DE602004001369T2

DE602004001369T2 - Verfahren zum verbesserten Schweisseindringen durch Bildung einer Oxidschicht und daraus resultiertes Produkt.

Info

Publication number: DE602004001369T2
Application number: DE602004001369T
Authority: DE
Inventors: Thomas Joseph Kelly; Earl Claude Helder; Vallerie Althea Mcgee; Samuel Mastrorocco; Eva Z. Lanman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2024-09-02
Also published as: US6927361B2; EP1512482A1; JP2005081441A; DE602004001369D1; US20050051527A1; BRPI0404867A; EP1512482B1; SG109601A1; JP5138149B2; BRPI0404867B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verschweißen von nickelbasierten und eisenbasierten Superlegierungskomponenten und auf nickelbasierte und eisenbasierte Superlegierungskomponenten, die unter Verwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Konkreter ist diese Erfindung auf einen Schweißvorgang, der einen oxidativen Wärmebehandlungsschritt enthält, und durch den Schweißvorgang hergestellte Erzeugnisse gerichtet.
Eisenbasierte und nickelbasierte Superlegierungen werden weit verbreitet zur Herstellung bestimmter Komponenten von Gasturbinentriebwerken und anderen Turbinentriebwerken, einschließlich tragender Komponenten, Brennkammern und Turbinenschaufelblättern, wie z.B. Leit- und Laufschaufeln, verwendet. Während Hochtemperatur-Superlegierungskomponenten häufig durch Gießen gebildet werden, gibt es Umstände, unter denen Superlegierungskomponenten vorzugsweise oder notwendigerweise durch Verschweißen separater Anordnungen hergestellt werden. Zum Beispiel können Komponenten mit komplexen Konfigurationen, wie z.B. Turbinenmidframes und Mantelträgerringe leichter durch miteinander Verschweißen getrennter, gegossener oder bearbeiteter Formen hergestellt werden. Daher ist es häufig praktischer und kostengünstiger, komplexe Komponenten durch miteinander Verschweißen einzelner Anordnungen herzustellen, statt die Komponente als ein einstückiges Erzeugnis zu gießen oder zu schmieden. Die Schweißverfahren sind sehr arbeitsintensiv, zeitaufwendig und teuer, insbesondere wenn die Lösungsbehandlung vor dem Schweißen, die zur Vorbereitung des Erzeugnisses zum Schweißen erforderlich ist, in einem Vakuum durchgeführt werden muss. WIG-Schweißverfahren werden allgemein häufig verwendet, um nickelbasierte und eisenbasierte Superlegierungsanordnungen zu schweißen. Ein solches Verfahren ist z.B. in US 5 319 179 offenbart. Der breiter Schweißbereich verursacht eine erhebliche Verzerrung und ein relativ großes Volumen der Wärmeeinflusszone.
Jüngste Fortschritte in der Technologie der Eindringverbesserung für Flussmittel unterstütztes WIG-Schweißen haben ein Flussmittel hervorgebracht, das die Anwendung des Wolframinertgas (WIG)-Schweißens zum Verbinden einer Materialdicke größer als etwa 2,5 mm (0,1 Zoll) in einem einzigen Durchlauf mit einer I-Stoß-Anordnung zulässt, wobei diese Verarbeitung anstelle des Elektronenstrahl (EB)-Schweißens für nickelbasierte und eisenbasierte Superlegierungen verwendet worden ist. Außerdem ist die gleiche Verarbeitung angewandt worden, um dünnere Abschnitte zu schweißen, aber verglichen mit dem konventionellen WIG-Verfahren mit einem erheblich verringerten Wärmeeintrag. Ein als FASTIG SS-7^TM bekanntes eigenes Schweißflussmittel, das dem Edison Welding Institut gehört, ist vor kurzem geschaffen worden und enthält gemischte feste Pulver, die in einen Träger, wie z.B. Methylethylketon (MEK), hineingemischt sind, wobei solche gemischten Pulver NiO, Ti₂O₃, TiO₂, TiO und eine Mangansilikatverbindung enthalten. FASTIG SS-7^TM enthält mehrere verschiedene Metalloxide und wird in Form einer Paste auf die Seitenflächen der zu verschweißenden Erzeugnisse aufgetragen. Wenn das Flussmittel auf die Seitenfläche eines nickelbasierten oder eisenba sierten Superlegierungssubstrates aufgetragen wird und ein WIG-Verfahren zum Verschweißen der Substrate verwendet wird, wird eine viel tiefere und engere Schweißstelle erzeugt, als sie normalerweise bei einem WIG-Verfahren erzeugt wird. Die Verwendung eines Flussmittels, wie z.B. FASTIG SS-7^TM ist jedoch beim Auftragen zeitaufwendig und fügt dem Schweißverfahren für Superlegierungssubstrat zusätzliche Produktkosten hinzu. Wenn ein Flussmittel, wie z.B. FASTIG SS-7^TM, verwendet wird, kann das Flussmittel außerdem unbeabsichtigt auf die Fügeflächen aufgetragen werden, was einen Fehlschlag des WIG-Verfahrens bewirkt.
Dementsprechend besteht Bedarf an einer verbesserten Technik zum Verschweißen von Erzeugnissen, die aus nickelbasierten und eisenbasierten Superlegierungen hergestellt sind. Die vorliegende Erfindung befriedigt diesen Bedarf und bietet weiterhin damit zusammenhängende Vorteile.
Die vorliegende Erfindung ist auf Verbesserungen bei den Schweißverfahren gerichtet, die zur Fertigung und Wiederherstellung von Gasturbinentriebwerks- und anderen Turbinentriebwerkskomponenten und -teilen verwendet werden, um ein WIG-Schweißen zu ermöglichen, das weniger teuer und von höherer Qualität ist. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Anwendung eines WIG-Schweißverfahrens als einen Ersatz für ein EB-Schweißverfahren.
Die vorliegende Erfindung schafft im Wesentlichen ein Verfahren zum Schweißen eines Superlegierungserzeugnisses, das wenigstens zwei Anordnungen enthält. Die nickelbasierten oder eisenbasierten Anordnungen werden zur Bildung eines einstückigen Erzeugnisses durch ein Verfahren miteinander verschweißt, das zuerst die Bildung einer haftenden Oxidschicht auf der Oberfläche der Anordnungssubstrate enthält, die verbunden werden sollen. Zuerst werden die Anordnungen in einer Luftatmosphäre mit einer Geschwindigkeit, die zur Minimierung der geometrischen Verzerrung geeignet ist, auf eine Temperatur in dem Bereich von 760°C (1400°F) bis 1090°C (2000°F) erhitzt, um auf der Oberfläche der Anordnungen, die verbunden werden sollen, eine haftende Oxidschicht zu bilden. Dieser Erhitzungsschritt kann wahlweise auch als eine Lösungswärmebehandlung vor dem Schweißen dienen. Die Temperatur wird für eine Zeit, die zur Lösung der Anordnungen und zur Bildung einer Oxidschicht von ausreichender Dicke, um die Fluidströmung in einem anschließenden WIG-Schweißbad zu verändern, auf der Oberfläche der Anordnungen ausreicht, in einem Bereich von 760°C (1400°F) bis 1090°C (2000°F) gehalten. Die Anordnungen werden danach mit einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um sowohl eine Abscheidung unerwünschter Metallphasen zu verhindern als auch die Formbeständigkeit zu erhalten, auf die Umgebungstemperatur abgekühlt. Die Oxidschicht wird danach wenigstens von den Fügeflächen der zu verbindenden Anordnungen, aber nicht von den Seitenflächen der Anordnungen entfernt. Die Anordnungen werden danach unter Verwendung eines WIG-Schweißverfahrens zur Bildung eines einstückigen Erzeugnisses miteinander verschweißt. Die Erzeugnisse werden danach für eine geeignete Zeitdauer bei einer geeigneten Temperatur wärmebehandelt, wobei beide von der Art der Superlegierung(en), die in dem geschweißten Erzeugnis vorhanden ist, und den gewünschten Eigenschaften abhängig sind. Die Erzeugnisse können danach wahlweise bei einer geeigneten Temperatur für eine geeignete Zeitdauer gealtert werden, wobei beide von der Art der in dem geschweißten Erzeugnis vorhandenen Superlegierung(en) und den gewünschten Eigenschaften abhängig sind. Wenn hierin der Ausdruck „Fügefläche" verwendet wird, bezeichnet dieser die aneinander anstoßenden oder benachbarten Oberflächen der zu verschweißenden Anordnungen, die einen Schweißstoß vor dem Schweißen bilden, wenn sie zusammen angeordnet sind, wobei die Schweißstelle im Wesentlichen parallel zu diesen an benachbarten Oberflächen gebildet wird.
Ein Vorteil des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass WIG-Schweißen mit niedrigerer Energie anstelle von WIG-Schweißen mit höherer Energie angewandt werden kann, was zu einem weniger teuren Schweißverfahren und einer weniger teuren Fertigungsverarbeitung als ohne die Verwendung eines Schweißflussmittels führt.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das WIG-Schweißen anstelle des EB-Schweißens angewandt werden kann, was zu einem weniger teuren Schweißverfahren führt.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Lösungswärmebehandlung und die Oxidation vor dem Schweißen nicht in einer teureren Vakuum-, neutralen oder Schutzatmosphäre ausgeführt zu werden brauchen. Der wesentliche Teil der Reinigung des Schweißstoßes ist auf die Fügeflächen reduziert, während die Seitenflächen nur zur Entfernung von losen Rückständen, Schmutz oder Fett eine Reinigung erfordern.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das mit der vorliegenden Erfindung verbundene WIG-Schweißen zu einer geringeren geometrischen Verzerrung und einem wesentlich kleineren Vo lumen der Wärmeeinflusszone als bei einem typischen WIG-Schweißen führt.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich, die im Wege eines Beispiels die Prinzipien der Erfindung darstellen:
1 zeigt ein Verfahrensflussdiagramm, das ein Verfahren darstellt, durch das ein Superlegierungssubstrat unter Anwendung des Wolframinertgasschweißens verschweißt wird.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines I-Stoßes gemäß der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug nun auf 1: Es ist ein Flussdiagramm des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, wie es auf das miteinander Verschweißen von nickelbasierten oder eisenbasierten Superlegierungserzeugnissen (oder Kombinationen derselben) verwendet wird, um ein einziges nickelbasiertes oder eisenbasiertes (oder Kombinationen derselben) Erzeugnis zu bilden. Das eisenbasierte Superlegierungserzeugnis(se) weist vorzugsweise wenigstens etwa 18 Gewichtsprozent (Gew.-%) Chrom und wenigstens etwa 8 Gew.-% Nickel auf. Das nickelbasierte Superlegierungserzeugnis(se) weist vorzugsweise wenigstens etwa 50 Gew.-% Nickel und wenigstens etwa 12 Gew.-% Chrom auf. Der erste Schritt des Verfahrens 100 ist das Bereitstellen von wenigstens zwei Superlegierungsanordnungen, die miteinander verschweißt werden sollen. Die Anordnungen können eisenbasierte Superlegierungen, nickelbasierte Superlegierungen oder Kombinatio nen derselben sein. Die Zusammensetzungen der Anordnungen bestehen jedoch vorzugsweise aus dem gleichen oder aus ähnlichen Materialien, um Probleme im Zusammenhang mit dem Schweißen ungleichartiger Metalle zu vermeiden. Andersherum ausgedrückt werden nickelbasierte Superlegierungszusammensetzungen vorzugsweise mit nickelbasierten Superlegierungszusammensetzungen verschweißt, und eisenbasierte Superlegierungszusammensetzungen werden vorzugsweise mit eisenbasierten Superlegierungszusammensetzungen verschweißt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Anordnungen neu hergestellt. In einer bevorzugteren Ausführungsform enthält jede Anordnung die wohlbekannte nickelbasierte Superlegierung INCONEL^® 718. INCONEL^® ist eine Marke der Huntington Alloys Corporation aus Huntington, West Virginia. In einer anderen alternativen Ausführungsform sind die Anordnungen reparierte Gussstücke. In einer alternativen Ausführungsform enthält jede Anordnung gegossenes INCONEL^® 718. In einer weiteren alternativen Ausführungsform enthält jede Anordnung bearbeitetes INCONEL^® 718. Sowohl die Zusammensetzungen aus gegossenem INCONEL^® 718 als auch aus bearbeitetem INCONEL^® 718 sind in der Fachwelt wohlbekannt. INCONEL^® 718 ist eine Bezeichnung für eine Legierung, die etwa 19 Gew.-% Eisen, etwa 18 Gew.-% Chrom, etwa 5 Gew.-% Tantal und Niob, etwa 3 Gew.-% Molybdän, etwa 0,9 Gew.-% Titan, etwa 0,5 Gew.-% Aluminium, etwa 0,05 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,009 Gew.-% Bor, maximal etwa 1 Gew.-% Kobalt, maximal etwa 0,35 Gew.-% Mangan, maximal etwa 0,35 Gew.-% Silizium und max. etwa 0,1 Gew.-% Kupfer enthält, wobei der Rest Nickel ist. In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist eine Anordnung eine reparierte gegossene Anordnung und eine zweite Anordnung ist ein neu hergestellt oder alternativ ein repariertes Schmiedestück. In einer bevorzugteren Ausführungsform enthält eine Anordnung repariertes gegosse nes INCONEL^® 718, und eine zweite Anordnung enthält bearbeitetes INCONEL^® 718. Der nächste Schritt des Verfahrens 110 ist eine oxidative Wärmebehandlung der Anordnungen, um auf der Außenoberfläche der Anordnungen eine Oxidschicht zu bilden und wahlweise die Anordnungen einem Lösungsglühen zu unterziehen, um Spannungen in den Anordnungen abzubauen und um wahlweise geeignete Abscheidestoffe in den Anordnungen in Lösung zu bringen. Die Anordnungen werden in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, vorzugsweise in Luft, mit einer Geschwindigkeit, die zur Minimierung der geometrischen Verzerrung geeignet ist, auf eine Temperatur in dem Bereich von 760°C (1400°F) bis 1090°C (2000°F) erhitzt, um auf der Oberfläche des Erzeugnisses eine Oxidschicht zu bilden sowie als eine Lösungswärmebehandlung vor dem Schweißen. Die Temperatur der Anordnungen wird dann für eine vorgewählte Zeitdauer in dem Bereich von etwa 0,25 Stunden bis zu etwa einer Stunde in einem Bereich von 760°C (1400°F) bis 1090°C (2000°F) gehalten, um auf der Oberfläche der Anordnungen eine Oxidschicht von ausreichender Dicke zu bilden, um die Fluidströmung des geschmolzenen Metalls während eines anschließenden WIG-Schweißvorgangs zu verändern, um wahlweise die Anordnungen einem Lösungsglühen zu unterziehen und um wahlweise Spannungen in den Anordnungen abzubauen. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Oxidschicht in dem Bereich von 0,01 mm (0,0005 Zoll) Dicke bis 0,1 mm (0,005 Zoll) Dicke. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform wird die Temperatur der Anordnungen für etwa eine Stunde auf etwa 950°C (1750°F) gehalten. In Abhängigkeit von der Natur, der Größe und den Unregelmäßigkeiten und den Eigenschaften, die für die Anordnungen erreicht werden sollen, die durch Schweißen miteinander verbunden werden sollen, enthält die Wärmebehandlung vor dem Schweißen eine Temperatur und Haltezeiten, die für jede einzelne Anordnung ver schieden sein können. Die Zusammensetzung der Oxidschicht ist von der Zusammensetzung des darunter liegenden Substrats abhängig. Eine solche Oxidbildung ist in der Fachwelt bekannt. Der nächste Schritt des Verfahrens 120 ist ein Kühlen der Anordnungen auf die Umgebungstemperatur mit einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um eine Abscheidung von unerwünschten metallurgischen Phasen zu vermeiden, und mit einer geeigneten Geschwindigkeit, die zum Erhalten der Formbeständigkeit ausreicht.
Der nächste Schritt des Verfahrens 130 ist ein Entfernen der Oxidschicht von den Fügeflächen der Anordnungen. Alternativ kann die Oxidschicht an ihrer Bildung auf den Fügeflächen gehindert werden, wie z.B. durch Abdecken bzw. Maskieren der Fügeflächen. Die Maske kann nach der Oxidation der Seitenflächen entfernt werden. Wahlweise kann die Oxidschicht von allen Bereichen der Anordnungen mit Ausnahme der Seitenflächen entfernt werden. Die vorliegende Erfindung erfordert es nicht, dass eine Oxidschicht auf der Wurzelseite der Anordnungen vorhanden ist, in denen die Nahtwurzel gebildet ist. Die Oxidschicht auf den Fügeflächen kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren entfernt werden, wie z.B. durch Schleifen oder Wegbürsten der Oxidschicht mit Draht. Die Oxidschicht sollte nach dem Schweißen gemäß der vorliegenden Erfindung von allen Oberflächen des Erzeugnisses entfernt werden. Die Oxidschicht kann in Abhängigkeit von der Natur des Erzeugnisses durch Bearbeiten des neu geschweißten Erzeugnisses oder während des abschließenden Reinigens des Erzeugnisses entfernt werden. Der nächste Schritt des Verfahrens 140 ist ein Reinigen der Fügeflächen der Anordnungen mit einem geeigneten Reinigungsmittel, um zurückbleibende Verunreinigungen zu entfernen.
Der nächste Schritt des Verfahrens 150 ist die Bildung eines Schweißstoßes durch Platzieren der Anordnungen in einer Weise, dass ihre im Wesentlichen oxidfreien Fügeflächen einander gegenüberliegen, um aneinander zu stoßen oder einen schmalen Spalt zwischen sich zu bilden. Der nächste Schritt des Verfahrens 160 ist das Verschweißen der Erzeugnisse unter Anwendung eines WIG-Schweißverfahrens. Das Schweißen wird vorzugsweise durch mechanisches Befestigen der Erzeugnisse aneinander und durch das Richten eines Lichtbogens auf einen im Voraus ausgewählten Bereich durchgeführt, wo die Erzeugnisse aufeinander treffen, um die Superlegierung in dem im Voraus ausgewählten Bereich lokal zu schmelzen, so dass die Erzeugnisse miteinander zu einem einstückigen Erzeugnis verschmolzen werden. Ein Unterlegstreifen kann verwendet werden, wenn es erforderlich ist. Das WIG-Schweißen wird nach wohlbekannten Verfahren durchgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schweißstelle eine ohne einen Zusatzwerkstoff bzw. ein Füllmaterial gebildete Schweißstelle, die allgemein als eine Autogenschweißstelle bekannt ist.
In einer alternativen Ausführungsform verwendet das WIG-Schweißverfahren ein Füllmaterial zum Verbinden der Anordnungen. Es muss ein Füllmaterial ausgewählt werden, das mit dem Grundmaterial der Anordnungen kompatibel ist. Für die dünneren Stöße in dem Bereich bis zu einer Dicke von etwa 0,18 Zoll wird nur ein WIG-Schweißdurchgang benötigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Anordnungen in einem I-Stoß mit einer Dicke in dem Bereich von 3,2 mm (0,125 Zoll) bis 12,7 mm (0,5 Zoll) verschweißt. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform weist der I-Stoß eine Dicke in dem Bereich von 6,4 mm (0,25 Zoll) bis 9,5 mm (0,375 Zoll) auf. Ein solcher I-Stoß 10 ist in 2 gezeigt. Wie in 2 gezeigt, sind zwei Superlegierungsanordnungen 12, 14 zueinander benachbart angeordnet, wobei ihre Fügeflächen 16, 18 zueinander weisen. Die oberen oder Seitenflächen 20, 22 weisen eine dünne Oxidschicht 24 auf. Die Fügeflächen 16, 18 sind jedoch im Wesentlichen oxidfrei, wie z.B. durch eine Entfernung des Oxids, das sich auf ihnen gebildet haben kann. Die Entfernung solchen Oxids kann mechanisch, wie z.B. durch Schleifen oder ein anderes in der Fachwelt bekanntes Verfahren erreicht werden. Ein Unterlegstreifen 26 wird vorgesehen, wo die Schweißwurzel gebildet wird, und die Rückseiten 28, 30 der Anordnungen weisen ebenfalls eine dünne Oxidschicht 24 auf. Wahlweise kann die dünne Oxidschicht 24 auf den Rückseiten 28, 30 der Anordnungen vor dem Schweißen entfernt werden. Es wird erkannt, dass auch andere Schweißstoßanordnungen, wie z.B. V-Stöße, Doppel-V-Stöße, U-Stöße etc., verwendet werden können, die in der Fachwelt alle wohlbekannt sind. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Anordnungen an einem I-Stoß verschweißt, der eine Dicke von 3,2 mm (0,125 Zoll) bis 4,6 mm (0,18 Zoll) aufweist, und sie erfordern einen Durchlauf des WIG-Schweißgerätes, um die Anordnungen ausreichend miteinander zu verschweißen.
Das Vorhandensein des Oxidfilms auf der Oberfläche der Superlegierungsanordnungen verändert die wohlbekannten Dynamiken des WIG-Schweißverfahrens. Anstatt dass das WIG-Verfahren ein relativ breites und flaches Schweißbad erzeugt, ist das von dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugte WIG-Schweißbad relativ schmal und dringt tiefer in die Metalldicke ein, wodurch eine Schweißmetallzone mit einem größeren Verhältnis von Tiefe zu Breite er zeugt wird, als sie normalerweise mit einem konventionellen WIG-Prozess erhalten wird. Die vorliegende Erfindung verringert die Breite des Schweißbades verglichen mit dem WIG-Schweißbad einer Schweißstelle, die auf Anordnungen gebildet worden ist, die keine Oxidbeschichtung aufweisen, um etwa 30%. Das Schweißbad wird infolge einer Umkehrung der Fluidströmung eingeengt, die das heißeste Fluid durch das Zentrum der Schweißstelle hindurch nach unten treibt. Die WIG-Schweißstelle erreicht in Verbindung mit der Oxidschicht auf den Anordnungen ein ausreichendes Eindringen, um in einigen Anwendungen das EB-Schweißen zu ersetzen. Im Unterschied zum Eleketronenschweißverfahren erfordert das WIG-Schweißverfahren während des Verschweißens der Anordnungen keine Vakuumumgebung, weil das WIG-Schweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine Oxidschicht auf der Oberfläche der Anordnungen erfordert. Wenn alle übrigen Schweißparameter konstant gehalten werden, verringert die vorliegende Erfindung den Betrag der für das WIG-Schweißen erforderlichen Stromstärke auf etwa 33% bis etwa 50% weniger als beim WIG-Schweißen, das an Anordnungen durchgeführt wird, die keine Oxidschicht aufweisen. WIG-Schweißtechniken und EB-Schweißtechniken sind in der Fachwelt bekannt.
Der nächste Schritt des Verfahrens 170 ist ein Lösungsglühen und Spannungsfreiglühen oder ein direktes Altern des geschweißten Erzeugnisses in einer Schutzatmosphäre bei einer geeigneten, im Voraus gewählten Temperatur für eine geeignete, im Voraus gewählte Zeitdauer, wobei sowohl die Zeit als auch die Temperatur von der Art der Superlegierung(en), die in dem geschweißten Erzeugnis vorhanden ist, und den gewünschten Eigenschaften abhängig sind. Solche Zeiten und Temperaturen sind in der Fachwelt wohlbekannt. Der optionale nächste Schritt des Verfahrens 180 ist eine Alterungsbehandlung in einer Schutzatmosphäre bei einer geeigneten, im Voraus gewählten Temperatur für eine geeignete, im Voraus gewählte Zeitdauer, wobei sowohl die Zeit als auch die Temperatur von dem Typ der Superlegierung(en), die in dem geschweißten Erzeugnis vorhanden ist, und dem Typ der Mikrostruktur, die durch die Behandlung entwickelt werden muss, und den gewünschten Eigenschaften abhängig sind. Der abschließende Schritt des Verfahrens 190 ist ein Abkühlen des Erzeugnisses auf Umgebungstemperatur.
Beispiel 1: Als ein erstes Beispiel der vorliegenden Erfindung, das die Eignung der vorliegenden Erfindung zur Verringerung des Scheißwärmeeintrags darstellt, erfordert eine WIG-Schweißstelle von einer Dicke von 0,060 Zoll nickelbasierten oder eisenbasierten Materials, die in Verbindung mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, einen Strom in dem Bereich von 40 bis 50 Ampere (oder einen um etwa 33% kleineren Strom als bei einer konventionellen Verarbeitung) und eine typische Spannung in dem Bereich von etwa 7 bis etwa 10 Volt und eine Schweißgeschwindigkeit in dem Bereich von 4 bis 6 Zoll pro Minute, um in einem einzigen Durchgang eine Schweißstelle mit einem vollen Eindringen zu erreichen.
Als ein zweites Beispiel, das in ähnlicher Weise die Eignung dieser Erfindung zur Verringerung des Wärmeeintrags darstellt, erfordert eine WIG-Schweißstelle eines 2,3 mm (0,090 Zoll) dicken nickelbasierten oder eisenbasierten Materials, die in Verbindung mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, einen Strom in dem Bereich von etwa 65 bis 85 Ampere (oder einen um etwa 33% kleineren Strom als bei einem konventionellen Verfahren) mit einer Spannung in dem Bereich von etwa 7 bis 10 Volt und einer Schweißgeschwindigkeit von etwa 4 bis 6 Zoll pro Minute, um in einem Durchgang eine Schweißstelle mit einem vollem Eindringen zu erreichen.
Das Schweißen gemäß dem vorliegenden Ansatz ist in den Begriffen des miteinander Verschweißens verschiedener Anordnungen beschrieben worden. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch zur Schweißreparatur eines Erzeugnisses verwendet werden. Vorzugsweise werden die gleichen Schritte, wie sie zuvor beschrieben worden sind, für die Schweißreparatur eines Erzeugnisses oder für Erzeugnisse verwendet, die einen Bereich aufweisen, der eine Reparatur erfordert, und die wenigstens zwei Fügeflächen und wenigstens zwei Seitenflächen aufweisen. Oder das Verfahren kann zur Reparatur von Schrumpfungs- oder anderen Gussdefekten in gegossenen Komponenten ohne eine übermäßige mechanische Entfernung von Material bei der Vorbereitung der Schweißreparatur verwendet werden. Zusätzlich kann ein Füllmaterial aus kompatiblem Material verwendet werden, um Risse in dem Erzeugnis zu füllen. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bildet keine sichtbare Schlacke auf der Oberfläche des Erzeugnisses, obwohl sich während des Schweißens einige Oxide bilden können, die eine Verfärbung erzeugen, und nicht kontinuierliche Oxidpartikel auf der Seitenfläche des geschweißten Erzeugnisses bilden und/oder ablagern können. Solche Oxidpartikel würden während des mechanischen Reinigungsvorgangs des geschweißten Erzeugnisses, der nach dem Schweißen zum Entfernen der Verfärbung routinemäßig durchgeführt wird, wie es in der Fachwelt bekannt ist, von dem geschweißten Erzeugnis entfernt. Wenn solche Oxidpartikel auf der Oberfläche des geschweißten Erzeugnisses zurückgelassen werden, könnten Korrosion und eine Feuchtigkeitsabsorption in die Oxidpartikel hinein das Auftreten einer zusätzlichen Korrosion bewirken. Eine Reinigung nach dem Schweißen wird jedoch typischerweise an allen Schweißstellen durchgeführt.
Zahlreiche Typen von Gasturbinen- und anderen Turbinentriebwerkskomponenten können unter Verwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt oder repariert werden. Solche Komponenten enthalten Turbinenmidframes, Turbinenmantelträgerringe, Brennkammern, Zentralkörper und Flammenhalter.

Claims

Schweißverfahren für ein Flugzeugtriebwerkserzeugnis, wobei das Verfahren die Schritte enthält: Bereitstellen von wenigstens zwei zur Bildung eines einstückigen Erzeugnisses miteinander zu verschweißenden Anordnungen (12, 14), wobei die Anordnurgen (12, 14) jeweils eine Fügefläche (16, 18) und eine Seitenfläche (20, 22) aufweisen, wobei die Anordnungen (12, 14) jeweils eine Superlegierung enthalten, die aus der aus eisenbasierten Superlegierungen und nickelbasierten Superlegierungen bestehenden Menge ausgewählt ist, Erhitzen der Anordnungen (12, 14) in einer oxidativen Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit zur Minimierung des Verzugs der Anordnungen (12, 14) auf eine Temperatur in einem Bereich von 760°C (1400°F) bis 1093°C (2000°F), Halten der Anordnungen (12, 14) auf einer Temperatur in dem Bereich von 760°C (1400°F) bis 1093°C (2000°F) für eine im Voraus gewählte Zeit, die zur Bildung einer Oxidschicht (24) einer im voraus gewählten Dicke von 0,01–0,1 mm wenigstens auf der Seitenfläche (20, 22) der Anordnungen ausreicht, Abkühlen der Anordnungen (12, 14) auf Umgebungstemperatur, Bereitstellen von wenigstens zwei Fügeflächen (16, 18) der Anordnungen (12, 14), wobei die Fügeflächen im Wesentlichen frei von einer Oxidschicht (24) sind, während die Seitenflächen (20, 22) der Anordnungen mit einer Oxidschicht (24) aus dem im Voraus gewählten Dickebereich bereitgestellt werden, Bilden eines Schweißstoßes durch Anordnen der Anordnungen (12, 14) in einer Weise, dass ihre Fügeflächen (16, 18) einander gegenüberliegen, Verschweißen der Anordnungen (12, 14) unter Anwendung eines Wolframinertgasverfahrens, um ein einstückiges Erzeugnis zu bilden, Lösungsglühen und Spannungsfreiglühen des Erzeugnisses in einer nicht oxidativen Atmosphäre zum Lösen von Spannungen in dem Erzeugnis und Abkühlen des Erzeugnisses auf Umgebungstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Haltens der Anordnungen (12, 14) auf einer Temperatur in dem Bereich von 760°C (1400°F) bis 1093°C (2000°F) für eine im Voraus gewählte Zeit, die zur Bildung einer Oxidschicht (24) einer im voraus gewählten Dicke von 0,01–0,1 mm wenigstens auf der Seitenfläche (20, 22) der Anordnungen (12, 14) ausreicht, auch zum Lösungsglühen der Anordnungen (12, 14) ausreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, das nach dem Schritt des Lösungsglühens und des Spannungsfreiglühens weiterhin den Schritt des Alterns des Erzeugnisses in einer Schutzatmosphäre enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die eisenbasierten Superlegierungen einen Chromanteil von wenigstens etwa 18 Gewichtsprozent und einen Nickelanteil von wenigstens etwa 8 Gewichtsprozent enthalten und die nickelbasierten Superlegierungen einen Nickelanteil von wenigstens etwa 50 Gewichtsprozent und einen Chromanteil von wenigstens etwa 12 Gewichtsprozent enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwei eisenbasierte Superlegierungsanordnungen (12, 14) bereitgestellt und miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwei nickelbasierte Superlegierungsanordnungen (12, 14) bereitgestellt und miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwei Inconel 718-Anordnungen (12, 14) bereitgestellt und miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine erste Superlegierungsanordnung (12) mit einer zweiten Superlegierungsanordnung (14) unter Bildung eines I-Stoßes verschweißt wird, der eine Dicke von 3,2 mm (0,125 Zoll) bis 12,7 mm (0,5 Zoll) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Dicke des I-Stoßes etwa 6,4 mm (0,25 Zoll) bis etwa 9,5 mm (0,375 Zoll) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem eine erste Anordnung (12) mit einer zweiten Anordnung (14) unter Bildung eines I-Stoßes, der eine Dicke in dem Bereich von etwa 3,2 mm (0,125 Zoll) bis etwa 4,6 mm (0,18 Zoll) aufweist, unter Ausführung eines Durchlaufes des Wolframinertgasschweißgerätes verschweißt wird.