Lötverfahren

Reperaturlöten

Motivation:

Gasturbinenkomponenten sind in der Regel extremen Betriebsbedingungen ausgesetzt: Dazu zählen hohe Temperaturen in Kombination mit schnellen Temperaturwechseln und korrosive Medien (z.B. die salzhaltige Atmosphäre bei Flügen in Meeresnähe). Da Bauteile wie Lauf- und Leitschaufeln oftmals sehr teuer sind, haben sich verschiedene auf den jeweiligen Werkstoff abgestimmte Reparaturverfahren etabliert. Risse an Turbinenschaufeln, die durch die starke thermomechanische Belastung beim An- und Abfahren sowie im Betrieb einer Turbine entstehen, können durch einen speziellen Reparaturlötprozess wieder geschlossen werden.

Reperaturlöten
Bildnachweis: Arne Dammasch/Alle Rechte bei der TU-Braunschweig

Prozess:

Der Prozess des activated diffusion healing (ADH) ist ein Diffusionslötprozess. Das Lot, das eine grundwerkstoffähnliche Zusammensetzung unter Zugabe eines schmelzpunkterniedrigenden Elementes wie Bor oder Silizium besitzt, wird z.B. in Form einer hochviskosen Paste aufgebracht. Anschließend werden die beloteten Bauteile im Ofen unter Vakuum gelötet. Bei Erreichen der Lottemperatur schießt das schmelzflüssige Lot bis in die Rissspitze. Der schmelzflüssige Bereich erstart im weiteren Verlauf isotherm (d.h. bei konstant gehaltener Löttemperatur), da der Schmelzpunkt durch Diffusion von B bzw. Si in den Grundwerkstoff wieder steigt. In einer nachgeschalteten Diffusionswärmebehandlung sollen die grundwerkstofffremden Elemente weiter im Grundmaterial verteilt werden.

Ein Nachteil des Verfahrens ist die Gefahr der Bildung von Sprödphasen durch Bor und Silizium, die sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften der Turbinenschaufel auswirken können. Ein weiterer Nachteil ist die Erniedrigung des gesamten Schmelzpunktes der Turbinenschaufel, wenn in mehreren Reparaturfolgen (bis zu drei im Leben einer Schaufel sind üblich) ein zu hoher Gehalt des Schmelzpunkterniedrigers angereichert wird.

Für das Reparaturlöten gibt es deshalb verschiedene Verbesserungsansätze, die am Institut für Werkstoffe verfolgt werden. Zum einen können Standardlote und -lötprozesse hinsichtlich der Ausscheidung unerwünschter Phasen optimiert werden, zum anderen werden neue Lote und Reparaturverfahren abgestimmt auf neue Turbinenwerkstoffe entwickelt.

Gefüge:

Im Optimalfall stellt sich über der Lötnaht bzw. im gelöteten Riss das gleiche g'-ausscheidungsverfestigte Gefüge wie im umliegenden Grundmaterial ein. Die Untersuchung der Mikrostruktur erlaubt deshalb eine erste Bewertung der Qualität der Lötung. Dabei wird das Gefüge v.a. im Hinblick auf spröde Ausscheidungen wie Boride und Silizide und deren Auflösung nach der Diffusionswärmebehandlung untersucht. Für die neue Generation der Turbinenschaufelwerkstoffe, einkristalline Nickelbasis-Superlegierungen, kann überprüft werden, ob die Schmelze ausgehend von den Rissflanken epitaktisch erstarrt ist, d.h. ob sich während der Lötung das Gefüge einkristallin (also korngrenzenfrei) ausbildet.

Reperaturlöten Gefuege
Bildnachweis: Arne Dammasch/Alle Rechte bei der TU-Braunschweig

Mechanische Eigenschaften:

Neben der Gefügecharakterisierung spielt die mechanische Prüfung von Lötverbindungen eine wichtige Rolle. Ziel der Rekonditionierung ist es, eine Turbinenschaufel mit Eigenschaften herzustellen, die denen einer neuen Schaufel entsprechen. Lötnahtfehler wie Poren und Sprödphasen müssen in verschiedenen Versuchen bewertet werden. Einen besonders betriebsnahen Versuch stellt die Ermittlung der thermomechanischen Ermüdungsbeständigkeit (TMF - thermomechanical fatigue) dar: In der Realität treten in einer innenluftgekühlten Turbinenschaufel durch die Überlagerung von thermischen und mechanischen Dehnungen Belastungen auf, die zu deutlich kürzeren Standzeiten führen als bei isothermer Ermüdungsbelastung. Für die Lebensdauerberechnung ist es also sinnvoll, anisotherme Ermüdungsversuche durchzuführen. Auch neue Lote und Reparaturprozesse können anhand dieser Versuche besser evaluiert werden. Ein typischer Temperaturverlauf für TMF-Versuche ist ein schneller Wechsel (z.B. mit 10K/sec) zwischen 600 und 1050°C. Hierzu wird die Probe Mit einer HF-Heizung durch Ankopplung an das schnell wechselnde elektromagnetische Feld einer wassergekühlten Cu-Spule aufgeheizt.

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Bildnachweis: Arne Dammasch/Alle Rechte bei der TU-Braunschweig

Simulation:

Eine weitere Möglichkeit, neue Lotlegierungen im Vorfeld zu bewerten, bieten thermodynamische Simulationsprogramme wie Thermocalc. Mit ihrer Hilfe können Phasen, ihr Anteil im Gefüge und ihre genaue Zusammensetzung in der vom Nutzer angegebenen Legierung berechnet werden. Grundlage dieser Programme sind Datenbanken, in denen die freien Enthalpien aller Phasen beschrieben sind. Die Programme rechnen dann die genaue Gefügezusammensetzung aus. Für den Bereich der Lotneuentwicklung stellt Thermocalc ein gutes Werkzeug dar, um z.B. das Schmelzintervall eines Lotes zu bestimmen und damit die Löttemperatur festzulegen. Durch Kenntnis der auftretenden evtl. unerwünschten Phasen kann die Anzahl potentieller neuer Lote reduziert werden, umfangreiche kostenaufwendige Experimente können sinnvoll reduziert werden.

Simulation
Bildnachweis: Arne Dammasch/Alle Rechte bei der TU-Braunschweig

Kooperation:

Das Teilprojekt Reparaturlöten aus dem Forschungsbereich Hochtemperaturwerkstoffe wird u.a. in Zusammenarbeit mit der MTU Maintenance GmbH, Flughafen Hannover durchgeführt. Gemeinsam mit der Firma Access e.V. in Aachen wird daran gearbeitet, ein Modell des Lötvorgangs zu erstellen, das auf thermodynamischer Phasenberechnung und Simulation der Diffusion basiert. Damit soll es in Zukunft möglich sein, Weiterentwicklungen im Bereich des Reparaturlötens zu unterstützen.