DE3738923A1 - Verfahren zur herstellung hartloetbarer superlegierungen - Google Patents
Verfahren zur herstellung hartloetbarer superlegierungenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Bear
beitung und Wärmebehandlung von Superlegierungen und
insbesondere die Herstellung dünner metallischer Bleche,
von Stäben mit geringem Durchmesser und Drähten sowie
anderer Geometrien mit dünnem Schnitt aus Legierungen
auf Nickel-Basis, die relativ hohe Mengen Aluminium
und/oder anderer reaktionsfähiger Metalle enthalten. Als
reaktionsfähige Metalle neben Aluminium werden diejeni
gen Metalle definiert, deren Tendenz und Neigung zur
Bildung von Oxiden oder Nitriden bei höherer Temperatur
gleich groß wie oder stärker als diejenige des Titans
ist. Speziell betrifft die vorliegende Erfindung die
Herstellung von Blechen und runden Erzeugnissen aus
Legierungen, die anschließend hartgelötet oder als
Schweißfüllmetall verwendet werden sollen.
Fachleute haben bei der Herstellung von Blechen und
runden Erzeugnissen aus Legierungen, die signifikante
Mengen reaktionsfähiger Elemente enthalten, mittels des
üblichen Verfahrens des alternierenden Kaltwalzens,
Ziehens oder anderer Methoden der Dickenverminderung des
Blechs oder Rundmaterials und anschließenden Temperns
desselben in einer Atmosphäre mit niedrigem Sauerstoff-
und/oder Stickstoff-Partialdruck gefunden, daß selbst
bei sehr niedrigen Sauerstoff- und/oder Stickstoff-
Partialdrücken sich ein dünner Film oder eine dünne Haut
sehr stabiler Oxide und/oder Nitride während des Glühens
bei normalen Glühtemperaturen auf der Oberfläche bildet.
In der Tat sind die Legierungen oft so erdacht, daß
Oxide gebildet werden, und die Einwirkung niedriger
Sauerstoff-Partialdrücke auf die Legierung wird vorzugs
weise zur Bildung dieser stabilen Verbindungen ausge
nutzt. Hierzu siehe beispielsweise die US-PS
43 12 682, 44 60 542 und 44 39 248.
Bedauerlicherweise hemmt der Film oder die Haut die
Möglichkeiten derjenigen, die aus dem Blech gefertigte
Komponenten an andere metallische Gegenstände hartlöten
möchten. Der Film ist auch unerwünscht, wenn Draht als
Schweißfüllstoff verwendet wird. Die Praxis des normalen
Hartlötens schreibt vor, daß hartzulötende Oberflächen
sauber und frei von Oxiden, Nitriden und Fremdsubstanzen
sind. Trotzdem sind Hartlötlegierungen des Standes der
Technik fähig, kleine Mengen weniger stabiler Oxide wie
Chrom-, Eisen- und Nickeloxide, die sich auf Legierungs
oberflächen bilden können, zum Fließen zu bringen.
Aluminiumoxide und die Oxide reaktionsfähiger Metalle
fließen schlecht oder überhaupt nicht. In der Tat
werden diese Typen von Oxiden häufig als Maskiergemische
("stop-off mixtures") verwendet, um zu verhindern, daß
eine Hartlötlegierung Oberflächen in unerwünschter Weise
benetzt. Selbstfließende Hartlötlegierungen erfüllen
nicht die Forderung, den Oxid-Film von Superlegierungen
mit einem hohen Gehalt an reaktionsfähigen Metallen zu
entfernen.
Typische Lösungen des Problems von Oxiden auf der Ober
fläche herkömmlicher Legierungen betreffen im allgemei
nen die Entfernung derselben, z. B. durch Beizen oder
Schleifreinigung. Die gebräuchlichste Beizlösung für
hochlegierte Legierungen auf Nickel-, Eisen- und
Cobalt-Basis ist eine Salpetersäure-Flußsäure-Lösung. Es
wurde gefunden, daß dieser Typ Lösung hinsichtlich einer
vollständigen Entfernung der Oxide und hier diskutierten
Filme unwirksam ist. Andere Beizlösungen, sofern solche
entwickelt würden, würden eine zweite Beizanlage, ein
Säure-Entsorgungssystem sowie übermäßige Kosten be
dingen. Darüber hinaus werfen die Bleche niedrigerer
Dicken-Abmessungen und die runden Erzeugnisse mit
kleinerem Durchmesser Probleme der Handhabung beim
Beizen auf. Die US-PS 45 66 939 erläutert einen früheren
Versuch zur Lösung dieser Probleme.
Eine Reinigung durch Abschleifen wäre wirksam, wenn
Geräte zur Handhabung dünner Bleche oder runder Produkte
mit kleinem Durchmesser entwickelt würden, jedoch wären
die Kosten hoch. Eine Schleifreinigung von Zwischen
produkten mit größerem Querschnitt unmittelbar vor der
letzten Herstellungssequenz des Fertigprodukts durch das
Verfahren der vorliegenden Erfindung wird als günstig
angesehen.
Daten über das thermische Gleichgewicht wie diejenigen,
die in der US-PS 44 39 248 vorgestellt wurden und in
Fig. 1 reproduziert sind, legen nahe, daß man zur Aus
schaltung der Bildung von Aluminiumoxiden das Produkt
bei einer Kombination hoher Temperaturen und sehr
niedriger Sauerstoff-Partialdrücke glühen oder hitze
behandeln sollte, das der mit "C" benannten und als "im
wesentlichen frei von Al2O3" bezeichneten Fläche in der
linken oberen Ecke entspricht. Ähnliche Überlegungen
träfen für die Beziehung zu Oxiden anderer reaktions
fähiger Metalle zu. Ein Verfahren zur Erzielung der
hohen Temperaturen und des niedrigen Sauerstoff-Partial
drucks besteht in der Wärmebehandlung in einem Ultra
hochvakuum-System. Bedauerlicherweise sind diese Systeme
teuer und nicht leicht verfügbar, und sie bieten nicht
die Flexibilität, die für ein rasches Kühlen von Rollen
des Produkts erforderlich sind.
Entgegen den auf den wohleingeführten und anerkannten
Prinzipien der Gleichgewichts-Thermodynamik basierenden
Erwartungen wurde festgestellt, daß eine wesentlich
verbesserte Oberfläche eines kaltgewalzten und geglühten
dünnen Blechs oder eines kalt bearbeiteten und geglühten
Produkts mit kleinem Querschnitt durch ein Verfahren
erhalten werden kann, das das Glühen dieser Produkte
unter Bedingungen einschließt, die den durch die Fläche
"B" in der Fig. 1 bezeichneten Bedingungen nahekommen.
Da die Erzeugnisse, die gemäß der vorliegenden Erfindung
bearbeitet werden sollen, relativ kleine Querschnitte
haben, ist die Zeit vergleichsweise kurz, die benötigt
wird, um sie in einer Inert-Atmosphäre, wie im wesent
lichen Argon, oder einer reduzierenden Atmosphäre, wie
im wesentlichen Wasserstoff oder dissoziiertes Ammoniak,
auf die Temperatur zu bringen. Es wird weiter angenom
men, daß, da die Materialien im wesentlichen kalt bear
beitet werden, die Diffusionsraten in den Materialien
verstärkt werden. Das Ergebnis unter dem Strich besteht
darin, daß viele Legierungen mit einem hohen Gehalt an
reaktionsfähigem Metall mit einer sehr kurzen Verweil
zeit bei niedrigeren Temperaturen geglüht werden können,
als sie bisher angewandt wurden. Da niedrigere Tempera
turen angewandt werden, wird die Kinetik der chemischen
Reaktionen der Bildung der Oxide oder Nitride von
Aluminium und/oder anderen reaktionsfähigen Metallen
modifiziert zugunsten einer geringeren Menge an Oxiden
oder Nitriden, die in weniger vollkommenem und weniger
gut anhaftendem Zustand gebildet werden. Dieser Zustand
bewirkt eine signifikant verbesserte Hartlötbarkeit und
eine bemerkenswert geringere Menge an Oxiden auf der
Oberfläche des Schweißbades während des Schweißens.
Es gibt naturgemäß Minimalwerte, auf die die Temperatur-
Zeit-Kombination erniedrigt werden kann und bei denen
man noch optimale metallurgische Kennwerte in dem
Metallegierungs-Substrat für das Formen erhalten kann.
Die meisten Superlegierungen, die etwa 3 Gew.-% oder
mehr einer Kombination reaktionsfähiger Elemente (wie
Aluminium und Titan) enthalten, bilden intermetallische
Verbindungen, wenn sie dem intermediären Temperatur
bereich von etwa 649°C bis etwa 982°C (etwa 1200°F
bis etwa 1800°F) ausgesetzt werden.
Viele dieser Verbindungen haben eine kubisch-flächen
zentrierte Struktur und sind eine Form von Ni3(Al, Ti),
die als "gamma-prime" bezeichnet wird. Je nach der
speziellen Zusammensetzung der Legierung variiert die
Temperatur, bei der sich die intermetallischen Verbin
dungen in der festen Lösung der Matrix auflösen. Diese
technische Solvus-Temperatur ist die praktische untere
Grenze der Temperatur, bei der die vorliegende Erfindung
in ihrer bevorzugten Ausführungsform ausgenutzt werden
kann.
Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung
zwischen der Glühtemperatur, dem Sauerstoff-Potential
der Ofen-Atmosphäre und der Bildung von Oxiden auf der
Oberfläche von Superlegierungen.
Wenn beispielsweise die Legierung der US-PS 44 60 542
3 min bei einer Temperatur von 927°C (1700°F) in einer
Atmosphäre mit einem Sauerstoff-Partialdruck von
1,013 × 10-26 bar (10-26 atm) wärmebehandelt wird, würde
sich auf der Oberfläche ein wenig Al2O3 bilden (Fig. 1),
jedoch fände eine wesentliche Abscheidung von "gamma-
prime" innerhalb der Legierung selbst statt. Da "gamma-
prime" die Formbarkeit herabsetzt, wäre seine Anwesen
heit in diesem Stadium nicht erwünscht. Somit läge diese
Kombination der Bedingungen außerhalb der Grenzen der
vorliegenden Erfindung.
Die Alterung von Materialien, die "gamma-prime" bilden,
geringfügig unterhalb der Solvus-Temperaturen über
längere Zeiträume bewirkt jedoch, daß die Niederschläge
sich vergrößern und weniger wirksam in bezug auf die
Verfestigung der Legierung werden, und die Duktilität
verbessert sich mit der Zeit. Dies bezeichnet man in der
Fachwelt als Überaltern.
Durch Überaltern einer Legierung wie derjenigen der
US-PS 44 60 542 zwischen etwa 899°C und 982°C (1650°F
und 1800°F) kann eine ausreichende Duktilität zurück
gewonnen werden, um eine kalte Bearbeitung und Ver
formung zu ermöglichen, wenn auch unter größeren Schwie
rigkeiten. Weiterhin ermöglicht eine verlängerte
Alterung, sofern sie nicht im Vakuum durchgeführt wird,
eine Bildung von Oxiden auf der Oberfläche des
Materials.
Zur Gewinnung einer hartlötbaren Legierung als End
produkt sollte man diese Oxide eliminieren oder ent
fernen, beispielsweise durch mechanische oder chemische
Mittel. Sobald die Legierung überaltert ist und die
Oxide in einem Zwischenstadium entfernt werden, kann die
Legierung kalt bearbeitet und anschließend entspannt und
vielleicht in dem gleichen Temperaturbereich wie bei der
vorhergehenden Alterungsbehandlung umkristallisiert
werden, ohne daß die überalterte intermetallische Ver
bindung in nennenswertem Maße gelöst wird.
Auf diese Weise kann man durch Überalterung einer
Legierung mit einem signifikanten Gehalt an reaktivem
Metall mit einer mittleren Dickenabmessung, Reinigung
der Oberfläche von den gebildeten Oxiden und alternie
rende Dickenverringerung und Wärmebehandlung bei oder
nahe der Temperatur (899°C bis 982°C (1650°F bis
1800°F)), bei der die Überalterung erfolgte, in einer
Umgebung mit niedrigem Sauerstoff-Partialdruck (bei
spielsweise weniger als etwa 1,013 × 10-25 bis
1,013 × 10-22 bar (10-25 bis 10-22 atm) während kurzer
Zeitspannen, die für das Entspannen der Legierung aus
reichen, ein Erzeugnis mit kleinem Querschnitt mit einem
Minimum an Oberflächen-Oxiden herstellen, das eine ver
besserte Hartlötbarkeit besitzt.
Die Legierung der US-PS 44 60 542, wenn sie weiterhin zu
einer geringen Dickenabmessung kalt gewalzt und bei
einer Kombination aus Temperatur, Haltezeit bei dieser
Temperatur und Sauerstoff-Partialdruck von etwa 1093°C
(2000°F), 3 min und 1,013 × 10-21 bar (10-21 atm) ge
glüht und danach abgeschreckt wird, würde ein in ange
messener Weise konditioniertes metallurgisches Substrat
der Legierung liefern, wäre jedoch bestenfalls marginal
in bezug auf die Menge gebildeter Oberflächen-Oxide.
Die Legierung der US-PS 44 60 542, wenn sie wiederum zu
einem geringen Querschnitt kalt bearbeitet und bei etwa
1149°C (2100°F) 3 min bei dieser Temperatur und in
einer Atmosphäre mit einem Partialdruck von weniger als
etwa 1,013 × 10-29 bar (10-29 atm) wärmebehandelt wird,
sollte frei von schädlichen Oberflächen-Oxiden sein,
würde jedoch allgemein wegen der großen Korngröße, die
durch die hohe Temperatur verursacht wird, als metallur
gisch unbefriedigend angesehen werden.
Wenn schließlich die Legierung der US-PS 44 60 542 zu
einem geringen Querschnitt kalt bearbeitet und dann bei
einer Temperatur von weniger als etwa 1079°C (1975°F),
jedoch oberhalb von 982°C bis 1010°C (1800°F bis
1850°F), etwa 1/ 2 min bis etwa 2 1/2 min in einer Atmos
phäre mit einem Sauerstoff-Partialdruck von weniger als
etwa 1,013 × 10-20 bar oder 1,013 × 10-22 bar (10-20 atm
bis 10-22 atm) wärmebehandelt wird und dann rasch abge
kühlt wird, hätte die Legierung eine annehmbare metal
lurgische Struktur einer im wesentlichen "gamma-prime"-
freien festen Lösung und eine geringe Korn-Größe.
Daneben befände sich die Oberfläche in einem besseren
Zustand, der für das Hartlöten bei weitem besser geeig
net ist.
Im Falle eines runden Produkts mit kleinem Querschnitt
wie einem Draht ergibt die Verminderung der Oberflächen-
Oxide besser annehmbare Schweißbedingungen sowie eine
verbesserte Schweißbarkeit.
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung von Blech mit geringer Dicken
abmessung oder Erzeugnissen mit kleinem Querschnitt,
umfassend die Schritte der alternierenden Kaltbear
beitung einer wenigstens etwa 3 Gew.-% reaktionsfähiger
Elemente enthaltenden Superlegierung auf Nickel-Basis
und der nachfolgenden Wärmebehandlung der kaltbearbeite
ten Legierung während einer Zeitspanne von weniger als
drei Minuten in einer Atmosphäre mit einem Sauerstoff-
Partialdruck von weniger als 1,013 × 10-21 bar
(10-21 atm) und bei einer Temperatur von weniger als
1079°C (1975°F), jedoch oberhalb der technischen
Solvus-Temperatur von "gamma-prime" intermetallischen
Verbindungen, die in der Legierung gebildet werden
können, und des abschließenden raschen Abkühlens in
einer Weise, daß optimale Eigenschaften erzielt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Haltezeit bei der Temperatur kürzer als etwa zwei
Minuten ist und die Temperatur oberhalb von etwa 982°C
(1800°F) liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Haltezeit bei der Temperatur kürzer als etwa andert
halb Minuten ist und die Temperatur unterhalb von etwa
1038°C (1900°F) liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sauerstoff-Partialdruck kleiner ist als etwa
derjenige, der durch die Linie bezeichnet wird, der die
Koordinaten po 2 = 10-24 und po 2 = 10-21 bei etwa 982°C
(1800°F) bzw. 1079°C (1975°F) in der graphischen
Darstellung der Fig. 1 verbindet, und die Haltezeit bei
der Temperatur kürzer als etwa zwei Minuten ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die bearbeitete Legierung auf Nickel-Basis im wesent
lichen aus 14 bis 18 Gew.-% Chrom, 4 bis 6 Gew.-%
Aluminium, 1,5 bis 8 Gew.-% Eisen, bis zu 12 Gew.-%
Cobalt besteht, so lange die Gehalte von Nickel plus
Cobalt wenigstens etwa 66 Gew.-% betragen.
6. Hartlötbarer Gegenstand, hergestellt mittels des Ver
fahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5.
7. Schweißfüllstoff-Metall, hergestellt mittels des Ver
fahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5.
8. Verfahren zur Herstellung von Blech mit geringer Dicken
abmessung oder Erzeugnissen mit kleinem Querschnitt aus
einer wenigstens etwa 3 Gew.-% reaktionsfähiger Elemente
enthaltenden Superlegierung auf Nickel-Basis, umfassend
die Schritte der Überalterung des Produkts bei einer
Zwischenabmessung von Dicke bzw. Querschnitt, der Ent
fernung der Oberflächen-Oxide, der alternierenden kalten
Dickenverringerung des Produkts und der Wärmebehandlung
bei einer Temperatur oberhalb derjenigen, die für die
Überalterung angewandt wurde, während einer Zeitspanne,
die für die Entspannung oder das Umkristallisieren
erforderlich sind, in einer Umgebung mit einem
O2-Partialdruck von weniger als etwa 1,013 × 10-22 bar
(10-22 atm) und des abschließenden raschen Abkühlens in
einer Weise, daß optimale Eigenschaften erzielt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die bearbeitete Legierung auf Nickel-Basis im wesent
lichen aus 14 bis 18 Gew.-% Chrom, 4 bis 6 Gew.-%
Aluminium, 1,5 bis 8 Gew.-% Eisen, bis zu 12 Gew.-%
Cobalt besteht, so lange die Gehalte von Nickel plus
Cobalt wenigstens etwa 66 Gew.-% betragen.
10. Hartlötbarer Gegenstand, hergestellt mittels des Ver
fahrens nach Anspruch 8.
11. Hartlötbarer Gegenstand, hergestellt mittels des Ver
fahrens nach Anspruch 9.
12. Schweißfüllstoff-Metall, hergestellt mittels des Ver
fahrens nach Anspruch 8.
13. Schweißfüllstoff-Metall, hergestellt mittels des Ver
fahrens nach Anspruch 9.
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