DE2529231A1

DE2529231A1 - Verfahren zur behandlung von gussstuecken aus superlegierungen

Info

Publication number: DE2529231A1
Application number: DE19752529231
Authority: DE
Inventors: Louis E Dardi; Jun William R Freeman
Original assignee: Howmet Corp
Current assignee: Howmet Corp
Priority date: 1974-07-03
Filing date: 1975-07-01
Publication date: 1976-01-15
Also published as: FR2277157A1; SE422337B; CH606468A5; GB1473980A; SE7507618L; BE830927A; FR2277157B1; JPS5129321A; CA1040515A; IT1039529B

Description

Verfahren zur Behandlung von Gußstücken aus Superlegierungen

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Behandlung von Gußstücken aus Superlegierungen nach dem Gießen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von solchen Gußstücken, die in schalenform!gen oder permanenten Formen oder unter ähnlichen Bedingungen hergestellt sind.

Es ist bekannt, daß bei der Herstellung von Gußstücken aus Superlegierungen im Inneren oder im Äußeren miteinander verbundene Hohlräume verhältnismäßig häufig auftreten. Insbesondere entstehen solche Fehlstellen durch Schrumpfen im kleinsten Maßstabe, durch Einschlüsse von Gas, durch Schrumpfen von Hohlräumen und andere Ursachen, die dazu führen, daß im Inneren und Äußeren verbundene Hohlräume häufig auftreten. Alle solchen Hohlräume beeinträchtigen die Eigenschaften der Gußstücke, und innere Hohlräume bringen naturgemäß besondere Schwierigkeiten mit sich. Da ein genaues Gießen nur sehr enge Toleranzen der Abmessungen zuläßt, so bringen auch im Äußeren miteinander verbundene Fehlstellen Schwierigkeiten mit sich, da sie nicht durch einfaches Abschleifen beseitigt werden können.

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Besonders große Schwierigkeiten entstehen beim Gießen von sehr teuren Legierungen, die Fehlstellen aufweisen. Solche Gußstücke können nicht dort verwendet werden, wo besonders hohe Anforderungen gestellt werden, z.B. als Turbinenschaufeln in Düsenmotoren. Unter deren Betriebsbedingungen führen im Inneren und/oder im Äußeren miteinander verbundene Fehlstellen zu einem Versagen, und solche Teile müssen verworfen werden. Diese Teile sind nur noch als Schrott brauchbar, was in Anbetracht der hohen Herstellungskosten zu einem großen Verlust führt.

Es sind schon verschiedene Verfahren entwiekelt worden, um in Gußstücken die im Inneren oder Äußeren miteinander verbundenen Fehlstellen zu beseitigen. Eines dieser Verfahren ist das heiße isostatische Pressen mit gleichzeitiger Anwendung einer hohen Temperatur und eines hohen Druckes in einer Gasatmosphäre. Die Kombination des Druckes und der Temperatur führt zu einem Kriechen, Nachgeben oder einer ähnlichen Bewegung des Materials, wodurch die Hohlräume beseitigt oder wenigstens weitgehend verkleinert werden können.

Innere Hohlräume sind durch das sie umgebende Material wirk-

Gassam abgedichtet gegen den hohen Druck der umgebenden/Atmosphäre, Bei nach außen offenen Hohlräumen stellt sich aber ein Gleichgewicht ein. Das Gas hohen Druckes tritt in die Hohlräume ein und macht es unmöglich, das Metall so zu verschieben, daß die Hohlräume geschlossen werden.

Nach der USA-Patentanmeldung 356 844 ist ein Verfahren zum Ausheilen von außen befindlichen Fehlstellen vorgeschlagen worden. Nach diesem Verfahren werden die Fehlstellen dicht abgedeckt, so daß ein Gas hohen .Druckes nicht in die Hohl-

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räume eindringen kann. Unter diesen Arbeitsbedingungen bewegt sich das Material unter hohem Druck bei hohen Temperaturen, und die außen befindlichen Hohlräume werden geschlossen.

Aufgabe der Erfindung ist ein verbessertes Verfahren zur Behandlung von Gußstücken aus Superlegierungen. Insbesondere ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von Gußstücken aus Superlegierungen, durch welches nach außen offene Hohlräume und gleichzeitig innere Hohlräume beseitigt werden.

Die Figuren erläutern beispielsweise einige Ausführungsformen der Erfindung.

Die Figur 1 ist eine Mikrofotografie eines Schnittes durch ein Gußstück aus einer Superlegierung.

Die Figur 2 zeigt in vergrößertem Maßstabe einen Teil des Schnittes nach der Fig. 1.

Die Erfindung betrifft im wesentlichen ein Verfahren zur Behandlung von Gußstücken aus Superlegierungen, welche nach außen offene Fehlstellen aufweisen, und die ohne Beseitigung der Fehlstellen unbrauchbar sind. Insbesondere betrifft die Erfindung die Behandlung von solchen Gußstücken, die in schalenförmigen Formen und dergleichen hergestellt sind, d.h. von.Gußstücken, die sehr genau und daher verhältnismäßig teuer sein müssen.

Erfindungsgemäß werden Gußstücke aus Superlegierungen hergestellt in Formen, wo Teile des Gusses in direkter Berührung

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mit der Wandung der Form erstarren und eine praktisch ununterbrochene Außenschicht haben. Eine solche Außenschicht verhindert praktisch das Eindringen von Gas aus der umgebenden Atmosphäre.

Die Figuren 1 und 2 zeigen Schnitte durch Gußstücke, die erfindungsgemäß bearbeitet werden können. Die Fig. 1 zeigt in 50-fächer Vergrößerung einen Teil eines Schnittes durch ein Gußstück aus einer Superlegierung. Die Aufnahme wurde aufgenommen nach dem Abtrennen der schalenförmigen Form, aber ohne Reinigung der Oberfläche oder deren anderer Behandlung. Die Fig. 1 zeigt zahlreiche Hohlräume als schwarze Gebiete in dem Gußstück. Einige Hohlräume befinden sich in nächster Nähe der Oberfläche. In allen Fällen ist aber eine Trennwand aus Metall, weiße Gebiete, zugegen, so daß keiner der Hohlräume mit dem Äußeren des Gußstückes in Verbindung steht.

Die Figur 2 zeigt in 500-fächer Vergrößerung einen Teil des Schnittes nach Fig. 1. Der Hohlraum 10 ist durch die Trennwand 12 aus Metall vollständig abgeschlossen gegen die Atmosphäre. Es ist also eine Außenschicht vorhanden, welche praktisch vollständig das Eindringen von Gas verhindert.

Die Außenschicht im Bereich der Trennwand 12 hat eine Dicke von etwa 0,04 mm. Diese Trennwand muß erhalten bleiben, um die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erreichen. Bei der üblichen Oberflächenbehandlung werden etwa 0,05 mm des Metalls beseitigt, so daß in diesem Falle der Hohlraum nach außen offen wird und beim heißen isostatischen Pressen nicht beseitigt werden kann.

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Die Hohlräume, einschließlich der Hohlräume direkt unter der Oberfläche, können entstehen durch Gase, die beim Gießen zugegen sind, oder durch Schrumpfen. Ohne Beseitigung dieser Hohlräume oder Fehlstellen sind die Eigenschaften der aus den Gußstücken hergestellten Gegenstände erheblich begrenzt.

Erfindungsgemäß werden die Gußstücke gleichzeitig unter Erwärmen und unter Druck behandelt, wobei die Oberfläche der Gußstücke nicht bearbeitet ist, d.h. noch eine ununterbrochene Außenschicht aufweisen. Vorzugsweise wird bei einer Temperatur zwischen etwa 25⁰C unterhalb der Gammalösungstemperatur (gamma prime solvus temperature) und der Erstarrungstemperatür der Superlegierung gearbeitet. Der Druck sollte bei wenigstens etwa 700 kp/cm liegen, er ist abhängig von der Vorrichtung und kann bis zu 3500 kp/cm betragen. In praktisch allen Fällen genügen Drücke zwischen 1000 und 2000 kp/cm .

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden insbesondere solche Gußstücke verarbeitet, deren ununterbrochene Außenschicht in direkter Berührung mit der Wandung der Form erstarrt ist. Diese Außenschicht bleibt erhalten und wird nicht durch übliche Verfahren wie Gebläse oder Schleifen beseitigt. Die schalenförmige Form oder eine andere Form kann durch sanftes Klopfen entfernt werden, es können aber auch Teile der Form beim anschließenden Verfahren auf den Gußstücken verbleiben. Insbesondere können auch ganze Büschel (cluster) dem heißen isostatischen Verfahren unterworfen werden, wobei gewünschtenfalls die Form noch erhalten bleibt. Die Porosität der Form gestattet es dem Gas, zur Erzeugung des gewünschten Druckes hindurchzudringen. Dieses Verfahren ist nur begrenzt durch die Abmessungen der Vorrichtung. Teile des Eingusses und des Abstiches können bei ihrer Entfernung Fehlstellen der Oberfläche

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freilegen, und das so freigelegte Gebiet sollte dann vor der Anwendung des heißen isostatischen Pressens abgedichtet werden. Deshalb ist es besonders erwünscht, daß wenigstens Teile des Eingusses und des Abstiches zurückbleiben, was in keinem Falle das heiße isostatische Pressen schädlich beeinflußt. Diese gegossenen Teile mit der oben erwähnten Außenhaut dichten die Oberfläche des Gußstückes gut ab. Bei Anwendung des Gasdruckes wird die Porosität unter diesen Oberflächen beseitigt, da das Gas nicht in die Hohlräume eindringt.

Außer dem Material der Form und überschüssigen Teilen des Gußstückes können auch Kerne in den Gußstücken während des heißen isostatischen Pressens vorhanden sein. Das Kernmaterial ist keineswegs schädlich für das Verfahren, und die Eigenschaften der Superlegierungen werden nicht ungünstig beeinflußt durch die Gegenwart des Kernmaterials während des Verfahrens. Der Kern kann bei der nachfolgenden Bearbeitung der Oberfläche in üblicher Weise entfernt werden. Das Material des Kernes trägt bei zum Abdichten während des Verfahrens, und verhindert eine Oxydation der Oberflächen des Gußstückes um die Durchlässe. Das Kernmaterial verhindert auch ein Zusammenfallen von engen Durchlässen. Die Durchlässe des Kernes können auch durch Plattieren oder durch andere Verfahren dicht abgeschlossen werden. In diesem Falle überträgt das Material des Kernes den Druck auf die Oberflächen der Durchlässe, so daß dort befindliche Fehlstellen ausgeheilt werden.

Zum Nachweis der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden Turbinenschaufeln aus den nachstehenden Superlegierungen gegossen.

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SE 122 Ta I Wq. Co Ti Al Hf C B Zr Ni

Legierung A 8 6 4,3 - 10 1 F" 17T O711 0,015 0,13 Rest

Legierung B 12,5 2 4 4 9 4 3,5 1 0,16 0,015 0,10 Rest

Legierung C 9,5 3 - (lv) 15 4,2 5,5 - 0,1'7 0,015 0,06 Rest

Legierung D 9 ' - 2,5 10 - 10 1,5 5,5 1,5 0,15 0,015 0,05 Rest

Legierung E 19 3 - 5 1 0,5 - 0,05 - - Rest

οί Legierung F 9 2 3,8 7 - 10 4 4,3 - 0,17 0,015 0,07 Rest ο

^ Legierung G 27 5 - Rest - - 0,25 - 3

S Legierung H 23 3,5 7 Rest 0,25 - 0,6 0,07 10 ·

CD K) CO

Für Versuchszwecke wurden Turbinenschaufeln aus der Legierung A hergestellt. Diese Schaufeln hatten eine verhältnismäßig komplizierte Form und enthielten fünf KUhlleitungen, zu deren Herstellung Kerne verwendet werden mußten. Derartige Schaufeln sind in frisch gegossenem Zustande besonders porös, wodurch der Ausschuß hoch wird.

150 solcher Schaufeln, die in frisch gegossenem Zustand porös sind, wurden gegossen. Die Oberfläche von 32 dieser Schaufeln wurde dann durch Aufblasen von Grieß behandelt. Die keramischen Kerne wurden entfernt, und die Gußstücke wurden dann heiß isostatisch zusammengepreßt bei einer Temperatur von 1205 + 10⁰C. In einer Kammer wurden die Gußstücke 2 Stunden lang unter einem Druck von 1015 + 35 kp/cm zusammengepreßt. In allen Fällen wurde hierfür gasförmiges Argon verwendet.

Das heiße isostatische Pressen brachte einige Verbesserungen mit sich. Aber alle 32 Schaufeln waren in kritischen Bereichen in verschiedenen Ausmaßen porös.

118 Schaufeln wurden in gleicher Weise heiß isostatisch gepreßt, aber ohne vorherige Behandlung der Oberfläche. Nach dem Gießen wurden die meisten Teile der keramischen Form vorsichtig von den Gußstücken entfernt. Alle Gußstücke behielten aber einige Teile des keramischen Stoffes, insbesondere Teile des Eingusses, und die Kerne für die Bildung der inneren Leitungen waren nicht entfernt.

Eine Prüfung dieser Gußstücke ergab, daß 116 von den 118 Schaufeln keine feststellbare Porosität aufwiesen, und daß die Fehlstellen vollständig ausgeheilt waren. Die restlichen zwei Gußstücke zeigten einige Porosität im Fußteil.

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Die Gegenwart der keramischen Kerne, von Teilen des Eingusses und von Teilen der Form während des Verfahrens beeinträchtigten in keiner Weise die Struktur der Schaufeln, wenn anschließend die Oberflächen zur Entfernung dieser Stoffe bearbeitet wurden.

Außer der Prüfung der MikroStruktur der Gußstücke wurden weitere Versuche durchgeführt, um die Eigenschaften der Schaufeln zu prüfen. In einer ersten Reihe von Versuchen wurde die Lebensdauer bis zum Bruch bei 760°C/94 KSI geprüft. Die Lebensdauer der erfindungsgemäß behandelten Gußstücke war etwa das zweibis dreifache. Eine Erhöhung der Bruchdehnung von etwa 30 % wurde ebenfalls festgestellt.

Eine Prüfung der Lebensdauer bis zum Bruch bei 980°C/29 KSI zeigte, daß sie um 50 % verbessert war, während die Dehnung bis zum Bruch um etwa 20 % erhöht war.

Die Verbesserungen in der Lebensdauer bis zum Bruch und in der Dehnung sind begleitet von einer verbesserten thermischen und mechanischen Ermüdungsfestigkeit. Daraus kann geschlossen werden, daß das Verhalten dieser so schwierig mit Kernen zu gießenden Schaufeln verbessert wird, und daß der Ausschuß verringert wird.

Vorstehend sind nur Turbinenschaufeln besprochen worden. Es können aber auch andere Gußstücke aus Superlegierungen wie Turbinenflügel, Räder und dergleichen mit ausgezeichnetem Ergebnis nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden. Bei der Herstellung von Turbinenrädern aus der Legierung B wurden die Gußstücke in unbearbeitetem Zustand erhalten. Nach Anwendung des heißen isostatischen Pressens hatten die Teile

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eine wesentlich verbesserte Ermüdung nach der zyklischen Behandlung bei 480⁰C. Das ist eine wesentliche Verbesserung, weil die brauchbare Lebensdauer solcher Teile unter solchen Betriebsbedingungen ein bedeutendes Problem darstellt. Bei der Prüfung dieser und ähnlicher Gegenstände wurden auch bedeutende Verbesserungen bei Raumtemperatur festgestellt. Daher sind erfindungsgemäß behandelte Teile aus Superlegierungen auch bei Raumtemperatur oder bei verhältnismäßig tiefer Temperatur brauchbar. Das heiße isostatische Pressen der Teile verbessert auch die mechanische Bearbeitbarkeit, was auch ohne Berücksichtigung der Betriebsbedingungen ein Vorteil ist.

Die jeweiligen erfindungsgemäßen Bearbeitungsbedingungen der Teile aus Superlegierungen ändern sich mit ihrer Zusammensetzung und mit der verwendeten Vorrichtung. Beispielsweise kann bei Verwendung der handelsüblichen Vorrichtungen zum heißen isostatischen Pressen mit großem Durchmesser ein Maximaldruck bis herauf zu etwa 1050 kp/cm erreicht werden. Unter solchen Bedingungen wurden die größten Verbesserungen der Eigenschaften bei den geprüften Schaufeln erreicht, wenn auf den bevorzugten Temperaturbereich von beispielsweise 1200 + 10 C erhitzt v/urde. Weitere Versuche ergaben, daß bei Anwendung von Drücken von etwa 2100 kp/cm² ein Erhitzen auf etwa 1175°C + 10°C die Ergebnisse verbesserte. Höhere Drücke erlauben die Verwendung von entsprechend tieferen Temperaturen. In allen Fällen wurde die Behandlung während etwa 2 Stunden durchgeführt. Die Behandlungsdauer kann aber auch schwanken zwischen etwa 10 Minuten bis etwa 10 Stunden, und liegt vorzugsweise bei 2 bis 4 Stunden.

Bei der erfindungsgemäßen Bearbeitung kann eine inerte Atmosphäre angewendet werden, um eine Verunreinigung der Oberfläche zu vermeiden. Die Teile können aber auch in einen Behälter einge- « schlossen sein, und der Druck der Atmosphäre wird dann auf

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den Behälter ausgeübt. In diesem Falle kommende Teile nicht in Berührung mit Verunreinigungen in der Atmosphäre, Ein geeigneter Füllstoff kann in dem Behälter untergebracht sein, iind überträgt den Preßdruck der Atmosphäre durch den Behälter hindurch auf den Gegenstand.

Erfindungsgemäß wesentlich ist es, daß die Gußstücke in einem unbearbeiteten Zustande v/eiterbehandelt werden, wobei die Außenschicht erhalten bleibt, die notwendig ist zum Ausheilen der Fehlstellen in der Nähe der Oberfläche. Verschiedene Verfahren können durchgeführt werden, um die Bildung einer ununterbrochenen Außenschicht zu gewährleisten und damit die verbesserten Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens zu sichern. Das kann erreicht werden durch Verwendung von kernbildenden Stoffen in der Oberfläche der Form, die zuerst in Berührung kommen mit dem geschmolzenen Metall. Die Gegenwart von Kobaltoxyd, Kobaltaluminat und/oder Kobaltsilikat beschleunigt das schnelle Erstarren der Oberfläche des Gußstückes, wobei anschließend ein Erstarren stattfindet hinter der ununterbrochenen, anfangs gebildeten Außenschicht.

Ein Vorwärmen der Form kann auch dazu beitragen, daß eine ununterbrochene Außenschicht gebildet wird. Bei Verwendung einer Form mit einer niedrigeren als üblichen Temperatur findet ein schnelleres Erstarren an der Oberfläche der Gußstücke statt. Hierbei entsteht eine ununterbrochene Trennwand, ohne daß durch Schrumpfen oder dergleichen Hohlräume in der Nähe der Oberfläche entstehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren bringt Ersparnisse mit sich durch Verringerung des Ausschusses, weil die Schwierigkeiten

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durch innere Porosität wirksam verringert werden. Ebenso können auch besondere Eingüsse, die häufig zur Verringerung der Porosität in sonst schwierig zu gießenden Gebieten verwendet werden, vermieden werden. Auch wenn eine solche Porosität vorhanden ist, so wird sie bei Gegenwart einer ununterbrochenen Außenschicht und bei Anwendung des heißen isostatischen Pressens praktisch beseitigt.

Das heiße isostatische Pressen trägt bei zu den verbesserten physikalischen Eigenschaften der Gußstücke. Ebenfalls zur Verbesserung trägt aber die Gegenwart der erwähnten ununterbro-

bei
chenen Außenhautyi Es handelt sich also bei diesen Verbesserungen um die Wirkung einer Kombination aus dem heißen isostatischen Pressen und der Tatsache, daß die Behandlung in frisch gegossenem Zustande durchgeführt wird. Die verbesserten Eigenschaften beruhen auf dem einzigartigen ununterbrochenen Charakter der Außenschicht, die beim Gießen von Superlegierungen entsteht. Vorzugsweise sollen die Abmessungen der frisch gegossenen Gegenstände weitestgehend den gewünschten Abmessungen entsprechen, so daß die Teile möglichst wenig mechanisch oder an ihrer Oberfläche bearbeitet v/erden müssen.

Das erfindungsgemäße Verfahren bringt auch den Vorteil mit sich, daß es nicht notwendig ist, Überzüge anzuwenden, wie sie in der USA-Patentanmeldung 356 844 vorgeschlagen oder in der USA-Patentschrift 3 758 347 beschrieben sind. Solche Überzüge bringen Schwierigkeiten mit sich, die durch Anwendung von den Gußstücken fremden Stoffen hinsichtlich des Verhaltens entstehen können. So können z.B. schon kleinere Zulegierungen oder kleinere Mengen von fremdem Material

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ein Gebiet entstehen lassen, das die Gußstücke ermüdungsfähiger macht. Die Herstellung von Überzügen setzt auch verschiedene zusätzliche Verfahrensschritte voraus, einschließlich des Reinigens, wodurch die Möglichkeit von Schaden und Verunreinigungen vervielfacht wird.

Eine ununterbrochene Außenschicht auf Gußstücken aus Superlegierungen bringt, wie oben gezeigt, sehr wesentliche Vorteile in den Eigenschaften der Gußstücke mit sich. Das Verhalten der Gußstücke, insbesondere der erhöhten Temperaturen, wird -wesentlich \^erbessert. Die Gegenwart einer ununterbrochenen Außenschicht, welche das heiße isostatische Pressen ermöglicht, ist augenscheinlich einzigartig bei Superlegierungen. Die Fähigkeit der Außenschicht, innere Fehlstellen auszuheilen, ist besonders wichtig bei Gegenständen aus Superlegierungen, von denen ein besonders gutes Verhalten gefordert wird.

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Claims

- 14 Patentansprüche

1. Verfahren zur Behandlung von Gußstücken aus Superlegierungen, die in einer Form hergestellt sind, eine ununterbrochene Außenschicht haben und direkt unter der Außenschicht Hohlräume aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußstücke ohne eine Bearbeitung der Oberfläche bei einer solchen Temperatur, daß die Legierung beweglich ist, in einer Gasatmosphäre einem Druck von etwa 700 bis etwa 3500 kp/cm unterworfen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens teilweise bei einer Temperatur zwischen 25°C unterhalb der Gamma-Lösungsteinperatur (gamma prime solvus temperature) und der Erstarrungstemperatur der Gußstücke durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es unter einem Druck von etwa 1050 kp/cm durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Durchführung des Verfahrens die Form von dem Gußstück entfernt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine gasdurchlässige Form vor der Durchführung des Verfahrens nicht entfernt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es an einem Büschel (cluster) von Gußstücken in einer Form durchgeführt wird.

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7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Teile des Eingusses und des Ausgusses der Form vor der Durchführung des Verfahrens nicht entfernt v/erden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 Ms 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus Hohlräume enthaltenden Gußstücken, in welchen sich ein Kern befindet, dieser vor der Durchführung des Verfahrens nicht entfernt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es mit Gußstücken, die sich in einem Behälter befinden, durchgeführt wird.

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