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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Herstellen
von Blöcken
aus Superlegierungen auf Nickelbasis mit großem Durchmesser und von Spitzenqualität. Die vorliegende
Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen von
Blöcken
aus Superlegierungen auf Nickelbasis, die Legierung 718 (UNS N07718)
enthalten, und aus anderen Superlegierungen auf Nickelbasis, bei
denen sich während
des Gießens
eine signifikante Seigerung vollzieht, und wobei die Blöcke einen
Durchmesser größer als 30
Inch (762 mm) aufweisen und im Wesentlichen frei von negativer Seigerung
sind, frei von Sprenkeln sind und frei von sonstiger positiver Seigerung
sind. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem Blöcke aus Legierung 718 mit Durchmessern
größer als
30 Inch (762 mm) sowie jegliche Blöcke, unabhängig vom Durchmesser, die mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellt werden. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann
zum Beispiel bei der Herstellung von Blöcken aus Superlegierungen auf
Nickelbasis mit großem Durchmesser
und von Spitzenqualität
eingesetzt werden, die zu rotierenden Teilen zur Stromerzeugung
verarbeitet werden. Zu solchen Zeilen gehören beispielsweise Räder und
Distanzstücke
für stationäre Turbinen und
rotierende Komponenten für
Flugzeugturbinen.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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In
bestimmten kritischen Anwendungen müssen Komponenten aus Superlegierungen
auf Nickelbasis in Form von Blöcken
mit großem
Durchmesser hergestellt werden, die keine signifikante Seigerung
aufweisen. Solche Blöcke
müssen
im Wesentlichen frei von positiver und negativer Seigerung sein
und sollten vollständig frei
von erkennbarer positiver Seigerung sein, die als "Sprenkel" bekannt ist. Sprenkel
sind das häufigste
sichtbare Zeichen positiver Seigerung und sind dunkle Ätzregionen,
die mit gelösten
Elementen angereichert sind. Sprenkel resultieren aus dem Fluss
von an gelösten
Stoffen reicher interdendritischer Flüssigkeit in der Schmelzzone
des Blocks während
der Verfestigung. Sprenkel in Legierung 718 zum Beispiel sind im
Vergleich zur Matrix mit Niob angereichert, haben eine hohe Dichte
an Carbiden und enthalten in der Regel Laves-Phase. "Weiße Punkte" sind der hauptsächliche
Typ negativer Seigerung. Diese hellen Ätzregionen, die arm an gelösten Härterelementen,
wie zum Beispiel Niob, sind, werden in der Regel in dendritische
weiße
Punkte, diskrete weiße
Punkte und weiße
Verfestigungspunkte klassifiziert. Während man dendritische weiße Punkte
und weiße
Verfestigungspunkte zu einem gewissen Grad tolerieren kann, sind
diskrete weiße
Punkte ein großes Problem,
weil sie häufig
mit einem Cluster von Oxiden und Nitriden einhergehen, die als ein
Rissinitiator fungieren können.
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Blöcke, die
im Wesentlichen weder positive noch negative Seigerung aufweisen
und die ebenfalls frei von Sprenkeln sind, werden im vorliegenden
Text als Blöcke
von "Spitzenqualität" bezeichnet. Blöcke aus
Superlegierung auf Nickelbasis und von Spitzenqualität werden
in bestimmten kritischen Anwendungen benötigt, wie zum Beispiel für rotierende
Komponenten in Flugzeugturbinen oder stationären Stromerzeugungsturbinen und
in anderen Anwendungen, in denen auf Seigerung basierende metallurgische
Defekte zu einem Totalausfall der Komponente führen können. Im Sinne des vorliegenden
Textes weist ein Block "im
Wesentlichen keine" positive
und negative Seigerung auf, wenn solche Arten von Seigerung vollständig fehlen
oder nur in einem Ausmaß vorhanden
sind, das den Block nicht für
die Anwendung in kritischen Anwendungen ungeeignet macht, wie zum
Beispiel für
die Verarbeitung zu rotierenden Komponenten für Flugzeugturbinen und stationäre Turbinen.
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Zu
Superlegierungen auf Nickelbasis, bei denen es zu signifikanter
positiver und negativer Seigerung während des Gießens kommen
kann, gehören
zum Beispiel Legierung 718 und Legierung 706. Die Zusammensetzungen
der Legierungen 718 und 706 sind dem Fachmann bestens bekannt. Die
Zusammensetzungen sind folgendermaßen definiert:
- Legierung
718 (Gewichtsprozente): Aluminium 0,20–0,8; Bor max. 0,006; Kohlenstoff
max. 0,08; Kobalt max. 1,00; Chrom 17–21; Kupfer max. 0,3; Mangan
max. 0,35; Molybdän
2,8–3,3;
Nb + Ta 4,75–5,5;
Nickel 50–55; Phosphor
max. 0,015; Schwefel max. 0,015; Silicium max. 0,35; Titan 0,65–1,15; der
Rest Eisen und beiläufige Verunreinigungen.
- Legierung 706 (Gewichtsprozente): Aluminium max. 0,40; Bor max.
0,006; Kohlenstoff 0,06; Kobalt max. 1,00; Chrom 14,5–17,5; Kupfer
max. 0,3; Mangan max. 0,35; Nb + Ta 2,5–3,3; Nickel + Kobalt 39,0–44,0; Phosphor max.
0,020; Schwefel max. 0,015; Silicium max. 0,35; Titan 1,5–2,0; der
Rest Eisen und beiläufige
Verunreinigungen.
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Um
die Seigerung beim Gießen
dieser Legierungen zur Verwendung in kritischen Anwendungen zu minimieren
und außerdem
besser zu gewährleisten,
dass die gegossene Legierung frei von qualitätsmindernden nichtmetallischen
Einschlüssen
ist, wird das schmelzflüssige
metallische Material auf geeignete Weise raffiniert, bevor es abschließend gegossen
wird. Legierung 718 sowie bestimmte andere zu Seigerung neigende Superlegierungen
auf Nickelbasis, wie zum Beispiel Legierung 706 (UNS N09706), werden
in der Regel durch eine "Dreifachschmelz"-Technik raffiniert,
die der Reihe nach Vakuuminduktionsschmelzen (VIS), Elektroschlacke-Umschmelzen
(ESU) und Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen (VLU). Blöcke in Spitzenqualität aus diesen
seigerungsanfälligen
Materialien lassen sich jedoch nur schwierig in großen Durchmessern
durch VLU-Schmelzen, dem letzten Schritt in der Dreifachschmelz-Folge,
herstellen. In einigen Fällen
werden Blöcke mit
großem
Durchmesser zu einzelnen Komponenten verarbeitet, so dass Bereiche
mit inakzeptabler Seigerung in VLU-gegossenen Blöcken nicht selektiv entfernt
werden können,
bevor die Komponenten gefertigt werden. Folglich kann es passieren,
dass der gesamte Block oder ein Teil des Blocks verschrottet werden
muss.
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"Advances in Triele
Melting Superalloys 718, 706, and 720" von Moyer und Mitarbeitern in "The Minerals, Metals
and Materials Society, 1994",
Seiten 39–48,
beschreibt, dass sich das Dreifachschmelzen mit VIS und ESU und
VLU für
Legierung 718, für
Blöcke
aus Legierung 706 mit großem
Durchmesser und für
härterreiche
Legierungen wie zum Beispiel Legierung 720 als überaus erfolgreich erwiesen
hat. Es wird weiter beschrieben, wie ein maßgeblicher Vorteil des Dreifachschmelzens
von Legierung 706 darin besteht, dass Blöcke mit bis zu 36 Inch (914
mm) Durchmesser geschmolzen werden können, ohne das Probleme mit
Sprenkeln oder positiver Seigerung auftreten.
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VLU-Blöcke aus
Legierung 718, Legierung 706 und anderen Superlegierungen auf Nickelbasis,
wie zum Beispiel Legierung 600, Legierung 625, Legierung 720 und
Waspaloy, werden zunehmend in größeren Gewichten
und entsprechend größeren Durchmessern
für neue
Anwendungen benötigt.
Zu solchen Anwendungen gehören
zum Beispiel rotierende Komponenten für größere stationäre Turbinen
und Flugzeugturbinen, die derzeit entwickelt werden. Größere Blöcke werden
nicht nur benötigt,
um das letztendliche Komponentengewicht auf wirtschaftliche Weise
zu erreichen, sondern auch, um eine ausreichende thermomechanische
Bearbeitung zu ermöglichen,
um die Blockstruktur adäquat
abzutragen und alle endgültigen
mechanischen und strukturellen Anforderungen zu erfüllen.
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Das
Schmelzen großer
Superlegierungsblöcke
bringt eine Reihe grundlegender metallurgischer und verarbeitungsbezo gener
Probleme besonders deutlich zum Vorschein. Der Wärmeabzug während des Schmelzens wird mit
zunehmendem Blockdurchmesser schwieriger, was zu längeren Verfestigungszeiten
und tieferen Schmelzenpools führt.
Das verstärkt
die Neigung zu positiver und negativer Seigerung. Größere Blöcke und
Elektroden können
auch höhere
thermische Spannungen während
des Erwärmens
und Abkühlens hervorrufen.
Zwar sind Blöcke
der durch diese Erfindung in Betracht gezogenen Größe schon
erfolgreich aus verschiedenen auf Nickel basierenden Legierungen
hergestellt worden (zum Beispiel Legierungen 600, 625, 706 und Waspaloy),
doch ist speziell Legierung 718 für diese Probleme anfällig. Um
die Herstellung von VLU-Blöcken
mit großem
Durchmesser von akzeptabler metallurgischer Qualität aus Legierung
718 und bestimmten anderen seigerungsanfälligen Superlegierungen auf
Nickelbasis zu ermöglichen,
sind spezialisierte Schmelz- und Wärmebehandlungsabfolgen entwickelt
worden. Trotz dieser Bemühungen
messen zum Beispiel die größten auf
dem freien Markt erhältlichen
VLU-Blöcke
von Spitzenqualität
aus Legierung 718 derzeit 20 Inch (508 mm) im Durchmesser, und in
begrenztem Umfang wird Material mit bis zu 28 Inch (711 mm) Durchmesser
hergestellt. Versuche, VLU-Blöcke
mit größerem Durchmesser
aus Legierung 718-Material zu gießen, sind aufgrund des Auftretens
von thermischen Rissen und unerwünschter
Seigerung gescheitert. Aufgrund von Längenbeschränkungen wiegen VLU-Blöcke von
28 Inch aus Legierung 718 nicht mehr als ungefähr 21.500 lbs (9772 kg). Das
heißt,
dass VLU-Blöcke
aus Legierung 718 in den größten auf
dem freien Markt erhältlichen
Durchmessern bei weitem nicht die Gewichtsanforderungen erfüllen, die
durch neue Anwendungen gestellt werden, die Superlegierungsmaterial
auf Nickelbasis in Spitzenqualität
erfordern.
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Dementsprechend
besteht Bedarf an einem verbesserten Verfahren zur Herstellung von
VLU-Blöcken mit
großem
Durchmesser aus Legierung 718 in Spitzenqualität. Es besteht des Weiteren
Bedarf an einem verbesserten Verfahren zur Her stellung von Blöcken aus
anderen seigerungsanfälligen
Superlegierungen auf Nickelbasis, die im Wesentlichen frei von negativer
Seigerung sind, frei von Sprenkeln sind und im Wesentlichen keine
sonstige positive Seigerung aufweisen.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Um
den oben angesprochenen Bedarf zu befriedigen, stellt die vorliegende
Erfindung ein neuartiges Verfahren zur Herstellung einer Superlegierung
auf Nickelbasis bereit. Das Verfahren kann dafür verwendet werden, VLU-Blöcke von
Spitzenqualität
aus Legierung 718 in Durchmessern größer als 30 Inch (762 mm) und mit
Gewichten von über
21.500 lbs (9772 kg) herzustellen. Es wird davon ausgegangen, dass
das Verfahren der vorliegenden Erfindung auch in der Produktion
von VLU-Blöcken
mit großem
Durchmesser aus anderen Superlegierungen auf Nickelbasis, die zu
einer signifikanten Seigerung während
des Gießens
neigen, wie zum Beispiel Legierung 706, angewendet werden kann.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung enthält den anfänglichen Schritt des Gießens einer
Superlegierung auf Nickelbasis in einer Gießform. Dies kann mittels VIS,
Argon-Sauerstoff-Entkohlung (ASE), Vakuum-Sauerstoff-Entkohlung
(VSE) oder einer anderen geeigneten primären Schmelz- und Gießtechnik
geschehen. Der gegossene Block wird anschließend geglüht und überaltert, indem die Legierung
bei einer Ofentemperatur von mindestens 1200°F (649°C) über eine Dauer von mindestens
10 Stunden erwärmt
wird. (Im Sinne des vorliegenden Textes bezieht sich "anschließend" oder "im Anschluss an" auf Verfahrensschritte
oder Ereignisse, die unmittelbar aufeinander folgen; aber es bezieht
sich auch auf Verfahrensschritte oder sonstige Ereignisse, die zeitlich
und/oder durch dazwischenliegende Verfahrensschritte oder sonstige
Ereignisse voneinander getrennt sind.) In einem anschließenden Schritt
wird der Block als eine ESU-Elektrode angewendet und wird einem
Elektroschlacke-Umschmelzverfahren mit einer Schmelzrate von mindestens
8 lbs/min (3,63 kg/min) unterzogen. Der ESU-Block wird innerhalb
von 4 Stunden nach der vollständigen
Verfestigung in einen Wärmeofen
verbracht und wird anschließend
einer ESU-Folgewärmebehandlung
unterzogen. Die Wärmebehandlung
enthält
die Schritte, die Legierung über
eine Dauer von mindestens 10 Stunden bei einer ersten Ofentemperatur
von 600°F
(316°C)
bis 1800°F
(982°C)
zu halten und dann die Ofentemperatur entweder in einer einzigen
Stufe oder in mehreren Stufen von der ersten Ofentemperatur auf
eine zweite Ofentemperatur von mindestens 2125°F (1163°C) in einer solchen Weise zu
erhöhen,
die thermische Spannungen innerhalb des Blocks vermeidet. Der Block
wird über
eine Dauer von mindestens 10 Stunden auf der zweiten Temperatur gehalten,
um dem Block eine homogenisierte Struktur und eine minimale Laves-Phase
zu geben.
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In
einigen Fällen
kann der ESU-Block mit einem Durchmesser gegossen werden, der größer als
der gewünschte
Durchmesser der VLU-Elektrode ist, um in einem anschließenden Schritt
des Verfahrens verwendet zu werden. Darum kann das Verfahren der
vorliegenden Erfindung im Anschluss an das Halten des ESU-Blocks
auf der zweiten Ofentemperatur und vor dem Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen
ein mechanisches Bearbeiten des ESU-Blocks bei erhöhten Temperatur
enthalten, um Abmessungen des Blocks zu ändern und eine VLU-Elektrode
des gewünschten
Durchmessers zu erhalten. Nachdem nun der ESU-Block auf der zweiten Ofentemperatur
gehalten wurde, kann er auf eine von verschiedenen Weisen weiterverarbeitet werden,
einschließlich
Abkühlen
auf eine geeignete Temperatur zur mechanischen Bearbeitung oder
Abkühlen auf
ungefähr
Raumtemperatur und anschließendes
Wiedererwärmen
auf eine geeignete Temperatur zur mechanischen Bearbeitung. Alternativ
kann der Block, wenn ein Justieren des Blockdurchmessers nicht erforderlich
ist, direkt auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend durch
Vakuum-Lichtbogen-Um schmelzen ohne den Schritt der mechanischen
Bearbeitung abgekühlt
werden. Alle Schritte des Kühlens
und Wiedererwärmens
des ESU-Blocks im Anschluss an das Halten des ESU-Blocks auf der zweiten
Temperatur werden in einer Weise ausgeführt, die thermische Spannungen
vermeidet und die nicht zu thermischem Reißen des Blocks führt.
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In
einem anschließenden
Schritt des vorliegenden Verfahrens wird der ESU-Block einem Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzverfahren
mit einer Schmelzrate von 8 bis 11 lbs/Minute (3,63 bis 5 kg/Minute)
unterzogen, um einen VLU-Block herzustellen. Die VLU-Schmelzrate
beträgt
bevorzugt 9 bis 10,25 lbs/Minute (4,09 bis 4,66 kg/min) und beträgt besonders
bevorzugt 9,25 bis 10,2 lbs/Minute (4,20 bis 4,63 kg/Minute). Der VLU-Block
hat bevorzugt einen Durchmesser größer als 30 Inch (762 mm) und
hat besonders bevorzugt einen Durchmesser von mindestens 36 Inch
(914 mm).
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Die
vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung
einer Superlegierung auf Nickelbasis, die im Wesentlichen frei von
positiver und negativer Seigerung ist, und das den Schritt enthält, in einer
Gießform
eine Legierung zu gießen,
die aus Legierung 718 und anderen Superlegierungen auf Nickelbasis,
die während
des Gießens
einer signifikanten Seigerung unterliegen, ausgewählt ist.
Der gegossene Block wird anschließend durch Erwärmen bei
einer Ofentemperatur von mindestens 1550°F (843°C) über eine Dauer von mindestens
10 Stunden geglüht
und überaltert.
Der geglühte
Block wird anschließend
einem Elektroschlacke-Umschmelzverfahren mit einer Schmelzrate von
mindestens ungefähr
10 lbs/min (4,54 kg/min) unterzogen, und der ESU-Block wird dann
innerhalb von 4 Stunden nach der vollständigen Verfestigung in einen Wärmeofen
verbracht. In anschließenden
Schritten wird der ESU-Block einer mehrstufigen ESU-Folgewärmebehandlung
unterzogen, indem der Block über
eine Dauer von mindestens 10 Stunden bei einer ersten Ofentemperatur
von 900°F
(482°C)
bis 1800°F
(982°C)
gehalten wird. Die Ofentemperatur wird anschließend um nicht mehr als 100°F/Stunde
(55,6°C/Stunde)
auf eine Ofenzwischentemperatur erhöht und wird anschließend um
nicht mehr als 200°F/Stunde
(111°C/Stunde)
auf eine zweite Ofentemperatur von mindestens 2125°F (1163°C) weiter
erhöht.
Der Block wird über
eine Dauer von mindestens 10 Stunden auf der zweiten Ofentemperatur
gehalten. Der ESU-Block
kann erforderlichenfalls zu einer VLU-Elektrode von geeigneten Abmessungen
umgearbeitet werden und wird anschließend einem Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzverfahren
mit einer Schmelzrate von 8 bis 11 lbs/Minute (3,63 bis 5 kg/Minute)
unterzogen, um einen VLU-Block herzustellen. Der VLU-Block kann
gewünschtenfalls
weiterverarbeitet werden, wie zum Beispiel durch eine Homogenisierung und/oder
eine geeignete mechanische Umarbeitung auf gewünschte Abmessungen.
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Zu
repräsentativen
Produkten, die aus Blöcken,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurden, gefertigt werden können, gehören zum Beispiel Räder und
Distanzstücke
zur Verwendung in stationären
Turbinen und rotierende Komponenten zur Verwendung in Flugzeugturbinen.
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Der
Leser wird die oben genannten sowie weitere Details und Vorteile
der vorliegenden Erfindung einzuschätzen und zu würdigen wissen,
nachdem der die folgende detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
der Erfindung studiert hat. Der Leser kann diese weiteren Vorteile
und Details der vorliegenden Erfindung auch verstehen, wenn er die
Erfindung ausführt
oder verwendet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich unter
Bezug auf die angehängten Zeichnungen
besser verstehen. Darin ist folgendes dargestellt:
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1 ist
ein Schaubild, das allgemein eine Ausführungsform des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei der ESU-Block einen
Durchmesser von 40 Inch hat und vor dem Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen
zu einer VLU-Elektrode
mit 32 Inch Durchmesser umgearbeitet wird.
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2 ist
ein Schaubild, das allgemein eine zweite Ausführungsform des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei der ESU-Block einen
Durchmesser von 36 Inch hat und vor dem Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen
zu einer VLU-Elektrode mit 32 Inch Durchmesser umgearbeitet wird.
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3 ist
ein Schaubild einer dritten Ausführungsform
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, wobei ein ESU-Block mit
33 Inch Durchmesser gegossen wird und ohne mechanische Umarbeitung
zur Verwendung als die VLU-Elektrode geeignet ist.
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Detaillierte Beschreibung
von Ausführungsformen
der Erfindung
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Produktion von Blöcken mit
großem
Durchmesser in Spitzenqualität
aus Legierung 718, einer Superlegierung auf Nickelbasis, die beim
Gießen
zu Seigerung neigt. Vor der Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens
waren die schwersten auf dem freien Markt erhältlichen Blöcke aus Legierung 718 aufgrund
von Länge/Durchmesser-Beschränkungen
auf ungefähr 28
Inch (711 mm) Durchmesser mit Höchstgewichten
von ungefähr
21.500 lbs (9773 kg) begrenzt. Die Erfinder haben mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
mit Erfolg Blöcke
in Spitzenqualität
aus Legierung 718 mit Durchmessern größer als 30 Inch (762 mm) und
mindestens 36 Inch (914 mm) hergestellt. Diese Blöcke wogen
bis zu 36.000 lbs (16.363 kg), was deutlich mehr ist als das bisherige
Höchstgewicht
für VLU-Blöcke aus Legierung
718 in Spitzen qualität.
Die Erfinder sind der Ansicht, dass das Verfahren der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann, um VLU-Blöcke
aus anderen Superlegierungen auf Nickelbasis herzustellen, bei denen
es in der Regel zu signifikanter Seigerung während des Gießens kommt.
Zu solchen anderen Legierungen gehört zum Beispiel Legierung 706.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung enthält den Schritt des Gießens einer
Superlegierung auf Nickelbasis in einer Gießform. Wie angesprochen, kann
die Legierung auf Nickelbasis zum Beispiel Legierung 718 sein. Legierung
718 hat die folgende allgemeine Zusammensetzung (alle Angaben in
Gewichtsprozenten): ungefähr
50,0 bis ungefähr
55,0 Nickel; ungefähr
17 bis ungefähr
21,0 Chrom; 0 bis ungefähr
0,08 Kohlenstoff; 0 bis ungefähr
0,35 Mangan; 0 bis ungefähr
0,35 Silicium; ungefähr
2,8 bis ungefähr
3,3 Molybdän;
Niob und/oder Tantal, wobei die Summe aus Niob und Tantal ungefähr 4,75
bis ungefähr
5,5 ist; ungefähr
0,65 bis ungefähr
1,15 Titan; ungefähr
0,20 bis ungefähr
0,8 Aluminium; 0 bis ungefähr
0,006 Bor; und Eisen und beiläufige
Verunreinigungen. Legierung 718 ist unter dem Warenzeichen Allvac
718 von der Allvac Division der Allegheny Technologies Incorporated,
Pittsburgh, Pennsylvania, erhältlich.
Allvac 718 hat die folgende Nennzusammensetzung (in Gewichtsprozenten),
wenn es in größeren VLU-Block-Durchmessern
gegossen wird: 54,0 Nickel; 0,5 Aluminium; 0,01 Kohlenstoff; 5,0
Niob; 18,0 Chrom; 3,0 Molybdän;
0,9 Titan; und Eisen und beiläufige
Verunreinigungen.
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Es
kann jede geeignete Technik verwendet werden, um die Legierung in
einer Gießform
zu schmelzen und zu gießen.
Zu geeigneten Techniken gehören
zum Beispiel VIS, ASE und VSE. Die Wahl der Schmelz- und Gießtechnik
wird oft durch eine Kombination aus Kosten und technischen Fragen
diktiert. Lichtbogenofen/ASE-Schmelzen gestattet die Verwendung
von preiswerten Rohstoffen, erbringt aber einen geringeren Produktionsertrag
als VIS-Schmelzen, insbesondere wenn mit einer Stopfenpfanne gegossen
wird. Bei steigenden Rohstoffkosten könnte der höhere Produktionsertrag von
VIS-Schmelzen das wirtschaftlichere Verfahren sein. Legierungen,
die größere Mengen
an reaktiven Elementen enthalten, können VIS-Schmelzen erfordern,
um eine adäquate
Rückgewinnung
zu gewährleisten.
Die Notwendigkeit niedriger Gasrestgehalte, insbesondere Stickstoff,
kann ebenfalls die Verwendung von VIS-Schmelzen zwingend machen,
um die gewünschten
Gehalte zu erreichen.
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Nachdem
die Legierung gegossen wurde, kann sie noch einen bestimmten Zeitraum
im Formwerkzeug belassen werden, um eine ausreichende Verfestigung
zu gewährleisten,
so dass sie problemlos aus der Gießform herausgelöst werden
kann. Der Durchschnittsfachmann kann gegebenenfalls problemlos eine
ausreichende Zeit bestimmen, die der gegossene Block im Formwerkzeug
verbleibt. Diese Zeit richtet sich zum Beispiel nach der Größe und den
Abmessungen des Blocks, den Parametern des Gießvorgangs und der Zusammensetzung
des Blocks.
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Im
Anschluss an das Herausnehmen des gegossenen Blocks aus der Gießform wird
dieser in einen Wärmeofen
verbracht und durch Erwärmen
bei einer Ofentemperatur von mindestens 1200°F (649°C) über eine Dauer von mindestens
10 Stunden geglüht
und überaltert.
Bevorzugt wird der Block bei einer Ofentemperatur von mindestens
1200°F (649°C) über eine
Dauer von mindestens 18 Stunden erwärmt. Eine besonders bevorzugte
Erwärmungstemperatur
ist mindestens 1550°F
(843°C).
Die Glüh-
und Überalterungs-Wärmebehandlung
dient dem Zweck, Restspannungen innerhalb des Blocks zu beseitigen,
die während
der Verfestigung entstanden sind. Mit zunehmendem Blockdurchmesser
werden Restspannungen aufgrund höherer Wärmegradienten
innerhalb des Blocks zu einem größeren Problem,
und der Grad an Mikroseigerung und Makroseigerung erhöht sich,
wodurch die Empfänglichkeit
für Wärmerisse
steigt. Wenn die Restspannungen zu groß werden, so können Wärmerisse
entstehen. Einige Wärmerisse
können
einen Totalausfall bedeuten, was zur Folge hat, dass das Produkt
verschrottet werden muss. Das Reißen kann aber auch subtiler
vonstatten gehen und kann zu Schmelzunregelmäßigkeiten und einer anschließenden inakzeptablen
Seigerung führen. Eine
Art von Schmelzunregelmäßigkeit,
die als ein "Schmelzratenzyklus" bekannt ist, wird
durch Wärmerisse verursacht,
die in der ESU- und VLU-Elektrode entstehen und die Wärmeleitung
entlang der Elektrode von der schmelzenden Spitze aus unterbrechen.
Dadurch wird die Wärme
unter dem Riss konzentriert, wodurch die Schmelzrate umso höher wird,
je mehr sich die Schmelzgrenzfläche
dem Riss nähert.
Wenn der Riss erreicht ist, so ist das Ende der Elektrode relativ
kalt, wodurch der Schmelzprozess plötzlich verlangsamt wird. In
dem Maße,
wie die Rissregion schmilzt, nimmt die Schmelzrate allmählich zu,
bis ein stabiler Temperaturgradient in der Elektrode wiederhergestellt
ist und die nominale Schmelzrate erreicht ist.
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In
einem anschließenden
Schritt wird der Block als eine ESU-Elektrode verwendet, um einen ESU-Block
zu bilden. Die Erfinder haben festgestellt, dass eine ESU-Schmelzrate
von mindestens ungefähr
8 lbs/Minute (3,63 kg/Minute) und besonders bevorzugt mindestens
10 lbs/Minute (4,54 kg/Minute) verwendet werden sollte, um einen
ESU-Block zu erhalten, der für
die Weiterverarbeitung zu einem VLU-Block mit großem Durchmesser
geeignet ist. Es kann jedes geeignete Flussmittel und jede geeignete
Flussmittelzufuhrrate verwendet werden, und der Durchschnittsfachmann
kann ohne Weiteres geeignete Flussmittel und Zufuhrraten für einen
bestimmten ESU-Prozess ermitteln. In einem gewissen Grad hängt die
geeignete Schmelzrate von dem gewünschten ESU-Blockdurchmesser ab und sollte so gewählt werden,
dass ein ESU-Block von solidem Aufbau (d. h. im Wesentlichen ohne
Lunker und Risse), mit hinreichend guter Oberflächenqualität und ohne übermäßige Restspannungen, um Wärmerissbildung
zu vermeiden, erhalten wird. Der allgemeine Betrieb einer ESU-Anlage
und die allgemeine Art und Weise der Durchführung eines Umschmelzvorgangs
sind dem Durchschnittsfachmann vertraut. Diese Personen können ohne
Weiteres eine Elektroschlacke-Umschmelzung einer ESU-Elektrode aus
einer Superlegierung auf Nickelbasis, wie zum Beispiel Legierung
718, mit der in dem erfindungsgemäßen Verfahren angegebenen Schmelzrate
ohne weitere Unterweisung ausführen.
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Nachdem
der Elektroschlacke-Umschmelzvorgang zu Ende geführt ist, kann man den ESU-Block
in dem Schmelztiegel abkühlen
lassen, um besser zu gewährleisten,
dass alles schmelzflüssige
Metall fest geworden ist. Die geeignete Mindestabkühldauer
hängt zu
einem großen
Teil vom Blockdurchmesser ab. Nachdem der Block aus dem Schmelztiegel
genommen wurde, wird er in einen Wärmeofen verbracht, damit er
einer neuartigen ESU-Folgewärmebehandlung
gemäß der vorliegenden
Erfindung, und wie folgt, unterzogen werden kann.
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Die
Erfinder haben entdeckt, dass es bei der Produktion von Blöcken aus
Legierung 718 mit großem Durchmesser
wichtig ist, dass der ESU-Block heiß in den Wärmeofen verbracht wird und
dass die ESU-Folgewärmebehandlung
innerhalb von 4 Stunden nach der vollständigen Verfestigung des ESU-Blocks
eingeleitet wird. Nachdem der ESU-Block in den Wärmeofen verbracht wurde, wird
die ESU-Folgewärmebehandlung
eingeleitet, indem der Block über
eine Dauer von mindestens 10 Stunden bei einer ersten Ofentemperatur
im Bereich von mindestens 600°F
(316°C)
bis 1800°F
(982°C)
gehalten wird. Besonders bevorzugt liegt die Ofentemperatur im Berech
von mindestens 900°F
(482°C)
bis 180°F
(982°C).
Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die Erwärmungsdauer bei der gewählten Ofentemperatur
mindestens 20 Stunden beträgt.
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Nach
dem Schritt des Haltens der Ofentemperatur über eine Dauer von mindestens
10 Stunden wird die Wärmeofentemperatur
von der ersten Ofentemperatur auf eine zweite Ofentem peratur von
mindestens 2125°F
(1163°C),
und bevorzugt mindestens 2175°F
(1191°C),
in einer solchen Weise erhöht,
dass die Entstehung thermischer Spannungen innerhalb des ESU-Blocks
vermieden wird. Die Erhöhung
der Ofentemperatur auf die zweite Ofentemperatur kann in einer einzigen
Stufe oder als ein mehrstufiger Ablauf ausgeführt werden, der zwei oder mehr
Erwärmungsstufen
enthält.
Die Erfinder haben festgestellt, dass eine besonders zufriedenstellende
Abfolge des Erhöhens
der Temperatur von der ersten auf die zweite Ofentemperatur eine zweistufige
Abfolge ist, die Folgendes beinhaltet: Erhöhen der Ofentemperatur von
der ersten Temperatur um nicht mehr als 100°F/Stunde (55,6°C/Stunde),
und bevorzugt ungefähr
25°F/Stunde
(13,9°C/Stunde),
auf eine Zwischentemperatur; und dann ein weiteres Erhöhen der
Ofentemperatur von der Zwischentemperatur um nicht mehr als 200°F/Stunde
(111°C/Stunde),
und bevorzugt ungefähr
50°F/Stunde
(27,8°C/Stunde),
auf die zweite Ofentemperatur. Bevorzugt beträgt die Zwischentemperatur mindestens
1000°F (583°C) und besonders
bevorzugt mindestens 1400°F
(760°C).
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Der
ESU-Block wird auf der zweiten Ofentemperatur über eine Dauer von mindestens
10 Stunden gehalten. Die Erfinder haben festgestellt, dass der Block,
nachdem er auf der zweiten Ofentemperatur gehalten wurde, eine homogenisierte
Struktur aufweisen und nur eine minimale Laves-Phase enthalten sollte.
Um besser zu gewährleisten,
dass die gewünschte
Struktur und der gewünschte
Glühungsgrad
erreicht werden, wird der ESU-Block bevorzugt über eine Dauer von mindestens
24 Stunden auf der zweiten Ofentemperatur gehalten und wird besonders
bevorzugt über
eine Dauer von ungefähr
32 Stunden auf der zweiten Ofentemperatur gehalten.
-
Nachdem
der ESU-Block über
die angegebene Dauer auf der zweiten Ofentemperatur gehalten wurde,
kann er auf eine von verschiedenen Weisen weiterverarbeitet werden.
Wenn der ESU-Block nicht mechanisch bearbeitet wird, so kann er
von der zweiten Ofentemperatur auf Raumtemperatur in einer solchen
Weise abgekühlt
werden, dass Wärmerisse
vermieden werden. Wenn der ESU-Block einen Durchmesser hat, der größer als
der gewünschte
Durchmesser der VLU-Elektrode ist, so kann der ESU-Block mechanisch
bearbeitet werden, wie zum Beispiel durch Warmschmieden. Der ESU-Block
kann von der zweiten Ofentemperatur auf eine zur mechanischen Bearbeitung
geeignete Temperatur in einer solchen ausgewählten Weise abgekühlt werden,
dass Wärmerisse
vermieden werden. Wenn jedoch der ESU-Block unter eine geeignete
Bearbeitungstemperatur abgekühlt
wurde, so kann er auf die Bearbeitungstemperatur in einer solchen
Weise wiedererwärmt
werden, dass Wärmerisse
vermieden werden, und kann dann auf die gewünschten Abmessungen bearbeitet
werden.
-
Die
Erfinder haben festgestellt, dass es beim Abkühlen des ESU-Blocks von der
zweiten Ofentemperatur wünschenswert
ist, dies in einer kontrollierten Weise auszuführen, indem die Ofentemperatur
von der zweiten Ofentemperatur verringert wird, während der
Block in dem Wärmeofen
verbleibt. Eine bevorzugte Abkühlfolge,
die nachweislich Wärmerisse
verhindert, enthält:
Verringern der Ofentemperatur von der zweiten Ofentemperatur mit
einer Rate von maximal 200°F/Stunde
(111°C/Stunde),
und bevorzugt mit ungefähr 100°F/Stunde
(55,6°C/Stunde),
auf eine erste Zwischentemperatur von maximal 1750°F (954°C), und bevorzugt
von maximal 1600°F
(871°C);
Halten bei der ersten Zwischentemperatur über eine Dauer von mindestens 10
Stunden. und bevorzugt mindestens 18 Stunden; weiteres Verringern
der Ofentemperatur von der ersten Zwischentemperatur mit einer Rate
von maximal 150°F/Stunde
(83,3°C/Stunde),
und bevorzugt ungefähr 75°F/Stunde
(41,7°C/Stunde),
auf eine zweite Zwischentemperatur von maximal 1400°F (760°C), und bevorzugt
von maximal 1150°F
(621°C);
Halten auf der zweiten Zwischentemperatur über eine Dauer von mindestens
5 Stunden, und bevorzugt mindestens 7 Stunden; und anschließend Luftabkühlung des
Blocks auf Raumtemperatur. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur sollte
der Block eine überalterte
Struktur aus Deltaphase-Ausfällungen
aufweisen.
-
Wenn
der ESU-Block von der zweiten Ofentemperatur auf eine Temperatur
abgekühlt
wird, bei der eine mechanische Bearbeitung ausgeführt wird,
dann kann der relevante Abschnitt der soeben beschriebenen Abkühlfolge
verwendet werden, um die Bearbeitungstemperatur zu erreichen. Wenn
zum Beispiel der ESU-Block in einem Wärmeofen bei einer zweite Ofentemperatur
von 2175°F
(1191°C)
erwärmt
wird und bei einer Schmiedetemperatur von 2025°F (1107°C) warmgeschmiedet werden soll,
so kann der ESU-Block durch Verringern der Ofentemperatur von der
zweiten Ofentemperatur mit einer Rate von maximal 200°F/Stunde (111°C/Stunde),
und bevorzugt bei ungefähr
100°F/Stunde,
auf die Schmiedetemperatur abgekühlt
werden.
-
Die
Erfinder haben festgestellt, dass, wenn der ESU-Block von der zweiten
Ofentemperatur auf Raumtemperatur oder eine Temperatur nahe Raumtemperatur
abgekühlt
wurde, das Wiedererwärmen
des Blocks auf eine zur mechanischen Bearbeitung geeignete Temperatur
mittels des folgenden Arbeitsablaufs ausgeführt werden, um Wärmerisse
zu vermeiden: Einbringen des Block in einen Wärmeofen und Erwärmen des
Blocks bei einer Ofentemperatur von weniger als 1000°F (556°C) über eine
Dauer von mindestens 2 Stunden; Erhöhen der Ofentemperatur mit
weniger als 40°F/Stunde
(22,2°C/Stunde)
auf weniger als 1500°F
(816°C);
weiteres Erhöhen
der Ofentemperatur mit weniger als 50°F/Stunde (27,8°C/Stunde)
auf eine geeignete Warmbearbeitungstemperatur von weniger als 2100°F (1149°C); und Halten
des Blocks auf der Bearbeitungstemperatur über eine Dauer von mindestens
4 Stunden. In einer von den Erfindern entwickelten alternativen
Erwärmungsabfolge
wird der ESU-Block in einen Wärmeofen
gelegt, und es wird nach folgendem Erwärmungsablauf vorgegangen: Der
Block wird bei einer Ofentemperatur von mindestens 500°F (260°C), und bevorzugt
bei 500–1000°F (277–556°C), über eine
Dauer von mindestens 2 Stunden erwärmt; die Ofentemperatur wird
um ungefähr
20–40°F/Stunde
(11,1–22,2°C/Stunde)
auf mindestens 800°F
(427°C)
erhöht;
die Ofentemperatur wird weiter um ungefähr 30–50°F/Stunde (16,7–27,8°C/Stunde)
auf mindestens 1200°F
(649°C)
erhöht;
die Ofentemperatur wird weiter um ungefähr 40–60°F/Stunde (22,2–33,3°C/Stunde)
auf eine Warmbearbeitungstemperatur von weniger als 2100°F (1149°C) erhöht; und
der Block wird auf der Warmbearbeitungstemperatur gehalten, bis
der Block durch sein gesamtes Volumen hindurch eine im Wesentlichen
gleichmäßige Temperatur
erreicht.
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Wenn
der ESU-Block auf eine gewünschte
Temperatur zur mechanischen Bearbeitung abgekühlt oder erwärmt wurde,
so wird er in einer geeigneten Weise, wie zum Beispiel durch Druckschmieden,
bearbeitet, um einen VLU-Elektrode mit einem vorgegebenen Durchmesser
herzustellen. Verkleinerungen des Durchmessers können zum Beispiel durch Beschränkungen
der verfügbaren
Maschinen und Anlagen nötig
werden. Zum Beispiel kann es erforderlich sein, mechanisch einen
ESU-Block mit einen
Durchmesser von ungefähr
34 bis ungefähr
40 Inch (ungefähr
864 bis ungefähr
1016 mm) auf einen Durchmesser von 34 Inch (ungefähr 864 mm) oder
weniger zu bearbeiten, damit er als die VLU-Elektrode in einer verfügbaren VLU-Anlage
verwendet werden kann.
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Bis
zu diesem Punkt ist der ESU-Block der ESU-Folgewärmebehandlung unterzogen worden.
Des Weiteren hat er – entweder
als Gussteil in der ESU-Anlage oder nach der mechanischen Bearbeitung – einen geeigneten
Durchmesser zur Verwendung als VLU-Elektrode angenommen. Der ESU-Block
kann dann aufbereitet und beschnitten werden, um seine Form so zu ändern, dass
der sich zur Verwendung als VLU-Elektrode geeignet, wie dem Fachmann
bekannt ist. Die VLU-Elektrode wird anschließend einem Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzverfahren
mit einer Rate von 8 bis 11 lbs/Minute (3,63 bis 5 kg/Minute) in
einer solchen Weise unterzogen, wie es dem Durchschnittsfachmann
bekannt ist, um einen VLU-Block des gewünschten Durchmessers herzustellen.
Die VLU-Schmelzrate beträgt
bevorzugt 9 bis 10,25 lbs/Minute (4,09 bis 4,66 kg/min) und beträgt ganz
besonders bevorzugt 9,25 bis 10,2 lbs/Minute (4,20 bis 4,63 kg/Minute).
Die Erfinder haben festgestellt, dass die VLU-Schmelzrate kritisch
für das
Herstellen von VLU-Blöcken
aus Legierung 718-Material in Spitzenqualität ist.
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Der
gegossene VLU-Block kann gewünschtenfalls
weiterverarbeitet werden. Zum Beispiel kann der VLU-Block mittels
Techniken homogenisiert und überaltert
werden, die herkömmlicherweise
in der Produktion von auf dem freien Markt erhältlichen VLU-Blöcken aus
Superlegierung auf Nickelbasis mit größerem Durchmesser angewendet
werden.
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Blöcke aus
Superlegierung auf Nickelbasis, die mittels des Verfahrens der vorliegenden
Erfindung hergestellt werden, können
mittels bekannter Fertigungstechniken zu Produkten verarbeitet werden.
Zu solchen Produkten würden
natürlich
auch bestimmte rotierende Komponenten gehören, die zur Verwendung in
Flugzeugturbinen und stationären
Stromerzeugungsturbinen geeignet sind.
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Es
folgen nun Beispiele des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
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Beispiel 1
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1 ist
ein Schaubild, das allgemein eine Ausführungsform des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung zeigt, die zum Herstellen von Blöcken aus
Legierung 718 in Spitzenqualität
mit Durchmessern größer als 30
Inch geeignet ist. Es ist zu erkennen, dass die in 1 gezeigte
Ausführungsform
des vorliegenden Verfahrens im Allgemeinen ein Dreifachschmelzprozess
ist, der die Schritte VIS, ESU und VLU beinhaltet. Wie in 1 angedeutet,
wurde eine Schmelze aus Legierung 718 mittels VIS hergestellt und
zu einer VIS-Elektrode mit
einem Durchmesser von 36 Inch gegossen, die zur Verwendung als ESU-Elektrode
in einem anschließenden
Schritt geeignet ist. Der VIS-Block verblieb über eine Dauer von 6 bis 8
Stunden nach dem Gießens
in der Gießform.
Der Block wurde dann aus dem Formwerkzeug herausgelöst und im
warmen Zustand in einen Ofen verbracht, wo er mindestens 18 Stunden
lang bei 1550°F
(843°F)
geglüht
und überaltert
wurde.
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Nach
dem Glüh-/Überalterungsschritt
wurde die Blockoberfläche
geschliffen, um Zunder zu entfernen. Der Block wurde dann im warmen
Zustand in eine ESU-Anlage verbracht, wo er als die ESU-Abschmelzelektrode
verwendet wurde und einem Elektroschlacke-Umschmelzverfahren unterzogen
wurde, um einen 40 Inch-ESU-Block herzustellen. Wie bestens bekannt
ist, enthält
eine ESU-Anlage eine elektrische Stromversorgung, die mit der Abschmelzelektrode
in elektrischem Kontakt steht. Die Elektrode steht in Kontakt mit
einer Schlacke, die sich in einem wassergekühlten Behälter befindet, der in der Regel
aus Kupfer besteht. Die elektrische Stromversorgung, die in der
Regel eine Wechselstromversorgung ist, liefert einen hochamperigen
Niederspannungsstrom an einen Stromkreis, der die Elektrode, die
Schlacke und den Behälter
enthält.
Wenn der Strom durch den Stromkreis fließt, so erhöht elektrische Widerstandserwärmung der
Schlacke ihre Temperatur auf einen Wert, der ausreicht, um das Ende
der Elektrode, die in Kontakt mit der Schlacke steht, zu schmelzen. Wenn
die Elektrode zu schmelzen beginnt, bilden sich Tröpfchen aus
schmelzflüssigem
Material, und ein Elektrodenzufuhrmechanismus schiebt die Elektrode
weiter in die Schlacke hinein, um die gewünschte Schmelzrate zu erzeugen.
Die Tröpfchen
aus schmelzflüssigem
Material passieren die erwärmte
Schlacke, wodurch Oxideinschlüsse
und andere Verunreinigungen entfernt werden. Das Bestimmen der richtigen
Schmelzrate ist entscheidend, um einen Block zu erhalten, der im
Wesentlichen homogen und frei von Lunkern ist und eine hinreichend
hochwertige Oberfläche
aufweist. Die Erfinder haben hier durch Experimentieren festgestellt,
dass eine Schmelzrate von 14 lbs/min einen geeignet homogenen und
defektfreien ESU-Block erbrachte.
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Nachdem
der 40 Inch-ESU-Block gegossen war, ließ man ihn in dem Formwerkzeug über eine
Dauer von 2 Stunden abkühlen,
woraufhin er der nachfolgenden ESU-Folgewärmebehandlung unterzogen wurde. Die
Wärmebehandlung
verhinderte Wärmerisse
in dem Block in der anschließenden
Verarbeitung. Der ESU-Block wurde aus dem Formwerkzeug herausgenommen
und im warmen Zustand in einen Wärmeofen verbracht,
wo man ihn über
eine Dauer von 20 Stunden bei ungefähr 900°F (482°C) verweilen ließ. Die Ofentemperatur
wurde dann um ungefähr
25°F/Stunde
(13,9°C/Stunde)
auf ungefähr
1400°F (760°C) erhöht. Die Ofentemperatur
wurde dann weiter mit einer Rate von ungefähr 50°F/Stunde (27,8°C/Stunde)
auf ungefähr 2175°F (1191°C) erhöht, und
der Block wurde über
eine Dauer von mindestens 32 Stunden bei 2175°F (1191°C) gehalten. Der Block wurde
dann durch Verringern der Ofentemperatur mit ungefähr 100°F/Stunde (55,6°C/Stunde)
auf ungefähr
1600°F (871°C) abgekühlt. Diese
Temperatur wurde über
eine Dauer von mindestens 18 Stunden beibehalten. Der Block wurde
dann weiter durch Verringern der Ofentemperatur mit ungefähr 75°F/Stunde
(41,7°C/Stunde)
auf ungefähr
1150°F abgekühlt, und
die Temperatur wurde über
eine Dauer von ungefähr
7 Stunden auf diesem Wert gehalten. Der Block wurde aus dem Ofen
herausgenommen und an der Luft abkühlen gelassen.
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Der
40 Inch-Durchmesser des ESU-Blocks war zu groß, um einem Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzverfahren
in der vorhandenen VLU-Anlage unterzogen zu werden. Darum wurde
der Block auf einen Durchmesser von 32 Inch druckgeschmiedet, der
zur Verwendung in der VLU-Anlage geeignet war. Vor dem Schmieden
wurde der Block mittels einer durch die Autoren der vorliegenden
Erfindung entwickelten Erwärmungsabfolge
in einem Ofen auf eine geeignete Druckschmiedetemperatur erwärmt, um
Wärmerisse
zu verhindern. Der Block wurde zuerst über eine Dauer von 2 Stunden
bei 500°F
(260°C)
erwärmt.
Die Ofentemperatur wurde dann schrittweise mit 20°F/Stunde
(11,1°C/Stunde)
auf 800°F
(427°C)
erhöht,
mit 30°F/Stunde
(16,7°C/Stunde)
auf 1200°F
(649°C)
erhöht
und dann weiter mit 40°F/Stunde
(22,2°C/Stunde)
auf 2025°F
(1107°C)
erhöht, wo
er über
eine Dauer von ungefähr
8 Stunden verweilte. Der Block wurde dann auf einen Durchmesser
von 32 Inch druckgeschmiedet, wobei ein Wiedererwärmen auf
Schmiedetemperatur nach Bedarf vorgenommen wurde. Die 32 Inch-VLU-Elektrode
wurde über
eine Dauer von mindestens 20 Stunden bei ungefähr 1600°F (871°C) gehalten und dann aufbereitet
und mit einer Bandsäge
beschnitten, um seine Enden abzuflachen.
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Die
Erfinder haben entdeckt, dass nur ein schmaler und spezifischer
VLU-Schmelzbereich einen im Wesentlichen seigerungsfreien VLU-Block
erbringt und dass die VLU-Steuerung während der Anfangsphase besonders
kritisch ist, um Makroseigerung zu vermeiden. Die 32 Inch-VLU-Elektrode
wurde mittels eines Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzverfahrens mit einer
Schmelzrate von ungefähr
9,75 lbs/min, die so gesteuert werden muss, dass sie innerhalb eines
schmalen Bereichs liegt, zu einem 36 Inch-VLU-Block umgearbeitet. Der
VLU-Block wurde dann unter Verwendung eines standardmäßigen Ofenhomogenisierungserwärmungszyklus' homogenisiert und
wurde dann über
eine Dauer von mindestens 20 Stunden bei 1600°F (871°C) überaltert.
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Das
Gewicht des 36 Inch-VLU-Blocks lag deutlich über dem Gewicht von 21.500
lbs (9772 kg) der auf dem freien Markt erhältlichen Blöcke mit einem Durchmesser von
28 Inch aus Legierung 718. Das Produkt aus dem 36 Inch-Block wurde
einer Ultraschall- und Makroscheibeninspektion unterzogen, und es
wurde festgestellt, dass es frei von Sprenkeln war und im Wesentlichen
frei von Rissen, Lunkern, negativer Seigerung und anderer positiver
Seigerung war. Es wurde befunden, dass der ESU-Block von Spitzenqualität ist und
für die Verarbeitung
zu Teilen geeignet ist, die in kritischen Anwendungen verwendet
werden, wie zum Beispiel rotierende Teile für stationäre Stromerzeugungsturbinen
und Flugzeugturbinen.
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Beispiel 2
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In
dem obigen Beispiel hatte der ESU-Block einen Durchmesser, der größer war
als der, der in der verfügbaren
VLU-Anlage verwendet
werden konnte, die eine VLU-Elektrode bis ungefähr 34 Inch ((863 mm) aufnehmen
konnte. Das machte es erforderlich, dass der Durchmesser des ESU-Blocks
mittels mechanischer Bearbeitung justiert wurde. Dies wiederum erforderte,
dass die Erfinder eine geeignete ESU-Block-Erwärmungsabfolge
entwickelten, um den ESU-Block auf Schmiedetemperatur zu erwärmen, während das
Auftreten von Wärmerissen
während
des Schmiedens verhindert wurde. Wenn der Durchmesser des ESU-Blocks
näher an dem
maximalen Durchmesser liegen würde,
der in der verfügbaren
VLU-Anlage verarbeitet werden kann, so wäre der ESU-Block weniger wärmerissanfällig. Druckschmieden
oder eine sonstige mechanische Bearbeitung des ESU-Blocks kann völlig überflüssig sein,
wenn die Größe des ESU-Blocks
direkt zur Verwendung in der verfügbaren VLU-Anlage geeignet
wäre. In
einem solchen Fall könnte
der ESU-Block unmittelbar nach den ESU-Folgewärmebehandlungsschritten in
die VLU-Anlage geleitet werden.
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2 ist
ein Schaubild, das allgemein eine vorausgesagte Ausführungsform
eines Dreifachschmelzprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt, wobei die ESU-Anlage verwendet werden kann, um einen 36 Inch-ESU-Block
zu gießen.
Weil der ESU-Block einen Durchmesser hat, der kleiner als der 40
Inch-Durchmesser des ESU-Block ist, der in Beispiel 1 gegossen wurde,
würde ein
geringeres Risiko bestehen, dass der Block reißt oder andere durch die Bearbeitung
hervorgerufene Defekte aufweist. Außerdem würden der verringerte Durchmesser
und die größere Länge des
ESU-Blocks die Wahrscheinlichkeit mindern, dass der ESU-Block reißt oder
eine signifikante Seigerung aufweist, nachdem er gegossen wurde.
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Wie
in 2 angedeutet, wird die VIS-Elektrode zu einem
Block von 33 Inch Durchmesser gegossen. Der VIS-Block wird dann
im warmen Zustand transferiert und kann geglüht und überaltert werden, wie in Beispiel
1 beschrieben. Insbesondere belässt
man den VIS-Block über
eine Dauer von 6 bis 8 Stunden in der Gießform, bevor er herausgenommen
und in den Wärmebehandlungsofen
verbracht wird. Es wird davon ausgegangen, dass die Verweildauer
in der Gießform
bei VIS-Blöcken mit
kleinerem Durchmesser verringert werden könnte. Der 33 Inch-VIS-Block
wird dann einem Elektroschlacke-Umschmelzprozess
unterzogen, wie er allgemein in Beispiel 1 beschrieben ist. Der
Block wird dann im warmen Zustand transferiert und einer ESU-Folgewärmebehandlung
unterzogen, wie oben in Beispiel 1 beschrieben. Im Anschluss an
die ESU-Folgewärmebehandlung
wird der ESU-Block schrittweise auf Schmiedetemperatur gebracht
und auf einen Durchmesser von 32 Inch druckgeschmiedet, wie allgemein
in Beispiel 1 beschrieben. Das 32 Inch-Schmiedteil wird überaltert
und dann in einem Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzverfahren zu einem
36 Inch-VLU-Block umgearbeitet, wie allgemein in Beispiel 1 beschrieben.
Der VLU-Block kann dann mittels standardmäßiger Homogenisierungsbehandlungen
homogenisiert werden oder kann auf sonstige Weise in geeigneter
Form verarbeitet werden. Es wird davon ausgegangen, dass ein VLU-Block
aus Legierung 718 in Spitzenqualität, vergleichbar dem Block,
der mittels des Verfahrens von Beispiel 1 hergestellt wurde, das
Ergebnis sein würde.
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Beispiel 3
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3 ist
ein Schaubild einer alternativen vorausgesagten Ausführungsform
eines Dreifachschmelzprozesses im Rahmen der vorliegenden Erfindung,
wobei der ESU-Block mit einem Durchmesser von 30 Inch in dem Zustand,
in dem er gegossen wurde, direkt zur Verwendung in der ESU-Anlage
geeignet ist. Eine 30 Inch-VIS-Elektrode wird in einem Elektroschlacke-Umschmelzverfahren
zu einem 33 Inch-ESU-Block umgearbeitet. Der ESU-Block wird im warmen
Zustand transferiert und wärmebehandelt,
wie in Beispiel 1 beschrieben, und wird dann in einem Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzverfahren
ohne Verringerung des Durchmesser zu einem VLU-Block mit einem Durchmesser
von 36 Inch umgearbeitet. Der VLU-Block kann dann homogenisiert
und weiterverarbeitet werden, wie in Beispiel 1 beschrieben. Der
in 3 gezeigte Prozess unterscheidet sich von dem
aus 1 nur dadurch, dass sich die Durchmesser der VIS-Elektrode
und des ESU-Blocks von denen aus Beispiel 1 unterschieden und dass
weder ein Druckschmieden noch ein schrittweiser Anstieg auf Schmiedetemperatur
nötig sind.
Ein Block aus Legierung 718 mit einem Durchmesser von 36 Inch in
Spitzenqualität
wäre das
Ergebnis.
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Beispiel 4
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Es
wurden mehrere VLU-Blöcke
aus Allvac 718-Material mit Durchmessern größer als 30 Inch mittels des
Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellt und inspiziert.
Die Parameter der verschiedenen Durchgänge sind in den folgenden Übersichten
dargelegt. In den einzelnen Durchgängen wurden verschiedene VLU-Schmelzraten
ausgewertet, um die Auswirkungen auf die Qualität des resultierenden VLU-Blocks
zu ermitteln.
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-
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Die
Auswertung der VLU-Blöcke
erfolgte an einem Knüppel
mit einem Durchmesser von 25 cm (10 Inch), der durch Streckschmieden
der VLU-Blöcke
mit anschließendem
Rotationsschmieden auf den Enddurchmesser hergestellt wurde. Die
geschmiedeten Knüppel
wurden abgeschält
und poliert, um Oberflächenunregelmäßigkeiten
zu beseitigen, woraufhin sie einer Ultraschallprüfung auf innere Risse und Lunker
unterzogen wurden, die sich in der Regel in Bereichen mit negativer
Seigerung finden. Dann wurden Querscheiben, die von verschiedenen
Stellen entlang den Knüppeln,
die alle Schmelzraten repräsentierten,
abgeschnitten wurden, chemisch geätzt, um Bereiche mit negativer
und positiver Seigerung freizulegen. Das Fehlen von Schallbefunden
und Seigerungsdefekten reichte aus, um das Material als Material
von Spitzenqualität
zu klassifizieren.
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Es
versteht sich, dass die vorliegende Beschreibung jene Aspekte der
Erfindung veranschaulicht, die für
ein klares Verstehen der Erfindung relevant sind. Bestimmte Aspekte
der Erfindung, die für
den Durchschnittsfachmann offenkundig wären und die darum nichts zu
einem besseren Verstehen der Erfindung beitragen würden, wurden
nicht dargestellt, um die vorliegende Beschreibung zu vereinfachen.
Obgleich die vorliegende Erfindung in Verbindung mit bestimmten
Ausführungsformen
beschrieben wurde, leuchtet dem Durchschnittsfachmann beim Studieren
der obigen Beschreibung ein, dass viele Modifikationen und Variationen
der Erfindung in Betracht kommen. Es ist beabsichtigt, dass alle
derartigen Variationen und Modifikationen der Erfindung unter die
obige Beschreibung und die folgenden Ansprüche fallen.
