SE462103B - Foerfarande foer smidning av finkorniga gjutna gammaprim-foerstaerkta nickellegeringar - Google Patents

Description

462 103 10 15 20 25 30 35 'e och 4 110 131.

Sammanfattningsvis har därför trenden mot höghåll- fasta skivmaterial resulterat i framställningssvârigheter vilka har lösts upp enbart genom att ta tillflykt till dyrbara pulvermetallurgiska tekniker.

Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att beskriva en metod genom vilken höghållfasta material lätt kan smidas.

Det är ett annat syfte med föreliggande uppfin- ning att beskriva en värmebehandlingsmetod vilken påtag- ligt ökar smidbarheten hos nickelbaserade varmhâllfasta legeringsmaterial. Ytterligare ett syfte med föreliggan- de uppfinning är att beskriva en metod för smidning av .gjutna varmhâllfasta legeringsmaterial innehållande gam- ma-primfas överstigande omkring H0 % volym och vilka van- ligtvis är ansedda att vara osmidbara.

Nickelbaserade varmhâllfasta legeringar härleder det mesta av sin hållfasthet från närvaron av en fördel- ning av gamma-primpartiklar i gammagrundmassan. Denna fas är baserad på föreningen Ni3Al i vilken olika legerings- element såsom Ti och Nb delvis ersätter Al. Svårsmälta ämnen Mo, W, Ta och Nb ökar även hållfastheten hos grund- massans gammafas. Påtagliga tillsatser av Cr och Co är vanligen närvarande jämte de små elementen så som C, B och Zr.

Tabell 1 visar nominella sammansättningar för ett flertal varmhâllfasta legeringar vilka användes i varm- bearbetad form. Waspaloy kan smidas konventionellt från gjuten heta. De återstående legeringarna är vanligtvis framställda från pulver, antingen genom direkt HIP-komp- rimering eller genom smidning av komprimerade pulverhalv- fabrikat; smidning är vanligen opraktisk på grund av den höga gamma-primfraktionen fastän Astroloy ibland smides utan tillgripande av pulvertekniker.

En sammansättningsvidd som omfattar legeringarna enligt tabell 1, såväl som andra legeringar som visar sig vara bearbetbara genom föreliggande uppfinning, är 7.7 10 5 462 103 (i viktprocent) 5-25 % Co, 8-20 % Cr, 1-6 % Al, 1-5 % Ti, 0-6 % Mo, O-7 % W, 0-5 % Ta, 0-5 % Nb, 0-5 % Re, 0-2 % Hf, 0-2 % V, resten i huvudsak Ni tillsammans med de sparsam- mare elmenten C, B och Zr i de vanliga mängderna. Summan av Al och Ti innehållen utgör området Ä-10 % och summan av Mo + W + Ta + Nb utgör området 2.5-12 %. Uppfinningen är i stor sett applicerbar på nickelbaserade varmhållfas- ta legeringar som har ett gamma-priminnehåll i ett område upp till 75 % volym, men är särskilt användbar tillsammans med legeringar vilka innehåller mer än H0 % och företrä- desvis mer än 50 % volym av gamma-primfasen och är därför i annat fall osmidbara med hjälp av konventionella (icke pulvermetallurgiska) tekniker. 462 103 ncmconc E>flo> ^=v Mm x =.c Lwfifiwnwscfi mß Åmmz Amy ßm ß m~.Q =@>w > ...ß G-P C0>W LmHHmzm::H.^mv LmHHm:wc:H APV mw mv mm em =@ mw .«...~» ämm flßm fimm ämm H12 fiqa flz @=.= we. o me. o m=.o | @=.ø uu @~=.u ~=.ø ~=. o =~=.° »=. o °==.o m @~.a m~°.o mo. c ~=.° wc.n a=.§ Q 1 fi.« >.~ m.n | | az | 1 =.w m.n 1 « 3 M ~.~ °.n m.n m~.m ~.~ oz ~.« m~.~ m.n m.~ m.n =.~ wa. m.~ °.m =.m m.~ v n.~ än OA - ß.=~ nä md m.«~ uu mfl øfi mä a ßfl m.n~ ou .«~oo~ zu ma qmmä Å mflfl ut mm mzmz æoflouumm äofimmmmï .~. ~@ zum ~. \ H Hflwßmfi 10 15 20 30 35 ö, 462 103 För att uppfinningen skall bli fullständigt för- stådd refereras till fig 1 som visar ett flödesschema som skisserar olika utföranden av uppfinningen.

De första förutsättningarna för uppfinningspro- cessen med referens till fig 1 är att utgângsmaterialet kan vara ett gjutet material som har en fin kornstorlek.

I halvfabrikat för smidning av skivor, gjutna enligt kon- ventionell teknik, skulle kornstorleken vara avsevärt större än ASTM-3 med typiska kornstorlekar större än 12.7 mm. Föreliggande uppfinning erfordrar att kornstorleken är lika eller finare än ASTM-0 och företrädesvis finare än ASTM-2. Tabell II visar sambandet mellan ASTM nummer och genomsnittlig kornstorlek.

Tabell II ASTM Nr Genomsnittlig korndiameter, mm - 1 0.50 0 0.35 1 0.25 2 0.18 3 0.125 Förutsättningarna applicerade på kornstorlek be- tyder således att utgângsmaterialet för användning enligt föreliggande uppfinning är avsevärt finare i kornstorlek än typiskt konventionellt gjutet material. En metod för att framställa finkornigt utgångsmaterial beskrivs i US- patentet nr Ä 261 H12 som innehas av Special Metals Cor- poration. Det mesta av utvecklingsarbetet rörande uppfin- ningen som beskrivs häri genomfördes med användning av utgångsmaterial som tillhandahölls av Special Metals Cor- poration, vilka material som antas ha framställts i en- lighet med kunskaperna enligt detta patent.

Det finkorniga utgångsmaterialet vill karaktä- ristiskt nog bli föremål för en HIP-behandling (hot iso- static pressing). Denna process består av samtidigt expo- nerande av materialet för höga temperaturer (dvs 10930 C, 20000 F) och högt yttre vätsketryck (dvs 103.Ä MPa, 15 ksi).

En sådan HIP-process kommer att ha en välgörande effekt 462 103 10 15 20 25 30 35 avseende tillslutning av inre mikroporositet vilken vanli- gen finns i gjutstycken av varmhållfasta legeringar och kan också ha en välgörande effekt på materialets hela ho- mogenitet. En sådan HIP-behandling kanske inte behövs om den varmhållfasta legeringskomponenten i den slutliga tillämpningen är en icke kritisk tillämpning i vilken_po- rositet kan tolereras. På samma sätt skulle HIP-förloppet inte behövas om en gjutningsprocess var tillgänglig vil- ken kunde framställa ett porositetsfritt gjutstycke.

Nästa steg i processen är en åldringsvärmebehand- ling. Syftet med detta steg är att framställa en grov gamma-primfördelning. Det har upptäckts att en grov gam- ma-primfördelning i hög grad minskar materialets benägen- het att spricka under smidning och också minskar materia- lets flytspänning. En åldrad struktur kan framställas ge- nom att hålla materialet vid en temperatur något (dvs 5.5- -550 C, 10-1000 F) under löslighetstemperaturen för gamma- prim för en utsträckt tidsperiod. En sådan behandling framställer en gamma-primpartikelstorlek i storleksord- ningen 1 till Zlpm. I samband med föreliggande uppfinning är en åldrad struktur en sådan i vilken den genomsnittli- ga storleken hos gamma-primpartiklarna överstiger 0.7 pm och företrädesvis överstiger 1_pm vid smidningstemperatur.

Som kontrast kan nämnas, att när materialet givits en kon- ventionell värmebehandling bestående av en upplösnings- värmebehandling följd av härdning följd av åldring (för att åstadkomma lämpliga mekaniska egenskaper), är gamma- primstorleken mindre än omkring en halv pm.

Efter åldringsvärmebehandlingssteget smides ma- terialet isotermiskt. Termen isotermisk smidning omfattar processer i vilka sänkets temperatur är nära smidnings- formningstemperaturen (dvs i 55-1100 C, :_100-2000 F) och i vilka temperaturförändringarna under processen är små ” (dvs 1 550 C, 3 1000 F). En sådan process genomföres med användning av sänken vilka uppvärmes strax intill arbets- styckets temperatur. Det isotermiska smidningssteget ut- föres vid en temperatur nära men under gamma-prims 10 15 20 25 30 35 462 103 2 löslighetstemperatur och företrädesvis mellan omkring (55-1oo° c, 1oo och 2oo° F) hetstemperatur. Användning av en smidestemperatur i denna under gamma-prims löslig- storleksordning åstadkommer en delvis kristalliserad mik- rostruktur som har en relativt fin kornstorlek.

Rutinförsök kan behövas för att fastställa den maximala reduktionen som kan utföras under detta isoter- miska smidningsstegi Det är vanligtvis fallet att den re- duktion som behövs för att åstadkomma den önskade slut- formen och önskad genomarbetning av materialet inte kan uppnås i ett smidningssteg utan söndersprickning. För att undvika söndersprickning, användes multipla smidessteg jämte de nödvändiga mellanliggande åldringsvärmebehand- lingsstegen. När en lämplig mängd smidesarbete (såsom fastställts genom experiment) har utförts, avlägsnas ma- terialet från smidningsanordningen och ges ytterligare en värmebehandling eller valfritt två värmebehandlingar.

Den rekristalliserande värmebehandlingen utföres vanligt- vis under villkor ganska lika de som behövs för åldrings- värmebehandlingen så att de två värmebehandlingarna ofta kombineras. Den rekristalliserande värmebehandlingen ut- föres företrädesvis ovanför den isotermiska smidnings- temperaturen men fortfarande under gamma-prims löslighet medan åldringsvärmebehandlingen utföres under det tidi- gare nämnda förhållandena. Det bör observeras att tempe- raturen för den andra åldringsvärmebehandlingen inte exakt behöver vara temperaturen som är optimal för den första åld- ringsvärmebehandlingen. Detta är en följd av den svaga ändringen i gamma-prims löslighetstemperatur som kan in- träffa under behandlingen som ett resultat av ökad tät- het.

I följd efter det andra åldringsvärmebehandlings- steget, utföres ytterligare en isotermisk smidning. Det bör åter noteras att de optimala förhållandena för det andra isotermiska smidningssteget kan skilja något från de för det första isotermiska smidningssteget och karak- täristiskt kan ett större mått av deformation tolereras i 462 103 f 10 15 20 25 30 35 sar ett utförande av uppfinningen.

Ett material innehållande 18.4 % Co, 12.4 % Cr, 3.2 % Mo, 5 % Al, 4.4 % Ti, 1.4 % Nb, 0.04 % C, rest i huvudsak nickel, erhölls i form av ett 127 cm långt cy- lindriskt gjutstycke med 12,7 cm diameter. Den ungefär- liga kornstorleken var omkring ASTM-0 (O.35 mm genomsnitt- lig korndiameter). Detta gjutstycke erhölls från Special Metals Corporation och'förutsättes ha framställts med an- vändning av kunskaperna från US-patentet nr 4 261 412.

Detta material har en eutektisk gamma-prim löslighets- temperatur på emkring 12o4° c (22oo° F).

Materialet HIF-benenaleaee vid 118z° c (216o° F) vid 103.4 MPa (15 ksi) anbringat tryck i 3 timmar. Mate- rialet åldredee seden vid 1121° c c2o5o° F) 1 4 timmer och smiddes isotermiskt vid 11210 C (2050° F) med använd- ning av sänken uppvärmda till 1121° C (2050° F). En 50 % (2050° F) i 4 timmar. Slutsteget i processen var isoterm- iek emidning vid 1121° c (2o5o° F) vid en preeeneetignet 9 462 105 uppfinningen och söndersprickning uppstod vid 30 % reduk- tion.

Det skall förstås att uppfinningen inte är begrän- sad till det speciella utförandet som visats och beskri- vits här, utan att olika förändringar och modifieringar kan göras utan att avvika från ramen till detta nya ut- förande så som det beskrivs i de följande kraven.

Claims (3)

10 462 103 PATENTKRAV

1. Förfarande för smidning av finkorniga gjutna nickelbaserade varmhållfasta legerade material innehållande gamma-prim-fas och med en kornstorlek av 0,25 mm eller finare, k ä n n e t e c k n a t därav, att det innefattar följande steg: a. åldring av materialet vid en temperatur något under gamma-prim-solvus-temperaturen under en tid som är tillräcklig för att erhålla en gamma-prim-partikelstorlek större än O,7,um b. isotermisk smidning av det åldrade materialet.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att åldringssteget utförs vid en temperatur av 5,5 till 550 C under gamma-prim-solvus-temperaturen och att den isotermiska smidningen utförs vid en temperatur ca 55 till 110° C under gamma-prims-solvus-temperaturen.

3. a Förfarande enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k - n a t därav, att efter den första isotermiska smidningen utförs en rekristallisation av materialet följd av en ny åldring av materialet och att det nyerhâllna åldrade materialet smids isotermiskt ytterligare.