DE3446176A1

DE3446176A1 - Verfahren zur waermebehandlung von superlegierungen vor dem isostatischen warmpressen

Info

Publication number: DE3446176A1
Application number: DE19843446176
Authority: DE
Inventors: Edgar E. Brown; Robert W. South Windsor Conn. Hatala
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1983-12-27
Filing date: 1984-12-18
Publication date: 1985-07-04
Also published as: GB2152075B; JPS6362582B2; IL73862A0; GB8431278D0; US4662951A; NO845118L; BE901249A; FR2557146B1; IL73862A; NO162569B; CA1243508A; SE8406446L; SE461987B; IT1181943B; SE8406446D0; GB2152075A; DE3446176C2; FR2557146A1; JPS60159158A; IT8424263A0

Description

Verfahren zur Wärmebehandlung von Superlegierungen vor dem isostatischen Warmpressen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmebehandlung, der bestimmte Superlegierungs-Gußstücke unterzogen werden können, um ein Schmelzen zu verhindern und die Ergebnisse einer anschließenden isostatischen Warmpreßbehandlung (HIP-Behandlung) zu verbessern.

Superlegierungen oder hochwarmfeste Legierungen sind Materialien, üblicherweise auf Nickel- oder Kobalt-Basis, die bei Temperaturen in der Größenordnung von 538°C und darüber nützliche Eigenschaften zeigen und auf dem Gebiet der Gasturbinentriebwerke verwendet werden. Superlegierungen behalten ihre Festigkeit bis zu Temperaturen in unmittelbarer Nähe ihrer Schmelztemperatur bei. Infolge dieser extrem erhöhten Temperaturfestigkeit können Superlegierungen nur schwierig geschmiedet werden und werden oft iⁿ gegossener Form verwendet. Das Gießen erlaubt auch eine wirtschaftliche Herstellung von komplexen Formen, die nur ein Minimum an anschließender spanabhebender Bearbeitung erfordern. Die Eigenschaften der Gußstücke sind jedoch durch die Porosität begrenzt, zu der es während des •25 Gießens unvermeidlich kommt. Die Porosität wirkt sich schädlich auf die mechanischen Eigenschaften aus und kann insbesondere die Hochtemperatureigenschaften, wie beispielsweise die Zugduktilitätsspannungs-Bruch-Lebensdauer sowie die Ermüdung bei niedrigen Lastspielzahlen vermindern. Die komplexen Superlegierungen neigen gelegentlich auch dazu, unter bestimmten Bedingungen niedrig schmelzende Phasen auszubilden.

Die als isostatisches Warmpressen oder als HIP bekannte Technik wurde entwickelt, um die Porosität in Gußgegenständen zu vermindern. Bei dem HIP-Verfahren werden ge-

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gossene Gegenstände in einer Kammer angeordnet und auf erhöhte Temperatur erhitzt, während die Kammer gleichzeitig mit einem Hochdruck-Inertgas gefüllt wird.

Für viele Superlegierungen sind typische Bedingungen des HIP-Verfahrens ein Gasdruck von etwa 103,4 MPa und eine Temperatur von etwa 1093-1204⁰C. Die erhöhte Temperatur macht das Material relativ weich und duktil, und der hohe Gasdruck erzwingt ein Schließen von inneren Hohlräumen.

Gleichzeitig kommt es zu einer Homogenisierung, die die Eigenschaften des Gegenstandes weiter verbessert. Da Superlegierungen ihre Festigkeit bis zu extrem hohen Temperaturen beibehalten, wird die HIP-Behandlung von Superlegierungen häufig bei einer Temperatur im Bereich von 55⁰C unterhalb ihrer üblichen Anschmelζtemperatur durchgeführt.

In jüngerer Zeit wurden im Zuge der Bemühungen, die Kosten und das Gewicht von Gasturbinentriebwerken zu vermindern, große komplexe Superlegierungs-Gußstücke als Ersatz für komplexe Teile untersucht, die gegenwärtig dadurch hergestellt werden, daß man Schmiedestücke spanabhebend behandelt. Eine besonders nützliche Legierung für bestimmte Anwendungszwecke ist bekannt als Inconel 718 (Nominalzusammensetzung Ni-19Cr-18Fe-5,2Nb-3Mo-0,9Ti-O,6Α1-0,05C).

Nachdem viele mit dem Gießen verbundene Probleme gelöst wurden und scheinbar nützliche Gußstücke hergestellt worden waren (die jedoch eine Porosität aufweisen), wurden die Gußstücke der üblichen HIP-Behandlung unterzogen, um die Porosität und die Entmischung zu vermindern. Im Anschluß an die HIP-Behandlung wurden Versuche unternommen, Gußstücke durch Schweißen zu reparieren. Beim Schweißen des HIP-behandelten Materials stieß man jedoch auf Schwierigkeiten, da es zu einem beträchtlichen Schweißspritzen, begleitet von einer anormalen Porosität der Schweißnaht

kam. Es wurde ferner beobachtet, daß in bestimmten Bereichen des Gußstückes eine gewisse interne Porosität nicht eliminiert wurde. Nach einer sorgfältigen und langwierigen Untersuchung wurde festgestellt, daß die beobachteten Schwierigkeiten das Ergebnis des Einschlusses von Hochdruck-HIP-Medium (Argongas) in Poren war, die mit der Oberfläche entweder direkt oder über die Korngrenzen verbunden waren. Zu diesen Gaseinschlüssen kam es offensichtlich, wenn bei der HIP-Temperatur ein lokales Schmelzen des Gegenstandes erfolgte. Ein Gas, das auf dem Wege einer mit der Oberfläche verbundenen Porosität oder über die Korngrenzen in den Gegenstand eingedrungen war, wurde durch Wiederverfestigung des geschmolzenen Materials gefangen. Es wurde festgestellt, daß derartige Gaseinschlüsse in solchen Bereichen des Gußstücks erhalten wurden, bei denen es während des Gießverfahrens zu einer niedrigen Abkühlgeschwindigkeit kam, und daß die Wurzel des Problems die Gegenwart von niedrigschmelzenden Laves-Phasen in solchen Bereichen des Gußstücks war, die langsam abgekühlt worden waren. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung dieses Problems und der Entwicklung einer Lösung, die nachfolgend beschrieben wird.

Die US-PSen 2 798 827; 3 753 790 und 3 783 032 lehren die Anwendung von Wärmebehandlungen bei Temperaturen unterhalb, jedoch in der Nähe der Anschmelztemperatur für Zeiträume, die ausreichen, eine teilweise Homogenisierung niedrigschmelzender Bereiche in Superlegierungs-Gegenständen zu erreichen, insbesondere bei Turbinenschaufeln, deren Anschmelzen eine ordnungsgemäße Wärmebehandlung störte. Keines dieser Patente betrifft explizit Laves-Phasen, die in der Legierung Inconel 718 anwesend sind, noch betrifft eines dieser Patente das Problem der Gaseinschlüsse während der HIP-Behandlung von Gußstücken auf Nickelbasis.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Ver-

fahren zur HIP-Behandlung von Superlegierungs-Gegenständen so zu verbessern, daß es bei der HIP-Behandlung nicht zu Gaseinschlüssen kommt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung zu entnehmen,

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Behandlung von Superlegierungs-Gußstücken zur weitgehenden Entfernung niedrigschmelzender Phasen, um die Anschmelztemperatur der Legierung so anzuheben, daß die Legierung einer HIP-Behandlung unterzogen werden kann, ohne daß es zu einem nennenswerten Anschmelzen kommt, so daß das behandelte Gußstück frei von schädlichen Mengen eingeschlossener Gase ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Wärmebehandlung vor der HIP-Behandlung durchgeführt, und diese HIP-Behandlung umfaßt die Anwendung einer Temperatur in der Nähe, jedoch unterhalb der Anschmelztemperatur für eine solche Zeit, die die Anschmelztemperatur auf eine Temperatur über derjenigen steigert, die im HIP-Verfahren angewandt werden wird.

Es können auch stufenweise Wärmebehandlungen, zur Anwendung kommen, so daß mit der Erhöhung der Anschmolztemperatur des Gegenstandes die Wärmebehandlungstemperatur ebenfalls erhöht wird, um die Zeit abzukürzen, die zum Erreichen der gewünschten Ergebnisse erforderlich ist.

Die Wärmebehandlung kann vor dem HIP-Verfahren durchgeführt werden, oder sie kann ein Teil der HIP-Behandlungssequenz sein, und sie kann in der HIP-Vorrichtung mit oder ohne Anlegen eines Gasdrucks durchgeführt werden .

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung

wird die Wärmebehandlung des Gegenstandes in einer nichtoxidierenden Umgebung ohne Anlegen eines HIP-Drucks unter Bedingungen durchgeführt, die ein Schmelzen der Phasen mit niedrigem Schmelzpunkt bewirken, da die Diffusionsgeschwindigkeiten beträchtlich erhöht werden,und die Zeit, die zur Erreichung des gewünschten Ergebnisses erforderlich ist, wird beträchtlich vermindert. Die obigen Ausführungen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den , Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die Figuren erläutert werden.

Es zeigen:
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Fig. 1 ein Schliffbild der Legierung Inconel

im frisch gegossenen Zustand;

Fig. 2 ein Schliffbild einer gegossenen Inconel 718-Legierung nach einem Erwärmen auf

1190⁰C;

Fig. 3 und 4 Photographien von gegossenem Inconel 718-Material nach einer HIP-Behandlung bei 1190⁰C; und

Fig. 5 ein Schliffbild einer gegossenen Inconel

718-Legierung, die der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung unterzogen und dann bei 1190⁰C einer HIP-Behandlung unterzogen

wurde.

Nachfolgend wird die Erfindung im Hinblick auf die Legierung Inconel 718 beschrieben, die in weitem Umfange für die Herstellung von komplexen Gußstücken zur Verwendung bei mittleren Temperaturen verwendet wird. Es ist

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dem Fachmann jedoch klar, daß die Erfindung leicht auf andere Legierungen übertragen werden kann, wenn der Fachmann sein Routinewissen heranzieht.

Inconel 718 weist eine Nominalzusammensetzung von 53N1-19Cr-18Fe-5/2Nb-3Mo-0,9Ti-O,6Al-O,05C auf und kann bei etwa 1190°C etwa 4 Stunden bei einem Argondruck von etwa 103,4 MPa HIP-behandelt werden. Die HIP-Temperatur wird so ausgewählt, daß box ihr der Logierungs-Fließwiderstand ausreichend niedrig ist, um ein Ausheilen der Porosität bei einem isostatischen Druck von 103,4 MPa zu ermöglichen. Andere Umstände (andere Legierungen, Gasdrücke usw.) machen andere HIP-Temperaturen erforderlich. Der Fachmann kann auf einfache Weise die HIP-Bedingungen im erforderlichen Sinne modifizieren.

Bei einem Inconel 718-Material wird die Bildung von Laves-Phasen der allgemeinen Formel (Fe, Cr, Mn, Si)2 (Mo, Ti, Nb) beobachtet, wenn die Verfcstigungsgeschwindigkeit geringer ist als etwa 55°C pro Minute. Der Volumenanteil der Laves-Phasen ist der Verfestigung umgekehrt proportional, wie in Tabelle I gezeigt ist. Demgemäß werden in einem gegossenen Inconel 718-Material die Laves-Phasen in solchen Bereichen gefunden, in denen dicke Querschnitte des Gußstücks zu einer langsamen Abkühlgeschwindigkoit geführt haben. Laves-Phasen (Inconel 718) schmelzen innerhalb eines angenäherten Temperaturbereichs von 1149⁰C bis 1177⁰C, und zwar etwa 14°C bis 42°C unterhalb der Temperatur, die für eine ordnungsgemäße HIP-Verarbeitung des Materials erforderlich ist.

Verfestigungs- Volumen-Prozent

geschwindigkeit Laves-Phasen

> 55°C/min < 1

17°C/min 5

5,5°C/min 7

Die vorliegende Erfindung umfaßt die Wärmebehandlung des Materials, um die niedrigschmelzenden Phasen im wesent-

^O lichen zu homogenisieren, um sie entweder zu eliminieren oder ihre Schmelztemperatur auf eine Temperatur oberhalb von etwa 1190⁰C (d.h. die beabsichtigte IIIP-Temperatur) zu erhöhen. Es dürfte einzusehen sein, daß obwohl eine vollständige Homogenisierung und/oder eine Erhöhung der Anschmelztemperatur ungefähr auf die HIP-Temperatur bevorzugt ist, solche Ergebnisse nicht immer erforderlich sein müssen. Insbesondere kann festzustellen sein, daß eine gewisse Menge (z.B. weniger als 1%) an Anschmelzen toleriert werden kann. In einem solchen Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren so modifiziert werden, daß dieses nützliche (wenn auch weniger perfekte) Ergebnis erhalten wird. Tabelle II gibt eine Reihe von Wärmebehandlungen an, die untersucht wurden. Diese Behandlungen wurden auf ein Inconel 718-Gußstück angewandt, das etwa 7 Vol.-% Laves-Phase enthielt. Die Behandlungen A und B führten z\i einer völligen Homogen i nicrung dor Struktur, und es kam weder während der Wärmebehandlung noch während des anschließenden HIP (bei 1190⁰C) zu einem Schmelzen. Die Behandlungen C und D führten zu keiner vollstän-

gO digen Homogenisierung der Struktur, obwohl das Ausmaß des Schmelzens beim anschließenden HIP bei 1190° bis zu dem Punkt vermindert war, daß Gaseinschlüsse verhindert oder bis auf ein nicht mehr nachweisbares Ausmaß vermindert war. Die Behandlungen E und F führten zu einem ge-

gc wissen Anschmelzen während der Wärmebehandlung und eliminierten oder verminderten während des anschließenden

HIP das Schmelzen soweit, daß die Bildung von Gaseinschlüssen verhindert wurde .

Tabelle II

HIP-Wänrevorbehandlungen von gegossenem Inconel 718 zur Verhinderung oder Verminderung des Anschmelzens

Behandlung Λ Behandlung B Behandlung C Behandlung D Behandlung E

Behandlung F

1149°C (24 h) 1133°C (8h) +1149°C (16 h) 1149°C ( 8 h) 1149°C (16 h) 1149°C (2h)+ 1163°C (2 h) + 1177°C (2 h) 1133°C (2h) +1149°C (2 h) + 1163°C (2h) +1175°C (2 h)

Da die Menge der Entmischung mit niedrigem Schmelzpunkt für unterschiedliche Gußstück-Konfigurationen infolge von Unterschieden bei den Verfestigungsgeschwindigkeiten variiert, variiert auch die spezifische Behandlung, die erforderlich ist, das Anschmelzen während der anschließenden HIP-Behandlung vollständig oder beträchtlich zu vermindern, wenn die Form des Gußstücks und die exakte Chemie variieren. Die Behandlungen A und B scheinen für Gußstücke wirksam zu sein, die das höchste Ausmaß an Entmischung zeigen. Die Behandlungen C und D sind für solche Gußstücke wirksam, die einen geringeren Entmischungsgrad aufweisen. Die Behandlungen E und F veranschaulichen Behandlungen, bei denen die Temperatur während der Behandlung fortschreitend erhöht wird. Das ist möglich, weil die Laves-Phasen abnehmen und/oder die Anschmelztemperaturen infolge von Diffusion zunehmen. Bei solchen Behandlungen, die zu einem Anschmelzen während der Behandlung führen, sollte die Behandlung nicht in der HIP-Vorrichliung (unter Überdruckbedingungen) durchgeführt werden, da es dabei zu Gaseinschlüssen kommen könnte.

Verschiedene mikrostrukturelle Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der bekannten Verfahren sind in den Figuren gezeigt. Fig. 1 zeigt die MikroStruktur von Inconel 718 im frisch gegossenen Zustand. Die diskreten Bereiche in der Darstellung sind die niedrigschmelzenden Laves-Phasen. Fig. 2 zeigt ein Schliffbild des Materials gemäß Fig. 1 nach einem Erhitzen auf 1190⁰C, eine Temperatur, die innerhalb des üblichen Temperaturbereichs für die IIIP-Behandlung von Inconel 718 liegt. Es ist zu einem wesentlichen Schmelzen gekommen, und die Eigenschaften des Materials haben sich dadurch unannehmbar verschlechtert. Die Fig. 3 und 4 zeigen mikrostrukturelle Merkmale des Inconel 718-Materials nach einer HIP-Behandlung bei 1190⁰C. In Fig. 3 ist eine Porosität zu erkennen, die auf ein lokales Schmelzen zurückgeführt wird; diese Porosität zeigt an, daß das Ziel des HIP-Verfahrens nicht erreicht wurde. Fig. 4 zeigt Bereiche, die während der HIP-Behandlung schmolzen, und ein derartiges Material mit solchen Merkmalen ist für eine Anwendung in Gasturbinentriebwerken nicht akzeptabel. Fig. 5 zeigt ein Schliffbild eines Materials, das gemäß der vorliegenden Erfindung wärmebehandelt wurde (1133°C/8 h plus 1149°C/16 h) und anschließend einer HIP-Behandlung bei 1133°C unterzogen wurde. Es sind keine Schmelzspuren vorhanden, und es ist keinerlei Porosität zu erkennen.

Obwohl die vorliegende Erfindung in der vorliegenden Beschreibung im Hinblick auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel· beschrieben wurde, ist es für den Fachmann selbstverständlich, daß zahlreiche Veränderungen und Weglassungen bei den beschriebenen Einzelheiten möglich sind, ohne daß der Bereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

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Claims

Anm.: United Technologies Corporation Hartford, Ct. 06101, V.St.A. Az: 303 AS/sc Verfahren zur Wärmebehandlung von Superlegierungen vor dem isostatischen Warmpressen Patentansprüche

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Superlegierungen vor dem isostatischen Warmpressen zur Verbesserung des Verhaltens eines Superlegierungs-Materials, das Phasen enthält, die in der Nähe, jedoch unterhalb der Temperatur des isostatischen Warmpressens einem Anschmelzen unterliegen, beim Warmpressen durch Verminderung der Gaseinschlüsse, dadurch gekennzeichnet , daß es umfaßt:

- eine Wärmebehandlung des Materials bei einer Temperatur in der Nähe, jedoch unterhalb der für das beabsichtigte isostatische Warmpressen gewählten Temperatur für einen solchen Zeitraum, der ausreicht, die Anschmelζtemperatur zu erhöhen, wodurch ein schädliches Schmelzen und die Bildung von Gaseinschlüssen während des Arbeitszyklus des isostatischen Warmpressens beträchtlich vermindert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur während der Behandlung fortschreitend erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschmelztemperatur auf eine Temperatur über der für das beabsichtigte isostatische Warmpressen gewählten Temperatur angehoben wird.