Aminverbindung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Flächenreinigungsschritte jeweils den Schritt des Aussetzens der Flächen der Gegenstände einem gasförmigen Halogenidmaterial bei einer Temperatur umfassen, die über der Alterungstemperatur des Superlegierungsmaterials und unter der Temperatur liegt, bei welcher das beginnende Schmelzen des Superlegierungsmaterials auftritt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Flächenreinigungsschritte jeweils den Schritt des Aufbringens eines organischen Lösungsmittels auf die Flächen der Gegenstände umfassen, bevor die Gegenstände dem gasförmigen Halogenidmaterial ausgesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei der Schritt des isostatischen Heißpressens 30 bis 35 Minuten lang bei einer Temperatur von 1.750 bis 2.200 °F (954 bis 1.204 °C) und bei einem Druck von 1.000 bis 1.050 psi (6.895 bis 7.239 MPa) ausgeführt wird.