SB_18.334BLP

2016
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Prozessstrategie zum
Reparieren von
Nickelbasisbauteilen
mittels Laserstrahl

Prozessstrategie zum
Reparieren von
Nickelbasisbauteilen
mittels Laserstrahl
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 18.834 B
DVS-Nr.: 06.091
Technische Universität Ilmenau
Fakultät für Maschinenbau
Fachgebiet Fertigungstechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 18.834 B / DVS-Nr.: 06.091 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2016 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 346
Bestell-Nr.: 170455
ISBN: 978-3-96870-345-9
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ....................................................................................................................... 7
2 Stand der Forschung und Technik .................................................................................. 9
2.1 Aufbau, Eigenschaften und Anwendung von Nickelbasis-Superlegierungen ....... 9
2.2 Schweißeignung von Nickelbasis-Superlegierungen ..........................................10
2.3 Schweißtechnische Reparaturstrategien ............................................................12
3 Ziel des Forschungsvorhabens ......................................................................................17
4 Experimentelles Vorgehen ............................................................................................19
4.1 Werkstoffe ..........................................................................................................19
4.2 Anlagen- und Systemtechnik ..............................................................................20
4.3 Prozesstechnische Charakterisierung ................................................................22
4.4 Werkstofftechnische Charakterisierung ..............................................................25
4.5 Methodisches Vorgehen .....................................................................................27
5 Ergebnisse und Diskussion ...........................................................................................28
5.1 Ermittlung des Ausgangszustandes ...................................................................28
5.2 Einfluss Drahtzufuhr kontinuierlich .....................................................................30
5.2.1 Einfluss des Drahtzufuhrwinkels .............................................................30
5.2.2 Einfluss der Drahtverschiebung in x-Richtung .........................................32
5.2.3 Einfluss der Drahtverschiebung in y-Richtung .........................................34
5.2.4 Einfluss der Relation von Drahtzufuhr- und Schweißgeschwindigkeit .....36
5.2.5 Richtung der Drahtzfuhr ..........................................................................38
5.3 Einfluss Drahtzufuhr gepulst ...............................................................................39
5.3.1 Vorbetrachtungen zur gepulsten Drahtzufuhr ..........................................39
5.3.2 Einfluss der Drahtposition .......................................................................43
5.3.3 Wirkung der zeitlichen Parameter des Drahtpulses .................................44
5.3.4 Fazit und Gegenüberstellung ..................................................................49
5.4 Auftragschweißen mit kontinuierliche Drahtzufuhr ..............................................50
5.4.1 Ermittlung des Prozessbereiches ............................................................50
5.4.2 Ausbildung geoemtrischer Nahtmerkmale ...............................................51
5.5 Einsatz ausscheidungshärtender Schweißzusatzwerkstoffe ...............................55
5.6 Auftragschweißen von Flächen ..........................................................................59
5.7 Übertragung auf Mehrlagen ................................................................................63
5.8 Übertragung auf industrierelevante Mustergeometrien .......................................65
5.9 Einfluss des Gefügezustandes vom Grundwerkstoff/Substrat ............................67
5.10 Wärmebehandlung .............................................................................................70
AiF-Forschungsvorhaben – 18334 BR - Reparatur von Nickelbauteilen
II

5.11 Demonstrator .....................................................................................................73
6 Zusammenfassung ........................................................................................................74
7 Formales .......................................................................................................................75
7.1 Schlussfolgerungen und Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielstellungen
des Forschungsantrages ....................................................................................75
7.2 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ................................78
7.3 Wissenschaftlich-technischer Nutzen .................................................................78
7.4 Wirtschaftlicher Nutzen insbesondere für KMU, innovativer Beitrag und industrielle
Anwendungsmöglichkeiten .................................................................................79
7.5 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen Transferkonzepts ........80
7.6 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft .......................................................81
7.7 Angaben zu gewerblichen Schutzrechten ...........................................................82
8 Literaturverzeichnis .......................................................................................................83
9 Abbildungsverzeichnis ...................................................................................................88
10 Tabellenverzeichnis .......................................................................................................93
11 Anwenderrichtlinie .........................................................................................................94
AiF-Forschungsvorhaben – 18334 BR - Reparatur von Nickelbauteilen
III

1 Einleitung
Nickelbasis-Superlegierungen sind aufgrund ihrer herausragenden Hochtemperaturfestigkeit,
Kriechfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Zähigkeit, Schlagbeständigkeit und Widerstand gegen
Heißgaskorrosion der bevorzugte Werkstoff für Leit- und Laufschaufeln in stationären Gasturbinen
(vgl. Abbildung 1-1a). Diese Legierungen bewahren ihre Festigkeit auch bei 80 - 90 %
/Bur10/ ihrer Schmelztemperatur. Die Hochtemperaturfestigkeit der Nickelbasis-Superlegierungen
wird durch ein maßgeschneidertes Gefügedesign während des Herstellungsprozesses
erzielt, in dem stabile Ausscheidungen der härtenden γ’- Phase in der Nickelmatrix kohärent
vorliegen. Prinzipiell gilt, dass je höher der Volumenanteil an γ’- Phase ist, desto höhere Einsatztemperaturen
können erreicht werden.
Die im Betrieb befindlichen Turbinenschaufeln werden nach definierten Betriebsintervallen von
ca. 24.000 Betriebsstunden einer regelmäßigen Inspektion und Wartung unterzogen und werden
gegebenenfalls ausgetauscht, wenn betriebsbedingte Beanspruchungen eine einwandfreie
Funktionalität nicht mehr gewährleisten (/Mar06/, /Bur10/). Die Ursachen für defekte
Schaufeln nach einem Betriebsintervall sind vielfältig. So resultieren Schäden bei stationären
Gasturbinen durch Verschleiß aufgrund von Reibung oder Erosion durch Sand- und Staubpartikel.
Weitere Ursachen, bspw. in Flugzeugtriebwerken, sind harte Landemanöver, wenn einzelne
Triebwerkskomponenten einander berühren oder größere Objekte in das Triebwerk einschlagen
/Ing13/. In diesem Fall ist ein Austausch oder eine Reparatur der defekten Schaufel
notwendig /Mar06/.
a
b
Bürgel
Thermoermüdungsrisse an der Eintrittskante einer Leitschaufel
c
Turbinenschaufeln aus
Nickelbasis-Superlegierungen
Hitzeschilde aus Nickelbasis-
Superlegierungen
DLR
Abbildung 1-1: a) Brennkammer und Turbinenbereich einer Industriegasturbine /Bur10/, b) Ermüdungsrisse an
der Eintrittskante einer Turbinenschaufel /Bür11/, c) mechanischer und chemischer Verschleiß an einer Turbinenschaufel
nach einem Betriebsintervall
Die Effizienz einer Gasturbine bzw. deren thermischer Wirkungsgrad steht in direkter Beziehung
zur Temperatur im Heißgasbereich. Um möglichst hohe Verbrennungstemperaturen zu
erzielen, müssen hochwarmfeste Werkstoffe verwendet werden, was die Bauteilherstellung
(Werkstoff- und Herstellungskosten) erheblich verteuert.
Wirkungsgrad einer Gasturbine
η = 1 − T Auslasstemperatur
T Einlasstemperatur
AiF-Forschungsvorhaben – 18334 BR - Reparatur von Nickelbauteilen
7

Die Kosten für eine einzige Turbinenschaufel können bis zu 15.000 € betragen, wobei modernste
Turbinen bis zu 300 Schaufeln besitzen /Tur05/. Diese Zahlen verdeutlichen die Relevanz
der Instandhaltung, Reparatur und Wartung aus betriebswirtschaftlicher Sicht, insbesondere
vor dem Hintergrund, dass sich die Kosten eines Turbinenschaufelsatzes im Verhältnis
zur Gesamtturbine auf etwa 40 % belaufen. Somit ist ein Austausch dieser Hightech-Komponenten
für die Kraftwerksbetreiber mit hohen finanziellen Aufwendungen verbunden. Dagegen
beläuft sich der finanzielle Aufwand einer Reparatur im Vergleich zur Neuanschaffung
einer Turbinenschaufel auf nicht mal 50 % /Ing13/.
So kann durch die Reparatur die Lebensdauer der Turbinenschaufel – einmalige Reparatur
vorausgesetzt – um bis zu 100 % verlängert werden /Arj11/. Die Instandsetzung der defekten
Bauteilbereiche wird heutzutage hauptsächlich mit Schweißverfahren durchgeführt. Dabei sind
das Wolfram-Inertgasschweißen und das Laserstrahlschweißen industriell etablierte Verfahren.
Vor allem laserbasierte Verfahren gewinnen ein immer stärkeres Maß an Bedeutung bei
der Reparatur von Turbinenschaufeln und ermöglichen durch den Einsatz ausscheidungshärtender
Schweißzusatzwerkstoffe die artgleiche/artähnliche Reparatur. Aufgrund der ausgeprägten
Neigung zur Bildung von Heißrissen während der Erstarrung können die derzeit etablierten
Reparaturverfahren nur mit hohen technischen Restriktionen und betriebswirtschaftlichen
Aufwendungen eingesetzt werden. So müssen die zu schweißenden Bereiche auf Temperaturen
von ca. 800 - 900°C. vorgewärmt werden, um die Rissbildung zu unterdrücken. Eine
weitere Möglichkeit ist Schweißen mit duktilen Schweißzusatzstoffen aus Nickelbasis-Superlegierungen
(z.B. Inconel 625). Allerdings weisen diese Schweißzusatzstoffe im Vergleich zum
Grundwerkstoff eine kleinere Hochtemperaturfestigkeit auf.
Das Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens bestand in der Entwicklung einer neuartigen
Reparaturstrategie von Bauteilen aus Nickelbasis-Superlegierungen an Raumtemperatur
durch den Einsatz einer gepulst und modulierbaren Laserstrahlquelle und drahtförmiger
Schweißzusatzwerkstoffe. Durch die hochdynamische Leistungsregelung innerhalb eines
Schweißpulses wird der Energieeintrag während der Bearbeitung werkstoffbezogen angepasst,
sodass ein direkter Eingriff in die Erstarrungsbedingungen erfolgt. Dies ermöglicht die
rissfarme und reproduzierbare Reparatur von Nickelbasis-Bauteilen mit ausscheidungshärtenden
Schweißzusatzwerkstoffen. Die durch die Pulspausen einhergehende verringerte thermische
Bauteilbelastung reduziert die Gefahr von Schmelzbaddurchbrüchen und Verzug bei der
Bearbeitung von Komponenten mit geringen Restwandstärken. Für die industrielle Überführung
und Etablierung des Verfahrens ist die systematische Untersuchung der Prozessbedingungen
und der Wechselwirkungen von Werkstoff, Drahtzufuhr und Drahtpositionierung und
der Laserstrahlparameter zu untersuchen.
AiF-Forschungsvorhaben – 18334 BR - Reparatur von Nickelbauteilen
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2 Stand der Forschung und Technik
2.1 Aufbau, Eigenschaften und Anwendung von Nickelbasis-Superlegierungen
Durch die Entwicklung von Gasturbinen für die Luftfahrt Anfang der 40-er Jahre des zwanzigsten
Jahrhunderts wurde die Erforschung von „Superlegierungen“ vorangetrieben, da die konventionellen
Werkstoffe zu diesem Zeitpunkt für die Betriebsbedingungen in einer Gasturbine
nicht standhielten /Arj11/. Eine allgemeine Definition für „Superlegierungen“ ist im derzeitigen
Stand der Technik nicht existent. Die Bezeichnung „Superlegierungen“ wird im Allgemeinen
für Werkstoffe genutzt, die eine hohe Kriechfestigkeit mit gleichzeitig guter Korrosionsbeständigkeit
bei Temperaturen oberhalb von 650°C aufweisen (/Arj11/, /Ess04/).
Die hervorragenden Kriech- und Ermüdungsbeständigkeiten von Nickelbasis-Superlegierungen
liegen ihrer chemischen Zusammensetzung und einer nachfolgenden zweischritten Wärmebehandlung
zu Grunde. Ausgehend von einer nickelhaltigen Matrix mit kubisch flächenzentrierter
Kristallstruktur (γ-Phase) bilden sich während der Erstarrung bei hinreichend hohen
Gehalten an Al und Ti unterhalb einer Temperatur von 800 °C mikrokristalline Ausscheidungen
der Zusammensetzung Ni 3[Al,Ti] (sog. γ'-Phase) heraus /Bur10/. Durch die anschließende
Wärmebehandlung wird die Größe, die Form und der Volumenanteil optimal eingstellt, sodass
die γ'-Phase eine geordnete kubische Struktur aufweist und als Würfel in regelmäßigen Abständen
in der Matrix verteilt ist, (vgl. Abbildung 2-1). Die γ'-Phase erschwert die Beweglichkeit
von Versetzungen und steigert zugleich den Widerstand gegen Verformung, insbesondere bei
Temperaturen bis 1500 °C (/Lam07/, /Bür11/).
γ‘-Phase
γ-Phase
Abbildung 2-1: γ/γ‘-Mikrostruktur der vollständig wärmebehandelten Nickelbasis-Superlegierung PWA 1483
/Hei09/
Die γ'-Phase besitzt eine inverse Abhängigkeit der Festigkeit von der Temperatur und ist somit
der entscheidende Faktor, der die Hochtemperaturfestigkeit bestimmt (/Ste02/, /Gla05/). In
modernen Superlegierungen beläuft sich der Volumenanteil der γ'-Phase auf bis zu 70 Vol.-
%. Aus diesem Grund sind Legierungen mit hohen γ'-Volumengehalten der bevorzugte Werkstoff
für Leit- und Laufschaufeln in stationären Gasturbinen /Arj11/.
Turbinenleit- und Laufschaufeln unterliegen im Einsatz hohen thermo-mechanischen Beanspruchungen.
Die einzelnen Schaufeln rotieren im Heißgasstrom mit nahezu 3600 Umdrehungen
pro Minute /Der04/. Hierbei trifft 1500 °C heißes Gas mit Geschwindigkeiten von ca. 100
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