DE2853575A1

DE2853575A1 - Verfahren zum pulvermetallurgischen herstellen von verdichteten erzeugnissen aus einer hydridbildenden legierung

Info

Publication number: DE2853575A1
Application number: DE19782853575
Authority: DE
Inventors: Francis Herbert Froes; Charles Frederick Yolton
Original assignee: Crucible Inc
Current assignee: Colt Industries Operating Corp
Priority date: 1978-03-30
Filing date: 1978-12-12
Publication date: 1979-10-04
Also published as: GB2019442A; JPS5636201B2; JPS54131512A; DE2853575C3; CA1120230A; GB2019442B; FR2421019A1; DE2853575B2; US4219357A

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

/ι H. KINKELDEY

*"Γ OR.-ING.

W. STOCKMAlR

DR-INa · Αβ€ (CALTEOQ

K. SCHUMANN

ΟΛ BSI NAT · aPL-PHYS

P. H. JAKOB G. BEZOLD

OR BSlNAT.- OPL-CHEM.

8 MÜNCHEN

MAXIMIL1ANSTRAS3E

Crucible Inc.
Pittsburgh, Pa. (USA)

Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen von verdichteten Erzeugnissen aus einer hydridbildenden

Legierung

Die pulvermetallurgische Herstellung von Erzeugnissen durch Verdichten von aus Titanlegierungen bestehenden Pulvern sowie aus Pulvern, die aus Legierungen anderer hydridbildender Metalle bestehen, ist bereits bekannt. Das auf diese Weise hergestellte Erzeugnis aus einer Titanlegierung ist gekennzeichnet durch ein Rest-Widmannstättensches Gefüge mit entsprechend grobem Korn. Dieses Gefüge kann eine Verringerung der Zähigkeit und Verarbeitbarkeit des Erzeugnisses zur Folge haben.

Ein feines gleichachsiges Korn verbessert die Verarbeitbarkeit der Legierung insbesondere beim superplastischen Umformen und isothermen Schmieden. Von einer verringerten Korngröße werden verbesserte Festigkeiten bei Raum- und Betriebstemperaturen sowie eine verbesserte Duktilität sowie verringerte Ermüdungs-

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neigung erwartet.

Die Erfindung verfolgt somit in erster Linie das Ziel, ein pulvermetallurgisches Verfahren für hydridbildende Legierungen und vorzugsweise Titanlegierungen anzugeben, welches das Erzeugen von gänzlich verdichteten Erzeugnissen mit relativ feinem Korn und guter Verarbeitbarkeit ermöglicht. ..-■".

Ein bevorzugter Gedanke liegt in einem pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren für gänzlich verdichtete Erzeugnisse aus Pulvern hydridbildender Legierungen, vorzugsweise Titanlegierungen. Das Pulver wird hydriert, in einem zerdrückbaren Behälter eingeschlossen, auf eine erhöhte Temperatur erhitzt und sodann heißverdichtet, um ein im wesentlichen dichtes Erzeugnis herzustellen, welches sodann dehydriert, wieder erwärmt und erneut verdichtet wird, um während des Dehydrierens entstandene Hohlräume oder Leerstellen zu sehließen. Das fertige Erzeugnis zeichnet sich durch ein relativ feines Korn und durch eine ausgezeichnete Verarbeitbarbeit aus.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezug auf die Zeichnung. In dieser zeigt:

I¹Ig. 1 eine photo graphische Schliff auf nähme bei 250-facher Vergrößerung, welche das Gefüge herkömmlicher Erzeugnisse aus einer Titanlegierung mit 6 % Aluminium und 4 % Vanadium darstellt.

Pig. 2a

und 2b photographische Schliffaufnahmen bei 500-facher Vergrößerung, die das Gefüge einer zusammensetzungsmäßig mit der in Fig. T dargestellten Legierung übereinstimmenden Legierung zeigt,

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welche jedoch auf erfindungsgemäße Weise erzeugt wurde,

Fig. 3 eine photographische Schliffauf nähme bei 250-facher Vergrößerung eines anderen auf herkömmliche Weise hergestellten Erzeugnisses aus einer Titanlegierung mit 5 % Aluminium, 2 % Zinn, 2 % Zirkonium, 4 % Molybdän, 4 % Chrom, Rest Titan,

Fig. 4 eine photographische Schliffaufnahme bei 250-facher Vergrößerung einer zusammensetzungsmäßig mit der in Fig. 3 dargestellten Legierung übereinstimmenden Legierung, wobei letztere jedoch auf erfindungsgemäße Weise erzeugt wurde,

Fig. 5 eine photographische Schliffaufnahme bei 250-facher Vergrößerung, welche das Gefüge der in Fig. 4 dargestellten Legierung nach Glühen im Vakuum bei einer Temperatur von 800 ⁰C zeigt, und

Fig. 6 eine photοgraphische Schliffaufnahme bei 250-facher Vergrößerung der in Fig. 5 dargestellten Legierung nach einer zusätzlichen · Glühung bei 900 °C und Abschrecken in Wasser.

Beim Verfahren nach der Erfindung wird eine Charge einer pulverförmigen Legierung aus einem hydridbildenden Metall, vorzugsweise eine Titanlegierung, verwendet. Hydridbildende Legierungen ausser Titanlegierungen sind beispielsweise Zirkonlegierungen, Hafniumlegierungen, Tantallegierungen, Hioblegierungen, Uranlegierungen und Legierungen der seltenen Erden. Da Titanlegierungen zum

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Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung am meisten bevorzugt sind, wird die Erfindung anhand von Titanlegierungen erläutert.

Eine Charge aus Titanlegierungspulver wird beim erfindungsgemäßen Verfahren auf einen Wasserstoffgehalt von wenigstens etwa 1 bis 4 Gew.-% hydriert. Zum Hydrieren des Titanlegierungspulvers kann gegliche herkömmliche Arbeitsweise benutzt werden, aber bevorzugterweise wird nach dem im US-Patent 4- 009 233 beschriebenen Verfahren gearbeitet. Das hydrierte Pulver wird in einen leicht verformbaren Behälter eingebracht, der vorzugsweise aus weichem Flußstahl besteht. Der Behälter kann jedoch aus jeglichem Material bestehen, welches bei Druck leicht nachgibt (collapsible). Außerdem kommt es darauf an, daß der Behälter dichtend verschließbar ist und daß in dem Behälter Wasserstoff eine geringe Diffusionsneigung und eine niedrige Löslichkeit im Behälterwerkstoff aufweist. Der mit Pulver gefüllte Behälter wird dicht verschlossen und auf eine für das Heißverpressen ausreichende erhöhte Temperatur erwärmt. Temperaturen in der Größenordnung von 677 bis 982⁰C sind geeignet.

Vorzugsweise wird zum Heißverpressen das isostatische Heißpressen in einem Autoklaven durchgeführt, obgleich andere Arbeitsweisen, wie Schmieden und Extrudieren benutzt werden können. Beim isostatischen Heißpressen in einem fluidgefüllten Autoklaven werden Drücke im Bereich von 7 "bis 28 kg/mm angewandt.

Das Verdichten erfolgt, um ein im wesentlichen gänzlich verdichtetes Erzeugnis zu erzielen. Das Erzeugnis wird sodann dehydriert, was auf herkömmliche Weise durch Erwärmen im Vakuum oder in einer InertgasatmoSphäre, wie einer Argon- oder Heliumatmosphäre erfolgen kann, in welcher ein niedriger Wasserstoff-Partialdruck aufrechter-

halten wird. Nach dem Dehydrieren wird das Erzeugnis wieder erwärmt und erneut verdichtet, wobei diese Verdichtungsstufe erforderlich ist, um Hohlräume oder Leerstellen in Form von Rissen zu schließen, welche sich während des Dehydrierens gebildet haben. Bas Heißverpressen des dehydrierten Erzeugnisses erfolgt bei einer Temperatur unterhalb der sog. Beta-Transus-Temperatur der das Erzeugnis bildenden Legierung. Dieses ist zu beachten, um das Erzielen des angestrebten feinen Korns zu gewährleisten. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich bei Titanlegierungen Korngrößen von weniger als 10 um erzielen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von erfindungsgemäß hergestellten Titanlegierungspulvern bzw. Erzeugnissen aus diesen Pulvern noch weiter erläutert, wobei das Erzeugen der Pulver entsprechend der Lehre des bereits genannten US-Patentes 4 009 433 erfolgte. Die Zusammensetzungen dieser Pulver sind in der folgenden Tafel Λ zusammengestellt.

Tafel_1

Zusammensetzungen (Gew.-%) 6-4 Legierung Ti-17 Legierung

6 % Aluminium 5 % Aluminium 4 % Vanadium 2 % Zinn Rest Titan 2 % Zirkonium

4 % Molybdän 4 % Chrom Rest Titan

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Die in Tafel 1 aufgeführten Legxerungspulver wurden in 100 g-Chargen verwendet und besaßen einen Wasserstoffgehalt von 2,3 bis 3»1 Gew.-%.

Die Chargen wurden jeweils in einen zylindrischen Flußstahlbehälter eingebracht, in demselben dichtend eingeschlossen und 8 Stunden lang auf eine Temperatur von 954-⁰C in einem Druckmittel-Autoklaven erhitzt, in welchem das Verdichten bei einem Druck von 10,55 kg/mm erfolgte. Der im wesentlichen vollständig verdichtete Preßkörper wurde in technischem Vakuum bei einer Temperatur von 700 bis 801°C etwa 8 Stunden lang zum Zwecke des Dehydrierens geglüht. Die metallographische Untersuchung der dehydrierten Probekörper zeigte Rißbildungen, was ein weiteres isostatisches Heißpressen erforderlich machte.

Alle Proben zeigten das angestrebte feine Gefüge, insbesondere im Vergleich mit dem herkömmlichen Gefüge der zusammensetzungsgleichen sog. 6-4· legierung, die in Pig. als Schliffaufnähme dargestellt ist. Im Gegensatz dazu zeigen die Pig. 2a und 2b das Gefüge einer 6-4- Legierung, die auf erfindungsgemäße Weise hergestellt wurde und spezifischerweise bei der gleichen Temperatur isostatisch heißverpreßt wurde, wie das Erzeugnis, dessen Gefüge in Pig«. 1 dargestellt ist. Der deutliche Unterschied der beiden Gefüge fällt selbst bei der stärkeren Vergrößerung der Pig. 2a und 2b ins Auge.

Eine vergleichbare Folge von Gefügebildern ist in den Pig» 5 bis 6 für die sog«, Ti-17 Legierung dargestellt» Pig. 3 zeigt das Gefüge einer auf herkömmliche Weise erzeugten Ti-17 Legierung und das grobe Korn soxfie die höchst unerwünschten Alpha-Ausbildungen in. den Eorngrenzen sinddeutlich zu erkennen_o Das Gefüge einer solchen Legierung nach anfänglichem isostatischen Heißpressen im

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hydrierten Zustand, d.h. bei erfindungsgemäßer Herstellung, ist in Pig. 4- dargestellt. Fach dem Dehydrieren liegt ein Feinkorn-Gefüge mit gleichachsigem Alpha-Bereich vor, wie in Fig. 5 dargestellt. Noch deutlicher wird dieses in Fig. 6, welche das Gefüge des erfindungsgemäß hergestellten Erzeugnisses nach einer kurzen Beta-Glühung bei 899⁰C und anschließender Vasserabschreckung zeigt.

Das Dehydrieren nach dem Verdichten verursacht eine Nettovolumen-Kontraktion des Erzeugnisses mit der Wirkung, daß im Erzeugnis Bisse und Hohlräume auftreten. Demzufolge ist es von entscheidender Bedeutung, daß das Erzeugnis nach dem Dehydrieren einem weiteren Verdichtungsvorgang, wie einem isostatischen Heißpressen, einem Schmieden oder Extrudieren unterworfen wird, um diese Risse und Hohlräume zu schließen, so daß das angestrebte homogene oder einheitliche Erzeugnis erhalten wird.

Die Ausbildung des mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielten Feinkorngefüges läßt sich wie folgt erklären. Das relativ grobkörnige Pulver ist durch ein Netzwerk von sich schneidenden Hydridphasen gekennzeichnet. Beim isostatischen Heißpressen werden die Lücken zwischen den Pulverpartikeln als Folge der Verformung beseitigt, womit eine entsprechende Verwerfung des Hydridnetzwerkes in den Körnern einhergeht. Wird das Erzeugnis sodann dehydriert, so bilden sich gesonderte Körner zwischen den ehemaligen Hydridphasengebieten. Dieses ist eine Folge der in diesen Gebieten während des isostatischen Heißpressens aufgetretenen Verwerfungen oder Störungen (distortion), da beim Verpressen die Matrix-Gitterabstände so gestört werden, daß nach dem Dehydrieren die Gitterebenen benachbarter Gebiete, die zuvor exakt nacheinander

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ausgerichtet waren, keine gemeinsame Orientierung mehr aufweisen und hohe Winkelgrenzen, d.h. Korngrenzen, diese Regionen voneinander trennen. Da es der störende Einfluß des isostatischen Heißpressens auf die Hydridphase zu sein scheint, der für das Zustandekommen des erfindungsgemäß angestrebten Ergebnisses ausschlaggebend ist, wird angenommen, daß ^edes eine entsprechende Beeinflussung hervorrufende Verformungsverfahren, wie das Extrudieren, in gleicher Weise für diesen Zweck geeignet ist.

Sowohl in der Beschreibung als auch in den Patentansprüchen ist von "Metall"die Rede. Es versteht sich jedoch, daß damit Legierungen dieser Metalle gemeint sind, in welchen das genannte Metall die Grundkomponente bildet, im Rahmen der Erfindung wird mit dem Begriff "hydrieren" ( to hydride) das Bilden wasserstoffhaltiger Verbindungen angesprochen.

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Leerseite

Claims

Pat e η t a n sprue he

1. Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen von verdichteten Erzeugnissen aus einer hydridbildenden Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß hydriertes Pulver einer hydridbildenden Legierung in einen leichtverformbaren Behälter eingebracht, der Behälter verdichtet und das Pulver auf eine zum Verdichten geeignete erhöhte Temperatur erhitzt wird, daß das Pulver zu einem im wesentlichen völlig dichten Erzeugnis warmverdichtet und dieses Erzeugnis dehydriert wird, und daß dieses dehydrierte Erzeugnis wieder erwärmt und verdichtet wird, um während des Dehydrierens gebildete Hohlräume zu schließen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

ζ e i ch η e t , daß als hydridbildende Legierung eine Titan-, Zirkonium-, Hafnium-, Tantal-, Mob-, Uranoder Seltenerdlegierung verwendet wird.

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3- Verfahren zum Herstellen von verdichteten Erzeugnissen, aus Titanlegierungspulver, dadurch g e k e η η ζ e.ichnet , daß hydriertes Titanlegierungspulver in einen leichtverformbaren Behälter eingebracht und der Behälter verdichtet wird, daß das Pulver auf eine zum Verdichten geeignete erhöhte Temperatur erwärmt wird, daß das Pulver zu einem im wesentlichen gänzlich dichten Erzeugnis warmverdichtet wird, daß dieses Erzeugnis dehydriert und wieder erwärmt wird, und daß dieses dehydrierte Erzeugnis warmverdichtet wird, um während der Dehydrierung gebildete Hohlräume zu schließen.

4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Warmverdichten des Pulvers durch isostatisches Heißpressen in einem Druckmittel-Autoklaven erfolgt.

5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Pulver bei einer Temperatur von 677 bis 982°C isostatisch heißverpreßt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das isostatische Heißpressen

bei einem Druck von 7 bis 28 kg/mm erfolgt.

7- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Titanlegierungspulver auf einen Wasserstoffgehalt von etwa 1 bis 4-Gew.-% hydriert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7» dadurch gekennzeichnet , daß das warmverdichten des dehydrierten Erzeugnisses bei einer Temperatur unter-

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halb der Beta-Transus-Temperatur des Erzeugnisses durchgeführt wird.

9- Verfahren zum Herstellen verdichteter Erzeugnisse aus Titanlegierungspulver, dadurch gekennzeichnet , daß hydriertes Titanlegierungspulver in einen leichtverformbaren Behälter eingebracht wird, wobei das hydrierte Pulver einen Wasserstoffgehalt von etwa Λ bis 4- Gew.-% aufweist, daß der Behälter abgedichtet und das Pulver auf eine Temperatur von 677 bis 982⁰C erwärmt wird, daß das Pulver in einem fluiddruckautoklaven bei einem Druck von 7 bis 28 kg/mm zu einem im wesentlichen vollständig dichten Erzeugnis isostatisch heißverpreßt wird, daß das Erzeugnis dehydriert wird, daß das dehydrierte Erzeugnis wieder erwärmt und bei einer Temperatur unterhalb der Beta-Transus-Temperatur heiß verdichtet wird, um während des Dehydrierens gebildete Hohlräume zu beseitigen.

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