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Die vorliegende Erfindung betrifft
generell ein Verfahren zum Reparieren von Metalllegierungsgegenständen und
insbesondere die Reparatur von Defekten in der Form breiter Spalte
im Gasturbinenmaschinen-Bauteilen.
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Gasturbinenmaschinen-Bauteile, beispielsweise
Laufschaufeln und Leitschaufeln werdenden typischerweise aus Superlegierungen
auf Nickelbasis, Eisenbasis oder Cobaltbasis hergestellt. Defekte, beispielsweise
feine Risse und Spalte, können
während
des Herstellungsprozesses sowie nach ausgedehntem Triebwerksbetrieb
auftreten. Beispielsweise können
harsche Maschinenbetriebsbedingungen, beispielsweise die Exposition
hohen Temperaturen, hohen Drücken
und heißen
Gasen eine Verschlechterung der Bauteiloberflächen bewirken. Die Exposition
den heißen
Gasen bewirkt eine Rissbildung, Korrosion, Oxidation und Erosion.
Die hohe Temperatur, der hohe Druck und die hohen Drehzahlen, unter
denen Gasturbinenmaschinen arbeiten, bewirken auch eine Kriechverformung
der Turbinenlaufschaufeln und -leitschaufeln. In Folge kommt es
zu einem Verlust an Maschineneffizienz, und die Leitschaufeln und Laufschaufeln
müssen
repariert oder ersetzt werden. In Folge der hohen Kosten dieser
Triebwerksbauteile ist es wünschenswert,
die Bauteile für
eine nachfolgende Verwendung zu reparieren, statt sie auszutauschen.
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Reparaturverfahren wurden in der
Vergangenheit versucht. Beispielsweise Lötverfahren beinhalten das Fließenlassen
eines geschmolzenen Lotmaterials in einen Riss an einem Gasturbinenmaschinen-Bauteil.
Es kommt jedoch zu Kontaminationsproblemen, wenn nicht die Oberflächenoxide
vor dem Füllen
des Risses mit Lotmaterial entfernt werden. Es ist auch schwierig,
effektiv einen relativ großen
Defekt mit einem geschmolzenen Lotmaterial zu reparieren, weil nach
dem Verfestigen das Lotmaterial häufig brüchige eutektische Phasen bildet.
Außerdem
treten häufig
Leerstellen als Folge des Schrumpfens auf.
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Ein weiterer Ansatz zur Reparatur
von Gasturbinenmaschinen-Bauteildefekten ist das Schmelzschweißen. Es
kommt jedoch häufig
zu zusätzlichen Rissen
wegen der Schweißung.
Bauteile, die durch Schmelzschweißen repariert wurden, haben
auch geringere Spannungstoleranzen als ein nicht geschweißtes Bauteil.
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Es ist auch bekannt, ein Metalllegierungsfüllmaterial
zur Reparatur oder zum Schweißen
von Metalllegierungsgegenständen
zu verwenden. Beispielsweise beschreiben das US-Patent 4 008 844, welches
den Titel "Method
of Repairing Surface Defects Using Metallic Filler Material" trägt und eine
Teilanmeldung dazu, jetzt das US-Patent 4 073 639, welches den Titel "Metallic Filler Material" trägt und das
als der nächst
kommende Stand der Technik angesehen wird, ein derartiges Verfahren.
Diese Patente schlagen die Verwendung einer Metallfüllmaterial-Mischung
mit einer abgestimmten Mischung aus Teilchenmaterial mit einer Gesamtzusammensetzung,
die im Wesentlichen den zu reparierenden Gegenständen entspricht, vor. Die Mischung
ist eine abgestimmte Mischung von mindestens zwei verschiedenen
Teilchenkomponenten, die ausgewählt
ist, dass sie eine flüssige Übergangsphase
von mindestens einem Teil der Mischung und eine isotherme Verfestigung
bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Gegenstands
liefert.
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Das hier beschriebene Verfahren ist
besonders erfolgreich für
die Reparatur von Defekten, die weniger als oder etwa 0,254 mm (0,010
Inch) maximaler Breite haben. Wenn jedoch Defekte in Form von breiten
Spalten, beispielsweise Defekte mit einer maximalen Breite, die
größer als
etwa 0,254 mm (0,010 Inch) an der Oberfläche zu überdecken oder zu füllen sind,
kann überschüssiges geschmolzenes Material
während
der nachfolgenden Wärmebehandlung
weg fließen,
und eine isotherm verfestigte Reparatur für diese Größe eines Defekts ergibt sich
möglicherweise
nicht. Zur Klarheit sei angegeben, dass die Breite hier definiert
ist als das Maß,
welches mit X in der 1 bezeichnet
ist, die eine Draufsicht auf einen beispielhaften Defekt mit unregelmäßiger Größe und Gestalt
ist.
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Defekte, die größer als etwa 0,254 mm (0,010
Inch) in ihrer maximalen Breite sind, können während der Herstellung eines
Gasturbinenmaschinen-Bauteils oder nach intensivem Maschinenbetrieb auftreten.
Wenn derartige Defekte in der Form von breiten Spalten auftreten,
ist es schwierig, wenn nicht unmöglich,
eine isotherm verfestigte Reparatur zu erzeugen. Eine isotherm verfestigte
Reparatur ist erwünscht,
weil sie zu der festesten, zähesten
und oxidationsresistentesten Reparatur führt. Diese Eigenschaften sind
essenziell für
einen effektiven Gasturbinenmaschinen-Betrieb.
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Folglich besteht ein Bedürfnis nach
einem Verfahren zum effektiven Reparieren von Defekten in der Form
von breiten Spalten in Metalllegierungsgegenständen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum effektiven Reparieren von Defekten in der Form
von breiten Spalten in Metalllegierungsgegenständen, beispielsweise Gasturbinenmaschinen-Bauteilen,
indem eine isotherme Verfestigung in dem reparierten Bereich erzielt
wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Verfahren zum Reparieren eines Metalllegierungsgegenstands
mit einem Defekt-Hohlraum der größer als 2,54 × 10-4 m (0,010 Inch) in maximaler Breite ist,
bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Aufbringen
eines ersten Metallfüllmaterials
auf den Defekt-Hohlraum derart, dass das Füllmaterial den Hohlraum im
Wesentlichen füllt,
wobei das erste Metallfüllmaterial
eine Zusammensetzung besitzt, die im Wesentlichen der des Metalllegierungsgegenstands entspricht
oder eine abgestimmte Mischung von mindestens zwei unterschiedlichen
Metallfüllmaterialien ist,
wobei ein Metallfüllmaterial,
welches mindestens mit 60 Gew.-% vorliegt, im Wesentlichen in seiner
Zusammensetzung der des Metalllegierungsgegenstands entspricht,
und ein anderes Metallfüllmaterial die
gleiche Basis wie der Metalllegierungsgegenstand hat und ein Schmelzpunktsenkmittel
in einer Menge aufweist, die deutlich über der in dem Gegenstand ist;
Aufbringen
eines zweiten Metallfüllmaterials über dem
ersten Füllmaterial,
wobei das zweite Metallfüllmaterial
aus zwischen 0 und 40 Gew.-% eines Metall füllmaterials mit einer Zusammensetzung,
die im Wesentlichen dem Metalllegierungsgegenstand entspricht, und
zwischen 100 und 60 Gew.-% eines Metallfüllmaterials mit der gleichen
Basis wie die Zusammensetzung des Metalllegierungsgegenstands, das ein
Schmelzpunktsenkmittel in einer Menge beinhaltet, die deutlich über der
in dem Metalllegierungsgegenstand ist, ist;
Bewirken einer
isothermen Verfestigung durch ein thermisches Bearbeiten des Gegenstands
durch eine Wärmebehandlung,
aufweisend:
Erwärmen
des Gegenstands auf eine Temperatur über dem Festpunkt des zweiten
Metallfüllmaterials, um
das zweite Metallfüllmaterial
zu schmelzen und isothermisch die Reparatur des Defekt-Hohlraums
zu verfestigen.
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Der Gegenstand wird thermisch durch
eine Wärmebehandlung
bearbeitet, um eine isotherm verfestigte Reparatur zu bewirken.
Insbesondere weist die Wärmebehandlung
ein Erwärmen
des Gegenstands auf eine Temperatur über dem Festpunkt des zweiten
Metallmaterials auf, beispielsweise auf zwischen 1093°C (2000°F) und 1316°C (2400°F) für zwischen
5 Stunden und 30 Stunden, um das zweite Metallfüllmaterial zu schmelzen und
isotherm die Reparaturstelle zu verfestigen. Bei diesem Prozess schmilzt
das zweite Metallfüllmaterial
und infiltriert das erste Metallfüllmaterial, um eine Leerraum-freie Struktur
zu erzeugen.
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In bestimmten Anwendungen beinhaltet
die Wärmebehandlung
der vorliegenden Erfindung ein Erwärmen des Gegenstands auf eine
Temperatur (T1), die in der Lage ist, das erste Metallfüllmaterial zu
sintern, aber unterhalb dem Festpunkt des zweiten Metallfüllmaterials
liegt, beispielsweise zwischen 1093°C (2000°F) und 1316°C (2400°F) für 4 Stunden; und dann Halten
bei einer Temperatur (T2) über dem
Festpunkt des zweiten Metallfüllmaterials,
beispielsweise zwischen 1093°C
(2000°F)
und 1316°C (2400°F) für zwischen
5 Stunden und 30 Stunden, um das zweite Metallfüllmaterial zu schmelzen und isotherm
die Reparaturstelle zu verfestigen. T1 wird niemals gleich T2 sein,
welches immer größer als
T1 ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Sintern des ersten Metallfüllmaterials durch ein Erwärmen des
Gegenstands zwischen 1010°C (1850°F) und 1204°C (2200°F) für etwa 4
Stunden bewirkt.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung beinhaltet
die Verwendung einer ersten und einer zweiten Metallfüllpaste.
Die erste Metallfüllpaste weist
einen Binder und ein erstes Metallfüllmaterial auf. Die Zusammensetzung
des ersten Metallfüllmaterials
entspricht im Wesentlichen der des Metalllegierungsgegenstands.
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Alternativ kann das erste Metallfüllmaterial eine
abgestimmte Mischung von mindestens zwei verschiedenen Metallfüllmaterialien
sein. Ein Metallfüllmaterial,
welches zu mindestens 60 Gew.-% anwesend ist, entspricht im Wesentlichen
dem des Metalllegierungsgegenstands. Das andere Metallfüllmaterial
hat die gleiche Basis wie die Zusammensetzung des Metalllegierungsgegenstands
und weist ein Schmelzpunktsenkmittel in einer Menge auf, die wesentlich über der
in dem Gegenstand ist.
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Eine zweite Metallfüllpaste
ist über
der ersten Metallfüllpaste
vorgesehen. Die zweite Metallfüllpaste
weist einen Binder und ein zweites Metallfüllmaterial mit zwischen 0 Gew.-%
und 40 Gew.-% Metallfüllmaterial
einer Zusammensetzung, die im Wesentlichen der des Metalllegierungsgegenstands
entspricht, und zwischen 100 Gew.-% und 60 Gew.-% Metallfüllmaterial
mit der gleichen Basis wie die Zusammensetzung des Metalllegierungsgegenstands und
aufweisend ein Schmelzpunktsenkmittel in einer Menge wesentlich über der
in dem Gegenstand auf.
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Der Gegenstand wird dann thermisch
bearbeitet, um zuerste das Bindemittel auszutreiben. Das kann durch
ein Erwärmen
des Gegenstands auf eine niedrige Temperatur, beispielsweise zwischen
538°C (1000°F) und 649°C (1200°F) und Halten
bei dieser Temperatur, bis der Binder ausgetrieben ist, bewirkt werden.
Alternativ kann eine langsame Erwärmungsrate, beispielsweise
etwa 6°C/min
(10°F/min)
von 204°C
(400°F)
auf zwischen 538°C
(1000°F)
und 649°C
(1200°F)
verwendet werden, bis der Binder ausgetrieben ist. Sobald der Binder
effektiv entfernt wurde, können
die vorangehend beschriebenen Wärmebehandlungen
verwendet werden, um eine isotherm verfestigte Reparatur herzustellen.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung
beinhaltet die Fähigkeit,
breite Risse in Metalllegierungsgegenständen, beispielsweise Gasturbinenmaschinen-Bauteilen,
zu reparieren, indem eine isotherm Verfestigung und eine minimale
Porosität
in dem Reparaturbereich erzielt wird.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist die Fähigkeit,
eine isotherme Verfestigung und eine minimale Porosität in der
Reparaturstelle in praktischen thermischen Zyklen zu erzielen, ohne
irgendeinen anschließend
aufgebrachten Druck, beispielsweise ein heißes isostatisches Pressen.
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Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
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1 zeigt
eine Draufsicht auf einen beispielhaften Defekt unregelmäßiger Größe und Gestalt;
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2 zeigt
ein erstes Füllmaterial,
welches im Wesentlichen den Defekt-Hohlraum füllt; und
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3 zeigt
ein Metallfüllmaterial,
welches über
dem ersten Metallfüllmaterial
vorgesehen ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Reparieren eines Metalllegierungsgegenstands,
beispielsweise eines Gasturbinenmaschinen-Bauteils. Das Basismetall
des Metalllegierungsgegenstands ist vorzugsweise eine Superlegierung auf
Nickelbasis, Cobaltbasis oder Eisenbasis.
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Die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise für einen
Metalllegierungsgegenstand, der einen Defekt-Hohlraum aufweist,
der größer als
2,4 x 10-4 m (0,010 Inch) maximaler Breite
ist, und wird besonders bevorzugt verwendet für De fekt-Hohlräume mit
einer maximalen Breite zwischen 2,5 × 10-4 m
(0,010 Inch) und 7,6 × 10-4 m (0,030 Inch) unabhängig von der Defektlänge. Jedoch
können
auch Defekt-Hohlräume mit
anderen Größen repariert
werden.
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Das Verfahren weist vorzugsweise
zuerste das Entfernen von Oberflächenoxiden
von dem Defekt-Hohlraum auf. Typischerweise beinhalten erfolgreiche
Verfahren ein thermisches Behandeln in einer reduzierenden Atmosphäre, beispielsweise
Wasserstoff oder oder Wasserstofffluorid. Alternativ kann ein mechanisches
Abrasionsverfahren, beispielsweise ein Schleifschritt verwendet
werden, um Oberflächenoxide
von dem Defekt-Hohlraum zu entfernen. Eine Kombination aus einem
mechanische Abrasionsverfahren und einer Gasreinigung kann auch
verwendet werden. Beispielsweise können die Oberflächenoxide
entfernt werden, indem zuerst der Oberflächenbeschädigungsbereich ausgeschliffen
wird und dann der Defekt-Hohlraum durch ein thermisches Behandeln
in einer reduzierenden Atmosphäre gereinigt
wird. Es ist jedoch nicht notwendig, den beschädigten Oberflächenbereich
zuerst auszuschleifen.
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Sobald der Defekt-Hohlraum frei von
Oberflächenoxiden
ist, wird ein erstes Metallfüllmaterial 10 auf
den Defekt-Hohlraum aufgebracht, so dass das erste Metallfüllmaterial 10 den
Hohlraum, wie in 2 gezeigt,
im Wesentlichen füllt.
Die Zusammensetzung des ersten Metallfüllmaterials 10 entspricht im
Wesentlichen der des Metalllegierungsgegenstands.
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Alternativ kann das erste Metallfüllmaterial 10 eine
abgestimmte Mischung von mindestens zwei verschiedenen Metallfüllmaterialien
sein. Ein Metallfüllmaterial,
das zu mindestens 60 Gew.-% vorliegt, entspricht im Wesentlichen
dem Metalllegierungsgegenstand. Das andere Metallfüllmaterial
hat die gleiche Basis wie die Zusammensetzung des Metalllegierungsgegenstands
und weist ein Schmelzpunktsenkmittel in einer Menge auf, die deutlich über der
in dem Metalllegierungsgegenstand ist. Mit der gleichen Basis bezeichnen
wir hier ein Füllmaterial,
welches das gleiche Basismetall wie die Substratlegierung verwendet.
Das Füllmaterial
kann eine etwas einfachere chemische Zusammensetzung als die Substratlegierungszusammensetzung
haben. Beispielsweise kann das Basismetall eine Superlegierungszusammensetzung
sein, während
das Füllmaterial
eine Legierungszusammensetzung sein kann.
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Die Menge an Schmelzpunktsenkmittel,
die verwendet wird, reicht typischerweise von zwischen etwa 1 Gew.-%
bis etwa 10 Gew.-%. Vorzugsweise wird zwischen etwa 1 Gew.-% und
etwa 3 Gew.-% Bor verwendet. Obwohl andere Schmelzpunktsenkmittel
und Kombinationen daraus verwendet werden können, ist Bor wegen seiner
Fähigkeit
der schnellen Diffusion in Superlegierungen bevorzugt.
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Vorzugsweise ist das erste Metallfüllmaterial in
Pulverform, und die Größe der Pulverteilchen
beträgt
etwa 88 μm
(1 × 10-6 m) und feiner.
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Ein zweites Metallfüllmaterial 12 wird über dem
ersten Metallfüllmaterial 10,
wie in der 3 gezeigt,
in einer Menge vorgesehen, die ausreicht, das erste Metallfüllmaterial 10 zu
infiltrieren. Wie in der 3 gezeigt,
wird das zweite Metallfüllmaterial
vorzugsweise über
dem ersten Metallfüllmaterial 10 und um
die unmittelbar dazu benachbarten Bereiche aufgehäuft. Eine
exakte Menge an zweitem Füllmaterial 12 über dem
ersten Metallfüllmaterial 10 ist
typischerweise nicht erforderlich zur erfolgreichen Realisierung
der Erfindung. Ähnlich
ist es nicht erforderlich, das Gewichtsprozentverhältnis des
ersten Metallfüllmaterials 10 zu
dem anschließend
aufgebrachten zweiten Metallfüllmaterial 12 zu
bestimmen. Das ist ein weiterer signifikanter Vorteil der vorliegenden
Erfindung.
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Das zweite Metallfüllmaterial 12 weist
zwischen 0 Gew.-% und 40 Gew.-% Metallfüller einer Zusammensetzung
auf, die im Wesentlichen der des Metalllegierungsgegenstands entspricht,
und zwischen 100 Gew.-% und 60 Gew.-% Metallfüllmaterial mit der gleichen
Basis wie die Zusammensetzung des Metalllegierungsgegenstands und
weist ein Schmelzpunktsenkmittel in einer Menge auf, die wesentlich über der
in dem Metalllegierungsgegenstand ist. Die Menge an verwendetem
Schmelzpunktsenkmittel liegt typischerweise zwischen etwa 1 Gew.-% und
etwa 10 Gew.-%. Vorzugsweise wird zwischen etwa 1 Gew.-% und etwa
3 Gew.-% Bor verwendet.
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Das zweite Metallfüllmaterial 12 ist
auch vorzugsweise in Pulverform. Vorzugsweise ist die Größe der Pulverteilchen
etwa 88 μm
(1 × 10-6 m) und feiner.
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Der Metalllegierungsgegenstand wird
dann thermisch behandelt durch eine Wärmebehandlung, um eine isothermisch
verfestigte Reparatur zu bewirken. Speziell beinhaltet die Wärmebehandlung
ein Erwärmen
des Gegenstands auf eine Temperatur über dem Festpunkt des zweiten
Metallfüllmaterials 12,
beispielsweise zwischen 1093°C
(2000°F)
und 1316°C
(2400°F)
für zwischen
5 Stunden und 30 Stunden, um das zweite Metallfüllmaterial 12 zu schmelzen
und die Reparaturstelle isothermisch zu verfestigen. Bei diesem
Prozess schmilzt das zweite Metallfüllmaterial 12 und
infiltriert das erste Metallfüllmaterial 10,
um eine Leerraum-freie Struktur zu bilden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform
kann die Wärmebehandlung
der vorliegenden Erfindung bewirkt werden durch ein Erwärmen des Gegenstands
auf eine Temperatur (T1), die in der Lage ist, das erste Metallfüllmaterial 10 zu
sintern, aber unter dem Festpunkt des zweiten Metallfüllmaterials 12 ist,
beispielsweise zwischen 1093°C (2000°F) und 1316°C (2400°F) für etwa 4
Stunden; und dann Halten bei einer Temperatur (T2) über dem Festpunkt
des zweiten Metallfüllmaterials 12,
beispielsweise zwischen 1093°C
(2000°F)
und 1316°C (2400°F) für zwischen
5 Stunden und 30 Stunden, um das zweite Metallfüllmaterial 12 zu schmelzen und
isothermisch die Reparaturstelle zu verfestigen. Folglich wird T1
niemals gleich T2 sein, das immer größer als T1 sein wird.
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In einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird eine erste Metallfüllpaste gebildet. Die erste
Metallfüllpaste
weist einen Binder und ein erstes Metallfüllmaterial 10 auf.
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Die Zusammensetzung des ersten Metallfüllmaterials 10 entspricht
im Wesentlichen der des Metalllegierungsgegenstands. Alternativ
kann das erste Metallfüllmaterial 10 eine
abgestimmte Mischung von mindestens zwei unterschiedlichen Metallfüllmaterialien
sein. Ein Metallfüllmaterial,
das zu mindestens 60 Gew.-% vorliegt, entspricht im Wesentlichen
dem des Metalllegierungsgegenstands. Das andere Metallfüllmaterial
hat die gleiche Basis wie die Zusammensetzung des Metalllegierungsgegenstands
und weist eine substanzielle Menge eines Schmefzpunktsenkmittel
auf. Die Menge an Schmelzpunktsenkmittels, die verwendet wird, liegt
typischerweise zwischen etwa 1 Gew.-% und etwa 10 Gew.-%. Vorzugsweise wird
zwischen etwa 1 Gew.-% und etwa 3 Gew.-% Bor verwendet.
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Der Binder kann irgendein Material
sein, das in der Lage ist, an dem Pulver anzuhaften, so dass eine
pastenartige Substanz gebildet wird. Die Menge an Binder, die erforderlich
ist, ist gerade genug, um das Pulver in Suspension zu halten, und
der Fachmann ist in der Lage, diese Menge zu bestimmen. Der Binder
muss auch in der Lage sein, bei weniger als etwa 649°C (1200°F) zu verdampfen,
ohne irgendwelche schädlichen
Rückstände zu hinterlassen.
Der Binder und das erste Metallfüllmaterial 10 können in
jeglicher konventionellen Weise zusammengebracht werden, beispielsweise
durch Mischen.
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Nach dem Herstellen der ersten Metallfüllpaste
wird die Paste auf den Defekt-Hohlraum
aufgebracht, um den Hohlraum im Wesentlichen zu füllen. Die
Paste kann in jeder geeigneten Weise aufgebracht werden, um den
Hohlraum zu füllen.
Die Paste wird typischerweise in den Hohlraum gespritzt. Überschüssige Paste
wird dann entfernt.
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Eine zweite Metallfüllpaste
wird über
der ersten Metallfüllpaste
vorgesehen. Die zweite Metallfüllpaste
weist einen Binder und ein zweites Metallfüllmaterial 12 mit
zwischen 0 Gew.-% und 40 Gew.-% Metallfüllmaterial einer Zusammensetzung,
die im Wesentlichen der des Metalllegierungsgegenstands entspricht,
und zwischen 100 Gew.-% und 60 Gew.-% Metallfüllmaterial mit der gleichen
Basis wie die Zusammensetzung des Metalllegierungsgegenstands und
aufweisend ein Schmelzpunktsenkmittel in einer Menge, die im Wesentlichen über der
in dem Metalllegierungsgegenstand ist, auf. Die Menge an Schmelzpunktsenkmittel
liegt typischerweise zwischen etwa 1 Gew.-% und etwa 10 Gew.-%.
Vorzugsweise wird zwischen etwa 1 Gew.-% und etwa 3 Gew.-% Bor verwendet.
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Der Binder der zweiten Metallfüllpaste
kann auch jegliches Material sein, das in der Lage ist, an dem Pulver
anzuhaften, so dass eine pastenartige Substanz geformt wird; und
die Menge an Binder, die erforderlich ist, ist gerade genug, um
das Pulver in Suspension zu halten. Der Binder muss auch in der Lage
sein, bei weniger als 649°C
(1200°F)
zu verdampfen, ohne schädliche
Rückstände zu hinterlassen.
Der Binder und die zweite Metallfüllpaste können in jeglicher konventioneller
Weise zusammengebracht werden, beispielsweise durch Mischen. Die zweite
Metallfüllpaste
wird dann direkt über
der ersten Metallfüllpaste
in einer Menge aufgebracht, die ausreichend ist, die erste Metallfüllpaste
abzudecken und in einer Menge, die ausreicht, dass das zweite Metallfüllmaterial 12 das
erste Metallfüllmaterial 10 infiltrieren
kann. Typischerweise wird die zweite Metallfüllpaste über der ersten Mallfüllpaste
und an den unmittelbar dazu benachbarten Bereichen aufgebracht.
Das Fließen
der Paste während
der thermischen Behandlung wird derart kontrolliert, dass die Verwendung
eines mechanischen Damms nicht erforderlich ist.
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Der Metalllegierungsgegenstand wird
dann thermisch bearbeitet, um zuerst den Binder auszutreiben. Das
kann bewirkt werden durch ein Erwärmen des Gegenstands auf eine
Temperatur zwischen 538°C
(1000°F)
und 649°C
(1200°F)
und Halten bei dieser Temperatur, bis der Binder ausgetrieben ist. Alternativ
kann eine langsame Erwärmungsrate,
beispielsweise 6°C/min
(10°F/min)
von etwa 204°C (400°F) auf eine
Temperatur zwischen 538°C (1000°F) und 649°C (1200°F) verwendet
werden, bis der Binder ausgetrieben ist. Sobald der Binder effektiv
entfernt wurde, können
die vorangehend beschriebenen Wärmebehandlungen
verwendet werden, um eine isotherm verfestigte Reparaturstelle zu
erzeugen.
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Die folgenden Beispiele werden gegeben, um
die vorliegende Erfindung weiter zu erklären und sind nur beispielhaft
und nicht einschränkend
gedacht.
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Beispiel 1
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Reparaturen wurden an einem Gegenstand mit
einer Nominal-Gewichtszusammensetzung von 9% Gew.-% Chrom, 10 Gew.-%
Cobalt, 12,5 Gew.-% Wolfram, 1 Gew.-% Columbium, 2 Gew.-% Titan,
5 Gew.-% Aluminium, 2 Gew.-% Hafnium, 0,015 Gew.-% Bor und Rest
Nickel vorgenommen. Der Gegenstand hatte einen Defekt-Hohlraum mit
einer maximalen Breite zwischen 2,5 × 10-4 m
(0,010 Inch) und 7,6 × 10-4 m (0,030 Inch). Basismetallpulver, das
etwa 88 μm
(1 × 10-6 m) und feiner war, wurde mit einem wässrigen
Binder, Omni KAO, von Omni Technologies Corporation, Exeter, NH,
zusammengebracht, um eine Paste zu bilden, die in den Defekt-Hohlraum platziert
wurde und im Wesentlichen das Volumen des Defekt-Hohlraums gefüllt hat.
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Eine zweite Paste wurde gebildet
durch ein Zusammenbringen des obigen Binders und einer Legierung
von 10 Gew.-% Chrom, 10 Gew.-% Cobalt, 5 Gew.-% Wolfram, 3 Gew.-%
Bor und dem Rest Nickel. Die zweite Paste wurde über der ersten Paste in einer
Menge angeordnet, die ausreichend war, die erste Paste und die unmittelbar
dem Defekt-Hohlraum benachbarten Bereiche zu überdecken. Das Pulver der zweiten
Paste (zweites Metallfüllmaterial) war
44 μm (4,4 × 10-5 m) und feiner.
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Der Gegenstand wurde auf 538°C (1000°F) bei einer
Rate von 6°C/min
(10°F/min)
erwärmt,
um den Binder auszutreiben. Der Gegenstand wurde dann auf 1093°C (2000°F) erwärmt und
bei dieser Temperatur 4 Stunden lang gehalten, um das Basismaterialpulver
in der ersten Paste zu sintern. Die Temperatur blieb unter dem Festpunkt
des zweiten Metallfüllmaterials.
Der Gegenstand wurde dann auf 1204°C (2200°F) erwärmt und für 30 Stunden gehalten, um das
zweite Metallfüllmaterial
zu schmelzen und isotherm die Reparaturstelle zu verfestigen.
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Nach dem Abkühlen wurde der Gegenstand metallografisch
inspiziert, um eine rissfreie Struktur sicherzustellen. Der Gegenstand
wurde inspiziert, indem durch den Gegenstand geschnitten wurde und die
Mikrostruktur unter einem Mikro skop überprüft wurde. Scheinbar wurde eine
rissfreie, isotherm verfestigte Reparatur erfolgreich erreicht.
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Beispiel 2
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Reparaturen wurden an einer gegossenen Inconel
713C-Superlegierung mit einer Nennzusammensetzung von 13,5 Gew.-%
Cr, 4,5 Gew.-% Mo, 6 Gew.-% Al, 0,9 Gew.-% Ti, 2,1 Gew.-% Cb/Ta,
0,14 Gew.-% C, 0,01 Gew.-% B, 0,08 Gew.-% Zr und der Rest Ni vorgenommen.
Die Superlegierung hatte einen durch die Wand gehenden Defekt-Hohlraum
mit einer maximalen Breite von 0,051 cm (0,020 Inch). Basismetallpulver,
das etwa 88 μm
und feiner war, wurde mit einem wässrigen Binder, Amdry® 1290R, von
Sulzer Metco (US) Inc. zusammengebracht, um eine Paste zu bilden,
die in dem Defekt-Hohlraum angeordnet wurde, um im Wesentlichen
das Volumen des Defekt-Hohlraums zu füllen.
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Eine zweite Paste wurde gebildet
durch Zusammenbringen des obigen Binders mit Pulver mit einer Nominalzusammensetzung
von 4,5 Gew.-% Si, 3 Gew.-% B und der Rest Nickel. Die Partikelgröße des Pulvers
betrug etwa 44 μm
und feiner. Diese zweite Paste wurde über der ersten Paste und um
die Ränder
des Defekt-Hohlraums in einer Menge aufgebracht, die ausreichend
war, um die erste Paste und die dazu benachbarten Bereiche zu überdecken.
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Der Gegenstand wurde dann auf 538°C (1000°F) mit einer
Rate von 6°C/min
(10°F/min)
erwärmt,
um den Binder auszutreiben. Der Gegenstand wurde dann auf 1121°C (2050°F) erwärmt und bei
1121°C (2050°F) 12 Stunden
gehalten. Der Gegenstand wurde dann luftgekühlt.
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Wie in Beispiel 1 wurde der Gegenstand
metallografisch untersucht und hat scheinbar zu einer erfolgreichen,
rissfreien isotherm verfestigten Reparatur geführt.
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Beispiel 3
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Reparaturen wurden an einer gegossenen Mar-M509-Superlegierung
auf Cobaltbasis mit einer Nominalzusammensetzung von 23,4 Gew.-%
Cr, 10 Gew.-% Ni, 7 Gew.-% W, 3,5 Gew.-% Ta, 0,6 Gew.-% C, 0,2 Gew.-%
Ti, 0,5 Gew.-% Zr und der Rest Co durchgeführt. Die Superlegierung hatte
einen Defekt in der Form einer 0,076 cm (0,030 Inch) Durchmesser
Durchgangsöffnung.
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Eine erste Paste wurde in den Defekt-Hohlraum
eingebracht, um das Volumen des Defekt-Hohlraums im Wesentlichen
zu füllen.
Die erste Paste enthielt eine Pulverlegierungsmischung wie folgt:
70 Gew.-% Pulver mit der gleichen Zusammensetzung wie das Basismetall
und 30 Gew.-% Pulver mit einer Nominalzusammensetzung von 25 Gew.-%
Ni, 23,4 Gew.-% Cr, 3 Gew.-% B und der Rest Co. Die Pulverteilchen
waren etwa 88 μm
und kleiner. Die Pulverlegierungsmischung wurde mit dem gleichen
Binder wie in Beispiel 2 zusammengebracht, um eine pastenartige
Konsistenz auszubilden.
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Eine zweite Paste wurde gebildet
durch ein Zusammenbringen des obigen Binders mit einer Pulverlegierungsmischung
wie folgt: 60 Gew.-% Pulver mit einer Nominalzusammensetzung von
40 Gew.-% Ni, 24,5 Gew.-% Cr, 2,95 Gew.-% B und der Rest Co und
40 Gew.-% Pulver mit der gleichen Zusammensetzung wie das Basismetall.
Die Partikelgröße des Pulvers
betrug etwa 44 μm
und kleiner. Diese zweite Paste wurde auf beide Seiten des Defekt-Hohlraums aufgebracht
und bedeckte die gesamte Defekt-Öffnung
und die erste Paste.
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Der Gegenstand wurde dann erwärmt auf 538°C (1000°F) bei einer
Rate von 6°C/min (10°F/min), um
den Binder auszutreiben. Der Gegenstand wurde dann auf 1149°C (2100°F) erwärmt und bei
1149°C (2100°F) 12 Stunden
lang gehalten. Der Gegenstand wurde dann luftgekühlt.
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Wie in den vorangehenden Beispielen
wurde der Gegenstand metallografisch untersucht und hat scheinbar
zu einer erfolgreichen, rissfreien, isotherm verfestigten Reparaturstelle
geführt.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung
beinhaltet die Fähigkeit
zur Reparatur von Defekten in der Form von breiten Spalten in Metalllegierungsgegenständen, indem
eine isotherme Verfestigung und eine minimale Porosität in dem
Reparaturbereich erzielt wird.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist die Fähigkeit
zur Reparatur von Gasturbinen-Laufschaufel- und -Leitschaufel-Kühlöffnungen durch
das Erzielen einer isotherm verfestigten Struktur mit minimaler
Porosität.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung, ist, dass sie verwendet werden kann, um Metallgegenstände zu verbinden
und auch, um sie zu reparieren.