DE4412031A1 - Verfahren zur Herstellung von Schmiedeteilen aus Nickellegierungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Schmiedeteilen aus Nickellegierungen

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DE4412031A1
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G William Kuhlman
David Anderson
Richard A Beaumont
Amiya K Chakrabarti
Daniel F Carbaugh
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    • C22F1/10—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schmiedeteilen aus Legierungen wie bspw. solchen auf Nickelbasis, insbesondere von aus Nickellegierungen hergestellten feinkörnigen Schmiedeteilen.
Bekannterweise werden Nickel-Superlegierungen vielfach für Hochleistungsanwendungen wie Strahltriebwerke und Gasturbinen eingesetzt, bei denen eine hohe Festigkeit und andere erwünschte physikalische Eigenschaften bei höheren Temperaturen wie 38°C (100°F) und mehr erhalten bleiben müssen.
Die folgenden US-Patentschriften offenbaren verschiedene Legierungen auf Nickelbasis: US-PS 25 70 193, 26 21 122, 30 46 108, 30 61 426, 31 51 881, 31 66 412, 33 22 534, 33 43 950, 35 75 734, 35 76 681, 42 07 098 und 43 36 312.
Trotz der umfangreichen Patentliteratur zu Nickellegierungen kann der Fachmann die mechanischen und physikalischen Eigenschaften dieser Legierungen nach einer Wärme- und Schmiedebehandlung im Vergleich zu denen aus bisher angesetzten Behandlungen immer noch nicht zu verlässig vorhersagen.
Weiterhin hat es sich als schwierig erwiesen, Nickellegierungen zu insbesondere großen Schmiedeteilen zu verarbeiten und für sie die feine Körnung zu erhalten, die das Erreichen der mechanischen Solleigenschaften der fertigen Teile unterstützt.
Die US-PS 47 93 868 offenbart ein Verfahren zum Verringern des Wachstums von Ermüdungsrissen bei Nickel-Superlegierungen. Bei diesem Verfahren wird das Teil für Schmieden oder andere Formgebung in die Nettogestalt gebracht und dann wärmebehandelt, um durch Rekristallisation ein regelmäßiges Korn auszubilden. Sodann wird das Teil um mindestens 15% verformt, um die gewünschte Nettogestalt zu erreichen.
Die US-Patentanmeldung 07/750 127 offenbart ein Verfahren zur Fertigung rekristallisierter Schmiedeteile aus Nickellegierungen. Hierbei wird das Teil auf über die Rekristallisierungstemperatur der Legierung erwärmt und einem Stauchschmiedeschritt zur Verringerung der Ausgangslänge des Körpers, gefolgt von einem Wiederausziehen, unterworfen. Sodann wird der geschmiedete Körper rekristallisiert und ein zweites Mal stauchgeschmiedet, wobei die Länge um mindestens 25% verringert wird . Danach wird der Körper erneut rekristallisiert und ein drittes Mal stauchgeschmiedet, wobei er um min. 75% längenreduziert wird, gefolgt von einem Rekristallisieren, Lösungsglühen, Abschrecken und Altern. Die resultierenden Teile haben eine ASTM- Korngröße von 3 oder feiner (gemessen nach dem Linienschnittverfahren nach ASTM E112) sowie eine Streckgrenze im Bereich von 930 MPa (135 ksi) bis 1200 MPa (175 ksi).
Es wäre folglich bei einem wirtschaftlichen und wirkungsvollen Verfahren von Vorteil, wenn sich mit ihm ein feines Korn und verbesserte mechanische Eigenschaften in großen Schmiedeteilen aus Superlegierungen wie Nickel-, Eisen-Nickel-, Nickel-Kobalt- und Kobalt-Legierungen und dergl. ohne die Notwendigkeit mehrerer Rekristallisationsbehandlungen erreichen lassen.
Es ist ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen großer Schmiedeteile aus Superlegierungen wie Nickel-, Eisen-Nickel-, Nickel-Kobalt-, Kolbalt- Legierungen und dergl. ohne die Notwendigkeit mehrerer Rekristallisationsbehandlungen anzugeben.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung großer Schmiedeteile aus Superlegierungen wie Nickel-, Eisen-Nickel-, Nickel-Kobalt-, Kobalt- Legierungen mit einer Korngröße von ASTM 4 oder feiner anzugeben.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung großer Schmiedeteile aus Superlegierungen wie Nickel-, Eisen-Nickel-, Nickel-Kobalt-, Kobalt-Legierungen mit einer Korngröße von ASTM 4 oder feiner, ohne die Notwendigkeit mehrerer Rekristallisationsbehandlungen anzugeben.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, große Schmiedeteile aus derartigen Legierungen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften herzustellen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, große Schmiedeteile aus derartigen Legierungen mit gleichmäßig feiner Korngröße herzustellen.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, große Schmiedeteile aus Eisen-Nickel-Legierungen und dergl. mit einer im gesamten Schmiedeteil im wesentlichen gleichmäßigen Korngröße von ASTM 4 oder feiner (nach dem Heynschen Linienschnittverfahren nach ASTM E112 gemessen) herzustellen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, aus derartigen Legierungen Schmiedestücke herzustellen, die verbesserte Ultraschall-Übertragungseigenschaften - eine min. 15- bis 20%ige Verringerung der Ultraschalldämpfung bei einer Frequenz von 2,25 MHz und min. 15 bis 20% Verbesserung bei der Rücklauffrequenz des gleichen Signals bei 2,0 bis 2,25 MHz - aufweisen.
Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung sind anhand der folgenden Beschreibung ausführlicher zu verstehen und einzusehen.
Entsprechend diesen Zielen schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung großer rekristallisierter Schmiedeteile mit geringer Korngröße und verbesserten Zugfestigkeitseigenschaften, indem man einen Körper aus einer Legierung aus der aus den Nickel-, Eisen-Nickel- Chrom-Molybdän-, Cobalt-Chrom-Nickel-, Nickel-Cobalt- und Cobalt-Legierungen bestehenden Gruppe wählt. Dieser Körper wird auf über die Rekristallisationstemperatur der Legierung erwärmt, dann einem ersten Stauchschmiedeschritt unterzogen, um die Ausgangslänge des Körpers um mindestens 50% zu verringern. Nach dem ersten Stauchschmieden wird der Körper ausgezogen, erneut um mind. 50% der Ausgangslänge des Körper stauchgeschmiedet und erneut gezogen. Danach wird der zweimal stauchgeschmiedete Körper bei einer Temperatur über dem Rekristallisationspunkt der Legierung wiedererwärmt und zum dritten Mal stauchgeschmiedet, um die Ausgangslänge des Körpers um mind. 25% zu verringern. Der Körper wird über den Rekristallisationspunkt erwärmt und dort gehalten, während er einem vierten Stauchschmieden unterzogen wird, um die Länge um mind. 75% der Ausgangslänge des dreimal stauchgeschmiedeten Körpers zu verringern. Danach wird der Körper innerhalb weniger als 40 min auf unter 1110°C (1850°F) gekühlt, lösungsgeglüht, abgeschreckt und gealtert.
Andere Besonderheiten der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und der beigefügten Zeichnung weiter beschrieben.
Die Figur ist ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der hier verwendete Ausdruck "große Schmiedeteile" soll Teile mit einem Gewicht von mehr als etwa 910 kg (2000 lbs.) bezeichnen. Typischerweise werden diese Teile zur Herstellung von Gegenständen wie Turbinenscheiben oder Abstandsstücken verwendet, die mehr als 2270 kg (5000 lbs.) wiegen können.
Der hier verwendete Ausdruck "feines Korn" soll Legierungen mit einer mittleren Korngröße von ASTM 4 oder feiner (gemessen nach dem Heynschen Linienschnittverfahren der ASTM E112) bezeichnen, die im wesentlichen im gesamten Schmiedeteil gleichmäßig ist.
Der hier verwendete Ausdruck "Lösungsglühen" soll das Lösen mindestens einiger der ausgeschiedenen intermetallischen Verbindungen, die sich im Metall gebildet haben, sowie deren Rückführung in die feste Lösung bezeichnen. Vorzugsweise werden die meisten, wenn nicht alle ausgeschiedenen intermetallischen Verbindungen in die feste Lösung zurückgeführt. Die speziellen Zeiten und Temperaturen des Lösungsglühens hängen von der chemischen Zusammensetzung und der Größe des Werkstücks ab. Die meisten aus Al-Legierung hergestellten Teile werden bei einer Temperatur üblicherweise im Bereich von etwa 954°C (1750°F) bis 1031°C (1900°F) lösungsgeglüht.
Der hier verwendete Ausdruck "Abschrecken" soll ein rasches Kühlen eines heißen Metallgegenstands bezeichnen. Im allgemeinen ist der Zweck des Abschreckens, durch rasches Kühlen auf eine niedrige Temperatur (üblicherweise nahe der Raumtemperatur) die bei einer Lösungsglühtemperatur gebildete feste Lösung beizubehalten. Beim Abschrecken ändert sich die Temperatur des Werkstücks so schnell, daß diejenigen intermetallischen Verbindungen, die beim Lösungsglühen gelöst wurden, nicht die zum Wiederausscheiden erforderliche Zeit haben. Das Abschrecken führt daher zu einer übersättigten metastabilen festen Lösung.
Der hier verwendete Ausdruck "gealtert" soll sowohl ein natürliches Altern, wie es bei Umgebungstemperatur stattfindet, als auch ein künstliches Altern bezeichnen, das man durch Erwärmen des Metalls auf eine erhöhte Temperatur unter der des Lösungsglühens erreicht. Die zum künstlichen Altern erforderliche Zeit ist weitaus kürzer als die für ein natürliches Altern.
Der hier verwendete Ausdruck " Stauchschmieden" soll ein Schmieden bezeichnen, bei dem der Körper so gehämmert oder gestaucht wird, daß seine Abmessung um min. 25% der ursprünglichen Größe verringert wird.
Der hier verwendete Ausdruck "Rekristallisation" soll bedeuten, daß min. 90% und vorzugsweise mehr als 95% des Materials kristallin ist.
Die Erfindung schafft ein Verfahren (vergl. die Figur) zur Herstellung großer Schmiedeteile mit geringer Korngröße und verbesserten Zugfestigkeitseigenschaften. Beispiele für diese Schmiedeteile sind Turbinenscheiben mit einer Dicke von ca. 280 mm (11 in.), einem Durchmesser von ca. 1830 mm (72 in.) und einem Gewicht von ca. 5900 kg (13 000 lbs.). Beispiele anderer erfindungsgemäß herstellbarer Teile sind Abstandhalter mit einer Dicke von ca. 330 mm (13 in.) und einem Durchmesser von 1524 mm (60 in.) sowie noch größere Turbinenscheiben mit bspw. 9534 kg (21 000 lbs.) und mehr Gewicht.
Beispiele von erfindungsgemäß verarbeitbaren Legierungen sind die nichtrostenden Austenit-Stähle, Austenitlegierungen mit höheren Nickelanteilen, die ausscheidungshärtenden nichtrostenden Stähle, die Eisen-Nickel-Chrom- Molybdän-Legierungen, die Nickellegierungen, die Legierungen auf Cobalt-Chrom-Nickel-Basis sowie die Legierungen auf Nickel-Cobalt-Basis nach AISI-Norm, wie sie im "Metals Handbook", Vol. I, S. 467 angegeben sind. Die Tabelle 1 auf Seite 16 nennt die mit "Superlegierung" bezeichneten Fe-Ni-Cr- Mo-Legierungen, Nickel-Legierungen und Co-Cr-Ni-legierungen.
Die einsetzbare Eisen-Nickel-Chrom-Legierung kann 15-50 Gew.-% Ni, 10-25 Gew.-% Cr, 0-10 Gew.-% Mo, Rest Fe, enthalten mit bis zu ca. 10 Gew.-% Mn, W, Cb, Nb, Ti, Al. Repräsentativ für solche Legierungen sind Inconel 706, Inconel 718 und A286.
Für die erfindungsgemäße Anwendung geeignete Nickellegierungen können 10-30 Gew.-% Cr, 0-13 Gew.-% Co, 0-25 Gew.-% Mo, Rest Nickel, enthalten mit bis zu insgesamt 10 Gew.-% von Elementen wie W, Cb, Nb, Ta, Ti und Al. Beispiele solcher Legierungen sind Inconel 625, Nimonic 90 und Nimonic 901.
Legierungen auf Cobalt-Nickel-Basis können 10-30 Gew.-% Cr, 10-30 Gew.-% Ni, 1-4 Gew.-% Mo, 1-15 Gew.-% W, Rest Cobalt, enthalten mit bis zu insgesamt 10 Gew.-% anderer Elemente wie Mn, Cb, und Nb. Beispiele hierfür sind Waspaloy, Udimet 700, Udimet 720 und Astraloy.
Es ist einzusehen, daß an diese Legierungs-Zusammensetzungen Abänderungen möglich sind; diese Abänderungen sind als im Rahmen der Erfindung liegend aufzufassen.
Ein Körper der Legierung wird als Barren vorgesehen. Typischerweise hat der Barren einen Durchmesser von ca. 710 mm (28 in.) bis 965 mm (38 in.) und eine Länge von 1780 mm (70 in.) bis 3050 mm (120 in.). Im Querschnitt quadratische oder rechteckige Barren lassen sich - abhängig vom gewünschten Endprodukt - ebenfalls verwenden. Barren solcher Legierung sind oft durch ein grobes, gleichgerichtetes oder Stengelgefüge von 2,5 mm (0,1 in.) bis 25 mm (1 in.) oder mehr Korngröße in der Hauptabmessung gekennzeichnet. Zur Benennung sollen hier die Länge bzw. Höhe des Barrens als Richtung A, die Breite als Richtung B und die Dicke als Richtung C bezeichnet werden. Bei einem runden oder quadratischen Barren sind die Abmessungen in der Richtung B und C offensichtlich gleich.
Der hier verwendete Ausdruck "feines Korn" soll eine ASTM- Korngröße 4 oder feiner bezeichnen (gemessen nach dem Heynschen Linienschnittverfahren der ASTM E112, bei dem die größte Abmessung des Korns gemessen und die Korngröße berechnet wird).
Typischerweise wird ein Barren der verwendeten Legierung ca. 28°C (50°F) bis 194°C (350°F) über den Rekristallisationspunkt erwärmt. Für Inconel 706 ist dies bspw. 1093°C (2000°F). Der Barren kann bspw. auf ca. 1121°C (2050°F) erwärmt werden. Auf dieser Temperatur sollte der Barren so lange - bspw. 2 bis 10 Std. - gehalten werden, bis die Temperatur im wesentlichen gleichförmig und für die Warmbearbeitung geeignet ist.
Nach der Wärmebehandlung wird der Barren einem ersten Stauchschmieden unterzogen, was geschieht, indem man ihn zusammendrückt, um seine Höhe oder Länge zu verringern, d. h. also in der Richtung A. Für Inconel 706 stauchschmiedet man vorzugsweise, während man den Barren im Temperaturbereich von 927°C (1700°F) bis 1121°C (2050°F) hält. Das Stauchschmieden läßt sich in einem einzigen Schritt durchführen, um den Barren einer Bearbeitung zu unterziehen, bei der seine Länge um mehr als 40%, vorzugsweise mehr als 50% und typischerweise 50 bis 60% der Ausgangslänge verringert wird. Während des Schmiedens kann man als Hilfe beheizte Gesenke verwenden, um den Barren in dem Soll-Temperaturbereich für die Warmbearbeitung zu halten. Bspw. kann man die Gesenke im Bereich von 316°C (600°F) bis 538°C (1000°F), vorzugsweise auf mehr als 427°C (800°F) halten. Es ist oben auf einen Barren Bezug genommen; für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann aber jeder Teil eines Barrens verwendet werden, und die Bezeichnung "Körper" soll einen vollständigen Barren oder einen Teil eines solchen bezeichnen.
Nach dem ersten Stauchschmieden wird der Körper wieder ausgezogen oder bearbeitet. Der hier verwendete Ausdruck "Wiederausziehen" soll eine Bearbeitung des stauchgeschmiedeten Körpers bspw. durch Walzen, Ziehen oder Schmieden bezeichnen. Danach wird der Körper entsprechend der oben beschriebenen Behandlung ein zweites Mal stauchgeschmiedet und dann erneut wiederausgezogen. Beide Ausziehschritte erfolgen vorzugsweise im Bereich von 28°C (50°F) bis 194°C (350°F) unter dem Rekristallisationspunkt. Für Inconel 706 liegt diese Temperatur im Bereich von ca. 927°C (1700°F) bis 1093°C (2000°F). Das Wiederausziehen erteilt dem Barren oder Körper vorzugsweise seine Originalabmessungen. Bei einem runden Barren kann das Wiederausziehen bspw. ausreichen, um den Ausgangsdurchmesser des Barrens wiederherzustellen. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, den Barren so stark zu bearbeiten, daß er seine Ausgangsabmessung plus/minus 20% bspw. der Ausgangslänge wiedererhält.
Nach dem zweiten Wiederausziehen wird der wiederausgezogene Körper erneut über den Rekristallisationspunkt - typischerweise 28°C (50°F) bis 139°C (250°F) über den Rekristallisationspunkt der Legierung - erwärmt, bspw. auf 1093°C (2000°F) für Inconel 706. Die Haltzeit bei dieser Temperatur kann 2-10 Std. betragen. Sodann wird der wiederausgezogene Körper ein drittes Mal in der Richtung A stauchgeschmiedet, was ihn um min. 25%, vorzugsweise 50% bis 70% und typischerweise ca. 60% seiner Ausgangslänge verkürzt. Bei diesem Schmieden, das in einem einzigen Schritt erfolgen kann, wird der Körper vorzugsweise im Temperaturbereich von 927°C (1700°F) bis 1093°C (2000°F) gehalten.
Die Schmiedegesenke können auf bspw. 427°C (800°F) oder höher erwärmt werden, um den Körper beim dritten Schmieden auf Temperatur zu halten.
Nach der dritten Stauchschmiede-Wärmebehandlung wird der Körper vor dem vierten Stauchschmieden erneut über den Rekristallisationspunkt erwärmt. Das Erwärmen kann auf eine Temperatur etwa 28°C (50°F) bis 56°C (100°F) über dem Rekristallisationspunkt erfolgen. Für Inconel 706 liegt diese vorzugsweise im Bereich von 1038°C (1900°F) bis 1065°C (1950°F). Zum Zweck der Schmiedebehandlung ist es wichtig, den Körper während des Schmiedens auf einer hohen Temperatur (für Inconel 706 bspw. im Bereich von 982°C (1800°F) bis 1065°C (1950°F) zu halten, um die Ausbildung des feinen Korns zu unterstützen, während innerhalb dieses Temperaturbereichs Verformungsenergie aufgebracht wird. Um den Körper beim vierten Schmieden auf Temperatur zu halten, kann man die Schmiedegesenke auf eine Temperatur im Bereich von 593°C (1100°F) bis 760°C (1400°F) und vorzugsweise nicht weniger als 649°C (1200°F) erwärmen. Weiterhin kann man den Körper isolieren, um seine Temperatur beim Schmieden im gewünschten Bereich zu halten. Eine hierzu geeignete Isolierung, die das Schmieden nicht stört, ist Glasfasermaterial. Das Glasfasermaterial kann gleichzeitig als Gleitmittel fungieren. Es kann mit einer Folie belegt sein, um ein Schichtgebilde auszubilden. Hier kann eine Folie aus nichtrostendem Stahl oder dergl. verwendet werden. Diese folienbelegte Isoierung kann um den Körper gewickelt werden und dort während der Verformung verbleiben.
Das Ausmaß der Verformung während des vierten Stauchschmiedens ist ebenfalls wichtig. In diesem Schritt muß die aufgebrachte Arbeit ausreichen, um die Länge des Schmiedestücks um 25 bis 80%, vorzugsweise min. 30% und typischerweise 40 bis 70% zu reduzieren.
Um dann das feine Korn auszubilden, das für die vorliegende Erfindung wichtig ist, wird das Schmiedeprodukt rasch - in weniger als 1 Std. auf eine Temperatur unter ca. 871°C (1600°F) und vorzugsweise in weniger als ca. 40 min. auf weniger als ca. 843°C (1550°F) - gekühlt. Am besten kühlt man in weniger als 1 Std. auf unter ca. 760°C (1400°F) ab.
Die thermische Trägheit größer Körper verlangt spezielle Maßnahmen, um das Körperinnere innerhalb der Sollzeit abzukühlen. Diese Verfahrensweise sind erforderlich, um das Abkühlen des gesamten Körpers zu beschleunigen. Bei diesem Spezialverfahren handelt es sich u. a. um eine Luftkühlung mit Vorrichtungen, die kühle Luft über die Körperoberfläche streichen lassen. Danach kann das Schmiedeprodukt maschinell zu einer gewünschten Gestalt bearbeitet werden, bevor man es lösungsglüht, abschreckt und altert.
Das Lösungsglühen erfolgt bei einer Temperatur generell 6°C (10°F) bis 28°C (50°F) über der Temperatur, bei der die im Metall entstandenen intermetallischen Verbindungen gelöst und in feste Lösung überführt werden. Für ein Schmiedeprodukt aus Inconel 706 erfolgt das Lösungsglühen im Bereich von 982°C (1800°F) bis 1038°C (1900°F) für die Dauer von 4 bis 6 Std., wird in Öl abgeschreckt und dann durch Erwärmen auf 732°C (1350°F) und 16stündiges Vorhalten gealtert. Dann wird das Produkt mit ca. 56°C/Std. (100°F/hr.) auf 621°C (1150°F) gekühlt und dort 22 bis 30 Std. vorgehalten.
Diese Verfahrensweise ist besonders gut brauchbar zum Herstellen großer Schmiedestücke von bspw. 2270 kg (5000 lbs.) und mehr Gewicht mit verbesserten mechanischen Eigenschaften. Das Verfahren erteilt dem Produkt eine homogene Verformung. Weiterhin rekristallisiert das Verfahren die großen Körner des Gußzustands zu einer feinteiligen Körnung, bspw. ASTM-Korngröße 4 oder feiner. Damit wird die Entstehung verbesserter Ermüdungs- und Zugfestigkeits- sowie Übertragungseigenschaften für Ultraschallwellen gefördert.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte geschmiedete Scheibe ist als Turbinenläufer oder Abstandhalter zur Aufnahme der Turbinenschaufeln geeignet. Typische Abmessungen solcher Bauteile sind Durchmesser von ca. 1524 mm (60 in.) bis 2286 mm (90 in.) und Dicken von 203 mm (8 in.) bis 381 mm (15 in.). Nach der Fertigbearbeitung finden die Scheiben Einsatz in stationären Turbinen und Generatoren, in denen unter Last Temperaturen bis 316°C (600°F) bis 704°C (1300°F) entstehen können.
Erfindungsgemäß gefertigte Schmiedeprodukte aus Inconel 706 können eine End-Zugfestigkeit im Bereich von 1180 MPa (170 ksi) bis 1310 MPa (190 ksi), eine Streckgrenze im Bereich von 930 MPa (135 ksi) bis 1140 MPa (165 ksi) und eine Charpy-Kerbschlagzahl von 34 J (25 ft./lb.) bis 61 J (45 ft./lb.) erreichen.
Das folgende Beispiel dient zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung.
Beispiel 1
Ein Barren von 787 mm (31 in.) Durchmesser und 1803 mm (71 in.) Länge aus Inconel 706, einer Legierung auf Nickelbasis (Zusammensetzung 41,4% Ni, 16% Cr, 1,7% Ti, 2,9% Cb und Ta sowie 0,2% Al, Rest Fe (jeweils Gewichtsprozent)) wurde zunächst auf 1121°C (2050°F), d. h. über den Rekristallisationspunkt erwärmt und dann in einem einzigen Schritt auf eine Längenreduktion auf 889 mm (35 in.), d. h. ca. 50%, bearbeitet bzw. stauchgeschmiedet. Beim Schmieden wurden die Schmiedegesenke auf ca. 427°C (800°F) gehalten. Sodann wurde der Schmiedekörper durch mehrfaches Ziehschmieden im Temperaturbereich von 927°C (1700°F) bis 1121°C (2050°F) auf den Ausgangsdurchmesser des Barrens zurückgeführt. Der wiederausgezogene Barren wurde dann ein zweites Mal stauchgeschmiedet, und zwar unter den gleichen Bedingungen wie beim ersten Stauchschmieden. Der zum zweiten Mal stauchgeschmiedete Körper wurde erneut zu seiner Ausgangsgestalt ausgezogen und auf ca. 1065°C (1950°F) erwärmt.
Danach wurde der zweimal stauchgeschmiedete Körper ein drittes Mal stauchgeschmiedet, d. h., der Barren wurde auf ca. 1093°C (2000°F) erwärmt und dann unter Verwendung von auf 427°C (800°F) beheizten Gesenken stauchgeschmiedet, um die Länge des Körpers 50% zu reduzieren. Der dreimal stauchgeschmiedete Körper wurde wiederausgezogen und ein viertes und letztes Mal stauchgeschmiedet, um seine Länge um ca. 80% zu reduzieren.
Der Schmiedekörper wurde dann in einem Ofen eine Stunde bei 1065°C (1950°F) vorgehalten, dann in weniger als 40 min auf 871°C (1600°F) gekühlt. Die thermische Trägheit des Schmiedekörpers erforderte spezielle Maßnahmen zum Abkühlen des Körpers innerhalb des gewünschten zeitlichen Rahmens. Zum Erhöhen der Abkühlgeschwindigkeit wurde Luft über die Körperoberfläche geleitet.
Die resultierende Scheibe wurde maschinell grobbearbeitet, durch Erwärmen auf 1021°C (1870°F) lösungsgeglüht, in Öl abgeschreckt und 16 Std. lang auf 732°C (1350°F) gealtert. Das Produkt, d. h. die Scheibe hatte eine ASTM-Korngröße von 4, eine End-Zugfestigkeit von 180 ksi, eine Streckgrenze von 965 MPa (140 ksi) und eine Charpy-Kerbschlagzahl von mehr als 54 J (40 ft/lbs.) bei tangentialer Kornausrichtung. Die Charpy-Kerbschlagzahl in der Mitte des Schmiedestücks war in der Axialrichtung größer als 27 J (20 ft/lbs.).

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung rekristallisierter großer Schmiedeteile mit feinem Korn sowie verbesserter Zähigkeits- und Zugfestigkeitseigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß man
  • (a) einen Körper aus einer Legierung vorgibt, die aus den Nickel-, Eisen-Nickel-Chrom-Molybdän-, Cobalt- Chrom-Nickel-, Nickel-Cobalt- und Cobalt-Legierungen gewählt wird,
  • (b) diesen Körper auf über die Rekristallisationstemperatur der Legierung erwärmt,
  • (c) den Körper ein erstes Mal stauchschmiedet, um seine Länge um mindestens etwa 50% seiner ursprünglichen Länge zu verringern,
  • (d) den Körper nach dem ersten Stauchschmieden auszieht,
  • (e) die Schritte (b)-(d) wiederholt, um einen zweimal stauchgeschmiedeten Körper herzustellen,
  • (f) den zweimal stauchgeschmiedeten Körper auf eine Temperatur über dem Rekristallisationspunkt wiedererwärmt,
  • (g) den wiedererwärmten Körper ein drittes Mal stauchschmiedet, um eine Reduktion von mindestens etwa 25% der Ausgangslänge des Körpers zu erreichen,
  • (h) den dreimal stauchgeschmiedeten Körper über den Rekristallisationspunkt erwärmt und dort vorhält, während man ihn ein viertes Mal stauchschmiedet, um seine Länge um min. 75% der Ausgangslänge des dreimal stauchgeschmiedeten Körpers zu verringern,
  • (i) den viermal stauchgeschmiedeten Körper rasch abkühlt und
  • (j) den viermal stauchgeschmiedeten Körper lösungsglüht, abschreckt und altert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man jeden der aufeinanderfolgenden Schmiedeschritte auf einer niedrigeren als der eines vorhergehenden Schmiedeschrittes durchführt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man im Schritt (b) den Körper auf eine Temperatur von 14°C (25°F) bis 139°C (250°F) über dem Rekristallisationspunkt der Legierung erwärmt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man im Schritt (f) den Körper auf eine Temperatur von 14°C (25°F) bis 139°C (250°F) über dem Rekristallisationspunkt der Legierung erwärmt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man im Schritt (h) den Körper auf eine Temperatur von 14°C (25°F) bis 139°C (250°F) über dem Rekristallisationspunkt der Legierung erwärmt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus der Gruppe Inconel 706, Inconel 718, Inconel 625, Waspaloy, Udimet 700, Udimet 720, A286, Nimonic 90, Minonic 901 und Astroloy gewählt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt nach dem Lösungsglühen, Abschrecken und Altern eine Korngröße von ASTM 4 oder feiner hat.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt verbesserte Ultraschall-Übertragungseigenschaften mit um mindestens ca. 20% verringerter Signaldämpfung bei Frequenzen von 1,5 bis 2,5 MHz aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt hat.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den viermal stauchgeschmiedeten Körper zu einer Turbinenscheibe bzw. einem Turbinen-Abstandhalter ausformt.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den viermal stauchgeschmiedeten Körper in weniger als 30 min auf eine Temperatur unter ca. 982°C (1800°F) abkühlt.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den viermal stauchgeschmiedeten Körper in weniger als 1 Std. auf eine Temperatur unter ca. 760°C (1400°F) abkühlt.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man beim ersten Stauchschmieden den Körper um etwa 60 bis 70% seiner ursprünglichen Länge längenreduziert.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man beim dritten Stauchschmieden den Körper um etwa 50% bis 70% seiner ursprünglichen Länge längenreduziert.
15. Verfahren zur Herstellung einer geschmiedeten Turbinenscheibe bzw. eines solchen Turbinen-Abstandhalters mit feiner Körnung aus einer Legierung auf Nickelbasis, dadurch gekennzeichnet, daß man
  • (a) einen Körper aus einer Legierung auf Nickelbasis vorgibt,
  • (b) den Körper über die Rekristallisationstemperatur der Legierung erwärmt,
  • (c) den Körper ein erstes Mal stauchschmiedet, um seine Länge um mindestens etwa 50% seiner ursprünglichen Länge zu verringern,
  • (d) den Körper nach dem ersten Stauchschmieden auszieht,
  • (e) die Schritte (b)-(d) wiederholt, um einen zweimal stauchgeschmiedeten Körper herzustellen,
  • (f) den zweimal stauchgeschmiedeten Körper auf eine Temperatur über dem Rekristallisationspunkt wiedererwärmt,
  • (g) den wiedererwärmten Körper ein drittes Mal stauchschmiedet, um eine Reduktion von mindestens etwa 25% der ursprünglichen Länge des Körpers zu erreichen,
  • (h) den dreimal stauchgeschmiedeten Körper über den Rekristallisationspunkt erwärmt und dort vorhält, während man ihn ein viertes Mal stauchschmiedet, um seine Länge um mind. 75% der Ausgangslänge des dreimal stauchgeschmiedeten Körpers zu verringern,
  • (i) den viermal stauchgeschmiedeten Körper in weniger als als 40 min auf eine Temperatur unter 871°C (1600°F) abkühlt und
  • (j) den viermal stauchgeschmiedeten Körper lösungsglüht, abschreckt und altert.
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