DE2324376C2

DE2324376C2 - Gerichtet erstarrtes Superlegierungsgußstück

Info

Publication number: DE2324376C2
Application number: DE2324376A
Authority: DE
Inventors: Anthony Francis Middletown Conn. Giamei; Bernard Henry Madison Conn. Kear; Johann Gustav South Glastonbury Conn. Tschinkel
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1972-05-17
Filing date: 1973-05-14
Publication date: 1982-12-16
Also published as: AU475256B2; GB1426805A; AU5465573A; CA981487A; JPS4949822A; IT987404B; DE2324376A1; FR2184610B1; FR2184610A1; SE388795B

Description

Durch das deutsche Patent 22 42 111 wird der Vorschlag gemacht. Gußstücke mit gerichtet erstarrtem Gefüge dadurch herzustellen, daß eine Gußform auf eine Abschreckplatte aufgebracht und bis über den Schmelzpunkt des zu gießenden Metalls aufgeheizt und dann die Form vollgegossen wird, worauf dann die Abschreckplatte mit der darauf befindlichen Form langsam in ein Kühlbad eingetaucht wird.

Durch diese Arbeitsweise lassen sich Gußstücke mit einem verringerten Dendritenabstand erhalten. Ein verringerter Dendritenabstand beim gerichteten Erstarren von Gußstücken ist besonders erwünscht. Bei einem solchen gerichteten Erstarren bilden sich in dem Einkristalloder Stengelgefüge des Gußstücks Dendriten, die sich von dem umgebenden Material durch Unterschiede in der Konzentration einiger Gefügebestandteile unterscheiden. Beispielsweise sammeln sich eingebettete Carbidteilchen und eutektische Mikrobestandleile in den normalerweise wieheren Gebieten zwischen den Dendriten an, wodurch die Festigkeit der Legierung verringert wird. Durch Verringerung des Dendritcnabslands kann aber die Größe der eingebetteten Teilchen und der Ansammlungen von Mikrogefügebestandteilen verkleinert werden.

Es wurde nunmehr gefunden, daß es auch möglich ist. durch andere Verfahren gerichtet erstarrte Superlegierungsgußstücke zu erhalten, die einen solchen verringerten Dendritenabstand aufweisen.

Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß gerichtet erstarrte Superlegierungsgußstücke, die mit solchen Verfahren erhältlich sind, durch einen primären Dendritenabstand von weniger als 0,125 mm auszeichnen. Basiert die Superlegierung auf Nickel, dann zeichnen sich solche Gußstücke dadurch aus, daß die durchschnittlichen Abmessungen der 7 v'-euteklischen Mulden und die Abmessungen von gegebenenfalls vorhandenen MC-Carbidteilchen weniger als 0,002 bzw. 0,005 cm betragen.

Die erwähnten verringerten Dendritenabstände werden erhalten, wenn die Erstarrungsgeschwindigkeiten mehr als uiigcführ 63 em h betragen. Dies steht im Gegensalz von 10 bis 30 cnv'h bei älteren Verfahren, wie sie beispielsweise aus den US-PSen 3 260 505 und 3474 709 bekannt sind.

Die erfindiingsgemäßen Gußstücke besitzen wegen des verringerten Dendritenabstands nicht nur eine erhöhte Festigkeit, sondern sie zeigen auch ein besseres Tempe- ηί rungsverhalten. Nach Beendigung des Gusses ist es häufig erwünscht, das Gußstück durch Aufheizen auf eine Temperatur nahe der Solidus-Tempcralur /u homogenisieren. Da die Diffusion in festem Zustand ein langsames Verfahren ist, kann diese Homogenisation der Legierung einige 100 h erfordern, wenn der Dendritenabstand relativ groß ist. Eine normale und vollständige Homogenisation ist bei einer solchen groben Dcndritenstrukiur deshalb nicht wirtschaftlich. Die Diffusionszeit für eine vollständige Homogenisation bei einer gegebenen Temperatur ist proportional dem Quadrat des Abstands zwischen den Dendriten, so daß eine Verminderung des Dendritenabstands um den Faktor IG die Temperungszeit um den Faktor 100 verringern kann. Durch die Erfindung wird die erforderliche Zeit für eine vollständige Diffusion auf wenige Stunden verringert.

Die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gußstücke erforderliche schnelle Entfernung der Wärme kann dadurch erreicht werden, daß die Form mit dem eingefüllten flüssigen Metall in ein flüssiges Kühlmittel eingetaucht wird.

Eine für dieses Verfahren geeignete Vorrichtung besitzt eine Heizkammer, in welcher sich die Form befindet und in welcher die Form auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des zu gießenden Metalls gebracht wird. Weiterhin besitzt die Form einen Behälter für ein flüssiges Bad unterhalb der Heizkanimer, in welches die Form abgesenkt werden kann. Außerdem ist eine Einrichtung zum Füllen der Form und eine Einrichtung zum Absenken der Form von der Heizkammer in das flüssige Bad vorhanden. Beider Herstellung eines erfindungsgemäßen Gußstücks wird die Form vordem Füllen mit dem flüssigen Metall auf eine Temperatur oberhalb der Schmelzpunkte des betreffenden Metalls gebracht, worauf das geschmolzene Metall in die Form eingegossen wird und die Form langsam aus der Heizzone in die Kühlflüssigkeit abgesenkt wird.

Erfindungsgemäße Gußstücke können aber auch mit Hilfe einer Vorrichtung erhalten werden, bei der die Form von einem Behälter umgeben ist. der langsam mit dem flüssigen Kühlmittel gefüllt werden kann.

Wesentlich ist, daß bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Gußstücke die mit dem geschmolzenen Metall gefüllte Form langsam vom Boden bis zur Oberseite mit einer Kühlflüssigkeit umgeben wird, wobei der Pegel des Kiihlbads langsam rund um die Form nach oben steigt. Eine geeignete Kühlflüssigkeit ist beispielsweise geschmolzenes Zinn.

Die Wirkung der hohen Erstarrungsgeschwindigkeit, mit der die erfindungsgemäßen Gußstücke hergestellt werden, ist aus den beigefügten Figuren 1. 2 und 3 zu sehen.

Figur 1 zeigt eine schräg verlaufende MikroStruktur eines Einkristalls aus einer MAR-M 200-Legierung, die unter Verwendung der Erstarrungstechnik gemäß der US-PS 3 260 505 erhalten worden ist. Es sind große Dendriten mit einem vergleichbar großen Dendritenabstand zu sehen, wobei die weißen Zonen eutektische Mikrogefügebestandteile sind, die Inhomogenitäten darstellen, die die Härte der Legierung verringern. Figur 2 zeigt eine ähnliche MikroStruktur der selben Legierung, die gem. der Erfindung mit einer Erstarrungsgeschwindigkeit von 63,5 cm h hergestellt worden ist. Die Dendritenstruktur ist wesentlich feiner und die Dendritenabstände sind geringer. Auch sind die eutektische!! Mikrogefügcbestandteilc kleiner. Die Legierung ist somit von Haus aus fester und widerstandsfähiger gegen Ermüden.

Figur 3 zeigt eine schrägliegende MikroStruktur der gleichen Legierung wie in den Figuren I und 2. Das Gußstück wurde jedoch mit einer Erstarrungsgeschwindigkeit von 457 cm h abgekühlt. Bei einer solchen Erstar-

rungsgeschwindigkeit ist die Dendritenstruklur und der Dendritenabstand noch wesentlich kleiner. Außerdem sind die eutektischen Mikrogefügebestandteile aufgrund des geringeren Dendritenabstands viel kleiner.

Bei den Gußstücken von Figur 2 und Figur 3 geht die MikroStruktur durch das ganze Gußstück hindurch und gewährleistet somit gleichförmige mechanische Eigenschaften.

Die eutektischen Mikrogefügebestandteile in diesen Mikrostrukturen können verringert oder ganz beseitigt werden, wenn die Legierung dicht unter der So.idus-Temperatur getempert wird.

Superle^ierungen wurden bisher normalerweise nicht durch tempern homogenisiert, da hierzu einige tausend Stunden Wärmebehandlung erforderlich waren. Durch die hyperfeine Struktur, welche die erfindungsgemäßen Gußstücke aufweisen, kann eine Homogenisierung in einigen Tagen bewerkstelligt werden.

Der Grad der Dendritenverfeinerung, welche gemäß der Erfindung mit der Legierung MAR-M 200 erhallen werden kann geht aus den folgenden Tabellen hervor.

Tabelle I

Abstände von primären Dendriten und sekundären
Dendrilenarmen unter verschiedenen Erstarrungsbedingungen.

Erstarrungs- Solidus- Primärer Sekundärer

geschwin- Gradient Absland Abstand

digkeit

cmli °C cm mm mm

6.6
39.8

58,8
63.4

0,38
0.25
0.11
0,04

0.12
0.07
0.04
0.01

Die Werte der Tabelle 1 beziehen sich in allen Fällen auf eine Höhe von 12cm über der Unterseite des Gußstücks. Der primäre Abstand ist der durchschnittliche Abstand zwischen benachbarten Dendritenkernen, welche auf einer polierten und geätzten Oberfläche senkrecht zur Wachstumsrichtung beobachtet wurden. Der sekundäre Abstand ist der du^rchschnittliche Absland zwischen benachbarten sekundären Dendritenarmen, welche auf einer Probe in der Wachstumsrichtung beobachtet wurden. Es wird darauf hingewiesen, daß beide Abstände Durchschnittswerte darstellen und wenig statistisches Gewicht haben, da sie experimentell von einer kleinen Zahl von Beobachtungen erhalten wurden, die um ±25 % von den Durchschnittswerten abwichen. Die Neigung zur Bildung von kleineren Abständen bei höheren Erstarrungsgeschwindigkeiten ist jedoch klar erkennbar. Obwohl MC-Carbide und ■/ -/'-eutektische Mulden aufgrund ihrer unregelmäßigen Form nur schwer zu charakterisieren sind, so sollen trotzdem typische Größen in der folgenden Tabelle Il angegeben werden.

Tabelle Il

Typische Abmessungen von Mikrogefügebestandteilen.

Erstarrungsgeschwindigkeit

cm h

durchschnittlicher

Durchmesser der

eutektischen

Mulden

mm mm

Hauptabmessungen der MC-Carbide"

IO
30

63.5
455

0.10
0.05
0.02
0.007

0.Π
0.10
0.04
0.15

Zwar wurden die eutektischen Mulden und die Teilchen aus MC-Carbiden kleiner, aber hinsichtlich des Gesamtvolumens konnten keine größeren Änderungen festgestellt werden. Die eutektischen Mulden gehen auf eine Aussonderung zurück und können deshalb durch eine Wärmebehandlung in Lösen gebracht werden. Solche Mulden werden oftmals als nicht im Gleichgewicht befindliche Mikrobestandteile bezeichnet. Das MC-Carbid ist jedoch eine Gleichgewichtsphase die ihren Ursprung in der Schmelze hat. Ihr Voluinenanteil ist deshalb von der Vcrfestigungsgeschwindigkeil unabhängig.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gerichtet erstarrtes Superlegierungsgußstück mit slengelförmiger oder monokristaliiner Morphologie mit hyperfeiner dendritischer Struktur, gekennzeichnet durch einen primären Dendritenabstand von weniger als 0.125 mm.

2. Gußstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Superlegierung eine solche auf Nickelbasis ist und daß die durchschnittlichen Abmessungen der y/y'-eutektischen Mulden und die Abmessungen von gegebenenfalls vorhandenen MC-Carbidteilchen weniger als 0,002 bzw. 0,005 cm betragen.

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