NO162569B - Forvarmebehandling av stoepegods av superlegeringer. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en framgangsmåte for varmebehandling av gjenstander av høyfaste varmebestandige nikkellegeringer føt varmisostatisk pressing (HI.P), hvor legeringen inneholder faser som får en begynende smelting ved en temperatur under temperaturen for varmisostatisk pressing.

Varmebestandige legeringer er materialer som vanligvis er basert på nikkel eller kobolt som har gode egenskaper ved temperaturer i størrelsesorden 538°C og over, og som har anvendelse i gassturbinmotorer. Varmebestandige legeringer opprettholdet sin styrke opp til temperaturer meget nær sin smeltetemperatut. P.g.a. denne ekstremt høye temperatur-bestandigheten er varmebestandige legeringer vanskelige å smi og er ofte brukt i støpt form. Støping muliggjør også framstilling av komplekse former som krever et minimum av etterfølgende bearbeiding. Imidlertid begrenses støpegods-egenskapene av porøsiteten som stadig oppstår ved støping. Porøsitet er skadelig for mekaniske egenskaper og kan spesielt redusere høytempetaturegenskaper slik som tøybarhet, bruddspenning, levetid og lavfrekvensutmatning. De sammensatte varmebestandige legeringene et også iblandt tilbøyelig til å danne lavsmeltende faser ved spesielle forhold.

Kjente teknikker er vatmisostatisk pressing (HIP) som et utviklet for å minske porøsiteten i støpte gjenstander. 1 HIP-ptossesen plasseres støpte gjenstander i et kammer og varmes til en forhøyet temperatur mens kammeret samtidig fylles med en edelgass ved høy temperatur.

For mange varmebestandige legeringer er typiske HIP-prossesforhold et gassttykk på omkring 103.4 Mpa og en temperatur på 1093° C - 1204° C. Den fornøyde temperaturen gjør materialet relativt mykt og plastisk og det høye gasstrykket gjør at indre hulrom lukket seg. Samtidig medfører homogeniseringen ytterligere øking i gjenstandens egenskaper. Ved at varmebestandige legeringer opprettholder sin styrke opp til ekstremt høye temperaturer, utføres ofte HIP-behandling av varmebestandige legeringer innen E>S o C av deres begynnende smeltetemperatur. 1 et forsøk på å minske kostnadene og vekten på gass-tutbinmotorer, hat store sammensatte støpte gjenstander av varmebestandige legeringer blitt valgt som erstatning for sammensatte deler som nå framstilles ved å bearbeide smidde gjenstander. En spesielt anvendbar legering for spesielle tilpasninger er kjent som Inconel 718 (nominell sammensetning Ni- 19Cr- 18Fe- 5. 2Nb- 3Mo- 0.9Ti-0.6Al- 0.05C).

fitter å ha løst mange problemer i tilknytning til støpingen, og å ha framstilt tilsynelatende brukbare støpe-stykker (men med porøsitet), ble støpestykkene gitt den vanlige HIP-behandlingen med det formål å redusere porøsitet og seigring. Etterfulgt av HIP- behandlingen ble det gjort forsøk på å sveise støpestykkene. Man hadde problemer med sveisingen av det HIP-behandlete materialet med betydelig sveisesprut og unormal porøsitet i sveisen. Det ble også observert at en del indre porøsitet ikke hadde blitt eliroiniert innen visse områder i støpestykket. Hitter en detaljert undersøkelse fant man at vanskelighetene man hadde hatt, var et resultat av innelukking av høytrykksmediet (argongass) for HIP-behandlingen i porer som sto i forbindelse med overflaten enten direkte eller gjennom korngrenser. Innelukkingen av gass oppsto åpenbart ved lokal smelting av gjenstanden ved HIP-temperaturen. Gass som var blitt suget inn i gjenstanden gjennom porøsitet i forbindelse med overflaten eller korngrenser, ble innelukket ved størkningen av det smeltede materialet. Man fant at denne innelukkingen av gass opptrådte i områder på støpestykket som hørte sammen med langsomme kjølningsforhold i støpeprossesen og at roten til problemet var nærværet av

lavsmeltende Laves-faser i områdene på støpestykket som var langsomt avkjølt. Oppfinnelsen var et resultat at dette problemet ble oppdaget og av utviklingen av en løsning som beskrives i det følgende.

USA-patentskriftene nr. 2 798 827, 3 753 790 og 3 783 032 beskriver bruken av varmebehandlinger ved temperaturer under eller nær temperaturen for begynnende smelting for tidsperioder tilstrekkelig for å tillate partiell homogenisering av lavsmeltende områder i gjenstander av varmebestandige legeringer, særlig turbinblader som har en begynnende smelting som sammenfaller med en riktig varmebehandling. Ingen av disse patentskriftene refererer eksplisitt til de Laves-faser som man har i legeringen Inconel 718, de refererer heller ikke til problemmet med innelukket gass ved HIP-behandling av de nikkelbaserte støpestykkene.

Oppfinnelsen et særpreget ved de trekk som fremgår av den karakteriserende delen av patentkrav 1. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av patentkrav 2.

Oppfinnelsen angår således behandling av støpestykket av varmebestandige legeringer for betydelig å minske lavsmeltende faser for å høyne temperaturen for begynende smelting fot legeringen slik at legeringen kan gis en HIP-behandling uten å få betydelig begynnende smelting og kommer derigjennom til å bli fri for skadelige kvantiteter av innelukkede gasser.

1 en foretrukken utførelsnsform av oppfinnelsen følger varmebehandlingen før HIP- behandlingen og HIP behandlingen omfattet eksponering ved temperaturer nær eller under tempetaturen for begynnende smelting, lenge nok til å øke temperaturen for begynnende smelting til en temperatur over den som brukes i HIP prosn.osen. Etappevis temperatur behandling kan brukes slik at når tempetturen for begynnende smelting i gjenstanden øker, økes også varmebehandlings-temperaturen for å minske tiden som behøves for å oppnå et ønsket resultat. Varmebehandlingen kan gjennomføres før HIP-prossesen eller kan utgjøre en del av HIP-behandlings-forløpet og kan gjennomføres i HIP-anordningen

med ellec uten tilsetting av gasstrykk.

En alternativ form av oppfinnelsen omfatter en varmebehandling av gjenstanden i et ikkeoksiderende miljø uten tilsatt HIP-trykk ved forhold som forårsaker smelting av fasene med lavt smeltepunkt mens diffusjonshastighetene økes betydelig og tiden som er nødvendig for å oppnå det ønskede resultatet reduseres betydelig. Fig. 1 et et miktofoto av lnconel 718 materiale i støpt t i istand. Fig.2 er et mikrofoto av støpt lnconel 718 etter å ha blitt behandlet ved 1190° C. Fig. 3 og 4 er mikrofoto av støpt lnconel 718 materiale etter en HIP- behandling ved 1190° C. Fig. S er et mikrofoto av støpt lnconel 718 materiale som er blitt behandlet i samsvar med oppfinnelsen og siden blitt HIP behandlet ved 1190° C.

Oppfinnelsen beskrives m.h.p. anvendelsen på legeringen lnconel 718 som er omfattende brukt til framstilling av sammensatte støpestykker for bruk ved mediumtemperatuter. Oppfinnelsen kan lett anvendes på andre legeringer.

lnconel 718 har en nominell sammensetning av S3Ni l9Cr-18Fe-b.2Nb-3Mo O.9Ti O.6Al-0.05C og kan bli HIP-behandlet ved omkring 1190° C i omkring 4 timer med et tilsatt atgontrykk på omkring 103.4 Mpa. HIP-temperaturen

velges slik at legeringens flytespenninger er tilstrekkelig lave til muliggjøre lukking av porøsiteten med et isostatisk trykk på 103.4 Mpa. Andre omstendigheter (ulike legeringer, gasstrykk, etc.) nødvendiggjør ulike HIP-temperaturer. Fagmannen kan lett modifisere HIP-forholdene etter behov.

1 materiale av lnconel 718 observeres dannelsen av Laves-faser i samsvar med den ålmenne formelen (Fe, Cr, Mn, Si)2(Mo, Ti, Nb) når støtkningshastigheten er mindre enn SS C pr. minutt. Volumfraksjonen Laves er omvendt proporsjonal med størkningen som er vist i tabell 1. Følgelig finner man Laves faser i støpt materiale av lnconel 718 i de områdene der tykke deler av støpegodset har resultert i en langsom kjølehastighet. Laves-faser(lnconel 718) smelter over et temperaturområde på

1149° C-1177° C. 14° C - 42° C under hva som er nødvendig for egnet HIP-behandling av materialet.

Oppfinnelsen omfatter varmebehandling av materialet fot betydelig å homogenisere de lavsmeltende fasene for enten å eliminere dem eller for å minske deres smeltetemperatur tii en temperatur over 1190° C.(dvs. den fastsatte HIP-temperaturen). Selv om fullstendig homogenisering og/eller en økning i temperaturen for begynnende smelting til omkring HIP-temperaturen er å foretrekke, behøver dette ikke være nødvendig i alle tilfeller. Særlig kan det fastslås at en viss mengde (dvs. mindre enn 1 %) av begynnende smelting kan tolereres. 1 et slikt tilfelle kan prossesen i samsvar med oppfinnelsen modifiseres for å oppnå dette brukbare (dog ikke perfekte) resultatet. Tabell II viset et antall varmebehandlinger som har blitt evaluert. Disse varmebehand-lingene tilegnes på et støpegods av lnconel 718 som inneholder omkring 7 volumprosent av Laves-fase. Behandlingene A og B homogeniserte fullstendig strukturen og ingen smelting opptrådte det viere seg under varmebehandlingen eller under den påfølgende HIP-behandlingen (ved 1190° C). Behandlingene C og D homogeniserte ikke strukturen fullstendig, men mengde oppsmelting som inntrådte under den påfølgende HIP-behandlingen ved 1190° C ble redusert til et punkt der innelukking av gass ble forhindret eller redusert til et ikke målbart nivå. Behandlingene E og F gav en del begynnende smelting under varmebehandlingen og eliminerte ellet betydelig minsket smelting under den påfølgende HIP-behandlingen til et punkt der innelukking av gass ble forhindret. PJttersom andelen seigringer med lavt smeltepunkt varierer mellom ulike former av støpestykkene avhengig av ulikheter i størkningshastighet, varietet:' selv den spesielle behandlingen som er nødvendig tor å eliminere eller betydelig minske mengden begynnende smelting ved denpåfølgende HIP-behandl ingen med design av støpestykkene og aktuell kjemisk sammensetning. Behandlingen h og B synos å væte effektive for støpestykker som har den mest alvorlige grad av seigring. Behandlingen C og D burde være met effektive for slike støpestykker hvor graden av seigring er mindre. Behandlingen E og F viser behandlinger hvor temperaturen har økt trinnvis under behandlingen. Dette er mulig p.g.a. minskningen Laves-faser og/eller økningen i temperaturer for begynnende smelting som kommer av diffusjon. For slike behandlinger som resulterer i begynnende smelting under behandlingen bør behandlingen ikke gjennomføres i en HIP-anordning (ved overtrykksforhold) da innlukking av gass kan oppstå.

Ulike aspekter på mikrostruktur i samsvar med behandlingene i samsvar med oppfinnelsen (og utenfor oppfinnelsen) gjengis i figurene. Fig. 1 viser mikro-strukturen til lnconel 718 i støpt form. De ukontinuet1ige områdene på figuren er lavsmeltende Laves faser. Fig. 2 er et mikrofoto av materialet i samsvar med fig. I etter å ha blitt behandlet ved 1190° C som er innen det normale Hl.f-tempetaturområdet for lnconel 718. betydelig smelting er oppstått og materialets egenskaper burde være utilfreds-stillende som et resultat av dette. Fig. 3 og 4 viser mikrostrukturene kjennetegn på materialet lnconel 718 etter en Hit' behandling ved 1190° C. 1 fig. 3 kan man se porøsitet i sammenheng med lokal smelting, denne porøsiteten indikerer at det ønskede målet med HIP-prosnesen ikke ble oppnådd. Fig. 4 viser områder som er smeltet ved HIP-forløpet, materiale som inneholder slike kjenntegn burde ikke være akseptable for bruk i gassturbinmotorer. Fig. 5 er et mikrofoto av materiale behandlet i samsvar med fore-liggende oppfinnelse (1133° C i 8t:imer pluss 1149° C i ifetimer) og etterfølgende HIP behandling ved 1133° C.

Ingen påviselig smelting foreligger og ingen porøsitet er synlig.

Claims (2)

1. Framgangsmåte tor varmebehandling av gjenstander av høyfaste varmebestandige nikkel leger inger før varmisostatisk pressing (HIP), hvor legeringen inneholder faser som får en begynende smelting ved en temperatur under temperaturen for va rm.isos tat isk pressing, karakterisert ved at gjenstanden varmebehandles nær, men under temperaturen for begynnende smelting for disse fasene i en tidsperiode tilstrekkelig for å øke temperaturen for begynnende smelting over temperaturen ved hvilken den varmisostatisko pressingen skal utføres.

2. Framgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at temperaturen økes gradvis ved behandlingen.