Transient liquid phase bonding of single and directionally cast nickelbase superalloys: Precipitation processes in the parent materials

Um den Wirkungsgrad von Turbinen immer weiter zu steigern, wird neben einer Steigerung der Gaseinlasstemperatur durch neue Legierungen und bessere Beschichtungen auch die Größe der Anlagen und somit der Turbinenschaufeln erhöht. Diese Vergrößerung der Bauteile führt zu Problemen während des Gießvorgangs, da sich dadurch Gießfehler häufen. Um dieses Problem umgehen zu können, ist eine Zukunftsvision die „gebaute Schaufel“ bei welcher eine Schaufel in mehreren Teilen gegossen und anschließend gefügt wird. Als mögliches Fügeverfahren bietet sich das Diffusionslöten an, welches auch in der Reparatur von Turbinenschaufeln zum Einsatz kommt. Das größte Problem dieses Verfahrens ist die Ausscheidungen von spröden Boriden durch den Einsatz von Bor als schmelzpunktsenkendes Element in den Loten während des Lötprozesses. Diese vermindern die mechanischen Eigenschaften des Verbundes. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem Fügen von ein- und stängelkristallinen Nickelbasislegierungen mit Hilfe des Diffusionslötens. Das Ziel dieser Arbeit ist es einen Lötprozess zu finden, um Boride möglichst vollständig zu vermeiden und allgemein die Einflussfaktoren auf die Morphologie und Menge der Ausscheidungen heraus zu arbeiten. Während gezeigt werden konnte, dass der Einfluss der Lötzeit auf die Boride sehr gering ist, stellt sich die Löttemperatur als entscheidender Faktor dar. Durch die richtige Wahl kann die Menge an Ausscheidungen verringert werden und die Morphologie beeinflusst werden. Es konnte sogar ein Lötzyklus gefunden werden bei welchem die Boridausscheidung vollständig unterdrückt werden konnte. Ein Modell für die Boridausscheidung (Morphologie und Menge) wird in dieser Arbeit erarbeitet. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass auch der Fügepartner bzw. die Zusammensetzung der Legierung einen Einfluss auf die Menge an aufgenommenem Bor während des Zyklus hat und somit die Menge der entstehenden Boride sowohl in der Legierung selbst als auch im Fügepartner stark beeinflusst. Erstmals konnten auch Profile der Borkonzentration über die Lötnaht in Abhängigkeit der Menge an Boriden quantitativ aufgenommen werden, welche die Berechnungen und Modelle aus der Literatur bestätigen.In order to increase the efficiency of the turbines one attempt is to increase the gas inlet temperature by the usage of new alloys or better coatings. Another possibility is to enlarge the size of the whole constructions and therefore also of the turbine blades. This rising size leads to problems during the casting process as the probability of casting defects is enhanced. A possible solution of this problem is a “manufactured blade” in which the blade is cast in different parts and joined afterwards. One possible joining method is the transient liquid phase bonding as it is already used in the repair of turbine blades. One of the biggest problems of this technique is the precipitation of brittle borides during the brazing process due to the usage of boron as melting point depressant in the braze alloys. These brittle phases diminish the mechanical properties of the bonds. This thesis is about the joining of single and directionally cast nickelbase superalloys via transient liquid phase bonding. The goal is to find a brazing cycle which can hopefully avoid the precipitation of borides and in general to find the main influencing factors on the amount and morphology of the precipitates. While it was found that the influence of the brazing time on the borides is very small, the brazing temperature shows a significant effect on the boride precipitation: The morphology can be influenced and the amount decreased. With the right choice of the brazing temperature the precipitation of borides can be totally avoided. A model for the boride precipitation (amount and morphology) in dependence of brazing temperature is presented. The amount of absorbed boron in the alloy during the brazing cycle and therefore also the amount of borides in the alloy itself as well as in the brazing partner are furthermore influenced by the composition of the brazed alloy and also by the choice of the brazing partner. For the first time concentration profiles of boron over the joint in dependence of the amount of borides could be measured quantitatively. They approve the calculations and models which can be found in literature