Auftragschweißen von Nickelbasis-Superlegierungen mittels zweier Pulver, Pulvermischung und Verfahren

Die Erfindung betrifft das Auftragschweißen von Nickelbasis- Superlegierungen unter der Verwendung von zwei verschiedenen Pulvern, eine Pulvermischung und eine Auftragschweißung.

Sie betrifft weiterhin die Verbesserung der Oxidationsbestän digkeit einer Schaufelspitze von Turbinenschaufeln.

Aufgrund der Zunahme der Temperatur an der Spitze der Turbi nenschaufeln der Reihe 1 und 2 reicht die Langzeitoxidations beständigkeit der bisherigen Legierungen nicht aus ohne eine zusätzliche Kühlung in der Form von Kühlluft einzusetzen. Um diesen Kühlluftverbrauch zu reduzieren, wird ein Werkstoff benötigt, der eine hohe Oxidationsbeständigkeit aufweist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, o. g. Problem zu lösen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Auftragschweißung gemäß Anspruch 1, eine Pulvermischung gemäß Anspruch 2 und ein Ver fahren gemäß Anspruch 3.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön nen, um weitere Vorteile zu erzielen.

Es zeigen die Figuren 1 ein beispielhaftes Bauteil für die Erfindung und Figur 2 die erfindungsgemäße Vorgehensweise.

Die Figuren in der Beschreibung stellen nur Ausführungsbei spiele der Erfindung dar.

Eine Auftragschweißung erfolgt insbesondere mittels Laser strahl-Auftragschweißen unter Verwendung von zwei Pulverwerk stoffen . Die beiden Nickelbasis-Superlegierungen unterscheiden sich zumindest in der Zusammensetzung des Gehaltes an Aluminium (Al) . Beide für die Schweißung eingesetzten Legierungen gel ten als schweißbar.

Die erste Legierung (Legierung 1) ist mit einem Anteil von vorzugsweise 3% bis 4% an Aluminium (Al) unkritisch für Riss bildung, da nicht hinreichend viel NZ ₃ AI ausgeschieden wird.

Die zweite Legierung (Legierung 2) ist mit vorzugsweise 7% bis 8% Aluminium (Al) „übersättigt" und bildet neben der NZ ₃ AI die NiAl Phase aus.

Beide Pulverwerkstoffe aus erster und zweiter Legierung kön nen in einer beliebigen Anzahl an Lagen abwechselnd aufgetra gen werden.

Je nach lokaler Zusammensetzung wird nach einer Diffusions wärmebehandlung das NiAl aufgelöst und je nach dem mehr NZ ₃ AI für Hochtemperaturbeständigkeit oder mehr NiAl für Oxidati onsbeständigkeit gebildet. In Kombination bilden Legierung 1 + Legierung 2 vermehrt die NisAl-Phase aus. Die NiAl-Phase kann wieder mittels einer Wärmebehandlung aufgelöst werden.

Eine mögliche Zusammensetzung für Legierung 1 und Legierung 2 insbesondere abschließende Legierungsauflistung ist in fol genden Tabellen dargestellt:

Legierung 1 :

Nickel (Ni) 53,04

Kohlenstoff (C) 0,02

Chrom (Cr) 14,95

Kobalt (Co) 20,35

Molybdän (Mo) 0,10

Wolfram (W) 1,90

Titan (Ti) 0, 15

Aluminium (Al) 7,00

Bor (B) 0,08 Tantal (Ta) 0,89

Hafnium (Hf) 0,27

Yttrium (Y) 0,21

Rhenium (Re) 1,05.

Legierung 2 :

Nickel (Ni) 56,04

Kohlenstoff (C) 0,02

Chrom (Cr) 14,95

Kobalt (Co) 20,35

Molybdän (Mo) 0,10

Wolfram (W) 1,90

Titan (Ti) 0, 15

Aluminium (Al) 4,00

Bor (B) 0,08

Tantal (Ta) 0,89

Hafnium (Hf) 0,27

Yttrium (Y) 0,21

Rhenium (Re) 1,05

Die Vorteile sind:

verbesserte Materialeigenschaften des Bauteils im Vergleich zu geschweißten Bauteilen unter Verwendung nur einer Schweiß legierung;

Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit durch Zunahme an Aluminium (Al) ;

Einsparung von Material, Verkleinerung der Ausschusszahlen bei Service-Bauteilen.

Die Figur 1 zeigt ein beispielhaftes Bauteil 1, hier insbe sondere eine Turbinenschaufel 1 mit einer Schaufelspitze 4.

Diese Schaufelspitze 4 unterliegt extremen Anforderungen und wird für die Wiederverwendung überarbeitet. Dabei muss neues Material auf den Boden 13 (Figur 2) aufge tragen werden.

Wie schon oben erläutert, ist es schwierig, Nickelbasis- Superlegierungen zu schweißen. Durch die Verwendung von zwei verschiedenen Legierungen, die abwechselnd lagenweise aufge tragen werden und sich nur in der Zusammensetzung des Alumi niumgehalts unterscheiden, kann hier eine gute Auftragschwei ßung 16 erfolgen.

Die Auftragschweißung erfolgt vorzugsweise durch eine Düse 7 mit einem Laserstrahl 10, der insbesondere pulverförmiges Material auf den Boden 13 aufträgt.

Vorzugsweise wird mit einer Schicht aus einer zweiten Legie rung begonnen, die einen niedrigeren Gehalt an Aluminium (Al) aufweist, auf die dann eine Auftragslage aus einer ersten Legierung folgt, die einen höheren Gehalt an Aluminium (Al) aufweist .

Auftragslage kann hier genau eine Höhe einer Schweißbahn sein oder auch mehrere Schweißbahnen übereinander bedeuten.

Hier in dem speziellen Fall wird die Dicke der Auftragslage 19', 19'' mit der zweiten Legierung konstant gehalten und nach außen hin werden die Lagen 20', 20'' mit der ersten Legierung mit dem höheren Gehalt an Aluminium (Al) dicker ausgestaltet .

Die Dicke der Auftragslage mit dem höheren Gehalt an Alumi nium (Al) ist vorzugsweise mindestens zweimal so dick ist wie die Dicke der Auftragslage mit dem niedrigeren Gehalt an Alu minium (Al) .

Die äußerste Lage 20'' der Schaufelspitze 4 bildet eine Auf tragslage aus der Legierung mit dem niedrigeren Gehalt an Aluminium, vorzugsweise 4% Aluminium (Al) . Die Nickelbasislegierungen können angepasst an das Substrat des Materials ausgewählt werden, wobei der Unterschied in dem Gehalt an Aluminium (Al) mindestens 2 Gew.-%, insbesondere mindestens 3 Gew.-% beträgt, wobei durch den niedrigeren Alu miniumgehalt weniger NZ ₃ AI ausgeschieden wird, wohingegen die zweite Legierung einen Aluminiumgehalt aufweist, die an Alu minium übersättigt ist und neben der NisAl-Phase die NiAl- Phase ausscheidet.

Der maximale Unterschied im Gehalt an Aluminium (Al) beträgt 7 Gew.-%, insbesondere maximal 5 Gew.-%.

Der Unterschied im Gehalt an Nickel (Ni) in Legierung 1 und 2 beträgt mindestens 3 Gew.-%, insbesondere höchstens 6 Gew.-%.

Der Gehalt in den Legierungen für die Auftragslagen ..., 20', 19', 20'', 19'', ... ist von zumindest zwei Elementen gleich, insbesondere ist von allen Elementen gleich außer von Nickel (Ni) und Aluminium (Al) .

Vorzugweise wird auf ein Substrat 13 aus einem gerichtet er starrten Werkstoff aufgetragen:

Gerichtete Legierung (in Gewichtsprozent) :

Min. Max.

C: 0.07% - 0.08%

Cr: 8.00% - 8.50%

Co: 9.00% - 9.50%

Mo: 0.40% - 0.60%

Ti : 0.60% - 0.90%

Al: 5.45% - 5.75%

B: 0.01% - 0.02%

Zr: 0.005% - 0.02%

Ta: 3.10% - 3.30%

W: 9.30% - 9.70%

Fe: max . 0.5%

Hf: 1.20% - 1.60%

Ni: Rest. Ebenso ist der Auftrag auf eine globulare Legierung (in Ge wichtsprozent) möglich:

Min . Max .

C: 0.07% 0.08%

Cr : 8.00% 8.50%

Co: 9.00% 9.50%

Mo : 0.40% 0.60%

W: 9.30% 9.70%

Ti: 0.60% 0.90%

Al: 5.40% 5.70%

B: 0.01% 0.02%

Zr : 0.005% 0.02%

Ta: 3.10% 3.30%

Fe : max . 0.15%

Hf: 1.00% 1.60%

Ni : Rest .

In beiden Fällen ist Eisen (Fe) enthalten.