DE1812144C3

DE1812144C3 - Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Nickel-Aluminium-WerkstofTs

Info

Publication number: DE1812144C3
Application number: DE19681812144
Authority: DE
Inventors: Aurel Elie Rhode-Stgenese Berghezan (Belgien)
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1967-12-06
Filing date: 1968-12-02
Publication date: 1974-04-18
Also published as: GB1247356A; DE1812144B2; DE1812144A1; FR1599172A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herste!- lung eines hochfesten Nickel-Aluminium-Werkstoffs mit guter Oxydationsbeständigkeit.

Die fortschreitende Entwicklung der Flugzeug- und Raumfahrttechnik führt zu einem erheblichen Bedarf an Werkstoffen, die über einen weiten Temperatin-bereich hinweg, d.h. bei niedrigen und auch bei sehr hohen Temperaturen, gute Festigkeit aufweisen und gleichzeitig sehr beständig gegen Oxydation sind. Die für diesen Zweck verwendeten sogenannten Superlegicrungen sind im allgemeinen gut brauchbar, ihre Festigkeit nimmt aber bei hohen Temperaturen von beispielsweise 800 bis 1000° C schnell ab. Für den genannten Zweck sind auch zusammengesetzte Matenalien aus feinverteilten Metallteilchen und inerten Teilchen bekannt. Obwohl diese Werkstoffe bei hohen Temperaturen gute Eigenschaften zeigen, bcsitzen sie bei niedrigen und mittleren Temperaturen So im Bereich von etwa 20 bis 800° C eine verhältnismaßig geringe Festigkeit.

^ISl 1 "^{S Cm metalllschcr} Werkstoff bekannt. ilcr bei holien Temperaturen Korrosionsbeständigkeit miMioner Festigkeit verbindet. Dieser Werkstoff bcstcnt neben geringen Anteilen an Chrom und Metallfasern aus hochschmelzcndcn Metallen, im wesentlicncn aus Nickel. Die erhöhte Festigkeit beruht im hochschmelzentlen Metallen, Derartige Metallfasern stellen ein sehr teures Ausgangsmaterial dar. Bei Raumtemperatur ist die Zugfestigkeit dieses bekann-(en Werkstoffs in vielen Fällen nicht befriedigend.

Ferner ist bekannt, daß die intermetallische Phase Ni.,Al bei hohen Temperaturen gute Oxydationsbestä'ndigkeit und gute Festigkeit besitzt. Das bekannte Material wird durch Sinterung aus NiAI und Nickelpulver erhalten. Das gesinterte Material weist in vielen Fällen nicht die besondere Festigkeit auf, die von Werkstoffen mit faserartiger Gefügeausbildung erreicht werden.

Bei hochfesten Werkstoffen kommt den Bedineungen, unter denen sie verformt werden können, besondere Bedeutung zu.

Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung eines hochfesten Nickel-Aluminium-Werkstoffs, der be^ündig »egen Oxydation ist und sowohl bei tiefen Tornpe^aturen wie bei hohen Temperaturen bh zu 10OG' C und darüber hinaus hohe Festigkeil _:!ufweist und dessen Verformbarkeit mit steigum-er Temperatur zunimmt.

Die erfindungsgemäße Lösung ist dadurch gek.nnzeichnet, daß eine pulverförmige Mischung au 80 bis 98% Nickel und 2 bis 20% Aluminium euren Pressen und Ve rf οϊ men bis zu 80% der theorctisehen Dichte verdichtet, dieser Preßkörper bei : iner Temperatur zwischen 600 und IuOD⁰C zur exo'her_men Reaktion ccb.acht und schließlich bei 90: ι bis 1350 C warmycfornit wird.

Die Zeichnungen erläutern den Gegenstand der Erfindung.

' Fi 2. l" zeki ;n 600facher Vergrößerung einen Werkstoff aus Aluminium und Nickel, der trfindungs°emäß zusammengepreßt und stark verformt worden ist.

Fig. 2 zeigt in 600facher Vrigrößerung einen Werkstoff nach Fig. 1. der nach dem Zusammcnpressen und Verformen anschließend erfindungsgemäß umgesetzt worden ist;

Fig. 3~a und 3 b zeigen in 200facher bzw. 50üfaeher Vergrößerung die MikroStruktur eines erfindunasgcrnäß hergestellten Werkstoffs;

F~ig.4a und 4 b zeigen in 500facher bzw. 200faeher Vergrößerung die Faserstruktur eines crfindungsgcinäß hergeslcllten Werkstoffs nach dem Anätzen mit Säure:

Fig. 5 zeigt in grafischer Darstellung die verbes- szile Festigkeit crfindunesgcmäß hergestellter Wcrkstoffe;

Fig. 6a und 6 b zcieen die verbesserte Verformbarkeit crfindunesgcmäß hergestellter Werkstoffe mit anstehender Temperatur.

Ak^Ausgangsmaterial kann man Nickelpulvcr mit Tcilchendurchmcssern von I bis 10 Mikron, vorzugsweise von 2 bis 5 Mikron, und Aluminiumpulver mit Teilchengrößen von I bis 150 Mikron, vorzugsweise von 10 bis 25 Mikron, verwenden.

Das Gemisch von Aluminium und Nickel enthält etwa 2 bis etwa 20 %, vorzugsweise 8 bis 13 % AIuminium. Hierbei entstehen einerseits die Verbindung Ni.,Al und eine feste Lösung von Nickel in Aluminium während des erfindungsgemäßen Verfahrens

Das Mischen des Nickelpulvers und des Aluminiumpulvers kann nach üblichen Verfahren durchseführt werden. Anschließend wird das Gemisch gcpreßt und kalt verformt, wobei ein fester sclbsttr-i-

ι™ ' . - ^J

wesentlichen auf der Anwesenheit der Metallfasern T hochschmelzenden Metallen. Derartige Metallfa- *

gender und zusammenhängender Formkörper mit einer faserigen oder lamellen Struktur entsteht. Nach diesen Verfahrensschritten hat der Formkörper S Dichte bis zu 80 ·/. der maximalen theoretische Dichte, die durch Schmelzen und Erstarren des Gemisches von Aluminium und Nickel· erhalten wird. Das Zusammenpressen wird unter solchem Druck und bei solcher Temperatur durchgeführt, daß der entstandene Formkörper zusammenhängend ist und aus nicht miteinander umgesetzten Teilchen von Ntckel und Aluminium besteht. Da die Pulverteilchen so. wohl von Nickel wie von Aluminium verformbar sind, verliere« sie unter Druck ihre ursprüngliche kugelige Form und gehen· in Fasern über. Nach dem lusimmenpressen. Imben alle diese Teilchen eine längliche Form und eine verringerte Dicke.

Die Fig.1 zeigt in 60Ofacher Vergrößerung eine Fotografie eines Preßkörpers, der durch Zusammenpressen aus einem innigen Gemisch von pulverförmigern Nickel und pulverförmigem Aluminium in einer Folie unter Druck von etwa 6000 kp/cm^ hergestellt und anschließend zur Herabsetzung der Dicke ausgewalzt wurde. Der Körper hatte Abmessungen von 800X400X4 mm. Das in einer Menge von 90 »/0 verwendete Nickelpulver wies ursprünglich Teilchendurchmesser von 1 bis 10 Mikron, das in einer Menge von 10-/0 verwendete Aluminiumpulver ursprünglich Teilchendurchmesser von 1 bis 150 Mikron auf. In der Fig.1 bedeutet das Zeichen 10 faserförmige Elemente aus Aluminium, die hell erscheinen; die Ziffer 20 bedeutet faserförmige Elemente aus Nickel, die dunkel erscheinen.

Der so erhaltene Formkörper wurde anschließend erhitzt, um eine exotherme, sich selbst ausbreitende Umsetzung durch den ganzen Formkörper hindurch in Gang zu setzen. Hierbei entstand eine Struktur, die im wesentlichen aus verschränkten, polykristalli-

"⁰AnXhSi S die exotherme Umsetzung optisch zu erkennen; man sieht ein Erglühen bis auf Rothitze, das sich schnell über den ganzen Formkörper ausbreitet. Geeignete Änfangstemperaturen liegen zwisehen etwa 600 und etwa 1000° C. Das Umsetzungsprodukt behält seine gleichmäßige faserförmige Struktur, die es vor der Umsetzung hatte.

Die Fi g. 2 zeigt in 600facher Vergrößerung einen Formkörplr nach F i g. 1 nach Erhitzen auf 800° C und nach erfolgter exothermer Umsetzung. Mnn sieht deutlich eine poVykristaIHne faserförmige Mikrostruktur

Anschließend wird das so erhaltene Umsetzungsprodukt in der Wärme mechanisch bearbeitet, z. B. durch Heißwaben. Bei dieser Heißbearbeitung werden Temperaturen von etwa 900 bis etwa 1350^C angewendet. Hierbei löst sich ein geringer Anteil des Aluminiums im Nickel und wird anschließend in disperser Form als Ni₃Al ausgeschieden. Es ist aber eine solche Heißbearbeitung zu vermeiden, bei weleher eine wesentliche Rekristallisation des Umset-

^{um die faserförmise} ungeordnetem Zu ««id vorbanden_«m Ausgangsstoffe mit größeren Mengen von nium verwendet, so kann ^fPjJ JJ sä« feinverteilt· *
bindung AlA ^ü^^d d»%

Die F J g, 3 a zeigt in
die F i g. 3 b in SOOf aeher

Ehe Fig.4e ».gt m ™%f"^ZfZ Werk- « die Fig.4b in■ 200facner Vergroüerung

stoff nach dem Anätzen mit Saure ^Be 30 ist«η y

pbche Verschränkung ™i««g£"2ftedskonbindung Ni₃A und der festen L?^ⁿS ^m ^ tinufedichen, faserformigenf ™kmrzuerkennen.

sind Punkte ^^J^^J^SSlS^ halten wurden. Die Gegenwart ^festenlβ von Aluminium nt Nickel, der Verladung in.

und von feinverte.ltem «»«f^Ärfw durchRöntgenstrahlana ysefestge^«"twerden

ao Der erfindungsgemaß hergestellte,Wertertoff hat eine hohe Festigkeit und ei«*» ausgezeichnete Bestan digkeit gegen Oxydation.

Durch die Erfindung ist es ™oghch m ™n <jm fachen Verfahren einem Material vers, nieoene: ven

»5 stigende Eigenschaften zu geben d h eine vene gang durch eine ^d'*°nt™^rlicta, fasengeM^ Ktu^ durch eine feste Losung, durch Ausfallungen una durch Verteilung. Eine weitere Erhöhung; der Msug keit kann auch durch andere D«perswnen.fS

werden, wie weiter unten beschrieben ist Das er η dungsgemäße Material ist geken"«lehnet du cη aus gezeichnete Festigkeitseigenschaften innerhalb eines weiten Temperaturbereichs.

Die nachstehenden Beispiele erlautem eiiMge Aus

fühiungsformen der Erfindung.

Beispiele

^ ^. _{lvers m|t Tei},_chendurchme_S-sern von 1 bis 10 Mikron und 10 »/„ eines Alumin,

„mpulvers mit ^Te>^lc"^rC^X_s ⁿ _ch ^V _u ^O" ^ de^ in Mikron wurden gemischt Die Mischung «J

einer Form unter einem D™^^^^7C einem zusammenhangenden ^ körper mit 100 cm Lange und ei

von 25 mm zusammengepreßt Dann Preßkorper kalt in einer Buch« a«e jr« bis auf eine D.Jce f ⁴»ί^, struktur des so erhaltenen Korpers m ^f^g Anordnung von Nickel und Aluminium ähnelte der Struktur ni.ch F1 g. 1.

Dann wurde der kaltgewalzte Fomfenger an Luf auf 1000° C erwärmt Hierbei wurde bei RotgM eine sich selbst ausbreitende exotherme Ratjon η Gang gesetzt Die IJm etzung Z

etwa 2 Sekunden beendet. Das
hatte eine I^^^^ wie die . ig. ζ sie

eier ^υ^ί™7'7^^η^

gen und dieselbe ^Gro\™^e ™ °"£^Sf

ssriS.^

Nach diesem Ver'fahrensschritt besteht der Formkörper im wesentlichen aus diskontinuierlichen, faserformigen, verschränkten, polykristallinen Gebilden aus einer festen Lösung von Aluminium in Nikkel und der Verbindung Ni₁Al, wobei ein Teil der Verbindung Ni₁-M als disperse Ausscheidung vorlie-*. Die Verbindung Ni₃Al kann in geordnetem oder auf etwa 0,4 mm verringert wurde.

Die He.^bearbeitung wurde wie folgt führt: Zunächst wurde auf 1200 C e hitzt 5 ten be, dieser Temperatur gehalten un< dann ^uch gewalzt; dann wurde auf 250 Cjrh tzt, J" ten lang hierbei gehalten »^η*^*η*\*αΜε walzt; das Verfahren wurde i

Xkstof hatte eine diskontinuierliche, polykristaiwerKSioii naut.c"¹I... . _{ktur wie die F} i g.3

4 "Sm^ÄÄ bMI."d »«lesend

betrug d.e Gewichtszunahme lediglich 0,2 mg/un-. Demgegenüber wurden bei einem der besten zur Zeit erhältlichen Wrt_slofTc eine, Chrom-Kobal.-Nick»!-

bMI.d »«lesend erhältlichen Wrt_slofTc eine, Chrom

^Ni'^{AI in Form} εϊ«

Das beschriebene Verfahren wurde wiederholt mit Mischungen aus Nickel und Aluminium, die 5, 6, 8, 11 iind 13·/. Aluminium enthielten. Ferner wurde das Verfahren wiederholt mit Mischungen, die 10-/0

Ataninium 7·ΓEisen, Rest Nickel und 10·/. AlumSm 4»/.Molybdän, Rest Nickel enthielten.

ErfindunesRemäße Werkstoffe wurden an Luft auf ihr7 mechanische Festigkeit geprüft und verglichen Sl^mÄnSifüblictS TD-Nickel, das zur 7eit als der beste Werkstoff auf der Grundlage von Nickel dient Handelsübliches TD-Nickel besteht im wesentlichen aus 98 ·/. Nickel und 2 °/o Thoriumoxid fThO ") Die Proben TD-Nickels bestanden aus einem 1 mm dicken handelsüblichen Blech, das bis auf eine Dicke von 0 3 bis 0 4 mm kalt ausgewalzt worden war Einiee der Proben wurden 1 Stunde lang bei P00^cC vor der Untersuchung geglüht. Alle untersuchten Proben hatten eine Dicke von 0,3 bis 0,4 mm und eine Länge von 6 mm. Die Versuche wurden durchgeführt mit einer Vorrichtung nach Instron mit einer Geschwindipkeit des Kreuzkopfes und einer Streckgeschwindigkeit von 0,0083 mm/mm/min.

Die Versuchsergebnisse sind in den Fig. 5 und 6 wiedergegeben. Wie die Fig. 5 zeigt, besitzt der erfindun"sgemäße hergestellte Werkstoff innerhalb eines Temperaturbereichs von Raumtemperatur bis I000^cC eine überlegene Festigkeit. Die Fig.6a und 6b zeigen ferner, daß die Verformbarkeit des erfindungsgemäßen Werkstoffs mit Zunahme der Temperatur zunimmt, während die Verformbarkeit von TD-Nickel abnimmt.

Erfindungsgemäß hergestellte Werkstoffe besitzen nähme von 0,6 und 1,6 mg/cm* festgestellt.

.₅ Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Fest.gkc.t noch erhöht werden, wenn das Nickelpulver kleinere Mengen von gebundenem Sauerstoff, z.B. etwa 0.1 bis etwa 3·/. enthalt. Zur Herstellung eines solchen Nickelpulvers kann es bei

ao mäßiger Temperatur, beispielsweise bei 300 bis 450° C. so lange erhitzt werden, bis diese Saucrsto faufnahme stattgefunden hat. Wird dieses Material zusammen mit Aluminiumpulver erfindungsgenwU eingesetzt, so werden gleichmäßig dispergicrte. in

as einzelnen Reihen angeordnete Teiichen von Al₂O, an den Seiten der Aluniiniumfasern erhalten. Die Ί cilchen von A1,O., haben meistens einen Durchmesser von weniger als 5 Mikron. Diese zusätzliche Verteilung von inerten Teilchen trägt zu einer weiteren , höhung der Festigkeit bei, besonders bei hohem Temperaturen. Hs wurde ferner gefunden, daß den Ausgangsstoffen zusätzlich bis zu 25°/o Eisen unu oder bis zu 10"_fl Wolfram und/oder bis zu IK¹ ■> Molybdän und/oder bis 7u 4Vo Zirkonium undaxier bis zu 10".« Titan und/oder bis zu 4%> Zinn und/o-.l · bis zu 1.5" η Silicium und/oder bis zu l°/o Tan;;i und/oder bis zu 1 ° 0 Niobium und/oder bis zu Γ ■· Yttrium und oder bis zu 5 %> Rhenium und/odes i^ zu 1ⁿ η Lanthan und oder bis zu 2O»/o Chrom 7.\iv.~- setzt werden kann. Die Zugabe kann in Form \>·'■·■ feinverteiltem Pulver mit Durchmessern von vor/up weise wenigen Mikron erfolgen. Dadurch werden tli·- Festigkeit bei hoher Temperatur, die Verformbar!.;'' ^un(* ^'^e Oxydationsbeständigkeit noch weiter v<.' bessert.

Hierzu 2BIaU Zeichnungen

Claims

I 812

Patentansprüche-

I, Verfahren zur Herstellung eines hochfesten NicK-el-Aluminium-Werkstoffs mit guter Oxydationsbeständigkejt, dadurch gekennzeichnet, daß eine pulverförmige Mischung aus 80 bis 98 Vo Nickel und 2 bis 2O°/o Aluminium durch Pressen und Verformen bis zu 80 % der theoretischen Dichte verdichtet, dieser Preßkörper bei einer Temperatur zwischen 600 und 1000° C zur exothermen Reaktion gebracht und schließlich bei 900 bis 1350⁰C warmverformt wird. .
2. Verfahren nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsgemisch 8 bis

13 % Aluminium enthält.
3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im* Ausgangsgemisch das Aluminiumpp'ver eine Korngröße zwischen 1 und 150 Mikron und das Nickelpulver eine Korngröße zwischen 1 und 10 Mikron besitzt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsgemisch zusätzlich bis zu 25% Eisen und/ oder bis zu 10% Wolfram und/oder bis zu 10% Molybdän und/oder bis zu 4% Zirkonium und/ oder bis zu 10% Titan und/oder bis zu 4% Zinn und/oder bis zu 1,5% Silicium und/oder bis zu 1% Tantal und/oder bis zu 1% Niobium und/ oder bis zu 1% Yttrium und/oder bis zu 5% Rhenium und/oder bis ?u 1 % Lanthan und/oder bis zu 20% Chrom enthäl*.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Ausgangsgemisch enthaltene Nickelpulver 0,1 bis

3" 0 Sauerstoff in gebundener Form enthält.

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