DE2620197A1

DE2620197A1 - Verfahren zur temperaturbehandlung von bauteilen aus hochwarmfesten werkstoffen

Info

Publication number: DE2620197A1
Application number: DE19762620197
Authority: DE
Inventors: Siegfried Ing Grad Helm; Peter Ing Grad Leven
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1976-05-07
Filing date: 1976-05-07
Publication date: 1977-11-17
Also published as: DE2620197C3; FR2350404B3; DE2620197B2; FR2350404A1; GB1584466A; US4151017A

Description

Verfahren zur Temperaturbehandlung von Bauteilen aus hochwarmfesten Werkstoffen

Die Leistung von Gasturbinen hängt u.a. von deren Arbeitstemperatur ab, mit der sie in beachtlichem Maß ansteigt. Die Betriebstemperaturen betragen in aller Regel in Schaufelmitte 850^und mehr. Daher werden Schaufeln und andere wärmebelastete Teile von Gasturbinen aus hochwarmfesten Werkstoffen hergestellt. Dabei handelt es sich um Ni- und/oder Co-Basislegierungen. Eine der bekanntesten ist Inconel 100.

Wesentliche Kenngröße derart beanspruchter Werkstoffe ist die Dauerstandfestigkeit bzw. die ZeitStandfestigkeit. Diese ist eine besonders gefügeabhängige Größe.

Eine bekannte Methode der Gefügebeeinflussung ist die Wärmebehandlung.

Es ist bekannt, die Wärmebehandlungen bei sehr hohen Temperaturen, nämlich in der Umgebung des Schmelzpunkts, das Gefüge der genannten Legierungen hinsichtlich ihres Zeitstandverhaltens

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günstig beeinflussen, da hierbei das sehr erwünschte grobe Korn entsteht.

Wärmebehandlung in der Umgebung des Schmelzpunktes bedeutet aber, daß diese in einem Bereich durchgeführt wird, in dem der Werkstoff zumindest teigig ist. Liegt die Temperatur über dem Schmelzpunkt, ist der Werkstoff bereits flüssig. Beides bedeutet, daß die Form des Werkstücks, das solch einer Wärmebehandlung ausgesetzt würde, verloren ginge. Die maßgebenden Kräfte, die dies bewirken, sind Schwerkraft und Oberflächenspannung.

Erstere ließe sich im Vakuum ausschalten, indem die Wärmebehandlung, beispielsweise im Weltraum durchgeführt wird, so daß bei Durchführung von Wärmbehandlungen in Schmelzpunktnähe nur noch dafür Sorge zu tragen wäre, daß die im Vergleich zur Schwerkraft recht kleinaiKräfte wie die Oberflächenspannung und Wärmespannung keinen deformierenden Einfluß mehr ausüben können.

Bei der Durchführung der Wärmebehandlung im Weltraum wäre zwar noch mit Mikrogravitationen zu rechnen, diese sind aber offensichtlich sehr klein und deshalb vernachlässigbar. Man

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findet Angaben von 10 .g bis 10 .g, wobei g die Erdbeschleunigung ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, mit dem, ausgehend von einer Problematik, die Wärmebehandlung von Bauteilen aus hochwarmfesten Werkstoffen derart durchgeführt werden kann, daß die Wärmebehandlung bei extrem hohen, 7.1561 709846/0382 _^_

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d.h. in der Höhe des Schmelzpunktes liegenden Temperaturen durchgeführt werden kann, ohne daß die Gefahr besteht, da3 die der Behandlung unterworfenen Teile ihre Gestalt verlieren, indem sie anfangen zu fließen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß häuptsächlich vorgeschlagen, daß zur Wärmebehandlung bis in den Bereich der Schmelztemperatur des Werkstoffes im Vakuum auf das bis auf die Wärmebehandlung fertige und maßhaltige Bauteil eine das Bauteil auch bei der Behandlungstemperatur gestaltfest umhüllende Stützhaut aufgebracht ist.

Grundgedanke der Erfindung ist es also, für die Wärmebehandlungen im Vakuum, beispielsweise auf der Erde vorgefertigte Bauteile, beispielsweise Gasturbinenschaufeln, mit einer dünnen Schicht gleich einer Haut zu ummanteln, deren Schmelzpunkt so hoch liegt, daß seine Festigkeit bei den vorgesehenen Wärmebehandlungstemperaturen noch ausreicht, die aus Oberflächenspannung, Wärmespannung und gegebenenfalls Mikrogravitation resultierenden Belastungen bei Schwerelosigkeit aufzunehmen.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit Möglichkeiten, in Sintertechnik hergestellte Schaufeln durch Anwendung des sogenannten CVD-Verfahrens zu ummanteln. Unter CVD-Verfahren wird verstanden, die an sich bekannte Abscheidung aus der Gasphase, wie sie von H„E. Hintermann und H. Gaß beispielsweise beschrieben wird.

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Wird nun ein erfindungsgemäß ummanteltes Bauteil erwärmt, so ergibt sich eine der wesentlichen Schwierigkeiten aus der unterschiedlichen Wärmedehnung von Kern und Haut. Fig. 1 zeigt ganz schematisch Verhältnisse, wie sie durchaus eintreten könnten. Es ist der Verlauf des Ausdehnungskoeffizienten von Kern- und Hautwerkstoff über der Temperatur aufgetragen. Dabei möge die thermische Ausdehnung des Kerns größer sein als die der Haut. Diese Verhältnisse dürften bei metallischen Kombinationen zu erwarten sein, da bei Metallen die Wärmedehnzahl mit steigendem Schmelzpunkt im allgemeinen abnimmt. Bei der Temperatur T. ._t, d.h. bei der Temperatur, bei der sich die Ausdehnungskurven beider Werkstoffe schneiden, wird infolgedessen eine Umkehr des Eigenspannungszustands des Systems eintreten. Solange die augenblickliche Arbeitstemperatur T < T₁ .. , steht die Haut unter Druckspannungen, wenn T > T, .. unter (ungünstigen) Zugspannungen. Dies ist eine weitere Beanspruchungskomponente, die sieh den oben genannten überlagert.

Wird die Haut erfindungsgemäß bei T < T ,„ \ d.h. die Schmelztemperatur des Kernes aufgebracht, so wird sie in dem für die Wärmebehandlung vorgesehenen Temperaturbereich stets unter Zugspannungen geraten. Soll die Haut erfindungsgemäi3 gar als Tiegel für Umschmelzvorgänge dienen, verstärkt sich ihre Beanspruchung erheblich.

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Diese Schwierigkeiten lassen sich umgehen, oder zumindest mindern, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung mit gesintertem Kern gearbeitet wird, der im Verlauf der Gesamtprozedur aufgeschmolzen werden sollte. Zunächst soll aber noch dargestellt werden, daß die Anwendung des CVD-Verfahrens die Möglichkeit bietet, T_k ._fc einzustellen.

Beim CVD-Verfahren wird der Stoff der Haut in Form einer leicht verdampfbaren chemischen Verbindung an den das Substrat bildenden Stoff des Kernes herangebracht. Dabei erfolgt die Spaltung der Verbindung dergestalt, daß als ein Spaltprodukt der Stoff, aus dem die Haut besteht, auf dem Substrat niedergeschlagen wird. Das bedeutet, daß die Haut erst bei der Behandlungstemperatur entsteht. Bei dieser Temperatur, die Tp_TO genannt werden soll, ist aber - wie anhand der Fig. 1 leicht einzusehen - der Eigenspannungszustand der Haut gleich Null. Unter diesen Bedingungen ist also T_CVD = T, _rit-

• T„,_rr,, d.h. die Temperatur, bei der das CVD-Verfahren durchgeführt wird, läßt sich nach gemachten Erfahrungen in ziemlich weiten Grenzen variieren. Somit besteht die Möglichkeit, T_CVD und damit T. .*. so nahe wie nur möglich an T (_K -\ heranzuschieben. Damit wird eine günstige Ausgangslage der Eigenspannungen erreicht.

Wird der Kern, also das eigentliche Werkstück, beispielsweise die Gasturbinenschaufel, auf dem Sinterwege, insbesondere bei Anwendung der Sinterschmiedetechnik hergestellt, ergibt sich

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eine weitere Möglichkeit., die Entstehung von Zugspannungen in der Haut klein zu halten oder - wenn die beiden Stoffe günstig gewählt werden - ganz zu unterbinden.

Hierbei ist zu beachten, daß ein gesintertes Formteil nicht dicht ist, sondern ein mehr oder minder großes Porenvolumen enthält. Damit entstehen andere Verhältnisse beim Schmelzen. Die Volumänderung bei T (Kern") ^ste^^lt sich nach folgender Gleichung ein:

A V -AV

Hierin bedeuten

= Volumänderung der metallischen Grundmasse

t Vp = Volumänderung infolge Änderung des Porenanteils

Ist AVp> δ γ erfolgt beim Schmelzen Kontraktion des Probe körpers. Bei AVp < AV erfolgt Wachsen und wenn AV_p = aV„, so zeichnet sich der Schmelzvorgang auf der Wärmedehnkurve überhaupt nicht ab. Die Wärmedehnkurve eines Teils mit Δν > aV zeigt Fig. 2. Die Volumkontraktion bei T /^.„„^ kann dazu benützt werden, besonders günstige Spannungsverhältnisse der Haut herzustellen.

Dies ist in Fig: 3 gezeigt. Hier ist das Verhalten des Kerns beim Aufheizen und Abkühlen zusammen mit dem Verhalten der Haut dargestellt. Man sieht, daß die Kaut nur in dem ver-

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hältnismäßig schmalen Temperaturbereich zwischen T, . . (=Tp_Vn) und T ,„ \ und nur beim Aufheizen unter Zugspannungen geraten wird. Der Schmelzvorgang des Kerns bewirkt in der Haut eine Umkehr der Spannungsverhältnisse in Druckspannungen, was sich günstig auswirken wird.

Der gesinterte Kern verhält sich am Schmelzpunkt irreversibel. Wie beim Schmelzen kontrahiert er auch beim Erstarren, da er sich nunmehr wie ein kompaktes Metall verhält. Dies führt dazu, daß die Haut während der Abkühlung des Gesamtsystems unter höhere Druckspannungen geraten wird.

Die Größe der Volumkontraktion am Schmelzpunkt des gesinterten Kerns hängt von dessen Porenvolumen ab. Dieses läßt sich aber über die Höhe des Preßdrucks, der zur Herstellung des Grünlings, d.h. des noch ungesinterten Formteiles aufgewendet wird, in weiten Grenzen einstellen.

Die Anwendung einer gesinterten Preform, d-h. des gesinterten Formteiles vor der Behandlung im CVD-Verfahren, für den Kern ermöglicht also eine weitgehende Anpassung an die Wärmedehnverhältnisse der Haut.

Da sich andererseits Druckspannungen in der Oberfläche von Bauteilen in aller Regel sehr vorteilhaft auswirken, eröffnet sich hier auch eine Möglichkeit, Turbinenschaufeln und andere hoch belastete Bauteile aus Verbundwerkstoffen herzustellen, von denen besonders gute mechanische Eigenschaften erwartet werden dürfen.

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Für die erfindungsgemäße Anwendung eignen sich besondere Formteile, insbesondere Turbinenschaufeln aus Ni-Basislegierungen, die in Sintertechnik, insbesondere in Sinterschmiedetechnik hergestellt wurden.

Für die erfindungsgemäß anzuwendende CVD-Technik eignen sich die nachstehend genannten Stoffe, da sie auf sehr unterschiedliche Substrate, im vorliegenden Fall, Formteile, aufgebracht werden können.

CVD-abscheidbare Stoffe

Metalle: Cu, Be, Al, Ti, Zr, Hf, Th, Ge, Sn, Pb, V, Nb, Ta, As, Sb, Bi, Cr, Mo, W. U, Re, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Os, Ir, Pt.

Karbide: B₂^C, SiC, TiC, ZrC, HfC, ThC, ThC₃, TaC, Ta^C₅, CrC, Cr^C, Cr^C₃, MoC, Mo₀C, WC, W₂C, VC, V₂C₅, VC₂, NbC.

Nitride: BN, TiN, ZrN, VN, NbN, TaN.

Boride: AlB₃, TiB₂, ZrB₂, Th3^, ThB, NbB, TaB, MoB, Mo₇₂Bp, W3, Fe₀B, FeB, NiB, NiJB₀, Ni₀B.

Suizide; Verschiedene Suizide von Ti, Zr, Nb, Mo,

W, Mn, Fe, Ni, Co.

Oxide: Al O-, SiO , ZrO₃, Cr 0,, SnO .

Bei der bisherigen Darstellung der Erfindung wurde nicht berücksichtigt, daß viele Stoffe polymorphe Umwandlungen aufweisen, die sich als Volumänderungen (Ausdehnungen oder Kon-

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traktionen) auf der „Warmedehnkurve abbilden. Diese Vernachlässigung kann aber hingenommen v/erden, da der Volumsprung bei T ζ,/- \ mit Sicherheit in weiten Grenzen variabel ist. Sollten bei einem oder beiden Stoffen des Systems eine oder gar mehrere polymorphe Umwandlungen eintreten - was die Dilatometerkurve zeigen wird -, so ist dies natürlich zu berücksichtigen.

Außerdem ergibt sich die Frage nach dem Verbleib des Poreninhalts, wenn die gesinterte Preform in der Haut schmilzt. Hierbei handelt es sich um Reste der Atmosphäre, in der die Preform gepreßt bzw. gesintert wurde. Diese Frage stellt sich nicht, wenn die Herstellung der Preform und ihre CVD-Behändlung im Vakuum erfolgt. Wenn dies aber in irgendwelchen Atmosphären geschieht, muß eine Haut gewählt werden, die - zumindest bei ^Ts(Kern) " g^{asdur>chlässi}S ^ist·

Insgesamt ergibt sich also, daß das erfindungsgemäße Verfahren besonders gute Ergebnisse bringt, da mit Hilfe gesinterter

reforms die entscheidend wichtige Regulierung des Kernvolumens gelingen wird.

Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von Komponenten aus Verbundwerkstoffen, die hohe Druckspannungen in der Oberfläche aufweisen. Von derartigen Bauteilen sind allgemein gute Schwingungsfestigkeit und bessere statische Festigkeit (Streckgrenze) ebenso zu erwarten wie auch gute Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion.

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Claims

MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG Aktiengesellschaft München, den 29. April 197 Patentansprüche

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Bauteilen aus hochwarmfesten Werkstoffen, insbesondere der Schaufeln von Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmebehandlung bis in den Bereich der Schmelztemperatur des Werkstoffes im Vakuum auf das bis auf die Wärmebehandlung fertige und maßhaltige Bauteil eine das Bauteil auch bei der Behandlungstemperatur gestaltfest umhüllende Haut aufgebracht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile im Wege der Sintertechnik, insbesondere der Sinterschmiedetechnik hergestellte Keramikbauteile sind.

3. Verfahrennach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ummantelte Bauteil während der Wärmebehandlung aufgeschmolzen wird, wobei die Haut als Tiegel während der Schnelzphase dient.

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4. Verfahren nach Anspruch 1 oder nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dai?, die Haut in der Gasphase auf dem Bauteil abgeschieden wird (CVD-Verfahren).

5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haut bei einer Temperatur aufgebracht wird, die niedriger liegt als die Schmelztemperatur der als Kern v/irkenden Bauteile.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff der Haut in einer leicht verdampfbaren chemischen Verbindung an den Stoff des Kernes herangebracht wird, um die Haut sich bei der Behandlungstemperatur bilden zu lassen.

7· Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abscheiden der Haut in der Gasphase bei einer Temperatur erfolgt, die nahe der Schmelztemperatur des Kernes liegt.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7.» dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenkontraktion bei der Schmelztemperatur des Kernes zur Beeinflussung der Spannungsverhältnisse der Haut benutzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder nach den Ansprüchen 1 bis 8. zur Wärmebehandlung von Turbinenschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln in der Sintertechnik, insbesondere der Sinterschrniedetechnik aus Ni-Basislegierungeri hergestellt sind.

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