SB_20023BLP

2020
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Strategien zur Wärmeentkopplung
beim gepulsten
Laserstrahlauftragschweißen
von Nickelbasisbauteilen zur
Steigerung der Produktivität

Strategien zur
Wärmeentkopplung beim
gepulsten Laserstrahlauftragschweißen
von
Nickelbasisbauteilen zur
Steigerung der Produktivität
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.023 BR
DVS-Nr.: 06.119
Technische Universität Ilmenau,
Fakultät Maschinenbau Fachgebiet
Fertigungstechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.023 / DVS-Nr.: 06.119 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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unter: http://dnb.dnb.de
© 2020 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 488
Bestell-Nr.: 170598
ISBN: 978-3-96870-488-3
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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Seite III des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20023 BR
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen .......................................................................... I
Danksagung .......................................................................................................................... II
1 Einleitung ....................................................................................................................... 6
2 Stand der Technik .......................................................................................................... 7
2.1 Nickelbasissuperlegierungen ............................................................................... 7
2.1.1 Legierungselemente ............................................................................................ 8
2.1.2 Aufbau und Untergliederung von Ni-Superlegierungen ........................................ 9
2.1.3 Vorgang des Ausscheidungshärtens ..................................................................13
2.1.4 Schweißeignung .................................................................................................15
2.2 Heißrisse ............................................................................................................15
2.2.1 Entstehung von Heißrissen ................................................................................16
2.2.2 Methoden der Heißrissvermeidung .....................................................................18
2.3 Anforderungen an das Reparaturschweißen von Nickelbasis-Superlegierungen 19
2.4 Laserpulverauftragschweißen ............................................................................20
2.5 Lasterstrahlauftragschweißen mit drahtförmigem Schweißzusatzwerkstoff ........21
2.6 Optimierung des Verfahrens ...............................................................................22
2.6.1 Pulsrampenformung ...........................................................................................23
2.7 Entkopplung der Wärmeanteile ..........................................................................24
2.7.1 Heißdrahttechnik .....................................................................................24
2.7.2 Grundwerkstoffvorwärmung ....................................................................25
2.7.3 Résumé zur Entkopplung der Leistungsanteile .......................................25
2.8 Voruntersuchungen zur Heißdrahttechnik ..........................................................25
2.8.1 Résumé der Voruntersuchungen ............................................................27
3 Ziel des Forschungsvorhabens ......................................................................................28
4 Experimentelles Vorgehen ............................................................................................29
4.1 Werkstoffe ..........................................................................................................29
4.2 Probengeometrie ................................................................................................29
4.3 Anlagentechnik ...................................................................................................30
4.4 Bestimmung des Emissionsgrades .....................................................................33
4.5 Vorbetrachtung zur Bestimmung der Leistungsanteile ........................................34
4.5.1 Wärmeentkopplung durch Heißdraht ......................................................34
4.5.2 Wärmeentkopplung durch Grundwerkstoffvorwärmung ...........................35
4.6 Metallographische Charakterisierung .................................................................35
4.7 Härtemessung ....................................................................................................37
4.8 Wärmebehandlung .............................................................................................37
4.9 Statistische Versuchsauswertung .......................................................................38

Seite IV des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20023 BR
4.9.1 Grundbegriffe und allgemeine Grundlagen .........................................................38
4.9.2 Regressionsanalyse ...........................................................................................48
Bestimmung der Regressionsgleichung ......................................................................48
Beurteilung des Regressionsmodells...........................................................................48
Regressionsalgorithmen ..............................................................................................50
4.9.3 Statistikprogramm Minitab ..................................................................................51
4.10 Numerische Simulation ......................................................................................52
5 Ergebnisse und Diskussion ...........................................................................................55
5.1 Metallografische Untersuchung ..........................................................................55
5.1.2 Ermittlung der Produktivitätssteigerung ..............................................................65
5.2 Nahtimperfektionen ............................................................................................66
5.2.1 Porenbildung ......................................................................................................66
5.2.2 Heißrissneigung .................................................................................................67
5.2.3 Härtemessung ....................................................................................................68
Vergleichshärtemessung vor und nach der Auslagerung .............................................71
5.3 Statistische Versuchsauswertung .......................................................................72
5.3.1 Regressionsanalyse ...........................................................................................72
5.3.2 Beurteilung der Modelle .....................................................................................72
5.3.3 Effektdiagramme und Regressionsgleichungen ..................................................75
Aufmischungsgrad D ...................................................................................................75
Benetzungswinkel θ ....................................................................................................76
Aspektverhältnis A .......................................................................................................78
Härteinhomogenität δHVa ............................................................................................79
Übersicht Haupteffektdiagramme ................................................................................80
5.3.4 Zielgrößenoptimierung .......................................................................................81
Prädiktionsmodell 1 – Optimierung nach und D ..............................................81
Prädiktionsmodell 2 – Optimierung nach , D und δHVa .....................................84
5.3.5 Validierung des statistischen Modells .................................................................86
Parameterauswahl .............................................................................................86
Übertrag des Modells auf einen Drahtdurchmesser von 0,5 mm ........................87
Überlappungschweißversuche ....................................................................................88
Mehrlagenschweißversuche ........................................................................................89
Drahtdurchmesser 0,4 mm .................................................................................89
Drahtdurchmesser 0,5 mm .................................................................................91
5.4 Simulationsbasierte Untersuchungen .................................................................92
5.4.1 Validierung des Simulationsmodelles .................................................................92
5.4.2 Untersuchung zum Schweißbaddurchbruch .......................................................92
5.4.3 Weitere simulationsbasierte Untersuchungen.....................................................95
5.5 Ergebnisübertrag auf weitere Werkstoffpaarungen .............................................97
5.5.1 IN 718 / HS 282 ..................................................................................................97
5.5.2 IN 738 LC / IN 738 LC ........................................................................................98
5.5.3 IN 738 LC / Rene 80...........................................................................................99

Seite V des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20023 BR
5.6 Reparatur anwendungsorientierter Schadensfälle ............................................ 100
5.6.1 Demonstratorbauteil Kraftwerkturbinenschaufel IN 738 LC .............................. 100
5.6.2 Demonstratorbauteil Flugzeugturbinenschaufel IN 718 .................................... 101
6 Formalitäten ................................................................................................................ 103
6.1 Schlussfolgerungen und Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielstellungen
des Forschungsantrages und Verwendung der Zuwendung ............................. 103
6.2 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit .............................. 107
6.3 Wissenschaftlich-technischer Nutzen ............................................................... 108
6.4 Wirtschaftlicher Nutzen insbesondere für kmU, innovativer Beitrag und industrielle
Anwendungsmöglichkeiten ............................................................................... 108
6.5 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen Transferkonzepts ...... 109
6.6 Aussagen von kmU zum Vorhaben .................................................................. 110
6.7 Veröffentlichungen ........................................................................................... 111
6.8 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ..................................................... 111
6.9 Angaben zu gewerblichen Schutzrechten ......................................................... 112
7 Literaturverzeichnis ..................................................................................................... 113
Abbildungsverzeichnis ........................................................................................................ 119
Tabellenverzeichnis ............................................................................................................ 126

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20023 BR
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
und Flugzeugtriebwerken, da sie ihre Festigkeit auch bei 80 % bis 90 % ihrer Schmelztemperatur
bewahren (/Bür11/, /Bur10/). Im Heißgasstrom rotieren die einzelnen Schaufeln mit
nahezu 3600 Umdrehungen pro Minute, wobei 1400 °C heißes Gas mit Geschwindigkeiten
von 100 m/s auf jede einzelne Schaufel trifft (/Inf13/). Aus der wiederkehrenden Variation von
Temperatur und Geschwindigkeit entlang des Strömungspfades ergeben sich unterschiedliche
Verschleißmechanismen, wie Oxidation, Korrosion, Heißgaskorrosion und Erosion (/Van07/).
Aus diesem Grund werden die einzelnen Schaufeln in definierten Betriebsintervallen von ca.
24.000 h einer regelmäßigen Inspektion und Wartung unterzogen und gegebenenfalls ausgetauscht,
wenn betriebsbedingte Beanspruchungen die 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 der Austausch
oder die Reparatur der defekten Schaufel notwendig (/Mar06/). Die Werkstoff- und Herstellungskosten
für eine einzige Turbinenschaufel können bis zu 15.000 € betragen, wobei moderne
Turbinen bis zu 300 Schaufeln besitzen. Dies verdeutlicht 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
sowie für die Betreiber von turbinengetriebenen Flugtriebwerken mit hohen finanziellen
Aufwendungen verbunden. Im Vergleich zur Neuanschaffung einer Turbinenschaufel
beläuft sich der finanzielle Aufwand einer Reparatur auf ca. 50 % /Ing13/ und erweitert zugleich
die Lebensdauer – einmalige Reparatur vorausgesetzt – um bis zu 100 % (/Arj11/). Die
Reparatur erfolgt dabei durch Schweißverfahren. Wird jedoch bei Raumtemperatur geschweißt,
kann für viele technische Nickelbasis-Superlegierungen (z.B. IN 738 LC, Rene 80,
IN 939) die Heißrissbildung in der Wärmeeinflusszone (WEZ) und im Schweißgut (SG) nicht
vermieden werden (/Arj11/). In diesem Fall wird die bedingte Schweißeignung ‘-gehärteter
Nickelbasis-Superlegierungen durch den Einsatz artungleicher, mischkristallhärtender
Schweißzusatzwerkstoffen umgangen. Allerdings besitzen diese Legierungen im Vergleich zu
‘-gehärteten Legierungen eine geringere Hochtemperaturfestigkeit, weshalb der Markt zunehmend
artgleiche Reparaturen fordert.
In Deutschland ist die Instandsetzung von Turbinenschaufeln aus Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken
von klein- und mittelständischen Unternehmen (kmU) geprägt. Dabei darf die Reparatur
nur von speziell für derartige Schweißaufgaben qualifiziertem Schweißpersonal und
zertifizierten Unternehmen durchgeführt werden. Die Fähigkeit, mit verbesserten Schweißprozessen
Nacharbeit und Ausschuss zu vermeiden, ist für die Betreiber von Kraftwerksturbinen
und Triebwerken häufig ein Entscheidungskriterium zur Vergabe von Serviceverträgen und ist
dementsprechend ein Türöffner für ein umfassenderes Geschäft, dass über die Reparatur der
Bauteile hinausgeht. Dies kommt vor allem den kmU in verschiedenen Bereichen zugute, da
mit neuverkauften Turbinen und Triebwerken auch stets langfristige Wartungsverträge abgeschlossen
werden. Bereits in den letzten 25 Jahren konnte allein die deutsche Turbomaschi-

Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20023 BR
nenbranche ihren Anteil am Weltmarkt von 15 % auf 30 % verdoppeln (/Wid13/). Nach Abschätzung
des derzeitigen Marktes ist auch in den nächsten Jahren ein stetiger Absatz von
Gasturbinen am Weltmarkt zu verzeichnen. Die jüngste Marktprognose für den weltweiten
Flugzeugmarkt kommt zu dem Ergebnis, dass der weltweite Flugverkehr im Zeitraum 2013 bis
2032 im Schnitt um jährlich 4,7 Prozent wächst, weshalb für die nächsten 20 Jahre mit einem
weltweiten Bedarf an 29.200 neuen Flugzeugen gerechnet werden muss (/Wüp13/). Daher
wird dem Servicegeschäft, d.h. Instandhaltungs-, Wartungs- und Reparaturarbeiten, auch in
den kommenden Dekaden eine immer wichtigere Rolle zukommen. Um im internationalen
Wettbewerb konkurrenzfähig zu bleiben, sind die genannten Lohndienstleister, die schweißintensive
Aufträge in diesem umkämpften Markt bedienen, gezwungen, ihre Fertigungsprozesse
zu optimieren bzw. leistungsfähiger im Sinne einer Erhöhung der Produktivität zu gestalten.
Somit liefert das Vorhaben fundierte wissenschaftliche Erkenntnisse, die eine anwendungsgerechte
Vorgehensweise zur Steigerung der Produktivität basierend auf der Entkopplung von
Wärmeanteilen ermöglicht. Dadurch werden kmU in die Lage versetzt, Schweißaufgaben mit
einer hohen Produktivität bzw. Abschmelzleistung bei gleichzeitig hoher Bauteilqualität für die
vom Markt geforderten Nickelbasis-Superlegierungen zu lösen.
2 Stand der Technik
2.1 Nickelbasissuperlegierungen
Nickelbasis Superlegierungen sind spezielle Legierungen auf Nickelbasis, deren wesentliche
Eigenschaften hohe Kriechfestigkeit sowie hohe Korrosionsbeständigkeit bei Temperaturen
oberhalb von 650°C sind. Diese Superlegierungen sind für extrem hohe Anforderungen ausgelegt
und werden vor allem für Dampf- und Gasturbinen, Flugtriebwerkbau oder Hochtemperaturanwendungen
in der Energie- und Antriebstechnik, der chemischen Industrie oder aber
der Hüttentechnik und Maschinenbau eingesetzt (/Arj11/). Insbesondere in den Anwendungsbereichen,
in denen die Werkstoffe hohen thermischen, korrosiven und mechanischen Belastungen
ausgesetzt sind, werden vornehmlich Nickelbasis-Superlegierungen eingesetzt, da
ihre charakteristischen Eigenschaften besonders dort von großer Bedeutung sind. Nickelbasis-Superlegierungen
zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:
• hohe Kriechfestigkeit (/Bur10/)
• hohe Härte (/Bur10/)
• hohe Korrosionsbeständigkeit (/Mai15/)
• hohe Zähigkeitseigenschaften (/Bur10/)
• hohe Warmfestigkeit und Festigkeit bei Raumtemperatur (/Mai15/, /Bur10/)
• bis zum Schmelzpunkt durchgehende kubisch flächenzentrierte Gitterstruktur
(/Mai15/Bur10/)
• sehr hohe Festigkeitssteigerung durch Legierungsmaßnahmen (/Mai15/)
• geringe Wärmeleitfähigkeit (/Mai15/)
• bedingte bis schlechte Schweißbareignung (/Bur10/)
• hoher Wärmeausdehnungskoeffizient (/Mai15/)

Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20023 BR
2.1.1 Legierungselemente
Nickel (Ni) und damit verbunden Ni-Legierungen weisen von allen Hochtemperaturwerkstoffen
die geeignetste Kombination aus Korrosionsbeständigkeit, Verarbeitbarkeit und hervorragende
mechanischen Eigenschaften auf (/Mai15/). Sie besitzen eine stabile kubisch flächenzentrierte
(kfz) Gitterstruktur, die den Vorteil hat, keine gitterstabilisierenden Elemente zu benötigen.
Dadurch ergibt sich die gute Verformbarkeit (/Mai15/).
Ni als reiner Werkstoff zeichnet sich vorwiegend durch gute elektrische Eigenschaften und
Korrosionsbeständigkeit aus. Durch das Zulegieren anderer Metalle steigt die Korrosionsbeständigkeit
und damit die Einsatzmöglichkeiten. So verbessert Aluminium (Al) die Beständigkeit
gegen Heißkorrosion (/Goe73/) durch die Bildung einer Al 2O 3-Deckschicht. Diese gilt als
einziger Langzeitoxidationsschutz, der bei Temperaturen über 950 °C wirksam ist. Chrom (Cr)
bietet einen zusätzlichen Korrosionsschutz indem es bei der Bildung der Al 2O 3-Deckschicht
unterstützt und einen weiteren Schutz durch die Bildung einer Cr 2O 3-Schicht bietet /Mai15/.
Neben den Korrosionseigenschaften wird durch Al, aber auch durch Titan (Ti), Tantal (Ta) oder
Niob (Nb) die Härte eingestellt. Dies wird im weiteren Verlauf erörtert.
Zur Erzeugung zusätzlicher charakteristischer Eigenschaften werden andere Legierungselemente
eingesetzt. So erhöht bspw. Molybdän (Mo) das E-Modul, was wiederum für die Kriechfestigkeit
günstig ist. Kobalt (Co) senkt bspw. die Lösungstemperatur und reduziert die Löslichkeit
von Al und Ti. Das wiederum verbessert die Lösungsglühbarkeit und erhöht den Anteil
der ausscheidungshärtenden ‘-Phase, deren Hauptbestandteil Ni 3(Al,Ti)-Kristallite sind
(/Mai15/). Die große Auswahl an Elementen, welche in Ni löslich sind, bietet den Vorteil der
Beständigkeit gegen eine Vielzahl korrosiver Medien in Kombination mit ausgezeichneten mechanischen
Eigenschaften, wie z.B. Kaltverformbarkeit oder Zähigkeit (/Sch04a/).
Die eingesetzten Legierungselemente stehen in Wechselwirkung zueinander. Das kann dazu
führen, dass Elemente, die eine spezielle Eigenschaft erzeugen, in inverser Beziehung zu einer
anderen Eigenschaft stehen und diese somit negativ beeinflussen. So können sich bei zu
hohen Gehalten von Co oder Mo die Heißkorrosionseigenschaften verschlechtern oder bei
steigendem Gehalt von z.B. Ti oder Nb die Werkstoffe spröder werden. Dies hat wiederum
negative Auswirkungen auf die Schweißeignung dieser Legierungen /Mai15/. Auch andere
Werkstoffe beeinflussen das Schweißverhalten von Ni-Legierungen. So führen vor allem Verunreinigungen
wie z.B. Schwefel (S) oder Phosphor (P) zu einer geringeren Schweißeignung
durch extreme Neigung zu Heißrissen im Schweißgut und der Wärmeeinflusszone (WEZ).
Dies ist bedingt durch die sehr niedrige Löslichkeit der Elemente im Gitter, was dazu führt,
dass sich niedrigschmelzende Phasen an den Korngrenzen bilden (/Sch04a/, /Mai15/). Für
Schweißprozesse beeinträchtigen auch die sich bildenden Karbide die Schweißeignung der
Werkstoffe. Die sich durch den Schweißprozess, Wärmebehandlungen oder einer entsprechenden
Betriebstemperatur ausbildenden Karbide können sich an Korngrenzen oder anderen
Gitterdefekten ausscheiden. Damit kann es zur interkristallinen Korrosion kommen, wodurch
Zähigkeitseigenschaften beeinträchtigt werden. Hierbei wird zwischen primären und sekundären
Karbiden unterschieden. Primäre Karbide entstehen interdendritisch während des Erstarrens
beim Herstellungsprozess des Werkstoffes. Sekundäre Karbide hingegen bilden sich
während der Beanspruchung oder der Be- und Verarbeitung des Werkstoffes aus. Diese sekundären
Karbide lassen sich jedoch durch entsprechende Temperatur-Zeit-Führung, bzw.
Wärmebehandlungen oder aber durch Absenkung des Kohlenstoffgehaltes beeinflussen
(/Sch04a/). Mit sinkendem Kohlenstoffanteil sinkt auch die Ausscheidung von Karbiden. Damit
verbunden sinkt die Anfälligkeit für Risse durch Seigerungen an Korngrenzen und niedrigschmelzenden
Phasen an den Korngrenzen in der WEZ (/Tho91/). Seigerungen sind Entmi-