NL7907856A

NL7907856A - Werkwijze voor het verdichten van gietstukken.

Info

Publication number: NL7907856A
Application number: NL7907856A
Authority: NL
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1979-01-02
Filing date: 1979-10-25
Publication date: 1980-07-04
Also published as: GB2038676B; JPS5591933A; IL57830A; US4250610A; FR2445752B1; IT1165448B; FR2445752A1; GB2038676A; DE2939634A1; DE2939634C2; JPH0141431B2; IT7926089A0

Description

S 2348-968' ^

P & C

«

Werkwijze voor het verdichten van gietstukken.

De uitvinding heeft betrekking op het verdichten van gietstukken door toepassing van een bepaalde combinatie van temperatuur en isostatische druk; meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een dergelijke verdichting waarbij met het oppervlak verbonden onregelmatigheden 5 van gietstukken opgeheven worden.

Wegens de aard van gebruikelijke methoden en vormen voor het gieten van metaal, kan bij het vast worden na het gieten de koelsnelheid van het gesmolten metaal variëren. Dit leidt tot een verscheidenheid van onregelmatigheden in het gietstuk, waaronder poriën, microspleten en inwendige 10 scheuren of barsten. Veel van deze onregelmatigheden bevinden zich binnen het gietstuk en zijn niet verbonden met het oppervlak van het gietstuk.

Sommige van deze onregelmatigheden zijn echter door openingen aan het oppervlak verbonden met het oppervlak.

Volgens de isostatische drukbehandeling bij verhoogde temperatuur 15 ("hot isostatic pressing (HIP)") wordt een gietstuk onderworpen aan een vooraf gekozen combinatie van temperatuur en druk om de bovengenoemde onregelmatigheden op te heffen door het naar elkaar toe "kruipen" en hechten door diffusie van de oppervlakken van inwendige poriën, microspleten, enz., of de homogenisering van ongewenste inwendige fasegebieden binnen het giet-20 stuk. Ten einde te voorkomen dat het bij dit HIP-proces toegepaste druk-medium doordringt in oppervlakte-openingen van onregelmatigheden die met het oppervlak verbonden zijn, heeft men op het buitenoppervlak van het gietstuk bekledingslagen aangebracht om deze openingen te overbruggen. Het "HIP-proces" en de toepassing van deze bekledingslagen worden beschreven 25 in het Amerikaanse octrooischrift 3.758.347. In deze publikatie wordt de toepassing van het "HIP-proces" beschreven in combinatie met legeringen op basis van elementen zoals Ni, Co, Fe en Ti, ofschoon deze werkwijze ook kan worden toegepast en is toegepast voor andere materialen. Zo kan deze werkwijze worden toegepast voor het afdichten van zich onder het oppervlak 30 bevindende poriën in gietstukken van aluminium of legeringen op basis van aluminium (zie het Amerikaanse octrooischrift 3.496.624). Het "HIP-proces" kan binnen een betrekkelijk ruim temperatuurstrajeet worden toegepast, bijvoorbeeld circa 705° - 1205®C, afhankelijk van de behandelde legering.

De temperatuur wordt zodanig gekozen dat er praktisch geen achteruitgang 35 van de mechanische eigenschappen van het metaal optreedt ten gevolge van de isostatische drukbehandeling bij verhoogde temperatuur; deze temperatuur dient echter voldoende hoog te zijn om hechting van de oppervlakken van de onregelmatigheden door diffusie te bewerkstelligen. Zo wordt bijvoorbeeld in 7907856 I' £» 3 - 2 - het traject van circa 9,6.10 - 206.840 kPa voldoende druk uitgeoefend, dat wil zeggen de druk is groter dan de kruipvastheid van de bij de gekozen temperatuur behandelde legering.

Zoals blijkt uit het bovengenoemde Amerikaanse octrooischrift 5 3.758.347, kunnen de met het oppervlak verbonden poriën opgeheven worden door toepassing van een bekledingslaag op het oppervlak die voorkomt dat het bij het "HIP-proces" toegepaste drukmedium onder het oppervlak en in de met het oppervlak verbonden onregelmatigheden doordringt. Een type bekleding dat voor dit doel is toegepast, is een metalen bekleding die is 10 afgezet boven de met het oppervlak verbonden openingen. Een dergelijke metalen bekleding in de vorm van een elektrolytisch afgezette nikkellaag wordt besproken in Voorbeeld 2 van het bovengenoemde Amerikaanse octrooischrift 3.758.347. Uit verder onderzoek van de toepassing van deze metalen bekledingslagen is gebleken dat er een verandering plaatsvindt in de che-15 mische eigenschappen van het oppervlak van het gietstuk. De verwijdering van een dergelijk veranderd oppervlak kan een ongewenste verhoging van de kosten van het proces geven. De uitvinding vormt een verbetering ten opzichte van het bovengenoemde Amerikaanse octrooischrift 3.758.347 door de verschaffing van een verbeterde bekleding die gebruikt kan worden bij het 20 bovenbeschreven "HIP-proces" wanneer dit proces wordt toegepast voor giet-stukken met onregelmatigheden die met het oppervlak zijn verbonden.

De uitvinding verschaft een werkwijze voor het verdichten van giet-stukken, waarbij een verbeterde bekledingslaag voor het overbruggen van oppervlakopeningen van met het oppervlak verbonden onregelmatigheden en 25 ter voorkoming van het binnendringen van het drukmedium in deze met het oppervlak verbonden onregelmatigheden.

Kort gezegd verschaft de uitvinding een verbetering in de isostatische drukbehandeling bij verhoogde temperatuur voor het verdichten van een metalen gietstuk dat met het oppervlak verbonden onregelmatigheden bevat; 30 volgens de onderhavige werkwijze worden de openingen van deze onregelmatigheden aan het oppervlak overbrugd met een bekleding, waarna het beklede gietstuk wordt onderworpen aan een combinatie van een vooraf gekozen be-hande-lingstemperatuur en isostatische druk om het gietstuk te verdichten.

De verbetering bestaat in het aanbrengen van de bekleding in de vorm van 35 een keramisch materiaal dat na verhitting op een verglazingstemperatuur leidt tot een niet-metallieke, amorfe, voor gas praktisch ondoorlaatbare keramische bekleding, die bij voorkeur een dikte van circa 0,0076 - 0,025 cm bezit. De thermische expansiecoëfficiënt van de bekleding wordt voldoende aangepast aan die van het gietstuk tot aan de temperatuur die wordt toege- 790 7 8 56 - 3 - * past bij de verdichting volgens het "HIP-proces” (isostatische drukbehan-deling bij verhoogde temperatuur), ter vermijding van haarscheurtjes, barsten en versplinteren tijdens het verdichten. Verder is de keramische bekleding viskeus bij de temperatuur van het "HIP-proces", zodat deze bekle-5 ding het vermogen bezit te bewegen en in kleine openingen geperst te worden, waardoor bij wordt gedragen aan het afdichtingsmechanisme. Zonder dit vermogen zou anders de keramische bekleding onder druk kunnen, barsten en niet in staat zijn de openingen aan het oppervlak af te sluiten. Ook vindt tijdens de isostatische drukbehandeling bij verhoogde temperatuur een ach-10 teruitgang plaats van de hechting tussen de bekleding en het oppervlak van het gietstuk. Zodoende is de bekleding gemakkelijk verwijderbaar na afkoelen na de behandeling. Het keramische materiaal wordt eerst verhit op een verglazingstemperatuur ten einde het materiaal te verglazen tot de keramische bekleding zonder dat een hechting van aanzienlijke sterkte met het op-15 pervlak van het gietstuk verschaft wordt. Na het verglazen wordt het beklede gietstuk afgekoeld en vervolgens onderworpen aan een isostatische drukbehandeling bij verhoogde temperatuur (HIP), waarna men het gietstuk opnieuw afkoelt en de keramische bekleding verwijdert.

Voorkeursuitvoeringsvormen 20 Volgens een tegenwoordig toegepaste uitvoeringsvorm van het HIP-proces voor het verdichten van gietstukken, wordt een metalen bekledingslaag, bijvoorbeeld elektrolytisch afgezet nikkel, aangebracht op het oppervlak van een superlegering op basis van nikkel alvorens het gietstuk aan de verdich-tingsbenandeling wordt onderworpen. Daar deze verdichting bij betrekkelijk 25 hoge temperaturen wordt uitgevoerd, bijvoorbeeld boven circa 1093°C voor superlegeringen op basis van nikkel, heeft diffusie van de bekleding in het oppervlakgedeelte van het gietstuk plaats. Uit proeven is gebleken dat deze diffusie de chemische eigenschappen van het oppervlak van het gietstuk verandert en kan leiden tot een nadelig effect op bepaalde mechanische 30 eigenschappen van de legering indien de bekleding niet verwijderd wordt, welke verwijdering extra kosten met zich meebrengt. Zodoende bestaat er in de industrie een weerstand tegen het uitvoeren van deze verdichtingsbehan-deling met metalen bekledingen die aan het oppervlak gelegen openingen van met het oppervlak verbonden onregelmatigheden overbruggen.

35 Bekledingen van het keramische type zijn toegepast voor het verbete ren van de levensduur van inrichtingen en onderdelen die bij hoge temperatuur worden toegepast, zoals turbine-onderdelen, verbrandingskamers van gasturbines en uitlaatcomponenten. Dergelijke bekledingen zijn echter zodanig gekozen en toegepast dat ze stevig hechten aan het oppervlak waarop 790 78 56 i s* - 4 - ze aangebracht worden en bestand zijn tegen vele thermische cycli waaraan onderdelen van gasturbines in representatieve gevallen blootstaan. Verder zijn deze bekledingen vast of niet-viskeus bij hun bedrijfstemperatuur zodat ze niet gemakkelijk door stromende gassen worden geërodeerd.

5 De volgens de onderhavige werkwijze toegepaste keramische bekleding heeft een andere functie: deze bekleding is niet bestemd om een volledige thermische cyclus tot aan de temperatuur van het "HIP-proces" en vervolgens tot aan de temperatuur van de omgeving te overleven, maar krijgt tijdens de isostatische drukbehandeling bij verhoogde temperatuur (HIP) een geringere 10 hechting met het oppervlak waarop deze bekleding is aangebracht. Op deze wijze is de onderhavige bekleding gemakkelijk verwijderbaar na voltooiing van de isostatische drukbehandeling bij verhoogde temperatuur (HIP), daar niet beoogd wordt dat de bekleding op het oppervlak· achterblijft.

Bij het onderzoek van de onderhavige werkwijze werd een verscheiden-15 heid van bekledingsmaterialen van het keramische type onderzocht op super-legeringen waarmee bij hoge temperatuur wordt gewerkt, en wel legeringen, op basis van Ni, Co en Fe, alsmede legeringen op basis van Ti en legeringen op basis van Al, waarbij de bekledingen fungeerden als oppervlakafdicht-middelen bij het verdichten volgens het HIP-proces van gietstukken die met 20 het oppervlak verbonden poriën of onregelmatigheden bevatten. Het bleek dat werkelijke glassoorten slechts een beperkte geschiktheid bezitten bij het type HIP-proces waarbij de te verdichten gietstukken bij kamertemperatuur in autoclaven worden gebracht om behandeld te worden. Deze beperkte geschiktheid berust op het niet aangepast zijn van de thermische expansie-25 coëfficiënt van het glas aan de thermische expansiecoëfficiënt van metalen delen. Volgens de uitvinding is echter gebleken dat keramische materialen van het type dat soms wordt aangeduid als porselein-email, voor wat betreft hun samenstelling zodanig geregeld kunnen worden dat een geschikte aanpassing van de thermische expansie-eigenschappen van de verkregen keramische 30 bekleding en van het metaal, waarop de bekleding wordt aangebracht, verschaft wordt. Volgens de uitvinding wordt een materiaal gekozen waarvan de thermische expansie-coëfficiënt is aangepast in het temperatuurstrajeet van ongeveer kamertemperatuur tot aan de gekozen temperatuur van het HIP-proces. Verder is het keramische materiaal praktisch viskeus bij deze _tem-35 peratuur, waardoor bijgedragen wordt aan het afsluitingsmechanisme, en heeft het keramische materiaal de eigenschap dat tijdens de behandeling de hechting geringer wordt ("ontspanning"); aangenomen wordt dat dit laatste het gevolg is van een verandering in de structuur van het bekledingsmate-riaal.

790 7 8 56 λ - 5 -

Een voorbeeld van een dergelijk keramisch materiaal dat op deze wijze kan functioneren, is het door Ferro Corporation in de handel gebrachte "JB-392-C" dat volgens de uitvinding is onderzocht. Gebleken is dat dit keramische materiaal in het bijzonder geschikt is met superlegeringen op 5 basis van nikkel, welke legeringen van het type zijn dat wordt toegepast voor gasturbines. Dit materiaal bevat in hoofdzaak oxiden van Si, B en Cr, alsmede andere bestanddelen, zoals klei; verder is dit materiaal gekenmerkt door de afwezigheid van verbindingen van Pb, die schadelijk zijn gebleken voor legeringen voor turbinemotoren. Een andere eigenschap van 10 dit keramische materiaal is dat het een oxide van Cr bevat dat bijdraagt aan het hechten van de bekleding aan het oppervlak van superlegeringen op basis van nikkel, die Cr bevatten. Een dergelijke hechting is echter niet voldoende sterk om weerstand te bieden aan verwijdering na de behandeling.

VOORBEELD I

15 Het bovengenoemde materiaal JB-392-C werd onderzocht als bekleding op gegoten monsters van superlegeringen op basis van nikkel, die in de handel verkrijgbaar zijn onder de aanduidingen "IN718" en "Rene' 77”. Het oppervlak van elk van de monsters, die blijkens onderzoek met röntgenstralen poriën onder het oppervlak alsmede met het oppervlak verbonden poriën be-20 vatten, werd eerst gereinigd en in lichte mate geruwd, bijvoorbeeld door gritstralen. Daar een permanente hechting niet gewenst is, werd het te bekleden oppervlak niet voorbereid op de voor het bekleden met keramische materialen gebruikelijke wijze die leidt tot een sterke hechting. Het keramische bekledingsmateriaal werd in de vorm van een slip op basis van na- 3 25 triumfosfaat, waarvan het soortelijk gewicht circa 1,7 g/cm bedroeg, op gebruikelijke wijze versproeid tot een dikte in vochtige toestand van circa 0,020 - 0,031 cm. De bekleding bezat in vers aangebrachte toestand een dichtheid van slechts circa 50 %. Na drogen, bijvoorbeeld bij circa 121°C, werd het keramische materiaal verhit op een verglazingstemperatuur van circa 30 954°C onder vorming van een niet-metallieke, amorfe, voor gas praktisch ondoorlaatbare keramische bekledingslaag met een representatieve uiteindelijke dikte van circa 0,0076 - 0,025 cm. Na afkoelen van de verglazingstemperatuur tot kamertemperatuur werd waargenomen dat de thermische expan-sie-coëfficiënt van de bekleding in die mate aangepast was aan de thermi-35 scne expansie-coëfficiënt van de superlegeringen op basis van nikkel dat geen scheurtjes in de bekleding optraden of de bekleding van het beklede oppervlak afsplinterde. De monsters van superlegering op basis van nikkel werden vervolgens onderworpen aan een isostatische drukbehandeling bij verhoogde temperatuur (HIP) volgens de in het bovengenoemde Amerikaanse 790 7 8 56 'i - 6 - octrooischrift 3.758.347 beschreven wijze; de legering IN718 werd bij circa 1163°C en de legering Rene' 77 bij circa 1218®C behandeld, beide onder een druk van circa 103.420 kPa gedurende 2-3 uren. Na afkoelen tot kamertemperatuur werd waargenomen dat delen van de bekleding van het oppervlak 5 van het gietstuk waren afgesplinterd ten gevolge van de achteruitgang van de hechting tussen de keramische bekleding en het oppervlak van het gietstuk tijdens het HIP-proces. Aangenomen wordt dat deze achteruitgang plaatsvindt omdat de bekleding bij de behandelingstemperatuur viskeus wordt.

Uit onderzoek met röntgenstralen van de monsters na de isostatische 10 drukbehandeling bij verhoogde temperatuur bleek dat de met het oppervlak verbonden poriën afgesloten waren. Bij verder onderzoek van de monsters van Voorbeeld I bleek dat de dikte van de keramische bekledingslaag na het verglazen en vóór de isostatische drukbehandeling bij verhoogde temperatuur bij voorkeur circa 0,0076 - 0,025 cm bedraagt ten einde een continue, 15 voor gas praktisch ondoorlaatbare bekleding te verschaffen. Waargenomen werd dat bij de onderzochte bekledingen een gemiddelde dikte van minder dan circa 0,0076 cm moeilijkheden gaf voor wat betreft het verschaffen van een continue, voor gassen ondoorlaatbare bekleding, terwijl een bekleding met een gemiddelde dikte van meer dan circa 0,025 cm leidde tot de vorming 20 van barsten en haarscheurtjes in de bekleding. Derhalve verschaft de uitvinding een keramische bekleding met een gemiddelde dikte van circa 0,0076 - 0,025 cm, in tegenstelling tot een geringere gemiddelde dikte van circa 0,0038 - 0,089 cm die vaak wordt aanbevolen door fabrikanten van het type keramisch bekledingsmateriaal dat volgens de onderhavige werkwijze 25 wordt toegepast.

VOORBEELD II

Men herhaalde de werkwijze van Voorbeeld I met monsters van een legering op basis van titaan, in hoofdzaak bestaande uit 6 gew.% Al, 4 gew.% V en voor de rest Ti; deze legering wordt in het algemeen aangeduid als 30 "Ti-6-4". In dit voorbeeld gebruikte men een keramisch materiaal dat door Ferro Corporation in de handel wordt gebracht onder de aanduiding "J087B". Het keramische materiaal werd na versproeien op het geruwde oppervlak van de legering Ti-6-4 en drogen bij circa 121®C, op een temperatuur van circa 816°C verhit ten einde het keramische materiaal te verglazen tot een kera-35 mische bekleding met een gemiddelde dikte van circa 0,010 - 0,018 cm. Na afkoelen van de verglazingstemperatuur tot kamertemperatuur, werd de isostatische drukbehandeling (HIP) uitgevoerd bij circa 899°C onder een druk van circa 103.420 kPa gedurende circa 2-3 uren, waarbij dezelfde goede resultaten als in Voorbeeld I werden verkregen.

790 7 8 56 * - 7 -

Gebleken is dat het keramische materiaal, na te zijn aangebracht door bijvoorbeeld onderdompelen of sproeien op het oppervlak van een te behandelen gietstuk en gedroogd als voorbereiding voor het verglazen, soms overbrenging of hantering vereist van de plaats waar het keramische materiaal 5 wordt aangebracht naar de plaats waar verglazing van het keramische materiaal vóór het HIP-proces wordt uitgevoerd. Ten einde schade aan de betrekkelijk zachte aanvankelijke bekleding vóór het verglazen te vermijden, werd een materiaal, dat bij'verhitting ontleedt zonder een aanzienlijk residu achter te laten, op het oppervlak aangebracht. Een voorbeeld van een derge-10 lijk materiaal, dat algemeen verkrijgbaar is en toegepast wordt bij het hard solderen, en volgens de uitvinding kan worden toegepast, is een oplossing van een acrylhars in verdunde, versproeibare toestand. Derhalve wordt volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige werkwijze een dergelijke beschermende bekleding toegepast na het aanbrengen en drogen van het kera-15 mische materiaal en vóór het verglazen van de bekleding.

De uitvinding is niet beperkt tot de bovenbeschreven uitvoeringsvormen, aangezien uiteraard binnen het raam van de uitvinding talrijke wijzigingen mogelijk zijn. Zo kan men bijvoorbeeld een verscheidenheid van be-kledingsmaterialen van het porseleinemail-type kiezen, waarvan de thermi-20 sche expansie-coëfficiënt is aangepast aan die van het oppervlak van het gietstuk waarop de bekledingsmaterialen worden aangebracht. Ofschoon bij het toepassen van de onderhavige werkwijze voor gasturbinecomponenten de toepassing van loodverbindingen in de bekleding vermeden wordt wegens het nadelige effect van deze verbindingen op de componenten, kan bij andere 25 toepassingen van de onderhavige werkwijze email van het porseleintype, dat loodverbindingen bevat, toegepast worden indien deze loodverbindingen niet schadelijk zijn voor de beoogde toepassing. Verder kan de uitvinding worden toegepast op andere gegoten legeringen dan die welke in de bovenbeschreven voorbeelden genoemd zijn.

30 790 7 8 56

Claims

1. Werkwijze voor het verdichten van een metalen gietstuk met onregelmatigheden die met het oppervlak verbonden zijn, door een isostatische druk-behandeling bij verhoogde temperatuur (HIP), waarbij men een bekleding 5 aanbrengt op een oppervlak van het gietstuk om openingen aan het oppervlak, die met de onregelmatigheden verbonden zijn, te overbruggen, en het gietstuk vervolgens onderwerpt aan een combinatie van een gekozen behandelings-temperatuur en isostatische druk ten einde het gietstuk te verdichten, met het kenmerk dat men: 10 als bekleding een keramisch materiaal aanbrengt dat bij een verglazings-temperatuur beneden de gekozen behandelingstemperatuur bij de verdichting door isostatische druk bij verhoogde temperatuur, een niet-metallieke, amorfe, voor gas praktisch ondoorlaatbare keramische bekleding verschaft die een thermische expansie-coëfficiënt bezit die in het temperatuurstra-15 ject van de temperatuur van de omgeving tot de gekozen behandelingstemperatuur van de verdichting is aangepast aan de thermische expansie-coëfficiënt van het oppervlak van het gietstuk waarop de bekleding is aangebracht, welke·bekleding viskeus is bij de gekozen behandelingstemperatuur van de verdichting en van welke bekleding de hechting met het oppervlak van het 20 gietstuk geringer wordt tijdens de verdichting door de isostatische druk-behandeling bij verhoogde temperatuur; het oppervlak van het gietstuk en het keramische materiaal verhit op de verglazingstemperatuur ten einde het keramische materiaal te verglazen tot de keramische bekleding zonder een hechting van aanzienlijke sterkte met het oppervlak van het gietstuk te 25 verschaffen; het beklede gietstuk afkoelt; het oppervlak van het beklede gietstuk blootstelt aan de combinatie van de gekozen behandelingstemperatuur en isostatische druk ten einde het beklede gedeelte van het gietstuk te verdichten en de hechting tussen de kerami-30 sche bekleding en het oppervlak van het gietstuk te verminderen? het gietstuk afkoelt; en vervolgens de bekleding van het oppervlak van het gietstuk verwijdert.

2. Werkwijze voor het verdichten van een als gietstuk verkregen turbine-onderdeel dat vervaardigd is uit een legering op basis van een element, ge- 35 kozen uit Ni, Co, Fe, Ti en Al, met het kenmerk' dat men hiertoe de werkwijze volgens conclusie 1 gebruikt, onder toepassing van een gemiddelde dikte van de bekleding van circa 0,0076 - 0,025 cm en een keramisch materiaal dat praktisch vrij is van loodverbindingen.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat men na het 790 7 8 56 k. - 9 - aanbrengen van het keramische materiaal op het oppervlak van het gietstuk en vóór het verhitten van het materiaal op de verglazingstemperatuur, op het keramische materiaal een beschermende bekleding aanbrengt van een materiaal dat bij verhitting op de verglazingstemperatuur ontleedt zonder de 5 vorming van een aanzienlijk residu. 790 7 8 56