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Diese Erfindung betrifft allgemein ein Hartlötverfahren zur
Verwendung mit Superlegierungen auf Nickelbasis.
Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Verfahren zur Auftragung
einer Hartlötlegierung auf eine Superlegierungskomponente auf
Nickelbasis nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Nickel- und Superlegierungen auf Eisenbasis werden
normalerweise in Strahlmotorkomponenten wegen ihrer exzellenten
physikalischen und mechanischen Eigenschaften insbesondere bei
erhöhten Temperaturen verwendet. Beispielsweise ist es nicht
ungewöhnlich, daß ein Turbinenblatt in einen Strahlmotor
Betriebstemperaturen nahe oder sogar überhalb von 1093ºC
(2000ºF) ausgesetzt wird. Daher ist es wesentlich bei diesen
rauhen Betriebsbedingungen, daß diese Materialien eine
außergewöhnliche Festigkeit und auch einen exzellenten
Korrosionswiderstand haben. Um diese gewünschten Eigenschaften zu
erhalten, werden diese Superlegierungen mit Aluminium oder
Titan legiert. Neben der Verstärkung der Nickel- und auf
Nickel basierenden Legierungen bilden diese
Legierungselemente zähe Oxide an der Oberfläche der Komponente, die das
Material mit dem notwendigen Oxidationsschutz versehen.
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Hartlöten ist ein herkömmlicher Herstellungsvorgang, der
verwendet wird, um zwei oder mehr Oberflächen zu verbinden.
Hartlöten wird routinemäßig verwendet, um individuelle
Komponenten, die aus diesen Superlegierungen aus Nickel und auf
Nickelbasis gebildet sind, für die Bildung von komplexeren
Strahlmotoranordnungen zu verbinden. Allgemein werden diese
Materialien zusammengelötet, indem eine geeignete
Hartlötlegierung zwischen den zusammenpassenden Oberflächen
vorgesehen wird und dann die Materialien auf eine Temperatur
erhitzt werden, die ausreichend ist, um die Hartlötlegierung
ohne ein Schmelzen der umgebenden Metalle zu schmelzen. Die
Hartlötlegierung schmilzt bei einer niedrigeren Temperatur,
weil sie typischerweise ein Schmelzpunktverringerungsmittel
wie Boron enthält. Da das Schmelzpunktverringerungsmittel
aus dem gelöteten Bereich weg in das Basismetall
diffundiert, erhärtet das verbleibende Hartlötmetall an der
Lottemperatur. Die resultierende Struktur ist charakterisiert
durch eine permanente metallurgische Verbindung zwischen der
Hartlötlegierung und den Umgebungsmaterialien.
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Unglücklicherweise sind inherente Schwierigkeiten mit den
Hartlötverfahren, die verwendet werden, um
Superlegierungsmaterialien zu verbinden, verbunden. Obwohl die schützenden
Aluminium- und Titanoxide innerhalb der Superlegierungen für
den Oxidationswiderstand notwendig sind, werden sie während
des Hartlötens der Superlegierungen ein Hindernis. Diese
Oxide verhindern, daß die Hartlötfüllegierung ausreichend die
Oberfläche des umgebenden Materials benetzt. Daher fließt
die Hartlötfüllegierung nicht ausreichend auf das umgebende
Material. Dies beeinträchtigt ein gleichmäßiges und
vollständiges Löten zwischen den beiden Oberflächen.
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Als eine Lösung für dieses Problem werden die Bereiche des
Superlegierungsmaterials, die zu löten sind, vor dem
Hartlötvorgang vernickelt. Dies wird durchgeführt, indem zuerst die
Superlegierungskomponente geeignet abgedeckt werden und dann
Nickel auf diejenigen Bereiche, die zu löten zu sind und die
nicht abgedeckt worden sind, mit Nickel überzogen werden.
Die Vernickelung verbessert die Lötbarkeit der
Superlegierungen, indem eine Oxidbildung in denjenigen Bereichen
verhindert wird, die zu verbinden sind, wodurch die Benetzung der
Hartlötlegierung verbessert wird. Dennoch sind Nachteile mit
dem Vernicklungsprozess dieser Materialien verbunden.
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Eine Vernickelung ist zeitaufwendig und teuer, da sie
verschiedene zusätzliche Verarbeitungsschritte für das
Abdecken,
das überziehen und die erforderlichen anschließenden
Backvorgänge benötigt. Weiterhin werden diese vergrößert,
wenn die überzogene Komponente in Form und Geometrie komplex
ist, was es extrem schwierig macht, die gewünschten Bereiche
abzudecken. Wenn entsprechend der vernickelte Bereich oder
die Abdeckung fehlerhaft ist, kann die entstehende
Lötverbindung zwischen den zusammenpassenden Teilen fehlerhaft sein.
Daher besteht eine starke Notwendigkeit für ein
Hartlötmittel für diese Superleglerungen, das nicht erfordert, daß die
Oberfläche der Superlegierung zuerst vernickelt wird.
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Außerdem sollen herkömmliche Verfahren zur Auftragung der
Hartlötfüllegierung auf den gewünschten zu lötenden Bereich
eine breiige Paste, Folie oder Drahtform der Lötlegierung
verwenden. Die Hartlötlegierung wird auf den gewunschten
Bereich aufgetragen und die Komponenten werden zusammengefügt.
Während des Zusammenfügens der Komponenten ist jedoch die
Verbindung zwischen der Hartlötlegierung und den
Umgebungsmaterialien minimal, da sie in erster Linie auf der
Oberflächenspannung zwischen den Materialien basiert, wodurch eine
Verschiebung der Hartlötlegierung möglich wird. Dies ist
insbesondere problematisch, wenn Strahlmotorkomponenten
zusammengefügt werden, wo Dimensionstoleranzen häufig innerhalb
des Mikrometers (Tausendstel eines Inches) liegen. Daher
ware es vorteilhaft, wenn die Hartlötlegierung spezifisch und
permanent auf das Superlegierungsmaterial vor dem
Zusammenfügen der Komponenten aufgebracht werden könnte.
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Was notwendig ist, ist entsprechend ein Mittel zum Löten
dieser Superlegierungen, worin die Hartlötfüllegierung
spezifisch aufgebracht und metallurgisch mit dem gewunschten
Bereich des Basismetalls vor dem Hartlötvorgang verbunden
werden kann, so daß die Notwendigkeit der Vernicklungstechniken
überflüssig wird.
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Ein Verfahren zum Zusammenlöten zweier Oberflächen gemäß der
vorliegenden Erfindung ist durch die Merkmale des
Kennzeichnungsteil von Anspruch 1 gekennzeichnet.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Mittel anzugeben, um
permanent eine Hartlötfüllegierung auf spezifische
vorbestimmte Bereiche der Basismetalloberfläche vor einem
aktuellen Hartlötvorgang aufzubringen, insbesondere wo das
Basismetall eine Superlegierung auf Nickelbasis ist.
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Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, daß ein
solches Mittel zur Plazierung der Hartlötfüllegierung
Elektroablagerungstechniken verwendet, insbesondere
Elektrofunkenablagerungstechniken, wodurch eine metallurgische Verbindung an
dem Hartlötfüllmetall/Basismetall-Übergang bei Ablagerung
der Hartlötfüllegierung auf dem Basismetall gebildet wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung
werden diese oder andere Aufgaben und Vorteile wie folgt
erfüllt.
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Eine Hartlötfüllegierung wird auf einen gewünschten Bereich
eines Basismetalls unter Verwendung einer
Elektrofunkenablagerungstechnik spezifisch aufgebracht und metallurgisch
verbunden. Zusammenpassende Komponenten, die jeweils aus dem
Basismetall gebildet sind und auf denen sich die durch
Elektrofunken abgelagerte Hartlötlegierung befindet, werden dann
auf herkömmliche Weise zusammengelötet.
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Das Basismetall ist vorzugsweise aus einer Legierung auf
Nickelbasis gebildet, die geeignet für
Hochtemperaturverwendungen ist. Das Basismetall ist elektrisch mit der negativen
Leitung einer gleichgerichteten elektrischen
Wechselstromenergiequelle verbunden.
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Eine Elektrode ist vorgesehen, die aus der gewünschten
Hartlötfüllegierung, vorzugsweise einer Lötlegierung auf
Nickelbasis, gebildet ist. Die Elektrode ist parallel zu einem
Kapazitätladekreis verbunden und positiv mit der AC-Quelle
elektrischer Energie verbunden.
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Die Hartlötfüllegierung wird abgelagert auf und gleichzeitig
metallurgisch legiert in den gewünschten Bereich des
Basismetalls durch Übertragung des Materials von der Elektrode
unter Verwendung eines kurzzeitigen elektrischen Impulses.
Eine Kapazität wird durch Verwendung der gleichgerichteten
Wechselstromquelle aufgeladen und dann durch die Elektrode
durch die Aktivierung eines unabhängig getriggerten
Thyristors entladen. Obwohl der Funke, der erzeugt wird, von
einer kurzen Dauer ist, hat er ausreichend Energie, um einen
Teil der Elektrode zu schmelzen, indem er durch den Bogen,
der zwischen dem negativ geladenen Basismetall und der
positiv geladenen Elektrode beschleunigt wird, so daß sie auf
dem Basismetall abgelagert wird. Beim Kontakt bilden die
abgelagerten Hartlötfüllmetallegierungen mit dem Substrat eine
völlig dichte metallurgische Verbindung. Die damit
verbundenen Zeit und Energie sind klein genug, daß der gesamte
Wärmeeintritt in das Basismetall minimal ist, so daß eine
Verzerrung und metallurgische Strukturänderungen des Basismetalls
vernachlässigbar sind und weiterhin die chemische
Zusammensetzung des abgelagerten Hartlötfüllmittels wegen der
Verdünnung mit dem Basismetall auch vernachlässigbar ist. Ein
Elektrodenfunken tritt bei Frequenzen im Bereich von etwa 200 Hz
bis 1200 Hz auf, wenn die Elektrode auf dem Basismetall
oszilliert oder rotiert, um die Ablagerung von
Hartlötfüllmetall an dem gewünschten Verbindungsort zu bilden.
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Die gelötete Verbindung wird dann auf herkömmliche Weise
zwischen der Basismetallkomponente mit der metallurgisch
verbundenen Hartlötfüllegierung und derselben metallurgisch
verbundenen Hartlötfüllegierung, die an der passenden
Komponente vorgesehen ist, gebildet.
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Mit diesem Verfahren ist eine große Flexibilität mit der Art
des Hartlötfüllmetalls, das abgelagert werden soll, und dem
verwendeten Basismetall verbunden. Ein erfinderisches
Merkmal dieses Verfahrens ist, daß die Hartlötfüllegierung
spezifisch auf bestimmte Bereiche aufgebracht wird, ohne daß die
Notwendigkeit nach arbeitsaufwendigen Abdeck- und
Vernickelungstechniken besteht. Die aus der Hartlötfüllegierung
gemachte Elektrode kann manuell oder mechanisch manipuliert
werden, was eine vollständige Steuerung der Ablagerung des
Hartlötfüllmetalls auf dem Basismetall erlaubt. Außerdem
wird bei Kontakt zwischen der abgelagerten
Hartlötfüllegierung und dem Basismetall eine permanente metallurgische
Verbindung zwischen den Metallen gebildet.
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In einer alternativen Ausführungsform kann eine Schicht aus
Nickel zuerst unter Verwendung dieses
Elektrofunkenablagerungsverfahrens auf bestimmte Bereiche des Basismetalls
aufgebracht werden. Dann kann die Hartlötlegierung unter
Verwendung des Elektrofunkenablagerungsverfahrens oder herkömmlich
auf die mit Nickel beschichteten Bereiche aufgebracht
werden. Dies eliminiert den herkömmlichen elektrochemischen
Vernickelungsvorgang und die damit verbundenen Nachteile. Dies
ist insbesondere vorteilhaft, wenn die zusammenzulötenden
Komponenten komplex in der Form sind.
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Andere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden aus der
detaillierten Beschreibung von dieser, wie folgt, besser
verständlich.
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Die vorigen und andere Vorteile dieser Erfindung werden
deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung, die in Verbindung
mit den beiliegenden Zeichnungen erfolgt, in denen:
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Figur 1 eine schematische Ansicht ist, die eine Elektrode,
die aus einer Hartlötlegierung gebildet ist, einen
Elektrodenhalter, ein Basismetall und eine
abgelagerte Hartlötlegierung und deren elektrische Verbindung
gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser
Erfindung zeigt;
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Figur 2 eine Seitenansicht vor dem Hartlöten ist, die eine
Basismetallkomponente, mit der eine Hartlötlegierung
metallurgisch verbunden ist, und eine passende
Komponente, mit der ebenfalls eine Hartlötlegierung
metallurgisch verbunden ist, zeigt; und
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Figur 3 eine Seitenansicht ist, die die Anordnung von Figur
2 nach dem Hartlöten zeigt.
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Die Anmelder sind die ersten, die permanent eine
Hartlötfülllegierung auf bestimmte Bereiche einer auf Nickel
basierenden Legierungskomponente unter Verwendung einer
Elektrofunkenablagerungstechnik aufbringen, so daß die
Hartlötlegierung und das auf Nickel basierende Basismetall vor dem
eigentlichen Hartlötvorgang miteinander metallurgisch
verbunden werden. Passende Komponenten, die jeweils die
metallurgisch verbundene Schicht aus einer Hartlötlegierung, die
unter Verwendung des Elektrofunkenablagerungsverfahrens
aufgebracht worden ist, haben, werden dann auf herkömmliche Weise
zusammengelötet.
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Wie schematisch in Figur 1 gezeigt ist, ist eine Elektrode
14, die aus einer gewünschten Hartlötlegierung gebildet ist,
in einem Halter 16 gehalten und elektrisch mit einem
Werkstück 10, das aus einem gewünschten Basismetall,
vorzugsweise einer auf Nickel basierenden Superlegierung, gebildet
ist, verbunden. Die Elektrode 14 ist positiv geladen und das
Werkstück 10 ist für eine Ablagerung von Metall auf ihm
negativ
geladen.
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Eine Hartlötfüllegierung (als Schicht 12 dargestellt) ist
abgelagert auf und legiert in einem gewünschten Bereich des
Basismetallwerkstückes 10 durch Übertragung der
Hartlötlegierung von der Elektrode 14 unter Verwendung eines kurz
andauernden elektrischen Impulses. Ein Kondensator wird unter
Verwendung einer gleichgerichteten Wechselstromenergiequelle
(nicht gezeigt) herkömmlich aufgelagen und dann durch die
Elektrode 14 durch die Aktivierung eines unabhängig
getriggerten Thyristors entladen. Die Elektrode ist vorzugsweise
parallel zu dem Kapazitätsaufladekreis elektrisch
angeschlossen, um diese Ergebnisse zu erzielen. Es sind jedoch
alternative Mittel zur Bewirkung der Entladung der Kapazität im
Stand der Technik bekannt und können verwendet werden.
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Der Funken, der durch die Entladung erzeugt wird, hat jedoch
ausreichend Energie, um einen Bereich der
Hartlötlegierungselektrode 14 zu schmelzen, indem es durch den Bogen, der
zwischen dem negativ geladenen Basismetall 10 und der
positiv geladenen Elektrode 14 gebildet wird, beschleunigt wird.
Der geschmolzene Bereich der Hartlötlegierungselektrode 14
wird dadurch auf dem Basismetallwerkstück 10 abgelagert. Bei
dem Kontakt verbindet sich das abgelagerte
Hartlötlegierungsmetall 12 mit dem Basismetallsubstrat 10, um eine völlig
dichte metallurgische Verbindung zwischen den Metallen zu
bilden. Die Zeit und Energie, die während des
Ablagerungsvorgangs verwendet werden, sind relativ klein, so daß der
gesamte Wärmeaufwand, der dem Basismetall 10 zugeführt wird,
minimal ist. Daher sind eine Verzerrung und metallurgische
Strukturveränderungen des Basismetallwerkstückes 10
vernachlässigbar. Dies ist ein wesentlich vorteilhaftes Merkmal dieser
Erfindung.
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Elektrodenfunkenbildung mit Frequenzen, die zwischen etwa
200 Hz bis etwa 1500 Hz variieren, wird durch die Entladung
der Kapazität erzeugt, welche verwendet wird, um das
entsprechende Schmelzen des Hartlötlegierungselektrodenmaterials 14
zu erzeugen. Es ist bestimmt worden, daß dieser
Frequenzbereich ausreichend Energie der Elektrode 14 zur Verfügung
stellt, um das Material zu schmelzen, aber auch eine
ausreichende Kontrolle über die Materialablagerungsgeschwindigkeit
erlaubt.
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Die Ablagerung der Hartlötlegierungselektrode 14 tritt auf,
wenn die Elektrode 14 das Basismetallwerkstück 10 berührt
und der kapazitive Kreis daraufhin entladen wird. Die
Elektrode 14 wird manuell oder mechanisch entlang des
gewünschten Bereiches des Werkstückes 10 bewegt, während das
gleichzeitige und kontinuierliche Entladen des kapazitiven Kreises
auftritt. Wie in Figur 1 dargestellt ist, ist die
abgelagerte Schicht 12 aus Hartlötlegierung nur auf einem Teil der
Oberfläche des Basismetallwerkstückes 10 gebildet worden.
Dieses Verfahren vereinfacht die Herstellung irgendeiner
gewünschten Länge oder Konfiguration einer abgelagerten
Hartlötlegierung 12.
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Mit diesem Verfahren wird eine Hartlötlegierung 12 nur an
den gewünschten Bereichen abgelagert, wo der Kontakt
zwischen der Elektrode 14 und dem Werkstück 10 stattfindet. Es
ist bestimmt worden, daß die Ablagerung des
Elektrodenmaterials 14 weicher erfolgt, wenn die Elektrode 14 gleichzeitig
hin und her bewegt oder gedreht wird, während sie das
Basismetall 10 berührt. Dies verhindert ein Ankleben der
Elektrode 14 an dem Basismetall 10, wenn der geschmolzene Bereich
der Elektrode 14 abgelagert wild.
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Wie in Figur 2 gezeigt ist und vor dem Hartlötvorgang ist
eine erste Schicht aus Hartlötlegierung 12 auf der
Basismetallkomponente 10 abgelagert worden. Mit diesem Verfahren
wird die Schicht aus Hartlötlegierung 12 metallurgisch mit
dem Basismetall 10 verbunden. Die Oberfläche der
Hartlötlegierungsschicht 12 ist, wie gezeigt ist, typischerweise
nicht glatt wegen der Natur des Ablagerungsprozesses, bei
dem die Elektrode 14 entlang der Länge der gewünschten
Hartlötverbindung bewegt wird. Individuelle Nähte werden
jedesmal gebildet, wenn der elektrische Kreis durch die Elektrode
entladen wird und die kleine Menge von Elektrodenmaterial
geschmolzen wird. Wenn eine glatte Schicht aus
Hartlötlegierung 12 erforderlich ist, kann die Schicht 12 nach der
Ablagerung auf geeignete Weise bearbeitet oder poliert werden.
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Eine passende Komponente 18, die vorzugsweise aus demselben
oder einem ähnlichen auf Nickel basierenden Material wie die
Basismetallkomponente 10 besteht, hat auch an ihrer
passenden Oberfläche eine Schicht aus Hartlötlegierung 20, die
metallurgisch mit ihr verbunden ist und die unter Verwendung
des Verfahrens abgelagert worden ist. Diese zweite Schicht
aus Hartlötlegierung 20 berührt die erste Schicht aus
Hartlötlegierung 12 und wird vor dem Hartlöten zu dieser
ausgerichtet. Die zusammenpassenden Teile 10 und 18 werden dann
bei einer Temperatur und für eine Dauer, die aus dem Stand
der Technik bekannt ist, zusammengelötet. Alternativ könnte
zusätzlich ein Hartlötfüllmaterial an der Kante der
Verbindung unter Verwendung herkömmlicher Verfahren verwendet
werden. Diese zusätzliche Hartlötlegierung wird ausreichend
Material bereitstellen, um das Füllen der Verbindung zu
vervollständigen und zu verhindern, daß Hohlräume auftreten,
weil die Kontaktflächen aufgrund der Rauhigkeit der Schicht
aus Hartlötlegierung, die unter Verwendung des
Elektrofunkenablagerungsverfahren aufgebracht wurde, nicht
zusammenpassen. Dennoch ist dies nicht absolut notwendig.
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Es wird bemerkt, daß zur Vereinfachung das erste Basismetall
10 und die passende Komponente 18 als zwei flache Flächen
gezeigt sind. In der Praxis können jedoch die Komponenten, die
miteinander verbunden werden sollen, von irgendeiner Form
sein, die bearbeitbar und zusammenbaubar ist. Ein Vorteil
dieses Verfahrens ist, daß die Hartlötlegierungsschicht 12
oder 20 nahezu überall auf irgendeiner Form der Komponente
verwendet werden kann und nur durch die Zugänglichkeit der
Hartlötlegierungselektrode 14 beschränkt ist (wie in Figur 1
gezeigt ist) auf den gewünschten Bereich, wodurch ein hoher
Grad an Flexibilität während des Zusammenfügens dieser
Komponente erlaubt wird. Da außerdem eine metallurgische
Verbindung zwischen der Hartlötlegierungsschicht 12 oder 20 und
dem Basismetall 10 oder 18 bei Berührung gebildet wird,
besteht keine Möglichkeit, daß diese während des
Zusammenfügens versetzt werden.
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Während des Hartlötens schmelzen die zusammenpassenden
Schichten aus Hartlötlegierung 12 und 20 bei einer
Temperatur, die niedriger ist als der Schmelzpunkt der umgebenden
Materialien 10 und 18. Beim Schmelzen fließt jede Schicht
aus Hartlötlegierung 12 und 20 und vermischen sich
ausreichend miteinander, um eine gleichmäßige, hochdichte
metallurgische Verbindung zu bilden. Da jede Schicht aus
Hartlötlegierung 12 und 20 metallurgisch mit ihren entsprechenden
Basismetallkomponenten 10 bzw. 18 vor dem Hartlötvorgang
verbunden werden, gibt es keine unerwünschte Bewegung der
Hartlötlegierung 12 und 20 während des Zusammenfügens oder
Lötens. Außerdem wird die Bildung von Oxiden in jeder
Basismetallkomponente 10 und 18 während des Lötens unterdrückt,
weil das darunterliegende
Basismetall-Superlegierungsmaterial wegen des Vorliegens einer jeden entsprechenden Schicht
aus Hartlötlegierung 12 und 20 nicht der Atmosphäre
ausgesetzt ist.
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In Figur 3 ist eine Seitenansicht gezeigt, die die
verbundene Anordnung von Figur 2 nach dem Löten zeigt. Die ersten
und zweiten Schichten aus Hartlötlegierung (12 und 20 in
Figur 2) sind nicht länger las zwei unterschiedliche Schichten
unterscheidbar, sondern haben vielmehr eine einzige gelötete
Verbindung 122 gebildet, die zwischen ihnen liegt und
metallurgisch mit den zusammenpassenden Basismetallkomponenten
110 und 118 verbunden sind. Die Lötverbindung 122 besteht in
erster Linie aus den Hartlötmaterial, jedoch gibt es an dem
verbundenen Bereich zwischen der Lötverbindung 122 und jeder
Basismetallkomponente 110 und 118 eine Difussionszone
entsprechen den Bereichen, wo die Hartlötlegierung mit jedem
Basismetall eine metallurgische Legierung eingegangen ist.
Dieser Bereich wird durch gestrichelte Linien in Figur 3
angedeutet.
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Es ist vorhersehbar, daß geeignete Ergebnisse erzielt werden
würden, wenn nur auf einer Basismetallkomponente eine
metallurgisch verbundene Hartlötlegierungsschicht abgelarert
wäre. Die passende Komponente würde, wenn sie aus einem
Superlegieungsmaterial gebildet wäre, die herkömmliche
vernickelte Schutzschicht vor dem Hartlöten erfordern. Der
vernickelte Bereich der passenden Komponente würde die metallurgisch
verbundene Hartlötlegierung, die auf der ersten
Basismetallkomponente unter Verwendung dieses Verfahrens abgelagert
wurde, berühren. Es wird jedoch angenommen, daß die Einfachheit
und Effizienz dieses Verfarhens jemanden davon abhaltet
würde, das herkömmliche Vernicklungsverfarhen zu verwenden,
insbesondere im Licht der zuvor genanten Nachteile.
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Es ist auch vorhersehbar, daß jemand wählen könnte, die
Hartlötlegierung auf herkömmliche Weise auf den gewünschten
Bereich der zusammenpassenden Komponenten aufzubringen, aber
zuerst die Nickel- oder Hartlötlegierungsschicht unter
Verwendung dieses Verfahrens aufbringt. Die Aufbringung der
Nickel- oder Hartlötlegierungsschicht auf die spezifischen
Bereiche der Komponeten unter Verwendung dieses Verfahrens
würde die Nachteile des elektrochemischen
Vernickelungsverfahrens und die damit verbundenen Abdeckungstechniken
vermeiden.
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Die Komponenten können aus irgendeinem Basismetall, das
gelötet werden kann, gebildet sein. Beispiele von geeigneten
Basismetallmaterialien sind nicht nur die Superlegierungen
auf Eisen- und Nickelbasis, sondern auch nicht-rostende
Stähle, Eisenlegierungen, Manganlegierungsmaterialien und
Titanlegierungen. Effektive Resultate sind mit der Verwendung von
verschiedenen kommerziell erhältlichen Superlegierungen auf
Nickelbasis, die für die Hochtemperaturverwendung geeignet
sind, erzielt worden, obwohl erwartet wird, daß
zufriedenstellende Resultate mit irgendwelchen der oben aufgeführten
Materialien erzielt werden würden. Ihre
Materialbezeichnungsnamen und Zusammensetzungen (in nominalen Gewichtsprozenten)
sind wie folgt:
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IN792: 0,21%C, 12,7%Cr, 9%Co, 2%Mo, 3,9%W, 4,2%Ti, 3,2%Al,
0,02%B, 0,1%Zr und halbberuhigtes Ni, das ein Gußmaterial
ist, das von der International Nickel Corporation, U.S.A.
erhältlich ist;
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MarM247: 0,16%C, 8,2%Cr, 10%Co, 0,6%Mo, 10%W, 1%Ti, 5,5%Al,
0,02%B, 0,09%Zr, 3%Ta und halbberuhigtes Ni, das ein
Gußmaterial ist, das von Martin Metals Corporation U.S.A erhältlich
ist;
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C1023: 0,15%C, 15,5%Cr, 10%Co, 8%Mo, 3,6% Ti, 4,2%Al,
0,006%B, 0,5%Fe und halbberuhigtes Ni, das ein Gußmaterial
ist, das von Cannon Muskegon Corporation, U.S.A. erhältlich
ist; und
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WASPALLOY: 0,08%C, 19,5%Cr, 13,5%Co, 4,3%Mo, 3,0%Ti, 1,3%Al,
0,006%B, 0,06%Zr und halbberuhigtes Ni, das ein kommerziell
erhältliches Knetlegierungsmaterial ist, das durch die
Aerospace Materials Specification AMS 5704 bezeichnet ist.
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Die Hartlötlegierung wurde erfolgreich auf den Komponenten,
die aus diesen vier Superlegierungen auf Nickelbasis
gebildet sind, unter Verwendung des
Elektrofunkenablagerungsverfahrens dieser Erfindung abgelagert. Diese Materialien
wurden dann erfolgreich zusammengelötet.
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Die verwendete Hartlötlegierung kann jegliches elektrisch
leitendes Material sein, das zu einer Elektrode gebildet
werden kann und das mit dem zu lötenden Basismetall kompatibel
ist. Die Hartlötlegierung muß in der Lage sein, die
elektrische Ladung des kapazitiven Ladekreises zu leiten und zu
entladen, die verwendet wird, um die Hartlötlegierungselektrode
zu schmelzen und dadurch das Hartlötlegierungsmaterial auf
dem Basismaterial abzulagern. Geeignete
Hartlötlegierungsmaterialien umfassen nicht nur Nickel und Hartlötlegierungen
auf Nickelbasis, sondern auch Kupfer, Silber, Aluminium,
Gold, andere wertvolle Metalle wie Palladium und aus diesen
Materialien gebildete Legierungen. Praktisch gesprochen ist
vorhersehbar, daß nahezu jede Hartlötlegierung unter
Verwendung dieses Verfahrens zuerst abgelagert werden könnte.
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Ein kommerziell erhältliches Material auf Nickelbasis mit
der Aerospace Materials Specification AMS 4777 wurde als
Hartlötlegierung gewählt, die mit den obigen Basismetallen
verwendet werden sollte. Hartlötlegierung AMS 4777 hat eine
Elementenzusammensetzung (in nominalen Gewichtsprozenten)
wie folgt 4,5%Si, 7,0%Cr, 3,1%B, 3,0%Fe und das
halbberuhigte Nickel. Hartlötlegierung AMS 4777 wurde wegen seiner
weiten Verwendung in der Luftfahrtindustrie gewählt. Darum
wurde bestimmt, daß wenn zufriedenstellende Ergebnisse mit
diesem Verfahren unter Verwendung der AMS 4777-Hartlötlegierung
erzielt werden könnten, zufriedenstellende Ergebnisse auch
mit anderen Hartlötlegierungen erzielt werden könnten.
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Die AMS 4777-Hartlötlegierung wurde unter Verwendung des
Verfahrens dieser Erfindung erfolgreich auf ein Paar von
zusammenpassenden Komponenten, die jeweils aus den vier
Basismetallen IN792, MarM247, C1023 und WASPALLOY gebildet waren,
aufgebracht. AMS 4777-Hartlötlegierung hat eine
Schmelztemperatur von etwa 1000ºC. Die vier Paare von Komponenten wurden
bei einer Temperatur gelötet, die ausreichend war, um die
AMS 4777 -Hartlötlegierung zu schmelzen, aber nicht
ausreichend war, um die Basismetalle auf Nickelbasis zu schmelzen,
die allgemein bei einer Temperatur von 1100ºC oder leicht
höher schmelzen. Die sich ergebenden Hartlötverbindungen
zeigten eine hohe Qualität, dichte metallurgische Bindungen
mit einer Diffusionszone in dem Basismetall, wie sie sich
normalerweise beim Löten ergeben, aber keine zusätzlichen
Änderungen in der Mikrostruktur. In der Tat war die
Kristallstruktur des Basismetalls unbeeinflußt durch die Ablagerung
des Hartlötmetalls unter Verwendung dieses Verfahrens. Die
gelöteten Verbindungen, die mit der aufgebrachten
Hartlötlegierung gemäß dieser Erfindung gebildet wurden, waren
vergleichbar oder besser als Hartlötlegierung, die aus einer
herkömmlich aufgebrachten AMS 4777-Hartlötlegierung unter
Verwendung der Vernickelung dieser Materialien gebildet
wurden.
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Die bevorzugten Verfahrensparameter, die für die Ablagerung
der AMS 4777-Hartlötlegierung auf alle vier der
Superlegierungsmaterialen verwendet wurden, sind wie folgt. Zuerst
werden die durch Hartlöten zu verbindenden Oberflächen
sorgfältig gereinigt, wie durch Ätzen oder Bearbeitung, um die
gesamten Verunreinigungen zu entfernen, gefolgt durch
Sandstrahlen, um irgendwelche anderen Fremdkörper zu entfernen.
Die Oberflächen sollten dann mit Azeton oder einem anderen
herkömmlichen Reinigungslösungsmittel gewaschen werden.
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Die Elektroden, die verwendet werden, um die
Hartlötlegierung AMS 4777 metallurgisch mit den
Superlegierungskomponenten zu verbinden, wurden aus dem AMS 4777 Material gebildet
und waren 4,72 mm (0,186") im Durchmesser und 50,8 mm (2,0")
lang für die oszillierende Art des Elektrodenhalters, und
3,18 mm (0,125") im Durchmesser und 50,8 mm (2,0") lang für
einen Elektrodenhalter der drehenden Art.
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Die Superlegierungskomponenten wurden dann unter Verwendung
dieser Technik beschichtet. Argongas wurde über den zu
lötenden Teil mit einer Geschwindigkeit, die ausreichend ist, um
den Lötbereich von einer unerwünschten Oxidation oder
Aussetzung der Atmosphäre abzuschirmen, strömen gelassen. In der
Praxis wurde Argon mit etwa 283,168 dm³/Stunde (10 Kubikfuß
pro Stunde) strömen gelassen, und der mit der
Hartlötlegierung zu beschichtende Bereich wurde mit dem Argongas für
etwa 30 Sekunden vor der Ablagerung gereinigt, um gute
metallurgische Verbindungen zwischen den Materialien zu
gewährleisten. Irgendein anderes kommerziell erhältliches Inertgas
könnte auch verwendet werden, um den Bereich während des
Hartlötlegierungsablagerungsverfahrens abzuschirmen. Die
Elektrodenbewegung wurde dann in Abhängigkeit von der Art
des verwendeten Halters entweder ozillierend oder rotierend
begonnen, und die Kapazität wurde geladen. Das Werkstück
wurde mit der Elektrode mit einem Druck berührt, der gleich
dem Druck ist, der zum Bemalen mit einem Wachsstift
verwendet werden würde. Die Elektrode wurde dann entlang der
Superlegierungselemente bewegt, woduch eine gleichmäßige Linie
aus Hartlötlegierung, die von dem Elektrodenbogen erzeugt
wurde, aufgebracht wurde. Vorzugsweise wurden überlappende
Schritte mit der Elektrode gemacht, bis die gesamte
Oberfläche gleichmäßig mit der Hartlötlegierung beschichtet ist.
Der Elektrodenwinkel sollte etwa einen 45º-Winkel mit dem
Werkstück während des Ablagerungsvorgangs einschließen.
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Der verwendete Kapazitätswert war etwa 20 Mikrofarad und die
Frequenz betrug etwa 200 Hz, eine Kurzschlußspannung von
etwa 100 Volt und ein Kurzschlußstrom von etwa 1 Ampere
wurde verwendet. Diese Parameter können innerhalb vernünftiger
Grenzen variiert werden, aber diese Werte führten zu mit
sehr hoher Qualität metallurgisch verbundenen Schichten von
Hartlötlegierung und Basismetallkomponenten. Die
Einzelheiten des Elektrofunkenablagerungsverfahrens, das verwendet
wurde, sind ähnlich dem Verfahren, das in dem US-Patent
Nr. 4,405,851 von Sheldon mit dem Titel "Apparatus for
Transfer of Metallic Materials by Electric Discharge" offenbart
ist.
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Außerdem wurde eine herkömmlich aufgebrachte AMS
4777-Hartlötlegierung in Verbindung mit einer komerziellen reinen
Nickelschicht verwendet, die unter Verwendung derselben
Verfahrensparameter auf zusammengehörenden Komponenten, die aus
einer der vier Basismetalle gebildet waren; IN792, MarM247,
C1023 und WASPALLOY aufgetragen wurde. Die Nickelschicht
ersetzte die herkömmliche elektrochemisch abgelagerte
vernickelte Schicht. Die AMS 4777-Hartlötlegierung zeigte gute
Benetzungseigenschaften über die Oberflächen der
verschiedenen Materialien und, wiederum, waren die sich ergebenden
gelöteten Verbindungen vergleichbar mit herkömmlch
gebildeten gelöteten Verbindung mit einer vernickelten Schicht.
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Die gelöteten Verbindungen wurden zwischen der
Basismetallkomponente mit der metallurgisch verbundenen
Hartlötfüllegierung und der dazu passenden Komponente mit derselben
metallurgisch verbundenen Hartlötlegierung unter Verwendung
herkömmlicher thermischen Lötzyklen gebildet, und in einigen
Fällen einer zusätzlichen Menge von herkömmlich
aufgebrachter Hartlötlegierung, die im Stand der Technik bekannt sind.
Mit diesem Verfahren ist eine große Flexibilität mit der Art
des Hartlötfüllmetalls, das abgelagert werden soll, und dem
verwendeten Basismetall verbunden. Ein erfinderisches
Merkmal dieses Verfahrens ist, daß die Hartlötfüllegierung
spezifisch auf gewünschte Bereiche ohne die Notwendigkeit
arbeitsaufwendiger Abdeck- und Vernickelungstechniken aufgebracht
wird. Die aus der Hartlötfüllegierung gemachte Elektrode
kann manuell oder mechanisch manipuliert werden, was eine
vollständige Steuerung der Ablagerung des Hartlötfüllmetalls
auf das Basismetall erlaubt. Außerdem wird beim Kontakt
zwischen der abgelagerten Hartlötfüllegierung und dem
Basismetall eine permanente metallurgische Verbindung zwischen den
Metallen gebildet, wodurch viele der Nachteile, die mit den
herkömmlchen Verfahren zur Aufbringung einer
Hartlötlegierung und der damit verbundenen Verwendung einer Vernickelung
verbunden waren.