CH648866A5 - Verfahren zur herstellung einer zusammengesetzten kornstruktur in gegenstaenden aus einer nickel-superlegierung. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Nickellegierungen mit Verhältnis- und ist teuer, und die Entfernung des Kohlenstoffes führt zu mässig grosser Festigkeit bei hoher Temperatur, die im allge- einer Verringerung der Steuerung der Korngrösse.
meinen (siehe beispielsweise die US-Patentschrift Re28,681 45 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung vom 13. Jan. 1976) als «Superlegierungen» bezeichnet eines Verfahrens zur Herstellung einer zusammengesetzten werden, insbesondere aber auf Gegenstände aus dieser Legie- Kornstruktur in Gegenständen, die aus einer Nickel-Superle-rung, die in verschiedenen Stellen unterschiedliche Korn- gierung bestehen.
grossen aufweisen. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, wie es im
Die Literatur zeigt, dass für die genannten auf Nickel 50 Hauptanspruch angegeben wird und das aus folgenden Verbasierenden Superlegierungssysteme die Korngrösse einen fahrensschritten besteht: (a) Herstellen einer Legierung, die -definierten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften jeweils in Gewichtsprozent - 0,01 bis 0,10% Kohlenstoff und besitzt. Im allgemeinen hat ein Ansteigen der Korngrösse die 0,02 bis 0,08% Bor enthält; (b) Verformen der Legierung zu Wirkung, dass die Hochtemperatur-Kriechfestigkeitseigen- einer Konfiguration, die angenähert die endgültige Konfigu-schaften verbessert werden. Der Effekt ansteigender Korn- 55 ration darstellt; und (c) Behandeln von ausgewählten Teilen grosse verringert die gesamte Korngrenzfläche und verringert der geformten Legierung mit einer nichtreduzierenden Atmo-dadurch das Auftreten des Korngrenzenversagens. Sphäre für eine Zeitdauer von 1 bis 10 Stunden bei einer Tem-
Umgekehrt erhöht eine Verringerung der Korngrenze peratur von 980 bis 1370°C (1800 bis 2500°F), wobei Bor aus andere Eigenschaften wie hohe Zyklusermüdung aufgrund den ausgewählten Teilen des Gegenstandes in die nichtredu-von erhöhter Bruchenergie, die erforderlich ist, um Brüche 60 zierende Atmosphäre diffundiert, wodurch ein Kornfortzupflanzen, weil durch die erhöhte Korngrenzenfläche Wachstum in diesen Teilen des Gegenstandes ermöglicht und die Versetzungsbewegung verzögert wird. Ausserdem werden der Kohlenstoffgehalt praktisch konstant gehalten wird, um solche Grössen wie Schlagfestigkeit durch Verringerung der dem Kornwachstum wirksam eine obere Grenze zu setzen. Korngrösse verbessert. Die Grösse der Körner wird in gesteuerter Weise variiert
Bei der Herstellung der meisten Bauteile für Turbinen wird 65 (sowohl die Grösse der vergrösserten Körner als auch die die Steuerung der Korngrösse von Superlegierungen generell Anordnung dieser vergrösserten Körner wird gesteuert), als kritisch angesehen. Routinemässig treten Schwierigkeiten Die geformte Legierung wird auf eine Temperatur zwi-jedoch beim Schmieden, Giessen und bei Pulverformpro- sehen 980 und 1370°C erhitzt, was weniger als die Homogeni-
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sierungstemperatur ist. Diffusion von Bor von Teilen des Gegenstandes, die (ohne Maskierung) der Atmosphäre ausgesetzt sind, erlauben ein selektives Kornwachstum in diesen freiliegenden Teilen des Gegenstandes. Die nichtredu-zierende Atmosphäre hält im allgemeinen den Kohlenstoffgehalt konstant. Somit ermöglicht die Diffusion von Bor von der Atmosphäre ausgesetzten Oberflächen ein Kornwachstum in diesen Bereichen der Legierung, wobei jedoch der Kohlenstoffgehalt aufrechterhalten wird, um eine effektive obere Grenze für das Kornwachstum zu erhalten.
Vorzugsweise werden unmaskierte Passagen in das Innere des Gegenstandes hinein vorgesehen, und die äusseren Oberflächen des Gegenstandes werden maskiert. Dies führt zu einem Kornwachstum nur im Inneren des Gegenstandes angrenzend zu den Passagen und führt somit zu einer zusammengesetzten Struktur mit grösseren Körnern im Inneren und kleineren Körnern im Äusseren des Gegenstandes.
Wenn der Kohlenstoffgehalt der auf Nickel basierenden Superlegierung reduziert wird, ohne dass der Kohlenstoff durch Bor ersetzt wird, ergibt sich eine Kornvergröberung während der Lösungs wärmebehandlung. Wenn jedoch der Kohlenstoff durch Bor substituiert wird, kann eine feine Kornstruktur aufrechterhalten werden. Offensichtlich liefert das Korngrenzenfestlegen durch den Kohlenstoff während der Lösungswärmebehandlung eine Korngrössensteuerung, jedoch kann diese Steuerung auch durch Bor geliefert werden. Das Bor jedoch kann während der Lösungs wärmebehandlung diffundieren, was zu einer Deborisierung der freiliegenden Metalloberflächen führt. Indem der Kohlenstoffpegel aufrechterhalten wird und indem gesteuert wird, welche Bereiche freiliegen, kann ein gesteuertes Kornwachstum in ausgewählten Bereichen bewirkt werden.
Der Nutzen eines solchen Systems sei exemplarisch anhand von Bauteilen für eine rotierende Turbinenschaufel erläutert. Ausgedehnte Bemühungen werden vorgenommen, um die Bruchfestigkeitseigenschaften von derartigen Bauteilen zu erhöhen.
Für rotierende Turbinenschaufeln würde eine erhöhte Korngrösse normalerweise die Kriechbruchfestigkeit erhöhen, wenn jedoch alle Körner vergrössert werden, würde dies zu einer verringerten Widerstandsfähigkeit gegenüber Ermüdung führen. Bei der gegenwärtig angewendeten gleichförmigen Verteilung von Korngrössen müssen also Kompromisse geschlossen werden. Die gesteuerte Deborisierung gemäss der vorliegenden Erfindung ist jedoch in der Lage, Turbinenschaufeln zu liefern, die grosse innere Körner zur Erlangung von Kriechfestigkeit und feine Oberflächenkorn-strukturen für maximale Widerstandsfähigkeit gegen Hoch-zyklusermüdungsauslösung liefern.
Eine besondere Legierung wurde hergestellt, die eine Version der sogenannten Udimet-710-Zusammensetzung benutzt, die allgemein in der US-PS 36 67 938 beschrieben wird, wobei diese Zusammensetzung so modifiziert wurde, dass sie einen niedrigen Kohlenstoffgehalt (0,024%
gegenüber dem normalen Gehalt von 0,08%) und einen höheren Borgehalt (0,05% gegenüber dem normalen Wert von 0,01%) besitzt. Nach dem Schmieden war die Kornstruktur extrem feinkörnig und gleichmässig. Nach der Lösungshitzebehandlung (4 Stunden bei 2135° F, entsprechend 1196°C, in Luft) wuchsen die der Ofenatmosphäre ausgesetzten Körner erheblich im Vergleich zu der nichtfreiliegenden Kornstruktur, wodurch sich eine zusammengesetzte Struktur ergab, die ein extrem gleichförmiges Band von vergrösserten Körnern aufwies, sowohl hinsichtlich einer gleichförmigen Banddicke wie auch einer gleichförmigen Korngrösse.
Wie bereits erwähnt, sollte die optimale Turbinenschaufel-konstruktion grosse innere Körner und feine externe Körner besitzen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Kühlpassagen (derartige Kühlpassagen werden gewöhnlich bei s Turbinenschaufeln verwendet) vor der Lösungswärmebehandlung bearbeitet werden und die äusseren Oberflächen mit einer Oxydbeschichtung oder Glasbeschichtung bedeckt werden, um die Diffusion von Bor aus der externen Oberfläche heraus im wesentlichen zu verhindern. Während der io Lösungswärmebehandlung sind somit die Kühlpassagen der Ofenumgebung ausgesetzt, während die externen Oberflächen maskiert sind. Dieser Prozess liefert eine Struktur, die feine, ermüdungswiderstandsfähige Körner auf den äusseren Oberflächen wie auch in anderen Bereichen, die von den is Kühlpassagen entfernt sind, aufweist, zusammen mit vergrösserten, kriechwiderstandsfähigen Körnern in Bereichen, die zu den Kühlpassagen angrenzend sind.
Diese Technologie der zusammengesetzten Kornstruktur ist nicht auf geschmiedete Strukturen begrenzt, sondern kann 20 auch auf andere Strukturen ausgedehnt werden, so auf die Giessmetallurgie, die Pulvermetallurgie und die Heisspress-strukturen. Gegossene Produkte oder Pulverprodukte können evtl. zusätzliche Heissbearbeitung erfordern, um die gespeicherte Kornenergie zur Rekristallisation und zum 25 Wachstum zu erhöhen, so dass es bequemer sein mag, als Schmiedevorformen Pulver- oder Giessstrukturen zu benutzen. Die Wärmebehandlung in einer nichtreduzierenden Atmosphäre liefert eine Deborisierung (Entfernung von Bor) ohne eine Entkohlung und liefert somit eine Steue-30 rung der Höhe des Kornwachstums sowie auch der Stelle des Kornwachstums bei dieser Art von Strukturen.
Es sollte bemerkt werden, dass keine wesentliche weitere Entborisierung (nach der Lösungswärmebehandlung) während des Betriebs auftreten wird (z.B. während des Betriebs 35 der Turbine), da die maximalen Betriebstemperaturen nicht hoch genug sind, um eine wesentliche Diffusion von Bor zu bewirken.
Zwar kann eine Vielzahl von Zusammensetzungen benutzt werden, jedoch lässt sich die vorliegende Erfindung beson-40 ders bequem dadurch ausführen, dass eine bekannte Legierung dadurch modifiziert wird, dass bei der kommerziell erhältlichen Zusammensetzung ein Teil des Kohlenstoffes durch Bor substituiert wird (ungefähr ein gleicher Atomprozentsatz). Vorzugsweise werden 25 bis 75 Atom-% des Koh-45 lenstoffes in der bekannten Zusammensetzung durch Bor ersetzt.
Im allgemeinen wird die Lösungswärmebehandlung bei einer Temperatur vorgenommen, die zwischen 2100 und 2500°F (1150 bis 1370°C) liegt und die Legierung wird auf so dieser Temperatur 2 bis 4 Stunden lang gehalten. Die Atmosphäre kann während der Behandlung entweder inert sein (z.B. aus Argon bestehen) oder auch oxidierend (z.B. Luft).
Es ist somit zu erkennen, dass die Steuerung der Korngrösse durch einen Deborisierungsprozess von kohlenstoff-55 haltigen, Nickel-Superlegierungen dazu verwendet werden kann, eine zusammengesetzte Kornstruktur zu erhalten, bei der zum einen in spezifizierten Bereichen vergrösserte Kornstrukturen von gesteuerter maximaler Grösse erhalten werden, um eine wesentlich verbesserte Kriechbruchfestig-60 keit für das Bauteil zu erhalten, und zum anderen gleichzeitig feinkörnige, hochzyklusermüdungswiderstandsfähige Bereiche sich ergeben. Dies wird durch eine einzige Wärmebehandlungsprozedur erreicht und diese Prozedur kann auch bei geschmiedeten, gegossenen oder mittels pulvermetallurgi-65 scher Wärmebehandlungszyklen behandelten Bauteilen angewendet werden.
B
Claims (5)
- 648 866 2PATENTANSPRÜCHE zessen insoweit auf, als die Korngrösse und die Gleichför-1. Verfahren zur Herstellung einer zusammengesetzten migkeit betroffen sind. Die Literatur zeigt, dass erhöhte Koh-Kornstruktur in Gegenständen aus einer Nickei-Superlegie- lenstoffzusätze zu den Nickellegierungen bei der Steuerung rung, dadurch gekennzeichnet, dass man der Korngrösse bei geschmiedeten Bauteilen hilfreich sind.s Komplexe Kühlschemata und isolierte Giessformen, die(a) eine Legierung herstellt, die 0,01 bis 0,10 Gew.-% Koh- zur Steuerung der Kühlraten von gegossenen Legierungen lenstoff und 0,02 bis 0,08 Gew.-% Bor enthält; konstruiert sind, wurden bereits zur Steuerung der Korn-(b) die Legierung zu einem Profil, das angenähert dem grossen angewendet. Pulvermetallurgische Komponentenendgültigen Profil entspricht, verformt und strukturen werden im allgemeinen durch die anfängliche(c) nur ausgewählte Teile des Gegenstandes 1 bis 10 io Teilchengrösse begrenzt. Eine duale Kornstruktur zur Erlan-Stunden lang einer nichtreduzierenden Atmosphäre mit einer gung verbesserter Eigenschaften wird in der US-Patentschrift Temperatur von 980 bis 1370°C aussetzt, wodurch Bor aus 37 41 821 beschrieben, erfordert jedoch komplizierte Ausrüden ausgewählten Teilen des Gegenstandes in die nichtredu- stungen, extrem genaue Temperatursteuerung sowie zwei zierende Atmosphäre diffundiert, um ein Kornwachstum in getrennte Wärmebehandlungen. Ein mechanischer Prozess diesen Teilen des Gegenstandes zu ermöglichen, während der 15 zur Lieferung von feinen Oberflächenkörnern und groben Kohlenstoffgehalt praktisch konstant bleibt, um eine wirk- inneren Körnern wird in der US-Patentschrift 35 05 130 same obere Grenze für das Kornwachstum zu erhalten. beschrieben. Der Prozess erfordert spezielle oberflächlicheKaltbearbeitung und eine Rekristallisationswärmebehand-
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, lung. Bei einigen Legierungen ist eine derartige kalte Bearbei-dass man diejenigen Teile des Gegenstandes, die der nichtre- 20 tung nicht praktikabel, weil sie bei kalter Bearbeitung emp-duzierenden Atmosphäre nicht ausgesetzt werden sollen, vor findlich gegenüber Bruch sind und ausserdem können die der Einwirkung der nichtreduzierenden Atmosphäre mas- Ergebnisse einer derartigen mechanischen Bearbeitung auf-kiert. grund von Relaxation bei den Turbinenbetriebstemperaturen
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- wieder verlorengehen. Die US-Patentschrift 35 97 286 verzeichnet, dass man die Legierung dadurch herstellt, dass man 25 wendet eine angelassene, kaltgewalzte Eisen-Kobalt-Vana-die Zusammensetzung einer Nickel-Superlegierung modifi- dium-Legierung und erzeugt eine teilweise rekristallisierte ziert, indem man einen Teil des Kohlenstoffs durch einen im Kornstruktur, wodurch sich eine Ausgewogenheit von wesentlichen gleichen Atomprozentsatz an Bor ersetzt, wobei mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur mit25 -bis 75 Atom-% des Kohlenstoffes in der Zusammensetzung bestimmten magnetischen Eigenschaften ergibt. Ein derar-durch Bor ersetzt werden. 30 tiger Rekristallisationsprozess ist allgemein schwierig bei
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch alterungshärtbaren, auf Nickel basierenden Zusammenset-gekennzeichnet, dass man die verformte Legierung 2 bis 5 zungen und kann ebenfalls zu einer Relaxation bei hohen Stunden lang auf einer Temperatur von 1150 bis 1370°C hält. Betriebstemperaturen führen.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch Es ist bekannt, dass Bor (bis zu bestimmten Mengen, wo gekennzeichnet, dass man unmaskierte Passagen im Inneren 35 bei der Betriebstemperatur ein beginnendes Schmelzen auf-des Gegenstandes vorsieht und dass man die äusseren Ober- tritt) die Belastungsbrucheigenschaften verbessert (siehe die flächen des Gegenstandes maskiert, wodurch das Korn- US-Patentschrift 40 93 476). Bor wirkt auch als ein Korngren-wachstum selektiv im Inneren des Gegenstandes eintritt. zenduktilisator (siehe die bereits erwähnte US-PS Re28,681).Die US-PS 27 63 584 benutzt eine Entkohlung und Entbo-40 risierung der äusseren Oberflächen der Gegenstände, um die thermische Schockwiderstandsfähigkeit zu verbessern. Eine Erhitzung in Wasserstoffatmosphäre ergibt jedoch Probleme
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased |