DE2949673A1 - Verfahren zur herstellung einer zusammengesetzten kornstruktur in gegenstaenden aus nickellegierung - Google Patents
Verfahren zur herstellung einer zusammengesetzten kornstruktur in gegenstaenden aus nickellegierungInfo
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Description
. Ernst Stratmann
PATENTANWALT
D-4OOO DÜSSELDORF I · SCHADOWPLATZ 9
D-4OOO DÜSSELDORF I · SCHADOWPLATZ 9
-3'
püsseldorf, 10. Dez. 1979
47,546
7984
7984
.Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.
Pittsburgh, Pa., V. St. A.
Verfahren zur Herstellung einer zusammengesetzten Kornstruktur in Gegenständen aus Nickellegierung
Die Erfindung betrifft Nickellegierungen mit verhältnismäßig
großer Festigkeit bei hoher Temperatur, die im allgemeinen (siehe beispielsweise die US-Patentschrift Re28,681 vom 13. Jan.
1976) als "Superlegierungen" bezeichnet werden, insbesondere aber auf Gegenstände aus dieser Legierung, die in verschiedenen
Stellen unterschiedliche Korngrößen aufweisen.
Die Literatur zeigt, daß für die genannten auf Nickel basierenden Superlegierungssysteme die Korngröße einen definierten Einfluß
auf die mechanischen Eigenschaften besitzt. Im allgemeinen hat ein Ansteigen der Korngröße die Wirkung, daß die Hochtemperatur-Kriechfestigkeitseigenschaften
verbessert werden. Der Effekt ansteigender Korngröße verringert die gesamte Korngrenzenfläche
und verringert dadurch das Auftreten des Korngrenzenversagens.
Umgekehrt erhöht eine Verringerung der Korngrenze andere Eigenschaften
wie hohe Zyklusermüdung aufgrund von erhöhter Bruchenergie, die erforderlich ist, um Brüche fortzupflanzen, weil
durch die erhöhte Korngrenzenfläche die Versetzungsbewegung verzögert wird. Außerdem werden solche Größen wie Schlagfestigkeit
durch Verringerung der Korngröße verbessert.
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Ostscheck: berlin west (BLZ lOOIOOlO) I32736-109 deutsche bank (BLZ 300 70010) 6160253
-A-
Bei der Herstellung der meisten Bauteile für Turbinen wird die Steuerung der Korngröße von Superlegierungen generell als kritisch
angesehen. Routinemäßig treten Schwierigkeiten jedoch beim Schmieden, Gießen und bei Pulverformprozessen insoweit
auf, als die Korngröße und die Gleichförmigkeit betroffen sind. Die Literatur zeigt, daß erhöhte Kohlenstoffzusätze zu den Nickellegierungen
bei der Steuerung der Korngröße bei geschmiedeten Bauteilen hilfreich sind.
Komplexe Kühlschemata und isolierte Gießformen, die zur Steuerung der Kühlraten von gegossenen Legierungen konstruiert sind,
wurden bereits zur Steuerung der Korngrößen angewendet. Pulvermetallurgische Komponentenstrukturen werden im allgemeinen durch
die anfängliche Teilchengröße begrenzt. Eine duale Kornstruktur zur Erlangung verbesserter Eigenschaften wird in der US-Patentschrift
37 41 821 beschrieben, erfordert jedoch komplizierte Ausrüstungen, extrem genaue Temperatursteuerung sowie zwei getrennte
Wärmebehandlungen. Ein mechanischer Prozeß zur Lieferung von feinen Oberflächenkörnern und groben inneren Körnern wird
in der US-Patentschrift 35 05 130 beschrieben. Der Prozeß erfordert
spezielle oberflächliche Kaltbearbeitung und eine Rekristallisationswärmebehandlung. Bei einige Legierungen ist
eine derartige kalte Bearbeitung nicht praktikabel, weil sie bei kalter Bearbeitung empfindlich gegenüber Bruch sind und
außerdem können die Ergebnisse einer derartigen mechanischen Bearbeitung aufgrund von Relaxation bei den Turbinenbetriebstemperaturen
wieder verlorengehen. Die US-Patentschrift 35 97 verwendet eine angelassene, kaltgewalzte Eisen-Kobalt-Vanadium-Legierung
und erzeugt eine teilweise rekristallisierte Kornstruktur, wodurch sich eine Ausgewogenheit von mechanischen Eigenschaften
bei Raumtemperatur mit bestimmten magnetischen Eigenschaften ergibt. Ein derartiger Rekristallisationsprozeß ist
allgemein schwierig bei alterungshärtbaren, auf Nickel basierenden Zusammensetzungen und kann ebenfalls zu einer Relaxation
bei hohen Betriebstemperaturen führen.
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Es ist bekannt, daß Bor (bis zu bestimmten Mengen, wo bei der Betriebstemperatur ein beginnendes Schmelzen auftritt) die Belastungsbrucheigenschaften
verbessert (siehe die US-Patentschrift 40 93 4 76). Bor wirkt auch als ein Korngrenzenduktilisator
(siehe die bereits erwähnte US-PS Re28,681).
Die US-PS 27 63 584 benutzt eine Entkohlung und Entborisierung der äußeren Oberflächen der Gegenstände, um die thermische
Schockwiderstandsfähigkeit zu verbessern. Eine Erhitzung in
Wasserstoffatmosphäre ergibt jedoch Probleme und ist teuer, und die Entfernung des Kohlenstoffes führt zu einer Verringerung
der Steuerung der Korngröße.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens
zur Herstellung einer zusammengesetzten Kornstruktur in Gegenständen, die aus einer Nickel-Superlegierung bestehen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, wie es im Hauptanspruch
angegeben wird und das aus folgenden Verfahrensschritten besteht: (a) Herstellen einer Legierung, die - jeweils in Gewichtsprozent
- 0,01 bis 0,10 % Kohlenstoff und 0,02 bis 0,08 % Bor enthält; (b) Verformen der Legierung zu einer Konfiguration,
die angenähert die endgültige Konfiguration darstellt; und
(c) Behandeln von zumindest Teilen der geformten Legierung mit einer nichtreduzierenden Atmosphäre für eine Zeitdauer von
1 bis 10 Stunden bei einer Temperatur von 1800 bis 2500 F
(980 bis 1370° C), wobei Diffusion von Bor von Teilen des Gegenstandes
ein Kornwachstum in diesen Teilen des Gegenstandes ermöglicht und der Kohlenstoffgehalt aufrechterhalten wird, um
dem Kornwachstum wirksam eine obere Grenze zu setzen.
Die Größe der Körner wird in gesteuerter Weise variiert (sowohl die Größe der vergrößerten Körner als auch die Anordnung dieser
vergrößerten Körner wird gesteuert).
Die geformte Legierung wird auf eine Temperatur zwischen 980
was weniger als c
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und 1370 C erhitzt, was weniger als die Homogenisierungstempe-
ratur ist. Diffusion von Bor von Teilen des Gegenstandes, die (ohne Maskierung) der Atmosphäre ausgesetzt sind, erlauben ein
selektives Kornwachstum in diesen freiliegenden Teilen des Gegenstandes. Die nichtreduzierende Atmosphäre hält im allgemeinen
den Kohlenstoffgehalt konstant. Somit ermöglicht die Diffusion von Bor von der Atmosphäre ausgesetzten Oberflächen ein Kornwachstum
in diesen Bereichen der Legierung, wobei jedoch der Kohlenstoffgehalt aufrechterhalten wird, um eine effektive
obere Grenze für das Kornwachstum zu erhalten.
Vorzugsweise werden unmaskierte Passagen in das Innere des Gegenstandes
hinein vorgesehen, und die äußeren Oberflächen des Gegenstandes werden maskiert. Dies führt zu einem Kornwachstum nur
im Inneren des Gegenstandes angrenzend zu den Passagen und führt somit zu einer zusammengesetzten Struktur mit größeren Körnern
im Inneren und kleineren Körnern im Äußeren des Gegenstandes.
Wenn der Kohlenstoffgehalt der auf Nickel basierenden Superlegierung
reduziert wird, ohne daß der Kohlenstoff durch Bor ersetzt wird, ergibt sich eine Kornvergröberung während der Lösungswärmebehandlung.
Wenn jedoch der Kohlenstoff durch Bor substituiert wird, kann eine feine Kornstruktur aufrechterhalten werden.
Offensichtlich liefert das Korngrenzenfestlegen durch den Kohlenstoff
während der Lösungswärmebehandlung eine Korngrößensteuerung, jedoch kann diese Steuerung auch durch Bor geliefert werden.
Das Bor jedoch kann während der Lösungswärmebehandlung diffundieren, was zu einer Deborisierung der freiliegenden Metalloberflächen
führt. Indem der Kohlenstoffpegel aufrechterhalten wird und indem gesteuert wird, welche Bereiche freiliegen, kann
ein gesteuertes Kornwachstum in ausgewählten Bereichen bewirkt werden.
Der Nutzen eines solchen Systems sei exemplarisch anhand von Bauteilen für eine rotierende Turbinenschaufel erläutert. Ausgedehnte
Bemühungen werden vorgenommen, um die Bruchfestigkeitseigenschaften
von derartigen Bauteilen zu erhöhen.
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Für rotierende Turbinenschaufeln würde eine erhöhte Korngröße normalerweise die Kriechbruchfestigkeit erhöhen, wenn jedoch
alle Körner vergrößert werden, würde dies zu einer verringerten Widerstandsfähigkeit gegenüber Ermüdung führen. Bei der gegenwärtig
angewendeten gleichförmigen Verteilung von Korngrößen müssen also Kompromisse geschlossen werden. Die gesteuerte Deborisierung
gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch in der Lage, Turbinenschaufeln zu liefern, die große innere Körner
zur Erlangung von Kriechfestigkeit und feine Oberflächenkornstrukturen
für maximale Widerstandsfähigkeit gegen Hochzyklusermüdungsauslösung liefern.
Eine besondere Legierung wurde hergestellt, die eine Version der sogenannten Udimet-710-Zusammensetzung benutzt, die allgemein
in der US-PS 36 67 9 38 beschrieben wird, wobei diese Zusammensetzung so modifiziert wurde, daß sie einen niedrigeren
Kohlenstoffgehalt (0,024 % gegenüber dem normalen Gehalt von 0,08 %) und einen höheren Borgehalt (0,05 % gegenüber dem normalen
Wert von 0,01 %) besitzt. Nach dem Schmieden war die Kornstruktur extrem feinkörnig und gleichmäßig. Nach der Lösungshitzebehandlung
(4 Stunden bei 2135° F, entsprechend 1196° C,
in Luft) wuchsen die der Ofenatmosphäre ausgesetzten Körner erheblich im Vergleich zu der nichtfreiliegenden Kornstruktur,
wodurch sich eine zusammengesetzte Struktur ergab, die ein extrem gleichförmiges Band von vergrößerten Körnern aufwies, sowohl
hinsichtlich einer gleichförmigen Banddicke wie auch einer gleichförmigen Korngröße.
Wie bereits erwähnt, sollte die optimale Turbinenschaufelkonstruktion
große innere Körner und feine externe Körner besitzen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Ktihlpassagen (derartige
Kühlpassagen werden gewöhnlich bei Turbinenschaufeln verwendet) vor der Lösungswärmebehandlung bearbeitet werden
und die äußeren Oberflächen mit einer Oxydbeschichtung oder Glasbeschichtung bedeckt werden, um die Diffusion von Bor aus
der externen Oberfläche heraus im wesentlichen zu verhindern. Während der Lösungswärmebehandlung sind somit die Kühlpassagen
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der Ofenumgebung ausgesetzt, während die externen Oberflächen
maskiert sind. Dieser Prozeß liefert eine Struktur, die feine, ermüdungswiderstandsfähige Körner auf den äußeren Oberflächen
wie auch in anderen Bereichen, die von den Kühlpassagen entfernt sind, aufweist, zusammen mit vergrößerten, kriechwiderstandsfähigen
Körnern in Bereichen, die zu den Kühlpassagen angrenzend sind.
Diese gleiche Struktur mit größeren inneren Körnern und feinen äußeren Körnern kann alternativ ohne die Oxyd- oder Glasbeschichtungen
dadurch erreicht werden, daß eine übergroße Schmiedeform mit Kühlpassagen hergestellt wird, dann die Wärmebehandlung
stattfindet und schließlich die Oberfläche bearbeitet wird. In diesem Falle werden zunächst große Körner sowohl in den Bereichen
angrenzend zu den Kühlpassagen wie auch auf der externen Oberfläche während der Lösungsmittelwärmebehandlung gebildet,
jedoch werden die großen Körner auf den externen Oberflächen während der Bearbeitung entfernt, wodurch sich eine äußere Oberfläche
mit feiner Kornstruktur ergibt.
Diese Technologie der zusammengesetzten Kornstruktur ist nicht auf geschmiedete Strukturen begrenzt, sondern kann auch auf
andere Strukturen ausgedehnt werden, so auf die Gießmetallurgie, die Pulvermetallurgie und die Heißpreßstrukturen. Gegossene
Produkte oder Pulverprodukte können evtl. zusätzliche Heißbearbeitung erfordern, um die gespeicherte Kornenergie zur Rekristallisation
und zum Wachstum zu erhöhen, so daß es bequemer sein mag, als Schmiedevorformen Pulver- oder Gießstrukturen
zu benutzen. Die Wärmebehandlung in einer nichtreduzierenden Atmosphäre liefert eine Deborisierung (Entfernung von Bor) ohne
eine Entkohlung und liefert somit eine Steuerung der Höhe des Kornwachstums sowie auch der Stelle des Kornwachstums bei dieser
Art von Strukturen.
Es sollte bemerkt werden, daß keine wesentliche weitere Entborisierung
(nach der Lösungswärmebehandlung) während des Betriebs auftreten wird (z. B. während des Betriebs der Turbine), da
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die maximalen Betriebstemperaturen nicht hoch genug sind, um eine wesentliche Diffusion von Bor zu bewirken.
Zwar kann eine Vielzahl von Zusammensetzungen benutzt werden, jedoch läßt sich die vorliegende Erfindung besonders bequem
dadurch ausführen, daß eine bekannte Legierung dadurch modifiziert wird, daß bei der kommerziell erhältlichen Zusammensetzung
ein Teil des Kohlenstoffes durch Bor substituiert wird (ungefähr
ein gleicher Atomprozentsatz). Vorzugsweise werden 25 bis 75 Atom% des Kohlenstoffes in der bekannten Zusammensetzung
durch Bor ersetzt.
Im allgemeinen wird die Lösungswärmebehandlung bei einer Temperatur
vorgenommen, die zwischen 2100 und 2500 F (1150 bis 1370° C) liegt und die Legierung wird auf dieser Temperatur
2 bis 4 Stunden lang gehalten. Die Atmosphäre kann während der Behandlung entweder inert sein (z. B. aus Argon bestehen), oder
auch oxidierend (z. B. Luft).
Es ist somit zu erkennen, daß die Steuerung der Korngröße durch einen Deborisierungsprozeß von kohlenstoffhaltigen, Nickel-Superlegierungen
dazu verwendet werden kann, eine zusammengesetzte Kornstruktur zu erhalten, bei der zum einen in spezifizierten
Bereichen vergrößerte Kornstrukturen von gesteuerter maximaler Größe erhalten werden, um eine wesentlich verbesserte
Kriechbruchfestigkeit für das Bauteil zu erhalten, und zum anderen gleichzeitig feinkörnige, hochzyklusermüdungswiderstandsfähige
Bereiche sich ergeben. Dies wird durch eine einzige Wärmebehandlungsprozedur erreicht und diese Prozedur kann auch bei
geschmiedeten, gegossenen oder mittels pulvermetallurgischer Wärmebehandlungszyklen behandelten Bauteilen angewendet werden.
ES/jn 5
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Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung einer zusammengesetzten Kornstruktur
in Gegenständen aus einer Nickel-Superlegierung, gekennzeichnet durch:
(a) Herstellen einer Legierung, die - gemessen in Gewichtsprozent - 0,01 bis 0,10 % Kohlenstoff und 0,02 bis
0,08 % Bor enthält;
(b) Formen der Legierung zu einer Konfiguration, die angenähert
der endgültigen Konfiguration entspricht; und
(c) Aussetzen von zumindest Teilen der geformten Legierung einer nichtreduzierenden Atmosphäre für eine
Zeitdauer von 1 bis 10 Stunden bei einer Temperatur von 1800 bis 2500° F (980 bis 1370° C), wobei durch
Diffusion von Bor von Teilen des Gegenstandes ein Kornwachstum in diesen Teilen des Gegenstandes ermöglicht
und wobei der Kohlenstoffgehalt aufrechterhalten wird, um eine wirksame obere Grenze für das Kornwachstum
zu erhalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ausgewählte Bereiche des Gegenstandes maskiert werden,
um die Diffusion von Bor in den maskierten Bereichen möglichst klein zu machen.
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west (BLZ lOOIOOIOI 132736-109 · deutsche bank (BLZ 300 700 10) 6 160253
ORIGINAL INSPECTED
2949573
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung dadurch hergestellt wird, daß eine bekannte
auf Nickel basierende Superlegierungszusammensetzung modifiziert wird, indem ein Teil des Kohlenstoffs durch
einen im wesentlichen gleichen Atomprozentsatz Bor ersetzt wird, wobei 25 bis 75 Atom% des Kohlenstoffes der bekannten
Zusammensetzung durch Bor substituiert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geformte Legierung während einer Zeitdauer von 2 bis
5 Stunden auf einer Temperatur von 2100 bis 2500° F (1150
bis 1370° C) gehalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß unmaskierte Passagen im Inneren des Gegenstandes vorgesehen werden und daß die äußeren Oberflächen des Gegenstandes
maskiert werden, wodurch ein Kornwachstum selektiv im Inneren des Gegenstandes auftritt.
Beschreibung;
030026/0744
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