DE102015118873A1

DE102015118873A1 - Verfahren zur Verarbeitung von nanostrukturierten ferritischen Legierungen und dabei hergestellte Produkte

Info

Publication number: DE102015118873A1
Application number: DE102015118873.2A
Authority: DE
Inventors: Laura Cerully Dial; Richard DiDomizio; Shenyan Huang
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2016-05-12
Also published as: FR3027922A1; JP2016108658A; US20160122840A1; CN105567927A

Abstract

Ein Verfahren zum Formen eines Produkts, das eine nanostrukturierte ferritische Legierung enthält, ist geschaffen. Das Verfahren stellt Schritte bereit, um Kornwachstum eines Werkstücks, das eine nanostrukturierte ferritische Legierung aufweist, während einer Erwärmung und Verformung bei hohen Temperaturen und bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten im Wesentlichen zu verhindern. Vorteilhafterweise wird das Produkt durch herkömmliche, hohe Verformungsgeschwindigkeiten verwendende Techniken geformt, was Kosteneinsparungen ermöglicht. Weiter sind Produkte geschaffen, die durch das Verfahren geformt werden, und die in dieser Weise hergestellten Produkte zeigen gute mechanische Eigenschaften bei hohen Betriebstemperaturen und werden daher als Turbomaschinenbauteile und im Besonderen als Bauteile einer Hochleistungsgasturbine oder Dampfturbine eingesetzt. Ein Turbomaschinenbauteil, das eine NFA aufweist, ist bereitgestellt.

Description

HINTERGRUND
Die Offenbarung betrifft nanostrukturierte ferritische Legierungen (NFAs) und speziell Verfahren, um diese unter Nutzung von Hochtemperaturverarbeitungsverfahren zu verarbeiten. Die Offenbarung betrifft außerdem ein Produkt, das auf eine nanostrukturierte ferritische Legierung (NFA) enthält, der unter Verwendung eines derartigen Verfahrens geformt ist.
Die Gasturbinen arbeiten in extremen Umgebungsbedingungen, die die Turbinenkomponenten, insbesondere jene in dem heißen Abschnitt der Turbine, hohen Betriebstemperaturen und mechanischen Belastungen aussetzen. Um den Turbinenkomponenten zu ermöglichen, diesen Bedingungen standzuhalten, werden sie unbedingt anhand eines Materials hergestellt, das in der Lage ist, diesen aggressiven Bedingungen standzuhalten. D.h. ein Material, das für die Turbinenkomponenten verwendet wird, schränkt den Temperaturbereich ein, der genutzt werden kann, ohne die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs wesentlich zu verschlechtern.
In diesen schwierigen Anwendungen wurden bisher Superlegierungen verwendet, da sie ihre Festigkeit bei bis zu 90% ihrer Schmelztemperatur beibehalten und eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Umgebungseinflüsse aufweisen. Insbesondere wurden bisher extensiv Nickelbasissuperlegierungen in den Gasturbinen genutzt, z.B. in Turbinenschaufel-, Leitapparat-, Laufrad-, Distanzstück-, Scheiben-, Spulen-, Schaufelaufrad- und Deckbandanwendungen. In einigen Anwendungen geringerer Temperatur und mechanischer Belastung können für Turbinenkomponenten Stähle verwendet werden. Allerdings ist ein Einsatz herkömmlicher Stähle häufig in Hochtemperaturund Hochlastanwendungen eingeschränkt, da sie erforderlichen Anforderungen an mechanische Eigenschaften und/oder Anforderungen an die Konstruktion nicht entsprechen.
Nanostrukturierte ferritische Legierungen (NFAs) sind eine neue Klasse eisenbasierter Legierungen, die außergewöhnliche Hochtemperatureigenschaften aufzeigen. Diese Legierungen werden gewöhnlich von im Nanobereich bemessenen Oxidpartikeln oder -clustern abgeleitet, die sich während einer heißen Verfestigung hin abscheiden, die auf einen mechanischen Legierungsschritt folgt. Diese Oxidpartikel oder -cluster sind bei hohen Temperaturen vorhanden, was im Betrieb eine feste und stabile Mikrostruktur bereitstellt.
Die NFAs sind pulvermetallurgische Legierungen, die gewöhnlich durch isostatisches Heißpressen (HIP) verfestigt und anschließend warm bearbeitet werden, um ein gewünschtes Produkt herzustellen. Allerdings führt ein Verarbeiten einer quasi-HIP-NFA bei einer hohen Temperatur, von beispielsweise mehr als etwa 1900 Grad Fahrenheit (°F), gewöhnlich zu einer Änderung ihrer endgültigen Mikrostruktur, mit der Folge der Verschlechterung ihrer mechanischen Eigenschaften. Diese Veränderung der Mikrostruktur bei den hohen Temperaturen beschränkt: (1) den Einsatz dieser NFA-Materialien bei gewünschten Temperaturen und mechanischen Belastungen, beispielsweise in einer Hochleistungsgasturbine, und (2) die Nutzung der Verarbeitungstechniken mit hohen Verformungsgeschwindigkeiten, die für die Herstellung eines Produkts wirtschaftlich von Vorteil sein können.
Um zu erreichen, dass ein beliebiges Material in der gewünschten Anwendung, beispielsweise für Bauteile für Hochleistungsturbinen, optimal eingesetzt werden kann, sollte sich das Material bevorzugt ohne Verlust seiner mechanischen Eigenschaften in das gewünschte Produkt einarbeiten lassen. Zusätzlich kann erwünscht sein, das Material bei hohen Temperaturen und hohen Verformungsgeschwindigkeiten zu verarbeiten.
KURZDARSTELLUNG
In einigen Ausführungsformen ist ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts geschaffen, das eine nanostrukturierte ferritische Legierung enthält. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Einbringen eines Verspannungsgrades in ein Werkstück bei einer ersten Temperatur, um ein verspanntes Werkstückauszubilden; Erwärmen des verspannten Werkstücks auf eine zweite Temperatur; und Verformen des verspannten Werkstücks bei der zweiten Temperatur. Das Werkstück enthält eine nanostrukturierte ferritische Legierung. Die erste Temperatur liegt unterhalb von etwa 1900 Grad Fahrenheit, und die zweite Temperatur beträgt mindestens etwa 1900 Grad Fahrenheit. Der Verspannungsgrad, die in das Werkstück bei der ersten Temperatur eingebracht wird, dient dazu, Kornwachstum in dem verspannten Werkstück während der nachfolgenden Erwärmung und der Verformung bei der zweiten Temperatur im Wesentlichen zu verhindern.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass das Werkstück eine Korngrößenverteilung mit einer mittleren Korngröße aufweist, die etwa 2 µm unterschreitet.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass das Einbringen eines Verspannungsgrades in das Werkstück bei der ersten Temperatur ein Anwenden von wenigstens etwa 40 Prozent Verspannungsverformung beinhaltet.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass das Einbringen eines Verspannungsgrades in das Werkstück bei der ersten Temperatur ein Verformen des Werkstücks mit einer Verformungsgeschwindigkeit beinhaltet, die etwa 1 Zoll/Zoll/s unterschreitet.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass die erste Temperatur im Bereich von etwa 1600 Grad Fahrenheit bis 1900 Grad Fahrenheit liegt.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass die zweite Temperatur im Bereich von etwa 1950 Grad Fahrenheit bis etwa 2300 Grad Fahrenheit liegt.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass das Verformen des verspannten Werkstücks ein Verformen des verspannten Werkstücks mit einer Verformungsgeschwindigkeit von wenigstens etwa 1 Zoll/Zoll/s aufweist.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass das Verformen des verspannten Werkstücks ein Verformen des verspannten Werkstücks mit einer Verformungsgeschwindigkeit im Bereich von etwa 1 Zoll/Zoll/s bis ungefähr 30 Zoll/Zoll/s aufweist.
Bei irgendeiner Ausführungsform des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass der Verformungsschritt durch Kompaktieren, Schmieden, Extrudieren oder Walzen durchgeführt wird.
In einigen Ausführungsformen ist ein Produkt aufweisend eine nanostrukturierte ferritische Legierung geschaffen, das durch das Verfahren gebildet werden kann. Das Produkt kann ein Turbomaschinenbauteil sein.
In einigen Ausführungsformen ist ein Verfahren zum Formen eines Turbomaschinenbauteils geschaffen, das eine nanostrukturierte ferritische Legierung aufweist. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Einbringen eines Verspannungsgrades in ein Werkstück bei einer ersten Temperatur, um ein verspanntes Werkstück zu formen; Erwärmen des verspannten Werkstücks auf eine zweite Temperatur; und Schmieden des verspannten Werkstücks bei der zweiten Temperatur mit einer Verformungsgeschwindigkeit von wenigstens etwa 1 Zoll/Zoll/s. Das Werkstück enthält eine nanostrukturierte ferritische Legierung. Die erste Temperatur liegt unterhalb von 1900 Grad Fahrenheit, und die zweite Temperatur ist höher als 1900 Grad Fahrenheit. Der Verspannungsgrad, der in das Werkstück bei der ersten Temperatur eingebracht wird, dient dazu, Kornwachstum in dem verspannten Werkstück während des nachfolgenden Erwärmens und Schmiedens bei der zweiten Temperatur im Wesentlichen zu verhindern.
ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung verständlicher.
1A zeigt ein Rasterelektronenmikroskop-(REM)-Schnittbild eines "quasiverfestigten" NFA-Werkstücks.
1B zeigt ein REM-Schnittbild des NFA-Werkstücks nach dem Erhitzen des Werkstücks bei 2000 Fahrenheit für 24 Stunden nach der Verfestigung.
2A zeigt ein REM-Schnittbild eines NFA-Werkstücks, das bei 1700 Grad Fahrenheit extrudiert ist, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
2B zeigt ein REM-Schnittbild nach der Erwärmung des extrudierten NFA-Werkstücks bei 2000 Grad Fahrenheit gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
3 zeigt Spannungs-Dehnungsdiagramme für NFA-Werkstücke, die mit hohen Verformungsgeschwindigkeiten bei 1900 Grad Fahrenheit und 2100 Grad Fahrenheit verarbeitet sind, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Falls nicht anderslautend definiert, stimmt die Bedeutung der hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe mit der üblicherweise durch den auf dem Gebiet dieser Erfindung bewanderten Fachmann verstandenen Bedeutung überein. Die Begriffe "umfassen", "enthalten" und "aufweisen" sind als einschließend zu verstehen und bedeuten, dass möglicherweise zusätzliche Elemente vorhanden sind, die sich von den aufgelisteten Elementen unterscheiden. In dem hier verwendeten Sinne legen die Begriffe "erste", "zweite" und dergleichen hier keine Reihenfolge, Menge oder Rangfolge fest, sondern dienen vielmehr dazu, ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Weiter bezeichnet der unbestimmte Artikel "ein" bzw. "eine" keine Beschränkung der Menge, sondern bedeutet vielmehr, dass wenigstens ein betreffendes Element vorhanden ist, und die Begriffe "vorderer", "hinterer", "unterster" und/oder "oberster" werden, soweit nicht anderweitig vermerkt, lediglich zum Zwecke der Vereinfachung der Beschreibung verwendet und sind nicht auf irgendeine Position oder räumliche Ausrichtung beschränkt.
Falls Bereiche offenbart sind, sind die Endpunkte sämtlicher Bereiche, die dieselbe Komponente oder Eigenschaft betreffen, eingeschlossen und voneinander unabhängig kombinierbar (z.B. Bereiche von "bis zu ungefähr 25 Gewichtsprozent oder speziell etwa 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 20 Gewichtsprozent", schließt die Endpunkte und sämtliche Zwischenwerte der Bereiche von "etwa 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 25 Gewichtsprozent" und dergleichen ein). Der im Zusammenhang mit einer Quantität verwendete modifizierende Begriff "etwa" schließt den genannten Wert ein und beinhaltet die durch den Zusammenhang vorgegebene Bedeutung (schließt z.B. die Fehlerabweichung ein, die im Zusammenhang mit einer Messung der speziellen Quantität vorhanden sein kann).
Wie nachfolgend im Einzelnen erörtert, betreffen einige Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zum Verarbeiten einer nanostrukturierten ferritischen Legierung (NFA), die es gestattet, die Legierung (NFA), bei einer hohen Temperatur oder bei einer hohen Verformungsgeschwindigkeit oder sowohl bei hoher Temperatur als auch hoher Verformungsgeschwindigkeit zu verarbeiten, während eine gewünscht Mikrostruktur aufrecht erhalten bleibt. Einige Ausführungsformen schaffen Produkte (die auch als "geformte Produkte" bezeichnet werden), die mittels des vorliegenden Verfahrens hergestellt sind. In einer Ausführungsform ist das geformte Produkt anhand einer nanostrukturierten ferritischen Legierung (NFA) hergestellt, wobei das Produkt bei einer hohen Temperatur und/oder einer hohe Verformungsgeschwindigkeit geformt wird. Das gebildete Produkt kann ein beliebiges Produkt sein, das bevorzugt die NFA und die Eigenschaften aufweist, die diesem durch die NFA verliehen sind.
Eine der Veranschaulichung dienende Klasse von Produkten, die spezielle Vorteile aus einer Anwendung der hier beschriebenen Grundzüge ziehen kann, enthält Turbinenbauteile und insbesondere jene, die im Betrieb hohen Betriebstemperaturen (von beispielsweise höher als 850 °F) und/oder hohen Belastungen ausgesetzt sind. In einigen Ausführungsformen kann das geformte Produkt vorteilhafterweise eine Komponente einer Gasturbine oder einer Dampfturbine beinhalten. Einige Beispiele für Produkte sind Schrauben, Stifte, Schaufeln, Räder und Distanzstücke.
Die nanostrukturierten ferritischen Legierungen (NFAs) sind eine Klasse von Legierungen, die eine Edelstahlmatrix aufweisen, die mittels eine sehr hohe Dichte dispersi onsgehärtet ist, beispielsweise wenigstens etwa 10¹⁸ m^–3 in Nanometer-(nm)-Maßstabsgröße, d.h. von etwa 1 Nanometer bis ungefähr 100 Nanometer, von Nanomerkmalen ist, die Titanoxid (Ti-O) und mindestens ein weiteres Metallelement aus dem Oxid aufweisen, das verwendet wird, um die NFA oder die Legierungsmatrix herzustellen. Beispielsweise kann Yttriumoxid, Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Hafniumoxid genutzt werden, um die NFAs herzustellen, wobei in diesem Fall die Nanomerkmale Yttrium (Y), Aluminium (Al), Zirconium (Zr), Hafnium (Hf) oder Kombinationen von diesen aufweisen können. Übergangsmetalle, z.B. Eisen (Fe), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Mangan (Mn), Silizium (Si), Niob (Nb), Aluminium (Al), Nickel (Ni) oder Tantal (Ta) aus der Legierungsmatrix, können ebenfalls an der Erzeugung der Nanomerkmale partizipieren. In einigen Ausführungsformen liegt eine mittlere Größe von Nanomerkmalen in einem Bereich von etwa 1 Nanometer bis ungefähr 50 Nanometer. In gewissen Situationen liegt die mittlere Größe in einem Bereich von etwa 1 Nanometer bis ungefähr 10 Nanometer. In manchen Fällen beträgt die Dichte von Nanomerkmalen mindestens etwa 10²⁰ m^–3 und in einigen gewissen Ausprägungen wenigstens etwa 10²⁰ m^–3.
Im Gegensatz dazu enthalten herkömmliche mittels Oxiddispersion gehärtete (ODS)-Legierungen allgemein verfeinerte, jedoch größere Oxidphasen, und das Oxidadditiv ist in dem gesamten Pulvermetallurgieverfahren stabil, d.h., falls der Matrixlegierung Yttriumoxid hinzugefügt würde, würde Yttriumoxid nach dem Legierungsschritt vorhanden sein, und es würde zu keiner wesentlichen Bildung der oben beschriebenen Nanomerkmale (NFs) kommen. In einer NFA wird wenigstens das meiste und in manchen Fällen im Wesentlichen das gesamte hinzugefügte Oxid während einer Pulverschrumpfung in der Legierungsmatrix aufgelöst und nimmt an der Bildung der oben erwähnten Nanomerkmale teil, wenn das Pulver während des Kompaktierungsverfahrens auf eine Temperatur erwärmt wird, beispielsweise isostatischen Heißpressen (HIP). Wie oben beschrieben, kann das neue Oxid in der NFA ein oder mehrere Übergangsmetalle, die in der Grundlegierung anwesend sind, sowie das (bzw. die) metallischen Element(e) der anfänglichen Oxidhinzufügung aufweisen.
In einer Ausführungsform beinhaltet die nanostrukturierte ferritische Legierung (NFA) einen ferritischen rostfreien Stahl. In gewissen anderen Ausprägungen sind auch martensitische, Duplex-, Austenit- oder dispersionsgehärtete Stähle mögliche Matrixlegierungen. Die Natur der Stahlmatrixphase kann die Beständigkeit gegen Umgebungseinflüsse und die Materialduktilität der sich ergebenden NFA bis zu einem gewissen Grad beeinträchtigen.
In einer Ausführungsform enthält die NFA Chrom. Chrom kann wichtig sein, um Korrosionsbeständigkeit sicherzustellen, und kann daher in der NFA in Anteilen von wenigstens etwa 5 Gewichtsprozent und in einigen Ausführungsformen von wenigstens etwa 9 Gewichtsprozent enthalten sein. Es können Anteile von bis zu etwa 30 Gewichtsprozent und in manchen Ausprägungen bis etwa 20 Gewichtsprozent verwendet werden. Vorteilhafterweise sind sowohl Chrom als auch Eisen, die Basismetalle der NFA, ohne weiteres verfügbar und verhältnismäßig kostengünstig, insbesondere im Vergleich zu den Nickelbasissuperlegierungen, die in einigen Anwendungen durch die NFAs ersetzt werden können.
In einigen Ausführungsformen enthält die NFA Molybdän. Es kann ein Anteil von bis zu etwa 30 Gewichtsprozent und in manchen Ausprägungen bis etwa 20 Gewichtsprozent verwendet werden. In einigen Fällen liegt der Anteil an Molybdän in einem Bereich von etwa 3 Gewichtsprozent bis ungefähr 10 Gewichtsprozent. In einigen anderen Ausprägungen liegt der Anteil an Molybdän in einem Bereich von etwa 1 Gewichtsprozent bis ungefähr 5 Gewichtsprozent.
Die NFA kann ferner Titan enthalten. Titan kann an der Bildung des ausgefällten Oxids teilnehmen, und daher sind in der NFA bevorzugt Anteile von Titan von etwa 0,1 Gewichtsprozent bis ungefähr 2 Gewichtsprozent und in manchen Ausprägungen von etwa 0,1 Gewichtsprozent bis ungefähr 1 Gewichtsprozent und in gewissen Ausprägungen von etwa 0,1 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,5 Gewichtsprozent enthalten.
Die Zusammensetzung des (bzw. der) Nanomerkmal(e) wird zum Teil von dem Oxid abhängen, das genutzt wird, um die NFA- und/oder die Legierungsmatrix zuzubereiten. Gewöhnlich weisen die Nanomerkmale Titan, Sauerstoff und ein oder mehrere zusätzliche Elemente auf, wie beispielsweise Y, Zr, Hf, Fe, Cr, Mo, W, Mn, Si, Nb, Al, Ni, Ta oder eine beliebige Kombination davon. Allgemein enthält eine NFA, wie sie hier beschrieben ist, wenigstens etwa 0,1 Gewichtsprozent Sauerstoff. Der in der Legierung anwesende Anteil von Sauerstoff bestimmt zum Teil die sich ergebende Art und Konzentration von Nanomerkmalen, die in der Legierung anwesend sind. In einigen Ausführungsformen liegt der Sauerstoffanteil in einem Bereich von ungefähr 0,1% bis ungefähr 0,5%, und in speziellen Ausführungsformen beträgt der Bereich von etwa 0,1% bis ungefähr 0,3%, wobei sich sämtliche Prozentsätze auf das Gesamtgewicht der Legierung beziehen.
Eine der Veranschaulichung dienende NFA, die sich für den Einsatz zur Bildung des Produkts eignet, weist von etwa 5 Gewichtsprozent bis ungefähr 30 Gewichtsprozent Chrom, von etwa 0,1 Gewichtsprozent bis ungefähr 2 Gewichtsprozent Titan, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 10 Gewichtsprozent Molybdän, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 5 Gewichtsprozent Wolfram, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 5 Gewichtsprozent Mangan, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 5 Gewichtsprozent Silizium, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 2 Gewichtsprozent Niob, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 2 Gewichtsprozent Aluminium, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 8 Gewichtsprozent Nickel, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 2 Gewichtsprozent Tantal, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff und von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,5 Gewichtsprozent Stickstoff, wobei Eisen und zufällige Verunreinigungen die Differenz zu 100% bilden; und eine Anzahldichte von wenigstens etwa 10¹⁸ m^–3 Nanomerkmale auf, die Titan, Sauerstoff und mindestens ein Element enthalten, das von dem Oxid, das während der Zubereitung der NFA hinzugefügt ist, oder von der Legierungsmatrix abgeleitet ist.
In weiteren Ausführungsformen weist die NFA von etwa 9 Gewichtsprozent bis ungefähr 20 Gewichtsprozent Chrom, von etwa 0,1 Gewichtsprozent bis ungefähr 1 Gewichtsprozent Titan, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 10 Gewichtsprozent Molybdän, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 4 Gewichtsprozent Wolfram, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 2,5 Gewichtsprozent Mangan, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 2,5 Gewichtsprozent Silizium, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 1 Gewichtsprozent Niob, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 1 Gewichtsprozent Aluminium, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 4 Gewichtsprozent Nickel, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 1 Gewichtsprozent Tantal, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff und von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,2 Gewichtsprozent Stickstoff, wobei Eisen und zufällige Verunreinigungen die Differenz zu 100% bilden; und eine Anzahldichte von wenigstens etwa 10²⁰ m^–3 Nanomerkmale auf, die Titan, Sauerstoff und mindestens ein Element enthalten, das von dem Oxid, das während der Zubereitung der NFA hinzugefügt ist, oder von der Legierungsmatrix abgeleitet ist.
In noch weiteren Ausführungsformen enthält die NFA von etwa 9 Gewichtsprozent bis ungefähr 14 Gewichtsprozent Chrom, von etwa 0,1 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,5 Gewichtsprozent Titan, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 10 Gewichtsprozent Molybdän, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 3 Gewichtsprozent Wolfram, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 1 Gewichtsprozent Mangan, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 1 Gewichtsprozent Silizium, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,5 Gewichtsprozent Niob, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,5 Gewichtsprozent Aluminium, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 2 Gewichtsprozent Nickel, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,5 Gewichtsprozent Tantal, von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,1 Gewichtsprozent Kohlenstoff und von etwa 0 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,1 Gewichtsprozent Stickstoff, wobei Eisen und zufällige Verunreinigungen die Differenz zu 100% bilden; wobei die NFA eine Anzahldichte von wenigstens etwa 10²⁰ m^–3 Nanomerkmale aufweist, die Titan, Sauerstoff und mindestens ein Element enthalten, das von dem Oxid, das während der Zubereitung der NFA hinzugefügt ist, oder von der Legierungsmatrix abgeleitet ist.
Gewöhnlich kann ein unmittelbares Verarbeiten der quasiverfestigten NFAs, wie zuvor vermerkt, bei hohen Temperaturen (von ~1900 °F oder darüber) die mechanischen Eigenschaften der Legierung verschlechtern. Dies kann teilweise auf die Zunahme der Korngröße der NFA mit dem Temperaturanstieg auf über etwa 1800 Grad Fahrenheit zurückgeführt werden. Gewöhnlich weist ein "quasizubereitetes" oder "quasiverfestigtes" NFA-Werkstück eine feine Mikrostruktur mit einer mittleren Korngröße auf, die etwa 2 µm unterschreitet. In gewissen Situationen beträgt die mittlere Korngröße zwischen etwa 1 µm und 2 µm. In dieser feinen Mikrostruktur kann ein Prozentsatz von groben Körnern (Körner größer als etwa 1 µm) gering sein, beispielsweise etwa 5 Prozent bezogen auf die Gesamtzahl der Körner in der Mikrostruktur unterschreiten.
1A und 1B zeigen die Wirkung einer hohen Temperatur auf die Mikrostruktur eines NFA-Werkstücks. 1A zeigt ein Rasterelektronenmikroskop-(REM)-Schnittbild eines "quasiverfestigten" Werkstücks (d.h. ohne eine Wärmebehandlung); und 1B zeigt ein REM-Schnittbild des Werkstücks, nachdem es für 24 Stunden bei 2000 Grad Fahrenheit erwärmt wurde. 1B zeigt deutlich ein Kornwachstum (d.h. einen prozentualen Anstieg von groben, d.h. großen Körnern) in dem NFA-Werkstück mit dem Temperaturanstieg. Es wurde beobachtet, dass der Prozentsatz von groben (eine Korngröße von mehr als etwa 1 µm und in einigen gewissen Ausprägungen etwa 5 µm aufweisenden) Körnern in dem NFA-Werkstück, nachdem es auf bis zu 2000 Grad Fahrenheit erwärmt ist, wesentlich (~4mal) größer ist als der Prozentsatz grober Körner in der Legierung des Werkstücks bei etwa 1800 Grad Fahrenheit. Nach dem Erhitzen des Werkstücks bei 2000 Grad Fahrenheit für etwa 24 Stunden beträgt die mittlere Korngröße des NFA-Werkstücks bis zu etwa 50 µm. Dieses Kornwachstum mit dem Anstieg der Temperatur begrenzt die Verarbeitung der NFA bei hohen Temperaturen, d.h. bei Temperaturen, die etwa 1900 Grad Fahrenheit überschreiten. Außerdem kann ein Verarbeiten von NFAs mit sich vergröbernden Körnern bei Verwendung einer Technik mit hoher Verformungsgeschwindigkeit (z.B. Schmieden) zu Rissbildung führen und somit das sich ergebenden Produkt beschädigen.
Es wurde durch die Erfinder überraschenderweise entdeckt, dass das vorliegende Verfahren die Verarbeitung der NFAs bei hohen Temperaturen (von mehr als etwa 1900 °F) und/ oder bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten ohne eine wesentliche Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften eines sich ergebenden Produkts bei einer Betriebstemperatur ermöglicht. Eine Betriebstemperatur, bei der diese Produkte genutzt werden, ist allgemein niedriger als eine Verarbeitungstemperatur, bei der die NFAs verarbeitet werden. Die Fähigkeit die NFAs bei hohen Temperaturen und/oder hohen Verformungsgeschwindigkeiten zu verarbeiten, ermöglicht vorteilhafterweise den Einsatz der herkömmlichen, hohe Verformungsgeschwindigkeiten verwendenden Verarbeitungstechniken zur Herstellung eines gewünschten Produkts anhand der NFA und somit die Beibehaltung niedriger Herstellungskosten.
Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet das vorliegende Verfahren die Schritte: Einbringen eines Verspannungsgrades in ein Werkstück, das eine nanostrukturierte ferritische Legierung (NFA) aufweist, bei einer ersten Temperatur unterhalb etwa 1900 Grad Fahrenheit, um ein verspanntes Werkstück zu formen; Erwärmen des verspannten Werkstücks auf eine zweite Temperatur; und Verformen des verspannten Werkstücks bei der zweiten Temperatur. Die zweite Temperatur beträgt mindestens etwa 1900 Grad Fahrenheit. In diesen Ausführungsformen wird der Verspannungsgrad zuerst bei einer Temperatur von unterhalb etwa 1900 Grad Fahrenheit in das NFA-Werkstück eingebracht, bevor das Werkstück bei einer höheren Temperatur erwärmt und/oder verarbeitet (d.h. heißbearbeitet) wird. Der Verspannungsgrad, der in das Werkstück bei der ersten Temperatur eingebracht ist, dient dazu, Kornwachstum in dem verspannten Werkstück während der nachfolgenden Erwärmung und der Verformung bei der zweiten Temperatur im Wesentlichen zu verhindern. Diese Einbringen der Verspannung in das Werkstück bei der ersten Temperatur gestattet das Verformen und/oder die Erwärmung des Werkstücks bei einer nachfolgenden höheren Temperatur, und das Werkstück kann somit bei hohen Temperaturen verarbeitet oder warm bearbeitet werden, während die Mikrostruktur beibehalten wird, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften herbeizuführen.
Das Werkstück kann durch Verfestigen eines Pulvers einer nanostrukturierten ferritischen Legierung (NFA) (wie zuvor erörtert) durch ein beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren hergestellt werden. In einer Ausführungsform ist das Werkstück durch isostatische Heißpressen (HIP) hergestellt. Andere Kompaktierungstechniken beinhalten heißes Kompaktieren, Extrudieren oder Walzpressen.
Wie angegeben, wird zuerst ein Verspannungsgrad in das NFA-Werkstück bei einer ersten Temperatur unterhalb von etwa 1900 Grad Fahrenheit eingebracht. D.h. das Werkstück wird bei der ersten Temperatur verformt. Ohne an irgendeine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass durch das Verformen des Werkstücks bei der ersten Temperatur eine beibehaltene plastische Verspannung mit den stabilen Nanomerkmalen zusammenwirkt und wirkungsvoll Korngrenzen festhält. Dieses Festhalten der Korngrenzen gestattet den Körnern der feinen Mikrostruktur des Werkstücks nicht, bedeutend an Größe zuzunehmen, und verhindert auf diese Weise im Wesentlichen ein Kornwachstum der Mikrostruktur des verspannten Werkstücks während der Erwärmung und/oder der Verarbeitung bei einer zweiten Temperatur. Vorteilhafterweise ändert sich die Mikrostruktur des verspannten Werkstücks auf eine Erwärmung hin oder mit einem Anstieg der Temperatur nicht wesentlich und wird für jede weitere Erwärmung oder Verarbeitung, beispielsweise für eine Verarbeitung mit hoher Verformungsgeschwindigkeit bei einer hohen Temperatur, aufrecht erhalten oder stabilisiert.
Es ist wünschenswert, während der nachfolgenden Erwärmung und/oder der Verarbeitung bei einer Temperatur von wenigstens etwa 1900 Grad Fahrenheit kein oder wenig (< 1 Prozent) Wachstum der Korngröße des verspannten Werkstücks zu haben. Allerdings kann ein wesentliches Wachstum der Korngröße des verspannten Werkstücks auftreten. In dem hier verwendeten Sinne kann sich ein wesentliches Wachstum auf eine Erhöhung von bis zu etwa 10 Prozent in den Prozentsatz von groben Körnern in der Mikrostruktur beziehen. In einigen Ausführungsformen liegt die Erhöhung des Prozentsatzes von groben Körnern in der Mikrostruktur während der Erwärmung oder der Verarbeitung bei der zweiten Temperatur in einem Bereich von ungefähr 1 Prozent bis ungefähr 5 Prozent. 2A und 2B zeigen REM-Schnittbilder eines Werkstücks nach einem Extrudieren des Werkstücks bei 1700 Grad Fahrenheit bzw. nach einem Erwärmen des extrudierten Werkstücks bei 2000 Grad Fahrenheit für etwa 24 Stunden. Nach dem Extrudieren bei 1700 Grad Fahrenheit wurde keine wesentliche Änderung der Korngröße des Werkstücks im Zusammenhang mit der Wärmebehandlung bei der hohen Temperatur beobachtet.
Die Stabilität der Mikrostruktur des verspannten Werkstücks kann speziell von der ersten Temperatur in Verbindung mit dem Verspannungsgrad abhängen, der in das Werkstück eingebracht ist. Wie zuvor erwähnt, dient der Verspannungsgrad, der in das Werkstück bei der ersten Temperatur eingebracht wird, dazu, Kornwachstum in dem verspannten Werkstück während der Erwärmung und der Verformung bei der zweiten Temperatur im Wesentlichen zu verhindern. Die Wirksamkeit der Verspannung, die in das Werkstück eingebracht ist, kann sich aus einem Verspannungsgrad, die auf das Werkstück angewendet wird, und aus einer Verformungsgeschwindigkeit ergeben, mit der die Verspannung an dem Werkstück durchgeführt wird. D.h. das Werkstück kann bei der ersten Temperatur durch Anwenden einer speziellen Verspannung mit einer speziellen Verformungsgeschwindigkeit verformt werden. Das Werkstück kann durch eine beliebige Technik, beispielsweise Schmieden, Kompaktieren, Extrudieren und Walzen verformt werden. In speziellen Ausführungsformen wird das Werkstück durch Extrudieren bei der ersten Temperatur verformt.
In einigen Ausführungsformen wird wenigstens etwa 40 Prozent Verspannungsverformung mit einer Verformungsgeschwindigkeit von weniger als etwa 1 Zoll/Zoll/s auf das Werkstück angewendet. In einigen Ausführungsformen ist eine Verspannung im Bereich von etwa 40 Prozent bis ungefähr 70 Prozent erwünscht, um das Kornwachstum wirkungsvoll zu verhindern. In einigen Ausführungsformen wird die Verspannung mit einer Verformungsgeschwindigkeit im Bereich von etwa 0,005 Zoll/Zoll/s bis ungefähr 0,9 Zoll/Zoll/s angewendet. Die erste Temperatur beträgt allgemein unter 1900 Grad Fahrenheit. In einigen Ausführungsformen liegt die erste Temperatur im Bereich von etwa 1600 Grad Fahrenheit bis etwa 1900 Grad Fahrenheit und in einigen gewissen Ausführungsformen von etwa 1700 Grad Fahrenheit bis etwa 1800 Grad Fahrenheit.
Vorteilhafterweise kann das gedehnte/gestauchte Werkstück, das die stabilisierte Mikrostruktur aufweist, zur Bildung eines Produkts bei einer hohen Temperatur (d.h. einer hohen Verarbeitungstemperatur) und/oder bei einer hohen Verformungsgeschwindigkeit verarbeitet werden. Eine hohe Temperatur bedeutet eine Temperatur, die gleich oder höher ist als 1900 Grad Fahrenheit. Eine hohe Verformungsgeschwindigkeit bedeutet eine Verformungsgeschwindigkeit von mehr als etwa 1 Zoll/Zoll/s. In einigen Ausführungsformen ist die Verformungsgeschwindigkeit höher als etwa 5 Zoll/Zoll/s und in speziellen Ausführungsformen höher als etwa 10 Zoll/Zoll/s. In einigen Ausführungsformen kann das gedehnte/gestauchte Werkstück nach dem Einbringen eines Verspannungsgrades in das Werkstück zuerst auf die zweite Temperatur erhitzt und anschließend bei der zweiten Temperatur verformt werden.
In einigen Ausführungsformen wird das gedehnte/gestauchte Werkstück bei einer zweiten Temperatur verformt, die bei wenigstens etwa 1900 Grad Fahrenheit liegt. In einigen Ausführungsformen liegt die zweite Temperatur im Bereich von etwa 1950 Grad Fahrenheit bis etwa 2300 Grad Fahrenheit und in manchen Ausführungsformen im Bereich von etwa 2000 Grad Fahrenheit bis etwa 2200 Grad Fahrenheit.
Der Schritt des Verformens bei der zweiten Temperatur kann ausgeführt werden, um anhand des verspannten Werkstücks ein Produkt zu formen. Der Verformungsschritt kann ein Verformen des verspannten Werkstücks mit einer Technik beinhalten, die hohe Verformungsgeschwindigkeiten verwendet, beispielsweise Schmieden mit hoher Verformungsgeschwindigkeit. In einigen Ausführungsformen wird das gedehnte/gestauchte Werkstück mit einer Verformungsgeschwindigkeit in einem Bereich von etwa 10 Zoll/Zoll/s bis ungefähr 30 Zoll/Zoll/s verformt. Andere geeignete Techniken können Extrudieren, Kompaktieren oder Walzen beinhalten. In einigen Ausführungsformen wird ein Werkstück zunächst bei der ersten Temperatur extrudierte und anschließend bei der zweiten Temperatur durch Schmieden verarbeitet. In einigen Ausführungsformen kann durch das offenbarte Verfahren ein Turbinenbauteil, beispielsweise ein Bolzen oder eine Schraube, hergestellt werden.
In einigen Ausführungsformen ist es erwünscht, das gedehnte/gestauchte Werkstück, beispielsweise durch Schmieden bei einer Temperatur von mehr als 1900 Grad Fahrenheit, zu verformen. Die Verarbeitung eines verspannten Werkstücks mit einer hohen Verformungsgeschwindigkeit bei einer niedrigen Temperatur, beispielsweise unterhalb von 1900 Grad Fahrenheit, kann zu Rissbildung des sich ergebenden NFA-Produkts/Bauteils führen. 3 zeigt Fließspannungskurven für die NFA-Werkstückprobe, die bei 1900 Grad Fahrenheit und 2100 Grad Fahrenheit gepresst wurden. Jede dieser Proben wurde zuerst bei 1700 Grad Fahrenheit extrudiert und daran anschließend mit einer Verformungsgeschwindigkeit von 20 Zoll/ Zoll/s gepresst. Es wurde beobachtet, dass eine Probe, die zuerst bei 1700 Grad Fahrenheit extrudiert und anschließend bei 1700 Grad Fahrenheit gepresst wurde, barst. Dies zeigte, dass diese Temperatur von etwa 1700 Grad Fahrenheit zu niedrig war, um eine Bearbeitung mit hoher Verformungsgeschwindigkeit durchzuführen. Weiter wurde beobachtet, dass die Proben, die bei 1900 Grad Fahrenheit und bei 2100 Grad Fahrenheit gepresst wurden, keine Risse hervorbrachten. Darüber hinaus ist aus 3 klar ersichtlich, dass die Fließspannungen für die Proben für die Herstellung eines Bauteils förderlich sind.
Während hier lediglich spezielle Merkmale der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, erschließen sich dem Fachmann viele Abwandlungen und Veränderungen. Es versteht sich von daher, dass die angefügten Ansprüche alle derartigen Abwandlungen und Änderungen abdecken sollen, die dem wahren Sinn der Erfindung entsprechen.
Ein Verfahren zum Formen eines Produkts, das eine nanostrukturierte ferritische Legierung enthält, ist geschaffen. Das Verfahren stellt Schritte bereit, um Kornwachstum eines Werkstücks, das eine nanostrukturierte ferritische Legierung aufweist, während einer Erwärmung und Verformung bei hohen Temperaturen und bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten im Wesentlichen zu verhindern. Vorteilhafterweise wird das Produkt durch herkömmliche, hohe Verformungsgeschwindigkeiten verwendende Techniken geformt, was Kosteneinsparungen ermöglicht. Weiter sind Produkte geschaffen, die durch das Verfahren geformt werden, und die in dieser Weise hergestellten Produkte zeigen gute mechanische Eigenschaften bei hohen Betriebstemperaturen und werden daher als Turbomaschinenbauteile und im Besonderen als Bauteile einer Hochleistungsgasturbine oder Dampfturbine eingesetzt. Ein Turbomaschinenbauteil, das eine NFA aufweist, ist bereitgestellt.

Claims

Verfahren, das aufweist: Einbringen eines Verspannungsgrades in ein Werkstück bei einer ersten Temperatur unterhalb etwa 1900 Grad Fahrenheit, um ein verspanntes Werkstück zu formen; Erwärmen des verspannten Werkstücks auf eine zweite Temperatur, wobei die zweite Temperatur bei wenigstens etwa 1900 Grad Fahrenheit liegt; und Verformen des verspannten Werkstücks bei der zweiten Temperatur, wobei das Werkstück eine nanostrukturierte ferritische Legierung (NFA) aufweist, und wobei der Verspannungsgrad, der in das Werkstück bei der ersten Temperatur eingebracht wurde, dazu dient, Kornwachstum in dem verspannten Werkstück während der Erwärmung und der Verformung bei der zweiten Temperatur im Wesentlichen zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Werkstück eine Korngrößenverteilung mit einer mittleren Korngröße aufweist, die etwa 2 µm unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Einbringen eines Verspannungsgrades in das Werkstück bei der ersten Temperatur ein Anwenden von wenigstens etwa 40 Prozent Verspannungsverformung beinhaltet und/oder ein Verformen des Werkstücks mit einer Verformungsgeschwindigkeit beinhaltet, die etwa 1 Zoll/Zoll/s unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die erste Temperatur im Bereich von etwa 1600 Grad Fahrenheit bis 1900 Grad Fahrenheit liegt, und/oder wobei die zweite Temperatur im Bereich von etwa 1950 Grad Fahrenheit bis etwa 2300 Grad Fahrenheit liegt.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Verformen des verspannten Werkstücks ein Verformen des verspannten Werkstücks mit einer Verformungsgeschwindigkeit von wenigstens etwa 1 Zoll/Zoll/s aufweist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Verformen des verspannten Werkstücks ein Verformen des verspannten Werkstücks mit einer Verformungsgeschwindigkeit im Bereich von etwa 1 Zoll/Zoll/s bis ungefähr 30 Zoll/Zoll/s aufweist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Verformungsschritt durch Kompaktieren, Schmieden, Extrudieren oder Walzen durchgeführt wird.
Produkt, das durch das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist.
Produkt nach Anspruch 8, wobei das Produkt ein Turbomaschinenbauteil ist.
Verfahren zum Formen eines Turbomaschinenbauteils, mit den folgenden Schritten: Einbringen eines Verspannungsgrades in ein Werkstück bei einer ersten Temperatur unterhalb 1900 Grad Fahrenheit, um ein verspanntes Werkstück zu formen, wobei das Werkstück eine nanostrukturierte ferritische Legierung (NFA) aufweist; Erwärmen des verspannten Werkstücks auf eine zweite Temperatur, wobei die zweite Temperatur bei wenigstens etwa 1900 Grad Fahrenheit liegt; und Schmieden des verspannten Werkstücks bei der zweiten Temperatur mit einer Verformungsgeschwindigkeit von wenigstens etwa 1 Zoll/Zoll/s, wobei der Verspannungsgrad, der in das Werkstück bei der ersten Temperatur eingebracht wird, dazu dient, Kornwachstum in dem verspannten Werkstück während des Erwärmens und Schmiedens bei der zweiten Temperatur im Wesentlichen zu verhindern.