DE3027730A1

DE3027730A1 - Verfahren zum behandeln einer legierung

Info

Publication number: DE3027730A1
Application number: DE19803027730
Authority: DE
Inventors: William Rollin Young
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-07-23
Filing date: 1980-07-22
Publication date: 1981-02-12
Also published as: GB2059996B; GB2059996A; FR2461757B1; BE884416A; US4249963A; DE3027730C2; IT8023649A0; JPH0144773B2; NL8004248A; FR2461757A1; JPS5655537A; IT1131988B; IL60649A

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A.

Verfahren zum Behandeln einer Legierung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Behandeln von Metallegierungen, insbesondere auf das Behandeln von Metallgegenständen mit Legierungen, insbesondere auf der Basis von Fe, Co oder Ni, die Elemente wie Si und B, die häufig als Schmelzpunktserniedriger verwendet werden, enthalten.

Die Hochtemperatur-Hartlotlegierungen auf Ni-, Co- oder Fe-Basis, die gewöhnlich beim Verbinden oder Behandeln von Gasturbinentriebwerkskomponenten eingesetzt werden, haben bestimmte unerwünschte Eigenschaften im Vergleich mit den Eigenschaften der Legierung von Teilen, mit denen sie verbunden werden, wie in einer Verbindungsstelle, gezeigt. Zu diesen Eigenschaften gehören eine geringere Duktilität bei Raum- und erhöhter Temperatur, eine erheblich geringere Umschmelztemperatur und geringere mechanische Festigkeitseigenschaften. Die nachteiligen Eigenschaften einer Form der Legierungen, auf die sich die Erfindung bezieht, sind das direkte Ergebnis der Zusätze von B und/oder Si, die zur Herabsetzung der Schmelztemperatur der Legierung unter die der Legierung der zu bearbeitenden Teile nötig sind.

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Während der Erprobung des in der US-PS 4 098 450 beschriebenen Verfahrens wurde festgestellt/ daß solche Elemente,wie B und Si, flüchtige Fluoridverbindungen bilden, wenn sie einer Fluoridionenatmosphäre bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das den schädlichen Einfluß von temperaturerniedrigenden Elementen, wie von Si und B, auf Legierungseigenschaften, wie Duktilität, mechanische Festigkeit und Umschmelztemperatur, beseitigt, insbesondere, die Eigenschaften einer Hochtemperatur-Hartlotlegierung auf der Basis eines Elements aus der Gruppe Fe, Co oder Ni zu verbessern, nachdem die Hartlotlegierung verwendet und in einem Gegenstand gebunden worden ist.

Diese sowie weitere Vorteile, Merkmale und Aufgaben- der Erfindung werden aus der folgenden näheren Beschreibung und den Beispielen deutlicher, die die Erfindung lediglich darstellen, keinesfalls aber eingrenzen sollen.

Kurz zusammengefaßt verbessert das erfindungsgemäße Verfahren eine Legierungseigenschaft durch Verarmung wenigstens eines Elements der Legierung durch eine Legierungsoberfläche hindurch. Eine solche Legierung kann typischerweise eine Hartlotlegierung sein, z.B. mit einem temperaturerniedrigenden Element, wie einem solchen aus der Gruppe Si und B, und die bei der Herstellung eines Erzeugnisses verwendet wird. Zu dem Verfahren gehört es, die Legierungsoberfläche gasförmigen Ionen, wie Fluoridionen, auszusetzen, mit denen das Element unter Bildung einer gasförmigen Verbindung reagiert, wobei die Legierung auf eine Temperatur unter der Temperatur erhitzt wird, die für die Legierung oder damit verbundene Teile schädlich ist. Das Erhitzen geschieht für solche Elemente, wie Si

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und B, ausreichend lange, um sie an die■Legierungsoberfläche diffundieren und mit den gasförmigen Ionen unter Bildung einer gasförmigen Verbindung des Elements oder der Elemente reagieren zu lassen. Die gasförmige Verbindung trennt sich von der Oberfläche und verarmt die Legierung an diesem Element.

Gemäß einer spezielleren, bevorzugten Form gehört zur Erfindung, ein Fabrikat mit einer Hochtemperatur-Hartlotlegierung auf der Basis eines Elements aus der Gruppe Fe, Co oder Ni und mit einem temperaturerniedrigenden Element, ausgewählt unter Si und B, gasförmigen Fluoridionen auszusetzen, während im allgemeinen bei oder unter der Schmelztemperatur der Hartlotlegierung, aber unter einer Temperatur/ die die Eigenschaften der verbundenen Teile nachteilig beeinflußt, erwärmt wird.

Hochtemperatur-Hartlotlegierungen, wie solche auf der Easis von Eisen, Nickel oder Kobalt, sind bei der Herstellung von Gasturbinen-Triebwerkskomponenten seit vielen Jahren verwendet worden. Solche Hartlotlegierungen müssen bestimmte Hochtemperatureigenschaften haben und weisen deshalb Elemente auf, die dazu neigen, die Hartlöttemperatur der Legierungen zu erhöhen. Typischerweise jedoch enthalten sie Schmelzpunktserniedriger, wie Si und B, die die Hartlöttemperatur auf einen praktischen Punkt senken und beim Hartlöten in die Struktur der zu verbindenden Bestandteile diffundieren können. Eine solche Diffusion neigt dazu, die Umschmelztemperatur der gelöteten Verbindung zu erhöhen. Zu den unerwünschten Eigenschaften der gelöteten Verbindungen gehören jedoch verringerte Duktilität bei Raum- und erhöhter Temperatur und geringere mechanische Festigkeit als die der Legierungen der zu verbindenden oder zu bearbeitenden Bauteile. Auch liegt deren Umschmelztemperatur im allgemeinen mehrere 100°

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unter der solcher Bauteilelegierungen. Die fortgesetzte Anwesenheit solcher Temperaturerniedriger ,.wie Bor und/oder Silicium, führt zum Auftreten solch unerwünschter Eigenschaften.

Es wurden Versuche gemacht, andere Temperaturerniedriger, wie Mg oder Mn aufgrund ihres höheren Dampfdrucks zu ver?- wenden. Doch waren Legierungen mit solchen Temperaturerniedrigern schwer zusammenzustellen, zumindest teilweise aufgrund der Unterschiede der Dampfdrücke zwischen den Hauptelementen der Hartlotlegierung und der Temperaturerniedriger. Auch waren das Schmelzen und das Fließen schwer zu steuern, weil solche Temperaturerniedriger kontinuierlich verdampften. Die anfallende verfestigte Struktur enthielt eingeschlossene Hohlräume. Außerdem führte die große Menge an aus der Hartlotlegierung emittierten flüchtigen Elementen zu Überzügen auf den Ofenstrukturen, was zu erheblichen Betriebsschwierigkeiten führte.

Versuche, den Einfluß von Temperaturerniedrigern minimal zu halten, umfaßten das Vorlegen von Gemischen von Hartlotlegierungen und Elementen mit höherem Schmelzpunkt oder Legierungspulvern. Diese wurden häufig als Hartlotlegierungen mit weitem Bereich bezeichnet. Wenngleich solche Lotgemische die in den Legierungen erforderliche Menge an Temperaturerniedrigern reduzieren, verringern sie doch nicht die absolute Menge an Temperaturerniedrigern, die zurückbleiben und nachteilige Eigenschaften entwickeln.

Die Erfindung führt zu einem Verfahren, das die absolute Menge solcher Temperaturerniedriger, wie Si und B, dadurch herabsetzt, daß um die Legierung eine Atmosphäre von Ionen herum geschaffen wird, mit denen die Temperaturerniedriger unter Bildung einer gasförmigen Verbindung reagieren, die sich von der Legierungsoberfläche abtrennt.

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Die Behandlungstemperatur wird in einem Bereich gewählt, der eine Diffusion der Temperaturerniedriger zur Legierungsoberfläche ermöglicht und doch unter einer Temperatur liegt, die verbundene Legierungsstrukturen nachteilig beeinflußt, wie solche, die an einer gelöteten Verbindungsstelle oder neben mit einer Hartlotlegierung gefüllten Rissen gebunden sind. So wird die Hartlotlegierung an dem oder den Element(en) verarmt, das bzw. die nach dem Löten unerwünscht sein kann bzw. können, und die verbleibende gelötete Legierungsstruktur zeigt verbesserte Duktilität, Umschmelztemperatur und mechanische Festigkeitseigenschaften.

Eine Art gasförmiger Ionenatmosphäre, die sich als besonders brauchbar bei der praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erwiesen hat, ist die des gasförmigen Fluoridions der Art, wie sie nach dem in der US-PS 4 098 450 beschriebenen Verfahren erzeugt wird. Während der Erprobung eines solchen Verfahrens wurde festgestellt, daß die Oberfläche hartgelöteter Verbindungsstellen in einem Gasturbinen-Triebwerksbauteil an Bor und Silicium verarmte. Ferner diffundierte bei fortgesetzter Behandlung weiteres Bor oder Silicium nach dem Prinzip der Diffusion im festen Zustand mit einem Konzentrationsgradienten zur verarmten Oberfläche. Eine solche Reaktion kann auch in der Fluoridatmosphäre eintreten, wenn die Legierung sich im geschmolzenen oder halbgeschmolzenen Zustand befindet. So wird erfindungsgemäß die Verarmung an Elementen, wie Bor und Silicium, aus der Oberfläche einer Legierung, wie einer Hartlotlegierung, nur durch die Diffusionszeit begrenzt, die erforderlich ist, um den gewünschten Verarmung'sgrad zu erzielen. Wenngleich die Erfindung praktischer bei Temperaturen unter der durchgeführt wird, bei der die Hartlotlegierung geschmolzen oder halbgeschmolzen ist, und zwar

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aufgrund der Probleme, das Erzeugnis unversehrt und ausgerichtet zu halten, sollte es verständlich sein, daß die Erfindung bei Temperaturen unter der durchgeführt werden kann, bei der die Eigenschaften der Legierung des behandelten Erzeugnisses oder Gegenstands nachteilig beeinflußt werden.

In spezielleren Beispielen wurde die Erfindung dadurch demonstriert, daß im Handel erhältliche Hartlotbleche verschiedener Hartlotlegierungen einer Fluoridionenumgebung bei 982°C (1800⁰F) 1 h in der in der US-PS 4 098 450 beschriebenen Weise ausgesetzt wurden. In jedem Falle wurde die Umschmelztemperatur der Hartlotlegierung beträchtlich erhöht, wie die Daten der folgenden Tabelle zeigen:

Tabelle

Zusammensetzung	3Fe,	normaler	Testtemperatur	Mindester
der Hartlotlegie		Schmp.°C	nach Fluorid-	höhung des
rung	4_;5Si	(°F)	ionenbehandlg.	Schmp.
(Nenn-Gt-w			⁰C (⁰F)	⁰C (⁰F)
Ni, 7Cr,	3_f5Si	1018 - 1	048 1260	212 - 242
4Si, 3B		(1865 - 1	920) (2300)	(380 - 438)
Ni, 3,1B,	10Si	1010	1288	278
		(1850)	(2350)	(500)
Ni, 1,8B,	8Si	1057	1260	203
		(1935)	(2300)	(365)
Ni, 19Cr,	1127	1282	155
	(2060)	(2340)	(280)
Ni, 18Cr,	1149	1288	139
	(2100)	(2350)	(250)

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Die Duktilität wurde für Proben durch Löten einer Oberflächenschicht der oben angegebenen Legierung Ni, 7Cr, 3Fe, 4Si, 3B (AMS 4777) auf ein handelsübliches Grundmaterial von 1,07 mm (0,042") Nenndicke (Hastalloy X) mit einer Nennzusammensetzung in Gew.-% von 22 % Cr, 1,5 % Co, 9 % Mo, 0,6 % W, 18,5 % Fe, Rest Ni, bestimmt. Das Löten erfolgte bei einer Temperatur von 1052⁰C (1925°F). Dies führte zu einer Oberflächenschicht der Legierung AMS 4777, die im allgemeinen zwischen 0,127 und 0,254 mm (0,005 und 0,010") schwankte. Jeweils zwei dieser Proben wurden einer Fluoridionenatmosphäre für 1 h bei 982°C (1800⁰F) und 2 h bei 982°C (1800⁰F) ausgesetzt. Je zwei weitere Proben wurden als Kontrollproben in dem Zustand, wie gelötet, verwendet und auf 982⁰C (1800⁰F) erhitzt. Die Proben wurden dann 2T-Biegetests unterworfen, wobei der Biegeradius r*2T und T die Materialdicke ist. Die Biegetests wurden bei Raumtemperatur mit der Lotoberflächensahicht unter Spannung durchgeführt. Die Kontrollproben im Zustand wie gelötet und Vakuum-wärmebehandelt zeigten erhebliche Rißbildung der Lotstelle. Die der Fluoridionenatmosphäre für 1 h ausgesetzten Proben zeigten Rißbildung. Die der Fluoridionenatmosphäre für 2 h ausgesetzten Proben zeigten volle Biegeduktilität. Die Verarmung an Silicium und Bor wurde durch metallographische Prüfung bestätigt und auf eine Tiefe von etwa 0,102 mm (0,004") in die Schicht der Legierung AMS 4777 ausgedehnt.

Die Erfindung wurde weiter dadurch demonstriert, daß eine Hochdruck-Turbinendüse eines Gasturbinentriebwerks einer Fluoridionenumgebung für 2 h einer Temperatur von 982⁰C (1800⁰F) ausgesetzt wurde. Bei diesem Beispiel war die Düse aus den folgenden handelsüblichen Basismaterialien, identifiziert durch die Legierungsbezeichnung und die Zusammensetzung in Nenngewichtsprozent, hergestellt wor~

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den: Rene¹ 77 (15Co, 14Cr, 4,2Mo, 4,3Al, 3,4 Ti, Rest Ni); TD Ni Cr (21Cr, 2,7ThO₂, Rest Ni); Inconel 600 (8Fe, 15Cr, Rest Ni); HS 188 (22Ni, 3,5Fe, 22Cr, 2Mn, 15,5W, 0,09La, Rest Co); und Inconel 625 (5Fe, 21,5Cr, 9Mo, 3,6Ta/Nb, Rest Ni). Die folgenden handelsüblichen Hartlotlegierungen wurden zur Herstellung dieser Struktur eingesetzt und werden namentlich und durch die Zusammensetzung in Nenn-Gew.-% identifiziert: TD6 (15,5Cr, 16Mo, 4W, 6Fe, 4Si, Rest Ni - Löttemperatur 1302⁰C bzw. 2375°F); und TD50 (20,5Cr, 8,5Mo, 20,5Fe, 10Si, Rest Ni - Löttemperatur 1191⁰C bzw. 2175°F).

Diese Komponente mußte einer Temperatur von 1204⁰C (2200⁰F) für Zeiten bis zu 4 h im Vakuum unterworfen werden. Vor der Erfindung hätte eine solche Behandlung zu starkem Umschmelzen und Fließen wenigstens einer der Hartlotlegierungen geführt. Nach dem Behandeln mit der oben beschriebenen Fluoridionenumgebung wurde kein Umschmelzen oder Fließen dieser Legierungen während des nachfolgenden Wärmezyklus bei 1204⁰C (2200⁰F) beobachtet.

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Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Behandeln einer Legierung durch Verarmung wenigstens eines Elements der Legierung über eine Legierungsoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Legierung gasförmigen Ionen, mit denen das Element unter Bildung einer gasförmigen Verbindung reagiert, ausgesetzt wird, während die Legierung für die Diffusion des Elements an die Oberfläche der Legierung und für die Reaktion mit den Ionen zur Bildung der gasförmigen Verbindung des Elements, die sich von der Oberfläche trennt, zur Verarmung der Legierung an dem Element ausreichend lange erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Legierung eine Hartlotlegierung mit einem den Schmelzpunkt erniedrigenden Element aus der Gruppe Si und B, als gasförmige Ionen Fluoridionen verwendet werden und die Hartlotlegierung auf eine Temperatur im allgemeinen von oder unter der Schmelztemperatur der Hartlotlegierung erwärmt wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einer Hartlotlegierung auf der Grundlage eines Elements aus der Gruppe Fe, Co und Ni hergestelltes Erzeugnis eingesetzt wird, wobei die Hartlotlegierung wenigstens ein den Schmelzpunkt erniedrigendes Element aus der Gruppe Si und B aufweist und auf eine Temperatur unter der, die das Material des Erzeugnisses nachteilig beeinflußt, erwärmt wird.

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