DE2542094A1

DE2542094A1 - Metallpulver, verfahren zur behandlung losen metallpulvers und verfahren zur herstellung eines verdichteten presslings

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Publication number: DE2542094A1
Application number: DE19752542094
Authority: DE
Inventors: Charles Jerome Havel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-09-26
Filing date: 1975-09-20
Publication date: 1976-04-08
Also published as: IT1047596B; JPS5160608A; BR7506206A; ATA727875A; BE833672A; GB1523922A; MX3041E; US4066449A; CA1061608A; JPS5521081B2; GB1523923A; FR2285949A1; SE7510739L; AU8477375A

Description

Dipl.-!ng. W. DaKIke DipL-ba H.-]. Lippert

Pat 3 nta η weite
506 Refralh bei Köln Frankeniorstor Straße 137

18. September 1975 Da./kr

Charles J. Havel Utica, New York, USA

"Metallpulver, Verfahren zur Behandlung losen Metallpulvers und Verfahren zur Herstellung eines verdichteten Preßlings"

Die Erfindung betrifft ein Metallpulver, ein Verfahren zur Herstellung eines Metallpulvers und ein Verfahren zur Herstellung eines verdichteten Preßlings, insbesondere mit besseren mechanischen und metallurgischen Eigenschaften als Metallpreßlinge aus Pulver, die mit bekannten Verfahren hergestellt werden.

Das Arbeiten mit ausgefeilten puivermetallurgisehen Methoden ist im Bereich der Superlegierungen vorherrschend geworden, und zwar

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als Folge von Trennungsproblemen, auf die man bei herkömmlichen Gießverfahren trifft. Die chemische Homogenität hochkomplexer Legierungssysteme läßt sich wesentlich einfacher durch pulvermetallurgische Methoden erreichen, weil die Trennung auf das Volumen der Pulverpartikel begrenzt ist. Wie hier verwendet, umfaßt der Bereich der Superlegierungen alle jene Werkstoffe, die für Hochtemperatur-Hochleistungseinsätze entwickelt worden sind, insbesondere die Superlegierungen auf Nickelbasis und Kobaltbasis. Obgleich das erfindungsgemäße Verfahren besondere Anwendung für den Bereich der Superlegierungen hat, kann das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil auch für andere Puivermetaile eingesetzt werden, beispielsweise legierungen auf Titanbasis und Eisen, Kupfer, Zink, Aluminium, feuerfeste Metalle und Legierungssysteme daraus.

Bekannt sind Metallpulver, beispielsweise Legierungen auf Eisenbasis, nach dem Zwei-Schritt-Verfahren der Kaltverdiehtung und des Sinterns verdichtet. Die Superlegierungspulver sind jedoch allgemein nicht kompressibel, und zwar wegen ihrer innewohnenden Festigkeit. Deshalb ist eine Kaltverdichtung für die Verarbeitung von Superlegierungen nicht brauchbar. Die Verdichtung von Superlegierungspulvern wird allgemein heiß durchgeführt, um damit das Verdichten und das Sintern zu kombinieren. Das Heißverdichten wird entweder durch Extrusion oder durch Heißpressen durchgeführt. Bei der Pulverextrusion wird das Pulver in einen Stahlmantel gebracht, und dann wird ein Pulver-

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block heiß stranggepreßt, während "beim Heißpressen entweder mit einem heißen isostatischen Pressen, einem Heißpressen unter Vakuum oder einem Heißschmieden gearbeitet wird. Diese Methoden können eingesetzt werden, um entweder einen fertigen Formling oder ein Halbzeug für eine weitere Heißverformung herzustellen.

Gerald J. Friedman und George S. Ansell haben in "The Superalloys" John Wiley and Sons (New York, 1972) auf Seite 429 festgestellt: "Diese Heißverdichtungsmethoden haben ein Problem gemeinsam. Sowohl die Verdichtung als auch das Sintern sind im Effekt plastische Verformungsverfahren, d.h., daß die Verdichtung und das "neck growth" Formänderungen unter Spannungsausübung erfordern. Die eigentlichen Eigenschaften, die Superlegierungen technologisch wichtig machen, nämlich die hohe Temperaturfestigkeit und die Oxidationsbeständigkeit, lassen eine volle Verdichtung und eine Interpartikelbindung schwer erreichen, selbst beim Heißverarbeiten. Um starke, dichte Produkte entstehen zu lassen, müssen relativ hohe Fraktionen der homologen Temperatur eingesetzt werden, gekoppelt mit einer extensiven Verformung."

Das Arbeiten mit solchen hohen Temperaturen bringt jedoch zusätzliche Probleme mit sich. Bei der anschließenden Wärmebehandlung ist festgestellt worden, daß zwar wie erwartet ein Interpartikel-Kornwachstum auftritt, das Kornwachstum normalerweise aber nicht über Partikelgrenzen hinweg in Superlegierungen voranschreitet. Die maximale Korngröße ist in vielen Fällen deshalb auf die ursprüngliche Pulverpartikelgröße beschränkt. Ein Korn-

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wachstum über die Partikelgrenzen hinweg wird mit größter Wahrscheinlichkeit durch das Ausscheiden von unlöslichen Karbiden an den Oberflächen der Partikel verhindert, um damit eine Barriere gegen ein Kornwachstum zu bilden. Eine kleine Korngröße ist deshalb allgemein die Regel bei Pulverprodukten aus Superlegierungen, und die großen Korngrößen sind schwer herzustellen.

Wenn die Betriebstemperaturen, denen der fertige Pulvermetallteil ausgesetzt wird, unter der äquikohesiven Temperatur liegen, d.h. bei Temperaturen, bei denen die Körner selbst die schwächsten Bereiche sind, und wenn viele Korngrenzen wünschenswert sind, ist eine kleine Korngröße mit den einhergehenden vielfachen Korngrenzen sehr erwünscht. Wenn die Temperaturen jedoch über der äquikohesiven Temperatur liegen, d.h. bei Temperaturen, bei denen die Korngrenzen die schwächsten Punkte sind, sind große Körner erforderlich. Mit anderen Worten, bei Temperaturen, bei denen ein Rutschen der Korngrenze oder andere von der Korngrenze herrührende Defekte zu Problemen führen, ist es wünschenswert, die Zahl der Korngrenzen durch ein Kornwachstum auf ein Minimum zu reduzieren. Da es praktisch unmöglich ist, die das Kornwachstum unterbindenden Ausscheidungen zu entfernen, beispielsweise die unlöslichen Karbide bei Superlegierungen, durch eine anschließende Wärmebehandlung, um ein Kornwachstum zu ermöglichen, sind pulvermetallurgieehe Methoden häufig für die

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Herstellung bestimmter Produkte nicht anwendbar, dxe fur einen Hochtemperatureinsatz ausgelegt sind, beispielsweise die Schaufeln oder Schalen in Gasturbinentriebwerken. Kurz gesagt, es liegt ein Kornwachstumsproblem bei bekannten pulvermetallurgischen Methoden in dem Bereich der Superlegierungen vor.

Ferner hat es sich als wünschenswert erwiesen, geschmiedete oder gegossene Superlegierungsblöcke mechanisch zu bearbeiten, um eine extrem feine Korngröße entstehen zu lassen. Die mechanische Bearbeitung wird in den meisten Fällen unter der normalen Rekristallisationstemperatur des Werkstoffes durchgeführt. Zugprüfungen an in dieser Weise hergestellten Werkstoffen zeigen, daß eine unerwartet hohe Duktilität erreicht werden kann, wenn die Prüfungen bei oder in der Nähe der Rekristallisationstemperatur durchgeführt werden. Eine Längung von 200 bis 300 # ist nicht unüblich, und es werden sogar noch höhere Längungswerte erreicht, je nach den Prüftemperaturen und den Spannungswerten. Dieser hochduktile Zustand wird allgemein als "Superplastizität" bezeichnet und ermöglicht eine Heißverformung von Werkstoffen bei wesentlich geringeren Temperaturen und Drücken.

Es treten jedoch Probleme beim Erreichen des Zustandes der Superplastizität in Pulvermetallblöcken auf. Bezüglich Superlegierungspulvern wird eine mechanische Arbeit durch Strangpressen des Pulvers oder des Pulverpreßlings in Stabmaterial

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oder in Blockform eingeführt. (Siehe beispielsweise die US-Patentschrift 3 519 503). Dem Extrusionsverfahren haften jedoch eine Anzahl von Schwierigkeiten an.

Zum einen muß mit extrem hohen Temperaturen gearbeitet werden, weil die Extrusionstemperatur unter der normalen Rekristallisationstemperatur der Legierung liegen muß. Entsprechend ist die größte Größe des Blocks, der hergestellt werden kann, entsprechend den Möglichkeiten der größten Extrusionsanlagen beschränkt, die zur Zeit verfügbar sind. Derzeit sind superplastische Blöcke auf einen Durchmesser von etwa I50 mm in verschiedenen Längen jeweils mit einem Gewicht von etwa 95 kg be-

Es

grenzt. Sind jedoch größere Blöcke erforderlich, um den industriellen Anforderungen von heute gerecht zu werden. Beispielsweise können Bauteile in Gasturbinentriebwerken mehr als 200 kg wiegen. Die Beschränkung in der Größe ist deshalb ein schwerwiegender Nachteil bei der Extrusionsmethode zur Herstellung von Superlegierungsblöcken.

Die feine Korngröße, die erforderlich ist, um eine Superplastizität zu erreichen, entsteht dadurch, was eine primäre Rekristallisation der ursprünglichen Intrapartikelkörner sein dürfte, die während der mechanischen Bearbeitung verformt worden sind. Mit anderen Worten, die durch eine mechanische Bearbeitung eingeführte Verformung erleichtert das Entstehen von Stellen einer Kernbildung für neue Körner. Das Maß der Re-

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kristallisation oder die volumetrische Dichte der Kernbildungsstellen hängt von dem Maß der Verformung in dem Kristallgitter ab. Ein häufiges Problem bei der Extrusionsmethode besteht darin, daß das Pulvermetall in bestimmten Bereichen des Blocks eine geringere mechanische Arbeit als andere Stellen erhält. Die Dichte der Kernbildungsstellen ändert sich deshalb an verschiedenen Stellen des Blocks. Das Ergebnis ist, daß die Rekristallisation über einen Querschnitt des Blocks hinweg nicht vollständig ist. Kurz gesagt, es besteht ein Problem hinsichtlich der Homogenität insofern, als die prozentuale Rekristallisation sich von einem Bereich zum anderen im Block ändert. Dieser Zustand bringt Probleme während des anschließenden Verformens mit sich, weil alle Bereiche des Blocks nicht in gleicher Weise reagieren.

Ein anderes Problem, auf das man stößt, ist die Temperaturkontrolle. Wie vorstehend erwähnt, wird das Extrusionsverfahren in der Nähe der normalen Rekristallisationstemperatur der Legierung durchgeführt. Wenn diese Temperatur überschritten wird, geht das Kornwachstum zu schnell vonstatten, und die feine Korngröße, die für eine Superplastizität erforderlich ist., geht verloren. Das Pulver muß jedoch erhitzt werden, um eine Extrusion zu ermöglichen. Der Großteil des Pulvers wird deshalb in den Stahlbehältern vorerwärmt, ehe die Extrusion erfolgt, und zwar auf eine Temperatur, die sich der normalen Rekristallisationstemperatur annähert. Das Problem ist, daß

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während der Extrusion zusätzliche Wärme durch Reibung zwischen dem Strangpreßwerkzeug und den angrenzenden Lagen der Pulverpartikel entsteht. Ein Durchgang des Metallpreßlings durch das Werkzeug erhöht die Temperatur des Formlings über seine Rekirstallisationstemperatur hinaus, und damit entsteht ein exzessives Kornwachstum. Große Körner mit einer nicht adequaten Plastizität entstehen dadurch und müssen aus dem Block vor der weiteren Verarbeitung entfernt werden.

Ein potentielles Problem bei dem Extrusionsverfahren besteht darin, daß die mechanische Bearbeitung richtungsgebunden ist, und das führt zu dem Zustand einer Anisotropie im stranggepreßten Block.

Ferner ist der Superplastische Block, der durch das Extrusionsverfahren entsteht, nicht besonders gut für eine weitere Heißverformung geeignet, und zwar wegen der zylindrischen Form. Weil viele der Bauteile, die hegestellt werden, relativ große Verhältnisse von Breite zu Höhe haben, muß der zyüadrische Block einem exzessiven und zeitraubenden Stauchverformen unterzogen werden..

Schließlich ist das Extrusionsverfahren extrem teuer. Ein Stahlbehälter, gewöhnlich aus nicht rostendem Stahl, ist für den ersten Extrusionsschritt erforderlich. Große Extrusionspressen, die die Pulvermengen verarbeiten können, die zur Herstellung

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von Blöcken maximaler Größe benötigt werden, sind extrem selten und sind natürlich in der Wartung und im Betrieb teuer.

Die Suche nach hochfesten Hochtemperaturlegierungen und Verfahren zur Verarbeitung desselben geht unbarmherzig mit der Erhöhung der Betriebstemperaturen von Triebwerken, Kraftwerken, Nuklearreaktoren und dergleichen weiter. Entsprechend liegt die Notwendigkeit für verbesserte Verfahren zur Verarbeitung von Pulvermetallen und insbesondere von Superlegierungen zum Erreichen einer Superplastizität auf der Hand.

Bezüglich der Pulverherstellung allgemein werden viele Metallpulver durch das Zerstäubungsverfahren hergestellt. Im Prinzip besteht das Zerstäubungsverfahren darin, daß ein Strom geschmolzenen Metalls mit einem Hochdruckmedium beschossen wird, normalerweise einem inerten Gas im Falle von Superlegierungen. Das Hochdruckmedium bricht den Strom geschmolzenen Metalls in kleine Tröpfchen, die anschließend erstarren. Es können als Folge des Einschlusses des Zerstäubungsmediums innerhalb der Partikel Hohlräume entstehen. Mit anderen Worten, es entstehen Hohlpartikel, die später im verdichteten Produkt erscheinen. Ein anderes Problem, das bei zerstäubten Pulver auftritt, ist das Vorhandensein von nichtmetallischen Einschüssen. Es handelt sich dabei allgemein um kleine Stücke feuerfesten Materials aus dem Trichter, der Düse, dem Tiegel oder anderer Bauteile des Zerstäubungsgeräts, die abgebrochen sind und die

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sich mit dem Pulvermetall vermischt haben. Diese nichtmetallischen Einschlüsse erscheinen ebenfalls im verdichteten Produkt und bilden zusammen mit den Hohlräumen Defekte, die Stellen für eine Rißkernbildung und -Fortpflanzung erzeugen können. Diese Defekte sind besonders schwerwiegend bei Bauteilen, die aus hochfesten Hochtemperatur-Superlegierungen gefertigt sind, und zwar wegen der Anfälligkeit dieser Teile gegen Bruch bei den Temperaturen und Spannungswerten, die sie während des Betriebs erfahren.

Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Verarbeitung von Pulvermetall vor, das anschließend verdichtet und in einen Produktionsteil geformt wird. Das Verfahren beseitigt oder mindert die Schwierigkeiten, die vorstehend erörtert worden sind. Insbesondere lassen sich dichte Metallpreßlinge in wirtschaftlicher Weise mit einer anfänglichen durchschnittlichen Korngröße herstellen, die feiner als bei einem Metallpulverpreßling der gleichen Zusammensetzung ist, die nicht erfindungsgemäß behandelt worden ist. Bezüglich Superlegierungen zeigen Tests mit Superlegierungen auf Nickelbasis, daß ein anschließendes Kornwachstum über die Partikelgrenzen hinaus durch normale Wärmebehandlungsverfahren induziert werden kann. Deshalb lassen sich Superlegierungspulverpreßlinge mit großer Körnung herstellen. Ferner lassen sich bei einer Verarbeitung gemäß der Erfindung Superlegierungspreßlinge herstellen, die die Charakteristiken der Superplastizität haben, die sowohl homo-

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gen als auch isotrop ist. Hohlpartikel im Metallpulver, das nach dem Verfahren hergestellt wird, werden effektiv beseitigt, und nicht metallische Einschlüsse werden unschädlich gemacht oder alternativ in einen Zustand umgesetzt, der eine leichte Entfernung aus dem Pulvermetall ermöglicht.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Darstellungen näher erläutert. In den Darstellungen sind:

Pig. 1 eine Mikrofotografie von Metallpartikeln im zerstäubten Zustand des Pulvers nach Tabelle 1 bei 4OOfächer Vergrößerung,

Pig. 2 eine Mikrofotografie von kaltgewalzten Metallpartikeln des Pulvers nach Tabelle 1 in 400-facher Vergrößerung,

Pig. 3 eine Mikrofotografie verdichteter Metallpartikel des Pulvers nach Tabelle 1 mit 4OOfacher Vergröß erung,

.Pig. 4 eine Mikrofotografie von Metallpartikeln in zerstäubtem Zustand des Pulvers nach Tabelle 1, das bei 985° C (1800° P) eine Stunde lang unter Vakuum erhitzt worden ist, in 40Ofacher Vergrößerung,

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Pig. 5 eine Mikrofotografie verdichteter Metallpartikel des Pulvers nach Tabelle 1, das bei 985° C (1800° F) eine Stunde lang unter Vakuum wärmebehandelt worden ist, in 400facher Vergrößerung,

Pig. 6 eine Mikrofotografie einer Probe eines Metallpulvers in zerstäubtem Zustand nach Tabelle 1, das isostatisch bei 985° C (1800° P) und 700 kp pro cm (10.000 psi) zwei Stunden lang heiß verdichtet worden ist, in 400facher Vergrößerung,

Pig. 7 eine Mikrofotografie einer Probe kalt gewalzten Metallpulvers nach Tabelle 1, das bei 985° C (1800° P) und 700 kp/cm² (10.000 psi) zwei Stunden lang heiß isostatisch verdichtet worden ist, in 400facher Vergrößerung,

Pig. 8 eine Mikrofotografie der Probe nach Fig. 7, die bei 1235° C (2250° F) 24 Stunden lang wärmebehandelt worden ist, in 400facher Vergrößerung,

Pig. 9 eine Mikrofotografie der Probe nach Pig. 7, die

bei 1095° C (2000° P) isothermisch heiß geschmiedet worden ist, in 40Ofacher Vergrößerung,

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Pig. 10 eine Mikrofotografie der heiß isothermisch geschmiedeten Probe nach Fig. 9, die bei 1235° C (2250° F) 24 Stunden lang wärmebehandelt worden ist, in 400facher Vergrößerung, und

Fig. 11 eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Temperatur und der Menge an MC-Karbid-Ausscheidungen zeigt, die typisch für eine Anzahl von Superlegierungen auf Mckelbasis ist.

Die Vergrößerungen, auf die sich die vorstehenden Beschreibungen der Figuren 1 bis 10 beziehen, sind die Vergrößerungen, die in den Anmeldungsdarstellungen gezeigt sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im Prinzip darin, daß ein Metallpulver mit einer gewünschten Zusammensetzung hergestellt wird, bestehend aus einer AnzaM/ron einzelnen Metallpartikeln, nach einem geeigneten Verfahren, unter anderem nach einem der folgenden Verfahren: Zerstäubungsverfahren, Rotationselektrodenverfahren, Ausscheidung aus einer wässerigen Lösung oder elektrolytisches Verfahren. Das Pulver wird dann durch mechanische Bearbeitung Jedes Partikels bei einer relativ niedrigen Temperatur plastisch verformt. D.h., daß das Pulver kalt bearbeitet wird, um in jeden Partikel des lockeren Pulvers

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eine Spannung einzuführen, um eine Restspannung zu erzeugen, damit der potentielle Energiewert der Partike3/iber die potentielle Energie hinaus vergrößert wird, die die Partikel während der Herstellung angenommen haben können. Das Pulver kann mechanisch durch irgendein geeignetes Verfahren bearbeitet werden, beispielsweise kaltwalzen oder verdichten. Beispielsweise kann die Verdichtung unter Verwendung einer Kreisel-Prallmühle durchgeführt werden, wie sie von der Firma Vortec Products, Incorporated, hergestellt wird.

Die potentielle Energie, die durch Kaltbearbeitung entsteht und die häufig als gespeicherte Spannungsenergie bezeichnet wird, senkt die Rekristallisationstemperatur so ab, daß die verformten Körner bei einer niedrigeren TemperatujTrekristallisieren, als das bei dem Metallpulver der Pail ist, das nicht kalt bearbeitet worden ist. Das kalt bearbeitete Pulver wird dann durch irgendeines der üblichen Verfahren heiß verdichtet, beispielsweise durch isostatisches Heißpressen, durch Heißstrangpressen, durch Heißgesenkpressen usw., und zwar bei einer Temperatur über der geänderten Rekristallisationstemperatur der kalt bearbeiteten Partikel, jedoch unter einer Temperatur, bei der ein schnelles Kornwachstum auftritt. Diese Rekristallisationstemperatur ist die abgesenkte Rekristallisationstemperatur, die durch das Kalt-Bearbeiten des Metallpulvers entsteht. Veil es wünschenswert ist, die feine Korngröße zu bewahren, die unmittelbar nach der Rekristallisation vorhanden ist, wird die

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Heißverdiehtungstemperatur unter einer Temperatur gehalten, "bei der ein exzessives Kornwachstum auftritt. Ein spezifischer Temperaturbereich kann unmöglich in dem "breiten Anwendungsfall aufgezeichnet werden, weil etwas Kornwachstum immer erfolgt und mit einer Rate weitergeht, die sich mit zunehmenden Temperaturen erhöht. Durch Eoutinetests läßt sich ein geeigneter Temperaturbereich festlegen, bei dem exzessives Kornwachstum nicht auftritt und die feine Korngröße bewahrt werden kann.

Es ist festgestellt worden, daß für viele Metallpulver der entstehende Preßling sich seiner theoretischen maximalen Dichte in einem erheblich größeren Ausmaß als Preßlinge annähert, die mit unbehandeltem Pulver der gleichen Zusammensetzung hergestellt werden, und daß eine feinere Körnung entsteht.

Eine mechanische Bearbeitung oder eine Kaltbearbeitung des lockeren Pulvers durch Kaltwalzen beinhaltet die Terformung der Partikel durch Druck. Wie dieser Begriff aussagt, kann das Kaltwalzen in einem normalen Walzwerk durchgeführt werden. Beim Verdichten werden die Partikel mit hohen Geschwindigkeiten in Bewegung versetzt und gegen ein Ziel geschleudert, wodurch die Partikel verformt werden. Bei einer Prallmühle der genannten Art werden die Partikel radial nach außen durch Eliehkraft in Bewegung versetzt und zwar durch ein in der Mitte sitzendes Umlaufelement. Die Fläche, die dieses Element umschließt, umfaßt eine Vielzahl von Zielen, gegen die die Partikel prallen.

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Nachdem die Partikel auf die Ziele aufprallen, werden sie von einem Stromgas mit hoher Strömungsgeschwindigkeit aufgesammelt und für einen weiteren Durchgang zurückgeführt. Jedes Mal, wenn ein Partikel auf ein Ziel aufprallt, wird er verformt, d.h. es wird eine Spannung eingeführt, und damit werden die Partikelkörner unter Spannung gesetzt. Die Restspannung bleibt im Kristallgitter der Körner und erhöht die potentielle Energie der Partikel. Mit anderen Worten, die Kaltbearbeitung erhöht die gespeicherte Energie. Mehrere Durchgänge durch die Prallmühle erhöhen kumulativ die Restspannung und folglich die Menge an gespeicherter Energie bzw. potentieller Energie.

Wenn die Superlegierungspulver kalt bearbeitet werden, ist es erforderlich, das Verfahren in einer nicht verunreinigenden Atmosphäre durchzuführen, beispielsweise Argon im Falle der typischen Superlegierungen auf Nickel- und Kobalt-Basis.

Es können auch andere Verfahren zur Kaltbearbeitung des Pulvers eingesetzt werden, beispielsweise eine Kaltbearbeitung in einer Kugelmühle, je nach den Eigenschaften des Metallpulvers. Die Hauptzielsetzung besteht darin, den Partikeln zusätzliche gespeicherte potentielle Energie über den Wert der potentiellen Energie hinaus zu verleihen, die die Partikel während der Herstellung des Metallpulvers bereits angenommen haben können. Das geschieht durch Verformung der Intrapartikelkörner. Eine solche Verformung stellt eine extensive Rekristallisation

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während der anschließenden Heißverdichtung sicher.

Beispielsweise wurden Proben von Superlegierungspulvern auf Nickelbasis, die in einer Argon-Atmosphäre zerstäubt wurden und chemische Zusammensetzungen innerhalb der Bereiche nach Tabelle 1 und der in Tabelle 2 gezeigten Siebanalyse hatten, in einer Argon-Atmosphäre bei Raumtemperatur kalt bearbeitet, indem sie durch die vorgenannte Art einer Prallmühle um das Äquivalent von 30 Durchgängen durchgeleitet wurden.

	0.02 -	Analyse
Tabelle 1	10 -	- 0.15
Chemische	15 -	- 14
C	3 -	- 20
Cr	3 -	- 5
Co	4 -	- 5
Mo	0.01 -	- 6
Ti	0.5 -	- 0.02
Al	Rest	• 1.0
B
Y
Ni

Tabelle 2	1
Siebanalyse	0.7
Maschenzahl	9.6
+80	41.6
-80/+100	11.3
-100/+200	6.4
-200/+270	30.4
-270/+325
-325

Die Härte der Metallpartikel wurde am zerstäubten Pulver und nach dem fünften, zehnten, zwanzigsten und dreissigsten Durchgang bestimmt. Daß die Metallpartikel eine Spannungsenergie

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— Ίο —

während der plastischen Verformung beibehielten, geht aus Tabelle III hervor, und zwar aus der durchschnittlichen Erhöhung in der Härte der Metallpartikel der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung.

	Tabelle III
Durchgangszahl	durchschnittliche Härte
	(Rc)
zerstäubt	43
5	53
10	56
20	59
30	61

Wie zu erwarten war, nahm die Zunahme in der Härte der aufeinanderfolgenden Serien von Durchgängen mit der Zunahme des Maßes an gespeicherter Energie ab. Mit anderen Worten, die gespeicherte Energie nimmt mit der zunehmenden Verformung zu, jedoch mit einer abnehmenden Rate.

Der Effekt der Kaltbearbeitung der Metallpartikel ist ferner in 3?ig. 1, 2 und 3 gezeigt. Fig. 1 ist eine Mikrofotografie von zerstäubten Metallpartikeln des Pulvers (-100 Maschen) mit einer 400fachen Vergrößerung. Die erwartete dendritische Struktur des zerstäubten Pulvers ist vorhanden. Fig. 2 ist

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eine Mikrofotografie von Metallpartikeln des Pulvers (-60 Maschen) "bei einer 400fachen Vergrößerung, die kalt gewalzt worden sind und Fig. 3 ist eine Mikrofotografie von Metallpartikeln des Pulvers (-100 Maschen) bei 40Ofacher Vergrößerung, die in einer Prallmühle der vorstehend genannten Art prallbehandelt worden sind. Daß eine potentielle Energie in die Metallpartikel eingeführt worden ist, die in Fig. 2 und 3 gezeigt sind, wird durch die Verformung der ursprünglichen Partikelkornstruktur bewiesen.

Wenn einem Metallpulver gespeicherte Energie verliehen wird, rekristallisiert es bei Erhitzung zur Heißverdichtung bei einer niedrigeren Temperatur als nicht behandeltes Pulver. Mit anderen Worten, durch Einführen von gespeicherter Energie in die einzelnen Partikel des Metallpulvers wird die Rekristallisationstemperatur gesenkt. Ferner ist die durch die Rekristallisation erzeugte Korngröße feiner beim kalt bearbeiteten Metallpulver als bei dem unbehandelten Pulver. Fig. 4 und 5 sind Mikrofotografien bei 40Ofacher Vergrößerung, die Proben von zerstäubtem und prallbehandeltem Metallpulver nach Tabelle I zeigen, und diese sind unter Vakuum bei 985° C (1800° F) eine Stunde lang wärmebehandelt worden, um einen heißen Verdichtungsgang zu simulieren.

Die Metallpartikel des in Fig. 5 gezeigten kalt bearbeiteten Pulvers haben sich offensichtlich in Anbetracht der feinen

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Körnung und des unverformten Zustandes der einzelnen Körner rekristallisiert. Die Probe des in Fig. 4 gezeigten zerstäubten, unbehandelten Metallpulvers hat andererseits die ursprüngliche dentritische Struktur "beibehalten, und das zeigt an, daß eine Rekristallisation nicht erfolgt ist.

In-dem der erfindungsgemäßen Lehre gefolgt wird, ist festgestellt worden, daß dann, wenn eine ausreichende gespeicherte Energie bestimmten metallischen Legierungspulvern verliehen wird, diese bei der Heißverdichtung auf eine ausreichend feine Körnung rekristallisieren, um jedem Partikel einen Zustand der Superplastizität zu geben. Das ermöglicht eine maximale Verdichtung bei einer niedrigeren Temperatur und/oder bei einem niedrigeren Druck, als das ansonsten möglich wäre. Zur Demonstration wurden. Proben des kalt bearbeiteten Pulvers auf Nickelbasis nach Tabelle I in Borsilikat-Glasröhren gegeben, die unter Vakuum gesetzt und gegen die Atmosphäre abgekapselt wurden, und zwar unter Verwendung von normalen Lampenbearbeitungsmethoden. Proben des zerstäubten Metallpulvers wurden ebenfalls in der gleichen Weise eingekapselt. Die Pulvermetallproben wurden dann bei 1080° C (1975° F) und 52,5 kp/cm (750 psi) zwei Stunden lang isostatisch heißverdichtet. Die Dichtenmessungen für die Proben sind in der Tabelle IV angegeben.

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Tabelle IY Metallpulvertype # der theoretischen Dichte

zerstäubt 90,9

kalt bearbeitet 95,1

Aus den Ergebnissen der Dichtenprüfung geht hervor, daß sich ein dichterer Metallpreßling bei einem niedrigerem Druck mit dem kalt bearbeiteten Metallpulver herstellen läßt.

Alternativ läßt sich ein dichterer Preßling mit dem kalt bearbeiteten Pulver bei niedrigeren Temperaturen herstellen. Beispielsweise wurden Proben von zerstäubtem Metallpulver mit
einer Körnung von -100 Maschen und kalt gewalztem Metallpulver mit einer Körnung von -60 Maschen mit einer Verringerung in der linearen Abmessung von ca. 50 $> der aufgewendeten Walzkraft, die beide die Zusammensetzung nach Tabelle I hatten, in Borsilikat-Glasröhren eingekapselt, wie das vorstehend beschrieben worden ist. Die Proben wurden dann bei 985° C (1800° F) und
700 kp/cm (10.000 pso) zwei Stunden lang isostatisch heißverdichtet. Zu beachten ist, daß bisher eine isostatische Heißverdichtung von Superlegierungspulver auf Nickelbasis bei Temperatüren von mehr als 1040° C (1900° F) durchgeführt worden sind, um Preßlinge herzustellen, die eine kommerziell akzeptable Dichte haben. Ferner kann die für den Verdichtungsvorgang erforderliche Zeit verringert werden. Kurz gesagt, die Erfin-

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dung ermöglicht die Verringerung der Zeit-, Temperatur- und/ oder Druckwerte des bekannten Heißverdichtungsverfahrens.

Fig. 6 ist eine Mikrofotografie der zerstäubten Probe mit einer 4-OOfaehen Vergrößerung nach der Verdichtung, und Fig. 7 ist eine Mikrofotografie des kalt gewalzten Metallpulvers bei 400-facher Vergrößerung nach der Verdichtung. In der zerstäubten Probe, die in Fig. 6 gezeigt ist, ist eine erhebliche Porosität ersichtlich, ebenso eine relativ grobe Körnung dentritischer Struktur. Es ist zu sehen, daß der Umriß der einzelnen Metallpartikel noch erscheint. Die kalt gewalzte Probe, die in Fig. gezeigt ist, hat andererseits eine feine, rekristallisierte Kornstruktur. Das Fehlen der umrissenen ursprünglichen Partikel oder der Porosität ist recht augenscheinlich.

Die kalt gewalzte Probe, die in Fig. 7 gezeigt ist, wurde dann bei 1235° C (2250° F) 24 Stunden lang wärmebehandelt. Fig. 8 ist eine Mikrofotografie der wärmebehandelten Probe bei 400-facher Vergrößerung. Fig. 8 zeigt klar, daß ein Kornwachstum mit einem Superlegierungspreßling auf Nickelbasis unter Arbeiten mit normalen Wärmebehandlungsverfahren erreicht werden kann. Die Körnung der wärmebehandelten, kalt gewalzten Probe beträgt etwa ASTM 4, was einen Korndurchmesser von 0,087 mm (0,0035") im Mittel entspricht. Diese Körnung ist wesentlich größer als die Körnung, die zuvor mit zerstäubten Superlegierungspulvern erreicht werden konnte.

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Eine andere kalt gewalzte, verdichtete Probe, die der in Fig. gezeigten entsprach, wurde isothermisch "bei 1095° C (2000° F) heißgeschmiedet, und zwar unter Arbeiten mit einer Stempelgeschwindigkeit von 0,1 pro Zoll pro Minute. Die Probe war vor dem Schmieden ein Block mit einem Durchmesser von 50 mm (2") und einer Höhe von 100 mm (4¹¹)· Der Block wurde auf einen Kuchen in einer Dicke von 12,7 mm (1/2") durch das Schmieden reduziert. Die Fließspannungen, auf die man während des Heißschmiedens stieß, waren mit Jenen vergleichbar, die bei den spanngepreßten superplastischen Blöcken der gleichen Zusammensetzung entstanden.

Fig. 9 ist eine Mikrofotografie der Probe nach dem isothermischen Heißschmieden. Es ist zu beachten, daß die eingesetzte Temperatur eine solche ist, bei der ein exzessives Kornwachstum nicht auftritt. Daß ein exzessives Kornwachstum nicht eintrat, geht aus einem Vergleich der verdichteten Probe, die in Fig. gezeigt ist, mit der isothermisch geschmiedeten Probe hervor, die in Fig. 9 gezeigt ist.

Obgleich ein isothermisches Heißschmieden bei relativ geringen Stempelgeschwindigkeiten das normale Verfahren für das Heißverformen von superplastischen Blöcken ist, kann auch mit anderen Heißverformungsverfahren gearbeitet werden.

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Der in Fig. 9 gezeigte isothermisch heißgeschmiedete Preßling wurde dann 24 Stunden lang bei 1235° C (2250° F) wärmetehandelt. Fig. 10 ist eine Mikrofotografie, die die Ergebnisse der Wärmebehandlung zeigt. Besonders festzustellen ist, daß wie bei der verdichteten Probe ein Kornwachstum erreicht werden kann. Die Körnung der wärmebehandelten, isothermisch geschmiedeten Probe, die in Fig. 10 gezeigt ist, beträgt etwa ASTM 3. Wie vorstehend erwähnt, ist die Fähigkeit zum Erreichen einer relativ großen Körnung für Anwendungsfälle im höheren Temperaturbereich sehr wichtig, beispielsweise für Turbinenschaufeln für Strahltriebwerke, weil Korngrenzen die primäre Quelle für Teilebrüche sind.

Das Kornwachstum dürfte durch normale Wärmebehandlungen deswegen erreichbar sein, weil die von den Metallpartikeln erfahrene Behandlung, speziell die Einführung von gespeicherter Energie durch Kaltbearbeitung, das Entstehen eines Kornwachstums verhindert oder mindestens reduziert, was Ausscheidungen an der Oberfläche der Partikel unterbindet. Das dürfte aus mindestens zwei Gründen geschehen. Einmal ist gezeigt worden, daß eine Reduktion in der Heißverdichtungstemperatur möglich ist, weil dichte Metallpreßlinge bei niedrigeren Temperaturen erzeugt werden können, wenn das Metallpulver kalt bearbeitet wird. Die Reduktion in der Temperatur ermöglicht eine Durchführung der Heißverdichtung in den meisten Fällen über einen Temperaturbereich hinweg, bei dem schädliche Ausscheidungen in schädlichen Mengen nicht entstehen. Schädliche Ausscheidungen

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sind Jene, die nicht in Lösung während der Wärmebehandlung zurückgeführt werden. Bei Superlegierungen auf Nickelbasis sind die schädlichen Ausscheidungen MC-Karbide, wobei "M" Titan ist. Bisher ist ein Kornwachstum für höhere Verdichtungstemperaturen geopfert worden, weil ohne die höheren Temperaturen eine kommerziell akzeptable Dichte in den Preßlingen nicht erreicht werden konnte. Wie vorstehend erwähnt, ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, die Verdichtungstemperaturen abzusenken und trotzdem Bauteile herzustellen, die eine kommerziell akzeptable Dichte haben.

Dieses Phänomen ist in Fig. 10 gezeigt. Die Ausscheidung ist in allen Metallen natürlich ein temperaturabhängiger Vorgang. Das MC-Karbid demonstriert in einer Anzahl der Superlegierungen, beispielsweise in der Superlegierung auf Nickelbasis mit der in Tabelle I gezeigten chemischen Zusammensetzung, eine Reaktion auf die Temperatur, wie das am Beispiel in Fig. 11 gezeigt ist. Speziell gibt es einen Temperaturbereich, über dem die Menge an schädlichen MC-Karbiden abfällt. Wie vorstehend angedeutet, erscheinen in einer typischen Superlegierung auf Nickelbasis, die sowohl Titan und Molybdän enthält, die schädlichen Ausscheidungen für diese Art Superlegierung die MC-Karbide zu sein, bei denen "M" allgemein Titan ist, in bestimmten Fällen kann jedoch zusätzlich oder alternativ auch Molybdänkarbid vorhanden sein. Bisher ist eine Heißverdichtung normalerweise bei Temperaturen von 1075° C (1975° F) oder mehr durchgeführt worden. Wie vor-

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stehend erwähnt, waren diese Verdichtungstemperaturen erforderlich, um Preßlinge entstehen zu lassen, die eine kommerziell akzeptable Dichte haben. Wie in Fig. 11 gezeigt ist, nimmt die Menge an MC-Karbidausscheidungen bei Temperaturen über 1040° C (1900° F) und mehr schnell zu. Die Erfindung ermöglicht eine Reduktion in der Heißverdichtungstemperatur, so daß eine exkzessive Ausscheidung der schädlichen Phasen vermieden werden kann. Heißverdichtungstemperaturen zwischen den Punkten A und B auf der Abszisse der Kurve in Fig. 10 sind besonders vorteilhaft, um die Ausscheidung von MC-Karbidausscheidungen zu reduzieren. Entsprechend wird ein anschließendes Kornwachstum nicht unterbunden.

Ein zweiter Grund für ein erhöhtes Kornwachstum ist der, daß die in das Kristallgitter eingeführte Energie Stellen für die Ausscheidung der Karbide innerhalb des Metallpartikels anstatt an der Oberfläche liefert. Aufgrund der Tatsache, daß ein Schrumpfen erfolgt, wenn die geschmolzenen Metalltröpfchen erstarren, steht die Außenfläche der Partikel unter Druck. Diese Druckspannung begünstigt eine Ausscheidung der Karbide an der Oberfläche. Indem die innere Energie der Metallpartikel erhöht wird, indem verschiedene Gitterdefekte durch Kaltbearbeitung erzeugt werden, entstehen Stellen für die Intrapartikelausscheidung der Karbide. Entsprechend wird die Menge an Karbiden, die an der Oberfläche des Partikels entstehen, verringert. Ein damit in

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Beziehung stehender Mechanismus ist, daß die größere Anzahl von Korngrenzen, die bei der Rekristallisation der verformten Körner entstehen, eine bevorzugte Intrapartikelausscheidung begünstigt. Die Ausscheidung an Intrapartikelkorngrenzen erfordert eine geringere Kohlenstoffatomwanderung als eine Ausscheidung an der Partikeloberfläche für innere Kohlenstoffatome. Eine Intrapartikelausscheidung dürfte damit weiter begünstigt sein, um damit eine exzessive Ausscheidung von schädlichen MC-Karbiden an der Oberfläche zu verhindern. Indem eine Ausscheidung dieser Karbide an der Oberfläche verhindert wird oder zumindestens das Ausmaß einer solchen Ausscheidung begrenzt wird, wird ein anschließendes Kornwachstum an den Partikelgrenzen ermöglicht. Es läßt sich damit ein volldichter Preßling herstellen, der wärmebehandelt werden kann, um ein Kornwachstum zu erhalten, das jenes weit überschreitet, das derzeit mit der Superlegierungspulververarbeitung möglich ist.

Die Probleme, die mit dem Vorhandensein von Hohlräumen und nicht metallischen Einschlüssen einhergehen, welche bei Pulvermetallen auftreten, werden ebenfalls beseitigt oder mindestens weitgehend gemindert, indem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gearbeitet wird. Die Porosität in den Preßlingen, die durch hohle Metallpartikel hervorgerufen wird, wird verringert oder beseitigt, weil das Kaltbearbeiten die Partikel bricht oder ζ ermahlt.

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Die effektivste Weise zur Beseitigung von Hohlpartikeln besteht in der Prallmethode für die Kaltbearbeitung, Bei der Prallmethode werden die Hohlpartikel aufgebrochen oder zum Platzen gebracht, um den inneren Hohlraum freizulegen. Entsprechend werden die Hohlpartikel beseitigt.

Wie vorstehend festgestellt, sind die nicht metallischen Einschlüsse allgemein Partikel aus feuerfestem Material, das von den Anlageteilen abgebrochen ist, die für die Herstellung des Pulvers verwendet werden. Bezüglich des Zerstäubungsprozesses sind die Quellen für solche nicht metallischen Einschlüsse der Trichter, die Düse, der Tiegel und andere Bauteile der Zerstäubungsanlage. Wie vorstehend erwähnt, sind nicht metallische Einschlüsse ebenso wie eine Porosität in den Pulvermetallpreßlingen unerwünscht, weil sie Stellen für die Rißbildung und -Portpflanzung bilden. Das Problem ist besonders schwerwiegend bei durch geringe Zykluszahlen ermüdungsbegrenzten Bauteilen.

Die Erfindung sieht im Prinzip ein Verfahren vor, bei dem ein signifikanter Schritt die Einführung von Energie in die einzelnen Partikel des Metallpulvers ist, um einen Produktionsteil herzustellen, der überlegene mechanische und metallurgische Eigenschaften hat. Weil diese Arbeit auf Massenbasis durchgeführt werden kann, werden auch die nicht metallischen Einschlüsse den mechanischen Kräften ausgesetzt, die erforderlich sind, um in die Metallpartikel Energie einzuführen. Der Groß-

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teil der nicht metallischen Einschlüsse und praktisch das gesamte feuerfeste Material ist sehr spröde. Deshalb werden die nicht metallischen Einschlüsse gebrochen oder zermahlen und damit in ihrer Größe reduziert, während die Pulvermetallpartikel verformt werden. Eine Größenreduktion allein kann schon ausreichend sein, um die nicht metallischen Einschlüsse unschädlich zu machen, weil ihre Größe unter die kritische Defektgröße reduziert wird, die erforderlich ist, um einen Riß entstehen zu lassen. Alternativ können die nicht metallischen Einschlüsse jedoch durch Größentrennung ausgeschieden werden, beispielsweise durch Absieben, weil eine erhebliche Größendifferenz zwischen den Metallpartikeln und den nicht metallischen Einschlüssen durch das Aufbrechen derselben und in vielen Fällen auch der entstehenden Vergrößerung bewirkt worden ist, die die Pulvermetallpartikel erfahren haben.

Wenn beispielsweise Metallpulver Energie verliehen werden soll, indem Metallpulver mit einer Körnung von -60/+80 Maschen zwischen paarweise angeordneten Walzen kaltgewalzt werden soll, so daß eine 40 - 60#ige Reduktion in der Partikeldicke erreicht werden soll, wird der Walzenabstand so eingestellt, daß ein Spiel von 0,099 mm (0,0039") entsteht. Beim Walzen werden alle Metallpartikel in im wesentlichen runde Plättchen verformt, die in zwei Abmessungen größer als die ursprünglichen Partikel sind, die im wesentlichen kugelförmig waren. Nicht metallische Einschlüsse andererseits, die spröde sind, zerbrechen und werden

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kleiner als ihre ursprüngliche Größe. Das -6O/+8Oer kaltgewalzte Produkt wird dann einer Größenklassierung unterzogen, indem ein Sieben mit einem Sieb mit einer Maschenzahl von 80 Maschen erfolgt. Die nicht metallischen Einschlüsse, die nun eine geringere Größe haben, gehen durch das Sieb, während die Pulvermetallpartikel, die ursprünglich eine Maschenzahl von -60/+80 Maschen hatten, nun jedoch größer sind, am Sieb zurückgehalten werden. Entsprechend kann eine effektive mechanische Trennung von nicht metallischen Einschlüssen von Metallpulver vorgenommen werden. Das ist die bevorzugteste Art zum Entfernen von nicht metallischen Einschlüssen.

Wenn Metallpulver mit einer Maschenzahl von -6O/+4OO Maschen prallbehandelt wird, um den Pulvermetallpartikeln Energie zu verleihen, indem das Pulver durch eine Prallmühle geleitet wird, werden nicht metallische Einschlüsse in ihrer Größe aufgrund eines Sprödigkeitsbruchs reduziert. Ein anschließendes Sieben durch ein Sieb mit einer Maschenzahl von 400 Maschen entfernt mechanisch die kleineren nicht metallischen Einschlüsse aus dem Metallpulver, dessen Partikelgröße nicht wesentlich geändert worden ist.

Es versteht sich, daß in vielen Fällen der signifikanteste kommerzielle Aspekt der Erfindung darin besteht, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren ein sehr erwünschter Zustand der

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Superplastizität im Metallpulver und im Produktionspreßling entsteht. Eine Probe des Pulvers auf Nickelbasis mit der in der Tabelle I angegebenen Zusammensetzung wurde kaltgewalzt, um den einzelnen Partikeln Energie zu verleihen. Das kalt bearbeitete Metallpulver wurde dann isostatisch heiß verdichtet, und zwar in einem Glasbehälter bei 985° C (1800° P) und 700 kp pro cm (10.000 psi), und zwar zwei Stunden lang, um einen Preßling in einer Größe von 63 x 102 mm (2 1/2" χ 4") zu bilden. Zugproben mit einer Lehrenlänge von 12,7 mm (0,5") und einem Lehrendurchmesser von 6,3 mm (0,25") wurden aus Quer- und Längsabsehnitten hergestellt. Dann wurden Zugprüfungen bei 1075° C (1975° F) und einer Belastungsrate von 0,670ⁿ/"/min. durchgeführt. Die Ergebnisse der Zugprüfungen sind in Tabelle 7 angegeben.

	Tabelle V	prozentuale
Abschnitt	Druckbelastung (psi)	Längung
		381
quer	10,400	294
quer	8,830	238
längs	9,250	322
längs	8,250

Aus den Werten für die prozentuale Längung ist ersichtlich, daß ein Zustand der Superplastizität erreicht worden ist, insbesondere in Anbetracht der Tatsache, daß die prozentualen

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Längungswerte für unbehandeltes Pulver im zerstäubten Zustand in der gleichen Zusammensetzung etwa 20 $ betrugen.

Im wesentlichen gibt es keine Blockgrößen- oder Formbegrenzungen, die mit denen vergleichbar sind, auf die man bei den Extrusionsverfahren trifft. Ein isostatisches Heißpreßverfahren unter Verwendung eines glashaltigen Behälters oder eines G-lasbehälters kann eingesetzt werden, wie es aus der US-Patentschrift 3 622 313 bekannt ist. Der Preßling kann in praktisch Jede Form gebracht werden, und er kann speziell in eine Form geformt werden, die sich etwa der des Endprodukts annähert. Komplizierte Formen, beispielsweise Scheiben und Rotoren großen Durchmessers, sind hergestellt worden. Weil ein isostatisches Heißpressen allgemein in einem Autoklaven durchgeführt wird, ist die einzige Größenbegrenzung die größte Abmessung für das Werkstück, das in dem Autoklaven aufgenommen werden kann. Produktionspulvermetallpreßlinge von mehr als 200 kg sind nach dem isostatischen Heißpreßverfahren hergestellt worden. Aufgrund der Verringerung des erforderlichen Drucks können größere Autoklaven wirtschaftlicher zur Verwendung für die Heißverdichtung gebaut werden, weil die erforderlichen Drücke niedriger sind.

Weil jeder Partikel des Metallpulvers einzeln kalt bearbeitet wird, erhalten alle Partikel im wesentlichen die gleiche Energiemenge. Folglich ist die volumetrische Dichte der Kernbildungsstellen im wesentlichen für jeden Partikel gleich. In einem

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makroskopischen Maßstab bedeutet das, daß der Preßling in Hinsicht auf die Rekristallisation im wesentlichen homogen ist. Ferner ist der Preßling allgemein isotrop.

Temperaturprobleme, die bei dem Extrusionsverfahren zur Herstellung von superplastischem Material einhergehen, entfallen ebenfalls, weil beim erfindungsgemäßen Verfahren eine mechanische Bearbeitung zur Herstellung einer feinen Körnung von der Verdichtung und von dem Sintern abgetrennt ist. Eine Kaltbearbeitung des Metallpulvers wird bei irgendeiner Temperatur unter der Rekristallisationstemperatur durchgeführt. Beispielsweise wird das Kaltbearbeiten des Metallpulvers durch Prallbehandlung oder durch Kaltwalzen zweckmäßig bei Umgebungstemperaturen durchgeführt. Das Extrusionsverfahren zur Erzeugung einer Superplastizität erfordert andererseits Temperaturen in der Mhe der normalen Rekristallisationstemperatur des Metalls oder sogar darüber, um große Verringerungen in der Querschnittsfläche zu ermöglichen. Folglich ist beim erfindungsgemäßen Verfahren eventuelle zusätzliche Wärme, die während des Kaltbearbeitens entstehen kann, unschädlich, weil das Verfahren bei Temperaturen durchgeführt wird, die weit unter jenen liegen, bei denen eine Erholung oder eine Rekristallisation und ein Kornwachstum auftreten können. Während insgesamt auf die Heißverdichtung durch isostatisches Heißpressen Bezug genommen worden ist, liegt es auf der Hand, daß erfindungsgemäß behandeltes Pulvermetall für alle anderen Heißverdichtungsverfahren einge-

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setzt werden kann. Beispielsweise kann eine Heißverdichtung durch das Extrusionsverfahren sehr effektiv eingesetzt werden. Weil das Pulver sich bereits in einem Zustand "befindet, bei dem die Superplastizität erreicht werden kann, indem die Temperatur des Pulvers über die Rekristallisationstemperatur erhöht wird, kann eine Heißextrusion bei niedrigeren Drücken durchgeführt werden, als sie normalerweise erforderlich sind.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Behandlung von lockerem Metallpulver, das zur Verdichtung nach einer Heißkonsolidierungstechnik geeignet ist und aus Pulver mit Hohlpartikeln besteht, dadurch gekennzeichnet, daß durch Kaltbearbeitung des lockeren Metallpulvers die Hohlpartikel zerbrochen werden und gleichzeitig in jedem Partikel des lokkeren Metallpulvers eine Verspannung bewirkt wird, die eine residuelle Spannung zur Erhöhung des potentiellen Energieniveaus der Partikel über die potentielle Energie hinaus verleiht, die die Partikel während ihrer Herstellung angenommen haben können, wobei die Verspannung bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Metalls ohne Verdichtung des Pulvers dessen Rekristallisationstemperatur absenkend bewirkt, so daß bei Einwirkung von Wärme während einer anschließenden Heißkonsolidierung über die abgesenkte Rekristallisäionstemperatur hinaus jeder der Partikel so rekristallisiert, daß ein Metallpulverpreßling entsteht, der eine feinere durchschnittliche Körnung und weniger durch Hohlpartikel erzeugte Hohlräume besitzt, als ein Metallpulverpreßling, der aus einem Pulver der gleichen Zusammensetzung erzeugt wird, das nicht in dieser Weise behandelt worden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

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zeichnet , daß beim Kaltbearbeiten die einzelnen Partikel mit hohen Geschwindigkeiten in Bewegung versetzt und danach dadurch verformt werden, daß sie gegen ein Ziel geschossen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Partikel eine im wesentlichen gleiche residuelle Spannung verliehen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verspannung durch Kaltbearbeitung des lockeren Pulvers bei Umgebungstemperaturen eingeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver aus einem Metall besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Superlegierung auf Nickelbasis und einer Superlegierung auf Kobaltbasis besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Metallpulver dadurch hergestellt ist, daß das geschmolzene Metall zerstäubt und zur Erstarrung gebracht ist.

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7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i c h ne t , daß das Heißkonsolidieren bei einer Temperatur durchgeführt wird, die mindestens so hoch wie die gesenkte Rekristallisationstemperatur ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißkonsolidieren bei einer Temperatur unter Temperaturen durchgeführt wird, bei denen ein exzessives Kornwachstum erfolgt, derart, daß ein Pulvermetallpreßling entsteht, der eine relativ feine Körnung hat.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulvermetallpreßling bei einer Temperatur unter Temperaturen hergestellt wird, bei denen ein exzessives Kornwachstum erfolgt, derart, daß die feine Körnung im wesentlichen beibehalten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der heiß geformte Pulvermetallpreßling anschließend bei Temperaturen wärmebehandelt wird, die so ausreichend gewählt werden, daß ein Kornwachstum bewirkt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Kaltbearbeiten in einer nicht

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oxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel "beim Kaltbearbeiten · durch Zusammendrücken derselben zwischen kraftübertragenden Elementen verformt werden.

13· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißkonsolidieren dadurch vorgenommen wird, daß das Metallpulver in einem glashaltigen Behälter eingekapselt wird, daß der Behälter und das eingekapselte Pulver auf eine Temperatur über die abgesenkte Rekristaliisationstemperatur erwärmt werden, daß das Metallpulver dadurch verdichtet wird, daß auf den Behälter ein Außendruck ausgeübt wird, derart, daß dieser zusammengedrückt wird, und daß der zusammengedrückte Behälter von dem entstehenden verdichteten Metallpreßling entfernt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines feinkörnigen, verdichteten Metallpreßlings aus Metallpulver, das zum Kornwachstum über Partikelgrenzen hinaus neigt, durch geeignete Wärmebehandlung aus einer Legierung mit unlöslichen Ausscheidungen, die zum Entstehen an Partikeloberflächen neigen und damit das Kornwachstum hindern, dadurch gekennzeichnet, daß beim Heißkons olidi er- en unerwünschte Mengen an unlöslichen Ausschei-

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düngen entstehen, derart, daß das Entstehen von unlöslichen Ausscheidungen an den Partikeloberflächen reduziert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß beim Heißkonsolidieren so ausreichend Wärme und Druck ausgeübt wird, daß eine Verdichtung des Metallpulvers bewirkt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1 zur Behandlung lockeren Metallpulvers mit spröden, nicht metallischen Einschlüssen zur Verdichtbarkeit des Metallpulvers durch eine Heißkonsolidierungsmethode, dadurch gekennzeichnet, daß durch Kaltbearbeitung die Größe der Metallpartikel um mindestens zwei Abmessungen vergrößert und die Größe der spröden, nicht metallischen Einschlüsse verringert wird, und daß anschließend die nicht metallischen Einschlüsse aus dem Metallpulver durch Größenklassierung ausgeschieden werden, derart, daß bei Einwirkung von Wärme über die gesenkte Rekristallisationstemperatur während der anschliessenden Heißkonsolidierung jeder-der Partikel so rekristallisiert, daß ein Metallpulverpreßling mit einer feineren durchschnittlichen Körnung von weniger nicht metallischen Einschlüssen als ein Metallpulverpreßling erzeugt wird, der aus einem Pulver gleicher Zusammensetzung hergestellt wird, das nicht in dieser Weise behandelt worden ist.

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17. Metallpulver nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß "beim Trennen der nicht metallischen Einschlüsse durch Größenklassierung das kalt bearbeitete Pulver an einem Sieb gesiebt wird, das den Durchgang der größenreduzierten nicht metallischen Einschlüsse ermöglicht und die vergrößerten Metallpartikel zurückhält.

18. Verfahren nach Anspruch 1, zur Herstellung eines verdichteten Metallpreßlings aus einem lockeren Metallpulver derart, daß die Temperatur und/oder der Druck der Heißverdichtung gesenkt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Partikel des Pulvers bei einer Temperatur mechanisch verformt werden, die wesentlich unter der Rekristallisationstemperatur liegt, derart, daß in das Kristallgitter der Körner jedes Metallpartikels eine Verspannung eingeführt wird, daß die Rekristallisationstemperatur gesenkt und die Zahl der potentiellen Rekristallisationsstellen erhöht wird, daß das Metallpulver auf einer Temperatur unter der abgesenkten Rekristallisationstemperatur gehalten wird, daß anschliessend das unrekristallisierte lockere Metallpulver bei einer Temperatur und/oder bei einem Druck heißverdichtet wird, derart, daß die Temperatur mindestens so hoch wie die gesenkte Rekristallisationstemperatur ist, und bei

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einer Temperatur und/oder bei einem Druck, die niedriger als die Temperatur und/oder der Druck ist, die bzw. der unter Verwendung von Pulver der gleichen Zusammensetzung erforderlich ist, das nicht in dieser Weise behandelt ist, derart, daß das lockere Metallpulver verdichtet und die Körner rekristallisiert werden, und daß die Konsolidierungstemperatur unter Temperaturen gehalten wird, bei denen ein exzessives Kornwachstum erfolgt, derart, daß die feine Kornstruktur in dem verdichteten Pulvermetallpreßling im wesentlichen bewahrt wird, der bei der Rekristallisation entsteht.

19. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines Superlegierungsmetallpreßlings auf Nickelbasis, der zum Kornwachstum durch Wärmebehandlung neigt, dadurch gekennz eichnet , daß lockeres Superlegierungsmetallpulver auf Nickelbasis so kalt bearbeitet wird, daß in die einzelnen Partikel des Metallpulvers eine Verspannung bewirkt wird, daß das Metallpulver auf einer Temperatur unter der abgesenkten Rekristallisationstemperatur gehalten wird und daß anschließend das unrekristallisierte, lockere Metallpulver bei einer Temperatur zwischen den Punkten A und B an der Abszisse der Kurve in Fig. 10 heiß konsolidiert wird.

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20. Verfahren zur Herstellung eines verdichteten Pulvermetallpreßlings, dadurch gekennzeichnet, daß ein kalt bearbeitetes Metallpulver hergestellt wird, derart, daß das Kristallgitter jedes einzelnen Partikels einen relativ hohen Wert bewahrter Spannungsenergie umfaßt, daß anschließend das kalt bearbeitete Pulver auf einer Temperatur unter der Rekristallisationstemperatur zum Bewahren der Spannungsenergie gehalten wird, daß anschließend das kalt bearbeitete Metallpulver bei einer Temperatur über der Rekristallisationstemperatur desselben zum Rekristallisieren der Partikel und zum Verdichten des Metallpulvers in einen Preßling heißkonsolidiert wird, und daß die Heißkonsolidierungstemperatur unter einer Temperatur gehalten wird, bei der ein exzessives Kornwachstum erfolgt, derart, daß die feine Kornstruktur in dem verdichteten Metallpreßling im wesentlichen bewahrt wird, die bei der Rekristallisation entsteht.

21. Metallpulver, das im wesentlichen von nicht metallischen Einschlüssen frei ist und zur Verdichtung einer Heißkonsolidierungstechnik geeignet ist, bestehend aus Pulver mit spröden, nicht metallischen Einschlüssen, das durch ein Verfahren hergestellt ist, das dadurch gekennzeichnet ist, daß durch Kaltbearbeitung die Größe der Metallpartikel in mindestens zwei Abmessungen vergrößert wird und die Größe der spröden, nicht metallischen Einschlüsse verringert wird, daß gleichzeitig in Jedem Partikel des lockeren Me-

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tallpulvers eine Spannung eingeführt wird, derart, daß dem Pulver eine Restspannung verliehen wird und dadurch der potentielle Energiewert der Partikel/über die potentielle Energie erhöht wird, die die Partikel während des Entstehens derselben angenommen haben können, wobei die Spannung bei einer Temperatur unter der Rekristallisationstemperatur des Metalls ohne Verdichtung des Pulvers eingeführt ist, derart, daß die Rekristallisationstemperatur desselben gesenkt wird, und daß anschließend die nicht metallischen Einschlüsse aus dem Metallpulver durch Größenklassierung ausgeschieden sind, derart, daß bei dem Einwirken von Wärme über der abgesenkten Rekristallisationstemperatur des Metalls während der Heißkonsolidierung Jeder der Partikel zur Erzeugung eines Metallpulverpreßlings rekristallisiert, der eine feinere durchschnittliche Körnung und weniger nicht metallische Einschlüsse als ein Metallpulverpreßling hat, der aus einem Pulver der gleichen Zusammensetzung hergestellt ist, das nicht in dieser Weise behandelt ist.

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