DE2503165C2

DE2503165C2 - Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers mit örtlich unterschiedlichen Materialeigenschaften und Anwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2503165C2
Application number: DE2503165A
Authority: DE
Inventors: Michael J. Dr. Bomford; Gernot Dr. Büblikon Gessinger
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-12-23
Filing date: 1975-01-27
Publication date: 1984-05-03
Also published as: FR2295809B3; FR2295809A1; JPS5187108A; GB1525290A; US4101712A; CH602237A5; DE2503165A1; JPS5852524B2

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers 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 Verbundgefügen auf.

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

Es Ist oft erwünscht, innerhalb dem Volumen eines Festkörpers unterschiedliche chemische, physikalische und/oder mechanische Eigenschaften zu haben. Es 1st bekannt, dies durch Verbundgefüge zu erzielen, die aber naturgemäß Immer eine scharfe Grenzfläche und damit verbunden, plötzliche Eigenschaftsänderungen aufweisen. Die Anwendung von Dlffuslonsglühungen Ist zeltraubend, auf relativ kurze Strecken beschränkt und nur auf eine geringe Zahl von Werkstoffkombinationen anwendbar.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfah- ^b0 rens, mit welchem auch über größere Querschnitte eines Sinterkörperstoffes kontinuierlich sich ändernde Materialeigenschaften gezielt erhalten werden können.

Das erflndungsgemäße Verfahren Ist dadurch gekennzeichnet, daß man eine Form mit Pulver unterschied!!- ^b> eher Zusammensetzung füllt, derart, daß die örtliche Zusammensetzung des In der Form sich befindenden Pulvers dem am fertigen Sinterkörper gewünschten, ort-Hch 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 Pulverkomponenten mittels je einer Förder- und Dosierschnecke im gewünschten 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

Flg. 1 schematisch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens;

F i g. 2 die Verteilungsfunktion über die Höhe der Form betrachtet; und

Flg. 3 ein Anwendungsbeispiel.

Wie aus Fl g. 1 ersichtlich, werden mittels der schematisch dargestellten Vorrichtung ein Pulver A und ein Pulver B durch je eine Förder- und Doslerschnecke 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.

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 Isostatisches Pressen oder durch Warmstrangpressen verdichtet. Es Ist ferner möglich, durch sich anschließende Verfahrensschritte die Eigenschaftsverteilung, sogar noch zu verstärken, so zum Beispiel durch thermomechanische Welterbehandlung 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 Temperaturgefälk: 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 1st. Während dispersionsgehärtete Superleglerungen, wie zum Beispiel IN-853 (0,05 Gew-% C, 20,0 Gew.-% Cr, 2,5 Gew.-% Tl, 1,5 Gew.-% Al, 0,007 Gew.-% B, 0,07 Gew.-¹*, Zr, 1,3 Gew-% Y₂O), Rest Nl) eine hohe Festigkeit bei Temperaturen Im Bereich von 1000⁰C 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.-'*. Tl. 5.5 Gew.-«. Al, 0.014 Gew.-"., B, 0,06 Gew.-- Zr. 1.0 Gew.-¹*, v. Rest Ni) übertreffen.

Somit Ist weder die eine noch die andere Legierung ein optimaler Werkstoff für die ganze Schaufel. Die Anwendung des erfindungsgemäikn 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 thermomechanischen Weiterbehandlung Ist durch den Einsatz von üwei Nlckel-Superlegierungen gegeben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand Fi g. 3 näher erläutert.

Es wird eine Mischung von zwei Legierungspulvertypen A und Ü betrachtet, wobei das Pulver A dem bereits erwähnten Pulvertyp IN-100 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 Leglerens durch Trockenmahlen im Attritor erhalten wurde [siehe zum Beispiel J. S. Benjamin, Met. Trans. 1 (1970) 2943].

Es kommt eine Siebfraktion < 100 μηι der beiden Pulver zur Anwendung. Es 1st wichtig, etwa dieselbe Pulvergröße zu verwenden, da es sonst beim Elnvlbrleren zu einer Teilchenentmischung kommen könnte.

Für dieses Beispiel wurde ein aus rostfreiem Stahl bestehender, rechteckiger Behälter mit einer Grundfläche von 100 χ 50 mm und einer Höhe von 100 mm mittels der in F i g. 1 dargestellten Einrichtung schichtweise gefüllt, derart, daß von unten nach oben mit kontinuierlichem Übergang sieben Hauptschichten α 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 Nachvibrieren kann die Schüttdichte auf etwa 60% der theoretischen Dichte gebracht werden. Der Behälter wird schließlich mittels eines Dekkels. vorzugsweise durch Elektronenstrahlschweißen, evakuiert verschlossen.

Der mit Pulver gefüllte Behälter wurde während zweier Stunden bei 1100° C erhitzt und dann in einem Gesenk durch Schmieden auf eine Dichte von 98% der theoretischen Dichte verdichtet.

Der Behälter wurde nach Erkalten der Probe abgefräst, und 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 10 mm gebracht. Schließlich wurde die Probe, nachdem sie in ihrer Längsrichtung In kleine Teile getrennt wurde, quer zur ursprünglichen Richtung auf eine Dicke von 5 mm heruntergewalzt. Vor jedem Walzschritt war eine Glühung bei 950° C erforderlich. Abschließend wurde die Probe bei 1275° C während zweier Stunden geglüht, um Kornwachstum in der Dispersionslegierung zu erreichen.

Aus der so entstandenen Probe wurden 8 Zugproben entnommen:

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

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

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

<5) zwei in z-Richtung über die Gesamtmateriallänge.

Zugversuche bei Raumtemperatur und bei 950° C ergaben die folgenden Ergebnisse:

Probe im Bereich bzw. in Richtung	Zugfestigkeit (Nta^!)	Probentemperatur (⁰C)
A	1620	20
A	superplast. Verhalten	950
50/50	1210	20
50/50	105	950
B	1006	20
B	160	950
Z(I)	1028	20
Z (2)	superplast. Verhalten	950

Die Probe Z(I) brach an der B-reichen, Z (2) an der Α-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 zwei Pulvertypen betrachtet, wobei das Pulver A dem bereits erwähnten Pulvertyp IN-100 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 μιη kommt zur Verwendung.

Diese Pulver werden wie beim vorangehend erläuterten Beispiel schichtweise In einen Kapselbehälter eingefüllt, so daß mit kontinuierlichem Übergang verschiedene Schichten übereinander gebildet werden.

Nach dem Zuschwelßen des evakuierten Kapselbehälters wird das Pulver auf HOO⁰C erhitzt und während zweier 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-Rlchtung auf 10 mm 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% A -Pulver bestehenden Bereich eine Gewichtszunahme von 50 mg/cm^J und bei einer Probe aus dem aus 100% B-Pulver bestehenden Bereich eine Gewichtszunahme von 0,6 mg/cm³.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers mit örtlich unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei nach Werkstoff und/oder Teilchengrößen unterschiedliche Pulverkomponenten mindestens über einen bestimmten Volumenbereich mit einem kontinuierlich sich ändernden Mischungsverhältnis in eine Form eingefüllt, dort verdichtet und anschließend gesintert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen, miteinander zu mischenden Pulverkomponenten mittels je einer Förder- und Dosierschnecke im gewünschten Mischungsverhältnis einer Mischeinrichtung, vorzugsweise einer Mischschnecke, zugeführt und dann in gemischtem Zustand In die zu füllende Form abgegeben werden.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung von Turbinenschaufeln auf ein eine hochfeste Superlegierung bildendes Pulver für den Schaufelfuß und ein eine korrosionsfeste Kobaltoder Nickel-Legierung bildendes Pulver für die Schaufelspitze. «

4. Anwendung des Verfahrens nach Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung von Turbinenschaufeln auf ein Pulver eines Werkstoffs mit höherer Warm- und Kriechfestigkeit als das für den Schaufelfuß bestimmte Pulver für die Schaufelspitze und auf ein Pulver eines Werkstoffs mit höherer Zähigkeit als das für die Schaufelspitze bestimmte Pulver für den Schaufelfuß.