EP0142668B1 - Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen Werkstücks aus einer Nickelbasis-Superlegierung - Google Patents
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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.
- 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 y 'phase for a given material, which lies between 1020 and 1040 ° C (on average 1030 ° C) for the superalloy under investigation (trade name "Waspaloy").
- 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.
- a blank made from a solution-annealed nickel-based superalloy was used to produce a double-cone-shaped, rotationally symmetrical hollow body with an intermediate flange.
- the alloy with the trade name "Waspaloy” had the following composition:
- the blank was cylindrical in shape and had 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 1,100 ° C., which was above the solution annealing temperature for the y 'phase of the material, in such a way that it then followed the following Dimensions had:
- phase 11 the preformed workpiece was isothermally forged in a forging die at a lower temperature, which was just below the solution annealing temperature for the y 'phase. In the present case, this forging temperature was 1010 ° C.
- the third, about 7 min permanent level reached another ⁇ of 0.2 at a ⁇ 0. 1 10 -3 s -1 .
- the maximum pressing force reached was 2000 kN. All ⁇ and ⁇ related to A o of the second process step!
- the workpiece was subjected to the conventional heat treatment: solution annealing at 1020 ° C for 4 h, quenching in oil, annealing at 850 ° C for 4 h, cooling in air, hardening at 750 ° C for 16 h, Cooling in air.
- the finished forged and heat treated workpiece had 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 y 'phase of the material.
- the cooling of the workpiece during the transition from the first to the second step (between phase I and phase 11) can take place with simultaneous application of a load.
- alloy limits can be given approximately as follows:
- the degree of deformation s should at least reach the value 0.7, at deformation speeds ⁇ which advantageously between 5. 10 -3 s -1 and 15 ⁇ 10 -3 s -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 velocities ⁇ range between 2 ⁇ 10 -3 s -1 and 0.1 ⁇ 10 -3 s -1 . They decrease with progressive degree of deformation ⁇ , as the workpiece approaches the final shape.
- the first step above and the second step just below the solution annealing temperature for the y '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 service life under a load of 510 MPa at 670 ° C of at least 100 h (creep resistance) is achieved.
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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 quasi-isothermes Schmieden unter Verwendung von beheizten Gesenken in das Endprodukt übergeführt (GB-PS 1 253 861
- Es sind auch Verfahren bekannt geworden, welche empfehlen, in einem einzigen Verfahrensschritt aus einer warmfesten austenitischen Legierung ein feinkörniges Werkstück herzustellen. Dabei sollen ganz bestimmte Temperatur- (950 bis 1200°C) und Verformungsbedingungen eingehalten werden. Diese hängen in der Regel von der Legierung und der Werkstückgrösse ab (vgl. EP-A-0 087 183).
- Bei der Durchführung dieser Verfahren zeigt es sich ausserdem, 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 y'-Phase, die für die untersuchte Superlegierung (Handelsname «Waspaloy») zwischen 1020 und 1040°C (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, Abschrecken 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.
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- Er wurde in einem ersten Verfahrensschritt (Phase I) in einer Schmiedepresse in axialer Richtung durch isothermes Schmieden bei einer Temperatur von 1 100°C, welche oberhalb der Lösungsglühtemperatur für die y' -Phase des Werkstoffes lag, derart gestaucht, dass er danach die folgenden Abmessungen aufwies:
-
- Ao = Querschnittsfläche des Werkstücks vor der Umformung, je pro Schritt,
- Af = Querschnittsfläche des Werkstücks nach der Umformung,
- In = 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 11) wurde das vorgeformte Werkstück in einem Schmiedegesenk bei einer niedrigeren Temperatur, welche knapp unterhalb der Lösungsglühtemperatur für die y' -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 s betrug 1,3. Die mittlere Verformungsgeschwindigkeit war ε = 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 s von 0,5 bei einer Verformungsgeschwindigkeit von ε = 0,9 . 10-3s-1. Die dritte, ca. 7 min dauernde Stufe erreichte noch ein ε von 0,2 bei einem ε = 0,1 . 10-3s-1. Die maximal erreichte Presskraft betrug hierbei 2000 kN. Alle ε und ε 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 Öl, 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 Ästen 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, dass der erste Schritt in einem Vorstauchen des Schmiederohlings mit anschliessendem Formschmieden im Gesenk bei einer Temperatur oberhalb der Lösungsglühtemperaturfür die y' -Phase des Werkstoffs besteht. Ferner kann das Abkühlen des Werkstücks beim Übergang vom ersten zum zweiten Schritt (zwischen Phase I und Phase 11) unter gleichzeitigem Aufbringen einer Last erfolgen.
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- Während des ersten Verfahrensschrittes (Phase I) soll der Verformungsgrad s mindestens den Wert 0,7 erreichen, bei Verformungsgeschwindigkeiten ε, 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 ε bewegen sich dabei etwa zwischen 2 · 10-3s-1 und 0,1 · 10-3s-1. Sie nehmen mit fortschreitendem Verformungsgrad ε 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 y' -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 (Zeitstandfestigkeit) erzielt wird.
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