EP0142668A1 - Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen Werkstücks aus einer Nickelbasis-Superlegierung - Google Patents

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EP0142668A1
EP0142668A1 EP84111204A EP84111204A EP0142668A1 EP 0142668 A1 EP0142668 A1 EP 0142668A1 EP 84111204 A EP84111204 A EP 84111204A EP 84111204 A EP84111204 A EP 84111204A EP 0142668 A1 EP0142668 A1 EP 0142668A1
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phase
annealing temperature
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Hans Dr. Rydstad
Günther Dr. Schroeder
Robert Dr. Singer
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • 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.
  • 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).
  • the invention is based on the object of specifying a forming process which enables the production of a workpiece from a nickel-based superalloy starting from a solution-annealed coarse-grained blank, the end product simultaneously having the definitive forging shape, a fine-grained structure and the best possible mechanical properties.
  • a is the solution annealing temperature for the ⁇ phase for a given material, that for the investigated Superalloy (trade name "Waspaloy") is between 1020 and 1040 0 C (on average at 1030 ° C).
  • the course b corresponding to phase I relates to a first hot-forming step which essentially serves to refine the grain and which is in an isothermal forging (upsetting).
  • the course c corresponding to phase II represents the second deformation step, which is carried out much more slowly and leads both to the final shape (finished part) and to increasing the mechanical strength.
  • Fig. 2 basically shows the relationships between microstructure formation and forming temperature.
  • d represents the mean grain size
  • x the proportion of coarse individual grains as a function of the forming temperature for constant deformation and speed of deformation.
  • the blank had a cylindrical shape and the following dimensions:
  • phase I It was compressed in a first process step (phase I) in a forging press in the axial direction by isothermal forging at a temperature of 1100 ° C, which was above the solution annealing temperature for the ⁇ 'phase of the material, so that it then has the following dimensions featured:
  • phase II the preformed workpiece was isothermally forged in a forging die at a lower temperature, which was just below the solution annealing temperature for the ⁇ 'phase. In the present case, this forging temperature was 1010 ° C.
  • the deformation rate was gradually reduced according to the degree of deformation already achieved.
  • the maximum pressing force reached was 1800 kN.
  • the maximum pressing force reached was 2000 k N. All ⁇ and related to A o of the second process step!
  • the workpiece was subjected to the usual conventional heat treatment: solution annealing at 1020 ° C. for 4 h, quenching in oil, annealing at 850 ° C. for 4 h, cooling in air, curing at 750 ° C. for 16 h, Cooling in air.
  • the finished forged and heat treated workpiece showed a yield strength of 938 MPa at room temperature, while the elongation was 22%.
  • the method is not restricted to the exemplary embodiment.
  • air cooling after phase I can be dispensed with under certain circumstances.
  • the forging would therefore take place in a heat, as is indicated by the dashed curve between branches b and c in FIG. 1.
  • the method can then also be designed such that the first step essentially consists in compressing the forging blank in the die with subsequent cooling in the die to the forging temperature of the second step.
  • Another possible variant is based on the fact that the first step consists in pre-upsetting the forging blank with subsequent forging in the die at a temperature above the solution annealing temperature for the ⁇ '-phase of the material.
  • the cooling of the workpiece during the transition from the first to the second step (between phase I and phase II) can take place with simultaneous application of a load.
  • the degree of deformation ⁇ should at least reach the value 0.7, at deformation speeds , which advantageously between 5 . 10 -3 s -1 and 15. 10 3s-1 (on average around 10 10 -3 s -1 ).
  • the degree of deformation must reach a level which is sufficient to achieve the desired good mechanical properties. This measure depends on the shape and size of the workpiece. The corresponding deformation speeds range between 2 10 -3 s -1 and 0 , 1. 10 -3 s -1 They decrease with progressive degree of deformation E as the workpiece approaches the final shape.
  • the first step above and the second step just below the solution annealing temperature for the ⁇ '-phase of the material are carried out, so that for the final shape an average grain size of 4 to 40 ⁇ m, a hot stretching limit at 540 ° C of at least 780 MPa and a standing time under a load of 510 MPa at 670 ° C of at least 100 h (Zeitstandfesti g- compatibility) is achieved.

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Abstract

Ein feinkörniges Werkstück mit verbesserten mechanischen Eigenschaften aus einer Nickelbasis-Superlegierung wird durch ein zweiteiliges Schmieden hergestellt, indem ein Rohling in einem ersten isothermen Warmverformungsschritt (Kurve b) oberhalb der Lösungsglühtemperatur für die γ'-Phase (Linie a) in eine Zwischenform übergeführt und diese anschliessend in einem zweiten isothermen Warmverformungsschritt (Kurve c) knapp unterhalb der Lösungsglühtemperatur für die γ'-Phase bis zur Endform fertiggeschmiedet wird. Dabei ist für den ersten Schritt ein Verformungsgrad ε von mindestens 0,7 bei einer mittleren Verformungsgeschwindigkeit ε˙ von ca. 10 . 10<->³s<->¹ erforderlich. Der zweite Schritt wird bei Verformungsgeschwindigkeiten ε˙ durchgeführt, die um ein bis zwei Zehnerpotenzen tiefer liegen als diejenigen des ersten Schrittes.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks nach der Gattung des Oberbegriffs 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).
  • Bei der Durchführung dieser Verfahren zeigt es sich, dass es ausserordentlich schwierig ist, durch Verformen unterhalb der Rekristallisationstemperatur ein für das Endprodukt optimales Gefüge mit besten mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Ausserdem sind diese Verfahren ausserordentlich langsam, was sich ungünstig auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt. Es besteht daher das Bedürfnis, die bekannten Verfahren zu verbessern.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Umformverfahren anzugeben, welches die Herstellung eines Werkstücks aus einer Nickelbasis-Superlegierung, ausgehend von einem lösungsgeglühten grobkörnigen Rohling ermöglicht, wobei das Endprodukt gleichzeitig die definitive Schmiedeform, ein feinkörniges Gefüge und bestmögliche mechanische Eigenschaften aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden, durch Figuren erläuterten Ausführungsbeispiels beschrieben.
  • Dabei zeigt:
    • Fig. 1 ein Diagramm des Temperaturverlaufs des Verfahrens in Funktion der Zeit,
    • Fig. 2 ein Diagramm der Korngrösse und des Grobkornanteils in Funktion der Umformtemperatur.
  • In Fig. 1 ist der Temperaturverlauf des Verfahrens in Funktion der Zeit (willkürlicher, unterbrochener Massstab) in den verschiedenen Verfahrensschritten dargestellt. a ist die für ein gegebenes Material vorliegende Lösungsglühtemperatur für die γ-Phase, die für die untersuchte Superlegierung (Handelsname "Waspaloy") zwischen 1020 und 10400C (im Mittel bei 1030°C) liegt. Der Verlauf b entsprechend Phase I bezieht sich auf einen ersten, im wesentlichen der Kornverfeinerung dienenden und in einem isothermen Schmieden (Stauchen) bestehenden Warmverformungsschritt. Der Verlauf c entsprechend Phase II stellt den wesentlich langsamer durchgeführten und sowohl zur Endform (Fertigteil) wie zur Steigerung der mechanischen Festigkeit führenden zweiten Verformungsschritt dar.
  • Im unteren Teil der Figur ist die weitere für diese Klasse von Superlegierungen übliche, aus Lösungsglühen, Abschrekken und mehrfachem Aushärten bestehende, an den Umformprozess anschliessende Wärmebehandlung in einem anderen Zeitmassstab dargestellt.
  • Fig. 2 zeigt grundsätzlich die Zusammenhänge zwischen Gefügeausbildung und Umformtemperatur. d stellt die mittlere Korngrösse, x den Anteil an groben Einzelkörnern in Funktion der Umformtemperatur für konstante Verformung und Verformungsgeschwindigkeit dar.
    • Ausführungsbeispiel:
  • Siehe Fig. l:
    • Zur Herstellung eines doppelkegelförmigen rotationssymmetrischen Hohlkörpers mit Zwischenflansch wurde ein Rohling aus einer lösungsgeglühten Nickelbasis-Superlegierung verwendet. Die Legierung mit dem Handelsnamen "Waspaloy" hatte die nachfolgende Zusammensetzung:
      Figure imgb0001
      Figure imgb0002
  • Der. Rohling hatte zylindrische Form und besass folgende Abmessungen:
    Figure imgb0003
  • Er wurde in einem ersten Verfahrensschritt (Phase I) in einer Schmiedepresse in axialer Richtung durch isothermes Schmieden bei einer Temperatur von 1100°C, welche oberhalb der Lösungsglühtemperatur für die γ '-Phase des Werkstoffes lag, derart gestaucht, dass er danach die folgenden Abmessungen aufwies:
    Figure imgb0004
  • Dies entsprach einem Verformungsgrad ε von 0,7. Die mittlere Verformungsgeschwindigkeit betrug E = 12,5 . 10 -3s -1. Dabei war
    Figure imgb0005
    wie folgt definiert:
    Figure imgb0006
    • A = Querschnittsfläche des Werkstücks vor der Umformung, je pro Schritt,
    • Af = Querschnittsfläche des Werkstücks nach der Umformung,
    • ln = natürlicher Logarithmus
    • t = Zeit in Sekunden
  • Nach dem gemäss Phase I ca. 1 min dauernden Stauchvorgang wurde das Werkstück an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt.
  • In einem zweiten Verfahrensschritt (Phase II) wurde das vorgeformte Werkstück in einem Schmiedegesenk bei einer niedrigeren Temperatur, welche knapp unterhalb der Lösungsglühtemperatur für die γ '-Phase lag, bis zur Fertigform isotherm geschmiedet. Im vorliegenden Fall betrug diese Schmiedetemperatur 1010°C. Während der Phase II wurde die Verformungsgeschwindigkeit stufenweise entsprechend dem bereits erreichten Verformungsgrad erniedrigt. Der der ersten ca. 8 min dauernden Stufe entsprechende Verformungsgrad ε betrug 1,3. Die mittlere Verformungsgeschwindigkeitwar
    Figure imgb0007
    = 1,5 . 10-3s- 1, was einer durchschnittlichen Stempelgeschwindigkeit von ca. 0,1 mm/s entsprach. Die maximal erreichte Presskraft war 1800 kN. Die ca. 5 min dauernde zweite Stufe entsprach einem Verformungsgrad ε von 0,5 bei einer Verformungsgeschwindigkeit vonε = 0,9 . 10-3s-1. Die dritte, ca. 7 min dauernde Stufe erreichte noch ein ε von 0,2 bei einem
    Figure imgb0008
    = 0,1 10- 3s- 1. Die maximal erreichte Presskraft betrug hierbei 2000 kN. Alle ε und
    Figure imgb0009
    auf Ao des zweiten Verfahrensschritts bezogen!
  • Nach dem Fertigschmieden gemäss Phase II wurde das Werkstück der üblichen konventionellen Wärmebehandlung unterzogen: Lösungsglühen bei 1020°C während 4 h, Abschrecken in Oel, Glühen bei 850°C während 4 h, Abkühlen in Luft, Aushärten bei 750°C während 16 h, Abkühlen in Luft.
  • Das fertig geschmiedete und wärmebehandelte Werkstück wies bei Raumtemperatur eine Streckgrenze von 938 MPa auf, während die Dehnung 22 % betrug.
  • Das Verfahren ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Es kann z.B. auf die Luftabkühlung nach der Phase I unter gewissen Umständen verzichtet werden. Das Schmieden würde also in einer Hitze erfolgen, wie dies durch die gestrichelte Kurve zwischen den Aesten b und c in Fig. 1 angedeutet ist. Das Verfahren kann dann auch so gestaltet werden, dass der erste Schritt im wesentlichen in einem Stauchen des Schmiederohlings im Gesenk mit nachfolgender Abkühlung im Gesenk auf die Schmiedetemperatur des zweiten Schrittes besteht. Eine weitere mögliche Variante beruht darauf, däss der erste Schritt in einem Vorstauchen des Schmiederohlings mit anschliessendem Formschmieden im Gesenk bei einer Temperatur oberhalb der Lösungsglühtemperatur für die γ'-Phase des Werkstoffs besteht. Ferner kann das Abkühlen des Werkstücks beim Uebergang vom ersten zum zweiten Schritt (zwischen Phase I und Phase II) unter gleichzeitigem Aufbringen einer Last erfolgen.
  • Ausser "Waspaloy" eignet sich noch eine ganze Anzahl anderer Superlegierungen für das Verfahren, worunter Handelsnamen wie Astroloy, Alloy' 901, IN 718, IN 100, Rene 95 etc. figurieren. Im allgemeinen können die Legierungsgrenzen ungefähr wie folgt angegeben werden:
    Figure imgb0010
    Figure imgb0011
  • Während des ersten Verfahrensschrittes (Phase I) soll der Verformungsgrad ε mindestens den Wert 0,7 erreichen, bei Verformungsgeschwindigkeiten
    Figure imgb0012
    , die vorteilhafterweise zwischen 5 . 10-3s-1 und 15. 10 3s-1 (im Durchschnitt um 10 10-3s-1) liegen. Beim zweiten Verfahrensschritt (Phase II) muss der Verformungsgrad ein Mass erreichen, das ausreicht, um die gewünschten guten mechanischen Eigenschaften zu erzielen. Dieses Mass hängt von der Form und Grösse des Werkstücks ab. Die entsprechenden Verformungsgeschwindigkeiten
    Figure imgb0013
    bewegen sich dabei etwa zwischen 2 10-3s-1 und 0,1 . 10 -3 s-1 Sie nehmen mit fortschreitendem Verformungsgrad E ab, in dem Masse wie sich das Werkstück der Endform nähert.
  • Wesentlich ist, dass der erste Schritt oberhalb und der zweite Schritt knapp unterhalb der Lösungsglühtemperatur für die γ'-Phase des Werkstoffs durchgeführt wird, so dass für die Endform eine mittlere Korngrösse von 4 bis 40 µm, eine Warmstreckgrenze bei 540°C von mindestens 780 MPa und eine Standzeit unter einer Belastung von 510 MPa bei 670°C von mindestens 100 h (Zeitstandfestig- keit) erzielt wird.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen Werkstücks mit verbesserten mechanischen Eigenschaften aus einer Nickelbasis-Superlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt ein Schmiederohling durch isothermes Schmieden oberhalb der Lösungsglühtemperatur für die γ'-Phase in eine Zwischenform übergeführt wird, wobei ein Verformungsgrad E von mindestens 0,7 und eine Verformungsgeschwindigkeit
Figure imgb0014
von 5 . 10-3s-1 bis 15 . 10-3s-1 eingehalten wird, und dass die Zwischenform in einem zweiten Schritt durch isothermes Schmieden dicht unterhalb der Lösungsglühtemperatur für die γ '-Phase unter Anwendung einer Verformungsgeschwindigkeit
Figure imgb0015
von
2 . 10-3s-1 bis 0,1 . 10-3 s-1 in die Endform übergeführt wird, wobei
Figure imgb0016
wie folgt definiert ist:
Figure imgb0017
A = Querschnittsfläche des Werkstücks vor der Umformung, je pro Schritt,
Af = Querschnittsfläche des Werkstücks nach der Umformung,
ln = natürlicher Logarithmus
t = Zeit in Sekunden .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück bis zur Endform auf eine mittlere Korngrösse von 4 bis 40 µm, eine Warmstreckgrenze bei 540°C von mindestens 780 MPa und eine Standzeit unter einer Belastung von 510 MPa bei 6700C von mindestens 100 h geschmiedet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelbasis-Superlegierung die nachfolgenden Grenzwerte der Zusammensetzung aufweist:
Figure imgb0018
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt im wesentlichen in einem Stauchen des Schmiedrohlings im Gesenk mit nachfolgender Abkühlung im Gesenk auf die Schmiedetemperatur des zweiten Schrittes besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt in einem Vorstauchen des Schmiederohlings mit anschliessendem Formschmieden im Gesenk bei einer Temperatur oberhalb der Lösungsglühtemperatur des Werkstoffs besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen des Werkstücks beim Uebergang vom ersten zum zweiten Schritt unter gleichzeitigem Aufbringen einer Last erfolgt.
EP84111204A 1983-09-28 1984-09-20 Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen Werkstücks aus einer Nickelbasis-Superlegierung Expired EP0142668B1 (de)

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CH5252/83A CH654593A5 (de) 1983-09-28 1983-09-28 Verfahren zur herstellung eines feinkoernigen werkstuecks aus einer nickelbasis-superlegierung.

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