EP1570098A2 - Verfahren zur herstellung eines bauteils mit verbesserter schweissbarkeit und/oder mechanischen bearbeitbarkeit aus einer legierung - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines bauteils mit verbesserter schweissbarkeit und/oder mechanischen bearbeitbarkeit aus einer legierungInfo
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- EP1570098A2 EP1570098A2 EP03782329A EP03782329A EP1570098A2 EP 1570098 A2 EP1570098 A2 EP 1570098A2 EP 03782329 A EP03782329 A EP 03782329A EP 03782329 A EP03782329 A EP 03782329A EP 1570098 A2 EP1570098 A2 EP 1570098A2
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Abstract
Legierungen nach dem Stand der Technik weisen zur Herstellung eines Bauteils eine nicht ausreichend gute Verarbeitbarkeit auf. Erfindungsgemäß wird in einem Verfahrenszwischenschritt eine Wärmebehandlung mit dem Bauteil durchgeführt, die die Verarbeitbarkeit verbessert.
Description
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit verbesserter Schweißbarkeit und/oder mechanischen Bearbeitbarkeit aus einer Legierung
'5
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit verbesserter Schweißbarkeit und/oder mechanischen Bearbeitbarkeit aus einer Legierung gemäss Anspruch 1.
0 Die US-PS 5,938,863 offenbart eine Nickelbasiö-Superlegie- rung, die Zusätze von Carbiden aufweist, um das Ermüdungsverhalten zu verbessern.
Die US-PS 6,120,624 offenbart eine Wärmebehandlung einer 5 Nickelbasis-Superlegierung vor einem Schweißen, um das Entstehen von Rissen bei Wärmebehandlungen nach dem Schweißen zu vermeiden. Hier werden während der Wärmebehandlung sehr kleine Abkühlraten verwendet (3F/min = 1.66°C/min oder weniger) . 0
Die US-PS 4,579,602 sowie die US-PS 4,574,015 offenbaren Wärmebehandlungen für gegossene Superlegierungen, um das Schmieden dieser Materialien zu verbessern.
5 Aus der US-PS 5,-374,319, US-PS 5,106,010 und EP 478374 ist bekannt, bei einem Bauteil die örtlich begrenzte Schweißzone auf Temperaturen über die Alterungstemperatur zu erhitzen. Dies führt zu Spannungen in dem auf unterschiedlichen Temperaturen gehaltenen Bauteil .
30
Während der Herstellung eines Bauteils aus einer Legierung muss das Bauteil in verschiedenen Herstellungs-Zwischen- schritten bearbeitet werden. Oft weist die Legierung nicht die gewünschten Eigenschaften auf, um sie optimal zu bearbei-
35 ten zu können.
So kann die Legierung relativ spröde sein, wodurch eine mechanische Bearbeitung (Richten, spanende, schleifende Bearbeitung) erschwert wird.
Ebenso müssen oft Risse oder Löcher verschweißt werden, wobei jedoch oft eine schlechte Schweißbarkeit der Legierung vorliegt .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, oben genannte Probleme zu überwinden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit verbesserter Schweißbarkeit und/oder mechanischen Bearbeitbarkeit aus einer Legierung gemäss An- spruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Verfahrens- schritte aufgelistet.
Die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen können in vorteilhafter Art und Weise miteinander kombiniert werden.
Es zeigen
Figur 1, 2 beispielhafte zeitliche Verläufe der Temperatur einer Legierung während eines Herstellungsprozesses, und
Figur 3 verschiedene MikroStrukturen einer Legierung.
Die Figur 2 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf der Temperatur einer Legierung während des Herstellungsprozesses.
Die Legierung ist beispielsweise durch Ausscheidungen härtbar, wie beispielsweise eine eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung.
Die Legierung kann zu einem Bauteil aus einem Pulver gesintert oder als Schmelze abgegossen bzw. auch gerichtet erstarrt gelassen werden. Weitere Herstellungsarten sind denkbar.
Wenn die Legierung für einen Gießprozess' aufgeschmolzen ist, so ist die Temperatur größer als die Schmelztemperatur Tiiquidus- Die Schmelze wird abgegossen (linker Bereich in der Figur) und danach mehr oder weniger langsam kontrolliert oder unkontrolliert abgekühlt, so dass die Temperatur unter der Soliduslinie Tsoudus liegt. Dann ist das Bauteil erstarrt. Das Bauteil wird bspw. bis zur Raumtemperatur (Schnittpunkt der Temperaturachse T mit Zeitachse t) abgekühlt.
Nach dem Gießverfahren folgt beispielsweise, also nicht notwendigerweise eine Nachverdichtung, insbesondere direkt nach dem Gießprozess, d.h. ohne Abkühlung des Bauteils nach dem Giessen. Die Nachverdichtung erfolgt beispielsweise durch heißisosta- tisches Pressen (HIP) , (Bereich I, Fig. 2) oder möglicherweise auch durch Sintern, um Fehler wie z.B. Poren, Lunker, .. zu schließen.
Die Nachverdichtung kann auch nach anderen Herstellungsschritten, bspw. nach dem Schweissen, erfolgen. Die Temperatur während der Nachverdichtung (bspw. HIP) liegt unterhalb der Soliduslinie Tsolidus der Legierung des Bauteils.
In diesem Stadium (mit oder ohne Nachverdichtung) werden die Bauteile, die aus dieser Legierung bestehen, mechanisch bear- beitet (beispielsweise gerichtet oder spanende, schleifende
Bearbeitung) und/oder es erfolgen Schweißreparaturen von Fehlern im Bauteil, insbesondere bei Raumtemperatur.
Oft sind jedoch die Eigenschaften der Legierung des Bauteils den mechanischen Verarbeitungsbedingungen (Schweißbarkeit und mechanische Verarbeitbarkeit) nicht angepasst.
Durch eine erfindungsgemäße nachfolgende Verbesserungswärme- behandlung, die beispielsweise zur Vergröberung der Ausscheidungen führt, beispielsweise durch eine Überalterungswärmebehandlung, die zu einer Überalterung der Struktur der Legierung führt, wird die MikroStruktur (Gefüge) des Bauteils so verändert, dass die Verarbeitbarkeit der Legierung gegenüber dem unbehandelten Gefüge verbessert wird. Zu den Gefügemerkmalen zählen u.a. die Kristallstruktur, Ausscheidungen und Sekundärphasen.
Insbesondere kann die beispielhafte Überalterungswärmebehandlung direkt an den Νachverdichtungsprozess, insbesondere in demselben Ofen, oder nach dem Giessen bzw. Sintern angeschlossen werden. Es findet keine (Fig. 2, Übergang Bereich I, II) oder nur eine unwesentliche Abkühlung des Bauteils statt. Wird der Νachverdichtungsprozess mit einem HIP-Verfahren durchgeführt, so kann der Druck bei der Verbesserungswärmebehandlung bestehen bleiben, langsam abgesenkt oder zurückge- nommen werden.
Eine Haltezeit bei der Temperatur für die Verbesserungswärmebehandlung kann hier entfallen oder reduziert werden, da dies durch die Haltezeit für die HIP- Νachbehandlung bereits zumindest teilweise oder ganz erfolgt ist.
Die Überalterungswärmebehandlung wird ggf. nach einer Haltezeit bei einer Temperatur durch eine geringe Abkühlrate von größergleich 2°C bis 5°C pro Minute, insbesondere von 2°C bis 3°C pro Minute, insbesondere 2.33°C/min., direkt nach dem Νachverdichtungsprozess erreicht (Bereich II, Fig. 2) .
Figur 1 zeigt den zeitlichen Verlauf, wenn das Bauteil aus der heißisostatischen Presse herausgenommen und in einen anderen Ofen transportiert wird.
Die Überalterungswärmebehandlung wird durch Hochheizen auf eine bestimmte Temperatur, ggf. mit einer Haltezeit bei dieser Temperatur (bei Ablauf gemäss Figur 2 entfällt das Hochheizen) , und beispielsweise durch eine geringe Abkühlrate von größergleich 2°C bis 5°C pro Minute, insbesondere von 2°C bis 3°C pro Minute, insbesondere 2.33°C/min. (Bereich II, Fig.l) erreicht.
Eine Überalterungswärmebehandlung für IN738LC, die auch zu einer Vergröberung der Ausscheidungen führt, hat beispielsweise folgende Parameter:
Aufheizen mit 10°C - 25°C/min (falls notwendig) , Haltetemperatur/-zeit 1180°C + 0°C - 10°C /Haltezeit ggf. 3h, Abkühlen mit 2°C - 3°C/min., insbesondere 2.33°C/min. bis 950°C, dann Luftabkühlung.
Bei IN939 werden die gleichen Parameter verwendet. Für ReneδO liegt die Haltetemperatur bei 1204°C +/- 15°C. Die Haltetemperaturen für die Überalterungswärmebehandlung sind bspw. auch die HIP-Temperaturen. Sie können aber höher oder niedriger sein.
Durch die Überalterungswärmebehandlung wird eine Überalterung der γ* -Phase bewirkt, wodurch die Duktilität des Grundwerkstoffs wesentlich erhöht wird.
Durch diese Überalterungswärmebehandlung wird z.B. die Schweißbarkeit der Legierung insbesondere bei Raumtemperatur gegenüber der unbehandelten Legierung verbessert. Außerdem wird durch die verbesserte mechanische Duktilität der Legierung gegenüber der unbehandelten Legierung das Bauteil besser richtbar (mechanisch verformbar) und/oder besser spanend oder schleifend bearbeitbar.
Für den späteren Anwendungsbereich des Bauteils wie z.B. Hochtemperatureinsatz kann das so erzielte Gefüge im Vergleich zu dem Gefüge vor der Wärmebehandlung schlechtere Eigenschaften aufweisen.
Aufgrund der schlechten Schweißbarkeit und Richtbarkeit wurden bisher hochfeste Nickelsuperlegierungen wie IN939, Rene80 und IN738LC insbesondere für große und dünnwandige Bauteile, wie z.B. Brennkammerauskleidungen nicht eingesetzt. Diese Legierungen weisen die γ -Phase zur Festigkeitssteigerung auf und können nun mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne Einschränkungen bearbeitet und eingesetzt (mit Schweißstellen) werden. Werkstoff der Wahl war bisher Hastelloy X. Dieser Werkstoff ist besser schweißbar, besitzt jedoch im Vergleich zu den anderen Werkstoffklassen eine beschränkte Hochtemperaturfestigkeit und Richtbarkeit .
Nach der Überalterungswärmebehandlung werden gegebenenfalls Fehlstellen (Risse, Löcher,....) beispielsweise mittels Mikroplasmapulverauftragsschweißen oder Plasmapulverauf- tragsschweißen repariert .
Der Einsatz anderer Schweißverfahren wie manuelles Wolfram- Inertgas-Schweißen ist prinzipiell ebenso möglich. Die beim Schweißen entstandenen Schweißstellen können gegebenenfalls gedengelt (gehämmert) werden, was zur Kaltverfestigung führt, da Druckeigenspannungen induziert werden. Ebenso können Poren oder sonstige Fehler dadurch reduziert werden oder verschwinden.
Danach erfolgt beispielsweise ein Kaltrichten des Bauteils in entsprechenden Vorrichtungen zur Korrektur der Geometrie des Bauteils .
Danach kann mit dem Bauteil beispielsweise ein Lösungsglühen (grössergleich 1180°C bis bspw. 1200°C für oben genannte Werkstoffe) mit anschließender schneller Abkühlung (bspw. 20°
- 40°C pro Minute bis 800°C, dann Luftabkühlung) durchgeführt werden, d.h. schneller als die Abkühlrate bei der Verbesserungswärmebehandlung.
Hierdurch wird die überalterte Struktur wieder "gelöscht", d.h. die groben Ausscheidungen verschwinden zumindest teilweise und das Bauteil erhält seine guten Hochtemperatureigenschaften der Legierung beispielsweise durch Einstellung einer feindispersen γλ -Struktur zurück (schnelle Abkühlung) .
Das Gefüge weist ggf. für den Anwendungsbereich des Bauteils bessere Eigenschaf en auf als das Gefüge, das das Bauteil nach der Wärmebehandlung zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit aufwies .
Während der Überalterungswärmebehandlung bei den Werkstoffen mit der γx -Phase wird diese γλ -Phase aufgelöst. Wenn die γ - Phase aufgelöst ist, erfolgt eine langsame Abkühlung wobei die γλ -Phase ausfällt und sich entsprechend vergröbert. Die Vergröberung führt nicht nur zu einem Anstieg in dem mittle- ren Durchmesser der γΛ -Phase, sondern beispielsweise auch zu einer Spherodisation der γλ -Phase, d.h. sie ist weniger würfelhaft, sondern mehr plättchenför ig ausgeprägt. Eine solche Vergröberung führt zu einer erhöhten Duktilität. Bei anderen Werkstoffen, die keine γ -Phase aufweisen, wird eine entsprechende Wärmebehandlung durchgeführt, die die Mik- rostruktur so verändert, dass sie die Verarbeitbarkeit des Bauteils, insbesondere bei Raumtemperatur verbessert.
Das Verfahren zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit der Legierung kann für neu gefertigte Bauteile verwendet werden sowie für Bauteile, die im Einsatz waren (Refurbishment) . Dabei ist 'die Vorgehensweise beispielsweise wie folgt.
Das benutze Bauteil wird gesäubert (Entfernung Oxidations- /Korrosionsprodukte) und beispielsweise entschichtet. Danach erfolgt eine Begutachtung des Bauteils, d.h. die Feststellung von Rissen und Poren. Es erfolgt dann eine Überalterungswärmebehandlung, an die sich entweder eine Schweißreparatur der Risse und Poren bei Raumtemperatur oder ein Richten des Bauteils anschließt. Es erfolgt dann ggf. ein kaltes Verformen (dengeln oder häm- mern) der so erzeugten Schweißstellen.
Anschließend erfolgt beispielsweise wieder eine Wärmebehandlung (beispielsweise Lösungsglühen) , um die gewünschte feindisperse γΛ -Struktur einzustellen. Gegebenenfalls erfolgt noch eine weitere Nachbehandlung der Schweißstellen, beispielsweise eine lokale Wärmebehandlung.
Das Lösungsglühen erfolgt beispielsweise bei derselben Temperatur wie bei der Überalterungswärmebehandlung, jedoch mit schnellerer Abkühlung, um die Vergröberung der γλ -Strukturen zu vermeiden. Es wird dabei so schnell abgekühlt, dass die γ1 -Phase nicht vollständig ausgeschieden wird, sondern zumindest zum Teil zwangsgelöst bleibt.
Gegebenenfalls kann ein Auslagern zum Ausscheiden der gewünschten γΛ -Struktur (feine blockige Teilchen) erfolgen.
Beim Schweißen wird insbesondere ein artgleicher Schweißzusatz oder ein Schweißzusatz, der dieselbe Zusammensetzung wie das Bauteil aufweist, verwendet. Artgleich heißt, dass er ungefähr dieselbe Zusammensetzung wie das Bauteil aufweist oder dieselben Hochtemperatureigenschaften wie das Basismate- rial aufweist. Dabei weisen beispielsweise die Bestandteile
des Schweißzusatzes dieselben verhältnismäßigen Anteile auf wie das Material des Bauteils.
Ggf. kann auf Schweißzusätze verzichtet werden. Insbesondere sollen weniger hochtemperaturfeste Schweißzu- sätze vermieden werden.
Wenn der Schweißzusatz durch Ausscheidungen härtbar ist, d.h. seine Festigkeit kann gesteigert werden, verringert die Schweißstelle kaum oder gar nicht die Festigkeit des Bauteils. Der Schweißzusatz sollte mindestens einen Volumenanteil von 35% (im Schliffbild) für die Ausscheidungen (beispielsweise die γΛ -Phase) aufweisen.
Das Dengeln der Schweißstelle nach dem Schweißen unterdrückt die Rissbildung während einer ersten Wärmebehandlung nach dem Schweißen.
Erst die Kombination der Überalterungswärmebehandlung und das Dengeln ermöglicht ein zumindest artgleiches Schweißen bei Raumtemperatur, um gute und rissfreie Schweißstellen herzustellen.
Die Überalterungstemperatur von 1180°C für IN939 ist bewusst höher gewählt als aus dem Stand der Technik (1160°C, US-PS 6,120,624) bekannt.
Eine beispielhafte Nachwärmebehandlung nach dem Schweißen sieht wie folgt aus :
Aufheizen mit 10 °C - 25°C/min. auf eine Haltetemperatur für eine gewisse Zeit,
Abkühlen mit 20°C - 40°C/min. , so dass die Überalterungsstruktur aufgelöst ist .
Aufheizen mit 10°C - 25°C/min. auf eine Haltetemperatur für eine gewisse Zeit, (Lösungsglühen) Abkühlen mit 20 °C - 40°C/min.
und ggf .
Aufheizen mit 10°C - 25°C/min. auf eine bestimmte Haltetempe- ratur für eine gewisse Zeit,
Abkühlung (Auslagerungswärmebehandlung) .
Die gewünschte feindisperse γ -Phase wird für den Einsatz des Bauteils wiederhergestellt, um die erforderlichen mechanischen Eigenschaften zu erreichen.
Die Figur 3 zeigt verschiedene MikroStrukturen einer Superle- gierung.
In diesem Beispiel ist die MikroStruktur der Legierung IN738 gezeigt .
Figur 3a) zeigt die Legierung mit kubischem primären γλ und feiner sekundärer γλ -Phase, so dass sich eine hochfeste Legierung ergibt, die eine geringe Duktilität aufweist.
Figur 3b zeigt eine überalterte MikroStruktur, die eine plättchenförmige γ -Phase aufweist, jedoch keine sekundären γv -Phase. Diese MikroStruktur weist eine gegenüber Figur 3a erhöhte Duktilität auf.
Claims
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer durch Ausscheidungen härtbaren Legierung, wobei in einem Zwischenschritt die mechanische Bearbeitbarkeit und/oder Schweißbarkeit durch eine Verbesserungswärmebehandlung mit dem Bauteil vor dem Schweißen und/oder vor dem mechanischem Bearbeiten verbessert wird, die die Ausscheidungen vergröbert, wodurch das Schweißen und/oder die mechanische Bearbeitbarkeit verbessert wird und wobei die Verbesserungswärmebehandlung zumindest- teilweise während einer langsamen Abkühlung mit einer Abkühlrate von 2° bis 3°C /min durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
eine Überalterungswärmebehandlung als Verbesserungswärmebehandlung mit dem Bauteil durchgeführt wird, um die Ausscheidungen zu vergröbern.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
nach dem Schweißen und/oder der mechanischen Bearbeitung eine weitere Wärmebehandlung durchgeführt wird, so dass das so eingestellte Gefüge für die Anwendungsbereiche des Bauteils bessere Eigenschaften aufweist als ohne diese Wärmebehandlung.
. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
nach dem Schweißen und/oder der mechanischen Bearbeitung eine Nachwärmebehandlung durchgeführt wird, die die Vergröberung der Ausscheidungen zumindest teilweise wieder rückgängig macht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
zur Herstellung des Bauteils das Bauteil aus einer Schmelze der Legierung gegossen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 , 3 , 4 oder 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das Bauteil nachverdichtet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 6 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das Bauteil vor der Verbesserungswärmebehandlung nachverdichtet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Bauteil auf eine bestimmte Temperatur hochgeheizt wird, und dass die Verbesserungswärmebehandlung zumindest teilweise durch ein langsames Abkühlen erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Verbesserungswärmebehandlung direkt nach der Nachverdichtung erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Verbesserungswärmebehandlung direkt nach dem Giessen erfolgt .
11. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Nachverdichtung mittels heißisostatischem Pressen durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
als Legierung eine eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Legierung die γΛ -Phase aufweist.
1 . Verfahren nach Anspruch 1, 3 oder 4 , d a du r c h g e k e nn z e i c h n e t, dass
für das Schweißen ein artgleicher Schweißzusatz verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 1, 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
■ für das Schweißen ein Schweißzusatz verwendet wird, der dieselbe Zusammensetzung wie die Legierung aufweist,
16. Verfahren nach Anspruch 1, 3, 4, 14 oder 15, d a d u r c h g e k e nn z e i c h n e t, dass
für das Schweißen ein Schweißzusatz verwendet wird, der durch eine Ausscheidung härtbar ist .
17. Verfahren nach Anspruch 1, 3, 4, 14, 15 oder 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass beim Schweißen eine Schweißstelle entsteht, und dass die zumindest eine Schweißstelle gedengelt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
als Legierung der Werkstoff IN 738LC oder IN 939 verwendet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass für die Verbesserungswärmebehandlung das Bauteil auf einer Temperatur gehalten wird, und dass dann eine Abkühlung des Bauteils erfolgt.
2 O.Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Verbesserungswärmebehandlung zumindest bei einer Lösungsglühtemperatur der Legierung erfolgt .
21. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 19 oder 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Überalterungswärmebehandlung bei 1180°C liegt.
22. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Nachwärmebehandlung, um die groben Ausscheidungen zumindest teilweise wieder rückgängig zu machen, zumindest teilweise bei einer Lösungsglühtemperatur durchgeführt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 4 oder 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Nachwärmebehandlung, um die groben Ausscheidungen zumindest teilweise wieder rückgängig zu machen, zumindest teilweise beim Abkühlen mit einer Abkühlrate
von 20°C bis 40°C pro Minute durchgeführt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
der Volumenanteil der Ausscheidungen des Schweißzusatzes mindestens 35% beträgt.
25. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Temperatur für die Nachverdichtung unterhalb der Soliduslinie des Materials des Bauteils liegt.
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