DE3513213A1

DE3513213A1 - Verfahren zur keimbildung in hochlegierten metallen

Info

Publication number: DE3513213A1
Application number: DE19853513213
Authority: DE
Inventors: Joseph M. Remsen N.Y. Wentzell
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-04-17
Filing date: 1985-04-12
Publication date: 1985-10-24
Also published as: US4588019A; FR2562822A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle der Verfestigung von Metallbädern und insbesondere zur Kontrolle der Verfestigung von Bädern von Superlegierungen, zum Beispiel Legierungen von Nickel, Kobalt, Eisen oder Kombinationen davon. Solche Legierungen sind hochlegiert und haben breite Liquidus-Solidus-Bereiche und schlechte thermische Leitfähigkeiten. Bei solchen Superlegierungen kann es sehr leicht zu Aussonderungs- bzw. Seigerungserscheinungen kommen, wenn diese Legierungen aus der Schmelze erstarren gelassen werden. Dies ist auf zahlreiche intermetallische Verbindungen, die sich während des Abkühlens bilden können, und die Kombination von breiten Liquidus-Solidus-Bereichen und niedrigen thermischen Leitfähigkeiten, die diese Legierungen charakterisieren, zurückzuführen.

Es sind bereits viele Techniken vorgeschlagen worden, um den Wärmeabfluß zu erleichtern und thermische Gradienten während des Vakuum- und Druckbogenschmelzens abzubauen. Zwei der üblichsten Techniken sind in der US-PS 3 353 505 beschrieben, und sie schließen die bekannte Technik des Umkehrrührens ein.

Die vorliegende Erfindung gestattet nun, daß der Erschmelzer von Superlegierungen sehr große Barren aus Superlegierungen gießen kann, die von groben Seigerungs- bzw. Aussonderungserscheinungen frei sind. Dies wird in der Weise bewerkstelligt, daß man den zu gießenden geschmolzenen Pool kontinuierlich mit feinverteiltem Metallpulver, vorzugsweise mit der gleichen Legierungszusammensetzung wie die zu gießende Legierung, beimpft. Dies führt zu Barren mit kontrollierter Keimbildung, die eine feinkörnige äquiaxiale Struktur haben.

Die Beimpfung von geschmolzenem Metall mit Keimbildungsstellen ist zwar schon vorgeschlagen worden, doch haben Versuche, diese Technik praktisch zu nutzen, deswegen fehlgeschlagen, weil das Metallpulver auf der Oberfläche der Metallegierung des Bades schwimmt, bis es von der voranschreitenden erstarrenden Front aufgefangen wird, ohne daß es jemals in den Schmelzpool in einem Bereich eintreten kann, wo es die Abkühlung und die Keimbildung des Bades wirksam kontrollieren kann.

Es wurde nun gefunden, daß dieses Problem das Ergebnis von zwei Effekten ist, nämlich der hohen Oberflächenspannung der Superlegierungen und der Oxidpatina auf der Oberfläche der Superlegierungspulver, die verhindert, daß das Metallpulver in das Bad einsinkt. Es wurde nun gefunden, daß, wenn man die Oxidpatina vollständig von der Oberfläche des Pulvers eliminieren kann und wenn man die Oberfläche des geschmolzenen Metalls kontrollieren kann, dann die Metallpulverteilchen in das Bad eintreten und wirksame Keimbildungsstellen bilden. Es wurde weiterhin gefunden, daß, wenn die Metallpulverteilchen sehr sauber und im wesentlichen von Oberflächenverunreinigungen frei gehalten werden und wenn das Bad sauber und von Oberflächenverunreinigungen frei gehalten wird, dann die Metallteilchen sich rasch in dem Bad auflösen können. Je kleiner die Teilchen sind, desto rascher erfolgt die Auflösung der Teilchen. Um feine Körner zu nukleieren und ein thixotropisches Bad zu gießen, werden vorzugsweise etwa 13 Gew.-% Pulver zu dem geschmolzenen Bad zugesetzt, wenn es gegossen oder bogengeschmolzen wird. Idealerweise wird dies in der Weise bewerkstelligt, daß man ein sehr sauberes feines Pulver zu einer sauberen Schmelze zusetzt. Nachteiligerweise werden gewöhnlich solehe idealen Bedingungen, obgleich sie möglich sind, in technischen Schmelzanlagen nicht aufgefunden.

Es wurde nun jedoch weiterhin gefunden, daß die vorliegende Erfindung auch in weniger sauberen Umgebungen ausgeübt werden kann, indem man das Pulver in einer Fraktion mit kontrollierter Größe durch eine Schlackendecke auf der Schmelze zusetzt. Diese Schlacke ist dazu imstande, die Oxidpatina auf den Metallteilchen zu benetzen. Die Schlackendecke sollte oberhalb der Schmelztemperatur des mit der Patina gebildeten eutektischen Oxids, aber unterhalb der Schmelztemperatur der Metallteilchen gehalten werden, wobei man sich der Tatsache bewußt sein soll, daß die Schmelztemperatur der Teilchen bei Verminderung der Teilchengröße verringert wird. Die Schlackendecke sollte auch so ausgewählt werden, daß sie eine relativ hohe Oberflächenspannung aufweist, die jedoch niedrig genug ist, um zu gestatten, daß'die Teilchen in die Schlacke eintreten und in der Schlacke wirksam sein können, um die Oxidpatina zu entfernen und um in das Bad der Superlegierung eintreten zu können. Die höhere Oberflächenspannung der Schlacke vermindert die Grenzflächenenergie zwischen der Schlacke und dem geschmolzenen Metallbad, wodurch ein leichterer Eintritt der Metallteilchen, die durch die Schlacke wandern, in das Bad gestattet wird, wenn die Patina nicht vollständig aufgelöst worden ist. Solche Schlacken können aus Gemischen aus Calciumoxid, Siliciumdioxid und Flußspat gebildet werden. Die Grenzflächenenergie ist ungefähr der mathematischen Differenz der Oberflächenspannungen der zwei Flüssigkeiten gleich.

Die Erfindung wird in dem folgenden Beispiel näher erläutert.
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Beispiel

Ein Barren mit einem Durchmesser von 15,24 cm aus der Superlegierung Inco 718 mit einer nominalen Zusammensetzung von 18,5% Fe, 18,6% Cr, 3,1% Mo, 0,9% Ti, 0,0% Al, 0,2% Mn,

0,3% Si, 0,04% C wurde in einem ESR-Bogenofen unter einer CaO-Feldspat-Schlackendecke gegossen. Nachdem der Bogen geschlagen worden war und ein geschmolzener Pool aus Metall mit einer damit nicht mischbaren flüssigen Schlackendecke ausgebildet worden war, wurde ein Pulver mit plus 80 Mesh aus der Legierung Inco 718, das der Luft ausgesetzt worden war, auf die Oberseite der Schlackendecke dosiert aufgebracht, wobei ein Strom mit einer Spannung von 24,5 Volt und einer Stromstärke von 3000 Ampere aufrechterhalten wurde. Nachdem sich ein Barren mit einem Aufstau von ungefähr 10,16 cm angesammelt hatte, wurde die Stromstärke um 33% erhöht, und es wurden weitere 10,16 cm Barren zur Abscheidung gebracht. Die Stromzuführung wurde konstant gehalten.

Beim Aufschneiden des Barrens wurde festgestellt, daß die Korngröße klein war und in der Zone, die bei niedrigerer Stromstärke aufgeschmolzen worden war, äquiaxial war. In der Zone, die bei höherer Stromstärke aufgeschmolzen worden war, waren die Körner säulenförmig. Die Ergebnisse zeigen, daß bei der niedrigeren Spannung das Pulver in den Pool der Metallschmelze in die feste Masse oder zusammen mit einem Soliduseinfangen eintrat, während die feinen Körner nukleierten. Dagegen wurde bei der höheren Stromstärke das Pulver vollständig aufgeschmolzen, und es wirkte nicht als Keimbildungssteilen.

Bewertungen der Sauberkeit, bestimmt durch Wiederaufschmelzen von Proben in einem Elektronenbundelofen, zeigten keine Unterschiede hinsichtlich der Geschwindigkeiten, mit denen das Pulver in das Metallbad im Soliduszustand eintrat und mit der es in die vollständig aufgeschmolzene Schmelze eintrat, was darauf hinweist, daß die Schlackendecke das Pulver reinigte.

Claims

KRAUS ■ WEISERT & PARTNER UND ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT DR. WALTER KRAUS DIPLOMCHEMIKER ■ DR.-INQ. DIPL1-INQ. ANNEKÄTE WEISERT · DIPL.-PHYS. JOHANNES SPIES IRMGARDSTRASSE 15 · D-8OOQ MÜNCHEN 71 . TELEFON O89/79 7O 77 TELEGRAMM KRAUSPATENT · TELEX 5-212156 kpat d · TELEFAX (O89) 7 91 82 33 4926 WK/an ^ JOSEPH M. WENTZELL W Remsen, N.Y. 13438, USA Verfahren zur Keirabildung in hochlegierten Metallen PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Keimbildung in hochlegierten Metallen, dadurch gekennzeichnet , daß man in Stufen

(a) eine Metallegierung schmilzt;

(b) zu der geschmolzenen Metallegierung ein Pulver aus einer Metallegierung mit verträglicher Zusammensetzung unter solchen Bedingungen zusetzt, daß das Pulver in das geschmolzene Metall im wesentlichen von Oberflächenverunreinigungen frei eintritt; und

(c) das Metall zur Verfestigung abkühlt. 10

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß man ein Metallpulver mit kontrollierter Korngröße verwendet, um eine gewünschte Abkühlungskontrolle zu erhalten, um die Segregation und die Korngröße zu kontrollieren.

Um w ο

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß man das Metall unter verminderten Sauerstoffbedingungen schmilzt und daß man das Metallpulver von Oberflächenverunreinigungen frei hält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

ν zeichnet, daß man das geschmolzene Metall mit einer geschmolzenen Schlacke kontrollierter Zusammensetzung versieht, durch welche das Metallpulver zugesetzt wird, um Oberflächenverunreinigungen ohne vollständige Auflösung der Pulverteilchen zu entfernen.

5. . Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß man die Schlacke auf eine spezifi- sehe Oberflächenspannung kontrolliert, um die Übertragung der Metallteilchen von der Schlacke zu dem geschmolzenen Bad zu erleichtern.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver die gleiche Zusammensetzung wie das geschmolzene Metallbad hat.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das geschmolzene Metall in einem Bogenofen enthalten ist und daß man hierzu das Pulver zusetzt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das geschmolzene Metall in einem Bo- genofen enthalten ist und daß man hierzu das Pulver zusetzt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man das geschmolzene Metall in eine kontinuierliche Gußmaschine gießt und daß man das Pulver hierzu zusetzt.

10, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß man das geschmolzene Metall zu einem statischen Barren absticht und daß man das Metallpulver während des Abstechens zusetzt.