EP0774530A1 - Verfahren zur Herstellung eines hochtemperaturbeständigen Werkstoffkörpers aus einer Eisen-Nickel-Superlegierung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines hochtemperaturbeständigen Werkstoffkörpers aus einer Eisen-Nickel-Superlegierung Download PDF

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EP0774530A1
EP0774530A1 EP96810753A EP96810753A EP0774530A1 EP 0774530 A1 EP0774530 A1 EP 0774530A1 EP 96810753 A EP96810753 A EP 96810753A EP 96810753 A EP96810753 A EP 96810753A EP 0774530 A1 EP0774530 A1 EP 0774530A1
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Markus Staubli
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General Electric Switzerland GmbH
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/10Changing 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
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/08Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing nickel

Definitions

  • the invention is based on a method for producing a high-temperature-resistant material body by solution annealing and subsequent precipitation hardening of a hot-strengthened starting body provided in an oven and made of an iron-nickel superalloy of the type IN 706.
  • a material body is characterized by high temperatures at temperatures of around 700 ° C. Strength and is therefore used with advantage in thermal machines, such as gas turbines in particular.
  • the invention relates to a prior art, such as that of J.H. Moll et al. "Heat Treatment of 706 Alloy for Optimum 1200 ° F Stress-Rupture Properties” Met. Trans. 1971, vol. 2, pp.2153-2160.
  • the invention is based on the object of specifying a method of the type mentioned at the beginning with which a material body made of the alloy of type IN 706 can be created in a simple manner, which despite high heat resistance has great ductility having.
  • the process according to the invention is characterized in particular by the fact that it is simple to carry out and avoids the formation of excretions which have an embrittling effect.
  • a material body produced by the method according to the invention has tensile strengths of approx. 600 [MPa] and elongation at break values of approx. 30% at temperatures of approx. 700 ° C and is therefore very suitable as a starting material in the manufacture of a thermally and mechanically highly stressed rotor of a large gas turbine.
  • the elongation at break at 705 ° C. is approximately 10 to 12 times greater and the tensile strength is only approximately 20% lower than the tensile strength or the elongation at break in the material body A 'produced by the method according to the prior art.
  • Material bodies produced by the method according to the invention can be used with great advantage as rotors of large gas turbines, since they have a sufficiently high heat resistance and because local temperature gradients which cannot be avoided due to the high ductility of the material can only locally build up low stresses.
  • the above-mentioned properties are achieved with the alloy IN 706 if the solution-annealed starting body with a cooling rate between 0.5 and 20 [° C / min] from the annealing temperature provided for solution annealing to the the precipitation hardening provided temperature is performed. If the cooling rate is greater than 20 [° C / min], the elongation at break and thus the ductility are greatly reduced. If, on the other hand, the cooling rate is less than 0.5 [° C / min], the process can no longer be carried out economically. A cooling rate of between 1 and 5 [° C./min] is preferred.
  • solution annealing should be carried out for a maximum of 15 hours at temperatures between 900 and 1000 ° C.
  • the precipitation hardening caused by holding at certain temperatures should preferably be carried out in several stages over a period of at least 10h and at most 70h.
  • the solution-annealed starting body should be heated to temperatures between 700 and 760 ° C in a first stage and to temperatures between 600 and 650 ° C in a second stage and in the first stage for a period of at least 10h and at most 50h and in the second stage are kept at these temperatures for a period of at least 5 hours and at most 20 hours.
  • the first stage of precipitation hardening can be preceded by a further heat treatment stage, in which the solution-annealed starting body is kept at a temperature between 800 ° C and 850 ° C (material body B ').

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Abstract

Das Verfahren dient der Herstellung eines temperaturbeständigen Werkstoffkörpers. Bei diesem Verfahren wird der Werkstoffkörper durch Lösungsglühen und nachfolgendes Ausscheidungshärten eines in einem Ofen vorgesehenen warmverfestigtes Ausgangskörpers aus einer Eisen-Nickel-Superlegierung vom Typ IN 706 gebildet. Der Werkstoffkörper zeichnet sich durch eine besonders grosse Duktilität bei hoher Warmfestigkeit aus, wenn der lösungsgeglühte Ausgangskörper mit einer zwischen 0,5 und 20 [°C/min] liegenden Abkühlrate von der beim Lösungsglühen vorgesehenen Glühtemperatur auf die bei der Ausscheidungshärtung vorgesehene Temperatur geführt wird.

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zur Herstellung eines hochtemperaturbeständigen Werkstoffkörpers durch Lösungsglühen und nachfolgendes Ausscheidungshärten eines in einem Ofen vorgesehenen warmverfestigten Ausgangskörpers aus einer Eisen-Nickel-Superlegierung vom Typ IN 706. Ein solcher Werkstoffkörper zeichnet sich bei Temperaturen um 700°C durch hohe Festigkeit aus und wird daher in thermischen Maschinen, wie insbesondere Gasturbinen, mit Vorteil eingesetzt.
  • STAND DER TECHNIK
  • Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er etwa von J.H.Moll et al. "Heat Treatment of 706 Alloy for Optimum 1200°F Stress-Rupture Properties" Met. Trans. 1971, vol.2, pp.2153-2160, beschrieben ist.
  • Aus diesem Stand der Technik ist es bekannt, dass die für die Anwendung als Werkstoff für temperaturbelastete Bauteile kritischen Eigenschaften der Legierung IN 706, wie insbesondere die Warmfestigkeit und die Duktilität, durch geeignet ausgeführte Wärmebehandlungsverfahren bestimmt werden. Typische Wärmebehandlungsverfahren umfassen je nach Gefügestruktur des aus der Legierung IN 706 geschmiedeten Ausgangskörpers folgende Verfahrensschritte:
    • Lösungsglühen des Ausgangskörpers bei einer Temperatur von 980°C über einen Zeitraum von 1h,
    • Abkühlen des lösungsgeglühten Ausgangskörpers mit Luft,
    • Ausscheidungshärten bei einer Temperatur von 840 über einen Zeitraum von 3h,
    • Abkühlen mit Luft,
    • Ausscheidungshärten bei einer Temperatur von 720°C über einen Zeitraum von 8h,
    • Abkühlen mit einer Abkühlrate von ca. 55°C/h auf 620°C,
    • Ausscheidungshärten bei einer Temperatur von 620°C über einen Zeitraum von 8h, und
    • Abkühlen mit Luft, bzw.
    • Lösungsglühen des Ausgangskörpers bei Temperaturen um 900°C über 1h,
    • Abkühlen mit Luft,
    • Ausscheidungshärten bei 720°C über einen Zeitraum von 8h,
    • Abkühlen mit einer Abkühlrate von ca. 55°C/h auf 620°C,
    • Ausscheidungshärten bei 620°C über 8h, und
    • Abkühlen mit Luft.
    KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 definiert ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem in einfacher Weise ein Werkstoffkörper aus der Legierung vom Typ IN 706 geschaffen werden kann, welcher trotz einer hohen Warmfestigkeit eine grosse Duktilität aufweist.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass es einfach auszuführen ist und die Bildung versprödend wirkender Ausscheidungen vermeidet. Ein nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellter Werkstoffkörper weist bei Temperaturen um ca. 700°C Zugfestigkeiten von ca. 600 [MPa] und Bruchdehnungswerte von ca. 30% auf und eignet sich daher ganz hervorragend als Ausgangsmaterial bei der Fertigung eines thermisch und mechanisch hoch belasteten Rotors einer grossen Gasturbine.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend näher erläutert.
  • WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Vier kommerziell erhältliche geschmiedete Ausgangskörper A, B, C, D aus der Legierung IN 706 wurden je für sich in einen Ofen eingebracht und unterschiedlichen Wärmebehandlungsverfahren unterzogen. Die Ausgangskörper wiesen jeweils die gleiche Gefügestruktur und die gleiche chemische Zusammensetzung auf. Als Bestandteile wurden folgende Elemente in Gewichtsprozent ermittelt:
    • 0,01 Kohlenstoff
    • 0,04 Silicium
    • 0,12 Mangan
    • <0,001 Schwefel
    • 0,005 Phosphor
    • 16,03 Chrom
    • 41,90 Nickel
    • 0,19 Aluminium
    • 0,01 Kobalt
    • 1,67 Titan
    • <0,01 Kupfer
    • 2,95 Niob
    • Rest Eisen
  • Die Zusammensetzung der Ausgangskörper kann innerhalb der nachfolgend angegebenen Grenzbereiche schwanken:
    • max. 0,02 Kohlenstoff
    • max. 0,10 Silicium
    • max. 0,20 Mangan
    • max. 0,002 Schwefel
    • max. 0,015 Phosphor
    • 15 bis 18 Chrom
    • 40 bis 43 Nickel
    • 0,1 bis 0,3 Aluminium
    • max. 0,30 Kobalt
    • 1,5 bis 1,8 Titan
    • max. 0,30 Kupfer
    • 2,8 bis 3,2 Niob
    • Rest Eisen
  • Die Wärmebehandlungsverfahren der vier Ausgangskörper sind nachfolgend tabellarisch dargestellt.
    Ausgangskörper A B C D
    3h Lösungsglühen im Ofen bei 980°C x x
    10h Lösungsglühen im Ofen bei 925°C x
    10h Lösungsglühen im Ofen bei 910°C x
    Abkühlen mit Luft x
    Abkühlen im Ofen mit ca. 1 [°C/min] x x x
    10h Halten im Ofen bei 820°C x x
    Abkühlen im Ofen mit ca. 1 [°C/min] x x x
    10h Halten im Ofen bei 730°C x x x
    48h Halten im Ofen bei 730°C x
    Abkühlen im Ofen x x x x
    5h Halten im Ofen bei 620°C x x
    8h Halten im Ofen bei 620°C x
    16h Halten im Ofen bei 620°C x
    Werkstoffkörper A' B' C' D'
  • Aus den hieraus resultierenden Werkstoffkörpern A', B', C' und D' wurden rotationssymmetrische Probekörper für Zugversuche gedreht. Diese Versuchskörper waren an ihren beiden Enden jeweils mit einem in eine Prüfmaschine einsetzbaren Gewinde versehen und wiesen jeweils einen zwischen zwei Messmarken verlaufenden rundstabförmigen Abschnitt von 5 mm Durchmesser und ca. 24,48 mm Länge auf. Bei einer Temperatur von ca 705°C wurden die Probekörper mit einer Geschwindigkeit von ca. 0,01 [mm/min] bis zum Bruch gedehnt. Die hierbei ermittelten Werte von Zugfestigkeit und Bruchdehnung sind nachfolgend tabellarisch zusammengestellt.
    Werkstoffkörper A' B' C' D'
    Zugfestigkeit bei 705°C [MPa] 760 580 610 620
    Bruchdehnung bei 705°C [%] 2,5 33 31,5 27,5
  • Aus diesen Werten ist ersichtlich, dass bei den nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Werkstoffkörpern B', C' und D' die Bruchdehnung bei 705°C ca. 10- bis 12-mal grösser bzw. die Zugfestigkeit lediglich um ca. 20% kleiner ist als die Zugfestigkeit bzw. die Bruchdehnung bei dem nach dem Verfahren gemäss dem Stand der Technik hergestellten Werkstoffkörper A'. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Werkstoffkörper können mit grossem Vorteil als Rotoren grosser Gasturbinen verwendet werden, da sie über eine ausreichend hohe Warmfestigkeit verfügen, und da wegen der hohen Duktilität des Materials nicht zu vermeidende lokale Temperaturgradienten lokal nur geringe Spannnungen aufbauen können.
  • Die vorgenannten Eigenschaften werden mit der Legierung IN 706 erreicht, wenn der lösungsgeglühte Ausgangskörper mit einer zwischen 0,5 und 20 [°C/min] liegenden Abkühlrate von der beim Lösungsglühen vorgesehenen Glühtemperatur auf die der Ausscheidungshärtung vorgesehene Temperatur geführt wird. Wird die Abkühlrate grösser 20 [°C/min] gewählt, so werden die Bruchdehnung und damit auch die Duktilität stark reduziert. Wird hingegen die Abkühlrate kleiner 0,5 [°C/min] gewählt, so ist das Verfahren in wirtschaftlicher Weise nicht mehr durchführbar. Zu bevorzugen ist eine zwischen 1 und 5 [°C/min] liegende Abkühlrate.
  • Das Lösungsglühen sollte je nach Grösse des Ausgangskörpers über einen Zeitraum von höchstens 15h bei Temperaturen zwischen 900 und 1000°C ausgeführt werden.
  • Das durch Halten bei bestimmten Temperaturen bewirkte Ausscheidungshärten sollte bevorzugt mehrstufig über einen Zeitraum von mindestens 10h und höchstens 70h ausgeführt werden. Beim Ausscheidungshärten sollte der lösungsgeglühte Ausgangskörper in einer ersten Stufe auf Temperaturen zwischen 700 und 760°C und in einer zweiten Stufe auf Temperaturen zwischen 600 und 650°C erwärmt werden und in der erste Stufe über einen Zeitraum von mindestens 10h und höchstens 50h und in der zweiten Stufe über einen Zeitraum von mindestens 5h und höchstens 20h auf diesen Temperaturen gehalten werden.
  • Der ersten Stufe des Ausscheidungshärtens kann eine weitere Wärmebehandlungsstufe vorgeschaltet werden, bei der der lösungsgeglühte Ausgangskörper auf einer Temperatur zwischen 800°C und 850°C gehalten wird (Werkstoffkörper B').

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung eines temperaturbeständigen Werkstoffkörpers durch Lösungsglühen und nachfolgendes Ausscheidungshärten eines in einem Ofen vorgesehenen warmverfestigten Ausgangskörpers aus einer Eisen-Nickel-Superlegierung vom Typ IN 706, dadurch gekennzeichnet, dass der lösungsgeglühte Ausgangskörper mit einer zwischen 0,5 und 20 [°C/min] liegenden Abkühlrate von der beim Lösungsglühen vorgesehenen Glühtemperatur auf die bei der Ausscheidungshärtung vorgesehene Temperatur geführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlrate zwischen 1 und 5 [°C/min] liegt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsglühen über einen Zeitraum von höchstens 15h bei Temperaturen zwischen 900°C und 1000°C ausgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausscheidungshärten mehrstufig über einen Zeitraum von mindestens 10h und höchstens 70h ausgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausscheidungshärten der lösungsgeglühte Ausgangskörper in einer ersten Stufe bei Temperaturen zwischen 700°C und 760°C und in einer zweiten Stufe bei Temperaturen zwischen 600°C und 650°C wärmebehandelt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe des Ausscheidungshärtens über einen Zeitraum von mindestens 10h und höchstens 50h ausgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stufe des Ausscheidungshärtens über einen Zeitraum von mindestens 5h und höchstens 20h ausgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von der ersten auf die zweiten Stufe durch Abkühlen im Ofen ausgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Stufe des Ausscheidungshärtens eine weitere Wärmebehandlungsstufe vorgeschaltet ist, bei der der lösungsgeglühte Ausgangskörper auf einer Temperatur zwischen 800°C und 850°C gehalten wird.
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