DE2503165A1

DE2503165A1 - Verfahren zur herstellung eines werkstoffes mit oertlich unterschiedlichen materialeigenschaften und anwendung des verfahrens

Info

Publication number: DE2503165A1
Application number: DE19752503165
Authority: DE
Inventors: Michael J Dr Bomford; Gernot Dr Gessinger
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-12-23
Filing date: 1975-01-27
Publication date: 1976-06-24
Also published as: FR2295809A1; JPS5852524B2; GB1525290A; FR2295809B3; CH602237A5; DE2503165C2; US4101712A; JPS5187108A

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes mit örtlich unterschiedlichen Materialeigenschaften und Anwendung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes mit örtlich unterschiedlichen Materialeigenschaften sowie eine Anwendung des Verfahrens.

Es ist bekannt, Werkstoffeigenschaftsänderungen innerhalb kleiner Dimensionen in der Grössenordnung von einem Millimeter durch Aufbringen einer Diffusionsschicht auf eine aus anderem Material bestehende Unterlage zu bewirken, Grosse Eigenschaftsänderungen treten an der Grenzfläche von Kompositstrukturen auf.

Ferner sind auch diskontinuierliche Uebergänge im makroskopischen Bereich bei Kontaktwerkstoffen bekannt.

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Es ist oft erwünscht, innerhalb dem Volumen eines Festkörpers unterschiedliche chemische, physikalische und/oder mechanische Eigenschaften zu haben. Es ist bekannt, dies durch Kompositstrukturen zu erzielen, die aber naturgemäss immer eine scharfe Grenzfläche und damit verbunden, plötzliche Eigenschaftsänderungen aufweisen. Die Anwendung von Diffusionsglühungen ist zeitraubend, auf relativ kurze Strecken beschränkt und nur auf eine geringe Zahl von Materialkombinationen anwendbar.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, mittels welchem auch über grössere Querschnitte eines Werkstoffes kontinuierlich sich ändernde Materialeigenschaften gezielt erhalten werden können. "

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man eine Form mit Pulver unterschiedlicher Zusammensetzung füllt, derart, dass die örtliche Zusammensetzung des in der Form sich befindenden Pulvers dem am fertigen Werkstoff gewünschten, örtlich unterschiedlichen Werkstoffgefüge entspricht, darauf das in der Form sich befindende Pulver verdichtet und anschliessend sintert.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn man die einzelnen, miteinander zu mischenden, pulverförmigen Materialkomponenten mittels je einer Förder- und Dosierschnecke im gewünschten

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■Mischungsverhältnis einer Mischeinrichtung, vorzugsweise einer Mischschnecke, zuführt und dann in gemischtem Zustand in die zu füllende Form abgibt.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens;

Fig. 2 die Verteilungsfunktion über die Hohe der Form betrachtet; und

Fig. 3 ein Anwendungsbeispiel.

Wie aus Figur 1 ersichtlich, werden mittels der schematisch dargestellten Vorrichtung ein Pulver A und ein Pulver B durch je eine Förder- und Dosierschnecke 1 bzw. 2 einer Mischeinrichtung 3 zugeführt, von wo sie gut gemischt mittels der Mischschnecke in die Form 4 eingefüllt werden. Durch Veränderung der Drehzahl der beiden Förder- und Dosierschnecken 1 und 2 kann das Mischverhältnis der beiden Pulver A und B beliebig eingestellt und verändert werden.

Beim dargestellten Beispiel wird die Form 4 derart mit den beiden Pulvern gefüllt, dass zuerst nur Pulver A und dann ständig zunehmende Anteile von Pulver B zugeführt werden, bis zum Schluss nur noch Pulver B eingefüllt wird.

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Dadurch erhält man einen Gradienten von Pulver B in Pulver A, der nach Belieben variiert werden kann. Selbstverständlich können auch mehrere Komponenten in beliebigen Konzentrationen und Verteilungen zugeführt werden.

Das in der Form 4 sich befindende Pulver wird darauf mittels bekannter Verfahren, zum Beispiel durch iso- , statisches Pressen oder, durch Warmstrangpressen verdichtet. Es ist ferner möglich, durch sich anschliessende Verfahrensschritte die Eigenschaftsverteilung sogar noch zu verstärken, so zum Beispiel durch thermomechanische Weiterbehandlung und allen Kombinationen von Druck und Temperatur, die eine Einstellung von Unterschieden im Gefüge, wie Korngrösse, Textur oder Porosität hervorrufen.

Es ist bekannt, dass sich während des Betriebes einer Gasturbine ein Temperaturgefälle von einigen 100 C zwischen der Schaufelspitze und dem Schaufelfuss bildet. Der Schaufelfuss einer Turbinenschaufel wird hauptsächlich auf Festigkeit beansprucht,· während die Schaufelspitze einem verstärkten korrosiven Angriff ausgesetzt ist. Während dispersionsgehärtete Superlegierungen wie zum Beispiel IN-853 (0,05 Gew.-% C, 20,0 Gew.-% Cr, 2,5 Gew.-% Ti,

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1,5 Gew.-% Al, 0,007 Gew.-% B, 0,07 Gew.-% Zr, 1,3 Gew.-% YpOo, Rest Ni) eine hohe Festigkeit bei Temperaturen

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im Bereich von 1000 C aufweisen, das heisst für die Schaufelspitze geeignet wären, wird ihre Festigkeit bei Raum- und mittleren Temperaturen, wie sie am Schaufelfuss herrschen, klar von konventionellen pulvermetallurgischen Legierungen wie zum Beispiel IN-100 (0,18 Gew.-% C, 10,0 Gew.-% Cr, 15,0 Gew.-% Co, 3,0 Gew.-% Mo., 4,7 Gew.-% Ti, 5,5 Gew.-% Al, 0,014 Gew.-% B, 0,06 Gew.-% Zr, 1,0 Gew.-% V, Rest Ni) übertroffen.

Somit ist weder die eine noch die andere Legierung ein optimaler Werkstoff für die ganze Schaufel. Die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens ermöglicht es nun, für den Bereich der Turbinenschaufel, der nicht so hohen Temperaturen ausgesetzt ist, eine dispersionsfreie _■-".. Legierung zu verwenden, die gegen die Schaufelspitze zu allmählich von einer dispersionsgehärteten Legierung abgelöst wird. Die Voraussetzung der chemischen Kompatibilität und derselben thermomechanisehen Weiterbehandlung ist durch den Einsatz von zwei Ni-Basissuperlegierungen gegeben.

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Nachstehend wird die Erfindung anhand Figur 3 näher erläutert. .

Es wird eine Mischung von zwei Legierungspulvertypen A und B betrachtet, wobei das Pulver A dem bereits erwähnten Pulvertyp IN-IOO und das Pulver B dem Pulvertyp IN-853 entspricht. Das Pulver A wurde durch Verdüsen aus der Schmelze mit Argon als Schutzgas hergestellt. Pulver B ist ein Kompositpulver, welches durch den Prozess des sogenannten mechanischen Legierens durch Trockenmahlen im Attritor erhalten wurde [siehe zum Beispiel J.S. Benjamin, Met. Trans. 1 (1970) 2943], .

Es kommt eine Siebfraktion < lOOum der beiden Pulver zur Anwendung. Es ist. wichtig, etwa dieselbe Pulver— grösse zu verwenden, da es sonst beim Einvibrieren zu einer Teilchenentmischung kommen könnte.

Für dieses Beispiel wurde ein aus rostfreiem Stahl bestehender, rechteckiger Kapselbehälter mit einer Grundfläche von 100 χ 50 mm und einer Höhe von 100mm-mittels der in Figur 1 dargestellten Einrichtung schichtweise gefüllt, derart, dass von unten nach oben mit kontinuierlichem Uebergang sieben Hauptschichten a bis g mit den folgenden Mischungsverhältnissen zwischen dem Pulver A und dem Pulver B der Reihe nach von unten nach oben, entstehen: 100% A, 80/20, 60/40, 50/50, 40/60, 20/80, 100% B. Durch

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Nachvibrieren kann die Schüttdichte auf etwa 60% der theoretischen Dichte gebracht werden. Der Kapselbehälter wird schliesslich mittels einem Deckel, vorzugsweise durch Elektronenstrahlschweissen, evakuiert verschlossen.

Der mit Pulver gefüllte Kapselbehälter wurde während zwei

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Stunden bei 1100 C erhitzt und dann in einem Gesenk durch Schmieden auf eine Dichte von 98% der theoretischen Dichte verdichtet.

Der Kapselbehälter wurde nach Erkalten der Probe abgefräst, und

ο die Probe erneut, diesmal auf eine Temperatur von 1000 c, erwärmt und eine Stunde auf dieser Temperatur gehalten. In einer Reihe von Warmwalzvorgängen in der x-Richtung wurde die Probe auf eine Dicke von 10mm gebracht. Schliesslich'wurde die Probe,- nachdem sie in ihrer Längsrichtung in kleine Teile getrennt wurde, quer zur ursprünglichen Richtung auf eine Dicke von 5mm heruntergewalzt. Vor jedem Walzschritt war eine Glühung bei 95O°C erforderlich. Abschliessend wurde die Probe bei 1275°c während zwei Stunden geglüht, um Kornwachstum in der Dispersionslegierung zu erreichen.

Aus der so entstandenen Probe wurden 8 Zugproben entnommen :

<£ ) zwei aus dem Bereich A ( in x-Richtung),

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β) zwei aus dem Bereich B ( in x-Richtung),

Tf) zwei aus dem Bereich 50/50 (in x-Richtung),

($) zwei in z-Richtung über die Gesamtmateriallänge.

ο Zugversuche bei Raumtemperatur und bei 950 C ergaben die

folgenden Ergebnisse :

Probe im Bereich bzw. in Richtung	Zugfestigkeit (kp / mm^)	Probentemperatur (°C)
A	162	20
A	superplast..Ver halten	950
50/50	121	20
50/50	10,5	950
B	100,6	20
B	16	■ 950
Z (1)	102,8	20
Z (2)	superplast.Ver halten	950

Die ProbeZ (1) brach an der B-reichen, z(2) an der A-reichen Seite. "".

Selbstverständlich ist es auch möglich, ein Werkstück herzustellen, dessen Material ein örtlich unterschiedliches Oxydationsverhalten aufweist.

Dazu wird als weiteres Beispiel eine Mischung von ebenfalls

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zwei Pulvertypen betrachtet, wobei das Pulver A dem bereits erwähnten Pulvertyp IN-IOO entspricht und das Pulver B die folgende Zusammensetzung aufweist: 25% Cr, 4% Al, 1% Y, Rest Ni. Beide Pulver werden durch Inertgaszerstäubung hergestellt. Nur die Siebfraktion < 100 um kommt zur Verwendung.

Diese Pulver werden wie beim vorangehend erläuterten Beispiel schichtweise in einen Kapselbehälter eingefüllt, so dass mit kontinuierlichem Uebergang verschiedene Schichten übereinander gebildet werden.

Nach dem Zuschweissen des evakuierten Kapselbehälters wird das Pulver auf HOO⁰C erhitzt und während zwei ν Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Anschliessend erfolgt ein Verdichten des Pulvers durch Schmieden in einem Gesenk. Dann wird ein Nachverdichten durch Warmwalzen in der x-Richtung auf 10mm Dicke durchgeführt.

Eine 100 Stunden dauernde Oxydationsprüfung in unbewegter Luft und bei einer Temperatur von 1100 C ergab bei einer Probe aus dem aus 100% Α-Pulver bestehenden Bereich eine Gewichtszunahme von 50 mg/cm und bei einer Probe aus dem aus 100% B-Pulver bestehenden Bereich eine Gewichtszunähme von 0,6 mg/cm ·

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Claims

- 10 - ' 159/74' Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes mit örtlich unterschiedlichen Materialeigenschaften, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Erzielung eines Werkstoffes mit örtlich unterschiedlichen Materialeigenschaften mindestens zwei nach Material und/oder Korngrössen unterschiedliche Pulverkomponenten mindestens über einen be^ stimmten Raumbereich mit einem kontinuierlich sich ändernden Mischungsverhältnis in eine Form einfüllt, darauf das sich in der Form befindende Pulver verdichtet und anschliessend sintert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die einzelnen, miteinander zu mischenden, pulverförmigen Materialkomponenten mittels je einer Förderund Dosierschnecke im gewünschten Mischungsverhältnis einer Mischeinrichtung, vorzugsweise einer Mischschnecke, zuführt und dann in gemischtem Zustand in die zu füllende Form abgibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Herstellung eines für Turbinenschaufel

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bestimmten Werkstoffes für den für den Schaufelfuss bestimmten Werkstoffteil ein eine hochfeste Superlegierung bildendes Pulver und für den für die Schaufelspitze bestimmten Werkstoffteil ein eine korrosionsfeste Co- oder Ni-Basislegierung bildendes Pulver verwendet, und den· Uebergang von einen Pulver zum anderen Pulver längs des herzustellenden Werkstoffes kontinuierlich durchführt.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Herstellung eines für Turbinenschaufeln bestimmten Werkstoffes für den für die Schaufelspitze bestimmten Werkstoffteil ein Pulver verwendet, das ein Material mit höherer Warm- und Kriechfestigkeit als das für den Schaufelfuss bestimmte Pulver ergibt, und dass man für den für den Schaufelfuss bestimmten'Werkstoffteil ein Pulver verwendet, das ein Material mit höherer Zähigkeit als das für die Schaufelspitze bestimmte Pulver 'ergibt, wobei der Uebergang vom für den Schaufelfuss bestimmten Pulver zum für die Schaufelspitze bestimmten Pulver längs des herzustellenden Werkstoffes kontinuierlich durchgeführt wird.

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