DE69031632T2

DE69031632T2 - Reparaturverfahren mittels pulvermetallurgie

Info

Publication number: DE69031632T2
Application number: DE69031632T
Authority: DE
Inventors: Keith Ellison; Joseph Liburdi; Paul Lowden
Original assignee: Liburdi Engineering Ltd
Current assignee: Liburdi Engineering Ltd
Priority date: 1990-08-28
Filing date: 1990-08-28
Publication date: 1998-05-14
Anticipated expiration: 2010-08-29
Also published as: AU7474891A; KR930702104A; US5156321A; CA2090489C; ATE159440T1; WO1992003241A1; JPH06501981A; DK0550439T3; DE69031632D1; EP0550439A1; JP3166856B2; CA2090489A1; EP0550439B1; AU649926B2; EP0550439A4; KR100199111B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Reparatur oder die Verbindung von metallischen Materialien und insbesondere die Reparatur von Gegenständen aus Nickelbasis-, Eisenbasis- oder Kobaltbasis-Superlegierung.

Hintergrund der Erfindung

Bei Komponenten für Gasturbinenmaschinen, die aus Superlegierungen auf Basis von Nickel und Kobalt hergestellt sind, sind oftmals Herstellungs- oder Betriebsdefekte enthalten. Da diese Komponenten teuer sind, ist der Anreiz zur Reparatur sehr groß. Aufgrund des Fehlens geeigneter Reparaturverfahren werden bislang viele Teile weggeworfen. Ebenso ist die Verwendung von gefertigten Superlegierungskomponenten durch das Nichtvorhandensein von geeigneten Verbindungsverfahren eingeschränkt.
Es wurden vorher mehrere Reparaturverfahren entwickelt, die jetzt in bestimmten Anwendungen verwendet werden. Schmelzschweißen von Superlegierungen ist aufgrund der Neigung, schweißbedimgte Risse auszubilden, schwer. Thamburaj et al., Int. Met. Rev., Bd. 28, Nr. 1, Seiten 1-22 (1983). Jedoch ist ein Verschweißen möglich, wenn man Füllmaterialien mit geringer Festigkeit benutzt. Leider schränkt dies das Schweißen auf wenig beanspruchte Flächen ein.
Auch verwendet man häufig für die Verbindung oder Reparatur von Superlegierungskomponenten Hartlöten Bei mehreren Verfahren reinigt man die Defekte mit Fluoridionen (US-PS 4 098 450) oder Wasserstoff (J.C. Bake, Welding J., Res. Supp. Aug., Seiten 559-566 (1971)), um Oxide von der Riß- oder Defektoberfläche zu entfernen. Eine Hartlötlegierung wird dann in den Riß einfließen gelassen, um die Reparatur oder Verbindung durchzuführen. Ein Problem dieser Technik ist jedoch die Angenessenheit der Reinigungsverfahren. Wenn die Rißoberflächen nicht ausreichend gereinigt sind, werden sich keine vollständigen Verbindungen ausbilden. Das zweite Problem liegt in der Tatsache, daß genau wie bei Schweißverbindungen Hartlötverbindungen typischerweise viel schwächer als die Grundlegierung sind. Diffusionshartlöten ist eine Variante dieses Verfahrens (US-PS 3 678 570), wobei die Fülliegierung eine ähnliche Zusammensetzung wie die Grundlegierung aufweist und Festigkeitswerte erhalten werden können, die sich der Festigkeit des Grundmetalls nähern. Um jedoch vernünftige Verbindungszeiten zu erhalten, verwendet man zum Erhalt dieses Festigkeitsniveaus sehr dünne Verbindungsspalte. Solche dünnen Spalte findet man bei Reparatursituationen selten.
Eine anderer Ansatz für die Reparatur und Verbindung unter Verwendung von Hartlötfüllmaterialien verwendet Hartlötmischungen für weite Spalte aus einer höherschmelzenden Legierung und einer Hartlötlegierung, die von herkömmlichen Typ (US-PS 3 155 491) oder vom Diffusionshartlöttyp sein kann (US-PS 4 381 944 und 4 008 844). Typischerweise hat die höherschmelzende Legierung eine ähnliche Zusammensetzung wie die des zu verbindenden Grundmetalls, während die Hartlötlegierung gewöhnlich 2 - 4% Bor und Silizium enthält. Es wurden Mischungen verwendet, die 30 - 70% Hartlötlegierung enthalten. Typischerweise wird eine inhomogene Struktur von Legierungspartikeln in einer Hartlötlegierungsmatrix erhalten. Um die Mikrostruktur einheitlicher zu machen, können Diffusionswärmebehandlungen verwendet werden. Jedoch beträgt das Durchschnittsniveau der den Schmelzpunkt absenkenden Substanzen in der Verbindung immer noch 1 - 3% Bor und Silizium. Für diese Art von Reparatur wird der Defekt vor der Verwendung der Hartlötmischung herausgeschliffen, wodurch das Problem der nicht angemessenen Reinigung beseitigt wird. Die Verbindungsfestigkeit ist jedoch immer noch wesentlich niedriger als die des Grundmetalls, wodurch solche Reparaturen auf Flächen mit niedriger Spannung beschränkt sind. Die Verwendung dieser Technik ist auch durch die Verträglichkeit der Füllung mit den Schutzschichten, die auf Turbinenkomponenten benutzt werden, begrenzt. Antony & Goward, Superalbys, Seiten 745-754 (1988). Das hohe Niveau der schmelzpunktabsenkenden Substanzen wie Silizium und Bor beeinträchtigt die Leistung der Schutzschichten.
In einer Beschreibung des Hartlötens weiter Spalten wird berichtet, daß die hochschmelzende Legierung in die Verbindung hineingesintert werden kann, um eine poröse Struktur auszubilden, in die in einem nachfolgenden Schritt eine Hartlötlegierung eindringt. Chasteen & Metzger, Welding J. Res. Sup., Seiten 1115-1175 (Apr. 1979). Dies ergibt eine deutlich inhomogene Struktur mit Pulverpartikeln in einer Matrix aus Hartlötlegierung mit Eigenschaften, die schlechter als die des Grundmetalls, aber besser als die einer reinen Hartlötverbindung sind.
Es wurde vorgeschlagen, zur Verbindung von Nickelbasis- Superlegierungen eine Flüssigphasenverbindung zu verwenden. M. Jeandin et al., High Temp. Tech., Bd. 6, Nr. 1, Seiten 3-8 (Feb. 1988). Bei diesem Verfahren werden herkömmliche Superlegierungspulver an der Verbindungsstelle plaziert, dann bis zu einer Temperatur erhitzt, bei der sie teilweise flüssig sind, und es findet eine beschleunigte Sinterung statt. Bei dieser Temperatur sind aber auch die zu verbindenden Grundlegierungen teilweise flüssig, weswegen diese Technik für die Reparatur oder Verbindung von fertigen Formteilen ungeeignet ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren, die für die Verbindung oder Reparatur von Diskontinuitäten in metallischen Gegenständen verwendet werden.
Die Erfindung betrifft auch Füllstoffzusammensetzungen für die Verwendung bei einem derartigen Verfahren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beschrieben, die als nicht die Erfindung einschränkend erachtet werden.
Fig. 1(a), 1(b), 1(c), 1(d), 1(e) und 1(f) beschreiben den Verlauf des Reparaturverfahrens der Erfindung;
Fig. 2(a), 2(b), 2(c), 2(d) und 2(e) beschreiben den Verlauf einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3(a) und 3(b) beschreiben eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Schicht über einen Defekt ausgebildet wird;
Fig. 4 ist eine Mikrophotographie der in Beispiel 1(a) ausgebildeten Verbindung; und
Fig. 5 zeigt die Spannungsbrucheigenschaften der in den Beispielen 1 und 2 ausgebildeten Verbindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt eine Reinigung des zu reparierenden oder zu verbindenden Gegenstandes im Verbindungsbereich, wie in der Figur 1(a) zu sehen ist. Ein Pulver mit erwünschten mechanischen Eigenschaften oder erwünschter Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen wird auf die Verbindungsstelle in einer solchen Menge aufgebracht, daß die Lücke gefüllt wird, wie aus der Fig. 1(b) ersehen werden kann. Die ganze Komponente oder das Bearbeitungsteil wird in einem Vakuum unter einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre erhitzt, wobei eine Sinterung im festen Zustand stattfinden kann. Die Komponente oder das Bearbeitungsteil wird bei dieser Temperatur für eine ausreichende Zeitdauer gehalten, um eine teilweise Verdichtung des Pulvers zu erreichen. Nach einer Kühlung wird im Bereich der Verbindung oder Reparaturstelle eine poröse Metallstruktur erhalten, wie aus der Fig. 1(c) zu ersehen ist. Eine Schicht aus Hartlötlegierung mit einer ähnlichen Zusammensetzung wie die der Grundlegierung oder des Grundpulvers wird auf die Oberfläche des porösen Bereichs aufgetragen, wie aus der Fig. 1(d) zu ersehen ist. Die Hartlötlegierung oder Pulverzusammensetzung wird bezüglich der Grundlegierung durch Zusatz von schmelzpunktsenkenden Substanzen verändert, die die Soliduslinie bis hinunter zu einer Temperatur absenken, die unter der der vorherigen Sintertemperatur liegt. Die Komponente oder das Bearbeitungsteil wird in einen Vakuum bis zu einer Temperatur erhitzt, bei der die Lötlegierung schmilzt. Bei dieser Temperatur wird die Lötlegierung in den porösen Bereich hineingezogen und füllt teilweise die Zwischenräume des porösen Bereichs (Figur 1 (e)). Das Vorhandensein der flüssigen Phase fördert die Sinterung, was zu einer relativ vollständigen Verdichtung des Pulvers in Verbindungsbereich führt. Nach einer ausreichenden Zeitdauer, um eine vollständige Verdichtung zu bewirken, wird die Komponente oder das Bearbeitungsteil gekühlt. Als Folge dieses Prozesses bekommt man eine Verbindung, die zu 99+% dicht ist (Figur 1 (f)). Die Verbindung enthält auch eine minimale Menge an schmelzpunktsenkenden Substanzen, weil nur so viel Lötlegierung verwendet werden muß, wie zur Förderung einer Flüssigphasensinterung gebraucht wird. Deswegen kann man Eigenschaften erhalten, die sich denen des Grunömetalls nähern, wobei die Verträglichkeit mit Schutzschichtsystemen nicht problematisch ist.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gehört das Grundmetall des zu reparierenden oder zu verbindenden Gegenstands zu der Familie der Eisenbasis-, Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Superlegierungen. Wenn der zu reparierende Bereich Defekte enthält, werden diese durch Schleifen oder Schneiden der geschädigten Zone entfernt.
Die Oberflächen, auf die die pulverförmige Metallfüllung aufgetragen werden muß, werden mit Schleifmitteln oder chemischen Mittel gereinigt, um das blanke, nicht oxidierte Metall freizulegen. Alternativ kann das Verfahren in einer gasförmigen Atmosphäre durchgeführt werden, die dazu fähig ist, die Oxidschichten zu entfernen. Wasserstoffhaltige reduzierende Atmosphären oder Vakuum sind für aluminiumfreie Legierungen geeignet, während fluorhaltige Atmosphären für aluminiumhaltige Legierungen verwendet werden können.
Die Verbindungsstelle oder der Hohlraum werden mit einem Pulvermetall gefüllt, das die erwünschten mechanischen und/oder Umweltbeständigkeitsmerkmale besitzt. Insbesondere kann die Zusammensetzung so gewählt werden, daß sie gute Zugfestigkeits-, Kriechfestigkeits-, Härte-, Oxidationsbeständigkeits-, Korrosionsbeständigkeits- oder Verschleißwiderstandseigenschaften besitzt. In einigen Fällen kann man deshalb Pulver derselben Zusammensetzung wie das Grundmetall verwenden. Die Pulvergröße kann jeder erhältlichen Klasse angehören. Vorzugsweise benutzt man eine Mischung grober und feiner Partikelgrößen, weil es zu einer größeren Anfangspackungsdichte führt, durch die die Sinterung gefördert und die Menge der für die Flüssigphasensinterung notwendigen Lötlegierung verringert wird. Um dabei zu helfen, das Pulver während der Behandlung an der richtigen Stelle zu halten, kann man ein Bindemittel verwenden, das bei höheren Temperaturen verdampft. Auch können mechanische Sperren benutzt werden, um den Ausfluß des Pulvers aus der Verbindungsstelle oder dem Hohlraum zu vermeiden. Eine gewisse Überfüllung der Verbindungsstelle kann verwendet werden, um die Schrumpfung während der Sinterung aufzufangen.
Das zu reparierende Bearbeitungsteil oder die Komponente wird in einen Ofen in eine inerte Atmosphäre, eine reduzierende Atmosphäre oder in ein Vakuum gesetzt und wird bis auf eine Temperatur erhitzt, die dazu geeignet ist, bei dem Pulver die Sinterung im festen Zustand zu fördern, wobei diese typischerweise in einem Bereich von 1000 - 1400ºC liegt. Die Temperatur muß so gewählt werden, daß sie schädigende Effekte bei der Grundlegierung verhindert. Sie muß unter der Soliduslinie der Grundlegierung liegen, um ein beginnendes Aufschmelzen zu vermeiden, und muß auf einem solchen niedrigen Niveau liegen, daß auch im festen Zustand keine Schädigung, wie ein Korngrößenwachstum oder eine irreversible Phasenumwandlung stattfindet. Das Teil wird bei der Temperatur so lange gehalten, daß ein teilweises Sintern in festen Zustand stattfindet. Die Sinterung im festen Zustand ist ein Vorgang, bei dem die Partikel in einer Pulvermasse oder in einem Festkörper unter Diffusion im festen Zustand und Oberflächendiffusion verdichtet werden, wobei das Pulver fest bleibt. Ein teilweises Sintern im festen Zustand führt zu einer porösen Struktur, deren Dichte unter 100% liegt. Es reichen je nach gewählter Temperatur Zeitdauern von 20 Minuten bis 24 Stunden. Die Teile werden dann auf Raumtemperatur abgekühlt.
Eine dünne Schicht aus niedrigschmelzender Lötlegierung wird dann auf die Fläche des teilweise gesinterten Bereiches deponiert. Typischerweise wird eine Schicht von 0,5 - 3 mm dazugegeben. Die Pulverzusammensetzung wird wie oben beschrieben auf derselben Basis wie das am Anfang verwendete Pulver gewählt. Schnelzpunktsenkende Substanzen wie Bor und Silizium werden hinzugefügt, um die Soliduslinie unter die Sintertemperatur zu senken. Für die minimale Menge an schmelzpunktsenkenden Substanzen, die dazu benötigt wird, werden typischerweise Mengen von 0,1 bis 2% Bor und 0,1 bis 2% Silizium verwendet. Die Legierung kann als Pulver oder in Form eines Bands oder einer Folie hinzugefügt werden.
Nach Aufbringung der Lötlegierung wird die Komponente oder das Bearbeitungsteil unter Vakuum oder unter einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre in einen Ofen gesetzt und auf eine Temperatur erhitzt, die derjenigen bei dem Zyklus der teilweisen Sinterung ähnlich ist und typischerweise in einem Bereich von 800 - 1600ºC, vorzugsweise in einem Bereich von 1000 - 1400ºC liegt. Die Temperatur wird so gewählt, daß das niedrigschmelzende Lot flüssig wird, und die Oberflächen der Poren im vorher gesinterten Bereich benetzt. Die Komponente wird bei der Temperatur für eine ausreichende Zeitdauer von typischerweise 20 Minuten bis 24 Stunden gehalten, um eine Flüssigphasensinterung zu fördern. Flüssigphasensinterung ist ein Vorgang, bei dem benachbarte Partikel in einer Pulvermasse mittels einer zwischen den Partikeln vorhandenen Flüssigphase hauptsächlich durch Diffusion verdichtet werden. Die Komponente oder das Bearbeitungsteil wird dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Danach erfährt die Komponente eine geeignete Wärmebehandlung, um die mechanischen Eigenschaften in der Verbindung und im Grundmetall herauszubilden. Als ein Teil der Wärmebehandlung kann heißisostatisches Pressen eingesetzt werden, um eine eventuelle geringfügige innere Porosität zu schließen. Das heißisostatische Pressen ist ein Verfahren, bei den die Komponente gleichzeitig hohen Drücken von 68,9 - 344 MPa (10 - 50 KSI) und hohen Temperaturen von über 1000ºC ausgesetzt wird.
Als Ergebnis des Verfahrens erhält man eine Komponente oder ein Bearbeitungsteil mit Verbindungen oder reparierten Bereichen, die ähnliche mechanische Eigenschaften wie das Grundmetall aufweisen und die ein Minimum an zugegebenen schmelzpunktsenkenden Substanzen enthalten.
Es ist gleichermaßen möglich, Verbindungen oder reparierte Bereiche durch gleichzeitiges Auftragen des Pulvermetalls und der niedrigschmelzenden Lötlegierung in entweder abwechselnden Schichten oder als Mischung auszubilden. Die Komponente wird dann durch teilweises Sintern bei einer Temperatur behandelt, bei der alle enthaltenden Legierungen fest bleiben. Der teilweise gesinterte Bereich wird dann weiter auf eine Temperatur erhitzt, bei der das niedrigschmelzende Lot flüssig ist und die Flüssigphasensinterung eintreten kann.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine teilweise gesinterte Schicht aus Pulvermetall, wie in Figur 2a gezeigt ist, durch das vorstehend genannte Verfahren hergestellt. Eine Schicht niedrigschmelzender Lötlegierung wird dann auf die Oberfläche des teilweise gesinterten Bereiches aufgetragen (Figur 2b), und die Komponente wird auf eine Temperatur erhitzt, bei der ein Schmelzen des Lots, aber kein bedeutendes Eindringen eintritt. Diese Temperatur liegt unter derjenigen, die für ein vollständiges Eindringen erforderlich ist, und liegt typischerweise zwischen 800 und 1200ºC. Das führt zur Bildung einer Haut über der gesinterten Schicht, die bei der Abkühlung wirkungsvoll den teilweise gesinterten Bereich umhüllt (Figur 2c).
Schließlich wird die Komponente einem heißisostatischen Preßzyklus unterzogen, wobei hohe Gasdrücke von 68,9 - 344 MPa (10 - 50 KSI) und eine unter der Wiederaufschmelztemperatur des Lots (800 - 1200ºC) liegende Temperatur verwendet werden, um eine Verdichtung des teilweise gesinterten Bereiches zu bewirken (Figur 2d). Die äußere Haut, die Material mit der Lotzusammensetzung enthält, kann dann entfernt werden (Figur 2f). Das führt zu einer Verbindung, die im wesentlichen kein Material mit der Lotzusammensetzung enthält.
Auf ähnliche Weise können bei einem Gegenstand Defekte repariert werden. Die Oberflächen des Defektes werden gereinigt, indem sie einer geeigneten Atmosphäre, die Oberflächenoxide entfernen kann, wie z.B. Wasserstoff oder Fluor ausgesetzt werden. Über den Defekten wird, wie aus Figur 3(a) zu ersehen ist, unter Verwendung des vorstehend genannten, zwei Schritte umfassenden Verfahrens der Sinterung im festen Zustand und der Flüssigphasensinterung eine Schicht ausgebildet. Diese Schicht umhüllt wirkungsvoll den Defekt und versiegelt ihn von der äußeren Fläche. Die Komponente wird dann einer heißisostatischen Preßbehandlung ausgesetzt. Der Druckunterschied zwischen der Oberfläche der Komponenten und jener der Defekte führt zum Zusammenbruch der Defekte und zur Diffusionsverbindung der Oberflächen. Auf diese Art wird der Defekt aus der Komponente entfernt, wie in Figur 3(b) gezeigt ist.

BEISPIELE

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf einige Beispiele beschrieben, die nicht als die Erfindung einschränkend erachtet werden.

Beispiel 1(a)

Die Verbindungen bestehen zwischen Platten aus IN738, einer Nickelbasis-Legierung mit einer nominalen Zusammensetzung von 16% Cr, 8,5% Co, 1,75% Mo, 2,6% W, 0,9% Nb, 3,4% Ti, 3,4% Al, 0,01% B, 1,75% Ta und mit dem Rest aus Ni und so wenig wie möglich Si. Eine Pulvermischung mit einer Partikelgröße von -140 mesh (0,105 mm) und -325 mesh (0,044 mm) und einer entsprechenden Zusammensetzung wird an der Verbindungsstelle teilweise gesintert, indem sie unter Vakuum für 4 Stunden 1200ºC ausgesetzt wird. Eine Schicht aus einer Lötlegierung mit einer nominalen Zusammensetzung wie bei der Grundlegierung, aber mit Zusatz von 1% B und 1% Silizium wird über dem Verbindungsbereich aufgebracht. Die Verbindung wird unter Vakuum für 4 Stunden bei 1200º0 erhitzt und anschließend für 2 Stunden bei 1120ºC und für 24 Stunden bei 845ºC gealtert. Die Behandlung führt zur Bildung einer haltbaren, dichten Verbindung, wie aus Figur 4 zu ersehen ist. Proben, die der Verbindungsstelle entnommen und mit einem Spannungsbruchversuch geprüft wurden, zeigen, daß die Verbindung eine Kriechfestigkeit besitzt, die sich derjenigen der Grundlegierung nähert, wie aus Figur 5 zu ersehen ist.
Eine Schicht aus IN738-Pulver wird mit dem Verfahren gemäß Beispiel 1(a) auf die Oberfläche eines rostfreien AISI 304- Stahlblechs aufgebracht. Die Blechdicke erhöht sich durch die kontinuierliche Schicht, die auf der Oberfläche ausgebildet wird, um 0,65 mm. Diese Schicht erhöht die Oxidationsbeständigkeit eines Materials.

Beispiel 2

Bei einem zweiten Fall wird eine Verbindung zwischen Platten aus IN738-Legierung hergestellt, indem ein -325 mesh (0,044 mm) Pulver aus Rene 80 mit einer nominalen Zusammensetzung von 14% Cr, 9,5% Co, 4% Mo, 4% W, 5% Ti, 3% Al, 0,015% B und dem Rest Ni verwendet wird. Die Verbindung wird für 2 Stunden bei 1200ºC unter Vakuum teilweise gesintert. Eine Schicht aus der beim ersten Beispiel benutzten Lötlegierung mit derselben Zusammensetzung wird auf die Verbindung aufgelegt. Die Verbindung wird unter Vakuum für 2 Stunden auf 1200ºC erhitzt und für zwei Stunden bei 1120ºC und für 24 Stunden bei 845ºC gealtert. Die sich daraus ergebende Verbindung ist haltbar und dicht. Die Spannungsbrucheigenschaften sind denen des Grundmetall ähnlich, wie aus Figur 5 zu ersehen ist.

Beispiel 3

Reparaturen an beschädigten Turbinenschaufeln und Turbinenleitschaufeln werden mit dem Verfahren durchgeführt, das in Beispiel 2 dargestellt ist. In einem ersten Fall werden 19,05 mm lange Risse in einem Segment einer aus einer Rene 80-Legierung hergestellten Turbinenleitschaufel durch Entfernen des beschädigten Bereiches und Ausfüllen mit einem entsprechenden Legierungspulver mit -325 mesh (0,044 mm) repariert. In einem zweiten Fall wird bei einer aus einer Rene 80-Legierung hergestellten Turbinenschaufel, die durch Reiben an der Spitze abgenutzt worden ist, eine Pulveraufschichtung verwendet, um deren Höhe um 2,5 mm zu erhöhen. Beide Teile werden wie in Beispiel 2 bearbeitet.

Beispiel 4

Zum Vergleich wird eine Pulveraufschichtung auf einem rostfreien AISI 304-Stahlsubstrat mit der "Supra"-Technik von Chasteen & Metzger hergestellt. Eine Schicht aus Rene 80-Pulver wird für 30 Minuten bei 1130ºC gesintert. Eine Lotschicht der Zusammensetzung 7% Cr, 3% Fe, 6% W, 4,5% Si, 3% B und dem Rest aus Nickel wird auf der gesinterten Schicht deponiert und für 30 Minuten bei 1130ºC behandelt. Das Ergebnis ist deutlich eine Zweikomponenten-Struktur, die aus Legierungspartikeln in einer Lötlegierungsmatrix besteht. Das steht im Gegensatz zum Ergebnis der Erfindung, das eine einheitliche Mikrostruktur ergibt.

Beispiel 5

Es werden in ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 Verbindungen aus der IN738-Legierung hergestellt. Nach der Behandlung wie in Beispiel 1 werden die Teile mittels einen heißisostatischen Preßzyklus für 2 Stunden bei 1200ºC und einem Argongasdruck von 103 MPa behandelt. Diese Behandlung entfernte jede Restporosität. Aus diesen Verbindungen werden Stäbe für den Spannungsbruchversuch hergestellt und geprüft. Wie aus Figur 5 zu ersehen ist, nähern sich die Eigenschaften denen des Grundmetalls.

Beispiel 6

Eine geschweißte Turbinenschaufel aus IN738-Legierung mit Schweißrissen wird bearbeitet, um die Risse zu entfernen. Die Rißbereiche werden vor der Behandlung nicht entfernt. Eine Schicht passender Legierungspulver wird über dem Rißbereich aufgebracht und für 4 Stunden bei 1200ºC unter Vakuum gesintert. Eine Schicht aus einer Lötlegierung mit derselben Zusammensetzung wie in Beispiel 1 wird dann aufgebracht und die Schaufeln für 4 Stunden bei 1200ºC unter Vakuum behandelt und für 2 Stunden bei 1200ºC unter einem Argongasdruck von 103 MPa heißisostatisch gepreßt. Die Oberflächenablagerung wird nach der Behandlung entfernt. Eine metallographische Untersuchung zeigte, daß die Risse völlig entfernt wurden.

Beispiel 7

Eine aus IN738-Legierung hergestellte Turbinenschaufelspitze wie in Beispiel 3 wird durch ein anderes Verfahren repariert, wobei zuerst eine Schicht aus IN738-Pulver mit einer Dicke von 2,5 mm abgelagert wird. Eine zweite Lötlegierung mit derselben Zusammensetzung wie die IN738-Legierung, aber mit Zusatz von 1% B und 1% Si wird auf die erste Schicht aufgebracht. Die Schaufel wird für 4 Stunden bei 1050ºC unter Vakuum erhitzt, was ein teilweises Sintern beider Pulver verursacht. Die Schaufel wird anschließend in demselben Ofenzyklus für 4 Stunden bei 1200ºC erhitzt, wobei ein Schmelzen der Lötlegierung stattfindet, woraus eine vollständige Flüssigphasensinterung des IN738-Pulvers resultiert. Die Schaufel wird anschließend für 2 Stunden bei 1120ºC und für 24 Stunden bei 845ºC gealtert. Nach dieser Wärmebehandlung wird die ursprüngliche Gestalt der Schaufelspitze durch Schleifen wiederhergestellt. Sintern und Hartlöten können auf diese Art während eines einzelnen thermischen Zyklus vervollständigt werden, wenn die Sintertemperatur unter der Solidustemperatur der Lötlegierung liegt.

Beispiel 8

Eine aus IN738-Legierung hergestellte Turbinenschaufel wird wie in Beispiel 7 repariert, jedoch wird eine homogene Mischung aus IN738- und Lötlegierungspulver auf dem geschädigten Bereich deponiert. Die Pulvermischung besteht aus 30% Hartlot und 70% IN738. Mit dem gleichen thermischen Zyklus wie in Beispiel 7 werden die Pulver bei 1050ºC durch Diffusion im festen Zustand teilweise gesintert, worauf eine vollständige Flüssigphasensinterung bei 1200ºC folgt. Die ursprünglichen Maße der Schaufel werden durch Schleifen wiederhergestellt, um das überschüssige Material zu entfernen, worauf eine Wärmebehandlung folgt.

Beispiel 9

Ein Riß in einem IN792-Turbinenrad wird durch Schleifen entfernt, wobei eine etwa 6,3 mm tiefe und 3,2 mm breite Kerbe zurückbleibt. Diese Kerbe wird mit einem IN738-Legierungspulver derart gefüllt, daß ein Überschuß dieses Materials rund um die Verbindung vorliegt. Das IN738-Pulver wird für 4 Stunden bei 1050ºC unter Vakuum gesintert. Eine zweite Schicht aus einer kommerziellen Lötlegierung (100) mit einem nominalen Anteil von 19 Gew.-% Cr, 10 Gew.-% Si und dem Rest Ni wird auf die erste gesinterte Schicht aufgebracht. Das Teil wird dann für 30 Minuten bei 1100ºC unter Vakuum erhitzt, was zum teilweisen Schmelzen der Lötlegierung, zu einer Versiegelung der Oberfläche und zu einem begrenzten Eindringen von Lötlegierung in die Oberfläche des gesinterten Pulvers führt. Die erste gesinterte Schicht behält ihre poröse Struktur, bis sie anschließend durch heißisostatisches Pressen (HIP) bei 1050ºC und unter einem Argongasdruck von 345 MPa für 4 Stunden behandelt wird. Während dieses Zyklus wird das IN738 Pulver vollständig verdichtet. Die Lötlegierung schmilzt während des letzten Zyklus nicht und wirkt im Laufe des HIP-Zyklus als eine umhüllende Schicht für das IN738-Pulver. Der Überschuß an Hartlot und IN738- Legierung wird durch einen Schleifschritt von dem Teil entfernt.

Beispiel 10

Es wird an einer IN738-Turbinenschaufel eine Veränderung vorgenommen, um die Korrosionsbeständigkeit der Schaufelspitze beträchtlich zu verbessern. Zuerst wird die Schaufelhöhe durch Schleifen um 1,3 mm reduziert. Eine kommerzielle Legierung (995), die 32 Ni, 21 Co, 8% Al, 0,5 Y, Rest Kobalt enthält (häufig als MCrAlY-Legierung bezeichnet), wird mit einer Dicke von 1,3 mm auf die Spitzenoberfläche der Schaufel aufgetragen. Diese Schicht wird zuerst bei einem Druck von 10&supmin;³ Pa (10&supmin;&sup5; Torr) einer Wärmebehandlung von 1200ºC unterzogen, was zu einem teilweisen Sintern des Pulvers führt. Ein zweites kommerzielles Pulver (100) mit 19% Cr, 10 Si, Rest Nickel wird auf die erste Schicht aufgetragen. Diese Anordnung wird für 30 Minuten einer Wärmebehandlung bei 1155ºC unter einem Druck von 10&supmin;³ Pa (10&supmin;&sup5; Torr) unterzogen, was zu einer Flüssigphasensinterung und einer vollständigen Verfestigung der ersten Schicht führt. Die Schaufelspitze wird anschließend wieder auf ihre ursprünglichen Maße gebracht. Die zusätzlichen Konzentrationen von Cr, Al, Si und Y in der Spitzenablagerung führen zu einer Verringerung der Raten des Angriffs durch die Umgebung, wenn man sie mit dem Material des Grundmetalls unter ähnlichen Betriebsbedingungen vergleicht

Beispiel 11

Der Verschleißmechanismus, der zwischen der Spitze einer rotierenden IN738-Turbinenschaufel und einem abreibbaren Abdichtungsmaterial auftritt, wird durch das Einbringen von Hartkeramikpartikeln in einer Metallmatrix an der Schaufelspitze in günstiger Weise verändert. Auf die Spitze einer Turbinenschaufel wird eine Mischung von Keramikpartikeln mit einer Größe von 0,025 bis 0,5 mm und einem Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Legierungspulver aufgebracht. Die Keramikpartikel bestehen aus Aluminiumoxid. Das Metallegierungspulver kann identisch zu der Schaufellegierung oder einer MCrAlY- Legierung sein. Die Ablagerung wird für 4 Stunden einer Wärmebehandlung bei 1100ºC unter einem Druck von 10&supmin;³ Pa (10&supmin;&sup5; Torr) unterzogen, was zu einem teilweisen Sintern des Metallpulvers mit den Keramikpartikeln führt. Ein zweites kommerzielles Pulver (100) mit der Zusammensetzung 19% Cr, 10% Si, Rest Nickel wird auf die erste Schicht aufgebracht. Der Gegenstand wird dann für 30 Minuten einer Wärmebehandlung bei 1155ºC unter 10&supmin;³ Pa (10&supmin;³ Torr) unterzogen, was zu einer Flüssigphasensinterung und zu einer vollständigen Verfestigung der ersten Schicht führt. Die Schaufelspitze wird dann auf die gewünschten Maße bearbeitet, was die Keramikpartikel in der Metallablagerung freilegt. Der Verschleiß zwischen der Schaufelspitze und dem Deckbandmaterial ergibt sich dann eher durch einen Schneidemechanismus, als durch einen adhäsiven Vorgang, wodurch eine glatte Abdichtungsoberfläche zurückbleibt. Unter diesen Umständen verringert sich der Verschleiß der Schaufelspitze und der Betriebswirkungsgrad der Gasturbine wird erhöht.

Claims

1. Verfahren für die Flüssigphasensinterung, wobei ein Metallpulver auf einen Metall- oder Legierungssubstrat bei einer Temperatur, bei der das Metailpulver und das Substrat in fester Form bleiben, teilweise gesintert wird; eine Legierungsschicht mit einem Schmelzpunkt unter dem des Metallpulvers und des Metall- oder Legierungssubstrats auf die Fläche des gesinterten Metallpulvers gebracht wird; und das gesinterte Metallpulver mit der bei niedrigerer Temperatur schmelzenden Legierung bei einer Temperatur, bei der das Metall- oder Legierungssubstrat fest ist, in der flüssigen Phase gesintert wird; wobei die bei niedrigerer Temperatur schmelzende Legierung den Schmelzpunkt absenkende Mittel enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metall- oder Legierungssubstrat eine auf Eisen, Nickel oder Kobalt beruhende Legierung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metall- oder Legierungssubstrat eine auf Eisen, Nickel oder Kobalt beruhende Superlegierung ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des teilweisen Sinterns in einem Temperaturbereich von 800 bis 1600ºC durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das teilweise Sintern in einem Temperaturbereich von 1000 bis 1400ºC in einer Schutzatmosphäre durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metallpulver die gleiche Nominalzusammensetzung wie das Metall- oder Legierungs substrat hat.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Flüssigphasensinterung in einem Temperaturbereich von 800 bis 1600 ºC durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Flüssigphasensinterung in einem Temperaturbereich von 1000 bis 1400ºC in einer Schutzatmosphäre durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die niedrigschmelzende Legierung die gleiche Nominalzusammensetzung wie das Metalloder Legierungssubstrat hat, mit Zusatz von 0,1 - 2 % Silizium und/oder von 0,1 - 2 % Bor.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die niedrigschmelzende Legierung die gleiche Nominalzusammensetzung wie das Metallpulver hat, mit Zusatz von 0,1- 2 % Silizium und/oder von 0,1 - 2 % Bor.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Komponente anschließend heißisostatisch gepreßt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Mischung von groben und feinen Metallpulver-Partikelgrößen verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gegenstände Gasturbinenkomponenten sind.

14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gesinterte Schicht so gestaltet wird, daß sie einen Defekt im Substrat abdichtet, der durch anschließendes heißisostatisches Pressen geschlossen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schichten aus dem Metallpulver und aus der niedrigschmelzenden Legierung vor der Verarbeitung aufgebracht werden, und die Schritte des teilweise Sinterns und der Flüssigphasensinterung anschließend in einem einzigen thermischen Zyklus durchgeführt werden.

16. Das Produkt des Verfahrens nach Anspruch 1.

17. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 für die Reparatur von Verbindungen zwischen Metall- oder Legierungsgegenständen, wobei: die Reparatur- oder Verbindungsfläche mechanisch gereinigt wird, um Oxide und Defekte zu entfernen; ein- Metallpulver aufgebracht wird, um die Reparaturoder Verbindungsfläche zu füllen; die Reparaturstelle oder die Verbindung erhitzt wird, um ein teilweises Sintern des Metallpulvers im festen Zustand zu bewirken; eine Legierungsschicht mit einem Schmelzpunkt unter dem des Metallpulvers und der zu reparierenden oder zu verbindenden Gegenstände aufgebracht wird; die Reparaturstelle oder die Verbindung erhitzt wird, um das Schmelzen der niedrigschmelzenden Legierung sowie die Flüssigphasensinterung des Metallpulvers bei einer Temperatur zu bewirken, bei der die zu reparierenden oder zu verbindenden Gegenstände und das Metallpulver in fester Form bleiben.

18. Verfahren nach Anspruch 1, wobei: auf einem Metall- oder Legierungssubstrat eine Mischung aus einem Metallpulver mit einem Schmelzpunkt, der gleich dem oder höher als der Schmelzpunkt des Metall- oder Legierungssubstrats ist, und einem niedrigschmelzenden Legierungspulver mit einem Schmelzpunkt, der niedriger als der Schmelzpunkt des Metalloder Legierungssubstrats ist, aufgebracht wird; die Pulvermischung bei einer Temperatur, die unterhalb des Schmelzpunkts der niedrigschmelzenden Legierung liegt, teilweise gesintert wird; und die teilweise gesinterte Pulvermischung bei einer Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunkts der niedrigschmelzenden Legierung liegt, einer Flüssigphasensinterung unterzogen wird.

19. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 für die Reparatur, die Verbindung oder die Hinzufügung eines Stoffes bei Metall- oder Legierungsgegenständen, wobei: ein Metallpulver aufgebracht wird, um die Verbindungs- oder die Reparaturfläche zu füllen; die Verbindungs- oder Reparaturfläche erhitzt wird, um ein teilweises Sintern des Metallpulvers im festen Zustand zu bewirken; eine Schicht aus einer Legierung mit einem Schmelzpunkt unterhalb des Schmelzpunkts des Metallpulvers und der Metall- oder Legierungsgegenstände aufgebracht wird; die Verbindungs- oder Reparaturfläche auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der ein Schmelzen der Hartlötlegierung stattfindet, bei der aber ein minimaler Fluß stattfindet, was über dem teilweise gesinterten Bereich zu einer Flüssigphasensinterung einer Haut führt; der Gegenstand heißisostatisch gepreßt wird, um eine Verdichtung des teilweise gesinterten Bereiches zu bewirken.

20. Verfahren nach Anspruch 1 wobei die niedrigschmelzende Legierung aus 14 - 18 Gew.-% Chrom, 7 - 10 Gew.-% Kobalt, 1,5 - 2 Gew.-% Molybdän, 2 - 3,2 Gew.-% Wolfram, 0,6 - 1,2 Gew.-% Niob, 2,8 - 4,0 Gew.-% Titan, 1,5 - 2 Gew.-% Tantal, 0,5 - 1 Gew.-% Bor, 0,5 - 1 Gew.-% Silizium und der Rest bis auf Verunreinigungen aus Nickel besteht.

21. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metallpulver 17 - 31 Prozent Cr, 6 - 11 Prozent Cr, 6 - 11 Prozent Al, 0,5 - 1 Prozent Y, Rest Nickel, Kobalt oder Eisen enthält.

22. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 für die Herstellung einer verschleißbeständigen Schicht, wobei eine Mischung aus Metallpulver und harten Partikeln aufgebracht wird; der Gegenstand erhitzt wird, um ein teilweises Sintern des Metallpulvers im festen Zustand zu bewirken; eine Schicht oder eine Legierung mit einem Schmelzpunkt unterhalb des Schmelzpunkts des Metallpulvers und des Legierungsgegenstandes aufgebracht wird; der Gegenstand erhitzt wird, um ein Schmelzen der niedrigschmelzenden Legierung und eine Flüssigphasensinterung des Metallpulvers bei einer Temperatur zu bewirken, bei der der Gegenstand und das Metallpulver in fester Form bleiben.

23. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 22, wobei die harten Partikel Partikel aus Metallnitrid, -oxid, -karbid, -borid oder deren Mischungen sind.