DE4235141A1 - Verfahren zur herstellung eines hohen temperturen ausgesetzten, versproedungsbestaendigen bauteils, nach diesem verfahren hergestelltes bauteil und verwendung dieses bauteils - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zur Herstellung eines hohen Temperaturen ausgesetzten, versprödungsbeständigen Bauteils, welches durch Heißpressen eines Pulvers auf der Basis einer FeCrAl-Legierung gebildet ist. Die Erfindung betrifft auch ein nach diesem Verfahren hergestelltes Bauteil sowie eine Verwendung dieses Bauteils.

Stand der Technik

FeCrAl-Legierungen mit ca. 20-25 Gew.% Cr, 4-5 Gew.% Al, Rest Fe, wie beispielsweise als Heizleiter für elektrische Öfen verwendete Drähte, weisen vorm Aufheizen bei Raumtemperatur noch eine gewisse Zähigkeit auf. Werden diese Legierungen jedoch auf Temperaturen von mehr als 1000°C aufgeheizt, so rekristallisieren sie bereits nach kurzer Zeit zu Kristalliten von mehreren Zentimeter Länge. Bei Raumtemperatur haben diese Legierungen dann praktisch keine Zähigkeit mehr. Bei hohen Temperaturen weisen sie hingegen eine gute Zähigkeit bei einer vergleichsweise geringen Warmfestigkeit auf.

Eine Verbesserung der Zähigkeit bei Raumtemperatur und der Warmfestigkeit läßt sich durch Zugabe fein dispers verteilter Oxidteilchen, etwa auf der Basis von Yttriumoxid, erreichen. Hierbei werden Legierungs- und Oxidpulver gemeinsam vermahlen und das resultierende Pulver stranggepreßt. Anschließend wird das sich ergebende Produkt rekristallisiert, wodurch ein bevorzugtes Kornwachstum in Stangpressrichtung hervorgerufen wird. Eine weitere Rekristallisation ist dann bis zu sehr hohen Temperaturen erschwert. Solchermaßen hergestellte, sogenannte ODS-Werkstoffe sind jedoch ziemlich teuer und weisen zudem sehr stark orientierungsabhängige Eigenschaften auf. Ferner sind die Abmessungen des im Handel vertriebenen Halbzeugs im wesentlichen auf Bleche und Stangen beschränkt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1, 7 und 12 definiert ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches in einfacher und wirtschaftlicher Weise ausgeführt werden kann, und mit dem kostengünstige Bauteile hergestellt werden können, die überall dort mit Vorteil einsetzbar sind, wo neben einer genügend großen Warmfestigkeit bei hohen und tiefen Temperaturen und einer großen Zähigkeit bei hohen Temperaturen auch eine ausreichend große Zähigkeit bei Raumtemperatur gefordert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf leicht auszuführenden und einfach zu überwachenden Verfahrensschritten. Es kann in sicherer und für eine Massenproduktion geeigneten Weise ausgeführt werden und liefert Bauteile auf der Basis einer FeCrAl-Legierung, deren Versprödungsbeständigkeit bei Raumtemperatur auch nach langzeitigem Erhitzen auf Temperaturen bis 1200°C nur geringfügig herabgesetzt ist gegenüber entsprechenden Bauteilen aus aluminiumoxidfreien Legierungen im Ausgangszustand, d. h. vor Ausführung eines Aufheizzyklus. Dies ist dadurch bedingt, daß die die Partikel der heißgepreßten FeCrAl-Legierung umgebenden Schutzschichten aus Aluminiumoxid bei Temperaturen größer 1000°C eine Rekristallisation der FeCrAl-Legierung zu Kristallen im Zentimeterbereich verhindern.

Darüber hinaus weisen die erfindungsgemäßen Bauteile bei Raumtemperatur eine Kaltfestigkeit und bei hohen Temperaturen eine Warmfestigkeit sowie eine Zähigkeit auf, welche mit den entsprechenden Eigenschaften von entsprechend ausgebildeten Bauteilen, die jedoch aus einer FeCrAl- Legierung ohne Oxidzusatz hergestellt sind, ohne weiteres verglichen werden können. Gegenüber entsprechend ausgebildeten Bauteilen aus einer FeCrAl-Legierung mit ODS- Charakter zeichnen sich die erfindungsgemäßen Bauteile vor allem durch ein weitgehend richtungsunabhängiges isotropes Verhalten sowie durch ihre Preisgünstigkeit aus.

Mit besonderem Vorteil lassen sich die Bauteile nach der Erfindung als heißgasführende Teile in wärmespannungs­ behafteten, sonst aber kräftemäßig wenig beanspruchten Elementen verwenden, wie in Brennkammern und in Bereichen von Gasturbinenanlagen, in denen Heißgas in eine Gasturbine eintritt. Solche heißgasführenden Teile wurden bisher aus teuren Spezialstählen gefertigt, welche neben einer guten Wärmewechselbeständigkeit zusätzlich auch zahlreiche weitere günstige Eigenschaften aufwiesen, die jedoch für deren Funktion als heißgasführende Teile nicht unbedingt erforderlich waren. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Bauteile anstelle dieser Spezialstähle oder gegebenenfalls ebenfalls vorgesehener FeCrAl- Legierungen mit ODS-Charakter können somit die Kosten etwa beim Bau einer Gasturbinenanlage ganz beträchtlich gesenkt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert besonders vorteilhafte Bauteile, wenn die das Ausgangpulver bildende FeCrAl-Legierungen im wesentlichen 20-30 Gewichtsprozent Chrom, 3-6 Gewichtsprozent Aluminium, Rest Eisen enthält.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Ein Bauteil nach der Erfindung wurde wie folgt hergestellt: Eine FeCrAl-Legierung mit 25 Gew.-% Cr, 4 Gew.-% Al, Rest Eisen wurde in einer elektrischen Heizvorrichtung geschmolzen und die derart gebildete Schmelze einer Zerstäuberdüse zugeführt. Die Zerstäuberdüse wurde mit einem Stickstoff und gegebenenfalls auch Sauerstoff enthaltenden Gasstrom unter einem Druck von mehreren hundert Bar beaufschlagt. Hierbei im Gasstrom suspendiertes Pulver wurde in einem Zyklon ausgeschieden. Die Größe der Pulverpartikel war im Mittel kleiner 100µ. War im Gasstrom Sauerstoff enthalten, so wies das abgeschiedene Pulver Partikel mit einem im wesentlichen aus dem Material der Legierung bestehenden Kern und mit einer Schutzschicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) auf.

Das Pulver wurde in eine dünnwandige Stahlform abgefüllt und bei Temperaturen bis 1200°C heiß-isostatisch gepreßt. Wiesen die Pulverpartikel noch keine Schutzschichten aus Aluminiumoxid auf, so erfolgte das Heißpressen in sauerstoffhaltiger Umgebung. Hierbei konnten sich die Pulverpartikel mit einer Schutzschicht aus Aluminiumoxid überziehen.

Aus einem solchermaßen hergestellten Presskörper wurde durch mechanische Bearbeitung ein plattenförmige Probekörper von ca. 3 mm Dicke erstellt. Ein entsprechend bemessener Vergleichsprobekörper wurde aus gegossenem und gewalztem Material der gleichen FeCrAl-Ausgangslegierung erstellt. Beide Probekörper wurden bei Temperaturen von ca. 1200°C an Luft über 100 Stunden geglüht. Bei dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Probekörper enthält der Werkstoff feinverteiltes und Bereiche der Legierung schichtförmig umgebendes Aluminiumoxid. Die Gehalte an Aluminiumoxid betrugen bei diesem Probekörper ca. 0,5 Gew.-%, beim Vergleichsprobekörper weniger als 0,1 Gew. -%.

Beim Glühen rekristallisierten beide Probekörper. Die hierbei gebildeten Kristallite wiesen bei dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Probekörper Größen von 0,2 bis 0,5 mm auf, beim Vergleichsprobekörper hingegen solche von 2 bis 8 mm.

Festigkeitsuntersuchungen nach dem Glühen ergaben bei beiden Probekörpern nur geringfügig voneinander abweichende Kaltfestigkeiten. Entsprechend ergaben sich für beide Probekörper nur geringfügig voneinander abweichende Warmfestigkeiten. Auch die Zähigkeiten beider Probekörper waren bei hohen Temperaturen kaum voneinander verschieden. Hingegen wichen die Zähigkeiten bei Raumtemperatur ganz erheblich voneinander ab. Mit dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Probekörper wurden in Biegeversuchen vor dem Auftreten von ersten Rissen Biegewinkel bis zu 6° erreicht, mit dem Vergleichs­ probekörper hingegen lediglich Biegewinkel kleiner 1°.

Hieraus ist zu erkennen, daß das die Zähigkeit bei Raumtemperatur herabsetzende Kristallwachstum ganz wesentlich durch den Gehalt an geeignet verteiltem Aluminiumoxid gehemmt wird. Der Gehalt des die Schutzschicht bildenden Aluminiumoxids ist daher so zu bestimmen, daß eine Rekristallisation der heißgepreßten Legierung bei hohen Temperaturen, zumindest aber oberhalb 1000°C, weitgehend gehemmt ist. Zu bevorzugen ist hierbei ein mindestens 0,1 und höchstens 1 Gewichtsprozent betragender Anteil an Aluminiumoxid am gebildeten Substrat. Unterhalb 0,1 Gew.-% ist die rekristallisationshemmende Wirkung des Aluminiumoxids schon ziemlich gering, so daß sich nach längerem Erhitzen auf über 1000°C vergleichsweise große Kristallite im Werkstoff bilden können. Oberhalb 1 Gew.-% Aluminiumoxid beginnen hingegen die Festigkeitseigenschaften des Werkstoffes schlechter zu werden.

Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die FeCrAl-Legierung vor dem Heißpressen gegenüber der im Werkstoff des Bauteils vorgesehenen FeCrAl-Legierung einen höheren Anteil an Aluminium enthält, da dieser überschüssige Anteil an Aluminium bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildung des Aluminiumoxids verwendet werden kann, und da im Werkstoff des Bauteils eine FeCrAl-Legierung mit erwünschter stöchiometrischer Zusammensetzung verbleibt.

Neben überschüssigem Aluminium kann die FeCrAl-Legierung vor dem Heißpressen vergleichsweise geringe Mengen an Zusatzstoffen mit hoher Affinität zu Sauerstoff aufweisen. Solche Zusatzstoffe können mit Vorteil Magnesium, Yttrium, Zirkonium und/oder eines oder mehrere der Elemente der Seltenen Erden sein. Beim Heißpressen bilden diese Zusatzstoffe Oxide, welche das Aluminiumoxid in seiner rekristallisationshemmenden Funktion wirkungsvoll unterstützen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines hohen Temperaturen ausgesetzten, versprödungsbeständigen Bauteils, welches durch Heißpressen eines Pulvers auf der Basis einer FeCrAl-Legierung gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver einer sauerstoffhaltigen Umgebung ausgesetzt wird, und daß hierbei die Partikel des Pulvers eine Aluminiumoxid enthaltende Schutzschicht bilden, deren Dicke derart bemessen wird, daß eine Rekristallisation des sich nach dem Heißpressen ergebenden Werkstoffs bei Temperaturen oberhalb 1000°C weitgehend gehemmt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumoxid überwiegend durch Oxidation des Legierungspulvers vor dem Heißpressen gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungspulver durch Heißverdüsen einer FeCrAl-Ausgangslegierung in sauerstoffhaltiger Atmosphäre gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die FeCrAl-Ausgangslegierung gegenüber dem den Bauteil bildenden Werkstoff einen höheren Anteil an legiertem Aluminium enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die FeCrAl-Ausgangslegierung neben überschüssigem Aluminium vergleichsweise geringe Mengen an Zusatzstoffen mit hoher Affinität zu Sauerstoff aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzstoffe Magnesium, Yttrium, Zirkonium und/oder eines oder mehrere der Elemente der Seltenen Erden enthalten.

7. Bauteil, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des Bauteils feinverteiltes und Bereiche der FeCrAl- Legierung schichtförmig umgebendes Aluminiumoxid enthält.

8. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Aluminiumoxid mindestens 0,1 und höchstens 1 Gewichtsprozent beträgt.

9. Bauteil nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Aluminiumoxid ein vergleichsweise geringer Anteil an oxidierten Zusatzstoffen enthalten ist.

10. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzstoffe Magnesium, Yttrium, Zirkonium und/oder eines oder mehrere der Elemente der Seltenen Erden enthalten.

11. Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff im wesentlichen 20-30 Gewichtsprozent Chrom, 3-6 Gewichtsprozent Aluminium, Rest Eisen enthält.

12. Verwendung des Bauteils nach einem der Ansprüche 7 bis 11 als Heißgasführung einer Brennkammer oder als Gaseintritt einer Gasturbine.