EP0087183B1 - Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen Werkstücks als Fertigteil aus einer warmfesten austenitischen Nickelbasislegierung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen Werkstücks als Fertigteil aus einer warmfesten austenitischen Nickelbasislegierung Download PDFInfo
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- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/10—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon
Definitions
- the invention is based on a method for producing a workpiece according to the preamble of claim 1.
- a fine-grained end product starting from a blank made of a heat-resistant alloy (e.g. nickel superalloy), can be produced in several operations.
- this applies to a method in which, in a first step, the starting material is deformed in a conventional manner, just below its recrystallization temperature, so that the desired fine-grained structure is established in an intermediate product.
- this intermediate product is then converted into the end product by quasi-isothermal forging using heated dies (GB-PS 1 253 861).
- GB-PS 1 253 861 heated dies
- a method is known from US Pat. No. 3,975,219, according to which a crystal structure, in particular an elongated coarse grain, which is favorable for the high-temperature behavior, is produced in a nickel-based superalloy in the end product.
- a so-called superplastic state is initially set in order to keep the deformation temperatures and the shaping forces within moderate limits.
- isothermal forming takes place under very specific temperature and deformation conditions, which are selected so that an elongated coarse grain is obtained during the final zone annealing. If there is a deviation from the optimal parameters, an undesirable fine-grained recrystallization structure is produced.
- the invention is based on the object of specifying a method which enables the production of a fine-grained finished part from a heat-resistant superalloy which is not in the superplastic state in the delivery state, starting from a workpiece of any grain size in the simplest, cost-effective and time-saving manner.
- the figure shows a diagram with the relationship between the deformation temperature and the grain size of the structure present in the end product.
- the deformation temperature T in ° C is plotted on the abscissa on a natural scale, and the mean crystallite diameter d in ⁇ is plotted on the ordinate on a logarithmic scale.
- the solid line refers to the mean values.
- the dashed lines indicate the upper and lower limits of the scattering range resulting from the variation of the initial grain size and the test conditions.
- the invention is not restricted to the exemplary embodiments.
- Superalloys of the trade names Astroloy, Nim 901, IN 100, Rene 95, MERL 76, A 286 and the like can be used as the starting material.
- the deformation temperatures can be between approx. 960 ° C and 1200 ° C.
- the optimal deformation temperature depends on the alloy composition, the workpiece dimension and other process parameters and can be determined from case to case by the practical experiment.
- the method according to the invention makes it possible to convert forged blanks made of superalloys directly into a fine-grained end product (finished part) in a single operation and in only one heat, regardless of the structural state of the starting material.
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Description
- Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks nach der Gattung des Anspruchs 1.
- Aus der Literatur sind Verfahren bekannt, nach denen ein feinkörniges Endprodukt, ausgehend von einem Rohling aus einer warmfesten Legierung (z.B. Nickelsuperlegierung) in mehreren Arbeitsgängen hergestellt werden kann. Insbesondere trifft dies auf ein Verfahren zu, bei welchem in einem ersten Schritt das Ausgangsmaterial dicht unterhalb seiner Rekristallisationstemperatur nach herkömmlicher Art verformt wird, so dass sich das gewünschte feinkörnige Gefüge in einem Zwischenprodukt einstellt. In einem zweiten Schritt wird dann dieses Zwischenprodukt durch quasiisothermes Schmieden unter Verwendung von beheizten Gesenken in das Endprodukt übergeführt (GB-PS 1 253 861). Diese Verfahren sind insofern aufwendig, als dass für sie gleichzeitig mehrere Werkzeuge in Form von Pressen, Gesenken etc. bereitgestellt werden müssen und dass die Formgebung des Werkstücks meist nicht in einer Hitze vom Rohling bis zum Endprodukt durchgeführt werden kann.
- Aus der US-A-3 975 219 ist ein Verfahren bekannt, nach welchem in einer Nickelbasis-Superlegierung im Endprodukt eine für das Hochtemperaturverhalten günstige Kristallstruktur, insbesondere ein langgestrecktes Grobkorn erzeugt wird. Dabei wird, ausgehend vom Anlieferungszustand zunächst ein sogenannter superplastischer Zustand eingestellt, um die Verformungstemperaturen und die Formgebungskräfte in mässigen Grenzen zu halten. Dann erfolgt ein isothermes Umformen unter ganz bestimmten Temperatur- und Verformungsbedingungen, welche so gewählt werden, dass sich beim abschliessenden Zonenglühen ein langgestrecktes Grobkorn einstellt. Bei Abweichung von den optimalen Parametern stellt sich ein unerwünschtes feinkörniges Rekristallisationsgefüge ein.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches die Herstellung eines feinkörnigen Fertigteils aus einer warmfesten, im Anlieferungszustand nicht im superplastischen Zustand vorliegenden Superlegierung, ausgehend von einem Werkstück beliebiger Korngrösse auf einfachste, kosten- und zeitsparende Weise ermöglicht.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
- Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch eine Figur erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.
- Dabei zeigt die Figur ein Diagramm mit dem Zusammenhang zwischen Verformungstemperatur und Korngrösse des im Endprodukt vorliegenden Gefüges. Auf der Abszisse ist die Verformungstemperatur T in ° C in natürlichem Maßstab, auf der Ordinate der mittlere Kristallitdurchmesser d in µ in logarithmischem Massstab aufgetragen. Die ausgezogene Linie bezieht sich auf die Mittelwerte. Die gestrichelten Linien geben die obere bzw. untere Begrenzung des durch die Variation der Ausgangskorngrösse und der Versuchsbedingungen sich ergebenden Streubereiches an.
- Der Effekt ist insofern unerwartet und überraschend, als gezeigt werden konnte, dass unabhängig von der Korngrösse des Ausgangsmaterials (Rohlings), weitgehend auch unabhängig von der Grösse der gesamten Verformung - sofern nur ein gewisses minimales Mass eingehalten wird - und innerhalb eines verhältnismässig weiten Bereichs der Verformungsgeschwindigkeit durch isothermes Schmieden in einem einzigen Arbeitsgang ein feinkörniges Endprodukt erhalten werden kann.
- Siehe Figur.
- Als Ausgangsmaterial wurde eine Nickelsuperlegierung mit dem Handelsnamen Waspaloy und der nachfolgenden Zusammensetzung verwendet:
- C = 0,03 Gew.-%
- Cr = 19,5 Gew.-%
- Mo = 4,5 Gew.-%
- Co = 14,0 Gew.-%
- Ti = 3,0 Gew.-%
- AI = 1,4 Gew.-%
- Fe = 2,0 Gew.-%
- Ni = Rest
- Die schmelzmetallurgisch hergestellte Legierung wurde durch Giessen und Umschmieden in einen Barren von 165 mm Durchmesser übergeführt. Der für die endgültige Formgebung gewählte Schmiederohling war ein kreiszylindrischer Barrenabschnitt und hatte eine Korngrösse, die zwischen 150 µ und 450 µ lag. Ausgehend von diesem Rohling wurde durch isothermes Schmieden in einem Gesenk aus der Molybdänlegierung TZM in einem einzigen Arbeitsgang ein Fertigteil geschmiedet, wobei jeweils die Werkzeugtemperatur gleich der Werkstücktemperatur war. Es wurden mehrere Versuche mit Schmiederohlingen gleicher Abmessungen und der gleichen Ausgangskorngrösse, aber bei verschiedenen Verformungstemperaturen durchgeführt. Diese betrugen nacheinander 980° C, 1080°C und 1180° C. Ausserdem wurden die Verformungsgeschwindigkeiten ε zwischen 1 - 10-3 sec-1 und 1 sec-1 variiert. Dabei war wie folgt definiert:
- AO = Querschnittsfläche des Werkstücks vor der Umformung,
- Af = Querschnittsfläche des Werkstücks nach der Umformung,
- In = natürlicher Logarithmus
- t = Zeit in Sekunden
- Wie in der Figur dargestellt, kam es im Gefüge des Werkstücks zu einer beträchtlichen Kornverfeinerung, die bei Verformungstemperaturen von 1080°C das Maximum errichte. Es wurde ein mittlerer Kristallitdurchmesser herunter bis zu 20 µ erzielt. Diese Kornverfeinerung konnte überraschenderweise schon bei verhältnismässig niedrigen Verformungsgraden s erreicht werden. Ausserdem wurde beobachtet, dass die erhaltene Endkorngrösse praktisch unabhängig von der Ausgangskorngrösse war, der Werkstoff - trotz unterschiedlichen Korngrössen im Ausgangsmaterial - somit durch den Verformungsprozess ein Korn höherer Gleichmässigkeit erhielt.
- Als Ausgangsmaterial wurde eine eisenhaltige Nickelsuperlegierung mit der Bezeichnung IN 718 mit folgender Zusammensetzung gewählt:
- C = 0,05 Gew.-%
- Cr = 18,5 Gew.-%
- Ni = 53,0 Gew.-%
- Mo = 3,0 Gew.-%
- Nb = 5,3 Gew.-%
- Ti = 1,0 Gew.-%
- AI = 0,5 Gew.-%
- Fe = Rest
- Nach dem in Beispiel I angegebenen Verfahren wurden aus Schmiederohlingen von 165 mm Durchmesser durch isothermes Gesenkschmieden Fertigteile hergestellt. Die mittlere Korngrösse des Ausgangsmaterials betrug ca. 300 µ. Bei einer Verformungstemperatur von 1050° C wurde eine mittlere Endkorngrösse von 22 µ erzielt. Die Verformungsgeschwindigkeiten betrugen 1 - 10-3 sec-1 bis 1 sec-1, der Verformungsgrad 1,4. Letzterer war wie folgt definiert:
- ε = In
- Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Als Ausgangsmaterial künnen Superlegierungen der Handelsnamen Astroloy, Nim 901, IN 100, Rene 95, MERL 76, A 286 und ähnliche dienen. Die Verformungstemperaturen können zwischen ca. 960°C und 1200°C liegen. Die optimale Verformungstemperatur hängt dabei von der Legierungszusammensetzung, der Werkstückdimension und weiteren Verfahrensparametern ab und kann jeweils von Fall zu Fall durch das praktische Experiment ermittelt werden.
- Durch das erfindungsgemässeVerfahren wird es möglich, Schmiederohlinge aus Superlegierungen unabhängig vom Gefügezustand des Ausgangsmaterials in einer einzigen Operation und in nur einer Hitze direkt in ein feinkörniges Endprodukt (Fertigteil) überzuführen.
Claims (3)
und dass die Verformung des Werkstücks bei einer Temperatur von 1080°C mit einer Geschwindigkeit e von 10-3 bis 1 sec-1 durchgeführt wird.
und dass die Verformung des Werkstücks bei einer Temperatur von 1050°C mit einer Geschwindigkeit ε̇ von 10-3 bis 1 sec-1 durchgeführt wird.
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