DE2550858B2

DE2550858B2 - Verfahren zur herstellung und/oder waermebehandlung von metallischen formkoerpern

Info

Publication number: DE2550858B2
Application number: DE19752550858
Authority: DE
Inventors: Axel 8047 Karlsfeld; Helm Siegfried 8067 Petershausen; Leven Peter 8051 Allershausen RoBmann
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1975-11-12
Filing date: 1975-11-12
Publication date: 1978-01-26
Also published as: GB1571500A; US4168182A; DE2550858A1; DE2550858C3; FR2331404A1; FR2331404B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und/oder Wärmebehandlung von metallischen Formkörpern.
Es ist bekannt, die Qualität von hochwertigen Bauteilen nach deren Fertigung durch eine anschließende Wärmebehandlung zu verbessern, beispielsweise durch eine in einem Aufschmelz- oder Umschmelzverfahren bestehende Behandlung, wobei die physikalischen Vorgänge bei einer derartigen Wärmebehandlung, wie z. B. Diffusion und Kornwachstum, durch eine Erhöhung der Behandlungstemperatur stark beschleunigt oder oft erst möglich werden. Indessen ist durch die Erweichung des Materials während der Wärmebehand-

lung und der damit möglichen Deformation des Formteils eine Begrenzung der Behandlungstemperaturen gegeben. So liegen die Temperaturgrenzen bei bisher angewendeten Wärmebehandlungsmethoden bei Temperaturen, die 50—20°C unter der jeweiligen Soliduslinie liegen.

So stellen beispielsweise im Gasturbinen-Bau die Turbinenschaufeln hochwertige Bauteile von verhältnismäßig geringer Größe dar, wobei zu berücksichtigen ist, daß die Turbinenschaufel eine Schlüsselkomponente in einer Gasturbine ist. Die Turbineneintrittstemperatur, die den Gesamtwirkungsgrad eines Aggregats sowie die Leistungskonzentration entscheidend bestimmt, hängt in erster Linie mit von der Warmfestigkeit der Turbinenbeschaufelung ab. Daher rechtfertigen selbst relativ geringfügige Verbesserungen der Warmfestigkeit aufwendigste Herstellungsverfahren, wobei einer Qualitätssteigerung durch Wärmebehandlung eine entscheidende Rolle zukommt.

Solche Qualitätssteigerungen sind allerdings nur bis zu einem gewissen Grade möglich, da, wie oben bereits erwähnt, bei den bisherigen Wärmebehandlungsverfahren die Behandlungstemperaturen durch die oberen Temperaturgrenzen einer entsprechenden Beschränkung unterworfen sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zur Herstellung und/oder Wärmebehandlung von metallischen Formkörpern anzugeben, bei dem die Nachteile der bisher angewendeten Fertigungs- bzw. Behandlungsmethoden nicht auftreten und das insbesondere erstmalig Wärmebehandlungen in noch höheren Temperaturbereichen als bisher ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der jeweilige Formkörper nach seiner an sich bekannten, formgebenden Fertigung auf seiner gesamten Oberfläche mit einer formerhaltenden, relativ dünnen Beschichtung aus einem Material mit höherem Schmelzpunkt als der Formkörperwerkstoff versehen wird und anschließend unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit aufgeschmolzen und/oder wärmebehandelt wird.

Wenn Wärmebehandlungen, wie beispielsweise Umschmelzen metallischer Körper, auf der Erde durchgeführt werden, so ist eine ausreichende Formerhaltung eines mit einer relativ dünnen Beschichtung ummantelten, schmelzflüssigen oder teigigen Körpers infolge des Einflusses der Schwerkraft nicht möglich.

Wenn sich jedoch, wie es beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen ist, der Schwerkrafteinfluß vermeiden läßt und die noch vorhandenen, relativ geringen Kräfte, wie z. B. Oberflächenspannung, durch formerhaltende, höher schmelzende Oberflächenschichten aufgefangen werden können, so werden Wärmebehandlungen im teigigen oder schmelzflüssigen Zustand möglich.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Fertigen des Formkörpers und das Beschichten seiner Oberfläche unter Schwerkraftbedingungen, d.h. also auf der Erde, und der Formkörper wird sodann in den Weltraum gebracht und dort aufgeschmolzen und wärmebehandelt, wobei die nicht schmelzende Oberflächenbeschichtung die vorgegebene äußere Form des Formkörpers erhält. Sobald diese Wärmebehandlung abgeschlossen ist, erfolgt der 6S Rücktransport des fertigen Formkörpers zur Erde.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Aufbringen einer relativ dünnen Oberflächenschicht auf den vorgefertigten Formkörper, wobei diese Beschichtung aus einem Werkstoff mit höherem Schmelzpunkt als diejenige des Bauteilmaterials bestehen muß.

Hierzu kann beispielsweise der Formkörper mit einer Oberflächenbeschichtung aus Keramik versehen werden. Es können ferner hochschmelzende Metalle oder Oxydschichten für die Herstellung einer Oberflächenbeschichtung in Frage kommen.

Eine weitere Möglichkeit im Rahmen dieses erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Formkörper mit einer Oberflächenbeschichtung aus einem in intermetallischer Phase vorliegenden Werkstoff versehen wird.

Darüber hinaus kann es aber auch in bestimmten Fällen zweckmäßig sein, wenn der Formkörper mit einer kombinierten Oberflächenbeschichtung aus Keramik und aus einem in intermetallischer Phase vorliegenden Werkstoff versehen wird.

Diese dünnen Oberflächenschichten, die beispielsweise V10 mm dick sein können, ermöglichen insbesondere größere Abkühlungsgradienten und erhöhte Diffusion, z. B. bei Gasen.

Das Aufbringen der zu verwendenden Oberflächenschichten kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise auf galvanischem Wege, durch Aufspritzen, durch Oxydation, durch Diffusion, durch Ausscheidung aus der Gasphase oder durch irgendwelche geeignete chemische Reaktionen.

Die Auswahl der jeweils anzuwendenden Oberflächenbeschichtung richtet sich neben der Forderung nach der Möglichkeit der Formerhaltung insbesondere nach den folgenden Gesichtspunkten:

Durchlässigkeit für Festkörper und/oder Gase;

Diffusionsfähigkeit;

Temperaturbeständigkeit;

Zähigkeit;

Reaktionsfreudigkeit mit bestimmten Medien;

Temperaturleitfähigkeit;

Wärmeabstrahlung.

Gemäß weiterer Ausgestaltungen der Erfindung wird zur Herstellung von Gußteilen aus Werkstoffen, die unter Erdbedingungen nur schwierig vergießbar sind, zunächst ein Formkörper schichtweise und vorzugsweise galvanisch aus den erforderlichen Legierungskomponenten aufgebaut und mit einer formerhaltenden Oberflächenbeschichtung versehen, und anschließend wird der Formkörper unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit aufgeschmolzen oder diffusionsgeglüht. Durch ein solches Verfahren ist beispielsweise die Herstellung von Bauteilen aus Chromguß möglich, wobei beispielsweise bei der Vorfertigung einer Turbinenschaufel die Legierungskomponenten etwa in Schichtstärken von V10 mm Stärke aufgebracht werden, bis die Gesamtwandstärke der Schaufel erreicht ist, die im Bereich von 1 mm oder von einigen mm liegt. Bei einer solchen Legierung handelt es sich um eine Kombination, die im wesentlichen aus Chrom (ca. 75%), Eisen und Zusätzen wie Hafnium bzw. seltene Erden besteht.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zur Herstellung von Guß- oder Schmiedeteilen mit optimaler Korngrößenverteilung und -ausrichtung der mit einer Oberflächenbeschichtung versehene Formkörper in der Weise unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit wärmebehandlet wird, daß der Formkörper durch eine entsprechende Temperaturverteilung

während der Erstarrungsphase und/oder während des Hochtemperaturglühens optimale Korngrößen in verschiedenen Bauteilzonen erhält. Bei Anwendung dieser Verfahrensvariante, beispielsweise auf die Behandlung einer Turbinenschaufel, kann erreicht werden, daß man im Schaufelblatt ein Grobkorn für bessere Kriecheigenschaften erhält und im Schaufelfuß ein Feinkorn für duktileres Verhalten.

Es ist somit möglich, durch eine gerichtete Erstarrung unter Einhaltung einer entsprechenden Temperaturverteilung und Temperaturgradienten während der Erstarrungsphase, durch Herstellung von Einkristall-Formkörpern oder durch Kornwachstum durch Hochtemperaturglühen in festem oder teigigem Zustand, eine optimale Korngrößenverteilung und -ausrichtung im zu behandelnden Formkörper zu erzielen.

Die Formkörper können eine relativ komplizierte Gestalt haben, z. B. bei Turbinenschaufeln mit innenliegenden Kühlkonfigurationen und Luftaustrittsöffnungen in den Wandungen. Infolge längerem Hochtemperaturglühen oder Aufschmelzen ist eine Beschädigung der auf der Erde notwendigen Kerne durch Wärmespannungen (unterschiedliche Ausdehnung von Metall und Keramiken) oder durch Reaktion mit der Metallschmelze zu erwarten. Gießt man diese Formkörper nun wie üblich auf der Erde mit Kernen, löst die Kerne sodann heraus und führt weitere Formveränderungen durch entsprechend bearbeitende Verfahren aus, z. B. Bohren von Kühlluftlöchern, so kann ein solcher Formkörper nach Aufbringen einer formerhaltenden Oberflächenbeschichtung unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit wärmebehandelt werden.

Beispielsweise bei Turbinenschaufeln aus gerichtet eutektisch erstarrtem Material, bei denen ein elektrochemisches Bohren der Kühlluftlöcher durch die Faserstruktur teilweise nicht mehr möglich ist, können diese Bohrarbeiten an dem Gußrohling vor der gerichteten Erstarrung durchgeführt werden. Die gerichtete Erstarrung erfolgt später im Zuge einer Aufschmelzung unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit, wie es durch die Erfindung vorgesehen ist.

Gemäß weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Herstellung von dispersionsgehärteten Gußlegierungen zunächst Sinterkörper unter Zumischung geeigneter, aus anderen Werkstoffen bestehenden Teilchen vorgefertigt und beschichtet und anschließend unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit aufgeschmolzen.

Es ist darüber hinaus auch möglich, unter Anwendung von Metallspritzverfahren Formkörper schichtweise aufzubauen, wobei gleichzeitig mit Hilfe eines solchen Verfahrens dispersionshärtend wirkende Teilchen in die Schichten mit eingebracht werden. Die auf diese Weise erhaltenen Formkörper können nach den? Aufbringen einer formerhaltenden Oberflzchenbeschichtung unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit wärmebehandelt, insbesondere aufgeschmolzen werden.

Eine weitere Möglichkeit im Rahmen der Erfindung besteht darin, daß zur Herstellung von relativ kompliziert ausgebildeten Bauteilen entsprechend vorgefertigte und beschichtete Werkstücke unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit durch Heiß-Isostatisch-Pressen bei extrem hohen Temperaturen bearbeitet werden. Unter Heiß-Isostatisch-Pressen ist hierbei ein Verfahren zu verstehen, gemäß dem ein vorgefertigtes Werkstück in einem Autoklaven unter Einwirkung von Druck (2000 bar) und Temperatur (bis zu 1800°C) zu einem homogenen Materialgefüge geführt wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise zur Herstellung von gekühlten Turbinenschaufeln zweckmäßig.

Gemäß weiterer Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden zur Herstellung von Gußverbundkörpern entsprechende Einzelteile form- oder kraftschlüssig gefügt und beschichtet und anschließend unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit ganz oder teilweise aufgeschmolzen.

Schließlich ist es im Rahmen der Erfindung auch noch möglich, daß vorgefertigte, mit einer Oberflächenbeschichtung versehene Bauteile unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit durch Diffusionsschweißen bei extrem hohen Temperaturen bearbeitet werden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im übrigen die Möglichkeit einer laufenden, genauen und allseitigen Beobachtung des zu behandelnden Formkörpers während des gesamten Wärmebehandlungsprozesses. Hierbei ist insbesondere eine Temperaturbeobachtung, eine berührungslose Messung und eine Überwachung während des Behandlungsvorganges von besonderer Bedeutung.

Hinzu kommt noch, daß bei der Anwendung des Heiß-Isostatisch-Pressens bei extrem hohen Temperaturen sowie unter Gasdruck ein optimaler Kraftübergang von der relativ dünnen Oberflächenbeschichtung zum Formkörper ermöglicht ist.

Aufgrund des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung können allgemein bei Bauteilen, die im Weltraum hergestellt und/oder behandelt werden, die verschiedenartigsten Strukturverbesserungen vorgenommen werden. Begrenzte Bauteilbereiche können bezüglich ihres Gefüges, ihrer Legierungsbestandteile und ihrer Oberflächenbeschaffenheit unterschiedlichen Belastung angepaßt werden, insbesondere bei der Herstellung von Verbundgußteilen.

Eine; ganz bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht sich im übrigen auf die Herstellung von Bauteilen und Komponenten im Gasturbinenbau, insbesondere auf die Herstellung von Turbimenrädern und/oder Turbinenschaufeln.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung und/oder Wärmebehandlung von metallischen Formkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Formkörper nach seiner an sich bekannten, formgebenden Fertigung auf seiner gesamten Oberfläche mit einer formerhaltenden, relativ dünnen Beschichtung aus einem Material mit höherem Schmelzpunkt als der Formkörperwerkstoff versehen wird und anschließend unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit aufgeschmolzen und/oder wärmebehandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fertigen des Formkörpers und das Beschichten seiner Oberfläche unter Schwerkraftbedingungen, d. h. auf der Erde erfolgt, und der Formkörper sodann in den Weltraum gebracht und dort aufgeschmolzen und/oder wärmebehandelt wird, wobei die nicht schmelzende Oberflächenbeschichtung die vorgegebene äußere Form des Formkörpers erhält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper mit einer Oberflächenbeschichtung aus Keramik oder aus wenigstens einem hochschmelzenden Metall oder aus wenigstens einer Oxydschicht versehen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper mit einer Oberflächenbeschichtung aus einem in intermetallischer Phase vorliegenden Werkstoff versehen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper mit einer kombinierten Oberflächenbeschichtung aus Keramik und aus einem in intermetallischer Phase vorliegenden Werkstoff versehen wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Gußteilen aus Werkstoffen, die unter Erdbedingungen nur schwierig vergießbar sind, zunächst ein Formkörper schichtweise und vorzugsweise galvanisch aus dem erforderlichen Legierungskomponenten aufgebaut und mit einer formerhaltenden Oberflächenbeschichtung versehen wird und anschließend unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit aufgeschmolzen oder diffusionsgeglüht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Guß- oder Schmiedeteilen mit optimaler Korngröpenverteilung und -ausrichtung der mit einer Oberflächenbeschichtung versehene Formkörper in der Weise unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit wärmebehandelt wird, daß der Formkörper durch eine entsprechende Temperaturverteilung während der Erstarrungsphase und/oder während des Hochtemperaturglühens optimale Korngrößen in verschiedenen Bauteilzonen erhält.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Formkörpern mit relativ komplizierter Gestalt, z. B. von Turbinenschaufeln mit innenliegenden Kühlkonfigurationen und Luftaustrittsöffnungen in den Wandungen, diese Formkörper unter Verwendung von Kernen in an sich bekannter Weise gegossen werden, daß nach dem Herauslösen der Kerne formverändernde Bearbeitungen an den Formkör-

pern erfolgen, z. B. Bohren von Kühlluftlöchern, und daß die Formkörper nach dem Aufbringen einer formtrhaltenden Oberflächenbeschichtung unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit zur Erzielung einer gerichteten eutektischen Erstarrung wärmebehandelt, insbesondere aufgeschmolzen werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von dispersionsgehärteten Gußlegierungen zunächst Sinterkörper unter Zumischung geeigneter, aus anderen Werkstoffen bestehenden Teilchen vorgefertigt, sodann mit einer Oberflächenbeschichtung versehen und anschließend unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit wärmebehandelt, insbesondere aufgeschmolzen werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper zunächst unter Anwendung von Metallspritzverfahren schichtweise aufgebaut werden, wobei gleichzeitig dispersionshärtend wirkende Teilchen in die Schichten mit eingebracht werden, und daß diese Formkörper nach dem Aufbringen einer formerhaltenden Oberflächenbeschichtung unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit wärmebehandelt, insbesondere aufgeschmolzen werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von relativ kompliziert ausgebildeten Bauteilen entsprechend vorgefertigte und beschichtete Werkstücke unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit durch Heiß-Isostatisch-Pressen bei extrem hohen Temperaturen bearbeitet werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Gußverbundkörpern entsprechende Einzelteile form- oder kraftschlüssig gefügt und sodann beschichtet werden und anschließend unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit ganz oder teilweise aufgeschmolzen werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche ί bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgefertigten, mit einer Oberflächenbeschichtung versehenen Bauteile unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit durch Diffusionsschweißen bei extrem hohen Temperaturen bearbeitet werden.

14. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Herstellung von Bauteilen und Komponenten im Gasturbinenbau, insbesondere zur Herstellung von Turbinenrädern und/oder Turbinenschaufeln.