DE2620197C3

DE2620197C3 - Verfahren zur Wärmebehandlung von Bauteilen aus hochwarmfesten Werkstoffen

Info

Publication number: DE2620197C3
Application number: DE2620197A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Ing.(Grad.) 8067 Petershausen Helm; Peter Ing. Leven (Grad.), 8051 Allershausen
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1976-05-07
Filing date: 1976-05-07
Publication date: 1980-08-07
Also published as: FR2350404A1; GB1584466A; FR2350404B3; DE2620197A1; US4151017A; DE2620197B2

Description

Gegenstand des älteren, aber nicht vorverölfentlichten DE-PS 25 50 858 ist ein Verfahre- zur Herstellung und/oder Wärmebehandlung von metallischen Formkörpern.

Um ein solches Verfahren bei Temperaturen im Bereich des Schmelzpunktes des Werkstoffes der Formkörper durchführen zu können, also bei Temperaturen, bei denen der Werkstoff teigig oder sogar bereits flüssig ist, trotzdem aber der Formkörper seine bereits erhaltene Form beibehält, wird im Rahmen des älteren Rechtes vorgeschlagen, 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 dem des Formkörperwerkstoffs versehen wird und anschließend unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit aufgeschmolzen und/oder wärmebehandelt wird.

Die Erfindung ist die Anwendung dieses Verfahrens auf im Wege der Sintertechnik hergestellte Formkörper, auf denen die Beschichtung in an sich bekannter Weise aus der Gasphase (CVD-Verfahren) abgeschieden worden ist. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen.

In teilweiser Wiederholung aus dem älteren Recht kann die mit der Erfindung behandelte Problematik wie folgt geschildert werden.

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 850⁰C 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

ίο Schmelzpunkts, das Gefüge der genannten Legierungen hinsichtlich ihres Zeitstandverhaltens günstig beeinflussen, da hierbei das sehr erwünschte grobe Korn entsteht.
Wärmebehandlung in der Umgebung des Schmelzprinktes 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 Wärmebehandlungen in Schmelzpunktnähe nur noch dafür Sorge zu tragen wäre, daß d'-£ im Vergleich zur Schwerkraft recht kleinen Kräfte 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 findet Angaben von 10~⁴ ■ gbis 10-⁶ · g, wobei #die Erdbeschleunigung ist. Aufgabe der Erfindung des DE-PS 25 50 858 ist die Schaffung eines Verfahrens, mit dem die Wärmebehandlung von Bauteilen aus hochwarmfesten Werkstoffen derart durchgeführt werden kann, daß die Wärmebehandlung bei extrem nohen, ei. h. in der Höhe des Schmelzpunktes liegenden Temperaturen durchgeführt werden kann, ohne daß die Gefahr besteht, daß die der Behandlung unterworfenen Teile ihre Gestalt verlieren, indem sie anfangen zu fließen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung des DE-PS 25 50 858 hauptsächlich 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 Beschichtung aufgebracht ist.

Der der Erfindung des DE-PS 25 50 858 zugrunde liegende Grundgedanke ist es also, für die Wärmebehandlungen im Vakuum, beispielsweise auf der Erde vorgefertigte Bauteile, beispielsweise Gasturbinenschaufeln, mit einer dünnen Beschichtung gleich einer Haut zu ummanteln, deren Schmelzpunkt so hoch liegt, daß ihre Festigkeit bei den vorgesehenen Wärmebehandlungstemperaturen noch ausreicht, die aus Oberflächenspannung, Wärmespannung und gegebenenfalls Mikrogravitation resultierenden Belastungen bei Schwerelosigkeit aufzunehmen.

Die Erfindung befaßt sich im Rahmen dieses Grundgedankens jedoch abweichend vom älteren Recht mit Möglichkeiten, in Sintertechnik hergestellte Schaufeln durch Anwendung des CVD-Verfahrens (Abscheidung aus der Gasphase, gemäß H. E. Hintermann und H.

Gaß) zu ummanteln.

Bei der vorliegenden Anwendung des CVD-Verfahrens kann dieses in der Form abgewandelt werden, daß die Beschichtung statt aus reinem Metall aus einer leicht verdampfbaren chemischen Verbindung gebildet wird. Die auftretende Volumenkontraktion bei der Schmelztemperatur des Kernes kann zur Beeinflussung der Spannungsverhältnisse der Beschichtung benutzt werden.

Außer dem eingangs genannten älteren Recht gemäß dem DE-PS 25 50 858 ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung folgender Stand der Technik zu beachten:

Aus der DE-OS 22 26 876, insbesondere Ansprüche 1 und 2, ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Bauteilen aus hochwarmfesten Werkstoffen im Vakuum bekannt, bei dem auf das Bauteil eine das Bauteil auch bei der öehandlungstemperatur umhüllende Haut aufgebracht ist. Auch nach der DE-OS 14 58 979, der GB-PS 5 27 293 und der US-PS 7 58 347 gehört ein derartiges Verfahren bereits zum Stand der Technik.

Erläuterung der Erfindung an Hand der Zeichnung

Wird ein ummanteltes Bauteil erwärmt, so ergibt sich eine der wesentlichen Schwierigkeiten aus der unterschiedlichen Wärmedehnung von Kern und Beschichtung. F i g. 1 zeigt ganz schematisch Verhältnisse, wie sie durchaus eintreten könnten. Es ist der Verlauf des Ausdehnungskoeffizienten von Kern- und Hüllwerkstoff 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 Ty;,. 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< Tkrii, s'eht die Beschichtung unter Druckspannungen, wenn T> 7i„, unter (ungünstigen) Zugspannungen. Dies ist eine weitere Beanspruchungskomponente, die sich den oben genannten überlagert.

Wird die Beschichtung bei T< T_s(K_Crn), d. h. die Schmelztemperatur des Kernes aufgebracht, so wird sie in dem für die Wärmebehandlung vorgesehenen Temperaturbereich stets unter Zugspannungen geraten. Soll die Beschichtung gar als Tiegel für Umschmelzvorgänge dienen, verstärkt sich ihre Beanspruchung erheblich.

Diese Schwierigkeiten lassen sich umgehen, oder zumindest mindern, wenn gemäß 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, 7i„-₍einzustellen.

Beim CVD-Verfahren wird der Stoff der Beschichtung 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 Tcvn genannt werden soll, ist aber — wie anhand der Fig. ί 'eicht einzusehen — der Eigenspannungszustand der Haut gleich Null. Unter diesen Bedingungen ist also Tcvp= 7]tn>

Tcyp, 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, Tcvo und damit Tkru so nahe wie nur möglich an T_S(Kcm) 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 eine 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_S(Kcm) ?'-:Ilt sich nach folgender Gleichung ein:

AV = AV_h1-AVp
Hierin bedeuten

Volumänderung der metallischen Grundmasse

AVp = Volumänderung infolge Änderung des Porenanteils

Ist AVp > V_M. erfolgt beim Schmelzen Kontraktion des Kerns. Bei Δ V_p < Vm erfolgt Wachsen und wenn AVp=A Vm. so zeichnet sich der Schmelzvorgang auf der Wärmedehnkurve überhaupt nicht ab. Die Wärmedehnkurve eines Teils mit Δ V_p > V_M zeigt F i g. 2. Die Volumkontraktion bei T_s(Kcrn) kann dazu benutzt werden, besonders günstige Spannungsverhältnisse der Beschichtung herzustellen.

Dies ist in Fig. 3 gezeigt. Hier ist das Verhalten des Kerns beim Aufheizen und Abkühlen zusammen mit dem Verhalten der Beschichtung dargestellt. Man sieht, daß die Beschichtung nur in dem verhältnismäßig schmalen Temperaturbereich zwischen 7i_r„ (=Tcvo) und T_S(Kcni)und nur beim Aufheizen unter Zugspannungen geraten wird. Der Schmelzvorgang des Kerns bewirkt in der Beschichtung 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 iührt dazu, daß die Beschichtung während der Abkühlung des Gesamtsystems unter höhere Druckspannungen geraten wird.

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

Die Verwendung eines Sinterkörpers zur Behandlung im CVD-Verfahren für den Kern ermöglicht also eine weitgehende Anpassung an die Wärmedehnverhältnisse der Beschichtung.

Da sich andererseits Druckspannungen in der Oberfläche von Bauteilen in aller Regel sehr vorteilhaft auswirken, eröffnet sich hier auch die Möglichkeit, Turbinenschaufeln und andere hoch belastete Bauteile aus Verbundwerkstoffen herzustellen, von denen

besonders gut mechanische Eigenschaften erwartet werden dürfen.

Für die erfindungsgemäße Anwendung eignen sich besonders Formteile, insbesondere Turbinenschaufel·! aus Ni-Basislegierungen, die in Sintertechnik, insbesondere in Sinterschmiedetechnik hergestellt werden.

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

CVD-abscheidbarc Stoffe

Metalle: Cu, Be, Al. Ti, Zr. Hf. Th. Gc. Sn. Pb, V. Nb. Ta.

As. Sb. Bi. Cr. Mo. W. U. Re, Fc. Co. Ni. Ru. Rh.

Os, Ir. Pt.
Karbide: B₄C. SiC. TiC. ZrC. HfC. ThC, ThC₂, TaC.

Ta₆C₅; CrC. Cr₄C. Cr₁C₂. MoC. Mo₂C. WC.

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

Boride: AIB₂. TiB₂. ZrB₂. ThB₄. ThB. NbB. TnB. MoB.

Mo,B₂, VVB. Fe₂B. FeB. NiB. Ni₁B₂. Ni₂B.
Sili/.idc: Verschiedene Suizide von Ti. Zr, Nb. Mo, W.

Mn. Fe. Ni, Co.
Oxide: AI₂O₁. SiO₂. ZrO₂. Cr₂Oj. SnO₂.

Bei der bisherigen Darstellung der Erfindung wurde nicht berücksichtigt, daß viele Stoffe polymorphic Umwandlungen aufweisen, die sich als Volumänderungen (Ausdehnungen oder Kontraktionen) auf der Wärmedehnktirve abbilden. Diese Vernachlässigung kann aber hingenommen werden, da der Volumsprung bei 7~_tfKtrn; miI Sicherheil 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 der Sinterkörper in der Beschichtung schmilzt. Hierbei handelt es sich um Reste der Atmosphäre, in der der Formkörper gepreßt bzw. gesintert wurde. Diese Frage stellt sich nicht, wenn die Herstellung des Formkörpers und ihre CVD-Behandlung im Vakuum erfolgt. Wenn dies aber in irgendwelchen Atmosphären geschieht, muß eine Beschichtung gewählt werden, die — zumindest bei T,₍n_ern) —

Insgesamt ergibt sich also, daß das erfindungsgcmäß angewandte Verfahren besonders gute Ergebnisse bringt, da mit Hilfe von Sinterkörpern die entscheidend wichtige Regulierung des Kernvolunicns gelingen wird. Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von Komponenten aus Verbundwerkstoffen, die hohe Druckspannungen in der Oberfläche aufweisen. Von derartigen Bauteilen sind allgemein gute Schwingungsfcstigke!» und bessere statische Festigkeit (Streckgrenze) ebenso zu erwarten wie auch gute Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Anwendung des Verfahrens zur Wärmebehandlung von Bauteilen aus hochwarmfesten Werkstoffen, insbesondere der Schaufeln von Gasturbinen, bei dem das Bauteil mit einer die Form des Bauteiles erhaltenden, relativ dünnen Beschichtung aus einem Material mit höherem Schmelzpunkt als- dem des Bauteilwerkstoffs versehen und unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit einer Wärmebehandlung bis in den Bereich der Schmelztemperatur des Bauteilwerkstoffes unterzogen wird, auf im Wege der Sintertechnik hergestellte Bauteile, auf denen die Beschichtung in an sich bekannter Weise aus der Gasphase (CVD-Verfahren) abgeschieden worden ist.

2. Anwendung nach Anspruch 1 auf geschmiedete Bauteile aus gesinterten Legierungen, insbesondere aus solchen aus Nickelbasis.

3. Anwendung nach Anspruch 2 auf während der Wärmebehandlung aufgeschmolzene ummantelte Bauteile, deren Beschichtung als Tiegel während der Schmelzphase dient.

4. Abänderung der Anwendung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß beim CVD-Verfahren die Beschichtung statt aus reine/i Metall aus einer leicht verdampfbaren chemischen Verbindung gebildet wird.