DE1954659A1

DE1954659A1 - Verfahren zur Verbesserung der Ermuedungseigenschaften von bestimmten Legierungen auf Nickelbasis

Info

Publication number: DE1954659A1
Application number: DE19691954659
Authority: DE
Inventors: Hauser Hugh Alan; Sprague Robert Alvare; Piela Julian John
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1968-11-13
Filing date: 1969-10-30
Publication date: 1970-06-18
Also published as: GB1276690A; JPS4822883B1; FR2023161A1; SE350985B; CA934276A; DE1954659B2

Description

Pcientonwolt

Dipl.-lng. A. Spalthoff ₂9, Okt. 1969

Essen, Pelmanstr. 31 ToWoo 772008

17 781 B.

Verfahren zur Verbesserung der Ermttdungseigenschaften von bestimmten Legierungen auf Makelbasis

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Legierungen auf Niokelbasie und insbesondere solche Legierungen auf Nickelbaeisι die beträchtliche Mengen an Chrom und Eisen enthalten und auf dem Gaeturbinengebiet beträchtliche Anwendung finden« Die vorliegende- Erfindung schafft einen verbesserten Bearbeltungsayklue für derartige Legierungen, der eine neue Wärmebehandlung umfaßt, um die Ermüdungsbeständigkeit derartiger Legierungen zu erhöhen.

Eine in der Industrie als Xnco 901 bezeiohnete Legierung mit einer HominalBusammensetzung von 12,5 Gew.-$ Chrom, 34- Gew.-# Eisen, 2,6 Gew.-# Titan, 6 Gew.-^ Molybdän, O₉OlS Gew.-36 Bor, 0,1 Gew,-# Kohlenstoff und restlich im wesentlichen Nickel wird eeit zahlreichen Jahren in bestimmten Gaeturbinenbe-

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standteilen verwendet« Die herkömmliche Bearbeitung ist ausgewählten Bedingungen durchgeführt worden, um Beständigkeit gegen Kriechen bei relativ hoher temperatur au schaffen« Die herkömmlichen Schmiede- und Wärmebehandlungen haben außerdem zur Erfüllung der Anforderungen in Hinblick auf Kerb«, empfindlichkeit und Kriechen zu relativ großen und unregelmäiss;Lgen Korngrößen auf der üominalreihenfolge von ASIM 2-OÖ geführt (bis zu 1,016 mm).

Die Legierungen auf Mickelbasis sind zwar ursprünglich nur in den Metallteilen des ühirbinenabschnitts verwendet worden, die höheren Arbeitstemperaturen und die längeren Lebensdaueranforderungen der fortschrittlicheren Gasturbinen haben jedoch die Verwendung von diesen Legierungen in ausgewählten Kompressorbestandteilen erforderlich gemacht. Dabei hat sich jedoch erwiesen, daß Materialien wie das in herkömmlicher Weise bearbeitete Inco 901 den Nachteil einer niedrigen Zyklusermüdung bei den mit Kompressorbetrieb verbundenen niedrigeren Temperaturen besitzen.

Das Ermüdungsproblem kann zwar durch Einsatz von anderen Materialien, wie Waspaloy, gelöst werden, ein derartiger Austausch 1st jedoch, abgesehen von erhöhten Schwierigkeiten bei der Bearbeitung, wirtschaftlich untragbar, da der Materialaustausch die Kosten des Grundschmiedestückes verdoppelt.

Hauptssiel der vorliegenden Erfindung ist die Sohaffuug eines verbesserten Verfahrene zur Bearbeitung von Bestandteilen aus den Legierungen auf Nickelbasis, wie Inco 901, um ihre Ermüdungebeständigkeit zu verbessern« Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit allgemein auf Legierungen der folgenden Zusammensetzung anwendbar:

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*^AD

Bestandteil Gew.-%

Chrom 9,5 bis 14,0

Molybdän 5,0 biß 6,5

Titan .. 2,6 bis 4,0

Bor 0,01 bis 0,02

Nickel 40,0 bis 45,0

Kohlenstoff 0,1 max·

Eisen Rest, zusammen mit to

lerierbaren Mengen der üblichen Verunreinigungen

Bei einer bevorzugten Arbeitsweise werden Schmiedestücke der obigen Zusammensetzung folgendermaßen bearbeitet:

Sie werden 1 bis 2 Stunden lang bei 968 bis 1010⁰O wärmebehan delt und mit einer Geschwindigkeit abgekühlt, die Luftkühlung äquivalent oder schneller ist, und

sie werden 6 bis 8 Stunden lang bei 704 bis 732⁰C wärmebehandelt und in Luft abgekühlt.

Diese Arbeitsweise ergibt eine Korngröße gemäß ASXM 4 (7,62 /u) oder feiner mit beträchtlicher Gleichmäßigkeit und verbessert die niedrige Zyklusermüdungebeständigkeit dieser Legierungen um einen faktor von etwa 3, wobei die Legierungsduktilität ohne beträchtliche Verminderung der Streckgrenze oder der Bruchzugfestigkeit bei Raumtemperatur oder der Spannungebruch« eigenschaften der Legierungen bei 649⁰C verbessert wird*

Die Legierungen auf Hickelbasis, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist, haben eine Zusammensetzung, die im allgemeinen Innerhalb der in Tabelle I angegebenen Bereiche liegt.

"· 3 ^—
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BAD

Tabelle

Bestandteil zulässiger Bereich

bevorzugter Bereich

Chrom	9,5 bis 14,0	10,0 bis 11,5
Molybdän	5,0 bis 6,5	5,0 bis 6,5
Titan	2,6 bis 4,0	3,0 bis 3,5
Bor	0,01 bis 0,02	O₉Ol bis 0,02
Nickel	40,0 bis 4550	40,0 bis 45,0
Kohlenstoff	0,1 max.	O₉02 maxο
Bisen	Hest	Best
Mangan	——.	0,5 max.
Silicium		O₉4 max.
Phosphor		0,03 max.
Schwefel	0,03 max.	0,006 max.
Kobalt		I₄O maxο
Aluminium	O₉75 max.	O₉35 max«
Kupfer	——	0,5 max.

Die bisher bekannte Wärmebehandlung dieser Legierungen hat folgende Sequenz umfaßt:

(1) LSBungswärmebehaadluttff:

Erhitaen auf eine Temperatur von 1080 bis 1107°C, Halten für 2 Stunden und Abkühlen mit einer Geschwindigkeit, die Luftkühlung äquivalent oder schneller 1st.

(2) Stabilisierungswärmebehandlung:

Erhitzen auf eine Temperatur von 774 bis 781⁰C, Halten für 2 bis 4 Stunden und Abkühlen in Luft oder Absohrecken in Wasser.

(3) Fällungswärmebehandlung:;

Erhitzen auf eine Temperatur von 704 bis 746⁰C, 24-stün-

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diges Halten bei der Temperatur und Luftkühlung.

JDIe erfindungsgemäße Grundwärmebehandlung umfaßt folgende Sequenz:

(l) LSsungswärmebehandlung:

Erhitzen auf eine !Temperatur von 969 bis 101O⁰O, Halten für mindestens etwa 1 Stunde bei der Temperatur und Abkühlung.

(2) Pällunfiswärmebehandluag:;
Erhitzen auf eine Temper«
mindestens etwa 4 Stunden bei der Temperatur und Abkühlung»

Erhitzen auf eine Temperatur von 704 bis 732°C, Halten für

Per folgende erfindungsgemäße Behandlungszyklus ist besonders bevorzugt:

(1) LSsungswärmebehandlung:

Erhitzen auf eine Temperatur von 982 bis 101O⁰C, Halten für 1 bis 2 Stunden bei der Temperatur und Abkühlen mit einer Geschwindigkeit, die Luftkühlung äquivalent oder schneller ist.

(2) FällungBwärmebehandlung;

Erhitzen auf eine Temperatur von 704 bis 732⁰C, Halten für 6 bis 8 Stunden bei der Temperatur, Abkühlung in Luft« Erhitzen auf eine Temperatur von 621 bis 677⁰C, bevorzugter auf 635 bis 663⁰C, Halten bei der Temperatur für etwa 12 Stunden und Abkühlen in Luft.

Pie obigen Arbeitsweisen spiegeln die praktischen Gesichtspunkte der Industriepraxis in Hinblick auf die Metallverarbeitung wieder und reflektieren als solche nicht nur die optimalen Verarbeitungsbedingungen für die Bearbeitung von geschmiedeten bzw. warmverformten Gegenständen wieder, sondern berücksichtigen auch die praktischen Gesichtspunkte eines Produktions-

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Prozesses« Bestimmte der oben genannten Verfahrensparameter können variiert werden, um verbesserte ErmüdungseigenBChaften in den Legierungen auf Nickelbasis au liefern, jedoch vielleicht nicht die optimalen Eigenschaften in einem gegebenen Fall, Außerdem sind bestimmte der obigen Parameter, beispielsweise die Zeitdauer„ für die bei der Temperatur gehalten wirda innerhalb vernünftiger Grenzen nicht besonders kritisch. Die gewünschte Lösung kann beispielsweise in manchen Fällen im wesentlichen in einer Zeitspanne unter 1 Stunde erreicht werden. Eine längere Zeitdauer, für die bei der ^temperatur gehalten wird, kann natürlich zumindest toleriert werden» wenngleich sich vielleicht kein wesentlicher Vorteil ergibt. Da jedoch ein Produkt angestrebt wird, das eine feine Korngröße zeigt, und da das Kornwachstum eine Funktion der Zeitdauer ist, für die in der Lösimgseequeuz bei der temperatur gehalten wird, ist die gewählte Zeitdauer normalerweise genügend lang, um die gewünschte Wirkung zu liefern, trotzdem jedoch kurz genug, um nachteilige Mechanismen, wie beträchtliches Kornwachstum., au verhindern* Bei den für die Auflösung oben angegebenen Temperaturen tritt eia gewisses Auftreten von Kornwachstum bei etwa 3 Stunden in Erscheinung.

Die erfindungsgemäSe Lehre ist nicht nur in Hinblick auf Laboratoriumeprobestückej sondern auch an Kompressorscheiben voller Größe und in Maschinentests in einem vollständigen Programm untersucht worden, das au einer Bewertung von verarbeiteten Schmiedestücken in Froduktionsmaschinen führt.

Die Ergebaisse derartiger Untersuchungen sind in Tabelle II zusammengestellt.

- 6 -009825/ 1 206 bad or,_GINAl

Tabelle II

Mindeststan- erfindungegemäße Bearbeitung bisherige Bear-

dard p_o„_ra+_em« beitung

Raumtemp. Rauitemp.

Zugfestigkeit,	12,000
kg/cm	8,440
Streckgrenze bei 0,2 JL Ab biegung	18
Dehnung, $ in	25
Fläehenvermin- derung, $

10,200 11,600

7,520 8,440

18 12

25 15

Die Ergebnisse der Untersuchung der niedrigen Zyklusermüdung zeigen eine Verbesserung um einen Faktor von etwa 3 bei Kerbkonzentrationen von 1, 2 bsw. 3. Die Haltbarkeitsgrenze bei 454°ö für die hohe Zyklusermüdung wird durch die erfindungsgemäße Bearbeitung um 10 bis 20 # verbessert«, Bei der besonders bevorzugten Zusammensetzung und Bearbeitung haben erfindungsge mäß bearbeitete Schmiedestücke bei 454⁰G gekerbte niedrige Zyklusermüdungseigenschaften gezeigt, die fein gekörntem Waspaloy bei vielleicht 40 # des PreiseB äquivalent sind, wobei bei Temperaturen bis su 704⁰O kein merklicher Verlust in Hinblick auf Kriech- oder Spannungsbrucheigenschaften auftrittο

Die vorstehenden bevorzugten Ausführungsformen sollen die Erfindung lediglich veranschaulichen, jedoch nicht beschränken. PUr den Fachmann liegen Modifikationen auf der Hand, ohne daß dabei der Rahmen der Erfindung verlassen wird«

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Bearbeitung von legierungen auf Nickelbasis mit einer Zusammensetzung, die im wesentlichen innerhalb des sulässigenBereiches von Tabelle I liegt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungen bei einer !Temperatur von 968 bis 101O⁰C für mindestens 1 Stunde einer Lösungswärmebehandlung und bei einer Temperatur von 704- bis 732°C für mindestens 4 Stunden einer i'ällungswärmebehandlung unterwirft»

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine anschließende Fällungswärmebehandlung bei einer Temperatur von 621 bis 677⁰C für mindestens 12 Stunden durchführt«.

3. Verfahren naoh Anspruch 1 oder 2„ dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungen bei einer Temperatur von 968 bis 101O⁰C für mindestens 1 Stunde einer Lösungswärmebehandlung unterwirft» mit einer Geschwindigkeit abkühlt, die Luftkühlung zumindest äquivalent ist, die Legierungen bei einer Temperatur von 704 bis 732⁰C für mindestens 6 Stunden einer Fällungswärmebehandlung unterwirft, an der Luft abkühlt, bei einer Temperatur von 621 bis 677⁰C für mindestens 12 Stünden einer Pällungswärmebehandlung unterwirft und an der Luft abkühlt»

4· Verfangen zur Verbesserung der Ermüduügsbeständigkeit von Schmiedestücken aus Legierungen auf NickelüaBia mit einer Zusammensetzung, die im wesentlichen innerhalb des bevorzugten Bereiches von Tabelle I liegt, gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnetj daß man die Schmiedestücke bei einer Temperatur von 932 bis 1010° 1 big 2 Stunden lang einer Lösungswärmebehandlung unterwirft, aiii einer Geschwindigkeit, die Luftkühlung zumindest äquivalent ist, abkühlt, die Schmiedestüoke bei einer Temperatur von 704 bis 732⁶C für 6 Mi θ Stünden

ÖAD ORIGINAL

einer Mllungswärmsbehandlung unterwirft, in Luft abkühlt, bei einer Temperatur von 635 bis 663⁰C für 12 Stunden einer 3Fällungsv/ärmebeb.andlung unterwirft und in Luft abkühlt.

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