DE2547198A1

DE2547198A1 - Verfahren zur heissen isostatischen behandlung von gusstuecken

Info

Publication number: DE2547198A1
Application number: DE19752547198
Authority: DE
Inventors: Nick G Lirones
Original assignee: Howmet Corp
Current assignee: Howmet Corp
Priority date: 1974-10-24
Filing date: 1975-10-22
Publication date: 1976-04-29
Also published as: IT1043001B; SE7511841L; JPS5165031A; FR2288585A1; BE834762A

Description

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20. Oktober 1975 Gzm/Ra.

Hovnnet Corporation, Greenwich, Connecticut, USA

Verfahren zur heißen isostatischen Behandlung von Gußstücken

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Teilen einschließlich von Präzisionsgußstücken und von Teilen, die mittels pulvermetallurgischer Verfahren geformt warden; die Erfindung betrifft besonders die Herstellung von Teilen, deren Struktur von hoher Güte ist. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren, um Teile, die Defekte in Form intern und extern verbundener Materiallücken aufweisen), zu behandeln, die Defekte zu heilen und Teile der erwünschten Güte zu erhalten.

In den Kreisen, die mit der Herstellung von Präzisionsgußstücken befaßt sind, ist es wohlbekannt, daß intern und extern verbundene Defekte relativ häufig vorkommen. Defekte, die durch Mikroschrumpfung, Gaseinschluß, Hohlraumschrumpfung verursacht werden, sind häufig, ebenso andere Defekte, die zu inneren Materiallücken führen. Bei extern verbundenen Defekten weisen die Oberflächen von Gußstücken oft kalte Einschüsse, Heißrisse, Falten, dendritische Schrumpfung und andere Mängel auf, die im allgemeinen dadurch charakterisiert sind, daß in gewissen Oberflächengebieten Gußmaterial fehlt. Da das Präzisionsgießen nur geringe Toleranzen bezüglich der Abmessungen erlaubt, können solche extern verbundenen Defekte nicht dadurch entfernt werden, daß die betroffenen Gebiete

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einfach abgeschliffen werden.

Obwohl es sich um Defekte verschiedener Art handelt, können Teile, die mittels pulvermetallurgischer Verfahren geformt wurden, Materiallücken aufweisen. Solche Teile sind recht wertvoll und ihre Aufarbeitung kann zu einer Materialersparnis führen.

Fehler stellen ein besonders schwerwiegendes Problem dar, wenn Präzisionsteile aus sehr kostspieligen Legierungen hergestellt werden. Solche Teile können dort nicht verwendet werden, wo die Teile für kritische Zwecke verwendet werden, z.B. für Turbinenschaufeln eines Strahltriebwerke. Es ist bekannt, daß intern und/oder extern verbundene Defekte zu einem teilweisen Versagen der Teile unter den Betriebsbedingungen führen* weshalb diese Teile ausgeschieden werden müssen. Diese Teile sind dann nur als Abfall verwertbar; im Hinblick auf die hohen Kosten der Präzisionsherstellung bedeutet dies einen großen Verlust für die Hersteller.

Verfahren zur Wiederaufbereitung von Teilen mit derartigen Defekten werden in der US-Anmeldung 356 844 beschrieben ("Heiße isostatische Konsolidierung von Gußfehlern"). Diese Verfahren beruhen darauf, daß die Teile so hoch erhitzt werden, daß das Material leicht deformiert werden kann; gleichzeitig wird auf die Teile ein Gasdruck ausgeübt, der größer als 351,5

kp/cm ist. Dies führt zu einer Konsolidierung der Metallanteile im Bereich der Defekte; für praktische Zwecke genügt es, die Defekte auf diese Weise zu entfernen.

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Die Teile, die nach, diesen Verfahren behandelt werden, weisen bereits spezifische Dimensionen auf; abgesehen von einigen Zurichtungsprozeduren werden sie im wesentlichen in der Form verwendet, in der sie behandelt werden. Von besonderer Bedeutung ist es, die Teile unter solchen Bedingungen zu lagern, daß sie nicht derart verbogen oder in irgendeiner- anderen Weise deformiert werden, daß sie nicht an die für sie bestimmte Stelle in der endgültig montierten Anordnung passen. Da die Bearbeitung eine Behandlung bei relativ hoher Temperatur über einen relativ langen Zeitraum erfordert, müssen Biegebeanspruchungen oder Beanspruchungen anderer Art vermieden werden, da selbst eine geringfügige Deformation die Teile derart beschädigen kann, daß sie ausrangiert v/erden müssen.

Es ist auch von besonderer Wichtigkeit, eine Vorrichtung einzubauen, um die Teile, die in derselben Kammer behandelt werden, voneinander zu trennen. Zudem ist die Betriebsleistung von großer Bedeutung, da die Anwendung erhöhter Temperaturen und Drücke relativ hohe Betriebskosten bedingt; deshalb ist ein Betriebssystem erwünscht, das den geringsten Aufwand an Zeit und Energie erfordert.

Von großer Bedeutung ist es auch, während der heißen isostatischen Bearbeitung wirksam zu erhitzen und zu kühlen. Die Bearbeitungsbedingungen werden wesentlich verbessert, wenn die Wärme mit kontrollierter Geschwindigkeit auf die Teile übertragen werden kann und wenn die Teile unter kontrollierten Bedingungen gekühlt werden können. Diese Kontrollen können von besonderer Bedeutung für die Ausbildung der Eigenschaften der fertigen Teile sein.

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Es ist das allgemeine Ziel dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur heißen isostatischen Konsolidierung von Metallteilen zu entwickeln.

Es ist ein spezielles Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren zur heißen isostatischen Konsolidierung zu entwickeln, bei dem

XsuperalloyT Präzisionsteile aus Superlegierungen/und Titan derart bearbeitet werden, daß eine Biegebeanspruchung oder eine andere Deformation der Teile vermieden werden kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Betriebssystem für die heiße isostatische Konsolidierung zu entwickeln, das durch eine hohe Betriebsleistung charakterisiert ist, d.h. nur ein Minimum an Zeit und Energie erfordert, um die erwünschten Resultate zu erzielen und Teile mit den erwünschten Eigenschaften zu liefern.

Diese und weitere Ziele der Erfindung werden im folgenden genannt. Zur Verdeutlichung der Erfindung wird ein praktisches Beispiel, das aber nicht als Einschränkung der Erfindung aufgefaßt werden soll, genannt (die beigefügte Abbildung zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung der Teile in einer Kammer für die heiße isostatische Bearbeitung).

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen die Behandlung von Teilen, die intern oder extern miteinander verbundene Defekte aufweisen, die durch die Abwesenheit von Material charakterisiert sind. Die Erfindung betrifft insbesondere die Behandlung von Teilen unter solchen Bedingungen, daß die maximale Betriebsleistung erzielt wird und die Deformation der Teile durch Biegebeanspruchung oder durch andere Bean-

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spruchungen wirksam vermieden wird.

Ist es bekannt, daß die Teile zur Bildung von intern und/oder extern verbundenen Defekten neigen, so ist es wünschenswert» die Teile heiß und isostatisch zu konsolidieren. Um maximale Wirksamkeit zu erzielen, ist es wünschenswert, eine Charge von Teilen zu behandeln, wobei eine Vielzahl von Teilen zur gleichzeitigen Behandlung in dieselbe Druck- und Erwärmungskammer gebracht wird. In einem typischen System (wie bereits '■ in der erwähnten Anmeldung beschrieben), werden die Teile so hoch erhitzt, daß das Material leicht plastisch verformt werden

kann. Danach wird ein Gasdruck, der größer als 351,5 kp/cm ist, auf die Teile ausgeübt, vorzugsweise v/erden die Teile innerhalb der Erwärmungskammer an ihren Plätzen verbleiben.

In Übereinstimmung mit den Konzeptionen dieser Erfindung liegen die zu behandelnden Teile innerhalb der Behandlungskammer auf einem Füllmedium. Das Füllmaterial dient als Unterlage, wodurch Biegebeanspruchungen und andere Beanspruchungen, welche die Teile deformieren könnten, wirksam ausgeglichen werden. Die Unterlage beseitigt also Probleme, die entstehen können, wenn z.B. in einer Behandlungskammer Teile gegeneinander gestapelt sind oder wenn die Teile in der Kammer aufgehängt sind, wobei Beanspruchungen infolge der Schwerkraft auftreten.

Entsprechend dieser Erfindung sollten die physikalischen Charakteristika des Mediums so beschaffen sein, daß das Gas leicht durch das Medium strömen kann. Das Medium besteht aus Stücken, deren Gestalt derart beschaffen ist, daß Räume zwischen benachbarten Stücken das Durchströmen des Gases gestatten. Dadurch wird jede Tendenz des Mediums, die Teile von der Wärme-

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quelle zu isolieren, reduziert, während gleichzeitig gewährleistet wird, daß derselbe Druck auf die Teile ausgeübt wird.

Das Füllmedium ist vorzugsweise durch eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit charakterisiert. In einem derartigen Fall dient das Medium dazu, die Wärme auf die zu behandelnden Teile rasch zu übertragen, wodurch die Behandlungsdauer auf einen Minimalwert reduziert v/erden kann und ein unnötiger Aufwand an Zeit und Energie vermieden v/ird. Gemäß der Erfindung ist das Füllmedium derart beschaffen, daß die Isolierung der Teile durch das Medium möglichst gering ist.

Ein Medium, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, wird ebenfalls bevorzugt, damit rasch erhitzt werden kann; dadurch können die Eigenschaften der zu behandelnden Teile wesentlich verbessert werden, besonders was die Einheitlichkeit betrifft* Eine gute Wärmeleitfähigkeit macht es wahrscheinlicher, daß alle zu behandelnden Teile auf die erwünschte Temperatur gebracht werden und diese Temperatur für die erwünschte Dauer beibehalten wird.

Die Wärmeleitfähigkeit des Mediums ist auch für die Kühlung der Teile von großer Bedeutung. Es ist bekannt, daß die Eigenschaften gewisser Materialien durch rasches Abkühlen verbessert werden und ein Auflagemedium, das dies bewirkt, ist deshalb wichtig.

Die beigefügte Abbildung zeigt eine Kammer 10, welche die Behandlungskammer eines in der US-Anmeldung 356 844 beschriebenen Autoklaven sein kann. Dieser Autoklav kann aus einer isolierten, hitzebeständigen ErhJbzungskammer bestehen, die

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Heizelemente enthält und eine Druckleitung, um den Gasdruck innerhalb des Autoklaven zu erhöhen. Wie bereits angedeutet, wurdebei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Struktur benützt, mit deren Hilfe die Teile in einer einzigen Kammer behandelt werden können, um sich die Verbesserungen der Erfindung zunutze zu machen.

In der Kammer 10 sind die Teile 12 innerhalb des Füllniediums 14 verteilt. In diesem Fall besteht das Medium aus Keramikkugeln, wodurch notwendigerweise Lücken innerhalb des Mediums vorhanden sind, um das freie Strömen des Gases zu gewährleisten. Die benützten Wärmequellen können rasch die Teile durch Wärmekonvektion und durch Wärmeleitung innerhalb des Mediums selbst erhitzen. Das Füllmedium besteht vorzugsweise aus einem keramischen Material relativ hoher Wärmeleitfähigkeit, um eine maximale Wirksamkeit beim Erhitzen zu erzielen.

Innerhalb der Kammer werden die Teile auch physikalisch durch das Medium gestützt. Dadurch bleiben die Teile voneinander getrennt, wodurch eine Biegebeanspruchung der Teile oder andere unerwünschte Resultate vermieden werden. Zudem werden Beanspruchungen durch die Schwerkraft wirksam eliminiert, weshalb die Deformation der Teile, insbesondere schwerer Teile, kein Problem darstellt.

Entsprechend den Konzeptionen der Erfindung sind Kugeln aus Siliciumcarbid als Füllmedium besonders geeignet. Für ein keramisches Material hat dieses Material eine große Wärmeleitfähigkeit und es hält die Betriebsbedingungen der heißen isostatischen Verarbeitung aus. Das Material steht ohne weiteres in Größen zur Verfügung, die für die praktische Durch-

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führung der Erfindung bestens geeignet sind. Wenn das Siliciumcarbid in relativ großen oder groben Stücken verwendet wird, isoliert es nur geringfügig die Teile, wodurch die Wärme schnell auf die Teile übertragen wird, um die Betriebszelt und die Betriebskosten zu reduzieren.

Wie bereits bemerkt wurde, können andere Stützraedien, einschließlich Metallpulver, verwendet werden. Im Falle des Titans wird ein Medium derselben Zusammensetzung in Betracht gezogen; in Frage kommt auch eine Zusammensetzung, die nicht zu einer abträglichen Oberflächenreaktion führt. Das Medium aus Titan besitzt die erwünschte Wärmeleitfähigkeit, so daß die bereits erwähnten Vorteile erreicht werden können. Das Medium kann aus kugelförmigen Titanstücken bestehen. Die Größe dieser Stücke aus Siliciumcarbid oder einem anderen erfindungsgemäßen Material kann stark variieren,wobei Stücke mit einem Durchmesser von ungefähr 0,63 cm als obere Grenze betrachtet werden. Stücke, die im Bereich der Siebfeinheit 14 bis 100 mesh liegen, sind für praktische Zwecke besonders geeignet.

Die Konzeptionen dieser Erfindung eignen sich besonders für die Behandlung von Gußstücken aus Titan und Superlegierungen. Wie bereits in der US-Patentanmeldung 517 633 ("Verfahren zur Ausführung der heißen isostatischen Konsolidierung") ausgeführt wurde, sollte die Behandlung solcher Gußstücke Verfahrensschritte umfassen, die es gestatten, die Oberflächenkontamination solcher Gußstücke zu vermeiden. Im Hinblick auf diese Forderung kann das erfindungsgemäße Füllmaterial ein Reduktionsmittel oder ein anderes damit verbundenes reaktives Material

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aufweisen oder die Kammer 10 sollte mit einer Vorrichtung ausgestattet sein, die es gestattet, mögliche Verunreinigung der Einwirkung des Reduktionsmittels auszusetzen, um die Gefahr einer möglichen Verunreinigung der zu behandelnden Teile abzuwenden.

Wie angedeutet, führt die Verwendung eines keramischen oder metallischen Mediums hoher V/Urmeleitfäliigkeit zu signifikanten Verbesserungen der heißen isostatischen Bearbeitung. Das ver^l; wendete metallische Medium muß so beschaffen sein, daß die zu behandelnden Teile nicht verunreinigt werden. Aus diesem Grunde hat das metallische Medium vorzugsweise dieselbe oder eine ähnliche Zusammensetzung wie die zu behandelnden Teile, d.h. ein Medium aus Titan im Falle von Titanlegierungen und ein Medium aus Siperlegierurigen im Falle von Superlegierungen. Außer Siliciumcarbid können andere keramische Materialien mit ähnlichen Eigenschaften herangezogen werden.

Es versteht sich, daß verschiedene Veränderungen und Modifikationen des oben beschriebenen Verfahrens vorgenommen werden können, ohne daß vom Geist der Erfindung abgewichen wird.

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Claims

Patentansprüche

(λ\ Verbessertes Verfahren zur Behandlung von Teilen aus Gußstücken oder pulvermetallurgisch hergestellten Teilen, wobei die Teile aus Titanlegierungen oder Silberlegierungen bestehen und Defekte in Form von Materiallücken aufweisen, diese Teile werden in eine geschlossene Kammer gebracht und so hoch erhitzt, daß deren Material leicht deformiert werden kann, danach wird der Gasdruck in der Kammer vrenigstens auf ungefähr 351»5 kp/cm gesteigert, dadurch gekennzeichnet, daß ein teilchenformiges Material hoher Wärmeleitfähigkeit in die Kammer gebracht wird, die Teile mit dem Material in Kontakt stehen, wobei die Teile in einer räumlichen Beziehung zur Kammerwand und untereinander stehen.
2. Verfahren zur Behandlung von Teilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus groben Stücken besteht, wodurch Räume zwischen den Stücken entstehen, um das Strömen des Gases und die Wärmekonvektion zu ermöglichen.
3. Verfahren zur Behandlung von Teilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material die Teile im wesentlichen umgibt.
4. Verfahren zur Behandlung von Teilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus keramischen Materialien oder Metallpulvern besteht.

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5. Verfahren zur Behandlung von Teilen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus einem keramischen Carbid besteht.
6. Verfahren zur Behandlung von Teilen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung aufweist wie die Teile.

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