DE4440229A1 - Verfahren zum Herstellen von gegen Reißen widerstandsfähigem hochfesten Superlegierungsgegenständen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Wärmebehandlung von Metallgegenständen und insbesondere ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Gegenständen, die aus einer Chrom enthaltenden Legierung auf Nickelbasis hergestellt sind.

Viele Industrieprodukte müssen derart gestaltet sein, daß sie Widerstand gegen hohe Temperaturen leisten. Eine solcher Produktklassen sind Strahltriebwerke, die aus Komponenten konstruiert sein müssen, welche sowohl gegen hohe Temperaturen wie auch hohe Drücke, die in dem Triebwerk zyklisch wiederholt auftreten, widerstandsfähig sind. Besondere Maschinenkomponenten, die diesen zyklisch auftretenden Temperaturen und Drücken widerstehen müssen, enthalten Diffusorgehäuse, Brennkammern und Turbinengehäuse. In Strahltriebwerken kann die in diesen Teilen erzeugte Temperatur 540°C (1000°F) übersteigen. Das Metall von Diffusorgehäusen wie auch von anderen Bauteilen muß fähig sein, diesen hohen Temperaturen zu widerstehen, wenn sie diesen lange ausgesetzt sind.

In der Vergangenheit wurden gewisse Gegenstände, die zyklisch hohen Temperaturen widerstehen müssen, wie Diffusorgehäuse, aus einer Legierung auf Chrom- und Nickelbasis hergestellt, die unter dem Warenzeichen INCONEL (IN) 718 bekannt ist. Diese Legierung hat sich als stabil erwiesen, wenn sie Temperaturen von bis zu etwa 620°C (1150°F) ausgesetzt wird. Jedoch arbeiten viele Strahltriebwerke, die nun hergestellt werden oder für eine spätere Herstellung geplant sind, bei sehr viel höheren Temperaturen. Als Ergebnis wurden Anstrengungen unternommen, ihre Teile aus anderen Chrom enthaltenden Nickelsuperlegierungen herzustellen, die unter dem Warenzeichen IN 939 bekannt sind. Ein Vorteil der IN 939-Legierung besteht darin, daß diese bei Temperaturen stabil bleiben, die höher sind, als diejenigen, denen die IN 718-Legierung ausgesetzt werden kann.

Die Benutzung der IN 939-Legierung zur Ausbildung großer Gegenstände wie Diffusorgehäusen ist jedoch nicht ohne Nachteile. Trotz strenger Verfahrens- und Prüfkontrollen können Fehler oder Defekte aus dem Herstellungsprozeß, falscher Instandhaltung oder Wartung resultieren. Diese Defekte müssen während der periodischen Instandhaltungsprüfungen erkannt werden, bevor sie auf eine kritische Länge anwachsen und zu katastrophalen Fehlern führen. Es ist daher kritisch, daß die Rißwachstumsrate hinreichend klein ist, um die Fehler während der periodischen Inspektionen aufdecken zu können. Wenngleich konventionelle Wärmebehandlungsprozesse für das IN 939 verwendet werden können, ist die charakteristische Rißwachstumsrate für diese Wärmebehandlungen so groß, daß aufgebrachte Spannungen in den Maschinengehäusen reduziert werden müssen, um diese Rate in einen handhabbaren Bereich zu bringen. Dies wird durch Vergrößerung der Querschnittsdicke und des Gesamtgewichtes des Gehäuses getan, wodurch das Festigkeits-Gewichtsverhältnis der Komponente verringert wird. Als Ergebnis ist trotz der Fähigkeit von IN 939, hohen Temperaturen zu widerstehen, seine Anwendbarkeit beschränkt. Daher besteht ein Bedarf, die charakteristische Rißwachstumsrate von IN 939 zu senken, so daß effizientere hochbeanspruchte Gegenstände aus dieser Legierung gebaut werden können.

Gemäß der Erfindung wird ein gegossenes Werkstück aus einer Superlegierung auf Nickelbasis mit hohem Chromanteil einer selektiven Wärmebehandlung unterzogen, um gezahnte Begrenzungen zwischen den Kristallkörnern, welche die Komponente enthält, auszubilden und die Bildung diskreter Chromkarbidausscheidungen an den Korngrenzen zu induzieren. Der Gegenstand wird anfänglich wärmebehandelt, um die Ausbildung von Chromkarbidkeimen entlang der Korngrenzen herbeizuführen. Durch diesen anfänglichen Wärmebehandlungsschritt werden die Kristalle dazu gebracht, ein gezacktes Korngrenzenmuster zu entwickeln. Der Gegenstand wird dann erwärmt, um ein Wachsen der Chromkarbidkeime zu diskreten Ausfällungen entlang der gezackten Korngrenzen herbeizuführen. Wenn einmal die Chromkarbidausscheidungen gebildet sind, wird dann der Gegenstand wärmebehandelt, um die Entwicklung von Primärgamma-Verfestigungsausscheidungen durch die Kornstruktur hindurch herbeizuführen. Bei dieser Herstellungsstufe ist die Temperatur, auf welche der Gegenstand erwärmt wird, niedriger als diejenige, bei welcher die Chromkarbide vollständig in Lösung gehen würden. Der Gegenstand wird dann wärmebehandelt, um eine stabile Primärgamma-Gefügekörnung zu schaffen. Die Entwicklung der gezackten Korngrenzen und der diskreten Chromkarbidausfällungen verbessern die mechanischen Eigenschaften des Gegenstandes wesentlich.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung eine Wärmebehandlungsfolge für eine Klasse von Superlegierungen mit hohem Chromanteil zu schaffen, um verbesserte mechanische Eigenschaften, insbesondere einen verbesserten Rißwachstumswiderstand zu erreichen.

Andere Merkmale und Vorteile werden aus der Beschreibung und den Ansprüchen ersichtlich.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Werkstückes des Diffusorgehäuses eines Triebwerkes, welches dem Wärmebehandlungsprozeß gemäß der Erfindung unterzogen wird.

Fig. 2 ist eine Mikrofotographie der Mikrostruktur eines Werkstückes vor dem erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsvorgang in 2000-facher Vergrößerung.

Fig. 3 ist ein Diagramm der Temperatur über der Zeit bei dem Wärmebehandlungsvorgang gemäß der Erfindung, dem das Werkstück ausgesetzt wird.

Fig. 4 ist eine diagrammatische Darstellung eines Aggregates von Körnern, die gemäß der Erfindung wärmebehandelt wurden.

Fig. 5 ist eine Mikrofotographie der Mikrostruktur eines Werkstückes, das dem Wärmebehandlungsvorgang gemäß der Erfindung unterworfen wurde, in 2000-facher Vergrößerung.

Fig. 6 ist ein Diagramm, von welchem die verbesserten Rißwiderstandseigenschaften eines Gegenstandes dargestellt werden, der dem Wärmebehandlungsvorgang gemäß der Erfindung unterworfen wurde.

Die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens erfordern das selektive Erwärmen und Kühlen eines Gegenstandes, der aus einer Superlegierung auf Nickelbasis mit hohem Chromanteil hergestellt worden ist. Insgesamt wird darauf hingewiesen, daß die Bezeichnung "Superlegierung auf Nickelbasis mit hohem Chromanteil" hier im Zusammenhang mit einer Nickellegierung verwendet wird, die Chromkarbidausfällungen wie eine M₂₃C₆-Ausfällung ausbilden kann (das "M" in der vorstehenden Formel kann, wenngleich es hauptsächlich auf Chromatome sich bezieht, Atome aus anderen Metallen, wie Molybdän und Wolfram enthalten). Im Allgemeinen bilden sich solche Ausfällungen in Nickellegierungen, die einen Chromanteil von wenigstens 12 Gew.% und einen Kohlenstoffanteil von wenigstens 0,02 Gew.% aufweisen. Eine Legierung, in welcher sich Chromkarbidausfällungen bilden, wird unter dem Warenzeichen IN 939 der international Nickel Company in New York verkauft. Diese Nickelsuperlegierung weist die nominale Zusammensetzung der folgenden Elemente in Gew.% auf: 22,5% Cr, 2% W, 1,4% Ta, 1,9% Al, 19% Co, 1% Cb, 0,15% C, 0,1% Zr und 0,01% B, wobei im wesentlichen der gesamte Rest Nickel ist (diese Superlegierung ist deutlich in den US-PS′en 4039330 und 4108647 beschrieben). Allgemeiner kann die Erfindung unter Verwendung anderer Superlegierungen durchgeführt werden, die zusätzlich zu den oben angegebenen Chrom- und Kohlenstoffkonzentrationen im wesentlichen aus 0-5% W, 0,5-3% Ta, 1-4% Al, 1,7-5% Ti, 15-25% Co, 0-3% Cb und im wesentlichen Nickel als Rest bestehen.

Der Gegenstand aus der ausgewählten Legierung wird anfänglich durch Prozesse wie Zentrifugalgießen oder Schmieden hergestellt. Ein anderes üblicherweise verwendete s Verfahren zum Formen von Gegenständen aus Superlegierungen wie der IN 939-Legierung ist das Feingießen. Beim Feingießen wird der Gegenstand aus der ausgewählten Legierung anfänglich durch Gießen der Superlegierungsschmelze in eine Maske oder eine Form geformt, von welcher die Gestalt des Gegenstandes geformt wird. In dem Prozeß wird die Superlegierung anfänglich unter Hochvakuumbedingungen geschmolzen und die Form wird unter Vakuumbedingungen vorgewärmt, so daß die Zusammensetzung und Qualität der Superlegierung präzis gesteuert werden können. Typische Superlegierungen haben Schmelztemperaturen zwischen 1316 und 1650°C (2400 und 3000°F).

Nach Beendigung des Verfestigungsvorganges wird die Form entfernt. Der Gegenstand kann dann isostatisch warmgepreßt werden, wobei der Gegenstand in eine mit Inertgas gefüllte Kammer eingebracht wird, das auf eine hohe Temperatur erwärmt ist und für eine ausgedehnte Zeit unter hohem Druck steht, um latente Poren und Defekte, die aus dem Verfestigungsvorgang resultieren, auszuquetschen oder zu beseitigen. Für Gegenstände, die aus der IN 939-Legierung geformt sind, wird dieser Schritt typisch bei Temperaturen zwischen 1163 und 1205°C (2125 und 2200°F) bei 1035 bar (1500 psi) für 3 bis 4 Stunden durchgeführt. Isostatisches Warmpressen ist nicht für Feingußstücke mit hinreichend geringer Porosität erforderlich.

Während des Abkühlens bei der Verfestigung und/oder nach dem isostatischen Warmpressen bilden sich Karbide, die Chromkarbide enthalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind, und Primärgammaausfällungen (gamma prime precipitates) über die kristalline Kornstruktur hin. Die Primärgammaausfällungen, welche NI₃Al enthalten und andere Elemente in Lösung enthalten können, geben der Legierung ihre hohe Temperaturfestigkeit.

Nach dem Gießen und dem wahlweise durchgeführten isostatischen Warmpressen wird der Gegenstand einem Prüf- und Reparaturvorgang unterworfen. Bei diesem Vorgang wird der Gegenstand geprüft, um Defekte zu finden, die der Reparatur bedürfen. Diese Defekte können eine übermäßige Porosität, die sich aus dem Verfestigungsvorgang ergeben, Keramikfragmente, die sich von der Form gelöst haben können, Sauerstoffverunreinigungen, die nach dem Schmelzvorgang zurückgeblieben sind, oder Risse sein, die von einer ungleichmäßigen Abkühlung des sich verfestigenden Gußstücks herrühren. Wenn die Defekte einmal entdeckt sind, werden sie mechanisch beseitigt und die sich ergebende Lücke wird verschweißt, um sie zu schließen. Techniken für das Feingießen, das isostatische Warmpressen, das Prüfen und Reparieren von Nickellegierungen sind im Stand der Technik bekannt. Ein durch diesen Prozeß hergestellter Gegenstand ist das in Fig. 1 dargestellte Diffusorgehäuse der Gasturbine. Fig. 2 erläutert die Mikrostruktur eines durch diesen Prozeß geformten Gegenstandes unter Verwendung von Standard- Wärmebehandlungsmethoden. Wie aus dieser Figur ersichtlich, sind die einzelnen Kristallkörner der Superlegierung, von welcher der Gegenstand unter Verwendung von Standard- Wärmebehandlungsmethoden geformt wird, durch einen dünnen, insgesamt linearen und kontinuierlichen Chromkarbidfilm 14 voneinander getrennt.

Standard-Wärmebehandlungsmethoden variieren von Hersteller zu Hersteller, jedoch enthalten alle das Erwärmen des Gegenstandes auf eine erhöhte Temperatur für eine gewisse Zeitperiode und dann das Kühlen des Gegenstandes auf eine niedrigere Temperatur mit einer ungesteuerten Rate. Das heißt, die Rate, mit welcher der Gegenstand gekühlt wird, wird nicht gesteuert. Speziell wird der Gegenstand einer Umgebungstemperatur ausgesetzt, die im wesentlichen einer Temperatur des Gegenstandes entspricht, die erreicht werden soll, wobei zugelassen wird, daß er ein thermisches Gleichgewicht erreicht. Im Gegensatz dazu umfaßt die Erfindung, unter anderem, das Abkühlen mit einer gesteuerten Rate für wenigstens einen Teil der Abkühlzeit. Die zu erzielende gewünschte Temperatur wird dadurch erreicht, daß der Gegenstand inkremental einer Reihe von geringeren Temperaturen ausgesetzt wird, so daß die Abkühlrate gesteuert wird, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist.

Eine gebräuchliche Standard-Wärmebehandlungsmethode für einen Gegenstand, der aus einer IN 939-Legierung geformt ist, ist wie folgt. Nach der Beendigung des Gießens, des Pressens, des Prüfens und des Reparierens wird der Gegenstand zunächst auf ungefähr 1163°C (2125°F) für etwa 4 Stunden gewärmt. Der Gegenstand wird dann mit unkontrollierter Rate auf Raumtemperatur abgekühlt, wonach er auf etwa 1000°C (1832°F) für etwa 6 Stunden gewärmt wird. Danach wird der Gegenstand mit unkontrollierter Rate auf Raumtemperatur abgekühlt. Der Gegenstand wird dann für etwa 4 Stunden auf 802°C (1475°F) gewärmt und mit unkontrollierter Rate auf Raumtemperatur abgekühlt; dies ist der Endschritt. Wie vorher erwähnt, ist die sich ergebende typische Mikrostruktur für einen Gegenstand, der durch Standard-Wärmebehandlung hergestellt wird, diejenige, die in Fig. 2 gezeigt ist.

Zum Vergleich ist die sich ergebende typische Mikrostruktur für einen Gegenstand, der in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt wird, diejenige, die in Fig. 5 gezeigt ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Gegenstand nach der Beendigung des Gießens, des Pressens, des Prüfens und des Reparierens wärmebehandelt bei einer Temperatur und für eine Zeit, die ausreicht, um die Chromkarbide und jedes primäre Gamma, das während des Abkühlens bei der Verfestigung und/oder nach dem isostatischen Warmpressen ausgefällt wurde, in Lösung gehen. Dies heißt, daß der Gegenstand auf eine hinreichend hohe Temperatur erwärmt wird, so daß die Chrom-, Kohlenstoff-, Nickel-, Alluminium- und Titanatome sich voneinander trennen und sich über die Kornstruktur hin verteilen, während das Metall im festen Zustand verbleibt (Stelle 22 in Fig. 3). Für eine IN 939-Legierung ist es erforderlich, das Teil auf eine Temperatur zwischen 1120 und 1205°C (2050 und 2200°F) zu erwärmen, damit ein adäquates Sichlösen stattfindet. Insbesondere wird die IN 939-Legierung auf eine Temperatur von annähern 1163°C (2125°F) während 4 Stunden gewärmt.

Wenn die Chromkarbide und die Primärgammaausfällungen sich in Lösung befinden, wird der Gegenstand einem langsamen Kühlvorgang unterworfen, um die Bildung von Chromkarbiden und Primärgammakeimen zu induzieren, wie es durch die schräg abfallende Linie 24 in Fig. 3 dargestellt wird. Da die Diffusion an den Korngrenzen schneller als in den Korngitterstrukturen erfolgt, neigen die Chromkarbide und die Primärgammakeime dazu, sich entlang der Korngrenzen zu bilden. Die Bildung der Chromkarbide und Primärgammakeime entlang der Korngrenzen führt dazu, daß die Grenzen ein gezahntes oder welliges Muster bilden. Ein anderes Ergebnis der Bildung der Chromkarbidkeime entlang der Korngrenzen ist es, daß die Teile der den Grenzen benachbarten Körner Chromatome verlieren und chromarm werden können.

Die Entwicklung der Chromkarbide und der Primärgammakeime in einem Gegenstand, der aus IN 939-Superlegierung hergestellt ist, wird beispielsweise durch langsames Abkühlen des Gegenstandes mit einer Rate von 56 bis 167°C (100 bis 300°F) pro Stunde begünstigt. Insbesondere wird die IN 939-Superlegierung mit einer Rate von annähernd 111°C (200°F) pro Stunde gekühlt.

Der Gegenstand wird langsam gekühlt, bis er eine Temperatur unter derjenigen erreicht, bis zu welcher er später wärmebehandelt wird, dargestellt durch Punkt 26 in Fig. 3. Wenn der Gegenstand bis unter diese Temperatur abgekühlt ist, wird zugelassen, daß er in Luft schnell bis unter 538°C (1000°F) abkühlt, wie durch die steiler abfallende Linie 28 dargestellt. In Abhängigkeit davon, aus welcher Legierung der Gegenstand hergestellt ist, kann zugelassen werden, daß der Gegenstand bis auf Raumtemperatur, beispielsweise eine Temperatur von 5-24°C (50-75°F) abkühlt. Ein aus der IN 939-Superlegierung gegossener Gegenstand wird langsam auf eine Temperatur zwischen 871 und 913 °C (1600-1675°F) gekühlt, bevor er schnell abkühlen darf. Diese Temperatur liegt, wie unten diskutiert, leicht unter der Temperatur, bei welcher die Chromkarbidkeime in Lösung gehen.

Nachdem der Gegenstand heruntergekühlt ist, wie durch den Punkt 30 in Fig. 3 dargestellt, wird er bei einer Temperatur wärmebehandelt, die ausreichend hoch ist, eine Chromdiffusion herbeizuführen, jedoch wesentlich unter derjenigen liegt, bei welcher Chromkarbidkeime in Lösung gehen, was durch den Punkt 32 dargestellt ist. Ein aus IN 939-Superlegierung hergestellter Gegenstand wird beispielsweise auf eine Temperatur zwischen etwa 885 und 941°C (1625 und 1725°F) erwärmt. Spezieller wird ein solcher Gegenstand häufig auf eine Temperatur von 885°C (1675 °F) erwärmt und auf dieser Temperatur für annähernd 4 Stunden gehalten. Als Ergebnis dieser Wiedererwärmungsbehandlung wandern die freien Chromatome in den Kristallgittern in die Kornbereiche, die an die Korngrenzen angrenzen, und zu den Korngrenzen selbst, um ihre Verteilung über die Kristallstruktur hin auszugleichen. Wenn dieser Schritt beendet ist, kann der Gegenstand in der Luft auf Raumtemperatur abkühlen, was in Fig. 3 durch den Punkt 34 dargestellt ist.

Die Migration der Chromatome in dem oben genannten Wärmebehandlungsschritt führt dazu, daß die Chromkarbidkeime in ihrer Größe auf das zehnfache oder mehr wachsen, so daß sie diskrete Chromkarbidausfällungen 15 bilden, wie in Fig. 4 diagrammatisch dargestellt ist, welche eine Aggregation von Kristallkörnern zeigt. Wie diagrammatisch aus Fig. 4 und in der Mikrofotographie aus Fig. 4 ersichtlich, bildet sich als Folge der Bildung der Chromkarbidausfällungen 15 entlang den Außenflächen der einzelnen Kristallkörner 12 eine nichtlineare oder gezahnte Korngrenze 16 zwischen den einzelnen Kristallen.

Der Gegenstand wird dann einer anderen Wärmebehandlung ausgesetzt, um die Bildung von die Legierung verfestigenden Primärgammaausfällungen ("gamma prime precipitates") zu begünstigen. In diesem Schritt des Härtungsvorganges für die Ausfällungen des Gegenstandes wird der Gegenstand auf eine Temperatur gewärmt, die ausreichend hoch ist, grobes, primäres Gamma ("gamma prime") in Lösung gehen zu lassen, jedoch unterhalb derjenigen liegt, bei welcher die Chromkarbide in Lösung gehen, was durch den Punkt 36 in Fig. 3 repräsentiert ist. Viele Superlegierungen auf Nickelbasis mit hohem Chromanteil werden in diesem Schritt auf eine Temperatur zwischen 954 und 1010°C (1750 und 1850°F) erwärmt. Ein Gegenstand, der aus IN 939-Superlegierung hergestellt ist, wird beispielsweise in diesem Schritt auf eine Temperatur von etwa 982°C (1800°F) für annähernd 6 Stunden gewärmt. Diese Wärmebehandlung, wenn sie nicht unterhalb der Chromkarbid- Löslichkeitstemperatur erfolgt, liegt nahe genug daran, daß Chromkarbide entlang der Korngrenzen nicht wesentlich in Lösung gehen. Wenn die Löslichkeitserwärmung für das primäre Gamma vervollständigt ist, wird zugelassen, daß der Gegenstand in Luft auf Raumtemperatur abkühlt, was durch den Punkt 38 repräsentiert ist.

Wenn das Inlösunggehen des Primärgammas beendet ist, wird der Gegenstand einem abschließenden Wärmebehandlungsschritt unterworfen, um die Bildung von feinen Primärgammaausfällungen zu stabilisieren. In diesem Schritt wird der Gegenstand auf eine Temperatur über der typischen Maximaltemperatur erwärmt, welcher er normalerweise während des Betriebs ausgesetzt ist, wobei dieses Wärmen ausreichend lange erfolgt, um zuzulassen, daß die Primärgammaausfällungen wachsen und sich stabilisieren, was durch den Punkt 40 in Fig. 3 dargestellt ist. Wenn beispielsweise der Gegenstand ein Diffusorgehäuse eines Strahltriebwerks ist, das für Temperaturen von etwa 704°C (1300 °F) ausgelegt ist, und der Gegenstand aus IN 939-Superlegierung hergestellt ist, kann der Gegenstand auf eine Temperatur von annähernd 802°C (1475°F) für etwa 4 Stunden gewärmt werden. Diese Temperatur liegt unterhalb derjenigen, an welcher die Chromkarbide in Lösung gehen. Das sich ergebende feine Präzipitat 18 sieht man in der Mikrofotographie aus Fig. 5 in Form erhabener Beulen und ist in Fig. 4 diagrammatisch dargestellt. Wenn einmal die Ausfällung feinen Primärgammas abgeschlossen ist, kann sich der Gegenstand in Luft auf Raumtemperatur abkühlen.

Das Ende der Wärmebehandlung, die zur feinen Primärgammaausscheidung führt, stellt das Ende der Wärmebehandlung des Gegenstandes dar. Der Gegenstand kann dann einer abschließenden Bearbeitung, Feinbearbeitung oder Beschichtung unterworfen werden und für den Betrieb in das Triebwerk installiert werden.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung des Gegenstandes liegt darin, daß sie statt der Bildung eines kontinuierlichen Chromkarbidfilms entlang den Korngrenzen zwischen den den Gegenstand formenden Kristallen die Entwicklung diskreter Chromkarbide herbeiführt. Der Chromkarbidfilm ist unerwünscht, weil er spröde ist und das Potential hat, die Bildung einer schnellen interkristallinen Rißbildung zu begünstigen. Durch die Bildung der diskreten Chromkarbide und Primärgammapräzipitate wird die Ausbildung von gezahnten Korngrenzflächen zwischen den Körnern herbeigeführt. Durch diese gezahnten Grenzflächen erhält der Gegenstand eine höhere Festigkeit, weil jede natürliche Tendenz zum Reißen entlang der Korngrenzflächen reduziert wird. Ein anderes Merkmal der Erfindung liegt darin, daß die Wärmebehandlung des Gegenstandes nach der anfänglichen Bildung der Korngrenzflächenkarbide nicht nur ein weiteres Wachstum der Karbide induziert, sondern die Verteilung der freien Chromatome über den Rest der Kornstruktur hin vergleichmäßigt. Durch diesen Schritt wird das Auftreten von Chrommangelzonen in der Kornstruktur minimiert, was andernfalls die mechanische Gesamtfestigkeit der Kornstruktur verringern kann. Daher ist dieser Wärmebehandlungsvorgang gut zur Verwendung für das Steigern der Festigkeit von Komponenten geeignet, die darauf ausgelegt sind, daß sie erheblichen Spannungen unterliegen, wie von Komponenten, die in Strahltriebwerken eingebaut sind.

Die Rißwiderstandseigenschaften, die durch die Erfindung in Superlegierungen erzeugt werden, sind in den Kurven aus Fig. 6 ersichtlich, in welcher die Anzahl von nachträglichen Spannungszyklen dargestellt ist, die zur Bildung von Rissen mit kritischer Länge führen. Die Kurve 50 stellt die Rißentwicklung dar, wenn der Gegenstand in konventionellen Herstellprozessen hergestellt wird. Wenn beispielsweise die anfängliche Rißlänge zwischen 2,54 und 7,62 mm (0,1 und 0,3 inch) liegt, wurde gefunden, daß Riße mit bis zur kritischen Länge entstehen, nachdem der Gegenstand etwa 3000 Zyklen ausgesetzt war. Die Kurve 52 zeigt die Anzahl von Zyklen, die erforderlich sind, daß ein nach der Erfindung hergestellter Gegenstand kritische Rißlängen entwickelt. Insbesondere zeigt sie, daß ein nach der Erfindung hergestellter Gegenstand etwa 15000 Spannungszyklen nach der Herstellung unterworfen werden kann, bevor er Riße mit einer kritischen Länge bekommt.

Die oben angeführte detaillierte Beschreibung wurde auf eine spezifische Ausführungsform der Erfindung begrenzt. Es ist jedoch ersichtlich, daß Variationen und Modifikationen durchgeführt werden können, um einige oder sämtliche Vorteile der Erfindung zu erreichen. Beispielsweise kann es möglich sein, einen oder mehr der verschiedenen Wärmebehandlungsschritte gemäß der Erfindung auszuführen, ohne zuerst den Gegenstand auf Raumtemperatur abzukühlen, bevor der Gegenstand dem folgenden Wärmezyklus unterworfen wird. Es kann auch möglich sein, den einen oder mehrere der Wärmebehandlungsschritte wegzulassen, um eine Superlegierung auf Nickelbasis mit hohem Chromanteil im Sinne der Erfindung herzustellen. Beispielsweise kann es in einigen Versionen der Erfindung erwünscht sein, die mittlere Wärmebehandlung wegzulassen, die nach dem Schritt des gesteuerten langsamen Kühlens folgt, das durchgeführt wird, um die Größe der diskreten Chromkarbidpräzipitate günstiger zu gestalten.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt darin, daß bei dieser die Notwendigkeit zur Durchführung der Wärmebehandlungsschritte entfallen kann, die durchgeführt werden, um die Bildung von Primärgammapräzipitaten und/oder der feinen Primärgammaverteilung zu erreichen. Es wird auch darauf hingewiesen, daß die offenbarten Temperaturen lediglich als Beispiele dienen und nicht als Beschränkung wirken sollen. Wenn nämlich die Erfindung bei anderen Legierungen angewendet wird, können die Temperaturen, an denen die gewünschten Reaktionen stattfinden, und die Zeit, während welcher der Gegenstand solchen Temperaturen ausgesetzt ist, in breitem Maße von den oben gemachten Angaben variieren. Zu einem ähnlichen Zweck wird auch darauf hingewiesen, daß die Erfindung auf andere Legierungen angewendet werden kann, die fähig sind, Chromkarbidausscheidungen anders als die als Beispiel angegebene Legierung zu bilden.

Claims (17)

1. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Gegenstandes aus einer Legierung auf Nickelbasis mit hohem Chromanteil, wobei die Legierung Chrom und Kohlenstoff enthält und eine Anfangsschmelztemperatur aufweist, bei welchem:
der Gegenstand auf eine Temperatur erwärmt wird, oberhalb welcher Chromkarbide in der Legierung in Lösung gehen, welche jedoch niedriger liegt als die Anfangsschmelztemperatur der Legierung, und
der Gegenstand mit einer ausgewählten Rate abgekühlt wird, so daß diskrete Chromkarbide an den Korngrenzflächen in dem Gegenstand gebildet werden.

2. Verfahren zum Erhöhen der Festigkeit eines Gegenstandes nach Anspruch 1, bei welchem der Gegenstand nach dem Kühlschritt selektiv bis auf eine Temperatur erwärmt wird, die ausreicht, um eine Wanderung der Chrom- und Kohlenstoffatome zu den Korngrenzflächen und das Wachstum der Chromkarbide herbeizuführen und die unter derjenigen liegt, bei welcher die Chromkarbidkeime in Lösung gehen.

3. Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit eines Gegenstandes nach Anspruch 2, bei welchem der Gegenstand nach dem Schritt des Kühlens mit einer ausgewählten Rate und vor dem Schritt des selektiven Wärmens des Gegenstandes mit unkontrollierter Rate gekühlt wird.

4. Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit eines Gegenstandes gemäß Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Kühlens mit ausgewählter Rate durchgeführt wird, bis der Gegenstand eine Temperatur wesentlich unterhalb der Temperaturen erreicht, bei welchen die Chromkarbide in der Legierung in Lösung gehen, wonach der Gegenstand bis auf eine Temperatur erwärmt wird, die hinreichend hoch ist, um ein Wachstum der Chromkarbide herbeizuführen und die unterhalb der Temperaturen liegt, bei welchen die Chromkarbide in Lösung gehen.

5. Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit eines Gegenstandes nach Anspruch 4, bei welchem der Gegenstand nach dem das Chromkarbidwachstum herbeiführenden Wärmebehandlungsschritt bis auf eine Temperatur wiedererwärmt wird, die hinreichend hoch ist, daß Primärgammapräzipitate in Lösung gehen, und unterhalb der Temperaturen liegt, bei welchen Chromkarbide in Lösung gehen.

6. Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit eines Gegenstandes nach Anspruch 5, bei welchem nach dem Wärmebehandlungsschritt für das Wachstum der Chromkarbide und vor dem Primärgammapräzipitat-Wärmebehandlungsschritt der Gegenstand gekühlt wird.

7. Gegenstand, der hohen Temperaturen widerstehen kann und der durch die folgenden Schritte hergestellt ist:
Formen des Gegenstandes aus einer kristallinen Legierung auf Nickelbasis mit einer Anfangsschmelztemperatur und mit einer Konzentration von Chrom und Kohlenstoff, die ausreichend ist, die Bildung von Chromkarbiden zu begünstigen,
Wärmen des Gegenstandes auf eine Temperatur, oberhalb welcher die Chromkarbide in der Legierung in Lösung gehen, welche jedoch niedriger ist als die Anfangsschmelztemperatur der Legierung, und
Abkühlen des Gegenstandes mit einer ausgewählten Kühlrate, so daß diskrete Chromkarbide an den Korngrenzflächen der Kristalle in der den Gegenstand bildenden Legierung gebildet werden.

8. Gegenstand nach Anspruch 7, wobei der Gegenstand weiter hergestellt ist durch: selektives Wärmen des Gegenstandes nach dem Schritt des Kühlens mit ausgewählter Rate auf eine Temperatur, die ausreichend ist, das Wachstum der diskreten Chromkarbidkeime entlang der Kristallkorngrenzflächen herbeizuführen, wobei der Gegenstand dem Schritt des Kühlens mit ausgewählter Rate unterworfen wird, bis der Gegenstand eine Temperatur erreicht, die im wesentlichen gleich der Löslichkeitstemperatur von freiem Chrom ist.

9. Gegenstand nach Anspruch 8, wobei der Gegenstand weiter hergestellt ist durch: Kühlen des Gegenstandes mit unkontrollierter Rate nach dem Schritt des Kühlens mit ausgewählter Rate und vor dem Schritt des selektiven Wärmens des Gegenstandes.

10. Gegenstand nach Anspruch 7, wobei der Gegenstand weiter hergestellt ist durch:
Durchführen des Schrittes des Kühlens mit ausgewählter Rate, bis der Gegenstand eine Temperatur erreicht, die wesentlich unter der Löslichkeitstemperatur der Chromkarbide liegt, und
Wärmen des Gegenstandes nach dem Schritt des Kühlens mit ausgewählter Rate auf eine Temperatur, die ausreichend hoch ist, die Bildung von Primärgammapräzipitat herbeizuführen, und unter derjenigen liegt, bei welcher die Chromkarbide in Lösung gehen.

11. Gegenstand nach Anspruch 8, bei welchem der Gegenstand weiter hergestellt ist durch: Wiedererwärmen des Gegenstandes nach dem Wärmebehandlungsschritt für das Wachstum der Chromkarbide auf eine Temperatur, die ausreichend hoch ist, um die Bildung eines Primärgammapräzipitates herbeizuführen und unter derjenigen liegt, bei welcher Chromkarbide in Lösung gehen.

12. Gegenstand nach Anspruch 11, wobei der Gegenstand ferner hergestellt ist durch Kühlen des Gegenstandes nach dem Chromkarbid-Wachstumsschritt und dem Primärgammapräzipitat- Wärmebehandlungsschritt.

13. Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere des Rißvergrößerungswiderstandes, eines Gegenstandes, der aus einer Legierung auf Nickelbasis geformt ist und in Gew.% aufweist: wenigstens 16% Cr, 0,07% C, 1-5% W, 0,5-3% Ta, 1-4% Al, 1,7-5% Ti, 15-25% Co, 0-3% Cb, wobei die Legierung eine Primärgamma-Löslichkeitstemperatur und eine Anfangsschmelztemperatur aufweist, bei welchem Verfahren: der Gegenstand auf eine Temperatur zwischen derjenigen, bei welcher das Chrom und der Kohlenstoff in Lösung gehen, und der Anfangsschmelztemperatur erwärmt wird, der Gegenstand mit einer Rate gekühlt wird, die hinreichend niedrig ist, die Bildung diskreter Chromkarbide entlang von Korngrenzflächen von Kristallen in der Legierung herbeizuführen, der Gegenstand auf eine Temperatur zwischen derjenigen, bei welcher Chromatome in Lösung gehen, und derjenigen erwärmt wird, bei welcher die Chromkarbide in Lösung gehen, und der Gegenstand auf eine Temperatur zwischen der Primärgamma-Löslichkeitstemperatur und unter derjenigen, bei welcher die Chromkarbide wesentlich in Lösung gehen, wiedererwärmt wird, so daß danach die Chromkarbide entlang der Kristallkorngrenzflächen verbleiben.

14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Fortsetzen des Kühlens des Gegenstandes mit einer im wesentlich unkontrollierten Rate nach dem Schritt des Kühlens mit einer niedrigen Rate und vor dem Schritt des Erwärmens des Gegenstandes.

15. Verfahren nach Anspruch 13, enthaltend weiter den Schritt des kontrollierten Kühlens des Gegenstandes nach dem Schritt des Erwärmens und vor dem Wiedererwärmungsschritt.

16. Gegenstand, geformt aus einer Legierung, die im wesentlichen enthält: 0-5% W, 0,5-3% Ta, 1-4% Al, 1,7-5% Ti, 15-25% Co, 0-3% Cb, wenigstens 12% Cr, wenigstens 0,05 C, wobei der Rest im wesentlichen Nickel ist, wobei der Gegenstand in Form einer Aggregation von Körnern aus der Legierung ist, die diskrete Chromkarbidausfällungen enthalten, die entlang des äußeren Umfangs der Körner angeordnet sind, so daß benachbart der Körner eine wesentlich gezahnte Korngrenzfläche ausgebildet ist.

17. Gegenstand nach Anspruch 16, wobei die Körner der Legierung weiter Primärgammaausfällungen enthalten, die in den Körnern verteilt sind.