DE3436878A1

DE3436878A1 - Vorrichtung zum zonengluehen eines aus einem hochtemperatur-werkstoff bestehenden werkstuecks und verfahren zum zonengluehen

Info

Publication number: DE3436878A1
Application number: DE19843436878
Authority: DE
Inventors: Roland Mellingen Künzli; Günther Dipl.-Ing. Dr. Birmenstorf Schröder; Robert Dr. Baden Singer
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1983-10-26
Filing date: 1984-10-08
Publication date: 1985-05-09
Also published as: JPS60110814A; DE3436878C2; GB8426879D0; US4583720A; JPH05447B2; CH657151A5; GB2148949A; GB2148949B

Description

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26.10.83 - t - Br/dh

Vorrichtung zum Zonenglühen eines aus einem Hochtemperatur-Werkstoff bestehenden Werkstücks und Verfahren zum Zonenglühen

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Zonenglühen nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zum Zonenglühen nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 4.

Es ist bekannt, dass Werkstücke aus Hochtemperatur-Werkstoffen, insbesondere aus dispersionsgehärteten Hochtemperaturlegierungen wie Nickelbasis-Superlegierungen am Ende ihres Herstellungsprozesses einer Grobkornglühung unterworfen werden müssen. Diese Wärmebehandlung ist notwendig, um insbesondere gute mechanische Eigenschaften (hohe Kriechfestigkeit) bei hohen Betriebstemperaturen zu erzielen. Es werden ferner in Zugbeanspruchungsrichtung längsgestreckte Körner angestrebt, welche erhöhte Festigkeit und Duktilität aufweisen. Dies kann durch Anwendung eines Temperaturgradienten in der entsprechenden Richtung, durch sogenanntes Zonenglühen bewerkstelligt werden (siehe US-Appl. No. 221 979 vom 31.7.72 und DE-B-23 03 802).

Die Problematik aller bestehenden Zonenglühanlagen besteht

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darin, dass es - insbesondere bei komplizierter Geometrie des Werkstücks - nur selten gelingt, den Temperaturgradienten in idealer Weise in die gewünschte Längsrichtung allein zu zwingen. Es besteht daher das Bedürfnis, nach neuen Methoden und damit verbundenen Verfahren zu suchen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Zonenglühen von Werkstücken aus warmfesten Werkstoffen, insbesondere Superlegierungen sowie ein damit durchführbares spezifisches Verfahren anzugeben, welche Massnahmen zur Erhöhung des longitudinalen wie zur Erniedrigung des lateralen Temperaturgradienten sowie Variation des Temperaturgradienten und der Vorschubgeschwindigkeit ermöglicht. Es sollen auch Werkstücke komplizierter Geometrie auf einfache Weise zonengeglüht werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 4 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiels beschrieben.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematisierte Vorrichtung zum Zonenglühen im Aufriss bzw. Längsschnitt,

Fig. 2 eine weitere Ausführung einer Vorrichtung mit speziell ausgebildetem Kühlsystem,

Fig. 3 Mittel zur Verringerung des Wärmeflusses in der Querrichtung des Werkstücks,

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Fig. 3a: Ueberzug aus keramischem Material Fig. 3b: Hülle aus wärmeisolierendem Material Fig. 3c: Thermisches Isoliermaterial.

In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung zum Zonenglühen von Werkstücken aus warmfesten Werkstoffen teils im Aufriss, teils im Längsschnitt dargestellt. 1 ist das Werkstück, welches im vorliegenden Fall abgesetzt ist und eine Schaft- und eine Fusspartie aufweist (z.B. Turbinenschaufel aus einer Nickel-Superlegierung mit verdicktem Fuss und schlankem Schaft). Das Werkstück 1 hängt über einen Haken an einer Aufhängevorrichtung 2 (Kette, Drahtseil), welche über eine Rolle 3 von einem Antriebsmotor 4 zwecks Heben und Senken des Werkstücks 1 betätigt werden kann. 5 ist ein auf der Zonenglühtemperatur gehaltenes Salzbad, das sich in einem Isoliergefäss 6 befindet und von diesem - bis auf den Badspiegel - vollständig eingeschlossen ist. 7 ist die Heizung des Salzbades 5, welche von einem zentralsymmetrischen Leitblech 8 konzentrisch umgeben ist und zur günstigen Be-• einflussung der Strömung des Salzbades 5 dient. Letztere ist durch Pfeile angedeutet. Auf der Oberfläche des Salzbades befindet sich eine schwimmende, isolierende Abdeckung 9, welche mindestens die Rundpartien vor zu starker Wärmeabstrahlung und schädlicher Beeinflussung der Apparatur schützt. Auf der dickeren Fusspartie des Werkstücks 1 sitzt zum gleichen Zweck eine mit einer Oeffnung versehene plattenförmige Abdeckblende 10 auf, welche die vertikale Bewegung des Werkstücks 1 zum Teil mitmacht. Sowohl das Werkstück 1 wie die Abdeckblende 10 ist in angehobener Stellung (volle Linien) und in abgesenkter Stellung (gestrichelte Linien) in der Figur eingezeichnet. Im oberen zentralen Teil der Vorrichtung ist ein Kühlkörper 11 vorgesehen, welcher von der Kühlluft 14 axial durchströmt wird. Er besitzt einen gegenüber dem Umfang (bzw. Durchmesser)

der Abdeckblende 10 etwas vergrösserten Durchlass 12, so dass letztere im Kühlkörper 11 ohne Reibung vertikal gleiten kann. Der Kühlkörper 11 ist an seiner unteren Stirnfläche innen mit einem vorstehenden Rand 13 versehen, welcher der Abdeckblende 10 bei der Abwärtsbewegung des Werkstücks 1 als Anschlag dient. Die (nicht gezeichnete) Oeffnung in der Abdeckblende 10 ist so bemessen, dass sie gegenüber dem Profil der Schaftpartie des Werkstücks 1 genügend Spiel aufweist, so dass letzteres beim Eintauchen in das Salzbad 5 ungehindert hindurchgleiten kann.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführung der Vorrichtung mit speziell ausgebildetem Kühlsystem im Aufriss bzw. Schnitt. Die Bezugszeichen 1, 2, 3, 4, 10 und 11 entsprechen genau denjenigen der Fig. 1. Der Kühlkörper 11 ist an seinem inneren Umfang unten mit einer seitlichen Oeffnung 15 für den Austritt der Kühlluft 14 versehen, welche ein radiales Anströmen des Werkstücks 1 ermöglicht. Die Menge der Kühlluft 14 wird in Abhängigkeit der Bewegung von 1, 2, 3, (Mass für die Lage und die Eintauchgeschwindigkeit des Werkstücks 1) von einem Steuergerät 18 über einen Servomotor 17 und ein Steuerventil 16 den jeweils erforderlichen Betriebsbedingungen angepasst. Diese gegenseitige Abhängigkeit ist durch eine strichpunktierte Linie in der Figur angedeutet.

In Fig. 3 sind verschiedene Mittel zur Verringerung des Wärmeflusses in der Querrichtung des Werkstücks 1 dargestellt.

Gemäss Fig. 3a wird das Werkstück 1 auf seinen Mantelflächen, nicht aber auf seinen Stirnflächen mit einem üeberzug 19 aus keramischem wärmeisolierenden Material versehen. Der in die untere Stirnfläche des in das Salzbad einge-

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tauchten Werkstücks 1 eintretende Wärmefluss kann letzteres ungehindert in vertikaler Richtung durchdringen (direkt, nach oben gerichtete Pfeile). Der quer gerichtete Wärmefluss wird hingegen stark gedrosselt (horizontale, unterbrochene Pfeile).

Fig. 3b zeigt eine ähnliche Verkleidung in Form einer Hülle 20 aus wärmeisolierendem Material, welche zuvor über das zu behandelnde Werkstück 1 gestülpt wird.

Nach Fig. 3c wird die laterale Wärmedämmung des Werkstücks 1 mit Hilfe eines thermischen, durch ein Rohr 21 zusammengehaltenen und abgeschlossenen mehr oder weniger losen Isoliermaterials bewerkstelligt.

Siehe Fig. 11

Eine aus einem Hochtemperatur-Werkstoff bestehende Gasturbinenschaufel wurde mit Hilfe der Vorrichtung gemäss Fig. 1 einem Zonenglühprozess unterworfen. Das Werkstück bestand aus einer oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung folgender Zusammensetzung:

Cr	15	Gew
Mo	2	Gew
W	4	Gew
Al	= 4,5 .	Gew
Ti	= 2,5	Gew
Ta	_\| r\	Gew
^Y2°3	= ι,ι	Gew
Ni	= Rest

Die Abmessungen der Turbinenschaufel betrugen:

	*-X-* 3	120	mm
Schaft:	Länge =	100	mm
	Breite =	30	mm
	Dicke =	80	mm
Fuss:	Länge =	120	mm
	Breite =	40	mm
	Dicke =

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Die mittlere Korngrösse des unbehandelten Werkstoffs vor dem Glühen war ca. 0,2 yum, gleichachsig.

Das Salzbad 5 der Vorrichtung wurde mittels Heizung 7 auf eine Temperatur von 1260°C erwärmt und auf dieser Temperatur während des Verfahrensablaufs möglichst konstant gehalten. Nun wurde auf das Werkstück 1 eine Hülle 20 aus wärmeisolierendem Material (vergleiche Fig. 3b) sowie eine passend zugeschnittene Abdeckblende 10 gestülpt. Das Werkstück wurde hierauf sukzessive mit einer Geschwindigkeit von 2 mm/min vertikal in das heisse Salzbad 5 bis zum völligen Eintauchen abgesenkt. Nach dem Herausnehmen und Abkühlen des Werkstücks 1 wurde die Korngrösse bestimmt. Es konnten längsgerichtete Stengelkristalle von durchschnittlich 40 mm Länge, 5 mm Breite und 2 mm Dicke festgestellt werden.

Bei einem weiteren Versuch wurden sowohl die Hülle 20 wie die Abdeckblende 10 weggelassen. In diesem Fall konnte am Werkstück 1 nach dem Zonenglühen eine feinkörnige Randzone von 0,2 mm Dicke festgestellt werden. Ausserdem ergab sich ein beträchtliches Kornwachstum in der Fusspartie des Werkstücks 1 und die Stengelkristalle standen schief zur Längsachse desselben.

Vorrichtung und damit durchführbares Verfahren sind nicht

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AO

auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Mit der Vorrichtung gemäss Fig. 1 bis 3 lassen sich auch andere Hochtemperatur-Werkstoffe als Superlegierungen der im Beispiel angegebenen Klasse erfolgreich zonenglühen. Durch die Verwendung von entsprechenden wärmeisolierenden Verkleidungen ähnlich Fig. 3 lassen sich auch komplizierte Werkstücke behandeln, wobei die verschiedenen Betriebsparamter optimal aufeinander abgestimmt werden können.

Es soll insbesondere erwähnt werden, dass die Vorrichtung gestattet, die Zonenglühbedingungen dem Werkstoff und dem Werkstück schrittweise anzupassen. Temperaturgradient und Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks können während des Glühprozesses in geeigneter Weise variiert werden. Dies ist besonders von Interesse, wenn Textur und Gefüge über die Werkstücklänge unterschiedlich eingestellt werden sollen: Beispiel: Fusspartie andere Korngrösse und Kornform als Schaftpartie. Dies kann in einfacher Weise durch Regulierung des Antriebsmotors 4 (Schrittmotor) und Variation der Menge der Kühlluft 14 (Pressluft) erfolgen:

Claims

- jr - / 127/83 Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Zonenglühen eines aus einem Hochtemperatur-Werkstoff bestehenden Werkstückes (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels eines Antriebsmotors

(4) über eine Rolle (3) gesteuerte Aufhängeeinrichtung (2) für das Werkstück (1) vorgesehen ist, welche sich über einem in einem Isoliergefäss (6) eingeschlossenen, mit einer Heizung (7) mit zentralsyinmetrischen Leitblechen (8) versehenen und mit einer schwimmenden, isolierenden Abdeckung (9) nach oben abgeschlossenen Salzbad (5) befindet, über dem ein von Kühlluft (14) durchströmter Kühlkörper (11) mit einem die lateralen Abmessungen des Werkstücks (1) überschreitenden Durchlass (12) angeordnet ist und dass das Werkstück (1) mit einer eine Oeffnung aufweisenden plattenförmigen Abdeckblende (10) versehen ist, deren Aussenabmessungen dem Durchlass (12) des Kühlkörpers (11) und deren Innenabmessungen dem Profil des Werkstücks (1) entsprechen, dergestalt, dass die Abdeckblende (10) im Durchlass (12) des Kühlkörpers (11) vertikal gleiten kann und dass das Werkstück (1) seinerseits in der Oeffnung der Abdeckblende (10) beim Eintauchen in das Salzbad

(5) unbehindert gleiten kann, wobei diese auf einem als Anschlag dienenden vorstehenden Rand (13) des Kühlkörpers (11) aufsitzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (11) an seinem inneren Umfang unten eine seitliche Oeffnung (15) für den Austritt der Kühlluft (14) aufweist und dass für letztere ein Steuerventil (16) mit Servomotor (17) sowie ein Steuergerät (18) zur Steuerung des Antriebsmotors (4) der Aufhängeeinrichtung (2) und des Servomotors (17) vorgesehen ist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) mit einer bezüglich Eintauchsrichtung in das Salzbad (5) lateral wirkenden wärmeisolierenden Verkleidung in Form eines Ueberzuges (19) aus keramischem Material oder einer Hülle (20) oder einem durch ein Rohr (21) zusammengehaltenen und abgeschlossenen Isoliermaterial (22) versehen ist.

4. Verfahren zum Zonenglühen eines Werkstücks (1) durchgeführt mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das an einer Aufhängeeinrichtung (2) aufgehängte und mit einer Abdeckblende (10) versehene Werkstück (1) mit einer seinen Abmessungen entsprechenden kontrollierten Geschwindigkeit in ein auf annähernd konstanter Glühtemperatur befindliches Salzbad (5) eingetaucht wird, wobei zur Erzielung des gewünschten Temperaturgradienten in Längsrichtung der noch nicht eingetauchte Teil des Werkstücks (1)· ausserhalb des Salzbades (5) mittels eines von Kühlluft (14) durchströmten Kühlkörpers (11) gekühlt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) schritt- oder abschnittsweise mit je einer von der gewünschten Kornstruktur abhängigen variablen Vorschubgeschwindigkeit zur Erzielung eines variablen Temperaturgradienten in das Salzbad (5) eingetaucht und dass dabei die Menge der Kühlluft (14) in Funktion der Geometrie des Werkstücks (1) variiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die den Kühlkörper (11) durchströmende Kühlluft (14) anschliessend unmittelbar über der Abdeckblende (10) seitlich auf die Oberfläche des Werkstücks (1) geblasen

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wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der in den in das Salzbad (5) eintauchenden Teil des Werkstücks (1) fliessende laterale Wärmestrom weitgehend unterdrückt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der laterale Wärmestrom durch einen Ueberzug (19) aus keramischem wärmeisolierenden Material oder durch eine Hülle (20) aus wärmeisolierendem Material oder durch ein in einem Rohr (21) eingeschlossenes, das Werkstück (1) umhüllendes thermisches Isoliermaterial (22) weitgehend unterdrückt wird.