DE2547269A1

DE2547269A1 - Verfahren zum herstellen eines metallgussteiles

Info

Publication number: DE2547269A1
Application number: DE19752547269
Authority: DE
Inventors: Kenneth Walter Stalker
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-10-24
Filing date: 1975-10-22
Publication date: 1976-05-06
Also published as: IT1043520B; JPS5165032A; BE834701A; FR2289294B1; FR2289294A1; GB1520923A

Description

Verfahren zum Herstellen eines Metallgußteiles

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Gußteilen und insbesondere auf die Herstellung solcher Teile aus einem vorgeformten Gußkörper, von dem überschüssiges Material entfernt wird.

Gußkörper, wie sie zur Herstellung von Teilen für Gasturbinen
verwendet werden, weisen häufig aus einer Reihe von Gründen
innere Hohlräme und Durchgänge auf, so um das Gewicht zu verringern oder das Durchleiten von Flüssigkeiten bzw. Gasen zu ermöglichen. Viele solcher Gußkörper werden mit im wesentlichen den Endabmessungen nach bekannten Präzisions-Gießverfahren hergestellt. Die Wandstärke von Gußkörpern mit inneren Hohlräumen und Durchgängen ist jedoch in einer Hinsicht eine Punktion der Oberflächengröße. Ist die Oberflächengröße im Hinblick auf die Wanddicke zu groß, dann führt der Metall-Temperaturabfall beim

609819/0842

Fließen des Metalles über eine Fläche der Form zur Erstarrung des Metalles, bevor das Metall vollkommen den Formhohlraum
füllt, in den es hineinfließen soll. Unter anderen Umständen
mag die Form zwar gefüllt sein, doch verbindet das gegossene
Metall nicht richtig andere Teile des Gußkörpers aufgrund des Temperaturabfalles des Metalles. Der letztere Zustand wird
manchmal als Kaltverschlüsse" (im Englischen "cold shuts")
bezeichnet. Es gab also Beschränkungen hinsichtlich der Größe und Konfiguration, in der ein solcher Gußkörper hergestellt
werden könnte.

Im Falle von Knetmetall ist es eine bekannte Praxis, Material von einem übergroßen Vorformkörper mit solchen Verfahren, wie chemischem Ätzen, Fräsen oder elektrolytischen Verfahren, wie elektrochemischem Bearbeiten oder Lochbohren, zu entfernen.
Die Anwendung eines solchen Verfahrens auf gegossenes Metall
führt jedoch wegen der Gußkörper-eigenen Oberfläche und unter der Oberfläche vorhandenen Hohlräume und Diskontinuitäten zu einer sehr irregulären und unannehmbaren Oberflächenbeschaffenheit für die hochbelasteten Bestandteile von Gasturbinen.

Durch die Erfindung wird daher ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines gegossenen lletallteiles geschaffen, das zuerst ein Gießen eines VOrformlings für das Teil einschließt, wobei der Vorformling eine vorgesehene Menge Überschußmetall gegenüber dem für das fertige Teil aufweist und ein solcher Vorformling wird dann einer Kombination von Wärme und isostatischem
Druck für eine Zeit ausgesetzt, während der in beträchtlichem Maße die Diskontinuitäten , wie Hohlräume, aus der Metallmikrostruktur des Vorformlings entfernt werden, die anderenfalls zu einer irregulären Metallentfernung in einer chemischen Lösung führen würden. Dann wird das überschüssige Metall entfernt, und zwar vorzugsweise indem man den Vorformling einem Metallentfernungsverfahren unterwirft, wie einer chemischen oder elektrolytischen Entfernung oder einer Kombination von beiden.

Die Anwendung chemischen Fräsens oder elektrochemischen Bearbeitens auf gegossene Teile war bisher wegen de3 schweren Lochfraßes

6U9819/0842

M ""ζ M

2b47269

in solchen Bereichen, in denen Diskontinuitäten, wie Poren oder Hohlräume, an oder unter der Oberfläche existierten nicht praktisch ausführbar. Der Einsatz von Präzision3gußkörpern anstelle von Schmiedekörpern für gewisse hochbelastete Bestandteile von Gasturbinen bringt jedoch eine beträchtliche Verringerung hinsichtlich der Kosten mit sich und darüber hinaus weisen Gußkörper gewisse erwünschte charakteristische Eigenschaften auf. Ein Grund für die Unmöglichkeit, gewisse Schmiedeteile durch gegossene Strukturen in relativ komplexen, hochbelasteten Teilen mit inneren Hohlräumen oder Öffnungen zu ersetzen, ist die der Präzisionsgießtechnik eigene Begrenzung in ausreichendem Maße komplex gestaltete Formen vollkommen zu füllen, in denen Teile mit relativ dünnen Wandungen hergestellt werden sollen.

Die Herstellung von Gußkörpern mit zu dicken Wandungen erfordert das nachfolgende Entfernen des überschüssigen Metalles. Das mechanische Bearbeiten war in vielen Fällen unpraktisch und darüber hinaus in jedem Falle teuer. Der Einsatz chemischer Lösungen, wie zum chemischen Fräsen, oder elektrolyt is eher Prozesse, wie zum elektrochemischen Bearbeiten oder zum Bohren von Löchern, ergab aufgrund der Gußkörper-eigenen Diskontinuitäten, wie Hohlräumen, unannehmbare Oberflächen für hochbelastete Bestandteile.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein verbessertes Verfahren zum Herstellen gegossener Metallteile mit einer Oberflächenbeschaffenheit und einer Qualität des Gußkörpers geschaffen, die es gestatten, den Gußkörper für ein durch Schmieden hergestelltes Teil gleicher Konfiguration einzusetzen. Ein solch verbessertes Verfahren ist auf eine große Vielfalt auf Metallen und Legierungen anwendbar, aus denen Gußkörper hergestellt werden, z.B. Legierungen auf Eisen-, Nickel-, Kobalt-, Titan-, Aluminium-, Magnesium-, Kupfer- und Zink-Grundlage. Die vorliegende Erfindung wird jedoch im besonderen mit Bezug auf Legierungen auf Titan-, Eisen- oder Nickel-Grundlage beschrieben, die typisch sind für die Eisen-, Nickel-, Kobalt- und Titanl_egierungen, die für Gasturbinenteile besonders brauchbar sind.

b [19819/0842

- 4 - 2S47269

Im allgemeinen erfordert das verbesserte Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung einen Vorformling für das Teil, der gegenüber der für das fertige Teil erforderlichen Metallmenge einen Überschuß aufweist. Ein solcher Metallüberschuß kann z.B. als vollständigeoder teilweise Umhüllung um die allgemeine Konfiguration des gewünschten gegossenen Metallteiles vorhanden sein oder es kann Metall in einem festen Teil des Gußkörpers sein, das zur Schaffu._ng eines Hohlraumes_; des Kanales usw. entfernt werden soll. Die kritischen Anforderungen an die Konfiguration der Form, die vor der vorliegenden Erfindung den Einsatz von Gußkörpern in gewissen Konfigurationen ausschlossen , werden daher beseitigt, indem gegossene Vorformlinge hergestellt werden, die nach der vorliegenden Erfindung brauchbar sind.

Ein solch gegossener Vorformkörper wird dann einer Kombination von Temperatur und isostatischem Druck in einem Ausmaß und für eine Zeit ausgesetzt, daß aus der Metallmikrostruktur des Vorformkörpers im wesentlichen jene Diskontinuitäten entfernt werden, die bisher zu einer irregulären Metallentfernung mit einer chemischen Lösung führten. Eine solche Kombination von Wärme und isostatischem Druck wird manchmal als heißes isostatisches Pressen oder abgekürzt HIP-Technik bezeichnet. Bei einem solchen Verfahren werden die Wände von Poren und ähnlichen Diskontinuitäten zusammengepreßt und miteinander verbunden, so daß eine relativ gleichförmige Oberfläche einer chemischen Lösung ausgesetzt wird, wie sie zur Metallentfernung benutzt wird. Darüber hinaus kann die HIP-Technik zur Homogenisierung der MikroStruktur des Metalles benutzt werden, um auf dieee Weise im wesentlichen die Teile aus dem Metall zu entfernen, die mit einer Geschwindigkeit entfernt werden würden, die wesentlich verschieden ist von der solche nichthomogene MikroStruktur umgebenden Metallteile. Der weiter Behandlungsbereich für die Legierungen auf Eisen-, Nfakel-, Kobalt- und Titanbasis, der für Teile für Gasturbinen besonders brauchbar ist, liegt zwischen 700 und 129O°C (entsprechend 13OO bis 2350⁰P) und einem Druck von etwa 0,07 bis 2100 kg/cm (entsprechend 1 bie 30 000 US-Pfund/Zoll²) und einer Zeit im Bereich von 1/2 bis l6 Stunden. Legierungen, wie die auf Aluminium-, Kupfer-, Magnesium-

6 09819/0842

' * " Ü b 4"/2 b 9

oder Zinkbasis, werden in einem etwas verschiedenen Bereich der Bedingungen vorteilhaft behandelt,und zwar zum Beispiel zwischen 260 und 87O°C (entsprechend 500 bis l600°P) und einem Druck von etwa 35 bis 1400 kg/cm² (entsprechend 500 bis 20 000 US-Pfund/ Zoll ) und für eine Zeit von 1/2 bis 16 Stunden.

Nach dem HIP-Verfahren wird der Vorformkörper gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einem Metall-Entfernungs-Verfahren unterworfen, bei dem eine chemische Lösung zur Entfernung des überschüssigen Metalles benutzt wird- Wie bereits erwähnt, kann diese Metallentfernung nach bekannten Verfahren des chemischen Präsens oder durch elektrolytische Entfernung, wie elektrochemisches Bearbeiten, elektrolytisches Lochbohren usw. erfolgen.

Das HIP-Verfahren ist z.B. in den US-PS 3 496 624 und 3 758 beschrieben. Das chemische Fräsen 13t für die Herstellung von Luftfahrzeugen und deren Antrieben seit vielen Jahren in Benutzung und unter anderem in der US-PS 2 739 047 beschrieben. Auch das elektrolytische Entfernen von Material ist seit vielen Jahren im Gebrauch und z.B. in den US-PS 3 O58 095 und 3 352 beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert. Diese Beispiele sollen jedoch in keiner Weise die Tatsache einschränken, daß die vorliegende Erfindung auf jegliche Art von Metall-Gußkörper anwendbar ist.

Beispiel 1

Eine Superlegierung auf Nickelbasis, die nominell aus folgenden Bestandteilen in Gew.-? zusammengesetzt war: 0,05 C, 19 Cr, 18 Fe, 3 Mo, 5 Niob und Tantal zusammen, 1 Ti, 0,5 Al und der Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen, die manchmal als IN7l8-Legierung bezeichnet wird, wurde in einer wässrigen Säuremischung zum chemischen Fräsen angeordnet, wie sie von der Turco Products Division der Purex Corporation unter der Bezeichnung "Chem mill 7l8"-Lösung

6U98 19/0842

erhältlich ist. Nach der Herausnahme aus dem chemischen Bad wurde in dem Probekörper schwerer Lochfraß beobachtet. Vor dem chemischen Fräsen ausgeführte mikrographische Studien dieses und anderer Probekörper im gegossenen Zustand offenbarten eine außerordentliche Porosität an und unter der Oberfläche.■

Beispiel 2

Ein gegossener Probekörper der Legierung nach Beispiel 1 wurde vor der chemischen Behandlung einem heißen isostatischen Pressen bei einer Temperatur von etwa 12ÜO°C für vier Stunden unter einem

ρ
Druck von etwa 700 kg/cm unterworfen. Dann wurde der Gußkörper in das chemische Präsbad des Beispiels 1 eingetaucht. Nach dem chemischen Fräsen wurde der Probekörper herausgenommen und untersucht. Es wurde festgestellt, daß der schwere Lochfraß an der Oberfläche des Beispiels 1 hier nicht vorhanden war und daß der 0berflächenzu3tand des Oberkörpers annehmbar war. Mikrographische Studien des Probekörpers ergaben, daß die zuvor beobachtete Porosität durch das HIP-Verfahren beseitigt worden war.

Beispiel 3

Eine andere Superlegierung auf Nickelbasis mit der nominellen Zusammensetzung in Gew.-% von 0,17 C, 9 Cr, 4 Ti, 0,015 B, 4,3 Al, 7 W, 2 Mo, 10 Co, 3,8 Ta, 0,07 Zr und als Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen, die manchmal als Rene 120-Legierung bezeichnet wird, wurde zum Gießen einer Reihe von TurbinenBchaufeln benutzt. Eine Gruppe dieser Turbinenschaufeln wurde einem heißen isostatischen Pressen bei einer Temperatur von etwa 12l8°C für vier Stunden und unter einem Druck von etwa

ρ
1050 kg/cm unterworfen. Danach wurden nach einem Verfahren, ähnlich dem in der,US-PS 3 403 084 beschriebenen, Löcher elektrolytisch gebohrt. Dieses Verfahren wird manchmal als Elektro-Strombohren (im Englischen "Electro-streamdrilling¹¹) bezeichnet. Ein Vergleich mit einer Gruppe von Schaufeln dieses Materials,

b U 9 ö 1 9 / 0 8 4 2

- 7 - ^47269

die nicht dem HIP-Verfahren unterworfen worden war, zeigte eine 30 %-igß Borgeschwindigkeitszunahme für die Schaufeln, die gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt worden waren.

Beispiel H

Eine Legierung auf Eisenbasis mit der folgenden nominellen Zusammensetzung in Gew.-Jt: 0,7 C, 1 Mn, 1 Si, 17 Cr, 4 Ni, 4 Cu und al3 Rest Eisen und zufällige Verunreinigungen, die manchmal als 17-^PH-Legierung bezeichnet wird, wurde zum Gießen einer Reihe von Rahmenstützen einer Gasturbine benutzt. Eine Gruppe der gegossenen Teile wurde einem heißen isostatischen Pressen bei einer Temperatur von 1190°C für vier Stunden unter einem Druck von etwa 1050 kg/cm unterworfen. Nach dieser Behandlung wurden beide Gruppen in eine wässrige Säurelösung zum chemischen Fräsen eingetaucht, die eine Mischung von HCl, HNO^ und tf^POj, enthielt. Die im gegossenen Zustand eingetauchte Gruppe zeigte beträchtliche Oberflächen-Unregelmäßigkeiten und Lochfraß. Die zuerst dem HIP-Verfahren unterworfene Gruppe wies eine glatte reguläre Oberfläche auf.

Beispiel 5

Eine Legierung auf Titanbasis mit der nominellen Zusammensetzung in Gew.-ίί: 6 Al, 4 V und als Rest Titan und zufällige Verunreinigungen, die manchmal als Ti b-^-Legierung bezeichnet wird, wurde zum Gießen einer Reihe von Probekörpern verwendet. Eine Gruppe davon wurde einem heißen isostatischen Preesen bei 968⁰C für eine Stunde unter einem Druck von etwa 700 kg/cm^ unterworfen. Nach dieser Behandlung wurden beide Gruppen in einer wässrigen Lösung zum chemischen Fräsen angeordnet, die HF und CrO- als die Hauptbestandteile enthielt. Die im gegossenen Zustand eingetauchten Probekörper zeigten beträchtliche Oberflächenporosität, während die erst dem HIP-Verfahren unterworfenen Probekörper eine glatte Oberfläche ohne Lochfraß nach der.chemischen Metallentfernung aufwiesen.

U 9 β I 9 / 0 8 A 2

Claims

- 8 - 2b47269

Patentansprüche

/1.. Verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Gußmetall-Teiles gekennzeichnet durch folgende Stufen: Gießen eines Vorformlings für das Teil, der überschüssiges Metall über das in dem fertigen Artikel vorhandene hinaus aufweist,

Behandeln des gegossenen Vorformlings mit einer Kombination von Wärme und isostatischem Druck in einem solchen Ausmaß und für eine solche Zeit, daß die Mikrostruktur-Diskontinuitäten aus dem Vorformling im wesentlichen beseitigt werden und
Entfernen des überschußmetalles von dem Vorformling.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Metall von dem gegossenen Vorformling unter Verwendung einer chemischen Lösung entfernt wird, wobei das Verfahren folgende Stufen umfaßt:

Gießen eines Vorformlings für das Teil, der überschüssiges Metall über das für den fertigen Artikel erforderliche enthält,

Behandeln des gegossenen Vorformlings mit einer Kombination von Wärme und isostatischem Druck in einem solchen Ausmaß und für eine solche Zeit, daß die Diskontinuitäten der Metallmikrostruktur des Vorformlings im wesentlichen beseitigt werden, die sonst in der chemischen Lösung zu einer unregelmäßigen Metallentfernung führen und Entfernen des Metallüberschussea von dem Vorformling durch chemische Behandlung, elektrolytische Behandlung oder eine Kombination beider Behandlungsarten.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Metall des Teiles eine Legierung ist, die auf einem der Elemente Eisen, Nickel, Kobalt, Titan, Aluminium, Magnesium, Kupfer und Zink basiert und daß der gegossene Vorformling einer Temperatur im Bereich von etwa

bU981 9/0Ö42

260 bis etwa 129O°C und einem isostatischen Druck im Be- . reich von etwa 0,07 bis etwa 2100 kg/cm für eine Zeit von etwa 1/2 bis 16 Stunden ausgesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung eine auf Eisen-, Nickel-, Kobalt- oder Titanbasie ist und die Temperatur im Bereich von 700 bis 129O⁰C liegt und das überschüssige Metall vom Vorformling hauptsächlich durch chemische Behandlung in einer wässrigen Säurelösung entfernt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung auf Aluminium-, Magnesium-, Kupfer- oder Zinkbasis beruht, die Temperatur im Bereich von etwa 260 bis 87O°C liegt und der isostatische Druck im Bereich von etwa 35 bis I¹IOO kg/cm^ liegt.

6U9819/0842