DE3114391A1

DE3114391A1 - "gusskoerper mit zusammengesetzter koernung und verfahren zu seiner herstellung"

Info

Publication number: DE3114391A1
Application number: DE19813114391
Authority: DE
Inventors: Kevin Swayne Peabody Mass. O'Hara
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-04-21
Filing date: 1981-04-09
Publication date: 1982-04-15
Also published as: JPH0119992B2; IL62374A; IT8121215A0; GB2074194B; GB2074194A; IL62374A0; DE3114391C2; US4345950A; JPS56158855A; FR2480786B1; FR2480786A1; IT1135732B

Description

31U391

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Metallgußkörper und mehr im besonderen einen Gußkörper mit einer zusammengesetzten Körnung, der erhalten ist aus einem Gegenstand mit einer einzigen Körnung.

Verbesserungen in der Gasturbinentechnologie beruhten teilweise auf der Verwendung verbesserter hochtemperaturbeständiger Legierungen und der Kornstruktur solcher Legierungen in den fertigen Gegenständen.

In den heißen Bereichen von Gasturbinen werden meist Legierungen auf der Grundlage von Nickel und/oder Kobalt eingesetzt. Gegenstände, wie Turbinenschaufeln (turbine blades) und Flügel (vanes) werden üblicherweise nach dem Wachsausschmelzverfahren hergestellt. Der die Turbinen entwerfende Ingenieur verfügt derzeit über verschiedene Gefüge oder Kristallformen, aus denen er auswählen kann. Die Auswahl erfolgt auf der Grundlage der erwünschten Eigenschaften und der relativen Herstellungskosten für den Gegenstand.

So sind z. B. Gußkörper mit einer zusammengesetzten Körnung durch gesteuerte Keimbildung nach dem Verfahren der üS-PS 3 158 912 hergestellt worden.

Danach wurden Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens entwickelt, um solche Gegenstände mit einer langgestreckten Kornstruktur als Ergebnis der gerichteten Erstarrung während des Gießens herzustellen. Eine solche langgestreckte Kornstruktur bringt verbesserte Hochtemperatureigenschaften hauptsächlich hinsichtlich der thermischen Ermüdung,verglichen mit konventionell gegossenen Gegenständen mit gleichachsiger Kornstruktur mit sich, wie sie durch die vorgenannte US-PS erhalten werden.

Ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, um eine gerichtete Erstarrung auszuführen, ist in der

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- 5 US-PS 3 897 815 beschrieben.

Eine weitere Einstellung der Eigenschaften von Gußkörpern ist hinsichtlich der Erzeugung von Gußkörpern mit einer einzigen Körnung in der US-PS 3 494 709 und hinsichtlich Verbundkörpern, die aus mehreren Teilen hergestellt wurden, von denen mindestens einige eine einzige Körnung aufwiesen, in der US-PS 4 033 792 beschrieben.

Die Schaffung eines einheitlichen Gußkörpers mit einer zusammengesetzten Kornstruktur kann erwünschte Eigenschaften in verschiedenen Teilen des Gegenstandes ergeben, die unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt sind, wie z. B. dem Flügelteil und dem Befestigungsteil einer bei hoher Temperatur arbeitenden Turbinenschaufel.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Gußkörpers mit einer zusammengesetzten Körnigkeit aus einem einheitlichen Gußkörper schließt das Schaffen eines einheitlichen Gußkörpers aus einer hochtemperaturbeständigen Superlegierung auf der Basis von Nickel und/oder Kobalt mit einer einzigen Körnigkeit ein. Die ausgewählte Legierung hat in dem Zustand mit der einzigen Körnigkeit eine gute Zeitstandfestigkeit und thermische Ermüdungsbeständigkeit bei hoher Temperatur und sie kann im mehrkörnigen Zustand in einem tieferen Temperaturbereich von bis zu etwa 700°C eine hohe Ermüdungsbeständigkeit gegen zyklische Wechselbeanspruchung entwickeln. Ein Teil des einheitlichen Gußkörpers mit der einzigen Korngröße, der im tieferen Temperaturbereich betrieben werden soll, wird einer mechanischen Bearbeitung, wie durch Schlagen ausgesetzt, um eine permanente plastische Verformung hervorzubringen, die ausreicht, die Rekristallisation dieses Teiles zu ermöglichen, wenn er auf eine erhöhte Rekristallisationstemperatur erhitzt wird.

Für Superlegierungen auf Nickelbasis erfolgt ein solches Rekristallisationserhitzen z. B. auf eine Temperatur, die mindestens im Gamma'-Lösungstemperaturbereich der Legierung liegt bis zu einer Temperatur unterhalb der, die die Legierung des Gegenstandes nachteilig beeinflußt.

Besteht der einheitliche Gußkörper aus einer Legierung auf Kobaltbasis, dann erfolgt das Erhitzen zum Rekristallisieren auf eine Temperatur im Bereich von mindestens etwa 870 C bis zu einer Temperatur unterhalb der, die die Legierung des Gegenstandes nachteilig beeinflußt.

Der bearbeitete Teil des Gegenstandes wird auf diese Rekristallisationstemperatur für eine ausreichende Zeit erhitzt, um ihn zu rekristallisieren. Dadurch wird dieser rekristallisierte Teil mit einer Ermüdungsbeständigkeit gegen zyklische Wechselbeanspruchung versehen, die größer ist, als die des verbleibenden Teiles mit einer einzigen Körnigkeit.

In einer anderen Ausführungsform schließt das erfindungsgemäße Verfahren die Schaffung des mehrkörnigen Teiles durch selektive Verwendung von kornbildendem Material auf einigen, aber nicht allen Oberflächen eines Formhohlraumes während der Verfestigung ein.

Der erfindungsgemäße Gegenstand ist ein einheitlicher Gußkörper mit einer zusammengesetzten Körnigkeit aus einer ausgewählten bei hoher Temperatur beständigen Superlegierung, wobei der Gegenstand einen Teil mit einer einzigen Körnigkeit einschließt, der im Betrieb erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden soll und der eine gute Zeitstandfestigkeit und eine gute thermische Ermüdungsbeständigkeit aufweist, sowie einen vielkörnigen Teil, der sich im Betrieb bei einer geringeren Temperatur von bis zu etwa 700 C befinden soll und der verbesserte Ermüdungsbeständigkeit gegenüber zyklischer Wechselbeanspruchung aufweist, verglichen mit der des Teiles mit einheitlicher Körnigkeit.

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Bei der Auswertung der vorliegenden Erfindung wurde die Wirkung der mechanischen Bearbeitung auf einen Gußkörper untersucht. Eine solche mechanische Bearbeitung bewirkt eine permanente plastische Deformation bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur, um bei der anschließenden Wärmebehandlung des bearbeiteten Gußteiles bei einer Temperatur und für eine Zeit, die die Bildung neuer Körner gestattet, eine Rekristallisation zu ermöglichen.

Eine Legierung auf Nickelbasis, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wurde, war die sogenannte SEL-Legierung mit der nominellen Zusammensetzung in Gew.-% von:
0,08 C, 15 Cr, 22 Co, 4,4 Mo, 2,4 Ti, 4,4 Al, 0,015 B und der Rest sind Nickel und übliche Verunreinigungen.

In der folgenden Tabelle I sind die Verarbeitungsbedingungen dieser Legierung zusammengefaßt. Die Alterungs- Wärmebehandlung dieser SEL-Legierung erfolgte für 16 bis 32 Stunden bei 78O°C (1435°F) und das Rekristallisieren erfolgte für 4 Stunden bei etwa 1050°C (1925°F).

Es wurden im Handel erhältliche Almenstreifen benutzt, um die "A"- und "N"-Intensitäten für die permanente plastische Verformung zu bestimmen.

Tabelle I Verarbeitungszustände

Zustand Verarbeitung

1 Gegossen + gealtert + mit Stahlschrot

bis zu einer Intensität von 5 bis 6 A gehärtmert

2 Zustand 1 + Rekristallisiert +gealtert

3 Zustand 2 + zusätzlich mit Glasschrot

bis zu einer Intensität von 8 bis 10 N gehämmert

4 Zustand 2 + zusätzlich mit Glasschrot

bis zu einer Intensität von 6 bis 8A gehämmert.

- 8 Tabelle II

Dauerermüdungsbeständigkeit Gußkörper aus SEL-Legierung

Festigkeit

2
Zustand N/mm . (ksi)

1 15,85 (23)

2 29,67 (43)

3 33,1-37,9 (48-55)

4 23,46 (34)

Die gemäß Tabelle I bearbeiteten Gußkörper befanden sich im mehrkörnigen Zustand. Die Verbesserung hinsichtlich der Dauerermüdungsfestigkeit ergibt sich aus der Tabelle II, insbesondere für den Zustand 3.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann für eine Vielfalt von Metallgußkörpern benutzt werden. So kann es zum Herstellen einer Vielfalt von Schaufelteilen für Gasturbinen eingesetzt werden, die einen Flügel mit einer einzigen Körnigkeit und Teile mit einer zusammengesetzten Körnigkeit aufweisen, wie Ständer oder Schwalbenschwänze, Plattformen, Flügelverriegelungen, Flügelplattformen, Schaufelbefestigungseinrichtungen usw. Das selektive mechanische Bearbeiten eines Teiles eines Gußkörpers mit einer einzigen Körnigkeit gestattet daher eine flexible Auswahl der mechanischen Eigenschaften, die für eine bestimmte Anwendung am vorteilhaftesten sind.

Nach der anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden während des Gießens des Gegenstandes mit einer einzigen Körnigkeit selektiv Körner gebildet. Für dieses Verfahren wird eine Präzisionsgußform für das gerichtete Erstarren geschaffen, wie sie üblicherweise für die Herstellung von Gegenständen mit einer einzigen Körnigkeit benutzt wird. Es ist eine Vielfalt solcher Formen beschrieben worden, einschließlich derer in den

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oben genannten US-PS. Eine solche Form wird durch Einbeziehen eines kornbildenden Materials in ein oder mehrere ausgewählte Wandteile modifiziert, wobei dieees Material Verbindungen, wie Oxide sind, wie sie in der oben genannten US-PS 3 158 912 beschrieben sind. Das Gußverfahren wird dann in der Weise ausgeführt, daß man zuerst in die Form eine geschmolzene Superlegierung einfüllt und sie dann mit einer durch die Form geführten Erstarrungsfront erstarren läßt. Auf diese Weise wird in einem den Gegenstand bildenden Teil der Form zuerst ein Teil mit einer einzigen Körnigkeit gebildet und dann ein mehrkörniger Teil an den ausgewählten Wandteilen, an denen sich das kornbildende Material befand.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Gußkörpers mit zusammengesetzter Körnung aus einem einheitlichen Gußkörper einer hochtemperaturbeständigen Superlegierung auf der Grundlage von Nickel und/oder Kobalt,
gekennzeichnet durch folgende Stufen;

Schaffen des einheitlichen Gußkörpers mit einer einzigen Körnung aus einer Legierung, die in diesem Zustand mit der einzigen Körnung eine gute Zeitstandfestigkeit und thermische Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur aufweist und die in der Lage ist, im mehrkörnigen Zustand in einem tieferen Temperaturbereich von bis zu etwa 700°C (1300⁰F) eine hohe Ermüdungsbeständigkeit bei zyklisch wechselnder Beanspruchung zu entwickeln,

mechanisches Bearbeiten eines ersten Teiles des Gegenstandes mit der einzigen Körnung, der im tieferen Temperaturbereich betrieben werden soll, um in der Oberfläche dieses ersten

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Tejles eine permanente plastische Verformung zu erzeugen, die ausreicht, eine Rekristallisation des ersten Teiles zu ermöglichen, wenn dieser auf eine Rekristallisationstemperatur erhitzt wird, wobei diese Rekristallisationstemperatur für eine Superlegierung auf Nickelbasis vom Temperaturbereich der Lösung der Gamma'-Phase bis zu einer Temperatur reicht, die die Legierung des Gegenstandes noch nicht nachteilig beeinflußt und die bei einer Legierung auf Kobaltbasis von einer Temperatur von mindestens etwa 87O°C (1600°F) bis zu der Temperatur reicht, die die Legierung des Gegenstandes noch nicht nachteilig beeinflußt und Erhitzen mindestens des ersten Teiles des Gegenstandes auf die Rekristallisationstemperatur für eine ausreichende Zeit, um den ersten Teil des Gegenstandes zu einem mehrkörnigen Zustand zu rekristallisieren und so den rekristallisierten ersten Teil des Gegenstandes mit einer hohen Ermüdungsbeständigkeit gegenüber zyklischer Wechselbeanspruchung zu versehen, die größer ist, als die des verbleibenden Abschnittes mit einer einzigen Körnung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Gegenstand durch Schlagen der Oberfläche mechanisch bearbeitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verbleibende Abschnitt mit der einzigen Körnung ein Flügel eines Schaufelteiles ist.

4. Verfahren zum Herstellen eines Gußkörpers mit einer zusammengesetzten Körnung aus einer hochtemperaturbeständigen Superlegierung auf der Basis von Nickel und/oder Kobalt, gekennzeic hnet durch folgende Stufen:

Schaffen einer Präzisionsgußform für gerichtetes Verfestigen mit Wänden, die einen Startteil mit einer einzigen Körnung und einen einen Gegenstand formenden Teil begrenzen, wobei der einen Gegenstand formende Teil an ausgewählten aber nicht allen Wandteilen davon ein kornbildendes Material enthält,

man die Superlegierung im geschmolzenen Zustand in die Form gießt und

die Superlegierung in der Form verfestigt, indem man eine Erstarrungsfront durch die Form führt, um zuerst einen Teil mit einer einzigen Körnung und dann einen Teil mit einer zusammengesetzten Körnung an den ausgewählten Wandteilen zu erzeugen, an denen sich das kernbildende Material befindet.

5. Einheitlicher Gußkörper mit einer zusammengesetzten Körnung aus einer ausgewählten bei hoher Temperatur beständigen Superlegierung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Gußkörper einen Teil mit einer einzigen Körnung aufweist, der bei erhöhter Temperatur betrieben werden soll und der eine gute Zeitstandfestigkeit und thermische Ermüdungsbeständigkeit aufweist und einem Teil mit einer zusammengesetzten Körnung, der bei einer geringeren Temperatur von bis zu etwa 700 C betrieben werden soll,

wobei dieser Teil mit der zusammengesetzten Körnung eine verbesserte Ermüdungsbeständigkeit gegenüber zyklischer Wechselbeanspruchung aufweist, verglichen mit dem Teil mit der einzigen Körnung.

6. Gußkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Teil mit der einzigen Körnung der Flügel eines Schaufelteiles ist.