EP0274631B1

EP0274631B1 - Verfahren zur Erhöhung der Duktilität eines in groben Längsgerichteten stengelförmigen Kristalliten vorliegenden Werkstücks aus einer oxyddispersiongsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung bei Raumtemperatur

Info

Publication number: EP0274631B1
Application number: EP87117524A
Authority: EP
Inventors: Mohamed Yousef Dr. Nazmy
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1986-12-19
Filing date: 1987-11-27
Publication date: 1991-03-06
Anticipated expiration: 2007-11-27
Also published as: JPS63162846A; EP0274631A1; DE3768464D1; CH671583A5; US4795507A

Description

Technisches Gebiet

Oxyddispersionsgehärtete Superlegierungen auf der Basis von Nickel, welche dank ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften be hohen Temperaturen beim Bau thermischer Maschinen Verwendung finden. Bevorzugte Verwendung als Schaufelwerkstoff für Gasturbinen.
Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierungen mit insgesamt optimalen Eigenschaften bezüglich Hochtemperaturfestigkeit, Langzeitstabilität und Duktilität.
Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Erhöhung der Duktilität eines in groben längsgerichteten stengelförmigen Kristalliten vorliegenden Werkstücks aus einer oxyddisperionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung bei Raumtemperatur, wobei das Werkstück pulvermetallurgisch hergestellt, stranggepresst oder geschmiedet oder heiss-isostatisch gepresst und anschliessend zonengeglüht wird.

Stand der Technik

Zum Stand der Technik wird folgende Literatur zitiert:

G.H. Gessinger, Powder Metallurgy of Superalloys, Butterworths, London, 1984
R.F. Singer and E. Arzt, To be published in: Conf. Proc. "High Temperature Materials for Gas Turbines", Liège, Belgium, Oktober 1986
J.S. Benjamin, Metall. Trans. 1970, 1, 2943 - 2951
M.Y. Nazmy and R.F. Singer, Effect of inclusions on tensile ductility of a nickel-base oxide dispersion strengthened superalloy, Scripta Metallurgica, Vol. 19, pp. 829-832, 1985, Pergamon Press Ldt.
T.K. Glasgow, "Longitudinal Shear Behaviour of Several Oxide Dispersion Strengthened Alloys", NASA TM-78973 (1978).

Oxyddispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierungen zeichnen sich durch hohe Warmfestigkeit, insbesondere Kriechfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit bei höchsten Arbeitstemperaturen aus. In tieferen Temperaturbereichen, insbesondere bei Raumtemperaturen sind jedoch diese Legierungen vergleichsweise spröde und haben ausserdem im Vergleich zu konventionellen Hochtemperaturlegierungen eine geringe Scherfestigkeit. Dies erschwert ihre Verwendung als Schaufelmaterial im Gasturbinenbau, da eine Rotorschaufel in der Regel zeitlich und örtlich sehr verschiedenen komplexen thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Insbesondere der Schaufelfuss, meist eine Art "Tannenbaumkonstruktion" zwecks Verankerung im Rotorkörper ist stets Zug-, Druck- und Schubspannungen unterworfen und demzufolge besonders gefährdet. Ausserdem sollte er Deformationen übernehmen können, um sich den Betriebsbedingungen anpassen zu können. Der zu verwendende Werkstoff muss daher eine bestimmte minimale Duktilität und Scherfestigkeit aufweisen.
Es besteht daher ein Bedürfnis, die obigen Mängel weitgehend zu beseitigen und Wege zur Verbesserung des Werkstoffverhaltens im Betrieb aufzuzeigen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbesserung der Duktilität eines aus einer grobkörnigen oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung bestehenden Werkstücks anzugeben, das sich einfach durchführen lässt und den übrigen Werkstoffeigenschaften, insbesondere im Hochtemperaturbereich keinen Abbruch tut. Das Verfahren soll insbesondere die vergleichweise geringe Duktilität in der Querrichtung der längsgerichteten Stengelkristallite nahmhaft erhöhen. Damit einher soll eine Erhöhung der Scherfestigkeit erreicht werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im eingangs erwähnten Vefahren das Werkstück nach dem Zonenglühen unter Argonatmosphäre während 1/2 bis 5 h einer Lösungsglühung bei einer Temperatur zwischen 1160 und 1280 °C unterworfen und anschliessend mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,1 °C/min und 5 °C/min bis auf eine Temperatur von 500 bis 700 °C abgekühlt und daraufhin in Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
Der Grossteil der komerziell verwendeten oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierungen enthält ausser den Dispersoiden die bekannte γʹ-Phase in feinverteilten Auscheidungen. Es konnte gezeigt werden, dass die Duktilität insbesondere im tiefen Temperaturbereich (z.B. bei Raumtemperatur) wesentlich von der Menge, Form und Verteilung dieser γʹ-Phase abhängig ist. Es handelt sich also darum, diese Phase in eine geeignete Form bzw. in der Matrix in Lösung zu bringen, was erfindungsgemäss mit Hilfe der oben genannten Wärmebehandlung und gezielter Abkühlung des Werkstücks geschieht. Da die Hochtemperatureigenschaften der oxyddispersionsgehärteten Legierungen hauptsächlich durch die Dispersoide bestimmt sind, werden Kriechgrenze und Ermüdungsfestigkeit durch die mindestens teilweise Lösung der γʹ-Phase in der Matrix in Anbetracht der höchsten Einsatztemperatur der Legierung nicht nachteilig beeinflusst.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Erfindung wird anhand der durch eine Figur näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben:
Dabei zeigt die Figur:
Ein Diagramn des Temperaturverlaufs in Funktion der Zeit bei der Durchführung des Verfahrens. T₁ ist die höchstzulässige Lösungstemperatur für die γʹ-Phase in der γ-Matrix, welche durch den Schmelzpunkt der tiefstschmelzenden Phase der Superlegierung bestimmt wird. Um mit Sicherheit ein Anschmelzen dieser Phase zu verhindern, muss T₁ noch um einen Wert von ca. 10 °C unter dem tiefsten Schmelzpunkt (Soliduspunkt) der Legierung 1egen. T₂ ist die mindest notwendige Lösungsglühtemperatur für die γʹ-Phase in der γʹ-Matrix. Dabei wird angenommen, dass nach einer endlichen Zeit, welche im Betrieb vert,retbar ist (d.h. nach eingen Stunden) die gesamte Masse der γʹ-Phase in feste Lösung in der γ-Matrix übergegangen ist. a ist die obere Grenze des Temperaturverlaufs der langsamen Abkühlung des Werkstücks, die durch praktische Betriebsbedingungen gegeben ist. Eine noch langsamere Abkühlung wäre unwirtschaftlich und ist nicht notwendig. b ist die untere Grenze des Temperaturverlaufs der langsamen Abkühlung des Werkstücks. Eine schnellere Abkühlung ist nicht zulässig, da sich dabei zumindest ein Teil der in Lösung befindlichen γʹ-Phase wieder ausscheiden würde. Kurve 1 bezieht sich auf den Temperaturverlauf der Wärmebehand ung des Werkstoffs MA 6000 gemäss Beispiel 1, Kurve 2 auf denjenigen von MA 6000 gemäss Beispiel 2. Der Temperaturverlauf nach Kurve 3 bezieht sich auf ein Werkstück der Legierung gemäss Beispiel 3.

Ausführungsbeispiel 1:

Siehe Kurve 1 der Figur!
Aus einer oxyddispersionsgehärteten Nickelbasislegierung mit dem Handelsnamen MA 6000 (INCO) wurde eine prismatische Probe von 180 mm Länge, 50 mm Breite und 12 mm Dicke herausgearbeitet. Der Werkstoff hatte die nachfolgende Zusammensetzung:
Das Ausgangsmaterial hatte beim Hersteller folgende thermomechanischen und thermischen Behandlungen durchgemacht:

Warmstrangpressen
Warmwalzen
Zonenglühen auf längliches Grobkorn bei 1270 °C
Glühen bei 1230 °C/1/2 h, Luftabkühlung
Glühen bei 955 °C/2 h, Luftabkühlung
Glühen bei 845 °C/24 h, Luftabkühlung

Die mechanischen Eigenschaften des in Form von langgestreckten Kristalliten vorliegenden Materials im Anlieferungszustand wurden wie folgt bestimmt (Werte bei Raumtemperatur in langer
Querrichtung der Kristallite)
:
Das Werkstück wurde nun einer Wärmebehandlung wie folgt unterworfen:

Erwärmen unter Argonatmosphäre bis auf 1180 °C
Lösungsglühen bei 1180 °C während 2 1/2 h
Abkühlen bis auf 640 °C mit einer Geschwindigkeit von 0,5 °C/min
Abkühlen bis auf Raumtemperatur an Luft

Nach dieser Behandlung stellten sich die mechanischen Eigenschaften wie folgt (Werte bei Raumtepmeratur in langer Quer
richtung der Kristallite):

Ausführungsbeispiel 2:

Siehe Kurve 2 der Figur!
Aus der Nickelbasislegierung MA 6000 mit der Zusammensetzung gemäss Beispiel 1 wurde eine Gasturbinenschaufel mit folgenden Massen des Schaufelblattes (Tragflügelprofil) herausgearbeitet:
Das Ausgangsmaterial hatte beim Hersteller folgende thermomechanischen und thermischen Behandlungen durchgemacht:

Warmstrangpressen
Zonenglühen auf längliches Grobkorn bei 1270 °C

Die mechanischen Eigenschaften des in Form von langgestreckten Kristalliten vorliegenden Materials im Anlieferungszustand wurden wie folgt bestimmt (Werte bei Raumtemperatur):
In Längsrichtung der Kristallite:
In Querrichtung der Kristallite:
Das Werkstück wurde nun einer Wärmebehandlung wie folgt unterworfen:

Erwärmen unter Argonatmosphäre bis auf 1260 °C
Lösungsglühen bei 1260 °C während 1 h
Abkühlen bis auf 600 °C mit einer Geschwindigkeit von 0,5 °C/min
Abkühlen bis auf Raumtemperatur an Luft

Nach dieser Behandlung stellten sich die mechanischen Eigenschaften wie folgt (Werte bei Raumtemperatur):
In Längsrichtung der Kristallite:
In Querrichtung der Kristallite:

Ausführungsbeispiel 3:

Siehe Kurve 3 der Figur!
Aus einer oxyddispersionsgehärteten Nickelbasislegierung wurde eine prismatische Probe von 120 mm Länge, 40 mm Breite und 10 mm Dicke herausgearbeitet. Der Werkstoff hatte die nachfolgende Zusammensetzung:
Das Ausgangsmaterial hatte beim Hersteller folgende thermomechanischen und thermischen Behandlungen durchgemacht:

Warmstrangpressen
Zonenglühen auf längliches Grobkorn bei 1260 °C
Glühen bei 1230 °C/1/2 h, Luftabkühlung
Glühen bei 955 °C/2 h, Luftabkühlung
Glühen bei 845 °C/24 h, Luftabkühlung

Die mechanischen Eigenschaften des in Form von langgestreckten Kristalliten vorliegenden Materials im Anlieferungszustand wurden wie folgt bestimmt (Werte bei Raumtemperatur in Querrichtung der Kristallite):
Das Werkstück wurde nun einer Wärmebehandlung wie folgt unterzogen:

Erwärmen unter Argonatmosphäre bis auf 1260 °C
Lösungsglühen bei 1260 °C während 1 h
Abkühlen bis auf 700 °C mit einer Geschwindigkeit von 0,4 °C/min
Abkühlen bis auf Raumtemperatur an Luft

Nach dieser Behandlung stellten sich die mechanischen Eigenschaften wie folgt (Werte bei Raumtemperatur in Querrichtung der Kristallite)
:
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Lösungsglühtemperatur für diese Art oxyddispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierungen kann innerhalb der Grenzen von T₂ (1160 °C) und T₁ (1280 °C) gewählt werden. Die Zeitdauer der Lösungsglühung liegt je nach Werkstück und betrieblichen Erfordernissen vorzugsweise zwischen 1/2 h und 5 h. Die Abkühlungsgeschwindigkeit während des Abkühlungsprozesses nach der Lösungsglühung kann innerhalb der Grenzen von 5 °C/min und 0,1 °C/min gewählt werden. Bevorzugt werden ca. 0,5 °C/min. Die untere Temperatur T₃, bis zu welcher die Wärmebehandlung mit definierter Abkühlungsgeschwindigkeit durchgeführt werden soll, kann frei zwischen den Grenzen von 500 und 700 °C gewählt werden.
Aus den Beispielen geht hervor, dass die im Zugversuch bei Raumtemperatur festgestellte Dehnung am fertigen Werkstück in der Längsrichtung der Stengelkristallite bis ca. auf das Doppelte, in der langen Querrichtung durchschnittlich bis auf das Fünffache gesteigert werden konnte. Weitere Versuche zeigten, dass damit auch eine namhafte Steigerung der Duktilität verbunden ist.

Claims

Verfahren zur Erhöhung der Duktilität eines in groben längsgerichteten stengelförmigen Kristalliten vorliegenden Werstücks aus einer oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegerung bei Raumtemperatur, wobei das Werkstück pulvermetallurgisch hergestellt, stranggepresst oder geschmiedet oder heissisostatisch gepresst und anschliessend zonengeglüht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück nach dem Zonenglühen unter Argonatmosphäre während 1/2 bis 5 h einer Lösungsglühung bei einer Temperatur zwischen 1160 und 1280 °C unterworfen und anschliessend mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,1 °C/min und 5 °C/min bis auf eine Temperatur von 500 bis 700 °C abgekühlt und daraufhin in Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück aus einem Werkstoff der nachfolgenden Zusammensetzung
besteht, und dass das Werkstück unter Argonatmosphäre während 1 h einer Lösungsglühung bei einer Temperatur von 1260 °C unterworfen und anschliessend mit einer Geschwindigkeit von 0,5 °C/min bis auf eine Temperatur von 500 bis 700 °C abgekühlt und daraufhin in Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück aus einem Werkstoff der nachfolgenden Zusammensetzung
besteht, und dass das Werkstück unter Argonatmosphäre während 2 1/2 h einer Lösungsglühung bei einer Temperatur von 1180 °C unterworfen und anschliessend mit einer Geschwindigkeit von 0,5 °C/min bis auf eine Temperatur von 500 bis 700 °C abgekühlt und daraufhin in Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück aus einem Werkstoff der nachfolgenden Zusammensetzung

besteht, und dass das Werkstück unter Argonatmosphäre während 1 h einer Lösungsglühung bei einer Temperatur von 1260 °C unterworfen und anschliessend mit einer Geschwindigkeit von 0,4 °C/min bis auf eine Temperatur von 500 bis 700 °C abgekühlt und daraufhin in Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird.