DE2550217A1

DE2550217A1 - Verfahren zur verlaengerung der standzeit von metallteilen, insbesondere von bei hohen temperaturen betriebenen triebwerksschaufeln

Info

Publication number: DE2550217A1
Application number: DE19752550217
Authority: DE
Inventors: Baruch Cina; Gidon Dror; Michael Meron; Stuart Maurice Myron
Original assignee: Israel Aircraft Industries Ltd
Current assignee: Israel Aircraft Industries Ltd
Priority date: 1974-11-25
Filing date: 1975-11-08
Publication date: 1976-05-26
Also published as: FR2292049A1; GB1475662A; IL46114A; IT1049771B; FR2292049B1; US3957542A; IL46114A0

Description

DIPL.-ING. HORST ROSE DIPL-ING. PETER KOSEL PATENTANWÄLTE

3353 Bad Gandersheim, 7· November 1975 Postfach 129 Hohenhöfen S Telefon: (05382)2842 Telegramm-Adresse: Siedpatent Badgandershelm

UnsereAkten-Nr. 2639/4

Israel Aircraft Industries Ltd. Patentgesuch vom 7. November 1975

Israel Aircraft Industries Ltd. Ben-Gurion International Airport Iod / Israel

Terfahren zur Verlängerung der Standzeit von Metallteilen, insbesondere von bei hohen Temperaturen betriebenen Triebwerksschaufeln

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verlängerung der Standzeit eines Teils aus einer Legierung während der zweiten Kriechperiode, welche Legierung zuvor einem Lösungsglühen bei einer hohen Temperatur und einer nachfolgenden Ausscheidungshärtung-Wärmebehandlung bei einer niedrigeren Temperatur unterworfen worden war. Insbesondere wird angestrebt die Verlängerung der Standzeit von Schaufeln in Triebwerken, sowie die Verlängerung der Standzeiten sonstiger Teile, die bei hohen Temperaturen hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sindo Die vorliegende Erfindung findet bevorzugte Anwendung bei Superlegierungen auf Fickelbasis, kann aber mit Vorteil auch dazu, verwendet werden, die Kriech-Lebensdauer anderer Legierungen zu verlängern, ζ·Β· von Legierungen auf Kobalt-, Eisen-, Titan- und Aluminiumbasis. (Wenn bei solchen Teilen von Kriech-Lebensdauer gesprochen wird, so bezieht sich diese natürlich implizit auf die üblichen Betriebsbedingungen dieser Teile z.B. in einem Trieb-Bankkonto : Norddeutsche Landesbank. Filiale Bad Gandersheim, Kto.-Nr. 22.11B.970 · Postscheckkonto: Hannover 06715

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werk, wo sich, durch, die Arbeitsbedingungen, also Temperatur/ und Drehzahl, eine "bestimmte Lebensdauer im zulässigen Kriechbereich ergibt).

Der Begriff "Kriechen" bezieht sich auf die Verformungsoder Dimensionsänderung eines Metallteils, wenn dieses bei erhöhten Temperaturen einer ständigen Belastung unterworfen wird. Die Dimensionsänderungen infolge Kriechens werden im allgemeinen in drei Abschnitte unterteilt, vgl. DIU 50 118 (Dezember 1952), Ziffer 5.2.:

1. Im ersten Abschnitt, auch Primärkriechen oder erste Kriechperiode genannt, ist die Kriechgeschwindigkeit zunächst relativ groß und nimmt dann allmählich ab.

2. Im zweiten Abschnitt, auch Sekundärkriechen oder zweite Kriechperiode genannt, ist die Kriechgeschwindigkeit relativ gleichmäßige

3. Im dritten Abschnitt, auch Tertiärkriechen oder dritte Kriechperiode genannt, nimmt die Kriechgeschwindigkeit zunächst allmählich und dann stärker zu, bis es schließlich zum Bruch kommt_β

Im Laufe der Zeit wurde eine große Zahl von Superlegierungen entwickelt, welche eine hohe Zug-, Kriech- und konventionelle Dauerschwingfestigkeit bei erhöhten Temperaturen aufweisen. Solche Legierungen werden gewöhnlich zuerst einem Lösungsglühen (Wärmebehandlung mit erhöhter Lösung der Zusatzmetalle) bei einer hohen Temperatur unterworfen, um die Legierungsbestandteile zu lösen, und sie werden dann einer Ausscheidungshärtungs-Wärmebehandlung (Aushärten bzw» strukturelle Härtung) bei einer niedrigeren Temperatur unterworfen, um sie aus dem Verbundwerkstoff (solid solution) auszuscheidenο Kriechfeste Eigenschaften sind äußerst wichtig z.B. bei Antriebsaggregaten für Flugzeuge,.insbesondere zur Herstellung von Laufschaufeln und Turbinenläufern, welche durch die im Betrieb auf sie wirkenden Zentrifugalkräfte ständig hohen Zugbeanspruchungen bei

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erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind. Zum Erzielen eines größtmöglichen Wirkungsgrades werden Gasturbinen bei Bedingungen betrieben, welche in vielen Fällen dazu führen, . daß die Kriech-Lebensdauern der Laufschaufeln und der Turbinenläufer begrenzt sind. Während der periodischen Wartungen werden die Abmessungen der Laufschaufeln normalerweise gemessen, und wenn sie infolge Kriechens einen vorgegebenen Toleranzwert überschritten haben, werden die Laufschaufeln verschrottet. Die Herstellung solcher Lauf- ! schaufeln ist sehr teuer, und deshalb entstehen durch ihre

Verschrottung hohe Kosten. Auch gibt es Fälle, wo eine Lauf-] schaufel vollständig zu Bruch geht, ohne ihre erwartete j zulässige Lebensdauer überhaupt zu erreichen In manchen Fällen werden Turbinenläufer, welche Zehntausende von Dollar kosten können, zu bestimmten Betriebszeitpunkten verschrottet, ohne daß sie irgendein Zeichen einer Beschädigung aufweisen, einfach wegen der Befürchtung, sie könnten bei weiterem Betrieb infolge Kriechens vollständig zu Bruch gehen.

Aus den genannten Gründen sind erhebliche Anstrengungen , unternommen worden, um ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem es

! möglich ist, die sichere Betriebslebensdauer von Lauf-

schaufeln und Turbinenläufern zu erhöhen. Einige dieser Anstrengungen betrafen Versuche, Schäden infolge Kriechens durch verschiedene Wärmebehandlungen hauptsächlich in der dritten Kriechperiode zu. heilen, jedoch hatten diese Versuche nur sehr wenig Erfolg. Andere Versuche gingen in die Richtung, dem Superlegierungsteil eine "regenerative" Wärmebehandlung angedeihen zu lassen, wobei das ursprüngliche Lösungsglühen bei einer hohen Temperatur und die nach-

j folgende Ausscheidungshärtungs-Wärmebehandlung bei einer niedrigeren Temperatur wiederholt wurden, nachdem das Teil im Betrieb ständiger Kriechbeanspruchung ausgesetzt gewesen war. Aber auch diese Versuche hatten wenig oder keinen Erfolg.

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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird deshalb darin gesehen, die Sekundärkriech-Standzeit eines iegierungsteils zu verlängern«,

Nach der Erfindung wird dies erreicht durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen. Wie im folgenden an Beispielen ausführlich erläutert wird, gelingt es auf diese Weise, die Krieeh-Lebensdauer je nach Legierung zum ü?eil sehr erheblich su verlängern«

Besonders bei Superlegierungen auf JJiekelbasis geht man dabei in bevorzugter Weise so vor, daß die rekuperative Wärmebehandlung bei einer Temperatur erfolgt, die oberhalb der feaiperatur für die Ausaeheidungsliärtungs—Wärmebehandlung liegt.

Besonders gute Resultate ergaben sich, wie is folgenden anhand von zwei Beispielen mit Superlegierungen auf Uiekelbasis beschrieben wird, wenn das Superlegierungsteil der rekuperativen Wärmebehandlung unterworfen wird, nachdem es etwa 45 bis ?O ?S des Kriechens in der zweiten Kriechperiode durchlaufen hat. Bei den bevorzugten, im folgenden beschriebenen Beispielen von Superlegierungen auf liekeTbasis sollte die xekuperative Wärmebehandlung bei einer Temperatur erfolgen, die mindestens 150° G unter der temperatur für. das lösungsglühen liegt, und vorzugsweise zwischen der Temperatur für die Ausselieiduiigshärtuiig und der höchsten Betriebstemperatur des fells« Ia allgemeinen erzielt man bessere Ergebnisse, wenn die temperatur für die rekuperative "Wärmebehandlung am oberen Ende dieses Bereichs liegt, aia besten bei der höchsten Betriebstemperatur des Ieils_e

Die recuperative Wärmebehandlung sollte mindestens eine Stunde dauern» Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn sie während eines Zeitraums in der Größenordnung von 10 bis 30 Stunden angewandt wird«,

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i - 5 -

■ Wie bereits erläutert, wurden besonders gute Ergebnisse j bei Superlegierungen auf Hickelbasis erzielt; die be~ ! schriebene rekuperative Wärmebehandlung kann jedoch mit Vorteil auch dazu benutzt werden, die Kriech-Lebensdauer anderer Legierungen zu verlängern, z.B. von Legierungen auf der Basis von Kobalt, Eisen, Titan oder Aluminium. Die folgende Beschreibung enthält ein Beispiel für die rekupera-

! tive Wärmebehandlung jeder dieser Legierungen»

! Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen

j der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 ein Kriechdehnungs-Zeit-Diagramm, das sich bei ununterbrochenen Kriechversuchen an zwei Superlegierungen auf Nickelbasis ergab, d.h. bei Versuchen, die nicht für eine rekuperative Wärmebehandlung nach der vorliegenden Erfindung unterbrochen wurden,

Fig. 2 ein analoges Kriechdehnungs-Zeit-Oiagramm, bei denselben Superlegierungen wie in Fig. 1, wobei aber die Kriechversuche unterbrochen wurden, um eine rekuperative Wärmebehandlung nach der vorliegenden Erfindung vorzunehmen, und

Fig., 3 ein Schaubild, welches zeigt, wie die Zunahme der Lebensdauer in der zweiten Kriechperiode (d.h. vor dem Beginn des Tertiärkriechens) abhängig ist von dem Kriechzustand (ausgedrückt als Prozentsatz des ermittelten Sekundärkriechens), bei welchem die rekuperative Wärmebehandlung bei denselben Superlegierungen wie in Fig. 1 und 2 erfolgte.

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Die folgende vorläufige Erklärung kann "beim Verständnis dessen helfen, was nach den derzeitigen Erkenntnissen die Wirkungsweise oder die Wirkungstheorie der vorliegenden Erfindung ist, doch ist darauf hinzuweisen, daß hiermit keine Beschränkung auf eine solche Wirkungsweise oder Theorie beabsichtigt ist.

Nach früheren Arbeiten auf dem Gebiet der SuperIegierungen hat es den Anschein, daß während der zweiten Krieehperiode Gitter-Leerstellen zu den Korngrenzen diffundieren und sich dort zusammenballen. Während der dritten Kriechperiode bilden diese Gitterleerstellen mikroskopisch kleine Poren, und an diesen Poren entstehen Spannungskonz entrationen «> Diese Poren entwickeln bzw. vereinigen sich dann zu Rissen an den Korngrenzen, und wenn sich diese Risse vereinigen oder genügend groß werden, kommt es zum Bruche

Es wird angenommen, daß die rekuperative Wärmebehandlung nach der vorliegenden Erfindung dann, wenn sie in einer Zwischenstufe der sekundären Kriech-Lebensdauer erfolgt, diese potentiell gefährlichen Konzentrationen von Gitter-Leerstellen durch einen Diffusionsprozeß dispergiert und dadurch die sekundäre Kriech-Lebensdauer des betreffenden Teils wesentlich verlängert.

Die Erfinder nehmen an, daß wenn sich einmal die mikroskopischen Poren oder Korngrenzenrisse gebildet haben, was in der dritten Periode der Kriech-Lebensdauer der Pail ist, diese Defekte nicht mehr durch eine Wärmebehandlung geheilt werden können«. Die Erfinder nehmen an, daß aus diesem Grunde die früheren Anstrengungen in Richtung auf eine Wärmebehandlung der Teile während der dritten Kriechperiode wenig oder gar keinen Erfolg hatten. Es wird jedoch von den Erfindern angenommen, daß wenn die Leerstellenkonzentra— tionen sich noch auf der atomaren Stufe befinden, sie noch durch eine geeignete Wärmebehandlung dispergiert werden können. Die Erfinder nehmen an, daß dies der Grund ist, warum die rekuperative Wärmebehandlung nach der vorliegenden

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Erfindung, die während der zweiten Kriechperiode erfolgt, die Wirkung zeitigt, die Kriech-Lebensdauer des Super-, legierungsteils wesentlich zu verlängern.

Wie im folgenden dargelegt wird, wurde auch ermittelt, daß die Wirksamkeit der Wärmebehandlung, gemessen in Zunahme der Lebensdauer vor Beginn des Tertiärkriechens, in großem Maße von dem Zeitpunkt abhängt, zu dem das Teil außer Betrieb genommen und der rekuperativen Wärmebehandlung unterworfen wird. Bei den nachfolgend beschriebenen Beispielen von zwei Superlegierungen auf ITickelbasis wurde ermittelt, daß man eine markante "Verlängerung der Lebensdauer des Teils dann erhält, wenn dieses der rekuperativen Wärmebehandlung unterworfen wurde, nachdem es ein Sekundärkriechen von etwa 45 bis 70 i» durchlaufen hatte. Jedoch können aus Gründen der Bequemlichkeit routinemäßige Wartungsmaßnahmen vorgesehen werden, bei denen eine erfindungsgemäße rekuperative Wärmebehandlung jedesmal dann erfolgt, wenn

j das Teil zur Wartung ausgebaut wird«,

Die rekuperative Wärmebehandlung sollte bei einer Temperatur erfolgen, die wesentlich unterhalb der Temperatur für das ursprüngliche Lösungsglühen liegt. Bei den beschriebenen Beispielen von Superlegierungen auf Uickelbasis liegt die Temperatur für die rekuperative Wärmebehandlung mindestens 150° C unter der Temperatur für die ursprüngliche Wärmebehandlung. Bezüglich der unteren Grenze der Temperatur für die rekuperative Wärmebehandlung kann gesagt werden, daß sie oberhalb der Temperatur für die ursprüngliche Ausscheidungshärtungs-Wärmebehandlung der Legierung liegen sollte _s besonders bei Superlegierungen auf Nickelbasis, daß sie aber nicht höher sein sollte als die höchste Betriebstemperatur des Teiles, um so sicherzustellen, daß durch die rekuperative Wärmebehandlung nicht unerwünschte physikalische oder chemische Veränderungen in der Legierung hervorgerufen werden«,

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Bezüglich der Zeitdauer für die rekuperative Wärmebehandlung kann gesagt werden, daß sie mindestens eine Stunde lang erfolgen sollte, um eine Dispersion potentiell gefährlichen Konzentrationen von Gitter-Leerstellen zu ermöglichen. Vorzugsweise sollte sie während einer Zeitdauer ι in der Größenordnung von 10 bis 30 Stunden erfolgen. In j vielen Fällen wird man aus Bequemlichkeitsgründen die Be-

; Handlung über Nacht vornehmen können.

! Nachfolgend v/erden Beispiele beschrieben, bei denen

j die erfindungsgemäße Wärmebehandlung an Proben von zwei Superlegierungen vorgenommen wurde, nämlich "NIMONIC 8QA" und "UDIMET ^-500", beides eingetragene Viarenzeichen. In beiden Fällen handelt es sich um Nickellegierungen (gewöhnlich im Vakuum erschmolzen) mit Zusammensetzungen etwa gemäß Tabelle 1, wobei der Rest der Legierung jeweils von Nickel gebildet wird.

Die Kriechversuche wurden durchgeführt an Proben von genormter Ausführung mit einer mittleren Meßlänge von zwei Zoll und einem Durchmesser von 0,256 Zoll, welche an den Enden mit Gewinden versehen waren. Diese wurden einer ständigen Zugbeanspruchung unterworfen und dabei in einem Ofen auf Temperatur gehalten, und zwar auf 750° C für NIMONIC 8OA und auf 900° C für UDIMET 500. Bei NIMONIC 8OA. war die beim Kriechversuch angelegte Zugspannung 24,4 kp/mm c Bei UDMET 500 wurden für die Kriechversuche zwei Zugspannungen verwendet, nämlich 7,54 und 6,41 kp/mm . Bei den Versuchen wurden die Längenänderungen kontinuierlich als Funktion der Zeit gemessen, wobei übliche elektronische oder optische Dehnungsmesser verwendet wurden, die an der Meßlänge der Proben angebracht waren. Mit dem elektronischen Dehnungsmeßgerät wurden die Längenänderungen automatisch auf einem Datenträger registriert. Beim optischen Dehnungsmeßgerät wurden Ablesungen der Längenänderungen alle paar Stunden vorgenommen, oder je nach den Erfordernissen mehr oder weniger oft. Die Empfindlichkeit der verwendeten Instrumente betrug . etwa 3 x 10~⁵ ZoIl₀

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O CO OO NJ f-O

TAB. 1; Chemische Zusammensetzung von zwei Superlegierungen

LEGIERUNG	0 0	C	Mn	Nominelle	Zusammensetzung	, Gewichts-^	Al	3 9	B	Zr
NIMONIC 8OA UDIMET 500		,06 ,08	0,1	Si	Cr Co	Mo Ti	1, 2,		0,006	0,05
		0 0,70	19,5 1,1 18,0 18,5	2,5 4,0 2,9

Vor dem Kriechversuch waren gewalzte Stäbe aus beiden Legierungen wie in Tab. angegeben wärmebehandelt worden. Die Legierungen wurden jeweils zuerst lösungsgeglüht und dann ausscheidungsgehärtet.

TAB. 2: Einzelheiten der Wärmebehandlung

LEGIERUNG	(a) (b)	LÖSUNGSGLÜHEN	AUSSCHEIDUNGSHÄRTUNG	16	Std.	bei	700°	C,	Luftabkühlung
NIMONIC 8OA	(a)	8 Std. bei 1080° C, Luftabkühlung Erneute Erwärmung bis 1080 C Abschrecken in Wasser	, (c)	24 16	Std. Std.	bei bei	850° 760°	C, C,	Luftabkühlung Luftabkühlung
UDIMET 500	4 Std. bei 1080° C, Luftabkühlung	(b) (c)

? 5 -S Π 7 1

- ίο -

Die rekuperative Wärmebehandlung der Legierung UIMONIG 8OA erfolgte während 16 Stunden "bei 750° C. Wie Tabelle 2 zeigt, liegt diese Temperatur 330° C unterhalb der Temperatur für das ursprüngliche Lösungsglühen der Legierung (1080° C), und etwa 50° C über der Temperatur für ihre Ausscheidungshärtungs-Wärmebehandlung (700 C)₀ Diese Temperatur von 750° G für die rekuperative Wärmebehandlung wurde gewählt, weil sie die maximale Betriebstemperatur dieses Legierungsteils ist, und diese Temperatur wird als das Optimum für die rekuperative Wärmebehandlung angesehen«

Die rekuperative Wärmebehandlung der Legierung UDIMET 500 erfolgte während 26 Stunden bei 900° C₉ Wie Tabelle 2 zeigt, liegt diese Temperatur 180° C unter der Temperatur für das ursprüngliche Lösungsglühen der Legierung (1080° C), und 50° G über ihrer höheren Temperatur für die Ausscheidungshärtungs-Wärmebehandlung (850° C)₀ Dieses Teil aus einer Superlegierung wurde für eine maximale Betriebstemperatur von 900° C ausgelegt, und diese Temperatur wurde auch für die rekuperative Wärmebehandlung gewählt·

Die Schaubilder nach den Fig« 1 bis 3 zeigen klar, wie die Sekundär-Kriech-Lebensdauer der behandelten Legierungen durch die oben beschriebenen rekuperativen Wärmebehandlungen in sehr erheblichem Maße verlängert wurde.

Pig. 1 zeigt die typischen Kurven der Kriechdehnung (in Zoll/Zoll = mm/mm, oder - multipliziert mit 100 - in %) über der Zeit, letztere gemessen in Stunden« Pig. 1 zeigt diese Kurven für die beiden genannten Legierungen, und zwar ohne eine erfindungsgemäße rekuparative Wärmebehandlung. Kurve A ist die für NIMOIfIO 8OA bei einer Zugspannung von 24,4 kp/mm² und 750° C; Kurve· B ist die für UDIMET 500 bei einer Zugspannung von 7,54 kp/mm und 900 C; Kurve C ist die für UDIMET 500 bei einer Zugspannung von 6,41 kp/mm und ebenfalls 900° C Diese Temperaturen sind die maximalen Betriebstemperaturen der betreffenden Teile» Die Pfeile an

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den einzelnen Kurven zeigen jeweils den kritischen

j Punkt an, an dem das Tertiärkriechen beginnt. An diesem

Punkt verläßt die Kurve gegen Ende des Sekundärkriechens j den linearen Bereich. Der geradlinige Abschnitt der betreffenden Kurven links vom Pfeil stellt die vollständige Lebensdauer in der zweiten Kriechperiode dar. Zum Beispiel beginnt bei Kurve B das Tertiärkriechen bei etwa 120 Stunden, und die zweite Kriechperiode.erstreckt sich über den geradlinigen Bereich der Kurve, also von etwa 30 bis 120 Stunden.

Pig. 2 zeigt die Ergebnisse derselben Versuche bei denselben Superlegierungen wie in Pig. 1, wobei jedoch

1. die Zugbeanspruchung jeweils unterbrochen wurde, nachdem das betreffende Probestück ein signifikantes Sekundärkriechen erfahren hatte;

2. die rekuperative Wärmebehandlung bei dem be-

j treffenden Probestück vorgenommen wurde, und

j 3. dann der Versuch fortgesetzt wurde.

! Bei Kurve B wurde z.B. die Zugbeanspruchung nach 62 J Stunden unterbrochen; dann wurde während 26 Stunden die oben ausführlich beschriebene rekuperative Wärmebehandlung vorgenommen, und dann wurde die Zugbeanspruchung wieder angelegt«

Ein Vergleich der Kurven nach Pig. 2 mit den entsprechenden Kurven in Pig. 1 zeigt, daß durch die beschriebene rekuperative Wärmebehandlung sehr erhebliche Verlängerungen der Lebensdauern der Legierungen in der zweiten Kriechphase erzielt wurden. Wie Z₀B. ein Vergleich der Kurve A in Pig. 1 und 2 zeigt, begann beim Teil aus der Legierung NIMONIG 8OA bei 24,4 kp/mm² und 750° C das Tertiärkriechen nach 80 Versuchsstunden, wenn dieses Teil keiner rekuperativen Wärmebehandlung unterzogen wurde, vgl«, Pigο 1 ο Wenn dagegen eine rekuperative Wärmebehandlung erfolgte, und zwar wie in Pig. 2 dargestellt bei etwa 42 Stun-

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den, wurde die Phase des Sekundärkriechens so verlängert, daß nach 240 Versuehsstunden das Tertiärkriechen noch nicht begonnen hatte. In ähnlicher Weise begann bei dein Teil aus UDIMET 500 (7,54 kp/mm²,· 900° 0) ohne die rekuperative Wärmebehandlung das Tertiärkriechen'bei ca. 120 Stunden, YgI. Pig«. 1· Wurde dagegen eine rekuperative Wärmebehandlung eingeschaltet, so hatte gemäß Pig. 2 selbst nach 350 Stunden das Tertiärkriechen noch nicht begonnen. In gleicher Weise begann ohne die rekuperative Wärmebehandlung beim Teil aus UDIMET 500 (6,41 kp/mm²; 900° C) gemäß Kurve C in Pig. 1 das Tertiärkriechen bei etwa 370 Stunden; wurde dagegen eine rekuperative Wärmebehandlung vorgenommen, so zeigte sich auch nach 500 Stunden noch kein Tertiärkriechen,

Wie oben bereits erläutert wurde, sollte die rekuperative Wärmebehandlung erfolgen, nachdem beim Legierungsteil ein signifikantes Kriechen in der zweiten Kriechperiode stattgefunden hat, aber bevor das Tertiärkriechen begonnen hat. Es wurde festgestellt, daß außerordentlich unterschiedliche Ergebnisse erzielt werden je nach dem Zeitpunkt während der Lebensdauer des betreffenden Teils in seiner zweiten Kriechperiode, zu dem die rekuperative Wärmebehandlung erfolgt ο Dies zeigt Pigo 3, welche sich auf dieselben drei Proben bezieht, die weiter oben bei den Pig. 1 und 2 bereits ausführlich beschrieben wurden, und die auch hier mit den Buchstaben A, B und C bezeichnet sind. Die Kurven in Pig. 3 zeigen, wie die Zunahme der Lebensdauer der Teile vor dem Beginn des Tertiärkriechens abhängig ist von dem Prozentsatz der Lebensdauer des Teils in seiner zweiten Kriechperiode, bei dem die rekuperative Wärmebehandlung erfolgte_o

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Wie die Kurve A zeigt, ergibt sich eine sehr hohe Zunahme der Lebensdauer in der zweiten Kriechperiode bei NIMONIG 8OA (24,4 kp/mm²; 750° C), wenn die rekuperative Wärmebehandlung etwa zwischen 45 und 65 i° der Lebensdauer in der zweiten Kriechperiode erfolgt; das Maximum liegt bei etwa 55 #. Die Kurve B zeigt, daß man bei HDIMET 500 und einer Belastung von 7,54 kp/mm bei 900 C qualitativ etwa dieselben Verhältnisse erhält wie bei Kurve A. Die Kurve C zeigt jedoch, daß bei UDIMET 500 und einer Belastung von 6,41 kp/mm bei 900 C der optimale Bereich für die rekuperative Wärmebehandlung zwischen ca. 60 und 70 $ der Lebensdauer in der zweiten Kriechperiode liegt, also höher als bei den Beispielen A und B.

Wie die vorstehend beschriebenen Beispiele zeigen, ist eine erfindungsgemäße rekuperative Wärmebehandlung besonders wertvoll zur Erhöhung der Lebensdauer von Superlegierungen auf Mickelbasis in deren zweiter Kriechperiode· Die Erfindung kann jedoch mit Yorteil auch bei anderen Legierungen verwendet werden, z.B. bei Kobaltlegierungen, hochtemperaturfesten rostfreien Stählen, niedrig legierten Stählen, Titan-, Aluminium- und Magnesium-Legierungen. Schaden durch Leerstellenanhäufungen beim Kriechen scheinen bei vielen der vorgenannten Metalle vorzukommen, und deshalb sollte derselbe Wirkungsmechanismus, der bei der vorstehend beschriebenen rekuperativen Wärmebehandlung die Lebensdauer einer Superlegierung in der zweiten Kriechperiode verlängert, auch bei anderen Legierungen anwendbar sein, Jedoch können je nach Legierung die optimalen Zeitpunkte für die Wärmebehandlung, sowie Zeitdauer und Temperatur der Wärmebehandlung, je nach Legierung und ihren spezifischen Betriebsbedingungen, also Zugspannung und Temperatur, verschieden sein_o

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? 5 B η 2 1

-H-

Im folgenden werden zusätzliche Beispiele angegeben für einige dieser anderen Legierungen und die Art der Y/ärmeb ehandlung, die zur Verlängerung der Lebensdauer" in ihrer zweiten Kriechperiode angewendet werden kann.

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LEGIERUNG Rekuperative Wärmebehandlung

Art

Superlegierungen auf Kobalt-iasis

WI52 MAR-M3O2I

NAME

Nominelle Zusammensetzung, Gewichts-^

C Si

Mn

Cr

Ni

Co

Mo

"CB TI KL B Zr Fe V SJT^-CU—Hg—Zn"

0,45 0,50 0,50 21 l_r0 BaI. -

0,85 0,20 0,10 21,5 - BaI. -

0,005 0,15

2_;0

16 Sie/. At/ 95O⁰C 16 Sid. 6e/ 950⁰C

OO
«SJ
SJt

Legierungen auf

Α286

0,90

0,05 0,04 DiscaloV0,04 0,80

Nlckei-Basis

Hochtemp

1,40

13,5

26 26

1,25 2,75 2,15 0,2 0,003 - BaI.
1,75 0,10 - - BaI.

0,03 - -

Eisen-(nichtrosteide

Stähle) 16 S/i/. Oe/ 700^cC

Z. be/ 700°c

Titanlegierungen

Ti-6-4 Ti-5-2ij BaI.
BaI.

6.0
5.0

0.3 4.0

2.5 -

16

55O⁰C

6e/ SSO⁰C

Aluminium- legierungen

2024-T81 2014-T6

0,5 0,8

0,6 0,1 0,8 0,1 0,15

BaI
BaI.

0,5
0,7

- 4,5

- 4,4

1,5
0,5

0,25
0,2S

le/ 17S⁰C

/ i45°c

BaI. = Rest LTl O NJ

B R O ? 17

i -ΙΟ

Ι Eine erfindungsgemäße rekuperative Wärmebehandlung

sollte bei allen Teilen wirksam sein, die bei erhöhten Temperaturen dauernden oder intermittierenden Zugbeanj spruchungen unterworfen sind, also unter Bedingungen arbeiten, welche normalerweise zu einem Kriechen des Werkstoffs führen. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Turbinen- und Laufwerksteile, z.B. Laufschaufeln, Läufer und Scheiben für Läufer.

In Fällen, wo bei erhöhter Temperatur mechanische Ermüdung auftritt, oder wo thermische Ermüdung auftritt infolge von Schwankungen zwischen verschiedenen Temperaturen, und wo solche Ermüdungserscheinungen zu Korngrenzenrissen führen, weil sich dort ebenfalls Leerstellen an diesen Stellen zusammenballen, sollte die oben beschriebene rekuperative.Wärmebehandlung ebenfalls zur Verbesserung solcher Schaden wirksam sein_o Es sind also im Rahmen des allgemeinen Grundgedankens der vorliegenden Erfindung zahlreiche Variationen, Modifikationen und weitere Anwendungen mögliche

° ° Patentanwälte

Dipl.-Ing. Horst Rös· Dipl.-Ing. Peter Kosel

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Claims

Patentansprüche

1· "Verfahren zur Verlängerung der Standzeit eines Teils aus einer legierung während der zweiten Kriechperiode, welche Legierung zuvor einem Lösungsglühen bei einer hohen Temperatur und einer nachfolgenden Ausscheidungshärtungs-Wärmebehandlung bei einer niedrigeren Temperatur unterworfen worden war, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil, nachdem bei ihm infolge von andauernder Beanspruchung bei erhöhter Betriebstemperatur ein signifikantes Sekundärkriechen stattgefunden hat, aber bevor die dritte Kriechperiode begonnen hat, im unbelasteten Zustand einer rekuperativen Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterworfen wird, welche wesentlich unter der Temperatur für das Lösungsglühen liegt·
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine Legierung auf Nickel-, Kobalt-, Eisen-, Titan- oder Aluminiumbasis ist.
3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rekuperative Wärmebehandlung bei einer Temperatur erfolgt, die oberhalb der Temperatur für die Ausscheidungshärtungs-Wärmebehandlung liegt _o

Ra/Bko 609822/0669

Bankkonto: Norddeutsche Landesbank, Filiale Bad Gandersheim, Kto.-Nr. 22.118.970 - Postscheckkonto: Har nover 66715

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die rekuperative Wärmebehandlung während mindestens einer Stunde und bei einer Temperatur erfolgt, die nicht höher ist als die maximale Betriebstemperatur des betreffenden Teils,
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rekuperative Wärmebehandlung während mindestens einer Stunde und bei einer Temperatur erfolgt, die im wesentlichen gleich der höchsten Betriebstemperatur des betreffenden Teils ist.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine Super— legierung auf Nickelbasis ist»
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rekuperative Wärmebehandlung bei einer Temperatur erfolgt, welche mindestens 150° C unter der Temperatur für das Lösungsglühen liegt«
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die rekuperative Wärmebehandlung bei einer Temperatur erfolgt, welche zwischen der Temperatur für die Ausscheidungshärtungs-Wärmebehandlung und der höchsten Betriebstemperatur des Teiles liegt«,
9 β Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Superlegierung auf Nickelbasis der rekuperativen Wärmebehandlung unterworfen wird, nachdem das Teil etwa 45 bis 70 fo des Kriechens in der zweiten Kriechperiode durchlaufen hat.

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10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß "bei Verwendung der Superlegierung ¹¹NIMONIC 80A^tt diese der rekuperativen Wärmebehandlung unterworfen wird, nachdem sie etwa 50 bis 60 $ des Kriechens in der zweiten Kriechperiode durchlaufen hat.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung der Superlegierung ^iTUDIMET 500" diese der rekuperativen Wärmebehandlung unterworfen wird, nachdem sie etwa 60 bis 70 fo des Kriechens in der zweiten Kriechperiode durchlaufen hat_e
12. Anwendung des Verfahrens nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verlängerung der Lebensdauer von Turbinenteilen, insbesondere von Flugzeug-Triebwerksteilen nach Art von Schaufeln oder Scheiben aus hochtemperaturfesten Superlegierungen«

Patentanwälte

Dipl.-Ing. Horst Rose Dipl.-Ing. Peter Kosel

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