EP0774530B1 - 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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EP0774530B1
EP0774530B1 EP96810753A EP96810753A EP0774530B1 EP 0774530 B1 EP0774530 B1 EP 0774530B1 EP 96810753 A EP96810753 A EP 96810753A EP 96810753 A EP96810753 A EP 96810753A EP 0774530 B1 EP0774530 B1 EP 0774530B1
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precipitation hardening
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temperature
solution
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Mohamed Dr. Nazmy
Markus Staubli
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General Electric Switzerland GmbH
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Alstom Power Schweiz AG
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • 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 Production of a high temperature resistant material body by solution annealing and subsequent precipitation hardening a heat-strengthened starting body provided in an oven Made of an IN 706 iron-nickel superalloy.
  • a material body is characterized at temperatures 700 ° C is characterized by high strength and is therefore used in thermal Machines, such as gas turbines in particular, are advantageous used.
  • the invention relates to a prior art, as described by 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 as defined in claim 1 the task is based on a process of the beginning Specify the type mentioned, with a simple way Material body made of the alloy of type IN 706 can be, which despite a high heat resistance a has great ductility.
  • the method according to the invention is particularly noteworthy in that it's easy to do and education eliminates embrittling excretions.
  • One after the Material body produced according to the method of the invention exhibits tensile strengths of approx. 700 ° C at approx. 600 [MPa] and elongation at break values of approx. 30% is therefore an excellent starting material for the Manufacturing a thermally and mechanically highly stressed Rotors of a large gas turbine.
  • the starting bodies each had the same structure and the same chemical composition.
  • the following elements were determined in weight percent as constituents: 0.01 carbon 0.04 Silicon 0.12 manganese ⁇ 0.001 sulfur 0.005 phosphorus 16.03 chrome 41.90 nickel 0.19 aluminum 0.01 cobalt 1.67 titanium ⁇ 0.01 copper 2.95 niobium rest iron
  • composition of the starting bodies can fluctuate within the limit ranges specified below: Max. 0.02 carbon Max. 0.10 Silicon Max. 0.20 manganese Max. 0.002 sulfur Max. 0.015 phosphorus 15 to 18 chrome 40 to 43 nickel 0.1 to 0.3 aluminum Max. 0.30 cobalt 1.5 to 1.8 titanium Max. 0.30 copper 2.8 to 3.2 niobium rest iron
  • the above properties are achieved with the alloy IN 706 reached when the solution-annealed starting body with a cooling rate of between 0.5 and 20 ° C / min of the annealing temperature provided for solution annealing to the the precipitation hardening provided temperature is performed. If the cooling rate is selected to be higher than 20 ° C / min the elongation at break and thus the ductility is strong reduced. However, if the cooling rate is less than 0.5 ° C / min chosen, the process is not economical more feasible. A number between 1 and 5 is preferred ° C / min cooling rate.
  • the solution annealing should depend on the size of the starting body for a maximum of 15 hours at temperatures between 900 and 1000 ° C.
  • Precipitation hardening should preferably take place in several stages Period of at least 10h and at most 70h executed become.
  • the solution-annealed should be used for precipitation hardening
  • Initial bodies in a first stage at temperatures between 700 and 760 ° C and in a second stage Temperatures between 600 and 650 ° C can be heated and in the first stage over a period of at least 10h and at most 50h and in the second stage over a period of time of at least 5h and at most 20h at these temperatures being held.
  • the first stage of precipitation hardening can be another Heat treatment stage upstream, in which the solution annealed starting body at a temperature between 800 ° C and 850 ° C is maintained (material body B ').

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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.
  • Ein weiteres Verfahren der vorgenannten Art ist auch in PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol.018, no. 632 (C-1280), 2.Dezember 1994 und JP 6 240 427 A beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein Ausgangskörpers aus einer Eisen-Nickel-Superlegierung vom Typ IN 706 nach dem Ausscheidungshärten mit einer Abkühlgeschwindigkeit, die gleich oder kleiner als die Abkühlgeschwindigkeit in Luft ist, auf eine Zwischentemperatur von ca. 800°C bis 850°C gebracht und danach mit einer Abkühlgeschwindigkeit, die grösser als diejenige in Luft ist, beispielsweise durch Abkühlen in Wasser, weiter abgekühlt. Nach diesem Verfahren hergestellte Werkstoffkörper zeichnen sich dadurch aus, dass sie trotz grosser geometrischer Abmessungen eine gleichmässig über den Werkstoff der Körper verteilte, ausreichend hohe mechanische Festigkeit aufweisen.
    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 eine bei der Ausscheidungshärtung in einer ersten Stufe vorgesehene Temperatur zwischen 700 und 760°C 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 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 1 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.
    EP96810753A 1995-11-17 1996-11-07 Verfahren zur Herstellung eines hochtemperaturbeständigen Werkstoffkörpers aus einer Eisen-Nickel-Superlegierung Expired - Lifetime EP0774530B1 (de)

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