DE2401849C2

DE2401849C2 - Verfahren zum Herstellen von verformten Gegenständen aus einer dispersionsverfestigten Legierung

Info

Publication number: DE2401849C2
Application number: DE2401849A
Authority: DE
Inventors: Dante James Huntington W.Va. Cometto; Robert Edward Crickmer; Irvin Huntington W.Va. Kirk; Jeremy Painter Chesapeake Ohio Morse
Original assignee: INCO EUROPE Ltd LONDON GB
Current assignee: INCO EUROPE Ltd LONDON GB
Priority date: 1973-01-17
Filing date: 1974-01-16
Publication date: 1983-01-27
Also published as: FR2213990A1; GB1433852A; CA990979A; JPS49102506A; IT1013046B; FR2213990B1; AU6426374A; US3814635A; SE403626B; DE2401849A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen verformter Gegenstände aus einer dispersionsverfestigten Legierung, bei dem ein Legierungspulver aus Verbundteilchen mit einer querfesten Dispersionsphase und inneren Spannung warmverdichtet und inschließend geglüht wird.

Es ist bekannt, daß dispersionsverfestigte Superlegierungen, d. h. aushärtbare und hitzebeständige Legierung«e eine hohe Zeitstandfestigkeit bei hohen Temperaturen besitzen, wenn ihr Gefüge aus einem groben und gestreckten Korn besteht. In der deutschen Offenlegungsschrift 21 33 186 ist ein Verfahren zum Herstellen von Knetlegierungen bzw. verformter Teile mit einem derartigen Gefüge beschrieben, bei dem ein mechanisch legiertes Pulver unter bestimmten Bedingungen ge- v> formt und verdichtet sowie einem Grobkornglühen, beispielsweise einem in der deutschen Offenlegungsschrift 23 03 802 beschriebenen Zonenglühen unterworfen wird.

Das Glühen wird so durchgeführt, daß sich das gewünschte Grobkorngcfüge, vorzugsweise mil einem Achsenverhältnis, d. h. mit einem Verhältnis des mittleren Korndurehmessers in der Hauptachse zum mittleren Durchmesser des Korns in der kleinen Achse, von über 10:1 ergibt. Dabei kommt es jedoch häufig so vor, daß das Gefüge auch noch feines Korn enthält, wodurch die Warmfestigkeit der Legierung beeinträchtigt wird.

Die Erfindung basiert nun auf der Peststellung, daß sich die Gefahr einer Feinkornbildung ganz oder doch zumindest weitestgehend vermeiden läßt, wenn das Maß der Warmverformung vor dem Grobkornglühen begrenzt und das gewünschte Grobkorn mit hohem Achsenverhältnis durch eine weitere Verformung nach dem Glühen eingestellt wird. Im allgemeinen ergibt sich, daß mit niedrigerem Achsenverhältnis des Grobkorns die Wahrscheinlichkeit eines feinkornfreien Gefüges umso größer wird.

Im einzelnen bezieht sich die Erfindung üiif eins Verfahren zum Herstellen verformter Gegenstände aus einer dispersionsverfestigten Legierung mit einem ürobkorngefiige mit gestrecktem Korn, bei dem ein einen Disnersoid enthaltendes und Restspannungen aufweisendes Pulver warmverdichtet bzw, heißgepreßt und anschließend grobkomgeglüht wird, Dabei wird das Pulver vor dem Glühen soweit verformt, daß die mittlere Korngröße des warmverdichteten Teiles höchstens 10 μνα und das Achsenverhältnis des sich nach dem Glühen einstellenden Grobkorns höchstens 8 :1, vorzugsweise höchstens 4:1 beträgt Nach dem Glühen wird das Grobkorn dann durch ein weiteres Warmverformen auf ein Achsenverhältnis über 8 : 1 gebracht.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Anwendung auf mechanisch legierte Pulver, deren Teilchen vom mechanischen Legieren her innere Spannungen aufweisen. Andererseits läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch mit anderen Pulvern aus Teilchen mit Restspannungen anwenden. Das Verfahren zum Herstellen von Pulvern mit einen feuerfesten Dispersoid enthaltenden Teilchen durch mechanisches Legieren ist in der deutscher, Offenlegungsschrift 12 65 743 beschrieben.

Vorzugsweise kommt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Pulver zur Verwendung, das im Hinblick auf eine homogene Zusammensetzung, insbesondere auf eine gleichmäßige und feindisperse Verteilung der Dispersoidphase in den Teilchen bis über die Sättigungshärte hinaus gemahlen worden ist Die Homogenität des Pulvers sollie dabei so weit gehen, daß bei 250facher Vergrößerung eines Schliffbildes die anfänglichen Pulverbestandteile nicht erkennbar sind. Die Teilchengröße des mechanisch legierten Pulvers aus Verbundteilchen kann 3 bis 500 μπι oder auch mehr betragen. Vorzugsweise liegt sie bei 20 bis 200 μΐη..

Das Pulver wird vorzugsweise durch Warmstrangpressen geformt und verdichtet, wenngleich sich auch andere Verfahren der Warmverformung, beispielsweise ein Heißpressen oder Warmwalzen eignen. Von besonderer Bedeutung ist der Verformungsgrad beim Warmformen vor dem Grobkornglühen. Dabei muß der Verformungsgrad ausreichen, um ein feinkörniges Gefüge mit einer durchschnittlichen Teilchengröße unter 10 μπι und nach dem Glühen ein möglichst niedriges Achsenverhältnis von höchstens 8:1 zu gewährleisten. Im einzelnen hängt der Verformungsgrad von der Verformungstemperatur, der Querschnittsabnahme und der Dehnungsgeschwindigkeit ab. So erfordern beispielsweise höhere Strangpreßtemperaturen oder ein niedrigeres Preßverhältnis höhere Stempelgeschwindigkeiten um ein bestimmtes Gefüge einzustellen. Dehnungsgeschwindigkeit und Querschnittsabnahme sind beim Heißpressen oder Warmwalzen im allgemeinen geringer als be*m Warmstrangpressen. Sofern sich aus irgendeinem Grunde ein zu geringer Verformungsgrad ergibt, kann der Preßkörper in einem besonderen Verfahrensschritt beispielsweise durch ein Stauchen, Schmieden oder Walzen vor dem Grobkornglühen weiterverformt werden. .

Beim Grobkornglühen wird die Legierung auf eine Temperatur dicht unter dem Schmelzbeginn erwärmt und auf dieser Temperatur solange gehallen, bis sich ein Grobkorngefüge ergibt, bei dem der kleinste Durchmesser des kleinsten Korns mindestens ΙΟμιτι und der mittlere kleinste Durchmesser mindestens 200 μπι bis 1000 μηι oder mehr beträgt.

Nach dem Einstellen des im wesentlichen feinkornfreien Gefüges wird der Formkörper erneut verformt, um ein gestrecktes Grobkorn mit einem Achsenverhältnis von mindestens 8:1 bis 64 : I oder mehr einzustellen. Ungeachtet der Art des Verfahrens müssen die Temperatur, der Verformungsgrad und die Quer-

schnittsabnahme 50 gewählt werden, daß kein Feinkorn entsteht.

Pie Warmverformung kann entweder in einer einzigen Richtung, beispielsweise durch ein Walzen in nur einer Richtung, oder in mehreren Richtungen, beispielsweise durch ein Überkreuze:t erfolgen. Beim Walzen in einer Richtung ergibt sich im allgemeinen ein faserartiges Gefüge, während sich beim Walzen in zwei Richtungen ein plättchenförmiges Korn ergibt

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für eine große Zahl dispersionsverfestigter Legierungen, insbesondere aber für dispersionsverfestigte Superlegierungen.

Die Bedingungen der einzelnen Verfahrensschritte hängen im Einzelfall von der Legierungszusammensetzung ab. Als Ausführungsbeispiel wird die Erfindung nachfolgend anhand einer Nickel-Superlegierung mit 10 bis 22% Chrom, 2 bis 3% Titan, 1 bis 2% Aluminium und

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15 0,5 bis 2 Vol.-% eines Djspersoids, beispielsweise Yunumoxyd, Rest Nickel einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen des näheren erläutert.

Ein mechanisch legiertes Pulver der vorerwähnten Zusammensetzung kann bei 900 bis H 50° C und einem Strangpreßverhältnis von mindestens 4 :1, vorzugsweise mindestens 5 ; 1 und einer Dehnungsgeschwindigkeit warmstranggepreßt werden, die ein ausreichend feinkörniges Gefüge gewährleistet Die Dehnungsgeschwindigkeit ist der Preßstempelgeschwindigkeit direkt proportional. In der nachfolgenden Tabelle sind daher die für eine typische Legierung bei verschiedenen Preßtemperaturen erforderlichen Mindestgeschwindigkeiten, Strangpreßverhältnisse und Aufnehmerdurchmesser zusammengestellt Die Daten wurden unter Vervendung eines mechanisch legierten Pulvers A mit 20% Chrom, 23% Titan, 1,5% Aluminium und Yttriumoxyd, Rest Nickel ermittelt

Strangpreß- temperet ur °C	Preßverhältnis	Min. Stempelgeschwindigkeit (cm/sec) 22\9 cm 28,0 cm 35,6 cm 0 0 0	11.4	15.4
982	8:1	10.2	8.9	10.2
982	12:1	7.6	6.3	7.6
982	16:1	5.1	5.1	6.3
982	20:	3.8	45.7	—
1010	8:	38.1	293	36.9
1010	12:	22.9	20.3	25.4
1010	16:'	16.5	15.4	19.0
1010	20:1	11.4	-	—
103S	20:1	43.2	33.0	41.9
1038	25:1	28.0	22.9	28.0
1038	30:1	17.8

Das Gefügekorn eines Preßkörpers aus einer Superlegierung der vorerwähnten oder ähnlicher Art läßt sich durch ein etwa 30minütiges Glühen bei 1200⁰C, beispielsweise bei 1220 bis 1345° C vergröbern. Danach kann der Preßkörper bei einer Temperatur von 980 bis 120O⁰C, vorzugsweise bei 1065 bis 1180⁰C und besser noch bei 1090 bis 1150° C warmverforml werden, um ein Gefüge mit einem gestreckten Grobkorn einzustellen. Dabei sollte die Querschnittsabnahme mindestens 35%, vorzugsweise mindestens 50% betragen. Erfolgt das Warmverformen in mehreren Stichen, dann sollte jeder Stich vorzugsweise mit einer Querschnittsabnahme unter 30% verbunden sein.

Im Rahmen eines Versuches wurde eine 36,25 kg-Charge aus 24,86 kg Nickelpulver mit einer Teilchen- größe von 4 μπι, 732 kg Chrompulver mit einer Teilchengröße von 6 μιη, 3,37 kg einer Nickel-Titan-Aluminium-Vorlegierung mit einer Teilchengröße unter 74 μιη und 03 kg Yttriumoxyd mit einer Teilchengröße von 28 μπι 10 Stunden in strömendem Stickstoff mit etwa 0,25% Luft in einer 378 I-Szegvari-Kugelmühle bei einer Impcllergcschwindigkeit von 98 Upm in Anwesenheit von 725 kg Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 7 mm bei einem Verhältnis Kugeln/Pulver von 20 : I mechanisch legiert, um dns vorerwähnte Pulver A herzustellen. Das mechanische legierte Pulver aus Verbundteilchen wurde in eine Hülse aus weichem Stahl mit einem Durchmesser von 22,2 cm eingefüllt und diese verschlossen. Alsdann wurde die Hülse auf 980° C erwärmt und mit einer Stempelgesclrwindigkeit von 63 cm/sec in einer Strangpresse mit einem Aufnehmerdurchmesser von 22,9 cm bei einem Strangpreßverhältnis von 16:1 warmstranggepreßt.

Ein Probestück des Preßkörpers wurde 30 Minuten bei 13I5°C grobkorngeglüht. Die melallographische Untersuchung ergab ein feinkornfreies Gefüge, dessen Achsenverhältnis mit 8 ; 1 an der oberen Grenze lag. Die Untersuchung der Zeitstandfestigkeit ergab bei einer Temperatur von 1038°C und einer Belastung von 120,6 N/mm² eine als üblich zu bezeichnende Standzeit von 26,9 Stunden.

Ein weiteres Probestück wurde ebenfalls 30 Minuten bei I3I5°C grobkorngeglüht, danach jedoch in einem Walzgerüst mit einem Walzendurchmesser von 36,6 cm und einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 95 Upm bei 1120⁰C in 10 Stichen mit einer Gesamtquerschnittsabnahme von 75% warmgewalzt, um auf ein Achsenverhältnis von 64 :1 zu kommen. Die Untersuchung der Zeitstandfestigkeit bei einer Temperatur von 1038° C und der höheren Belastung von 151,7 N/mm² ergab eine ausgezeichnete Standzeit von 21,6 Stunden. Ein weiteres Warmverformen führt zu einer außerordentlichen Erhöhung der Zeitstandfestigkeit um 31 N/mm².

Bei den Versuchen zeigte sich, daß die feindisperse Verteilung der Dispersoidphase im Endprodukt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unter dem Grobkornglü-

hen und dem afeehiießenden Warmverformen kaum leidet. So konnten trotz der erheblichen Korngröße auch bei 20 OOOfacher Vergrößerung im Anschluß an ein 30minütiges Glühen bei 13J5°C keine Dispersoidzusammenballungen festgestellt werden,

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch andere dispersjonsverfestigte Superlegierungen eingesetzt werden, wie beispielsweise mindestens 25% mindestens eines der Metalle der Eisengruppe und bis 10 VoI.-% Feuerfestdispersoid enthaltende Superlegie- |o rungen. Solche Legierungen können außerdem bis 65% Chrom, bis 8% Aluminium, bis 8% Titan, bis 40% M&Iybdän, bis 40% Wolfram, bis 20% Niob, bis 30% Tantal, bis 40% Kupfer, bis 3% Vanadin, bis 15% Mangan, bis 2% Kohlenstoff, bis 2% Silizium, bis 1% is Bor, bis 2% Zirkonium, bis 0,8% Magnesium und bis 4% Hafnium enthalten. V'orteilhafterweise enthält die Superlegierung5 bis 35% Chrom, 0,2 bis 5% Aluminium, 02 bis 5% Titan, 0 bis 4% Molybdän, 0 bis 6% Wolfram, 0 bis 10% Niob, 0 bis 3% Tantal, 0 bis 2% Vanadin, 0 bis 2% Mangan, 0 bis 1% Silizium, 0 bis 0,75% Kohlenstoff, 0 bis 0,1% Bor, 0 bis 1% Zirkonium, 0 bis 0,2% Magnesium, 0 bis 40% Eisen und bis 5 Vol,*% oder bis 7 Vo|,-% mindestens eines feuerfesten Dispersofds mit einer mittleren Teilchengröße von 5 bis 100 nnv Rest mindestens insgesamt 40% Nickel und/oder Kobalt,

Als feuerfester Dispersoid sind insbesondere Oxyde, Karbide, Nitride und Boride, beispielsweise des Yttriums, des Lanthans und des Thoriums geeignet. Des weiteren kommen die Oxyde des Zirkoniums, des Thara, des Cers, des Berylliums und des Aluminiums in Frage, Ganz allgemein eignen sich solche feuerfesten Oxyde, deren negative freie Entalphie bei 25°C mindestens 90 kcal je Grammatom Sauerstoff und deren Schmelzpunkt mindestens etwa 1300⁰C beträgt Dies gilt insbesondere für Yttrium-, Lanthan, Cer-, Zirkonium- und Thoriumoxyd mit einer Teilchengröße unter etwa 1 μΐπ, vorteilhafterweise unter 0,1 μηι.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Teile aus dispersionsverfestigt?n Superlegierungen eignen sich wie bei Gasturbinenschaufeln und Ventilen insbesondere zum Einsatz bei hoher Temperatur und Belastung.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen verformter Gegenstände aus einer dispersionsverfestigten Legierung, bei dem ein Legierungspulver aus Verbundteilchen mit einer feuerfesten Dispersoidphase und inneren Spannungen warmverdichtet und anschließend grobkomgeglüht wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Grobkornglühen durch Warmverformen die mittlere Korngröße auf höchstens 10 μπι und das Achsen verhältnis auf höchstens 8:1 sowie nach dem Grobkornglühen durch weiteres Warmverformen das Achsenverhältnis auf über 8 :1 eingestellt wird. !5

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Achsenverhältnis vor dem G'nhen auf höchstens 4 :1 eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Achsenverhältnis nach dem Glühen auf mindestens 12:1 eingestellt wird.