DE2949673C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln von Gegenständen aus Ni-Superlegierungen zur Erzielung unter­ schiedlicher Korngrößen in verschiedenen Teilbereichen der Gegenstände.

Es ist bekannt, daß für derartige auf Nickel basierende Superlegierung die Korngröße einen definierten Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften besitzt. Im allgemeinen hat ein Ansteigen der Korngröße die Wirkung, daß die Hochtempe­ ratur-Kriechfestigkeit verbessert wird. Andererseits bewirkt eine Korngrößenverringerung eine Verbesserung der Zyklus­ ermüdungsfestigkeit aufgrund von erhöhter Bruchenergie, die erforderlich ist, um Risse fortzupflanzen. Dies ergibt sich deshalb, weil durch Korngrenzenflächenvergrößerung auch die Versetzungsbewegung verzögert wird. Außerdem wird die Schlag­ festigkeit durch die Korngrößenverringerung verbessert.

Insbesondere bei der Herstellung von für Turbinen bestimmten Bauteilen ist die korrekte Steuerung der Korngröße von Ni-Superlegierungen recht kritisch. So treten Schwierigkeiten beim Schmieden, Gießen und bei Pulverformprozessen auf, und zwar immer dann, wenn die Korngröße und deren Gleichförmig­ keit betroffen sind. Dabei wurde gefunden, daß eine erhöhte Kohlenstoffzufuhr zu den Ni-Superlegierungen bei der Steue­ rung der Korngröße von geschmiedeten Bauteilen hilfreich sein kann. Es wurden bereits komplizierte Kühlschemata wie auch wärmeisolierte Gießformen benutzt, um durch Steuerung der Abkühlungsrate von gegossenen Bauteilen auch die Korngröße in den Legierungen zu beeinflussen. Pulvermetallurgisch her­ gestellte Komponenten sind im allgemeinen durch die Anfangs­ teilchengröße in ihren Eigenschaften festgelegt. Eine unterschiedliche Kornausbildung zur Erlangung verbesserter Eigen­ schaften wird in der US-Patentschrift 37 41 821 beschrieben, erfordert jedoch komplizierte Ausrüstungen, extrem genaue Temperatursteuerung sowie zwei getrennte Wärmebehandlungen.

Ein mechanische Bearbeitung umfassendes Verfahren zur Ausbildung kleiner Körner an der Oberfläche und grober Körner im Inneren wird in der US-Patentschrift 35 05 130 beschrieben. Das Verfahren erfordert jedoch eine spezielle oberflächliche Kaltverformung sowie eine Re­ kristallisationswärmebehandlung. Bei einigen Legierungen ist zudem eine derartige Kaltverformung nicht praktikabel, weil diese Legierungen dabei zu Rißbildungen neigen und außerdem die Ergebnisse einer derartigen mecha­ nischen Verformung aufgrund von Relaxation bei den Betriebstemperaturen der Turbine wieder verloren gehen können.

Die US-Patentschrift 35 97 286 verwendet eine angelassene, kaltgewalzte Eisen-Kobalt-Vanadium-Legierung und erzeugt ein teilweise kristallisiertes Korngefüge, wobei sich ein guter Kompromiß zwischen mechanischen Eigenschaften bei Raum­ tempeaturen und bestimmten magnetischen Eigenschaften ergibt. Ein derartiger Rekristallisationsprozeß ist jedoch bei alterungshärtbaren, auf Nickel basierenden Zusammen­ setzungen recht schwierig und kann ebenfalls zu einer Re­ laxation bei hohen Betriebstemperaturen führen.

Es ist bekannt, daß Bor (bis zu bestimmten Mengen, bei denen bei der Betriebstemperatur ein beginnendes Schmelzen auf­ tritt) die Belastungsbrucheigenschaften verbessert (siehe die US-Patentschrift 40 93 476). Bor wirkt auch als ein Korn­ grenzenstabilisator, siehe dazu die US-PS Re 28 681.

Die US-PS 27 63 584 benutzt eine Entkohlung und Entbori­ sierung der äußeren Oberfläche der Gegenstände, um die thermische Schockwiderstandsfähigkeit zu verbessern. Eine dabei benutzte Erhitzung in Wasserstoffatmosphäre ergibt jedoch Probleme und ist teuer, und die Entfernung des Kohlen­ stoffes verringert die Möglichkeit zur Steuerung der Korn­ größe.

Aufgabe der Erfindung ist es, daß eingangs erwähnte Verfahren so auszubilden, daß ohne komplizierte Ausrüstungen und ohne die Notwendigkeit von zwei getrennten Wärmebehandlungen an verschiedenen Teilbereichen des Gegenstandes unterschiedliche Korngrößen erzeugt werden können, um je nach Wunsch ent­ sprechend unterschiedliche Eigenschaften für das Material zu erhalten.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß die Gegenstände, die aus 0,01 bis 0,1% Kohlenstoff und 0,02 bis 0,08 Bor enthaltenden Legierungen hergestellt sind, an Teilbereichen der Oberfläche mit Oxiden oder Gläsern beschichtet und 1 bis 10 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 980 und 1370°C geglüht werden.

Durch diese besondere Art der Wärmebehandlung von Gegen­ ständen aus Ni-Superlegierung bestimmten Gehaltes an Kohlen­ stoff und Bor läßt sich erreichen, daß an den zur Ofen­ atmosphäre freiliegenden Oberflächenbereichen Bor an die Atmosphäre abgegeben wird, während an anderen Stellen infolge der Oxidbeschichtung oder Glasbeschichtung die Wegdiffusion von Bor an die Ofenatmosphäre in den beschichteten Bereichen gering bleibt und es dadurch während der Lösungswärmebe­ handlung zu keiner Kornvergröberung kommt. Auf diese Weise läßt sich ohne den bisher notwendigen Aufwand erreichen, daß der Gegenstand unterschiedliche Korn­ größen an ausgewählten Bereichen besitzt und dadurch sich die mechanischen Eigenschaften dieses Gegenstandes optimieren lassen. Wird der Kohlenstoffgehalt dabei aufrechterhalten, ergibt dies eine wirksame obere Grenze für das Kornwachstum.

Beispielsweise könnte bei einer Turbinenschaufel, wie sie aus der US-PS 37 41 821 bekannt ist, der Flügelbereich wie auch der Nabenbereich mit unterschiedlicher Korngröße ausge­ stattet werden, ohne daß, wie beim Stand der Technik, diese beiden Teile einer gesonderten Wärmebehandlung unterworfen werden müßten, was sehr umständlich wäre.

Die Korngröße entsteht im wesentlichen während des ein- bis zehnstündigen Glühens bei einer Temperatur zwischen 980 und 1370°C, wobei die Temperatur niedriger ist als die Homogenisierungstemperatur. Die Temperatur reicht bei dieser Art von Legierung aus, um die Korngröße in gewünschter Weise zu beeinflussen, beispielsweise bei einer rotierenden Turbinenschaufel derart, daß grobe, im Inneren der Schaufel liegende Körner zur Erlangung von hoher Kriechfestigkeit sowie gleichzeitig feine Körner an der Oberfläche der Turbinenschaufel zur Erlangung maximaler Widerstandsfähigkeit gegen hohe Zyklusermüdungserscheinungen entstehen.

Die feinen Körner an der Schaufeloberfläche lassen sich dadurch erreichen, daß das Wegdiffundieren von Bor in die Ofenatmosphäre verhindert wird, während solche Teile des Gegenstandes, die nicht beschichtet und dadurch der Atmosphäre ausgestetzt sind, ein stärkeres Kornwachstum infolge von Entborisierung zeigen. Eine nichtreduzierende Atmosphäre hält dabei im allgemeinen den Kohlenstoffgehalt konstant. Indem man durch den Gegenstand führende Kanäle vorsieht, die bei­ spielsweise für Kühlmitteldurchfluß ohnehin vorzusehen sind, wobei die Wände dieser Kanäle nicht beschichtet werden, kann in dem mit Kanälen versehenen Bereich des Gegenstandes ein angrenzend zu den Wänden der Kanäle auftretendes Anwachsen des Korns ermöglicht werden, während in den anderen Bereichen es bei den feineren Körnern bleibt.

Die Kornvergröberung an den der Ofenatmosphäre ausgesetzten Oberflächen entsteht dadurch, daß Bor aus dem Legierungsmaterial heraus in die Ofenatmosphäre diffundiert, wobei jedoch der Kohlenstoffgehalt bei Verwendung von nicht­ reduzierender Ofenatmosphäre im wesentlichen aufrechterhalten wird, so daß in letzterem Fall die Kornvergröberung an einer bestimmten oberen Grenze aufhört und so bestimmte Eigen­ schaften durch zu starke Kornvergröberung nicht wieder verloren gehen.

Indem z. B. der Kohlenstoffgehalt beibehalten wird und nur bestimmte Bereiche zur Wegdiffusion von Bor freigelegt werden, läßt sich, wie geschildert, in bestimmten Bereichen eine Kornwachstumssteuerung erreichen. Dies ist besonders vorteilhaft bei rotierenden Turbinenschaufeln anzuwenden. Derartige Turbinenschaufeln sollen möglichst bruchfest sein. Eine vergröberte Kornausbildung verbessert normalerweise die Kriechbruchfestigkeit. Wenn jedoch in allen Bereichen die Korngröße gesteigert wird, würde dies zu einer verringerten Widerstandsfähigkeit gegenüber Ermüdung führen. Bei homogener Korngröße in allen Bereichen muß somit ein Kompromiß zwischen verschiedenen Eigenschaften eingegangen werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich jedoch auf relativ einfache Weise erreichen, daß einerseits Turbinenschaufeln mit groben Körpern im Inneren (im Bereich der Kühl­ kanäle) zur Erlangung einer hohen Kriechbruchfestigkeit geschaffen werden, die aber andererseits an der Oberfläche ein feinkörniges Gefüge zur Erlangung maximaler Festigkeit gegenüber Ermüdungserscheinungen auch bei hoher Zykluszahl aufweisen.

Zur Erläuterung sei eine in der US-PS 36 67 938 beschriebene Legierung gewählt, wobei jedoch die in dieser Druckschrift genannte Zusammensetzung so abgeändert wird, daß sich ein niedrigerer Kohlenstoffgehalt (anstelle von 0,08 nur 0,024%) und ein höherer Borgehalt (anstelle von 0,01% wird einer von 0,05% benutzt) ergibt. Nach dem Schmieden ist die Korn­ ausbildung des Materials extrem feinkörnig und gleichmäßig. Nach einer Wärmebehandlung von 4 Stunden bei einer Temperatur von 1196°C in Luft wächst in den der Ofenatmosphäre ausge­ setzten Bereichen die Korngröße im Vergleich zu nichtfrei­ liegenden Bereichen erheblich an, so daß neben feinkörnigen Bereichen, die der Ofenatmosphäre nicht ausgesetzt waren, ein extrem gleichförmiges Band von vergröberter Kornausbildung sich ergibt, wobei die Gleichförmigkeit sowohl hinsichtlich einer gleichförmigen Banddicke wie auch hinsichtlich einer gleich­ förmigen Korngröße gilt.

Bei einer Turbinenschaufel sollten, wie erwähnt, zur Erlangung optimaler Betriebseigenschaften zu dem Bereich der Kanäle eine gröbere Kornausbildung vorhanden sein als an der Schaufeloberfläche. Dies läßt sich z. B. dadurch erreichen, daß die ohnehin für Kühlzwecke in die Turbinenschaufel einzubringenden Kühl­ kanäle bereits vor der Wärmebehandlung eingebracht werden, während die äußere Oberfläche der Schaufeln mit einer Oxidbeschichtung oder einer Glasbeschichtung abgedeckt wird, um so die Diffusion von Bor in die Ofenatmosphäre zu verhindern. Gleichzeitig erhalten die während der Wärmebehandlung der Ofenatmoshäre ausgesetzten Oberflächen der Kühlkanäle in den um diese Kühlpassagen herumliegenden Bereichen gröbere Körner. Diese Bereiche liegen im Inneren der Turbinen­ schaufel. Durch diese Verfahrensweise ergibt sich somit ein Aufbau, bei dem der sich eine feine, die Ermüdungsfestigkeit erhöhende Kornausbildung auf den äußeren Oberflächen der Turbinenschaufeln ergibt, wie auch in den Bereichen, die von den Kühlkanälen weiter entfernt sind, während in den Be­ reichen, die an den Kühlkanälen angrenzen, eine vergröberte, die Kriechwiderstandsfähigkeit erhöhende Kornausbildung ent­ steht.

Die Technologie der unterschiedlichen Korngrößen ist nicht auf geschmiedete Werkstücke begrenzt, sie kann auch bei anderen Werkstücken angewendet werden, beispielsweise auf solche, die durch Gießmetallurgie, durch Pulvermetallurgie oder durch Heißpreßverfahren hergestellt sind. Gegossene Gegenstände oder Pulverpreßteile können zusätzlich zur Erhöhung der gespeicherten Belastungsenergie zur Rekristallisation und zum Kornwachstum warmverformt werden, so daß es zweckmäßig sein kann, Pulverpreßteile oder gegossene Gegenstände als Vorformen für den Schmiedeprozeß zu verwenden.

Es sollte angemerkt werden, daß keine weitere wesentliche Entborisierung (nach der Wärmebehandlung) während des Be­ triebs auftreten wird (z. B. während des Betriebs der Turbine), da die maximalen Betriebstemperaturen nicht aus­ reichend hoch liegen, um eine signifikante Bordiffusion zu bewirken. Die Erfindung kann mit im Handel erhältlichen Legierungen durchgeführt werden, wenn bei diesen ein Teil des Kohlenstoffs durch Bor ersetzt wird, bei ungefähr gleichen Atomprozentanteilen. Bei der aus der US-PS 36 67 938 be­ kannten Legierung werden z. B. 25 bis 75 Atom% des Kohlen­ stoffs durch eine entsprechende Menge von Bor ersetzt.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn die Le­ gierung bei einer Temperatur wärmebehandelt wird, die zwischen 1150 und 1370°C liegt, und wenn diese Temperatur 2 bis 4 Stunden lang gehalten wird. Die Atmosphäre kann während dieser Behandlung inert sein (z. B. aus Argon bestehen), unter Umständen aber auch oxidierend sein, z. B. aus Luft bestehen.

Claims (2)

1. Verfahren zum Wärmebehandeln von Gegenständen aus Ni-Superlegierungen, zur Erzielung unterschiedlicher Korngrößen in verschiedenen Teilbereichen der Gegen­ stände, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände, die aus 0,01 bis 0,1% Kohlenstoff und 0,02 bis 0,08% Bor enthaltenden Legierungen hergestellt sind, an Teil­ bereichen der Oberfläche mit Oxiden oder Gläsern be­ schichtet und 1 bis 10 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 980 und 1370°C geglüht werden.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für die Wärmebehandlung von Turbinenschaufeln, bei denen die im Inneren der Turbinenschaufeln verlaufenden Kühl­ kanäle nicht beschichtet sind.