DE2125562C3

DE2125562C3 - Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung dichter Körper aus Nickel-Superlegierungen

Info

Publication number: DE2125562C3
Application number: DE2125562A
Authority: DE
Inventors: S H Reichman
Original assignee: Federal Mogul LLC
Current assignee: Federal Mogul LLC
Priority date: 1970-07-10
Filing date: 1971-05-22
Publication date: 1974-01-10
Also published as: US3655458A; GB1304339A; CA918464A; CH575999A5; DE2125562B2; DE2125562A1; SE373160B; FR2098022A5

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dichter Körper aus Nickel-Superlegierungen, bei dem zunächst ein Superlegierungspulver höchster Reinheit bei sehr niedrigem Sauerstoffgehalt hergestellt und danach zu einem Knüppel mit nahezu theoretischer Dichte verdichtet und dieser Knüppel zum Zweck des geregelten Kornwachstums bei erhöhter Temperatur wärmebehandelt wird.

Ein solches Verfahren ist bekannt (»International Journal of Powder Metallurgy«, Januar 1970, S. 65 bis 75). Das bei dem Herstellungsverfahren verwendete Pulver wird üblicherweise durch Zerstäuben einer Schmelze der Superlegierung in einer Schutzgasatmosphäre hergestellt. Die Verdichtung des Pulvers erfolgt so, daß der Sauerstoffgehalt auf einem Minimum gehalten und nahezu theoretische Dichte erreicht wird. Obschon derartiges Halbzeug mit feinkörnigem Gefüge optimale mechanische Eigenschaften bei Temperaturen unter 650°C besitzt, sind meist Legierungen mit relativ grobem Korn erwünscht, da sie bei höheren Temperaturen verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen. Superlegierungen mit verhältnismäßig grobem Korn sind besondeis für die Fertigung von Bauteilen für Gasturbinen und Düsenstrahltriebwerke geeignet, welche hohen Temperaturen und hohen Beanspruchungen ausgesetzt werden. Das Kornwachstum kann durch die Behandlung bei erhöhter Temperatur erzielt werden. Es hat sich aber herausgestellt, daß beim Einsatz der in der vorbeschiiebenen Weise hergestellten Formkörper bei hohen Arbeitstemperaturen ein weiteres Kornwachstum auftritt, was zur Verschlechterung der optimalen mechanischen Eigenschaften führt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, Formkörper aus Superlegierungen, die in vorbekannter Weise hergestellt sind und bei Temperaturen eingesetzt werden, bei denen ein weiteres Kornwachstum möglich, aber unerwünscht ist, bezüglich ihres Kornwachstums zu stabilisieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von einem Pulver mit weniger als 200 ppm Sauerstoff und weniger als 700 ppm Kohlenstoff ausgegangen wird und nach dem Erreichen des gewünschten Kornwachstums der Knüppel aufgekohlt wird, um den Kohlenstoffgehalt derart zu erhöhen, daß Karbidbildung in erster Linie an den Korngrenzen in einem Ausmaß gefördert wird, daß bei höheren Temperaturen ein weiteres Kornwachstum verhindert wird.

Durch die Aufkohlung wird erreicht, daß die Karbibbildung an den Korngrenzen der Legierung stärker gefördert wird als in der Gamma-Matrix der Legierung. Dadurch wird eine Vergrößerung der bei der Wärmebehandlung erzielten Korngröße vermieden, so daß die erreichten optimalen mechanischen Eigenschaften bewahrt bleiben.

Vorzugsweise wird ein Legierungspulver verwendet, das weniger als 100 ppm Sauerstoff und weniger als 300 ppm Kohlenstoff aufweist.

Eine besonders gute Stabilisierung des Gefüges der Legierung wird erreicht, wenn so stark aufgekohlt wird, daß der Kohlenstoffgehalt im Bereich von 500 bis 2000 ppm liegt. Weiterhin hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn die Aufkohlung des Knüppels durch eine Gas-Aufkohlung bei einer Temperatur von weniger als der Hälfte der Schmelztemperatur der Legierung erfolgt.

Vorzugsweise wird die aufgekohlte Legierung einer Lösungsglühbehandlung bei erhöhter Temperatur unterworfen, um ihre Homogenität noch weiter zu erhöhen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung deutlich. Die Beschreibung wird verdeutlicht du^rch die Figuren; von diesen zeigt

F i g. 1 eine Mikroaufnahme einer verdichteten Nickel-Superlegierung vor der Wärmebehandlung (800fache Vergrößerung),

F i g. 2 eine Mikroaufnahme, lOOfache Vergrößerung, der in F i g. 1 gezeigten Legierung nach Wärmebehandlung bei 1232°C während 48 Stunden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf eine Vielzahl handelsüblicher Nickellegierungen anwendbar. Die Superlegierungen haben als Guß- und Knet.-werkstoff üblicherweise Karbid- und Gammaphasen. Solche Nickel-Superlegierungen enthalten beispielsweise 5 bis 25% Chrom, 1 bis 10% Aluminium, 0,5 bis 10% Titan, bis zu 10% Molybdän, bis zu 25% Wolfram, bis zu 25% Kobalt, bis zu 5% Niob, bis zu 0,07% Bor, bis zu 1,0% Zirkonium, bis zu 8% Tantal, bis zu 1% Hafnium, bis zu 1% Rhenium und Nickel als Rest zusammen mit den üblichen Verunreinigungen. Die Tabelle enthält eine Liste solcher Nickel-Superlegierungen.

Zusammensetzung einiger Nickel-Superlegierungen (Gewichtsprozent)

Legierung

Cr

Al

Ti

Co

Nb

Zr

andere

Nimonic 75
Nimonic 8OA ..
Nimonic 90 ....
Nimonic 95
Nimonic 100 ...

Waspaloy

Udimet700 ....

Rene 41

IN-100*)

MAR-M 200*) .

8-1900*)

INCO-713*) ...

M-252

*) Gußlegierung.

0,12
0,08
0,10
0,12
0,20
0,08
0,10
0,09
0,18
0,15
0,11
0,14

0,15

20
20
20
20
11
19
15
19
10
9
8
13

19

'1,5
1,6
2,0
5,0
1,3
4,3
1,5
5,5
5,0
6,0
6,0

1.0

0,5
2,4
2,4
3,0
1,3
3,0
3,5
3,1
5,0
2,0
1,0
0,75

2,5

5,0 4,4 5,2 10,0 3,0

12,5

17,5
17,5
20,0
13,5
18,5
11,0
15,0

10,0

1,0

2,3
Nb-I-Ta

0,008
0.030
0,005
0,015
0,015
0,015
0,010

0,005

0,08

0,05
0,05
0,07
0,10

4,3Ta

5,0Fe
(max.)

Rest Rest Rest Rest Rest Rest Rest Rest Rest Rest Rest Rest

Vor dem erfindungsgemäßen Verfahrensschritt werden Legierungen des eben genannten Typs üblicherweise in fünf Stufen behandelt. Die erste Stufe besteht meist aus einem Zerstäuben einer Legierungsschmelze. Es kann z. B. durch Benutzung der Zerstäuberdüse und Anwendung des Verfahrens, das in der USA.-Patentschiift 3 253 783 der Anmelderin beschrieben ist, erfolgen. Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist es, den Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalt der resultierenden verdichteten Mase auf einer Höhe unter 200 ppm bzw. 700 ppm zu halten, vorzugsweise auf weniger als 100 ppm Sauerstoff bzw. weniger als 300 ppm Kohlenstoff. Dadurch wird die Verdichtbarkeit des Legierungspulvers gewährleistet und eine geeignete Korngröße während der Wärmebehandlung des verdichteten Knüppels eizielt.

Wie üblich wird das Innere der Zerstäubungsvorrichtung evakuiert, dann mit praktisch trockenem, nicht oxydierendem Gas durchströmt, wonach die Zerstäubung der. Superlegierungsschmelze mittels inertem Gas vorgenommen wird. Die erstarrten Pulverteilchen sind im allgemeinen von kugeliger Gestalt und von im wesentlichen gleicher chemischer Zusammensetzung. Das Pulver wird einer Klassierung unterworfen, um Teilchen eines Durchmessers von etwa 1 bis 100 μπι abzutrennen. Besonders gute Ergebnisse werden mit Pulvern erreicht, deren Teilchendurchmesser etwa 10 bis 60 μιη mißt. Solche Pulver werden bevorzugt, weil mit ihnen im frei fließenden Zustand optimale Schüttdichte erreicht wird, was die nachfolgende Verdichtung zu einem Knüppel von annähernd 100% der theoretischen Dichte erleichtert.

Die zweite Verfahrensstufe, die Verdichtung des Legierungspulvers, kann z. B. durch Strangpressen, Heißschmieden, Vakuumpressen mit P'reßwerkzeug, isostatisches Heißpressen, Explosionsverdichten usw. erfolgen. Auch hierbei muß jegliche Oxydation und Karbonisierung des Pulvers vermieden werden. Für die meisten Superlegierungen, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind, sind Verdichtungstemperaturen im Bereich von etwa 1038 bis 1371⁰C vorteilhaft.

Beim Explosionsverdichten wird das Pulver gewöhnlich nicht vorgewärmt. Beim Warmstrangpressen oder Heißschmieden wird das Pulver in einen geeigneten Behälter eingeschlossen, der vor dem Füllen evakuiert und danach abgedichtet wird. Um optimale Dichtpackung des Pulvers zu gewährleisten, wird der Behälter einer Schall- oder Ultraschall-Vibration unterworfen; hierdurch wird eine Dichte von gewöhnlich 60 bis 70% der theoretischen erreicht. Mehrstufige Verdichtungsverfahren können auch in Betracht gezogen werden, einschließlich der Vorverdichtung des Pulvers in einem Formhohlraum bei den vorstehend beschriebenen Verdichtungsverfahren.
Unabhängig davon, welches Verdichtungsverfahren angewandt wurde, ist das Gefüge des Superlegierungsknüppels durch eine sehr kleine und durchgehend gleichmäßige Korngröße gekennzeichnet. Der resultierende Knüppel wird üblicherweise einer weiteren Verformung unterworfen. Es ist festgestellt worden, daß Knüppel mit einer durchschnittlichen Korngröße unter etwa 2,5 μιη superplastisch sind. Ein typisches Mikrogefüge eines stranggepreßten Superlegierungsknüppels zeigt F i g. 1; es ist die Mikroaufnahme eines nach Marble geätzten Schliffes, in 800facher Vergrößerung. Sie zeigt eine Superlegierung, weiche aus 10,76% Chrom, 6,45% Aluminium, 4,98% Titan, 4,14% Molybdän, 17,11% Kobalt und Nickel als Rest besteht. Der Knüppel enthält etwa 90 ppm Sauerstoff und etwa 50 ppm Kohlenstoff. Diese Legierung wurde zerstäubt, die kugelförmigen Pulverteilchen wurden gesiebt, Teilchen eines Durchmessers von 10 bis 60 μιη ausgewählt, in einen langen zylindrischen Flußstahlbehälter gegeben, der evakuiert worden war und anschließend zugeschweißt wurde. Der Behälter samt Inhalt wurde danach auf eine Temperatur von etwa 1149°C erhitzt und dann mit einem Preßverhältnis von 18:1 .stranggepreßt. Die Wärmebehandlung des Knüppels als dritte bzw. des geformten Teiles als vierte Verfahrensstufe wird bei einer Temperatur vorgenommen, die vorzugsweise nahe unter der Schmelztemperatur der Gamma-Phase liegt, d. h. für die meisten Nickelsuperlegierungen im Bereich von 1204 bis 1371 "C. Diese Temperatur liegt gewöhnlich über der Lösungstemperatur der Gamma-Phase, der verschiedenen Karbidphasen und anderer komplexer Verbindungen an den Korngrenzen, wodurch das Kornwachstum im Gefüge weiter gefördert wird. Die Dauer der Wärmphehiinrlliinn W:inn 'ih-

hängig von der gewünschten Korngröße verschieden sein. Wärmebehandlungen während 30 bis 60 Stunden bei 1149 bis 1316"C haben sich für die meisten Nickel-Superlegiei'Lingcn als befriedigend erwiesen. Das entstehende Mikrogefüge solcher Legierungen hat eine durchschnittliche Korngröße von etwa 3,175 mm.

Die Wirkung der Wärmebehandlung auf die Korngröße der Supcrlcgicrungsknüppcl geht aus einem Vergleich der Mikroaufnahmen in I⁷ i g. 1 und 2 hervor. Wie weiter oben ausgeführt, ist die in I·" i g. I wiedergegebene Mikroaufnahme eine SOOfaclic Vergrößerung eines slranggepreßten Knüppels. F i g. 2 ist eine Mikroaufnahme eines nach Marble geätzten Schliffes in lOOfachcr Vergrößerung des in F i g. 1 gezeigten Knüppels, nachdem er 48 Stunden lang bei 1232°C geglüht worden ist.

Nach Abschluß der Wärmebehandlung wird der grobkörnige Knüppel oder gefomtc Teil der Superlegicrung der crfindungsgcmäfien Aufkohlung umerzogen, um eine Stabilität gegenüber weiterem Kornwachstum im Einsatz bei höheren Temperaturen zu erreichen. Die Karbonisierung kann nach irgendeiner der bekannten Techniken durchgeführt werden, wie PuIveraufkohlung, Uadaufkohlung undGasaufkohlung. Bevorzugt ist die Gasaufkohlung unter Verwendung eines Gemisches von Erdgas und Wasserstoff. Wahlweise können die bekannten Trägergase im Gasaufkohlungsofen zur Verdünnung des Kohlenwassersloffgases zur gewünschten Konzentration benutzt werden.

Es ist gefunden worden, daß durch Regulierung der Aufkohlungstemperalur'auf weniger als die Hälfte der Schmelztemperatur der Legierung eine bevorzugte Karbidbildung entlang der Korngrenzen und nicht in der Gamnia-Phase eintritt. Dabei ist nämlich die DifTusionsgesehwindigkcit in den Bereichen der Korngrenzen'merklich höher als im Korninncren. In jedem Fall wird auf einen Kohlenstoffgehalt von etwa 500 bis etwa 2000 ppm aufgekohlt. Bei Werten unter 500 ppm hat sich in manchen Fällen gezeigt, daß weiteres Kornwachsen slattlindct, wenn die Legierung

ίο bic höheren Temperaturen eingesetzt wird. Bei einem Kohlenstoffgehalt über 2000 ppm werden die meisten Supcrlcgicrungen spröde, weshalb eine Steuerung des Kohlcnstoffgehaltes unter diesem Wert zweckmäßig ist. Der optimale Kohlenstoffgehalt wird durch die mechanischen Eigenschaften, die Korngröße und die Stabilität der Legierung gegen weiteres Kornwachstum bestimmt.

Nicht immer notwendig, aber zweckmäßig ist nach Abschluß der Aufkohlung ein Lösungsglühen, um eine bessere Homogenität des Legicrungsgefüges zu erzielen. Es wird bei Temperaturen von etwa 1093 bis 1260"C, vorzugsweise von 1149 bis 1204⁰C lösungsgeglüht.

Einr beispielsweise verarbeitete Nickelsuperlegicrung hatte einen Kohlenstoffgehalt von etwa 50 ppm; sie wurde in einem Gasaufkohlungsofen während 7 Stunden bei 760⁰C aufgekohlt. Das Gasgemisch bestand aus 10 Volumprozent Erdgas und 90 Volumprozent Wasserstoff. Durch die Behandlung erhöhte sich der Kohlenstoffgehalt der Legierung auf über 500 ppm; die Karbide bildeten sich vorwiegend an den Korngrcnzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung dichter Körper aus Nickel-Superlegierungen, bei dem zunächst ein Superlegierungspulver höchster Reinheit bei sehr niedrigem Sauerstoffgehalt hergestellt und danach zu einem Knüppel mit nahezu theoretischer Dichte verdichtet und dieser Knüppel zum Zweck des geregelten Kornwachstums bei erhöhter Temperatur wärmebehandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulver mit weniger als 200 ppm Sauerstoff und weniger als 700 ppm Kohlenstoff in bekannter Weise verdichtet und der wärmebshandelte Knüppel aufgekohlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen Kohlenstoffgehalt von 500 bis 2000 ppm aufgekohlt wird. ao

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gas-Aufkohlung bei einer Temperatur von weniger als der Hälfte der Schmelztemperatur der Legierung vorgenommen

.wird. '

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dei aufgekohlte Legierungskörper einer Lösungsglühbehandlung bei erhöhter Temperatur unterworfen wird.

5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auf ein Legierungspulver mit weniger als 100 ppm Sauerstoff und weniger als 300 ppm Kohlenstoff.