DE4115230A1 - Fluessigphasen-diffusionsbindung unter verwendung eines elementes mit hohem diffusionsvermoegen als einbaumaterial - Google Patents
Fluessigphasen-diffusionsbindung unter verwendung eines elementes mit hohem diffusionsvermoegen als einbaumaterialInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Diffusionsbindungs-Verfahren, das für die
Bindung von Gasturbinen-Schaufeln und -Düsen sowie für die Bindung von
Legierungen auf Fe-Basis und Nichteisen-Legierungen angewendet werden kann,
bei denen ein transientes Flüssigphasen-Bindungsverfahren (das im folgenden
mit "TLP" bezeichnet wird) für wärmeresistente Superlegierungen verwendet
wird. Im Gegensatz zu dem bestehenden Verfahren haben die Einbaumaterialien,
die gemäß der Erfindung verwendet werden, die Eigenschaften, daß ihr Diffusionsvermögen
groß ist und ihr Schmelzpunkt höher als der der Basismetalle liegt.
Das TLP-Bindungsverfahren ist seit 1970 entwickelt worden, um die Bindungsfestigkeit
von wärmeresistenten Superlegierungen zu verbessern (US-Patent
No. 36 78 570). Das bestehende TLP-Bindungsverfahren wird derart durchgeführt,
daß ein Einbaumaterial zwischen zwei Basismetalle, die gebunden werden
sollen, eingebaut wird. Anschließend wird es lange Zeit bei einer Temperatur
(d. h. bei der Bindungstemperatur) gehalten, die höher als der Schmelzpunkt des
Einbaumaterials liegt, damit das Einbaumaterial aus der flüssigen Phase
isothermisch erstarrt, wodurch es die zwei Basismetalle bindet. Nach diesem
Bindungsverfahren gibt es fast keine Unterscheidung zwischen den Basismetallen
und der Bindungszone, wodurch die Bindungstärke wesentlich verbesert
wird.
Das bestehende TLP-Bindungsverfahren besteht aus folgenden Schritten:
Schmelzen des Einbaumaterials; Schmelzen der Basismetalle; isothermische Erstarrung; Homogenisierung der Bindungszone und der Basismetalle. Der wichtigste Faktor, der den Bindungsprozeß beeinflußt, ist das Einbaumaterial. Es wurden große Anstrengungen unternommen, um verbesserte Einbaumaterialien zu entwickeln. Das bestehende Bindungsverfahren verwendet die Einbaumaterialien in Form von Legierungspulvern, Legierungsfilmen und einer Legierungsschicht an der Bindungsoberfläche, die Elemente mit einem geringeren Diffusionsvermögen enthalten und bei der Bindungstemperatur schmelzen.
Schmelzen des Einbaumaterials; Schmelzen der Basismetalle; isothermische Erstarrung; Homogenisierung der Bindungszone und der Basismetalle. Der wichtigste Faktor, der den Bindungsprozeß beeinflußt, ist das Einbaumaterial. Es wurden große Anstrengungen unternommen, um verbesserte Einbaumaterialien zu entwickeln. Das bestehende Bindungsverfahren verwendet die Einbaumaterialien in Form von Legierungspulvern, Legierungsfilmen und einer Legierungsschicht an der Bindungsoberfläche, die Elemente mit einem geringeren Diffusionsvermögen enthalten und bei der Bindungstemperatur schmelzen.
Das TLP-Bindungsverfahren (US-Patent No. 41 22 992), das von Duvall et al.
entwickelt wurde, verwendet eine Hartlotfolie und benötigt lange Zeit (z. B. bis zu
100 Stunden) bei einer hohen Temperatur für die Homogenisierung der
Bindungszone und der Basismetalle. Das führt zu einer verringerten Produktivität
und einer Verschlechterung der Basismetalle.
Das Hochenergiestrahlen-Verfahren (US-Patent No. 46 91 856) und das
Bor-Packungs-Verfahren, bei denen jeweils eine Legierungsschicht an der
Bindungsoberfläche ausgebildet ist, bringen die Schwierigkeit mit sich, daß die
Legierungsschicht in einem Hochtemperaturvakuum oder in einer Edelgasatmosphäre
herzustellen ist.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Flüssigphasen-Diffusionsbindung zu schaffen,
in der ein Einbaumaterial (wie z. B. B, C, Si und Hf-Lagen oder -Pulver), das ein
hohes Diffusionsvermögen und einen Schmelzpunkt aufweist, der höher als der
des Basismetalls ist, nur unter normalem Atmosphärendruck und bei Raumtemperatur
in die Bindungsstelle eingebaut werden muß, wodurch der Prozeß
vereinfacht wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Flüssigphasen-Diffusionsbindung
aufzuzeigen, in der sich der Bindungsmechanismus von dem des bestehenden
Verfahrens derart unterscheidet, daß, während nach dem bestehenden Verfahren
das Einbaumaterial bei der Bindungstemperatur geschmolzen wird, das Einbaumaterial
nach der Erfindung, wie z. B. B, C, Si und Hf, bei der Bindungstemperatur
überhaupt nicht geschmolzen wird. Vielmehr werden nur die Teile
der Basismetalle, die mit dem Einbaumaterial reagieren, geschmolzen.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer
Flüssigphasen-Diffusionbindung zu schaffen, bei dem die Bindungszeit
(einschließlich der Zeit für die Homogenisierung) im Vergleich zu dem bestehenden
TLP-Bindungs-Verfahren aufgrund des hohen Diffusionsvermögens der
Einbaumaterialien wesentlich, vorzugsweise auf etwa 1 Stunde, verkürzt ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst.
Das Verfahren gemäß der Erfindung führt zu einer Flüssigphasen-Diffusionsbindung
zur Anwendung bei Superlegierungen, Legierungen auf Fe-Basis und
Nichteisen-Legierungen, wobei die Bindungszone und die Basismetalle innerhalb
kurzer Zeit zu homogenisieren sind.
Weiterhin ist das Diffusionsvermögen der Einbaumaterialien (wie z. B. B, C, Si
und Hf) sehr hoch und die Basismetalle selbst erstarren nach dem Schmelzen.
Deshalb besteht kein Bedarf für eine Homogenisierungs-Behandlung nach dem
isothermischen Erstarren, mit dem Ergebnis, daß die Bindungszeit im Vergleich
zu dem herkömmlichen TLP-Bindungsverfahren wesentlich verkürzt wird.
Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden
Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den Ansprüchen und
den Zeichnungen; es zeigt
Fig. 1 den Unterschied zwischen dem Bindungsprozeß der Erfindung und dem
des herkömmlichen TLP-Bindungsverfahrens,
Fig. 2a den Bindungsmechanismus gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2b den Bindungsmechanismus gemäß der Erfindung,
Fig. 3 eine grafische Darstellung, die die Mikrostruktur des Querschnitts der
gebundenen Zone zeigt, für den Fall, in dem die Bindung durch Verwendung von
Rene ′80 als Basismetall hergestellt ist,
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Zugfestigkeiten der Bindungsstelle
für den Fall zeigt, bei dem Rene ′80 und AISI 304 rostfreier Stahl als
Basismetalle verwendet werden.
Fig. 1 zeigt einen Vergleich zwischen den Bindungsprozessen. Nach der
Erfindung wird im Gegensatz zu dem herkömmlichen TLP-Verfahren nur das
Basismetall bei der Bindungstemperatur geschmolzen, wobei das Schmelzen der
Basismetalle und die isothermische Erstarrung während des Homogenisierungsvorgangs
von Bor auftreten. Nach US-Patent No. 46 91 856, bei dem eine
Legierungsschicht an den Bindungsflächen mittels Hochenergie-Strahlen ausgebildet
ist, werden einige der Elemente aus dem Basismetall verdampft,
wodurch eine längere Zeit für die Homogenisierung benötigt wird.
Nach der Erfindung wird der Bindungsprozeß jedoch bei atmosphärischem Druck
und Umgebungstemperatur durchgeführt, mit dem Ergebnis, daß kein Verlust
von Elementen aus den Basismetallen auftritt und daß die Homogenisierung
gleichzeitig mit der isothermischen Erstarrung erreicht wird. In einer nachfolgenden
Tabelle ist der Bindungsmechanismus für den Stand der Technik und die
Erfindung durch die Fig. 2a und 2b dargestellt.
Das Hochenergiestrahlen-Verfahren hat Nachteile derart, daß ein Laser im
Vakuum oder in einer Edelgasatmosphäre verwendet werden muß, und daß
einige Elemente aus dem Basismetall während der Hochenergiestrahlen-
Behandlung verdampft werden.
Ferner benötigt das Bor-Packungs-Verfahren eine Behandlung bei hoher Temperatur
(z. B. 700 bis 850°C) und für eine relativ lange Zeit (z. B. 3,5 Stunden).
Außerdem werden etwa 20 Stunden zur Homogenisierung der Bindung benötigt.
Gemäß der Erfindung genügt es jedoch, ein Element mit hohem Schmelzpunkt
und hohem Diffusionsvermögen in die Bindungszone lediglich bei Raumtemperatur
und atmosphärischem Druck einzubauen. Deshalb besteht auch keine
Notwendigkeit, die Basismetalle auf eine hohe Temperatur aufzuheizen, bevor die
Bindung erfolgt. Außerdem wird keine Zeit für die Ausbildung einer Legierungsschicht
benötigt. Weiterhin ergeben sich keine Verluste von Elementen aus den
Basismetallen, wie sie während einer Hochtemperatur-Behandlung auftreten,
und deshalb läuft die Homogenisierung gleichzeitig mit der isothermischen
Erstarrung ab.
Schließlich muß bei der Erfindung ein Einbauelement mit einem hohen
Diffusionsvermögen, wie z. B. Bor, nur diffundiert werden, und deshalb beträgt
die Bindungszeit (einschließlich der Zeit für die Homogenisierung) nur etwa
1 Stunde, wodurch es möglich wird, die Verschlechterung der Materialien zu
verringern und die Produktivität erheblich zu verbessern.
Für eine beispielsweise Anwendung der Erfindung werden die Teile, die
gebunden werden sollen, ausreichend poliert und mit Aceton gewaschen. Die
gewaschenen Teile werden getrocknet, und anschließend wird ein Einbaumaterial,
das einen hohen Schmelzpunk und ein hohes Diffusionsvermögen hat (z. B.
eine Bor-Schicht), zwischen die Teile eingebaut.
Hierbei kann anstelle der Bor-Schicht auch Bor-Pulver verwendet werden. Bei
der Verwendung von Bor-Pulver wird dieses mit Alkohol zu einer Lösung
vermischt und auf die Bindungsoberfläche aufgebracht. Dann wird der Alkohol
von der belegten Oberfläche verdampft, so daß ein Bor-Film auf der Bindungsoberfläche
verbleibt. Dieser Vorgang wird bei Raumtemperatur und bei normalem
atmosphärischem Druck durchgeführt.
Für die Bindung werden im Fall einer Superlegierung auf Ni-Basis (z. B. Rene ′80)
oder eines rostfreien Stahls (z. B. AISI 304) die Teile mit dem Einbaumaterial für
etwa 1 Stunde in einem Vakuum von weniger als 10-4 torr bei einer Temperatur
von 1150 bis 1250°C gehalten. In Fig. 3 ist die Mikrostruktur des Querschnitts
der gebundenen Zone für den Fall gezeigt, daß Rene ′80 als Basismetall und
Bor-Pulver als Einbaumaterial verwendet und für 1 Stunde bei 1600°C geglüht
wird. Fig. 4 zeigt die Zugfestigkeiten von Rene ′80 und rostfreiem Stahl AISI 304,
für den Fall, daß Bor-Pulver als Einbaumaterial verwendet wird.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung einer Flüssigphasen-Diffusionsbindung,
dadurch gekennzeichnet,
- daß ein Einbaumaterial verwendet wird, das einen Schmelzpunk hat, der höher liegt als der des Basismetalls, und
- daß das Basismetall und das Einbaumaterial zur Erreichung der Bindung beheizt und einer Diffusion in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur, die niedriger als der Schmelzpunk des Einbaumaterials ist, unterzogen wird, wobei das Einbaumaterial nicht schmilzt, jedoch eine Reaktion derart erfolgt, daß das Einbaumaterial und das Basismetall miteinander eine Bindung (Hartlötverbindung) eingehen.
- daß ein Einbaumaterial verwendet wird, das einen Schmelzpunk hat, der höher liegt als der des Basismetalls, und
- daß das Basismetall und das Einbaumaterial zur Erreichung der Bindung beheizt und einer Diffusion in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur, die niedriger als der Schmelzpunk des Einbaumaterials ist, unterzogen wird, wobei das Einbaumaterial nicht schmilzt, jedoch eine Reaktion derart erfolgt, daß das Einbaumaterial und das Basismetall miteinander eine Bindung (Hartlötverbindung) eingehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Einbaumaterial eines der Elemente B, C, Hf und Si (Bor, Kohlenstoff,
Hafnium, Silizium) oder eine Mischung aus diesen Materialien
verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine geringe Menge eines weiteren Elementes zusammen mit dem
Element B, C, Hf oder Si oder einer Mischung aus diesen verwendet wird,
wobei das so gebildete Einbaumaterial einen höheren Schmelzpunkt als die
Basismetalle hat und bei der Bindungstemperatur nicht schmilzt.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Basismetall entweder aus einer Superlegierung, die als Basis ein
Element aus der Reihe Ni, Co, Fe und Ti umfaßt, oder aus einer Legierung
auf Fe-Basis bzw. aus einer Nichteisen-Legierung besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Diffusionsbindung unter Verwendung des Einbaumaterials entsprechend
einer Beziehung "Bindungstemperatur < Schmelzpunkt des
Basismetalls und des Einbaumaterials" durchgeführt wird.
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| DE4115230C2 (de) | 1994-04-14 |
| JPH06234082A (ja) | 1994-08-23 |
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