NO162728B - Fremgangsmaate for fremstilling av en varmeresistent legering eller superlegering som har en struktur med grove langstrakte korn. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en fremgangsmåte for frem-

stilling av en varmeresistent legering eller superlegering som har en struktur med grove langstrakte korn.

Generelt sagt er egenskapene hos varmeresistente

legeringer og super-legeringer som oppviser spesielt gode mekaniske egenskaper og resistens mot kjemisk angrep ved for-høyede temperaturer, sterkt påvirket av legeringens korn-størrelse. Ved relativt lav temperatur er små kornstørrelser akseptable. Ved temperaturer på ca. 870°C og derover skjer det imidlertid en hurtigere signing i finkornede materialer enn i grovkornede. Følgelig foretrekkes vanligvis grov-

kornede materialer for anvendelser hvor materialet påkjennes ved forhøyede temperaturer, idet svikt i alminnelighet inn-treffer ved de korngrenser som er orientert perpendikulært på den anvendte påkjenningsretning. Forsøk er blitt gjort på å forbedre sige-egenskapene hos legeringer ved å gjøre kornene mer langstrakte og således tilveiebringe færre korngrenser på tvers av påkjenningsaksen. Derved forbedres legeringens temperatur-karakteristika.

En fremgangsmåte til fremstilling av denne ønskelige matriks (grunnmasse) inneholdende grove, langstrakte korn er den mekaniske legeringsprosess som er beskrevet i blant annet de britiske patenter nr. 1 265 343 og 1 298 944. Oksyd-dispersjonsforsterkede mekaniske legeringer oppviser høy bruddspenning ved høye temperaturer på grunn av stabile oksyd-partikler i matriksen med de grove langstrakte korn. Slike legeringer er imidlertid meget kostbare å fremstille og kan ha egenskaper som overgår det som brukeren fordrer.

Mange patenter, herunder eksempelvis US-patent 3 655 458,

3 639 179 og 3 524 744, beskriver atomiseringsprosesser for

fremstilling av super-legeringer og varmeresistente legeringer. Disse prosesser utføres i en inert gass, hvor luft og/eller

vann er utelukket, hvorved opptak av oksygen i legeringene unngåes.

Den foreliggende oppfinnelse er basert på den oppdagelse

at anvendelse av vann-atomiserings-prosesser muliggjør fremstilling av legeringer med regulert oksydinnhold ved. relativt billig pulver-metallurgi, hvorved anvendelse av hensikts-messige termomekaniske prosesseringstrinn resulterer i en

legering som har en struktur inneholdende grove langstrakte korn og som har gode egenskaper ved høye temperaturer,

spesielt med hensyn til sigefasthet.

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte til fremstilling

av en varmeresistent legering eller superlegering som har en struktur med grove langstrakte korn, omfattende fremstilling av legeringen i pulverform og ekstrudering av pulveret til et produkt, hvilken legering i det minste innbefatter nikkel, krom, jern, karakterisert ved at pulveret dannes ved en vannatomiseringsprosess under hvilken oksygen innføres i legeringen, og at det ekstruderte produkt varmvalses i en retning hovedsakelig parallelt med ekstruderingsretningen, og pro-dukter deretter glødes slik at rekrystallisasjon kan finne sted, hvorved en struktur med grove langstrakte korn oppnås.

Oppfinnelsen kan anvendes på nikkel-, kobolt- og jern-holdige legeringer for å forbedre styrke- og brudd-egenskapene ved høye temperaturer. Med spesielt gode resultater er fremgangsmåten blitt anvendt på legeringer basert på de konvensjonelt fremstilte legeringer som er kjent under navnet "INCOLOY" 800 og "HASTELLOY" X. ("INCOLOY" er et varemerke tilhørende Inco-familien av selskaper, og "HASTELLOY" er et varemerke tilhørende Cabot Corporation). Anvendelse av fremgangsmåten på disse legeringer gir en struktur som viser grove langstrakte korn i knaproduktet og gode egenskaper med hensyn til styrke og sigemotstand ved høye temperaturer.

Det antas at ovennevnte grovkornede struktur oppstår

fordi legeringspulveret blir oksydert under vann-atomisering, idet oksygenet tilføres av vannet. Dette resulterer i stabile oksyder såsom aluminiumoksyd og titandioksyd og ustabile oksyder, såsom nikkeloksyd, manganoksyd, silisiumdioksyd og kromoksyd. Under de påfølgende termomekaniske prosesseringstrinn blir disse oksyder fordelt ganske jevnt gjennom hele legeringsgrunnmassen. Disse oksyder kan ha tendens til å inhibere den dynamiske avfastning eller rekrystallisasjon som normalt ville være ventet under prosessering av "renere" legeringstyper såsom konvensjonelt støpte og knadde legeringer eller inertgass-atomiserte pulverlegeringer. De resulterende vann-atomiserte, konsoliderte og knadde barrer menes å ha,

før glødning, en fin kornstørrelse og er i en energi-tilstand som begunstiger rekrystallisasjon til grove korn ved opp-

varmning til en tilstrekkelig høy temperatur. Videre har de dispergerte oksyder tendens til å inhibere rekrystallisasjon under glødningen inntil korngrensene oppnår tilstrekkelig termisk energi til å gå forbi dem. Ennvidere synes ensrettet bearbeidelse å virke til at oksydene strekkes ut i bearbeidelsesretningen, hvorved kornvekst i retningen perpendikulært på bearbeidelsesretningen hindres, hvilket derfor resulterer i en struktur som viser grove langstrakte korn.

Innholdet av oksygen i det ekstruderte produkt er en

viktig faktor ved fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse. Dette er i sin tur avhengig av at innholdet av desoksyderende metaller, såsom titan og aluminium, i legerings-materialet er lavt. Det menes at oksygeninnhold over 0,23 %

og fortrinnsvis minst 0,27 % er påkrevet. Et for høyt oksygeninnhold kan imidlertid være ufordelaktig, og det foretrekkes at oksygeninnholdet ikke vesentlig overstiger 0,38 %. Videre bør aluminiuminnholdet fortrinnvis holdes under 0,3 %, og titaninnholdet bør være så lavt som mulig, fortrinnsvis fraværende, men iallfall under 0,3 %. Det foretrekkes også at legeringene inneholder små tilsetninger av mangan og silisium, fortrinnsvis 0,46-1,5 % mangan og 0,25-1 % silisium. Fore-trukne legeringer inneholder også en liten tilsetning av yttrium, opptil 0,05 %.

Med en legering som har en struktur som viser langstrakte grove korn, menes i det foreliggende en legering som har et korn-sideforhold større enn 1:1 og fortrinnsvis større enn 10:1. Legeringen vil oppvise mellom 2 og 6 korn over et 0,64 cm longitudinelt platetverrsnitt.

Til ytterligere belysning av oppfinnelsen skal det nå beskrives noen eksempler, idet det vises til tegningsfigurene. Fig. 1 er et flytskjema vedrørende fremgangmåten ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 viser en sammenligning mellom strekkegenskapene

hos legeringer ifølge oppfinnelsen og en eksisterende konvensjonelt bearbeidet legering.

Fig. 3 viser en sammenligning mellom sigeegenskapene

hos legeringer ifølge oppfinnelsen og to eksisterende, konvensjonelt bearbeidede legeringer.

Fig. 4 viser en sammenligning mellom sigeegenskapene

hos legeringer ifølge oppfinnelsen etter 1000 timers på-kjenning og to konvensjonelt bearbeidede legeringer og to

mekanisk legerte materialer.

Fig. 1 viser et flytskjema som illustrerer fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse. Legeringens bestanddeler vann-atomiseres under dannelse av et pulver, pulveret omgis med et hylster og blir så ekstrudert. Det ekstruderte produkt varmvalses i en retning parallelt med ekstruderingsretningen. Etter at hylsteret er fjernet, rekrystalliseres produktet ved glødning. Alternativt kan produktet kaldvalses etter varm-valsingen og deretter glødes.

Eksempel 1

Dette eksempel beskriver anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen på legeringer basert på den konvensjonelle knalegering "INCOLOY" 800. Denne legering, som er en høy-temperatur-legering med god styrke og karbureringsmotstand, har den nominelle sammensetning, i vekt%:

Syv smelter som hadde lignende sammensetninger, men

med varierende innhold av mangan, silisium, aluminium, titan og yttrium, ble luft-induksjonssmeltet under et dekke av argon og deretter vann-atomisert. Den anvendte smelte-praksis var å smelte elektrolytisk jern, nikkel-pellet-, karbonstaver og krom av vakuum-kvalitet og med lavt karbon-innhold ved 1593;°C i 5 minutter og deretter kjøle til 1510°C før tilsetning av desoksydasjonsmidler hvis slike

ble anvendt. Disse var eventuelt elektrolytisk mangan ,. silisium-metall, aluminium-stangmateriale eller titan-svamp. Etter at tilsetningene var smeltet, ble blandingen holdt ved 1510°C i 2 minutter. En tilsetning av "INCOCAL" 10 (registrert varemerke) ble så tilsatt som desoksydasjonsmiddel og svovel-fjerningsmiddel. Yttrium ble så eventuelt tilsatt. Legeringen ble ved 1510°C hellet over i en mellomtrakt, som var for-

varmet til ca. 1093°C, og ble deretter vannatomisert. Leger-ingenes sammensetning er angitt i tabell IA og siktanalysen i tabell IB. j

Pulverene ble siktet for fjerning av grove partikler (større enn 420 um), og de atomiserte pulvere ble pakket i ekstruderingshylstere av bløtt stål, hvilke ble evakuert ved 816°C i 3 timer og forseglet. Tre ytterligere hylstere, betegnet 2-W, B-W og C-W, ble forseglet i luft. Porsjoner av hver smelte ble deretter ekstrudert under fire forskjellige ekstruderingsbetingelser som angitt i tabell II.

Hylstrene ble oppvarmet i 3 timer ved ekstruderings-temperaturen før ekstruderingen. Smøring ble oppnådd ved hjelp av et glass-overtrekk på dyse-overflaten og olje i ekstrusjonskammeret og et glass-omslag på det oppvarmede hylster. Strupe-innstillingen var 30 %. Hylsterdimensjonene ble ikke tatt i betraktning ved beregningen av ekstruderings-forholdet.

Hver ekstrudert barre ble delt i tre seksjoner og varmvalset parallelt med ekstruderingsretningen ved tre forskjellige temperaturer - 788, 954 og 1037°C etter forvarmning i 1 time ved valsetemperaturen. Barrene ble valset fra 1,9 cm under anvendelse av to valsestikk: 1,3 cm og deretter 1,0 cm uten gjenoppvarmning. Det termomekaniske prosesseringstrinn voldte ingen problemer. De valsede barrer ble så sandblåst og beiset for fjerning av hylster-materialet. Deretter ble barrene gitt en rekrystallisasjonsglødning ved 1316°C under argon i 0,5 time og luftkjølt. Effekten av kjemisk sammensetning på mikrostrukturen er gitt i tabell III.

Anm.: Prosesseringsbetingelser: Ekstrudert ved 1066°C,

Forhold 8:1, varmvalset ved 788°C, glødet en halv

time ved 1316°C og luftkjølt.

Smeltene 1 og 2, som var meget like med hensyn til

kjemisk sammensetning, bortsett fra et innhold på 0,036 % Y

i smelte 2, hadde begge langstrakte grove korn i strukturen,

med tilfeldige striper og mange findispergerte partikler under disse termomekaniske prosesseringsbetingelser. Smelte C hadde et noe høyere Al- og Ti-innhold enn smelte 1 og ut-

viklet den grove struktur med langstrakte korn bare i endene på de varmvalsede og glødede barrer, mens den sentrale del var like-akset. Smelte D hadde noenlunde samme kjemiske sammensetning som smelte C, men var uten Mn og Si og var like-akset. Smeltene A og B med høyt Al- og Ti-innhold og således lavt O-j-innhold hadde en meget fin like-akset struktur. Det vil sees at de fleste ønskelige egenskaper oppnåes hos legeringer som inneholder Mn og Si med lavt inn-

hold av Al og Ti og høyt C^-innhold (fortrinnsvis 0,32 til 0,38 %).

Resultater for smelte 2 med varierende TMP-kombinasjoner viste at dannelsen av den ønskede struktur med langstrakte grove korn optimaliseres ved en kombinasjon av høy ekstruderings-temperatur (ca. 1066°C), lavt ekstruderingsforhold (8:1) og lav valsetemperatur (788°C). Mellom 2 og 6 korn ble typisk funnet over tykkelsen av en longitudinell seksjon, 0,64 cm,

av de varmvalsede plater som oppviste den nevnte grovkornede struktur. Formen på kornene var plate-lignende heller enn stav-lignende, med korn hvis sideforhold i alminnelighet var større enn 10:1 i den longitudinelle retning.

Folier for transmissjons-elektronmikroskopi ble frem-

stilt av de varmvalsede og glødede barrer fra smelter 1 og 2

for bestemmelse av fordelingen av de dispergerte grove langstrakte korn i strukturen. Dislokasjoner sammenfiltret med inneslutninger var til stede i mikrostrukturen. De kantete inneslutninger, som også sees i legering "INCOLOY" 800, er blitt identifisert som titanrike, mens de små partikler som ble observert i smelter 1 og 2, som var altfor små for kvantitativ analyse, sannsynligvis er en kombinasjon av oksyder, innbefattende Al20-j, Ti02 og Y2°3" Dette spor av finpartiklet dispersjon i P/M-legeringen synes å være mindre

ensartet enn i de oksyd-dispersjonsforsterkede legeringer som fremstilles ved mekaniske metoder. (P/M = pulvermetallurgi).

Tre glødede barrer, en fra smelte 1 og to fra smelte 2

(den ene av disse var fremstilt uten evakuering av ekstruderings-hylsteret) som oppviste den grove retningsbestemte korn-struktur, ble underkastet ytterligere testing.

Runde barrer med en diameter på 0,3 5 cm og en lengde på

1,9 cm for strekkprøvning og sigefasthetsprøvning ble maski.ne_r.t- - både i longitudinell og transversell orientering ut fra de glødede barrer. Strekkforsøkene ble utført både ved romtemperatur og forhøyede temperaturer, 871, 982 og 1093°C. Sigefasthetsforsøkene ble utført ved de samme temperaturer.

Oksydasjonsmotstanden ble målt ved 1100°C over et tids-

rom på 504 timer. Testen var cyklisk av natur, idet prøve-stykkene ble kjølt hurtig til romtemperatur og veiet daglig. Omgivelsene var luft med lav hastighet inneholdende 5 % H20. Etter de avsluttende vektmålinger ble prøvene avskallet ved

lett blåsing med A^O-^-sand, og vekten etter avskallingen ble målt.

Forsøk vedrørende sulfideringsmotstanden ble utført ved 982°C. Også denne test var cyklisk av natur, idet prøve-stykkene ble kjølt hurtig til romtemperatur og veiet daglig.

Omgivelsene var H20 med 4 5 % C02 og 1,0 % H2S ved en gass-strømningshastighet på 500 cm3/min. Den første syklus i

forsøket ble utført uten H2S, slik at prøvens overflate ble oksydert. Testen ble stanset når prøvestykkene var sterkt korrodert ved slutten av en syklus.

Resultatene fra strekkforsøkene er gitt i tabell IV

sammen med resultatene for knalegering "INCOLOY" 800 og er illustrert på fig. 2.

Smelte 2 er noe sterkere enn smelte 1, antagelig på grunn av tilstedeværelse av yttriumoksyd i førstnevnte.

Resultatene av forsøkene vedrørende sigefasthet målt i den longitudinelle og den transversale retning er gitt i tabell V.

Den longitudinelle bruddspenning er for begge smelter noe høyere enn den transversale bruddspenning. Brudd-duktiliteten, på 10-4 0 %, er sammenlignbar med den for knalegeringene.

Sigefasthetsdataene for disse P/M-legeringer sammen med brudd-dataene for legering "INCONEL" 617 og legering "INCOLOY" 800 er for sammenligningsformål vist på fig. 3. ("INCONEL"

er et registrert varemerke). De begrensede data for 871°C indikerer at P/M-legeringen er sterkere enn legering "INCOLOY"

800, men svakere enn legering "INCONEL" 617. Ved 982°C er P/M-legeringen ikke bare sterkere enn legering "INCOLOY" 800, men også sterkere enn legering "INCONEL" 617 ved levjetider over 500 timer. Når test-temperaturen stiger til 1093 C, er P/M-legeringen meget bedre enn legering "INCOLOY" 8 00 og sterkere enn legering "INCONEL" 617 ved levetider over 100 timer. Vinkel-koeffisientene for bruddkurvene på fig. 4 indikerer at bruddlevetidens avhengighet av den anvendte på-kjenning, dvs. spenningseksponenten, er langt høyere for P/M-legeringen enn for konvensjonelt knadde legeringer. Et diagram vedrørende sigefastheten (1000 timer) for P/M-legering sammen med legering "INCOLOY" 800, legering "INCONEL" 617

og mekanisk legerte legeringer (legering "INCONEL" MA 754

og legering "INCOLOY" MA 956) er vist på fig. 4. Det vil sees at bruddspenningen for P/M-legering er høyere enn for konvensjonelle knalegeringer, men lavere enn for mekanisk legerte legeringer ved høye temperaturer, dvs. over 98 2°C.

Forsøkene indikerer at hylster-evakuering ikke forbedrer egenskapene. Varmvalset barre fremstilt av smelte 2 (dvs. 2-W) viste en struktur med grove langstrakte korn etter slutt-glødning, og kjemisk analyse viste at det var ingen betydelig forskjell i oksygen- og nitrogen-innhold med eller uten evakuering. Det vil sees av tabellene IV og V at strekkstyrke-og bruddspenningsegenskapene er hovedsakelig de samme. Resultatene fra cykliske oksydasjons- og varmkorrosjons-forsøk er vist i tabeller VI og VII sammenlignet med knalegering "INCOLOY" 8 00.

Det vil sees at P/M-legeringer ifølge oppfinnelsen har en noe bedre oksydasjonsmotstand enn knalegeringen og forbedres av den lille yttrium-tilsetning til smelte 2. Varm-korrosjons-forsøk viser at P/M-legeringene er sammenlignbare med knalegeringen.

En del av smelte 2 ble prosessert ved ekstrudering av det omhylstrede produkt ved 1121°C, varmvalsing ved 954°C, fjerning av hylsteret og kaldvalsing 20 % og varmebehandling ved 1316°C i 1 time under argon. Dette produkt viste den ønskede struktur med grove langstrakte korn.

Eksempel 2

Et lignende sett av smelter ble fremstilt under anvendelse, av en større vannatom-iserings-stråle for oppnåelse, av et grovt pulver. Den kjemiske sammensetning og mikrostrukturen er gitt i tabell VIIIA og sikteanalysen i tabell VIIIB. Prosesseringsparametrene er som for eksempel 1. Også her fører kombinasjonen av høyere oksygeninnhold og lavere aluminium- og titan-innhold etter termomekanisk prosessering til den ønskede struktur med grove langstrakte korn. Al- og Ti-innholdet er fortrinnsvis under 0,3 %, og Ti er fortrinnsvis fraværende.

Eksempel 3

Et ytterligere forsøk ble utført med en legering basert på den konvensjonelle knalegering "HASTELLOY" X. Den anvendte sammensetning og det publiserte område er som følger:

"HASTELLOY" er et registrert varemerke tilhørende Cabot Corporation.

Som for de tidligere eksempler ble bestanddelene vann-atomisert, konsolidert og ekstrudert ved ca. 1066°C og et forhold på 8:1, idet barre-størrelsen var 5,08 x 1,9 cm. Barren ble varmvalset ved 1066°C i to valsestikk fra 1,3 cm til 1,0 cm. Etter fjerning av hylsteret ble barren glødet ved 1260°C i en halv time. Produktet hadde den ønskede struktur med grove langstrakte korn.

Strekkegenskapene for den ifølge foreliggende fremgangsmåte fremstilte legering og den konvensjonelle knalegering er gitt i tabell IX.

Det vil sees at strekkfasthetsdataene for P/M- og knalegeringer er hovedsakelig like.

Sigefasthetsegenskapene for den ifølge foreliggende fremgangsmåte fremstilte legering og den konvensjonelle kna-legering er gitt i tabell X.

Det vil sees at sigefasthetsegenskapene for P/M-legeringen er bedre enn for den konvensjonelle kna-legering.

På basis av en undersøkelse av de gitte resultater har vi gjort oss noen tanker om den tidligere antydede teori. Det er sannsynlig at alle de vann-atomiserte pulvere som ble fremstilt i disse eksempler, inneholder ustabile og stabile oksyder på sine overflater. Varmebehandling av slike legeringer som A og B inneholdende høye nivåer av desoksyderende materialer såsom Al og Ti bevirker diffusjon av ureagerte desoksydanter til overflaten, hvor ytterligere stabile oksyder såsom A1203 og Ti02 dannes. Ved prosesser-ingen virker disse som korngrense-festepunkter (pinning points) som forårsaker den finkornede struktur. I de legeringer som inneholder lave nivåer av desoksydanter, såsom Al og Ti, såsom smeltene 1-5, er pulverets overflate-oksyder mindre stabile og koalescerer etter regulert termomekanisk prosessering og gir en struktur med grove langstrakte korn etter sluttglødning ved ca. 1316°C, dvs. 30 til 40°C under smeltetemperaturen.

Dannelsen av grovere og mer langstrakte korn kan for-klares ved en "Critical Dirt Level Theory". For det første inneholder smeiten oksyd- eller oksygen-forurensninger

("dirt") i en kritisk eller avgjørende mengde. Hvis det foreligger en utilstrekkelig kvalitet av oksyd, vil det ikke være tilstrekkelig med barriere-steder til å hindre eller vanskeliggjøre normal dynamisk rekrystallisasjon. Det er en utilstrekkelig drivkraft for dannelse av nye korn. Hvis det foreligger altfor meget oksyd, vil det derimot være for mange barrierer som vil hemme dannelsen av langstrakte grove korn.

Ved det kritiske forurensningsnivå (eller område) og ved passende høye temperaturer vil korngrensene være istand til å passere oksydene og rekrystallisere på en langstrakt måte. Normal ingot-metallurgi eller gassatomiseringspraksis kan

rett og slett være altfor "ren" til å begunstige dannelse av grove langstrakte korn.

For det andre synes deformasjon som skyldes de termomekaniske prosessoperasjoner å begunstige vekst av de færre korn. De resulterende korn som fremkommer er langstrakte.

De to mekanismer (oksyd-forurensninger og deformasjon) synes

å gå sammen på en synergistisk måte og gi en struktur med grove langstrakte korn i legeringer ifølge oppfinnelsen.

Claims (1)

1. innstillbar barberhøvel omfattende et håndtak (20), en be-

   skyttelsesdel (27) montert på håndtaket, en armkorsmontasje (12) forbundet med håndtaket og omfattende et par dekkdeler (13,14) som er anordnet til å åpnes og lukkes som følge av en relativ bevegelse mellom armkorsmontasjen og beskyttelsesdelen, hvilken bevegelse frembringes av en fjæranordning (31) som virker på dekkdelene (13, 14) og av en innstillingsanordning bestående av en kamdel (24) og en kamfølger (25) som holdes i anlegg mot hverandre av nevnte fjæranordning (31)»karakterisert ved at kam- delens bane (41) har en serie av hakkliknende formasjoner (45) beliggende på forskjellige nivå, og dessuten har et bratt stigende parti (46), mens kamfølgeren (25) på i og for seg kjent måte er utformet til valgbart å beveges langs kambanen (41), slik at en bevegelse av kamfølgeren (25) over det hakkformete parti (44) av kambanen (41) vil bevirke trinnvis regulering av bladets (50) skjærevinkel i forhold til beskyttelsesdelen (27) i idet dekkdelene (.13» 14) holdes lukket, mens kamfølgerens (25) bevegelse over kambanens (41) bratt stigende parti (46) vil bevirke åpning og lukking av dekkdelene.