DE2939634C2

DE2939634C2 -

Info

Publication number: DE2939634C2
Application number: DE2939634A
Authority: DE
Inventors: Lawrence George Cincinnati Ohio Us Wilbers; Wilbur Horace Fairfield Ohio Us Schweikert
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-01-02
Filing date: 1979-09-29
Publication date: 1990-02-15
Also published as: FR2445752B1; NL7907856A; US4250610A; IT7926089A0; IL57830A; GB2038676B; GB2038676A; DE2939634A1; JPH0141431B2; FR2445752A1; IT1165448B; JPS5591933A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten von Metall- Gußteilen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei den üblichen Formen und Verfahren zum Gießen von Metall kann geschmolzenes Metall, wenn es sich nach dem Guß verfestigt, ver schiedene Abkühlgeschwindigkeiten erfahren. Das führt bei den erhaltenen Gußteilen zu Unregelmäßigkeiten, wie Porosität, Mik rorissen und inneren Rissen. Viele derartige Unregelmäßigkei ten befinden sich völlig innerhalb des Gußteils und sind mit dessen Oberfläche nicht verbunden. Einige sind jedoch mit der Oberfläche durch Oberflächenöffnungen verbunden.

Die Behandlung in der Hitze und unter isotatischem Druck (HIP) unterwirft den Gußkörper einer vorgewählten Kombination von Temperatur und Druck und heilt die Unregelmäßigkeiten durch das Zusammenkriechen und die Diffusionsbindung der Oberflächen der inneren Porosität, Mikrorisse usw. oder durch die Homogenisie rung unerwünschter inneren Phasenbereiche innerhalb des Gußteils aus.

Damit das Druckmedium, das man bei einer derartigen HIP-Behand lung verwendet, nicht in die Oberflächenöffnungen von mit der Oberfläche verbundenen Unregelmäßigkeiten eindringt, brachte man Überzüge auf die äußere Oberfläche des Gußteils auf und über brückte derartige Öffnungen.

Ein derartiges Verfahren und damit ein Verfahren gemäß Oberbe griff des Anspruches 1 ist in der US-PS 37 58 347 beschrieben. Darin ist die Anwendung des HIP-Verfahrens in Verbindung mit Legierungen auf Basis von Elementen beschrieben, wie z. B. Ni, Co, Fe und Ti, obwohl man dieses Verfahren auch auf andere Ma terialien anwenden kann und auch angewendet hat. Nach dem Ver fahren der US-PS 37 58 347 kann man eine mit der Oberfläche ver bundene Porosität ausheilen, indem man einen Oberflächenüberzug verwendet, der verhindert, daß das Druckmedium beim HIP-Ver fahren unter die Oberfläche und in die mit der Oberfläche ver bundenen Unregelmäßigkeiten eindringt. Eine Überzugsart, die man zu diesem Zweck verwendet, ist ein Metallüberzug, den man über den mit der Oberfläche verbundenen Öffnungen aufbringt. Ein derartiger metallischer Überzug in Form von Galvanonickel ist in Beispiel 2 der genannten US-PS 37 58 347 beschrieben. Eine genauere Untersuchung der Anwendung derartiger metallischer Überzüge ergab jedoch, daß eine Veränderung der Oberflächenzu sammensetzung des Gußteils durch Diffusion eintritt. Das Ent fernen einer derartigen veränderten Oberfläche kann unerwünsch te zusätzliche Kosten verursachen.

Zu einem ähnlichen Ergebnis kommt die GB-PS 14 73 980 (vgl. dort Seite 5, linke Spalte, Zeilen 38-55). Zur Vermeidung der Nachteile eines aus einem anderen Material bestehenden Me tallüberzuges macht das Verfahren nach der GB-PS 14 73 980 von einer sich beim Erstarren des Gußteils bildenden, aus dem Mate rial des Gußteils bestehenden zusammenhängenden Außenhaut Ge brauch, um die Unregelmäßigkeiten des Gußteils zur Anwendung des HIP-Verfahrens nach außen hin zu verschließen und somit das Ein dringen des Druckmediums zu verhindern. (Vgl. S. 2, linke Spalte, Zeilen 4 bis 12 der GB-PS 14 73 980.) Das Gußteil wird bei dem Verfahren nach der GB-PS 14 73 980 also nicht mit einem Überzug versehen, sondern es wird Sorge getragen, daß das Gußteil ohne Oberflächenbearbeitung, also mit intakter Außenhaut, eingesetzt wird (vgl. Anspruch 1 sowie Seite 4, rechte Spalte, Zeilen 111-115 der GB-PS 14 73 980). Soweit das dem HIP-Verfahren unterworfene Gußteil dabei noch in Berührung mit irgendwelchem Keramikmaterial steht, hat dieses Keramikmaterial nicht den Zweck mit der Oberfläche verbundene Unregelmäßigkeiten zu verschließen, denn dies ist ja bereits durch die zusammenhängende Außenhaut aus dem Material des Gußteils geschehen. Vielmehr wird das Kera mikmaterial aus anderen Gründen dort belassen, sei es als kera mischer Kern, der das Abdichten und die Verhinderung der Oxi dation von Oberflächen von Durchgängen unterstützt, oder das Zu sammenfallen kleiner Durchgänge verhindert (vgl. S. 2, rechte Spalte, Zeilen 107-122) oder sei es als Reste der keramischen Gußform, die man offensichtlich nur deshalb nicht entfernt, um die zusammenhängende Außenhaut nicht zu beschädigen (vgl. S. 4, linke Spalte, Zeilen 2-12).

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genann ten Art zu schaffen, bei dem man einen verbesserten Überzug zum Überbrücken der Oberflächenöffnungen von mit der Oberfläche ver bundenen Unregelmäßigkeiten verwendet.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst. Der erfindungsgemäß verwendete Überzug aus Keramikma terial ergibt nach dem Erhitzen auf die Verglasungstemperatur einen nicht-metallischen amorphen, im wesentlichen gasundurch lässigen Keramiküberzug vorzugsweise in einer Dicke von 0,08 bis 0,25 mm.

Den thermischen Expansionskoeffizienten des Überzugs paßt man jeweils an den des Gußteils im Temperaturbereich bis zur Ver arbeitungstemperatur bei der HIP-Verdichtung ausreichend an, um ein Reißen, Springen und Splittern während der Verdichtung zu vermeiden.

Ferner hat der Keramiküberzug die Eigenschaft, daß er bei der Temperatur einer derartigen HIP-Behandlung viskos ist und demge mäß die Eigenschaft hat, sich in kleine Öffnungen zu bewegen und auszudehnen und damit das Verschließen unterstützt und be günstigt. Ohne diese Eigenschaft könnte der Keramiküberzug unter Druck springen und somit die Oberflächenöffnungen nicht abdich ten.

Weiter baut sich während der HIP-Behandlung die Bindung des Über zuges an die Gußteiloberfläche ab. Demgemäß kann man nach dem Abkühlen nach der Verarbeitung den Überzug leicht entfernen. Das Keramikmaterial erhitzt man zuerst bei der Verglasungstemperatur und verglast das Material zu dem Keramiküberzug, ohne daß sich dabei eine stärkere Bindung mit der Gußteiloberfläche ausbildet. Nach dem Verglasen kühlt man das überzogene Gußteil ab, unter wirft es danach der HIP-Behandlung, kühlt ihn danach wiederum ab und entfernt den Keramiküberzug.

Das HIP-Verfahren kann man je nach der behandelten Legierung innerhalb eines relativ weiten Temperaturbereiches durchführen, beispielsweise von etwa 700 bis 1300°C. Die Temperatur wählt man derart aus, daß sich im wesentlichen keine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Metalls bei der HIP-Behandlung ergibt, die Temperatur jedoch ausreichend hoch ist, daß man eine Diffusionsbindung der Oberflächen der Unregelmäßigkeiten er zielt. Beipsielsweise wendet man im Bereich von etwa 70 bis 2100 kg/cm² einen ausreichenden Druck an, daß er die Kriech grenze der zu verarbeitenden Legierung bei der vorgewählten Tem peratur übersteigt.

Keramiküberzüge verwendete man für Gegenstände mit längerer Lebensdauer bei hoher Temperatur, wie z. B. Turbinenteilen bzw. Turbinengetriebeteilen, Brennern von Gasturbinenmotoren und ihren Auslaßbestandteilen. Man wählte jedoch diese Überzüge so aus und wandte sie derart an, daß man absichtlich eine feste Haftung auf der Oberfläche erzielte, auf die man sie aufbrachte, damit sie viele Wärmezyklen aushalten konnten, die üblicherweise bei Gasturbinenmotoren auftreten. Ferner sollten derartige Überzüge bei ihrer Arbeitstemperatur fest und nicht viskos sein, so daß sie durch Gasströme nicht leicht abgetragen werden.

Der Keramiküberzug des erfindungsgemäßen Verfahrens erfüllt eine andere Funktion: Er soll nicht einen vollständigen Wärmezyklus bis zur erhöhten Temperatur bei der HIP-Behandlung und danach herunter auf Raumtemperatur überleben, sondern er soll während einer derartigen HIP-Behandlung seine Bindung an die Oberfläche verlieren, auf die er aufgebracht ist. Daher kann man einen der artigen Überzug leicht nach Beendigung der HIP-Behandlung ent fernen, weil er nicht auf der Oberfläche des Gegenstandes blei ben soll.

Bei der Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens bewertete man eine Vielzahl von Überzugsmaterialien vom Keramiktyp so wohl auf Hochtemperatur-Superlegierungen aus der Gruppe der Le gierungen auf Ni-, Co- und Fe-Basis als auch auf Legierungen auf Ti- und Al-Basis, wobei die Überzüge als Oberflächendich tungsmittel für mit der Oberfläche verbundene Porosität oder Unregelmäßigkeiten bei der HIP-Verdichtung der Gußteile dienten. Man stellte fest, daß echte Gläser nur eine begrenzte Verwend barkeit bei dieser Art der HIP-Behandlung haben, bei der man die zu verdichtenden Gußteile im wesentlichen bei Raumtempera tur in Autoklaven zur Behandlung einsetzt. Diese begrenzte Ver wendbarkeit echter Gläser beruht darauf, daß die thermische Expansion des Glases nicht der der Metallteile angepaßt ist. Man stellte jedoch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren fest, daß man Keramikmaterialien, die man auch als Porzellan email bezeichnet, in ihrer Zusammensetzung derart einstellen kann, daß man ein geeignetes Zusammenpassen der thermischen Ausdehnung des sich ergebenden Keramiküberzuges und der des Metalls erzielt, auf das man den Überzug aufbringt. Erfindungs gemäß wählt man ein derartiges Keramikmaterial so aus, daß sein thermischer Expansionskoeffizient im Temperaturbereich von etwa Raumtemperatur bis zur ausgewählten HIP-Verarbeitungstemperatur angepaßt ist. Ferner weist das Keramikmaterial das Merkmal auf, daß es bei dieser Temperatur im wesentlichen viskos ist und das Verschließen der Unregelmäßigkeiten unterstützt, und es weist ferner das Merkmal auf, daß die Bindung sich während der Verar beitung abbaut, was sich vermutlich aus einer Veränderung in der Überzugsstruktur ergibt.

Typisch für ein erfindungsgemäß verwendetes Keramikmaterial, das derartige Eigenschaften aufweist, ist ein handelsübliches Material, das vorwiegend Oxide von Si, B und Cr neben anderen Bestandteilen, wie z. B. Ton, enthält und es ist dadurch ge kennzeichnet, daß es im wesentlichen keine Pb-Verbindungen enthält, die erfindungsgemäß nachteilig für Legierungen für Turbinenmotoren sind. Ein weiteres Merkmal dieses speziellen Keramikmaterials besteht darin, daß es ein Cr-Oxid enthält, das die Bindung des Überzugs an die Oberfläche von Superlegie rungen auf Nickelbasis unterstützt, die Cr in ihrer Zusammen setzung enthalten. Eine derartige Bindung ist jedoch nicht so stark, daß sie das Entfernen nach der Verarbeitung hemmt. Solche Superlegierungen auf Nickelbasis verwendet man in Gasturbinen motoren.

Nachstehend wird die Erfindung durch Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Das vorbeschriebene Keramikmaterial - nachfolgend abgekürzt "JB-392-C" genannt - bewertete man als Überzug auf Gußproben aus Superlegierungen auf Nickelbasis, die als IN718-Legierung und als Rene′-77-Legierung im Handel erhältlich sind. Die Ober fläche jeder der Proben, die, wie man mit Röntgenstrahlen zeigte, sowohl eine Porosität unter der Oberfläche als auch eine mit der Oberfläche verbundene Porosität im Gußteil zeigte, reinigte man zuerst und rauhte sie leicht auf, z. B. durch Sandstrahlen. Weil man eine dauernde Bindung nicht wünschte, bereitete man die Oberfläche, die überzogen werden sollte, nicht in der Weise vor, die man üblicherweise bei Keramiküberzügen anwendet und die eine feste Bindung ergibt. Das keramische Überzugsmaterial in Form einer Masse auf Natriumphosphatbasis mit einem spezi fischen Gewicht von etwa 1,7 g/ml sprühte man auf in der Auf sprühtechnik in üblicher Weise bis zu einer Dicke des feuchten Überzugs von etwa 0,2 bis 0,3 mm auf. So aufgebracht wies der Überzug nur eine Dichte von 50% auf. Nach dem Trocknen, bei spielsweise bei etwa 120°C, unterwarf man das Keramikmaterial einer Verglasungstemperatur von etwa 850°C und bildete einen nicht-metallischen, amorphen, im wesentlichen gasundurchlässigen Keramiküberzug mit einer typischen Dicke im Bereich von etwa 0,08 bis 0,25 mm im Endzustand des Überzuges. Nach dem Abkühlen von der Verglasungstemperatur auf Raumtemperatur stellte man fest, daß der thermische Expansionskoeffezient des Überzugs jenem der Superlegierungen auf Nickelbasis derart angepaßt war, daß der Überzug dabei nicht von der überzogenen Oberfläche ab brach oder absplitterte. Die Superlegierungsproben auf Nickel basis unterwarf man danach der HIP-Verarbeitung in der in der genannten US-PS 37 58 347 beschriebenen Weise, wobei man die IN718-Legierung bei etwa 1160°C und die Rene′-77-Legierung bei etwa 1220°C und beide unter einem Druck von etwa 1050 kg/cm² 2 bis 3 Stunden behandelte. Nach dem Abkühlen auf Raumtempera tur stellte man fest, daß sich Teile des Überzugs von der Ober fläche der Gußteile abgespalten hatten, was ein Ergebnis des Abbaus der Bindung zwischen dem Keramiküberzug und der Gußteil oberfläche während der HIP-Verarbeitung war. Vermutlich trat ein derartiger Abbau ein, weil der Überzug bei der Verarbeitungs temperatur viskos wurde.

Die Bewertung der Proben mit Röntgenstrahlen nach der HIP-Ver arbeitung zeigte, daß sich die mit der Oberfläche verbundene Porosität verschlossen hatte. Bei einer weiteren Bewertung der Proben von Beispiel 1 stellte man fest, daß die Dicke des Keramiküberzuges nach dem Verglasen und vor der HIP-Verarbeitung vorzugsweise durchschnittlich etwa 0,08 bis 0,25 mm beträgt, so daß man einen kontinuierlichen, im wesentlichen gasundurchlässi gen Überzug erzielte. Bei den untersuchten Überzügen verursachte eine durchschnittliche Dicke von weniger als etwa 0,08 mm Pro bleme bei der Herstellung eines zusammenhängenden undurchläs sigen Überzugs, während ein Überziehen in einer durchschnitt lichen Dicke von mehr als etwa 0,25 mm ein Reißen und Springen des Überzugs ergab. Daher sieht das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise einen Keramiküberzug mit einer durchschnittlichen Dicke von etwa 0,08 bis 0,25 mm vor. Das steht im Gegensatz zu einer geringeren durchschnittlichen Dicke von etwa 0,04 bis 0,09 mm, die oft von Herstellern des Keramiküberzugsmaterials empfohlen wird, das man beim erfindungsgemäßen Verfahren ver wendet.

Beispiel 2

Das Verfahren von Beispiel 1 wiederholte man an Proben einer Le gierung auf Titanbasis, die im wesentlichen 6 Gew.-% Al und 4 Gew.-% V, Rest Ti enthielt, und die im allgemeinen als Ti-6-4- Legierung bezeichnet wird. In diesem Beispiel verwendete man ein handelsübliches Keramikmaterial mit der Bezeichnung J 087 B. Das Keramikmaterial sprühte man auf die aufgerauhte Ti-6-4-Le gierungsoberfläche auf, trocknete es bei etwa 120°C, erwärmte es danach bei einer Verglasungstemperatur von etwa 815°C, und verglaste das Keramikmaterial zu einem Keramiküberzug mit einer durchschnittlichen Dicke von etwa 0,1 bis 0,18 mm. Nach Abküh len von der Verglasungstemperatur auf Raumtemperatur führte man die HIP-Verarbeitung bei etwa 900°C unter einem Druck von etwa 1050 kg/cm² etwa 2 bis 3 h lang durch und enthielt die gleichen vorteilhaften Ergebnisse wie in Beispiel 1.

Bei der Bewegung der Erfindung stellte man fest, daß Kera mikmaterial, nachdem man es z. B. durch Eintauchen oder Aufsprühen auf die Oberfläche eines zu behandelnden Gußteils aufgebracht und in Vorbereitung zum Verglasen getrocknet hatte, manchmal handhaben oder vom Punkt der Aufbringung des Keramikmaterials in den Bereich transportieren mußte, wo man die Keramik härtete oder verglaste, bevor man die HIP-Verarbeitung durch führte. Um eine Beschädigung des relativ weichen vorläufigen Überzugs vor der Verglasung zu vermeiden, bringt man vorzugsweise eine schützende Lösung eines Stoffes, der sich beim Erwärmen zersetzt, ohne einen wesentlichen Rückstand zu hinterlassen, auf die Oberfläche auf. Ein derartiger Stoff, der leicht erhältlich ist und in der Löttechnik üblicherweise verwendet wird, und den man bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwen dete, war eine Acrylharzlösung in einem verdünnten sprühfähigen Zustand. Daher betrifft eine Ausführungsform des erfindungs gemäßen Verfahrens die Verwendung eines derartigen Schutz überzugs nach dem Aufbringen und Trocknen des Keramikmaterials und vor der Verglasung des Überzugs.

Erfindungsgemäß kann man eine Vielzahl von Überzügen vom Porzellanemailtyp auswählen, so daß sie dem thermischen Expan sionskoeffizienten der Gußteiloberfläche angepaßt sind, auf die man sie aufbringt. Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren bei Anwendung auf Bestandteile von Gasturbinenmotoren die Verwendung von Bleiverbindungen im Überzug wegen ihrer nachteiligen Wirkungen auf derartige Bestandteile vermeidet, kann man bei anderen Anwendungen des erfindungsgemäßen Ver fahrens Porzellanemailtypen verwenden, die Bleiverbindungen enthalten, wenn sie bei der beabsichtigten Anwendung nicht nachteilig sind. Ferner kann man das erfindungsgemäße Ver fahren auch auf andere Gußlegierungen anwenden, als die ge nannten.

Claims

1. Verfahren zum Verdichten eines Metall-Gußteiles in der Hitze und unter isostatischem Druck (HIP), wobei das Gußteil mit der Oberfläche verbundene Unregelmäßigkeiten aufweist, und man einen Überzug auf eine Oberfläche des Gußteiles aufbringt, um Oberflächenöffnungen zu überbrücken, die mit den Unregel mäßigkeiten verbunden sind, und man danach zur Verdichtung das Gußteil einer Kombination aus einer ausgewählten Verarbei tungstemperatur und isostatischem Druck unterwirft, dadurch gekennzeichnet, daß man

(a) den Überzug in Form eines Keramikmaterials aufbringt, das derart ausgewählt ist, daß es bei einer Verglasungstempe ratur, die geringer als die ausgewählte Verarbeitungs temperatur der HIP-Verdichtung ist, einen nicht-metalli schen amorphen, im wesentlichen gasundurchlässigen Keramik überzug mit einem thermischen Expansionskoeffizienten er gibt, der im Temperaturbereich von der Umgebungstemperatur bis zur ausgewählten Verarbeitungstemperatur bei der Ver dichtung an den thermischen Expansionskoeffizienten der Gußteiloberfläche angepaßt ist, auf die der Überzug aufge bracht ist, und daß der Überzug bei der ausgewählten Ver arbeitungstemperatur bei der Verdichtung viskos ist, und daß die Bindung des Überzuges an die Gußteiloberfläche sich während der HIP-Verdichtung abbaut;
(b) die Gußteiloberfläche und das Keramikmaterial bei der Ver glasungstemperatur erwärmt und das Keramikmaterial zum Keramiküberzug verglast, wobei sich eine abbaubare Bindung an die Gußteiloberfläche ergibt;
(c) das überzogene Gußteil abkühlt;
(d) die überzogene Gußteiloberfläche einer Kombination aus einer ausgewählten Verarbeitungstemperatur und isostatischem Druck unterwirft, um den überzogenen Teil des Gußteiles zu ver dichten und die Bindung zwischen dem Keramiküberzug und der Gußteiloberfläche abzubauen;
(e) das Gußteil abkühlt; und danach
(f) den Überzug von der Gußteiloberfläche entfernt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Einsatz eines Gußteils eines Turbinengetriebeteils aus einer Legierung auf Basis eines Elementes aus Ni, Co, Fe, Ti und Al den Überzug in einer durchschnittlichen Dicke im Bereich von etwa 0,08 bis 0,25 mm aufbringt und ein Keramikmaterial ver wendet, das im wesentlichen frei von Bleiverbindungen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ferner nach dem Aufbringen des Keramikmaterials auf die Gußteil oberfläche und vor dem Erwärmen des Materials bei der Ver glasungstemperatur auf das Keramikmaterial einen Schutz überzug aus einem Stoff aufbringt, der sich beim Erwärmen auf die Verglasungstemperatur ohne wesentlichen Rückstand zersetzt.