DE3727360A1

DE3727360A1 - Verfahren zur herstellung eines werkstuecks aus einer korrosions- und oxydationsbestaendigen ni/al/si/b-legierung

Info

Publication number: DE3727360A1
Application number: DE19873727360
Authority: DE
Inventors: Mohamed Yousef Dr Nazmy
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1986-09-02
Filing date: 1987-08-17
Publication date: 1988-03-03
Also published as: JPS6362854A; US4820354A; GB2194550B; GB2194550A; CH669396A5; GB8720266D0

Description

Technisches Gebiet

Legierungen auf der Basis der bekannten intermetallischen Verbindungen Ni₃Al mit guter Warmfestigkeit im mittleren Temperaturbereich von 500 bis 700°C. Verhältnismäßig niedrige Dichte von ca. 7,3 g/cm³. Verbesserung der Eigenschaften durch Zusätze von Silizium und Bor.

Die Erfindung bezieht sich auf das Erschmelzen und Ab gießen von auf der intermetallischen Verbindung Ni₃Al mit weiteren Zusätzen modifizierten Legierungen und das thermische und thermomechanische Weiterverarbeiten zu prozeßgerechten brauchbaren Werkstücken mit hinreichender Korrosionsbeständigkeit und Duktilität.

Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einer korrosions- und oxydationsbe ständigen Ni/Al/Si/B-Legierung.

Stand der Technik

Die intermetallische Verbindung Ni₃Al hat einige interessante Eigenschaften, welche sie als Konstruktionswerkstoff im mittleren Temperaturbereich als attraktiv erscheinen lassen. Ihrer technischen Verwendbarkeit in der vorliegenden Form stehen allerdings ihre Sprödigkeit und ihr ungenügender Korrosionswiderstand entgegen. Erstere kann zwar durch Zusätze von Bor verbessert werden, wobei auch höhere Festigkeitswerte erreicht werden (Vergl. C. T. Liu et al, "Nickel Aluminides for structural use" Journal of Metals, May 1986, pp. 19-21). Nichts destoweniger hat dieses Verfahren, selbst unter Anwendung hoher Abkühlungsgeschwindigkeiten bei der Erzeugung von Bändern zu keinen praktisch brauchbaren Ergebnissen geführt.

Die Korrosions- und Oxydationsbeständigkeit derartiger, auf Ni₃Al beruhender Legierungen kann durch Zusätze von Silizium oder Chrom verbessert werden (Vergl. M.W. Grünling und R. Bauer, "The role of Silicon in corrosion resistant high temperature coatings", Thin Films, Vol. 95, 1982, pp. 3-20). Im allgemeinen ist das Zulegieren von Silizium der gangbarere Weg als dasjenige von Chrom, da die gleich zeitig auftretende intermetallische Verbindung Ni₃Si in Ni₃Al vollständig mischbar ist. Es handelt sich also um isomorphe Zustände, wobei keine weiteren, unerwünschten Phasen gebildet werden (Vergl. Shouichi Ochiai et al, "Alloying behavious of Ni₃Al, Ni₃Ga, Ni₃Si and Ni₃Ce", Acta Met. vol. 32, No. 2, pp. 289, 1984).

Die Eigenschaften dieser bekannten modifizierten Ni₃Al- Werkstoffe genügen den technischen Anforderungen im all gemeinen noch nicht, um daraus brauchbare Werkstücke herzustellen.

Es besteht daher ein großes Bedürfnis, Wege zu finden, welche die technische Verwendbarkeit der auf Ni₃Al basierenden Legierungen ermöglichen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einer Ni/Al/Si/B-Legierung, die als wesentlichen Bestandteil Ni₃Al enthält, anzugeben, welches Erzeugnisse von gleichzeitig hoher Korrosions- und Oxydationsbeständigkeit und guter Warm festigkeit sowie hoher Duktilität liefert.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim eingangs erwähnten Verfahren eine Legierung mit

12 bis 23 Atom-% Al,
1 bis 12 Atom-% Si,
0,1 bis 2 Atom-% B, wobei
Al + Si + B = 24 Atom-%, und
Rest Ni

im Vakuum-Induktionsofen geschmolzen und zu einem Barren vergossen wird, welcher anschließend bei einer Temperatur von 1100°C während 60 h unter Argonatmosphäre geglüht, abgekühlt und mechanisch von seiner Gußhaut und Zunderschicht befreit wird, worauf der bearbeitete Barren in eine weiche Stahlkapsel eingesetzt und letztere ver schlossen wird, und daß das Ganze im Temperaturbereich zwischen 1050 und 1150°C mit einer Verformungsgeschwindigkeit = 6 · 10^-5s^-1 isotherm bis zu einer Verformung ε = 1,6 verformt wird, wobei

h₀= ursprüngliche Höhe des Werkstücks, h= Höhe des Werkstücks nach Umformung

bedeuten.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden Ausführungs beispiels erläutert.

Ausführungsbeispiel I

Eine Legierung der nachfolgenden Zusammensetzung wurde unter Vakuum im Induktionsofen erschmolzen:

Al= 12 Atom-% Si= 11 Atom-% B= 1 Atom-% Ni= Rest (76 Atom-%)

Die Schmelze wurde zu Gußblöcken von ca. 60 mm Durchmesser und ca. 60 mm Höhe abgegossen. Die Gußblöcke wurden hierauf einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1100°C während 60 h in Argonatmosphäre unterworfen. Nach der Wärmebehandlung wurde die Gußhaut mechanisch entfernt, indem eine Oberflächenschicht von ca. 1 mm Dicke abgedreht wurde. Dann wurden die zylindrischen Blöcke in passende Kapseln aus weichem Kohlenstoffstahl eingeschoben und letztere dicht verschweißt. Die einge kapselten Werkstücke wurden nun bei einer Temperatur von 1100°C isotherm geschmiedet. Die Umformung bestand in einem Stauchen bis zu einer Verformung ε = 1,6, wobei

h₀= ursprüngliche Höhe des Werkstücks, h _f= Höhe des Werkstücks nach Umformung

bedeuten. Die Verformungsgeschwindigkeit betrug bei Beginn des Schmiedeprozesses 6 · 10^-5s^-1. Die für das Stauchen benötigten Preßkräfte waren verhältnismäßig niedrig. Im vorliegenden Fall betrugen sie ca. 500 kN, was einem Anfangsdruck von ca. 200 MPa entsprach.

Durch dieses Beispiel wurde die ausgezeichnete Umformbarkeit des vorbehandelten Werkstoffs demonstriert, betrug doch die bei Rißfreiheit erreichte Höhenabnahme beim Stauchen ca. 80%.

Ausführungsbeispiel II

Nach der unter Beispiel I angegebenen Weise wurde eine Legierung der nachfolgenden Zusammensetzung erschmolzen:

Al= 18 Atom-% Si= 5,55 Atom-% B= 0,45 Atom-% Ni= Rest

Die Schmelze wurde zu prismatischen Walzbarren von 100 mm×80 mm×20 mm abgegossen. Diese wurde zunächst wärmebehandelt und die Gußhaut mechanisch entfernt. Daraufhin wurden die Barren kaltgewalzt. Die Höhenabnahme (=Querschnittsabnahme) betrug ca. 40%. Am gewalzten Halbzeug konnten keinerlei Risse wahrgenommen werden, was für die ausgezeichnete Duktilität des Materials spricht.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.

Die Legierung kann grundsätzlich die nachfolgende Zusammen setzung haben:

Al= 12 bis 23 Atom-% Si= 1 bis 12 Atom-% B= 0,1 bis 2 Atom-%, wobei
Al + Si + B = 24 Atom-%, Ni= Rest

Das Werkstück kann nach der Wärmebehandlung oder nach dem isothermen Schmieden einem Kaltverformungsprozeß mit bis 40% Querschnittsabnahme unterworfen werden. Letzterer kann zum Beispiel in einem Kaltwalzen bestehen.

Der isotherme Schmiedeprozeß kann an einem Schmiedestück derart geführt werden, daß das Werkstück am Schluß die Form einer Gasturbinenschaufel hat. Dies ist sehr wesentlich, da solche Formen in der Regel nur mit Schwie rigkeiten ohne Anreißen zu verwirklichen sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einer korrosions- und oxydationsbeständigen Ni/Al/Si/B-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung mit Al= 12 bis 23 Atom-% Si= 1 bis 12 Atom-% B= 0,1 bis 2 Atom-%, wobei Al + Si + B = 24 Atom-%, und
Ni= Restim Vakuum-Induktionsofen geschmolzen und zu einem Barren vergossen wird, welcher anschließend bei einer Temperatur von 1100°C während 60 h unter Argonatmosphäre geglüht, abgekühlt und mechanisch von seiner Gußhaut und Zunderschicht befreit wird, worauf der bearbeitete Barren in eine weiche Stahlkapsel ein gesetzt und letztere verschlossen wird, und daß das Ganze im Temperaturbereich zwischen 1050 und 1150°C mit einer Verformgeschwindigkeit = 6 · 10^-5s^-1 isotherm bis zu einer Verformung ε = 1,6 verformt wird, wobei h₀= ursprüngliche Höhe des Werkstücks, h= Höhe des Werkstücks nach Umformungbedeuten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung die nachstehende Zusammensetzung hat: Ni= 76 Atom-% Al= 16 Atom-% Si= 5,55 Atom-% B= 0,45 Atom-%

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück nach dem isothermen Schmieden die Form einer Gasturbinenschaufel hat.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück nach dem isothermen Schmieden einem Kaltverformungsprozeß mit bis 40% Querschnittsabnahme unterworfen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltverformungsprozeß in einem Kaltwalzen besteht.