DE2822153C2

DE2822153C2 - Verfahren zum Herstellen von Formstücken

Info

Publication number: DE2822153C2
Application number: DE2822153A
Authority: DE
Inventors: Eric Smaltz Manchester Conn. Vogel
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1977-06-02
Filing date: 1978-05-20
Publication date: 1987-02-26
Also published as: IT1096611B; IL54801A; NL7805975A; ZA782806B; JPS542220A; CH637426A5; GB1564795A; CA1108441A; DE2822153A1; NO781788L; IT7824028A0; BE867310A; SE7805706L; DK153336B; JPS6132387B2; AU3644078A; BR7803371A; DK153336C; DK236978A; FR2393076B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
In der Gasturbinentriebwerksindustrie, in der ein solches Verfahren besondere Anwendung findet, erfordern die Triebwerksbemessungskriterien die Verwendung von Legierungen, die eine gute Warmfestigkeit und einen guten Oxidationswiderstand haben. Aufgrund dieses Bedarfs ist eine Anzahl von Nickelbasislegierungen entwickelt und benutzt worden. Die hohen Festigkeitsanforderungen sind zwar erfüllt worden, leider sind sie jedoch im allgemeinen nur auf Kosten der Legierungsverarbeitbarkeit erfüllt worden. Bei der Fertigung von Strahltriebwerken, die Tausende von Einzelteilen enthalten, welche eine komplizierte Form haben und mit enger Toleranz hergestellt werden müssen, ist aber die Verarbeitbarkeit der Legierung ein Hauptfaktor bei der Bestimmung des Ausmaßes ihrer Benutzbarkeit.
Die US-PS 35 19 503 bescheibt ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zum Herstellen von Formstücken, wie sie üblicherweise in Gasturbinentriebwerken benutzt werden, insbesondere aus Nickel- und Kobaltbasislegierungen. Gemäß diesem bekannten Verfahren wird eine hochfeste, niederduktile Legierung bei einer hohen Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur druckbearbeitet, um die Kornstruktur zu verfeinern und um die Legierung in einen vorübergehenden Zustand niedriger Festigkeit und hoher Duktilität, d. h. in einen sogenannten superplastischen Zustand zu bringen. Anschließend wird die sich vorübergehend in dem superplastischen Zustand befindende Legierung in Warmschmiedegesenken bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur isothermisch geschmiedet, wobei ein nennenswertes Kornwachstum blockiert wird. Das erhaltene Formstück wird schließlich einer herkömmlichen Wärmebehandlung unterzogen, um die Legierung in ihren ursprünglichen Zustand hoher Festigkeit und niedriger Duktilität zurückzuversetzen. Bei dem bekannten Verfahren wird also der aus Pulver gepreßte Block, der auch aus der Legierung IN100 bestehen kann, in zwei Schritten warmverformt, wobei der erste Schritt aus der Druckbearbeitung und der zweite Schritt aus dem Schmiedevorgang besteht. Die Druckbearbeitung im ersten Schritt erfolgt üblicherweise durch Strangpressen oder Walzen mit einem Querschnittsreduktionsverhältnis von 4 zu 1. Für den ersten Schritt, d. h. das Strangpressen oder Walzen, sind zwar nur die Querschnittsreduktionsverhältnisse in der US-PS 35 19 503 angegeben, es ist aber bekannt, daß durch Strangpressen oder Walzen Verformungsgeschwindigkeiten in der Größenanordnung von 1-10 cm/cm/min erzeugt werden. Dagegen ergeben sich bei dem zweiten Schritt, d. h. beim Schmieden, Verformungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 0,1-1 cm/cm/min. Bei diesem bekannten Verfahren wird also zuerst mit einer hohen Verformungsgeschwindigkeit und anschließend mit einer niedrigen Verformungsgeschwindigkeit gearbeitet, und zwar in wenigstens zwei unterschiedlichen Warmverformungsschritten.
Die US-PS 36 98 219 und 39 87 658 beziehen sich ebenfalls auf ein solches Verfahren.
Bei der Herstellung von gewissen Triebwerksteilen, insbesondere von Triebwerksscheiben oder -rotoren aus der Legierung IN100, durch dieses Verfahren hat es sich als wünschenswert herausgestellt, die Legierungszusammensetzung etwas zu modifizieren, damit ein optimales Schmiedeteil hergestellt werden kann. Die US-PS 38 43 421 beschreibt eine solche modifizierte Zusammensetzung der Legierung IN100, die für die Verwendung bei dem hier in Rede stehenden Verfahren besonders maßgeschneidert ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art das Warmverformen des Blockes so zu verbessern, daß Formstücke wirtschaftlicher und mit bester möglicher Qualität hergestellt werden könnnen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Schritte gelöst.
Durch das Verfahren nach der Erfindung wird eine Legierung, insbesondere eine Nickelbasislegierung, in vorlegierter Pulverform heißisostatisch verpreßt, um einen im wesentlichen homogenen, massiven Block zu schaffen, der eine hohe Festigkeit und eine niedrige Duktilität hat, d. h. der nichtsuperplatstisch ist. Dieser Block wird dann in Warmschmiedegesenken bei einer Temperatur isothermisch formgeschmiedet, die in einem Bereich bis zu 195°C unterhalb der normalen Rekristallisationstemperatur der Legierung liegt, wobei das Schmieden in einem einzigen Schmiededurchgang erfolgt, welcher beinhaltet: 1) eine Vorstufe niedriger Verformungsgeschwindigkeit, in welcher der Block vorgeschmiedet wird, um eine Dickenverringerung von wenigstens 10% zu erzeugen, damit eine Rekristallisation und eine Verfeinerung der Kornstruktur in situ erfolgen und der Block in einen vorübergehenden Zustand niedriger Festigkeit und hoher Duktilität versetzt wird, und 2) eine anschließende Stufe hoher Verformungsgeschwindigkeit, in welcher der Block in dem vorübergehenden superplastischen Zustand fertiggeschmiedet wird. In der Vorstufe ist es wichtig, daß die Verformungsgeschwindigkeit mit Bezug auf die Schmiedetemperatur so gewählt wird, daß die Geschwindigkeit ausreichend niedrig ist, um ein Reißen des Blockes während der Ausbildung des superplastischen Zustandes zu verhindern. Dagegen ist in der anschließenden Stufe die Verformungsgeschwindigkeit viel höher, um sicherzustellen, daß die gewünschten mechanischen Eigenschaften in dem wärmebehandelten Formstück erzielt werden. Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird also in einem einzigen Schmiededurchgang isothermisch geschmiedet, und zwar zuerst unter Verwendung einer niedrigen Verformungsgeschwindigkeit und anschließend unter Verwendung einer hohen Verformungsgeschwindigkeit, also umgekehrt wie bei dem bekannten Verfahren, bei dem mit zwei unterschiedlichen Warmverformungsschritten und dabei zuerst mit einer hohen Verformungsgeschwindigkeit und anschließend mit einer niedrigen Verformungsgeschwindigkeit gearbeitet wird. Das Verfahren nach der Erfindung ist besonders vorteilhaft beim Herstellen von Formstücken aus der modifizierten Legierung IN100, die in der oben erwähnten US-PS 38 43 421 beschrieben ist.
Gemäß der Erfindung wird der niederduktile Block, der sich aus dem heißisostatischen Verpressen der modifizierten Legierung IN100 ergibt, zuerst in den Warmschmiedegesenken mit einer niedrigen Verformungsgeschwindigkeit von bis zu 0,1 cm/cm/min geschmiedet, um eine Dickenverringerung von etwa 15% bis etwa 35% zu erzeugen, die Blockkornstruktur zu rekristallisieren und zu verfeinern und ihm vorübergehend superplastische Eigenschaften zu geben, und anschließend wird der Block weiter zu dem Formstück bei einer höheren Verformungsgeschwindigkeit fertig geschmiedet, die über 0,1 cm/cm/min und vorzugsweise zwischen etwa 0,3 cm/cm/min und etwa 0,7 cm/cm/min liegt, wobei eine Dickenverringerung von 50% oder mehr üblicherweise in dieser Stufe hoher Verformungsgeschwindigkeit hervorgerufen wird.
Weitere Einzelheiten des Verfahrens nach der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform.
Die modifizierte Legierung IN100 ist für die Verarbeitung zu Gasturbinentriebwerksteilen, insbesondere zu Triebwerksscheiben, infolge ihrer einzigartigen Kombination von mechanischen und physikalischen Eigenschaften und verbesserter Kerbzähigkeit von größter Bedeutung. Infolgedessen ist sie Gegenstand zahlreicher experimenteller Untersuchungen gewesen, die den Zweck verfolgten, ein optimales Verfahren zu schaffen, durch das Formstücke, wie beispielsweise Triebwerksscheiben, am wirtschaftlichsten und mit der bestmöglichen Qualität hinsichtlich der chemischen, strukturellen und mechanischen Eigenschaften, der Homogenität und der Dichte, hergestellt werden können. Ein solches verbessertes Herstellungsverfahren ist im folgenden beschrieben.
Das Herstellungsverfahren beginnt mit dem Herstellen eines relativ einfach geformten Blockes aus vorlegiertem Pulver der modifizierten Legierung IN100 durch heißisostatisches Verpressen des Pulvers in einem geeignet geformten Behälter, wie beispielsweise einem Flußstahlbehälter. Der Legierungsblock, der durch dieses heißisostatische Verpressen hergestellt wird, bietet beträchtliche Vorteile bei den späteren Verfahrensschritten, da der Block in chemischer, struktureller und anderer Hinsicht im wesentlichen homogen ist und im wesentlichen frei von Porosität ist. Selbstverständlich ändern sich die Parameter des heißisostatischen Verpressens in Abhängigkeit von der vewendeten Nickelbasislegierung, bei der modifizierten Legierung IN100 liegen die Parameter aber im allgemeinen in folgenden Bereichen: Temperatur von etwa 1038°C bis etwa 1177°C; Druck von etwa 689,5 bar bis etwa 2068,5 bar; Zeit von etwa 15 min bis etwa 4 h. Es sei angemerkt, daß der durch das heißisostatische Verpressen hergestellte IN100-Block nicht in einem vorübergehenden superplastischen Zustand ist, sondern stattdessen weiterhin die Eigenschaften hoher Festigkeit und niedriger Duktilität der Legierung aufweist.
Der nächst Schritt des Verfahrens beinhaltet das isothermische Formschmieden des gepreßten Legierungsblockes in Warmschmiedegesenken bei einer Temperatur in einem Bereich bis zu 195°C unterhalb der normalen Rekristallisationstemperatur der Legierung. Wie im folgenden dargelegt, kann durch sorgfältiges Einstellen der Schmiedeparameter, wie der Schmiedetemperatur und der Verformungsgeschwindigkeit, das Formschmieden des Blockes in den Warmschmiedegesenken in einem einzigen, ununterbrochenen Schmiededurchgang ausgeführt werden, obwohl der Block anfänglich nicht in einem vorübergehenden Zustand niedriger Festigkeit und hoher Duktilität ist. Es ist herausgefunden worden, daß, um die Legierung auf diese Weise erfolgreich schmieden zu können, der Schmiededurchgang in zwei getrennten Stufen ausgeführt werden muß, bei welchen es sich um eine Vorstufe niedriger Verformungsgeschwindigkeit und um eine anschließende Stufe hoher Verformungsgeschwindigkeit handelt.
Mit der Vorstufe niedriger Verformungsgeschwindigkeit wird bezweckt, den Legierungsblock am Anfang in einem geringfügigen, aber kritischen Ausmaß zu verkleinern, um eine Rekristallisation und eine Verfeinerung der Blockkornstruktur in situ hervorzurufen und um den Block in einen vorübergehenden superplastischen Zustand zu bringen, d. h. in einen Zustand niedriger Festigkeit und hoher Duktilität. Unerwarteterweise ist festgestellt worden, daß Dickenverringerungen von etwa 10% (und vorzugsweise 15 bis 35%) unter geeigneten Temperatur- und Verformungsgeschwindigkeitsbedingungen bewirken, daß der Legierungsblock vorübergehend superplastisch wird. Während dieser Anfangsverkleinerung ist jedoch auch festgestellt worden, daß die Beziehung zwischen der Schmiedetemperatur und der Verformungsgeschwindigkeit sehr wichtig war. Beispielsweise ist festgestellt worden, daß bei einer besonderen Schmiedetemperatur ein kritischer schmaler Verformungsgeschwindigkeitsbereich erscheint, oberhalb welchem der Legierungsblock während der Anfangsverkleinerung reißt, unterhalb welchem aber kein Reißen beobachtet wird. Der Bereich der kritischen Verformungsgeschwindigkeit ändert sich zwar etwas mit der Schmiedetemperatur für die modifizierte Legierung IN100, Verformungsgeschwindigkeiten von 0,1 cm/cm/min oder darunter haben sich jedoch als sicherste Maßnahme gegen das Reißen des Blockes während der Ausbildung des superplastischen Zustandes und während der Anfangsdickenverringerung erwiesen. Geschwindigkeiten oberhalb von 0,1 cm/cm/min während der Anfangsdickenverringerung verursachen eher Reißen und sind deshalb zu vermeiden.
Nachdem der Block in der Vorstufe in den vorübergehenden superplastischen Zustand gebracht worden ist, wird mit der Schmiedestufe hoher Verformungsgeschwindigkeit begonnen, in welcher eine Hauptdickenverringerung von 50% oder mehr erfolgt, um das Formstück fertig zu schmieden. Da der Legierungsblock eine sehr hohe Duktilität hat, können hohe Verformungsgeschwindigkeiten benutzt werden, um die Hauptdickenverringerung zu erzielen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß ein gewisses Minimum an hoher Verformungsgeschwindigkeit in dieser Stufe erforderlich ist, um beständig optimale Eigenschaften wie Streck- und Zugfestigkeit des wärmebehandelten Formstückes zu erzielen. Beispielsweise werden bei dem weiteren Schmieden des Blockes aus der modifizierten Legierung IN100, nachdem er den superplastischen Zustand angenommen hat, Verformungsgeschwindigkeiten oberhalb von 0,1 cm/cm/min für erforderlich gehalten, damit sich erwünschte Streck- und Zugfestigkeiten ausbilden. Eine Verformungsgeschwindigkeit von etwa 0,3 cm/cm/min bis etwa 0,75 cm/cm/min ist zur Ausbildung von optimalen Eigenschaften des wärmebehandelten Formstückes vorzuziehen. Es wird vermutet, daß das Minimun an hoher Verformungsgeschwindigkeit, das erforderlich ist, einen kritischen Wert an thermischer, mechanischer Arbeit in der Legierung und eine entsprechende optimale Korn- oder Versetzungsstruktur oder Substruktur ergibt, die für die Wärmebehandlung geeignet ist.
Selbstverständlich kann die Legierung, nachdem das Formstück fertiggeschmiedet ist, in ihren normalen Zustand hoher Festigkeit und Härte durch eine herkömmliche Wärmebehandlung einschließlich einer Lösungswärmebehandlung, beispielweise bei 1121°C für die modifizierte Legierung IN100, und Stabilisierungs- und Ausscheidungswärmebehandlungen zurückversetzt werden.
Das folgende Beispiel veranschauchlicht das Herstellungsverfahren nach der Erfindung.

Beispiel

Vorlegiertes, modifiziertes IN100-Pulver wurde in unter Druck stehendem Argon bei einer Temperatur von 1121°C und einem Druck von 1034,5 bar zwei Stunden lang heißisostatisch zu einem homogenen, festen Block zum Schmieden verpreßt. Der Block war nach diesem Verpressen nicht in einem superplastischen Zustand. Der Block wurde dann auf 1107°C erhitzt und in Warmschmiedegesenke eingebracht. Die Vorschmiedestufe wurde mit einer Verformungsgeschwindigkeit von 0,1 cm/cm/min durchgeführt, um eine Dickenverringerung von 25% zu erzeugen, die eine Rekristallisierung und eine Verfeinerung der Blockkornstruktur in situ ergab und den Block in einen vorübergehenden Zustand niedriger Festigkeit und hoher Duktilität brachte. Bei dem Erreichen der Dickenverringerung von 25% wurde die Verformungsgeschwindigkeit auf 0,5 cm/cm/min erhöht und das fertige Formstück durch eine weitere Dickenverringerung von 50% hergestellt. Nach dem Schmieden wurde das IN100-Formstück in herkömmlicher Weise wärmebehandelt und bei 704°C Zug- und Kriechtests unterworfen. Die Testergebnisse zeigten, daß das durch das Verfahren nach der Erfindung hergestellte IN100-Formstück Eigenschaften hatte, die über den Mindesteigenschaften lagen, die für eine Gasturbinentriebwerksscheibe erforderlich sind.
Die spezifischen Verformungsgeschwindigkeiten und Dickenverringerungen, die oben quantitativ angegeben sind, beziehen sich zwar auf die modifizierte Legierung IN100, es ist jedoch anzunehmen, daß die Gesamtgrenzen auch bei anderen hochfesten, niederduktilen Nickelbasislegierungen zutreffen, wie sie beispielsweise in der US-PS 35 19 503 beschrieben sind. Beispielsweise ist davon auszugehen, daß eine Dickenverringerung von wenigstens 10% bei den meisten hochfesten, niederduktilen Nickelbasislegierungen in der Vorschmiedestufe ausreicht, um sie in den vorübergehenden superplastischen Zustand zu bringen. Außerdem sind niedrige Vorverformungsgeschwindigkeiten unterhalb von 0,1 cm/cm/min und anschließende hohe Verformungsgeschwindigkeiten oberhalb von 0,1 cm/cm/min aller Wahrscheinlichkeit nach auch bei anderen Nickelbasislegierungen anwendbar.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Formstücken aus hochfesten, niederduktilen Nickelbasislegierungen, insbesondere der Legierung IN100, durch:

a) heißisostatisches Verpressen der Legierung in vorlegierter Pulverform zu einem im wesentlichen homogenen Block hoher Festigkeit und niedriger Duktilität und

b) anschließendes Warmverformen des Blockes in wenigstens zwei Schritten unter Verwendung von Warmschmiedegesenken bei einer Temperatur unterhalb der normalen Rekristallisationstemperatur der Legierung und mit unerschiedlichen Verformungsgeschwindigkeiten,

dadurch gekennzeichnet, daß das Warmverformen durch isothermisches Schmieden des Blockes bei einer Temperatur in einem Bereich bis zu 195°C unterhalb der normalen Rekristallisationstemperatur in einem einzigenSchmiededurchgang erfolgt, welcher beinhaltet:

b1) eine Vorstufe niedriger Verformungsgeschwindigkeit, in welcher der Block bei einer niedrigen Verformungsgeschwindigkeit von bis zu 0,1 cm/cm/min vorgeschmiedet wird, um eine Dickenverringerung von wenigstens 10% zu erzeugen, und anschließend

b2) eine Stufe hoher Verformungsgeschwindigkeit, in welcher der Block bei einer hohen Verformungsgeschwindigkeit von über 0,1 cm/cm/min fertiggeschmiedet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt b) eine Dickenverringerung von etwa 15% bis etwa 35% erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hohe Verformungsgeschwindigkeit auf 0,3 cm/cm/ min bis 0,75 cm/cm/min eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Warmverformen der Legierung IN100 in dem einzigen Schmiededurchgang bei einer Temperatur von etwa 982°C bis 1149°C gearbeitet wird.