DK153336B - Fremgangsmaade til fremstilling af formede genstande ud fra nikkellegeringer - Google Patents

Description

DK 153336 B

i

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til fremstilling af formede genstande af nikkel basislegeringer med høj styrke og ringe duktilitet.

Indenfor gasturbinemotorindustrien kræver motorudførelen anvende!-5 se af legeringer med god højtemperaturstyrke og høj oxidationsmodstand.

Til dækning af dette behov er et antal nikkel basislegeringer blevet udviklet og udnyttet. Selv om højstyrkekravene herved er blevet tilgodeset, er det imidlertid sket på bekostning af legeringens forarbejdningsevne, hvilket ved tilvirkning af jetmotorer bestående af tusindvis for-10 skellige dele med indviklede former og med små tolerancer, er en hovedfaktor ved bestemmelse af legeringens anvendelighed.

U.S.A. patentskrift nr. 3.519.503 udgør et væsentligt fremskridt indenfor teknikken til fremstilling af legeringer med høj styrke og lav duktilitet, som normalt anvendes i gasturbinemotorer, især nikkel- og 15 koboltbasisi egeringer. Ved fremgangsmåde ifølge denne publikation strengpresses eller trykbearbejdes på en anden måde en højstyrke, lav duktilitet udvisende legering ved forhøjet temperatur under rekrystallιέ at i on stemper aturen for at forfine kornstrukturen og bringe legeringen i en temporær tilstand med lav styrke og høj duktilitet, en såkaldt su-20 perplastisk tilstand. Derefter smedes i denne tilstand legeringen iso-termisk til ønsket form i varmmatricer ved en temperatur under rekry-stallisationstemperaturen, idet væsentlig kornvækst hæmmes. Den formede legenring tilbageføres endelig til sin oprindelige højstyrke, lav duktilitet udvisende tilstand ved konventionel varmebehandling. Se tillige 25 U.S.A. patentskrifterne nr. 3.698.219 og 3.987.658.

Ved fremstilling af visse motorkomponenter, fortrinsvis motorplader af IN-100®, har det ifølge den kendte fremgangsmåder vist sig ønskeligt at modificere legeringssammensætningen noget, således at der opnås en optimalt bearbejdet komponent. U.S.A. patentskrift nr. 3,843.421 30 beskriver en således modficeret IN-100®-legeringssammensætning defineret som ca. 12,4 vægt% chrom, 18,5 vægt% kobolt, 3,2 vægt% molybdæn, 4,3 vægt% titanium, 5 vægt% aluminium, 0,8 vægt% vanadium, 0,02 vægt% bor, 0,06 vægt% zirkonium, 0,07 vægt% carbon og nikkel, der i det væsentlige udgør balancen til 100 vægt%, til fortrinsvis kendte frem-35 stillingsprocesser. Fra svensk fremlæggelsesskrift nr. 421.015 er det endvidere kendt at varmpresse en legering isotaktisk til en smedeemne med høj styrke og ringe duktilitet og derefter smede emnet isotermi sk ved en temperatur under, men inden for 195°C fra legeringens normale 2

DK 153336 B

rekrystallisationstemperatur.

Den foreliggende opfindelse tilvejebringer en forbedret fremgangsmåde til forarbejdning af nikkelbasisiegeringer med høj styrke og lav duktilitet til genstande med anvendelig form, fortrinsvis til forarbejd-5 ning af den modificerede IN-100®-1egering ifølge ovennævnte patentskrift.

I korthed omfatter opfindelsen isostatisk varmpresning af nikkel -basisiegeringen i forlegeret pulverform til opnåelse af et i hovedsagen homogent emne, der udviser høj styrke og lav duktilitet, dvs. er ikke 10 superplastisk. Det pressede emne med lav duktilitet smedes derefter iso-termisk til en ønsket form i varmmatricer ved en temperatur under, men indenfor 195°C fra den normale rekrystallisationstemperatur for legeringen, hvorved smedningen udføres i en kontinuert smedningsproces omfattende: a) et indledende trin med lav formforandringshastighed, hvor 15 emnet indledningsvis smedes med en lav formforandringshastighed til reduktion af tykkelsen med mindst ca. 10% for at bevirke rekrystalli sation og forfining in situ af kornstrukturen og for at bringe emnet i en temporær tilstand med lav styrke og høj duktilitet og b) et efterfølgende trin med høj formforandringshastighed, i hvilket forsat smedning af em-20 net i den temporære superplastiske tilstand udføres med en højere formforandringshastighed til opnåelse af en hovedreduktion af tykkelsen til ønsket form. I det indledende smedningstrin er det vigtigt at formforandringshastigheden sættes i relation til smedningstemperaturen, således at hastigheden er tilstrækkelig lav til at forhindre revnedannelse i det 25 pressede emne under opnåelse af den superplastiske tilstand. I det senere smedningstrin er formforandringshastigheden derimod normalt meget højere for at sikre opnåelse af ønskelige mekaniske egenskaber i det varmebearbejdede produkt.

Ifølge en foretrukket udførelsesform af opfindelsen til forarbejd-30 ning af den modificerede IN-100®-1egering smedes indledningsvis emnet med lav duktilitet i varmmatricerne ved en lav formforandringshastighed på 0,1 cm/cm/min. eller mindre til en reduktion i tykkelse på 15-35% for at rekrystalli sere og forfine emnets kornstrkutur og tildele det temporære superplastiske egenskaber, og det smedes derefter yderligere til 35 ønsket slutform ved en højere formforandringshastighed normalt over 0,1 cm/cm/min., fortrinsvis 0,3-0,7 cm/cm/min., hvorved der opnås en reduktion i tykkelse på 50% eller mere.

For nærmere at belyse opfindelsens fordele og formål forklares den 3

DK 153336B

i det følgende mere detaljeret.

Den modificerede IN-100®-1egering er af væsentlig betydning ved fremstillingen af komponenter til gasturbinemotorer, fortrinsvis motorplader, på grund af legeringens unike kombination af mekaniske og fy-5 si ske egenskaber og forbedrene kærvstyrke. Legeringen har derfor været anvendt ved utallige eksperimnetelle undersøgelser med det formål at finde en optimal forarbejdningsmetode, ved hjælp af hvilken formede produkter, såsom motorplader, kan tilvirkes mest økonomisk og med højst mulig kvalitet med hensyn til kemiske, strukturelle og mekaniske egen-10 skaber, homogenitet og reproducerbarhed. Den foreliggende opfindelse tilvejebringer en sådan forbedret forarbejdningsfremgangsmåde.

Ifølge den foreliggende opfindelse indledes forarbejdningen med formning af et relativt enkelt udformet emne af forlegeret pulver af modificeret IN-100®-1egering ved isostatisk varmpresning af pulveret i 15 en passende udformet beholder, såsom en kande af blødt stål. Det opnåede legeringsemne giver væsentlige fordele ved senere forarbejsningstrin, da det er i hovedsagen kemisk og strukturelt homogent og i det væsentlige uporøst. De isostatiske varmpresningsparametre varierer naturligvis i afhængighed af den pressede nikkel basislegering, men for den modificere-20 de IN-100®-1egering er temperaturen sædvanligvis 1038-1177°C, trykket sædvanligvis ca. 689,5-2068,5 bar og tiden normalt 15-240 minutter.

Det skal bemærkes, at et IN-100®-emne, der er opnået ved isostatisk varmpresning ikke befinder sig i en temporær superplastisk tilstand, men snarere fortsætter med at udvise høj styrke og lav duktilitet.

25 Det næste trin i processen er i sotermi sk smedning af det pressede legeringsemne i varmmatricer ved en temperatur under, men indenfor 195°C fra legeringens normale rekrystallisationstemperatur. Ved forsigtig regulering af smedningsparametre, såsom temperatur og formforandringshastighed, kan smedningen af emnet gennemføres i et enkelt kon-30 tinuert trin, selv om emnet ikke indledningsvis udviser en tilstand med lav styrke og høj duktilitet. For således at smede legenringen har det vist sig, at smedningsprocessen må udføres i to trin, et med lav formforandringshastighed og et efterfølgende med høj formforandringshastighed.

35 Formålet med trinet med lav formforandringshastighed er i begyn delsen af reducere 1egenringsemnet en mindre, men kritisk del for in situ at bevirke en rekrystallisation og forfining af emnets kornstruktur og bringe emnet temporært i superplastisk tilstand, dvs. en tilstand med

DK 153336B

4 lav styrke og høj duktilitet. Uventet har det vist sig, at reduktioner i tykkelsen på så lidt som 10% (fortrinsvis 15-35%) under passende temperatur- og formforandringshastighedsforhold får 1 egenringsemnet til at blive temporært superplastisk. Under denne første reduktion har det 5 imidlertid også vist sig, at forholdet mellem smedningstemperaturen og formforandringshastigheden er meget vigtigt. For en given smedningstemperatur findes der et snævert kritisk formforandringshastighedsområde, over hvilket der opstår brud på legeringsemnet ved den indledende reduktion, men under hvilket der intet brud iagttages. Selv om det kritiske 10 formforandringshastighedesområde varierer noget med smedningstemperaturen for modificeret IN-100®-1egering, har formforandringshastigheder på 0,1 cm/cm/min. eller mindre vist sig at give størst sikkerhed ved brud på emnet ved udviklingen af den superplastiske tilstand ved den indledende tykkelsesreduktion. Hastigheder over 0,1 cm/cm/min. er mere 15 tilbøjelige til at forårsage brud og skal derfor undgås.

Så snart det pressede emne befinder sig i den temporært superplastiske tilstand, påbegyndes trinet med høj formforandringshastighed, hvor en betydelig reduktion i tykkelsen gennemføres, fortrinsvis 50% eller mere til dannelse af den ønskede form. Eftersom legeringsemnet udviser 20 stor duktilitet, kan en høj formforandringshastighed komme på tale ved hovedreduktionen. Det har dog vist sig, at en vis laveste høj formforandringshastighed kræves for konsekvent at udvikle optimale egenskaber, såsom flyde- og trækstyrke i det varmebehandlede produkt. Eksempelvis er det ved yderligere smedning af det modificerede IN-100®-emne, efter at 25 det befinder sig i superplastisk tilstand, nødvendigt med formforandringshastigheder på over 0,1 cm/cm/min. til opnåelse af ønskede flyde-og trækstyrker. En formforandringshastighed på ca. 0,3-0,75 cm/cm/min, foretrækkes til opnåelse af optimale varmebehandlingsegenskaber. Det antages, at mindste nødvendige høje formforandringshastighed bevirker et 30 kritisk niveau af termomekanisk arbejde i legeringen, og en tilsvarende optimal korn- eller dislokationsstruktur eller -substruktur, der er modtagelige for varmebehandling.

Efter smedning til endelig produktform kan legeringen naturligvis tilbageføres til normal tilstand med høj styrke og ringe duktilitet ved 35 en konventionel varmebehandling omfattende opløsningsvarmebehandling, såsom ved 1121°C for modificeret IN-100®, og stabiliserings- og ud-fældn i ngsvarmebehandl i nger.

Det følgende eksempel belyser en forarbejdningsproces ifølge den

DK 153336 B

5 foreliggende opfindelse.

Eksempel

Forlegeret modificeret IN-100®-pulver varmpressedes i 2 timer 5 i sostatisk i komprimeret argon ved en temperatur på 1121°C og et tryk på 1034,25 bar til opnåelse af et homogent fast emne til smedning. Emnet var ikke superplastisk efter varmpresningen. Emnet opvarmedes derefter til 1107°C og anbragtes i varmmatricer til smedning. Det indledende smedningstrin gennemførtes med en formforandringshastighed på 0,1 10 cm/cm/min. til en tykkelsesreduktion på 25%, hvilken reduktion resulterede i rekrystallisation og forfining in situ af emnets kornstruktur og bragte emnet i en temporær tilstand med lav styrke og høj duktilitet.

Ved 25% reduktion forhøjedes formforandringshastigheden til 0,5 cm/cm/min., og den endelige formgivning gennemførtes ved en yderligere 15 50% reduktion af tykkelsen. Efter smedningen varmebehandledes IN-100®-produktet konventionelt, og stræk- og krybetestedes ved 704°C. Testresultaterne viste, at IN-100®-produktet, som var fremstillet ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, overgik de minimale egenskaber, som stilles til en gasturbinemotorplade.

20 Selv om de specifikke formforandringshastigheder og reduktioner i det foregående er beregnet i henseende til den modificerede IN-100®-legering, antages det, at de generelle grænser tillige gælder for andre nikkel basislegeringer med høj styrke og lav duktilitet, eksempelvis de i U.S.A. patentskrift nr. 3.519-503 omtalte. Eksempelvis kan det med rime-25 lighed antages, at i det mindste en 10% tykkelsesreduktion af de fleste sådanne nikkel basislegeringer under det indledende smedningstrin er tilstrækkelig for at bringe legeringen i en temporær superplastisk tilstand. Ligeledes er en indledende lav formforandringshastighed på under 0,1 cm/cm/min. og en efterfølgende høj formforandringshastighed på over 30 0,1 cm/cm/min. anvendelig på også andre nikkel basislegeringer.

Claims (10)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af formede produkter af nikkel-basisi egeringer med høj styrke og ringe duktilitet, hvorved legeringen i forlegeret pulverform varmpressen isostatisk til dannelse af et i hoved- 5 sagen homogent, fast smedeemne med høj styrke og ringe duktilitet, og det pressede legeringsemne smedes i sotermi sk i varmmatricer ved en temperatur under, men indenfor 195°C fra legeringens normale rekrystalli-sationstemperatur, KENDETEGNET ved, at den isotermiske smedning foregår i en enkelt smedningsprocess, som omfatter dels et indledende trin med 10 lav formforandringshastighed, hvor emnet smedes med lav formforandringshastighed til i det mindste 10% reduktion af tykkelsen til rekrystalli-sering og forfining in situ af emnets kornstruktur og for at bringe emnet i en temporæra tilstand med lav styrke og høj duktilitet, hvorved formforandringshastigheden vælges i relation til smedningstemperaturen, 15 således at hastigheden er tilstrækkelig lav til at hindre bruddannelse i legeringsemnet under den indledende reduktion, og dels et efterfølgende trin med høj formforandringshastighed, hvor fortsat smedning af emnet udføres med en højere formforandringshastighed til opnåelse af en hovedreduktion af tykkelsen til ønsket form, mens emnet befinder sig i nævnte 20 temporære tilstand, hvorved formforandringshastigheden er højere end i det indledende trin for at bevirke udvikling af ønskelige mekaniske egenskaber i det varmebehandlede produkt.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, at den indledende lave formforandringshastighed er indtil ca. 0,1 cm/cm/min.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, at den høje form forandringshastighed er over 0,1 cm/cm/min.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, at den forarbejdede nikkelbasislegering er en modificeret IN-100®-1egering defineret som ca. 12,4 vægt% chrom, 18j5 vægt% kobolt, 3,2 vægt% molybdæn, 4,3 30 vægt% titanium, 5 vægt% aluminium, 0,8 vægt% vanadium, 0,02 vægt% bor, 0,06 vægt% zirkonium, 0,07 vægt% carbon samt nikkel, der i det væsentlige udgør balancen til 100 vægt%.

5. Fremgangsmåde ifølge krav 4, KENDETEGNET ved, at den indledende smedning ved lav formforandringshastighed bevirker en 15-35% reduktion 35 af tykkelsen.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 4, KENDETEGNET ved, at den indledende lave formforandringshastighed er indtil 0,1 cm/cm/min. og at den høje formforandringshastighed er ca. 0,3-0,75 cm/cm/min. DK 153336B

7. Fremgangsmåde ifølge lerav 4, KENDETEGNET ved, at legeringen bearbejdes til form af en gastunbinemotorplade.

8. Fremgangsmåde ifølge ikrav 4-7, hvor nikkelbasislegeriingen er en modificeret IN-100®-1egering, KENDETEGNET ved, at legeringen ii forle- 5 geret pulverform varmpresses isostati sk til dannelse af et i hovedsagen homogent fast smedningsemne med stor styrke og ringe duktilitet, og at det pressede legeringsemne smedes i sotermi sk i varmmatricer ved en temperatur på 982-1149°C og i en (enkelt smedningsprocess, som omlatter dels et indledende trin med lav formforandringshastighed, hvor emnet 10 smedes ved en formforandringshastighed på op til 0,1 cm/cm/min.. for i det mindste 10% reduktion i tykkelsen til rekrystallisation og forfining in situ af emnets kornstruktur og for at bringe emnet i en temporær tilstand med lav styrke og høj duktilitet og dels et efterfølgende trin med høj formforandringshastighed, hvor fortsat smedning af emnet udføres 15 ved en højere formforandringshastighed på ca. 0,3 til ca. 0,75 cm/cm/min. til opnåelse af en hovedreduktion af tykkelsen til ønsket form, mens emnet befinder sig i nævnte temporære tilstand.

9. Fremgangsmåde ifølge krav 8, KENDETEGNET ved, at den indledende tykkelsesreduktion varieres mellem 15 og 35%.

10. Fremgangsmåde ifølge krav 8, KENDETEGNET ved, at legeringen bearbejdes til form af en gasturbinemotorplade.