Schnelles epitaktisches Hochtemperaturlöten einkristalliner Ni-Basis Superlegierungen

• Applicant: Professor Dr. Joachim Rösler
• Subject Area: Materials Engineering
• Term: from 2007 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 35306285

• Final Report Year: 2010

Final Report Abstract

Derzeit werden keinerlei Lotlegierungen verwendet, mit deren Hilfe breite Risse in einkristallinen Nickelbasis-Superlegierungen, wie sie im Gasturbinenbau für Flugzeuge und Kraftwerke eingesetzt werden, mechanisch zuverlässig und ökonomisch sinnvoll repariert werden können. Das bedeutet, dass im Rahmen von Wartungsarbeiten, Komponenten, in denen Risse mit einer Breite von mehr als 100 µm detektiert werden, durch neue Komponenten ersetzt werden müssen. Grundsätzlich ist es seit vielen Jahren bekannt, dass ein epitaktisches Aufwachsen einkristalliner Bauteile stattfindet, sofern grundwerkstoffähnliche Lotlegierungen verwendet werden, die über einen schnell diffundierenden Schmelzpunkterniedriger wie Bor verfügen. Das Kernproblem im Zusammenhang mit den zur Verfügung stehenden Lotsystemen besteht jedoch darin, dass die epitaktische Erstarrung an einen diffusionskontrollierten Prozess gekoppelt ist, der insbesondere bei breiten Spalten extrem langsam ist und daher lange Haltezeiten bei hohen Temperaturen erfordert. Diese Problematik konnte durch die in diesem Projekt entwickelten Legierungen vollständig eliminiert werden. Der Schmelzpunkterniedriger Mangan weist im Gegensatz zu Bor eine nahezu vollständige Mischbarkeit mit Nickel auf, so dass eine epitaktische Erstarrung temperaturkontrolliert erzwungen werden kann. Dies ermöglicht im Vergleich zu den standardmäßig verwendeten Legierungen eine signifikante Verkürzung der Prozesszeiten, so dass nun auch die Reparatur von breiten Spalten von einigen hundert µm in Betracht gezogen werden kann. Bereits in den Vorversuchen konnte nachgewiesen werden, dass ein epitaktisches Überbrücken von Spalten in einkristallinen Nickelbasislegierungen mit Hilfe der nickel-mangan-basierten Lote innerhalb sehr kurzer Haltezeiten möglich ist. Somit konnte sich die erste Projektphase darauf konzentrieren, eine Optimierung der Lotlegierungen im Hinblick auf eine geeignete Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit durchzuführen. Weiterhin wurde der Einfluss der Prozessparameter auf die Erstarrung der Legierungen untersucht und festgestellt, dass es sich um einen äußerst stabilen Prozess handelt: Sofern eine hinreichend hohe Löttemperatur oberhalb der Lotliquidustemperatur eingestellt wurde, die gewährleistet, dass sich keinerlei Keimstellen innerhalb des Lötspaltes befinden, konnte innerhalb einiger Minuten eine vollständig epitaktische Erstarrung an 300 µm breiten Parallelspalten beobachtet werden. Für diese Spaltbreite wären unter Verwendung der borhaltigen Lote Haltezeiten von mehreren Tagen notwendig. Erste mechanische Untersuchungen lieferten zunächst keine vielversprechenden Ergebnisse; im Rahmen der zweiten Antragsphase konnten jedoch fünfkomponentige Legierungen entwickelt werden, die neben einer schnellen epitaktischen Erstarrung auch eine entsprechende Hochtemperaturfestigkeit gewährleisten sollten. Diese Legierungen verfügen neben Nickel und Mangan über Chrom, Aluminium und Titan und ermöglichen es, durch eine entsprechende Wärmebehandlung ein charakteristisches γ/γ’-Gefüge innerhalb der Lötspalte zu erzeugen. Mit Hilfe eines fünfkomponentigen Lotsystems (Ni-25Mn-5Cr-3Al-3Ti) wurden Flachzugproben für mechanische Versuche gefertigt. Hierbei stellte sich jedoch heraus, dass innerhalb der Lötspalte teilweise eine starke Lunkerbildung auftritt, die durch die Erstarrungsschwindung während des Lötens verursacht wird. Bedingt durch die nicht optimale Qualität der Proben, die im Bereich der Lötnaht über einen reduzierten tragenden Querschnitt verfügten, konnten bislang keine vollständig zufriedenstellenden mechanischen Ergebnisse erzielt werden. Allerdings lassen die Ergebnisse der fraktographischen Untersuchungen, in denen eine deutliche Korrelation zwischen der Festigkeit und dem Lunkeranteil beobachtet wurde, vermuten, dass die mechanischen Eigenschaften durch eine modifizierte Probenfertigung signifikant verbessert werden können. Weiterhin konnte in Langzeitversuchen eine Kompatibilität mit standardmäßig verwendeten Schichtsystemen (MCrAlY- und Wärmedämmschicht) nachgewiesen werden. Grundsätzlich können die neu entwickelten Lotlegierungen überall dort eingesetzt werden, wo die Reparatur breiter Risse in einkristallinen Nickelbasislegierungen derzeit aufgrund zu langer Prozesszeiten nicht durchgeführt wird. Dies ist in erster Linie bei den stationären Turbinenkomponenten (Leitschaufeln, vanes) in der Nähe der Brennkammer der Fall. Der Anteil der zu reparierenden Teile gegenüber den auszutauschenden Komponenten kann demnach durch die neuen Lotsysteme gesteigert werden, wobei noch untersucht werden muss, welche maximale Rissbreite noch mechanisch zuverlässig repariert werden kann. Eine Rissreparatur von Laufschaufeln (blades) ist grundsätzlich wesentlich kritischer, da hier zusätzlich hohe Fliehkräfte auftreten, so dass von einer Reparatur breiter Risse in der Regel abgesehen wird. Daher wird das Verwertungspotential der neuen Lotsysteme an diesen Komponenten geringer eingeschätzt. Für die Reparatur schmaler Risse haben sich die borhaltigen Legierungen seit vielen Jahren etabliert, so dass das Potential der neuen Systeme eher im Bereich der Leitschaufeln gesehen wird. Allerdings konnten die neuen Legierungen innerhalb der dreijährigen Projektdauer nicht bis zur vollständigen Einsatzreife entwickelt werden. Da es sich insbesondere im Zusammenhang mit Flugzeugturbinen um sicherheitsrelevante Bauteile handelt, wären langjährige Studien erforderlich, um die entwickelten Lotlegierungen tatsächlich in der Praxis einsetzen zu können. Hierzu wäre die Zusammenarbeit mit Unternehmen, die auf die Reparatur von Triebwerken bzw. stationären Turbinen spezialisiert sind, von besonderem Interesse. Zunächst müssen sich jedoch weitere mechanische Untersuchungen anschließen, um zu gewährleisten, dass die neuen Lotsysteme auch langfristig über eine hinreichende Hochtemperaturfestigkeit verfügen. In diesem Zusammenhang sind insbesondere Kriechversuche unter Verwendung unterschiedlicher Legierungen und Spaltweiten durchzuführen, um eine hinreichende Stabilität der γ/γ’-Mikrostruktur nachweisen zu können. Die Durchführung weiterer Untersuchungen, die im Zusammenhang mit einer Qualifizierung der nickel-mangan-basierten Lotlegierungen notwendig sind, ist mittelfristig geplant.

Publications

• Advancements in fast epitaxial high temperature brazing of single crystalline nickel based superalloys. Reed, R. C., Green, K. A., Caron, P., Gabb, T. P., Fahrmann, M. G., Huron, E. S., Woodard, S. R. (Herausgeber): Superalloys, 251-260, TMS, Warrendale, PA, USA, 2008
  B. Laux, S. Piegert und J. Rösler
  
• ASME Turbo Expo 2008, Berlin, Germany. Fast epitaxial high temperature brazing of single crystalline nickel based superalloys
  B. Laux, S. Piegert und J. Rösler
  
• Lötverfahren zum epitaktischen Schließen von Rissen in einkristallinen oder gerichtet erstarrten Bauteilen aus Nickel- oder Kobaltbasislegierungen. Patent PCT/DE2008/000147, Juli 2008
  J. Rösler, B. Laux und S. Piegert
  
• TMS Superalloys 2008, Champion, PA, USA. Advancements in fast epitaxial high temperature brazing of single crystalline nickel based superalloys
  B. Laux, S. Piegert und J. Rösler
  
• ASME Turbo Expo 2009, Orlando, FL, USA. Advancements in fast epitaxial high temperature brazing of single crystalline nickel based superalloys
  B. Laux, S. Piegert und J. Rösler
  
• Braze alloy development for fast epitaxial high-temperature brazing of single-crystalline nickel-based superalloys. Metallurgical and Materials Transactions A, 40(1):138-149, 2009
  B. Laux, S. Piegert und J. Rösler
  
• Fast epitaxial high temperature brazing of single crystalline nickel based superalloys. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 131(3):032102-1-032102-8, 2009
  B. Laux, S. Piegert und J. Rösler
  
• FEMS EUROMAT 2009, Glasgow, UK. Development of nickel-manganese based braze alloys for the epitaxial brazing of single crystalline nickel-base superalloys
  B. Laux, S. Piegert und J. Rösler
  
• TMS Annual Meeting and Exhibition 2009, San Francisco, CA, USA. Fast epitaxial high temperature brazing of single crystalline nickel based superalloys
  B. Laux, S. Piegert und J. Rösler
  
• Advanced braze alloys for fast epitaxial high-temperature brazing of single-crystalline nickel-base superalloys. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 132(3):032101-1-032101-7, 2010
  B. Laux, S. Piegert und J. Rösler
  
• Development of Ni-Mn-based alloys for the fast epitaxial braze-repair of single-crystalline nickel-base superalloys. International Journal of Materials Research, 101(5):1-9, 2010
  B. Laux und J. Rösler
  
• DGM Euro Superalloys 2010, Wildbad Kreuth, Germany. New Ni-Mn-based braze alloys for the fast epitaxial braze repair of wide cracks in single-crystalline Ni-base superalloys
  B. Laux und J. Rösler
  
• Epitaktisches Hochtemperaturlöten einkristalliner Nickelbasis-Superlegierungen, Dissertation, Technische Universität Braunschweig, 2010
  Laux, B.
  
• TMS Annual Meeting and Exhibition 2010, Seattle, WA, USA. Development of Ni-Mn-based braze alloys for the fast epitaxial braze repair of wide cracks in single-crystalline nickel-base superalloys
  B. Laux und J. Rösler