SE462803B - Riktat rekristalliserad nickelbassuperlegeringsplaat och saett att framstaella denna - Google Patents

Description

462 803 lO 1st 2 Föreliggande uppfinning kan speciellt tillämpas på nickelbassuper- legeringar med följande breda sammansättningsintervall: 2-996 Al, 0-696 Ti, 0-1696 Mo, 0-1296 Ta, 0-1296 W, 0-496 Nb, 0-2096 Cr, 0-2096 Co, O-0,396 C, 0-196 Y, 0-0,396 B, 0-0,3% Zr, 0-296 V, 0-596 Re, återstoden huvudsakligen nickel.

Det antas att uppfinningen allmänt kan tillämpas på alla nickelbas- superlegeringar. Utgångsmaterialet tillhandahålls i bearbetningsbar form. En metod är att komprimera pulver och en annan metod är att börja med ett gjutgods, företrädesvis ett finkornig: gjutgods. Detta material varmbearbetas sedan vid en temperatur nära men under gammaprimsolvus. Företrädesvis sker denna initiala värmebearbetning i en omfattning överstigande ca 5096. Detta varmbearbetade material kallvalsas sedan på ett speciellt sätt grad, i ytterligare Ca 65%. Kallvalsningssteget utförs på följande sätt: Materialet kallvalsas först. Ett andra kallvalsningssteg utförs i tvärvalsningsriktningen, dvs. en riktning avlägsnad 900 från den initiala kallvalsningsriktningen. Förhållandet mellan reduktionerna i det initiala kallvalsningssteget och det slutliga tvärkall- valsningssteget är ca 75:25. Mellanglödgningssteg används under både kall- och varmvalsningsstegen allt efter behov för att förhindra sprickbildning. Resultatet är en produkt med kraftig (110) < ll2> -skivtextur.

Detta texturerade material riktningsrekristalliseras för bildning av multipla långsträckta korn eller enkla korn med kontrollerad orientering. (110) -texturen styr orienteringen av de rekristalliserade kornen. Genom att variera parametrarna för den riktade rekristallisationen kan en mångfald slutliga orienteringar åstadkommas.

Följaktligen är syftet med uppfinningen ett sätt att producera nickel- superlegeringsplåt med kraftig (110) (112) -skivtextur.

Ytterligare ett syfte med uppfinningen är riktningsrekristalliserad plåt innefattande korn vars -riktning är parallell med tvärvalsningsriktningen.

Ytterligare ett syfte med uppfinningen är plåt vars (NOV-riktning är parallell med rätvalsningsriktningen.

Ytterligare ett annat syfte med uppfinningen är sådan plåt vars 4100)- riktning delar vinkeln mellan rätvalsningsriktningen och tvärvalsningsriktningen mitt itu.

De föregående och andra syften, särdrag och fördelar med uppfinningen framgår bättre av den följande beskrivningen av föredragna utföringsformer och de bifogade ritningarna, i vilka Fig. l visar sambandet mellan normalriktningen (N.D.), rätvalsnings- riktningen (S.R.) och tvärvalsningsriktningen (X.R.); Fig. 2 visar materialorienteringen under rätvalsning; Fig. 3 visar materialorienteringen under tvärvalsning; g 462 eos 3 Fig. 4 visar tekniken för producering av ett <1 1 i) -orienteringsmateriah Fig. 5 visar tekniken för producering av ett <1lw-orienteringsmaterial; Fig. 6 visar tekniken för producering av ett (100) -orienteringsmateriah och ' Fig. 7 till 10 är polfigurer som illustrerar den textur som åstadkommes genom de i Exempel l till 4 beskrivna förfarandena. ' Enligt föreliggande uppfinning är utgångsmaterialet ett nickelbassuper- legeringspulver. Vanligtvis kan vilken nickelbassuperlegering som helst användas.

Det breda sammansättningsintervallet för sådana legeringar är: 2-996 Al, 0-*396 Ta, 0-1696 Mo, 0-1296 Ta, 0-1296 W, 04:96 Nb, 0-2096 Cr, 0-20315 Co, 0-296 V, 0-596 Re, återstoden huvudsakligen nickel. Andra mindre beståndsdelar kan vara närvarande innefattande 0-0,396 C, 0-0,5% Hf, 0-0,396 Zr, 0-0,3% B och 0-196 Y.

Dessa legeringar behandlas med någon metod som ger ett homogent varmbear- betningsbart material. Utgångsmaterialet skall vara homogent, tätt och varm- bearbetningsbart. En metod är att komprimera superlegeringspulver, t.ex. genom isostatisk varmpressning (HIP) eller genom varmextrudering. En annan metod är att utgå -frân en gjutkropp, företrädesvis ett finkornigt gjutgods. Om pulver- metoden används, måste man se till att hindra kontaminering av pulvret, och företrädesvis hålls och hanteras pulvret under inerta betingelser som eliminerar oxidation av pulverpartiklarna. Man pressar sedan pulvret för att forma ett föremål med full teoretisk täthet. Pressmetoden förefaller inte vara kritisk för ett lyckat resultat med uppfinningen. Typiskt har isostatisk varmpressning använts. Pulvret innesluts i en evakueraw' behållare av rostfritt stål. Typiska pressningsbetingelser är gastryck på ca IC MPa och temperaturer på ca 1149- l232°C under ca 2 timmar följt av ugns ..-ng. Varmextruderingsmetoder har också använts med framgång. Typiska extruderingsbetingelser är temperaturer på l204-i260°C och extruderingsförhållanden större än ca 4:1. Pulvret placeras i en behållare av rostfritt stål före extruderingfirz, Den bearbetningsbara produkten värmedeformeras sedan, så att man uppnår en ytreduktion på minst 4096 och företrädesvis minst 5596. Denna värmedeformation förbättrar den efterföljande kallbearbetningsförmågan hos materialet. Varmvalsning har använts, men andra förfaranden såsom smide förefaller vara lika väl användbara. Det förfarande som beskrivs i US-patentet 3 519 503 kan användas. Värmedeformationen utförs vid en temperatur som ligger nära men är mindre än legeringens gammaprimsolvus-temperatur, typiskt ll77-l246°C. Om varmvalsning används, utför man företrädesvis varmvalsnings- stick vid den höga änden av temperaturintervallet och med relativt låg reduktion per stick (t.ex. 5%). Efterföljande stick kan tas med större reduktioner (t.ex. %), och temperaturen kan få avta mot den nedre änden av intervallet. 462 805 4 lO Produkten återupphettas mellan sticken allt efter lämplighet för att hålla legeringen inom det önskade temperaturintervallet. Vid slutet av varmbearbet- ningssteget kan materialet lämnas i det bearbetade tillståndet och får luftsvalna.

Nästa steg är det som är mest betydelsefullt vid utveckling av den önskade texturen. Detta är en tvåstegs valsoperation som kallas kallvalsning men som kan utföras vid temperaturer på upp till ca GSOOC. Detta steg kan förstås genom hänvisning till Figur 1, som visar bandet före kallvalsningsoperationen och visar tre vinkelräta axlar, SR, XR och ND. Kallvalsningsoperationen innefattar tvâ steg. I det första steget utförs valsning i SR-riktningen (rätvalsning) och i det andra steget fortgår valsningen i XR-riktningen (tvärvalsning), dvs. i 90° vinkel till SR-riktningen.

De båda stegen i kallvalsningsoperationen måste ge en total reduktion på mer än 5596 och särskilt mer än 6596. Deformationsgraden fördelas mellan de båda kallvalsningsstegen, så att nominellt 75% av deformationen sker i det initiala rätvalsningssteget och 2596 sker i tvärvalsningssteget. Det är stegföljden som ger den önskade sluttexturen. En typisk reduktion per stick är 1-296 och den totala reduktionen mellan mellanglödgningar (t.ex. l204°C i 3 minuter) är 8-1596.

Förhållandet mellan kallrätvalsnings- och kalltvärvalsningsstegen kan variera från 80:20 till 70:30.

Resultatet av detta förfarande är utveckling av en kraftig (110) (112)- skivtextur. Detta innebär att ett betydande antal kristaller i skivan eller plåten är orienterade, så att de har (110)-planen parallella med skivytan och - riktningar som är parallella med SR-riktningen. Givetvis skulle i en slumpartad skiva eller plåt ett visst antal kristaller uppfylla dessa kriterier. I skivor behandlade enligt den föregående metoden är emellertid det antal kristaller som uppfyller detta kriterium åtminstone lix och vanligtvis åtminstone 6x större än vad som kan förväntas i slumpfallet.

Det har upptäckts att en skiva eller plåt med denna textur är ytterst mottaglig för riktad rekristallisation för framställning av rekristalliserade skivor, vars orientering skiljer sig från den ursprungliga texturen och som kan användas för tillverkning av superlegeringsprodukter såsom beskrivs i US-patentet 3 872 563. Den tidigare beskrivna (110) och <1l2> -skivtexturen kan användas för framställning av riktningsrekristalliserade material med antingen ¿100> -, - eller -riktningen som dominerande riktning i skivan. Uttrycket riktad rekristallisation används något lösligt, och man antar faktiskt att vad som sker riktigare kan beskrivas som riktad onormal korntillväxt, dvs. att det förefaller sannolikt att vissa existerande korn växer på bekostnad av andra existerande korn snarare än fallet med verklig riktad rekristallisation, då nya korn skulle kärnbildas och tillväxa på bekostnad av de existerande kornen. *'> l0 462 805 Oavsett deras ursprung förefaller det som om skillnader i korntillväxthastigheten bland konkurrerande korn ger den observerade strukturen.

Det finns tre primära kristallriktningar i kubsystemet: , och (lll) som representerar en kant av enhetscellen, enhetscellens ytdiagonal resp. en diagonal som löper mellan motsatta hörn och passerar genom cellens centrum. (100) -orienteringen har låg elasticitetsmodul, och således kommer turbin- komponenter vars huvudaxel sammanfaller med en -axel att vara beständiga mot värmeutmattning. På liknande sätt har (lll) -riktningen hög elasticitetsmodul och föremål som har denna riktning parallell med huvud- spänningsriktningen är beständiga mot hög cyklisk utmattning. Genom före- liggande uppfinning och dess förmåga att producera material med dessa olika orienteringar ges turbinkomponentkonstruktören hög grad av flexibilitet.

Sättet att framställa plåt som har dessa axlar liggande inom plåtens plan visas i Figur 4, 5 och 6. Figur 4 visar att passering av plåten genom en värmegradient, så att gradientriktningen är parallell med XR-axeln, resulterar i plåt bestående av långsträckta korn, vars längdaxel är -riktningem Som visas i figuren innehåller plåtens SR-riktning -riktningen för de lång- sträckta kristallerna, medan plåtens ursprungliga normalriktning innehåller de långsträckta kristallernas (UD-axel. Analogt visar Figur 5, att om plåten får passera genom värmegradienten så att SR-axeln är parallell med rörelserikt- ningen genom värmegradienten, så får kornen en -axel och en -axel ligger i XR-riktningen och -axeln ligger i ND-riktningen. Det förfarande som visas i Figur 6 skiljer sig något genom att plåten passerar genom värmegradienten längs en axel som ligger mittemellan SR- och XR-riktningen, vilket resulterar i (IGM-riktningen genom kristallernas längdutsträckning, och de båda vinkelräta axlarna är av <100> -typ.

Typiskt har den erforderliga värmegradienten en branthet på åtminstone ca 55°C mätt vid legeringens gammaprimsolvus-temperatur. Den varma änden av gradienten överstiger gammaprimsolvus-temperaturen men överstiger uppenbar- ligen inte legeringens initialsmälttemperatur. Typiska genomgångshastigheter genom gradienten varierar från 3,2 till l0l mm per timme.

Uppfinningen kan förstås bättre med hänvisning till de följande exemp- len, som är avsedda att vara belysande snarare än begränsande.

Exempel l 1. Sammansättning: 14,496 Mo, 6,25% W, 6,896 Al, 0,04% C, återstoden Ni. 2. Pulverstorlek: 0,177 mm 3. Komprimeringsmetod - isostatisk varmpressning (Hot Isostatic Pressing - I-l.I.P.) vid l232°C och 103,42 MPa tryck i två timmar. 4. Varmbearbetning - genom valsning vid l204°C till 6096 reduktion. 462 803; 6 Kallvalsning - total reduktion 6596 a. kallrätvalsad b. kalltvärvalsad förhållande mellan kallrätvalsning till kalltvärvalsning = 75:25, mellan- glödgningar vid IZOII-OC.

Resulterande textur - singulär (110) , 7x den slumpvisa såsom visas i Fig. 7.

Riktad rekristallisation (D.R.) (39°C/cm gradient mätt vid gammaprim- solvustemperatur) a. D.R. parallell med kalltvärvalsningsriktningen vid 6,35 mm/h - resultat - (112) i plâtens plan, 4111) axiell orientering b. D.R. parallell med kallrätvalsningsriktningen vid 16-51 mm/h - resultat - (100) i plâtens plan, (110) i axialriktningen. c. D.R. i en riktning som ligger mitt emellan kallrätvalsnings- och kalltvärvalsningsriktningarna (450 förskjuten axel) vid 16-51 mm/h - resultat - (100) i plâtens plan, i axialriktningen.

Exemæl 2 Sammansättning - 9,096 Cr, 5,096 Al, 10,096 Co, 2,096 Ti, 1296 W, 1,096 Nb, 0,15% C, 0,0l596 B, 0,05% Zr (legering MAR-M200), återstoden Ni.

Pulverstorlek: 0,177 mm Komprimeringsmetod - extrudering vid 1066°C vid ett extruderingsför- hållande på 6,8:1.

Varmbearbetning: - genom isotermiskt smide vid 1l21°C, töjningshastig- het på 0,1 mind, 60% total töjning.

Kallvalsning - total reduktion 6096 a. kallrätvalsad b. kalltvärvalsad förhållande mellan kallrätvalsning och kalltvärvalsning = 75:25, meuangiasdgningar vid 11a9°c.

Resulterande textur - singulär (110) (112), 4,7x den slumpvisa såsom visas i Fig. 8.

Riktad rekristallisation ännu ej utvärderad.

Exempel 3 Sammansättning - 9,096 Cr, 7,096 Al, 9,596 W, 3,096 Ta, 1,096 Mo, återstoden Ni.

Pulverstorlek: 0,177 mm Komprimeringsmetod - isostatisk varmpressning (H.I.P.) vid l232°C och 103,42 MPa tryck i tvâ timmar.

Varmbearbetning - genom valsning vid 1204°C till 6096 reduktion. 7G 3. 7 462 805 Kallvalsning - total reduktion 6596 a. kallrätvalsad b. kalltvärvalsad förhållande mellan kallrätvalsning och kalltvärvalsning = 75:25, mellanglödgningar vid l20lloC.

Resulterande textur - singulär (110) <112>, l2x den slumpvisa såsom visas i Fig. 9.

Riktad rekristallisation (D.R.) (39°C/cm gradient mätt vid gammaprim- solvustemperatur) a. D.R. parallell med kalltvärvalsningsriktningen vid 6,35 mm/h - resultat - (112) i plåtens plan, <11l> axialorientering. b. D.R. parallell med kallrätvalsningsriktningen vid 16-51 mm/h - resultat -~ “i00) i plåtens plan, <1l0> iaxialriktningen. c. D.R. i en riktning som ligger mitt emellan kallrätvalsnings- och kalltvärvalsningsriktningarna (45O förskjuten axel) vid 16-51 mm/h - resultat - (100) i plåtens plan, <100>i axialriktningen.

Exempel 4 Sammansättning - 9,0f'-='- Cr, 6,596 Al, 9,596 W, 1,696 Ta, 1,096 Mo, 0,896 Nb, 0,05% C, 0,01% B, 0,196 Zr, återstoden Ni.

Pulverstorlek - 0,177 mm Komprimeringsmetod - isostatisk varmpressning (l-LLP.) Vid 1232°C och 103,43 MPa tryck i två timmar.

Varmbearbetning - genom valsning vid 120l+°C till 6096 reduktion.

Kallvalsning - total reduktion 6596 a. kallrätvalsad b. kalltvärvalsad förhållande mellan kallrätvalsning och kalltvärvalsning = 75:25, mellanglödgningar vid IZOAIOC.

Resulterande textur - singulär (110) (112), 8x den slumpvisa såsom visas iFig. 10.

Riktad rekristallisation (D.R.) (39°C/cm gradient mätt vid gammaprim- solvustemperatur) a. D.R. parallell med kalltvärvalsningsriktningen vid 6,35 mm/h -- resultat - (112) i plåtens plan, <11l> axialorientering. b. D.R. parallell med kallrätvalsningsriktningen vid 16-51 mm/h - resultat - (100) i plåtens plan, (110) i axialriktningen. c. D.R. i en riktning som ligger mittemellan kallrätvalsnings- och kalltvärvalsningsriktningarna (450 förskjuten axel) vid 16-51 mm/h - resultat - (100) i plåtens plan, (100) i axialriktningen. 462 805 S Även om uppfinningen visats och beskrivits med avseende på en föredragen utföringsform, är det självklart för fackmannen på området att olika förändringar vad gäller form och detaljer kan göras utan att man avviker från omfattningen av den patentsökta uppfinningen.

Claims (4)

10 15 20 25 30 35 9 462 805 PATENTKRAV

1. Riktat rekristalliserad nickelbassuperlegeringsplåt, k ä n n e t e c k n a d av att den är framställd av en plåt med en (110) <1l2>-textur med en intensitet av xninst 4x intensiteten för en plåt tillverkad av en slumpvis orien- terad struktur, och att den består av samorienterade lång- sträckta korn med <11l>-riktningen eller -riktningen eller <100>-riktningen parallell med längdaxeln.

2. Sätt att framställa nickelbassuperlegeringsplåt enligt patentkravet 1, där de långsträckta kornens längdaxel väsent- ligen motsvarar -riktningen, k ä n n e t e c k n a t av att det innefattar stegen att a) tillhandahålla en texturerad nickelsuperlegeringsplåt (110) -skivtextur med -axeln väsent- ligen motsvarande rätvalsningsriktningen, med en VarS Varma b) föra plåten genom en temperaturgradient, ände«=överstiger legeringens rekristallisationstempera- tur, i rätvalsningsriktningen för att åstadkomma riktad rekristallisation, varigenom den resulterande plåten kommer att innehålla lång- sträckta korn, vars längdaxel är en första <110>-riktning med en andra <110>-riktning parallell med tvärvalsningsriktningen och en första <110>-riktning, nämnda.andra <110>-riktning och nämnda <100>-riktning är vinkelräta mot varandra.

3. Sätt att framställa nickelbassuperlegeringsplåt enligt patentkravet 1, där de långsträckta kornens längdaxel väsent- ligen motsvarar <111>-riktningen, k ä n n e t e c k n a t av att det innefattar stegen att a) tillhandahålla en texturerad nickelsuperlegeringsplåt med en (110) <1l2>~skivtextur med ~axeln väsent- ligen motsvarande rätvalsningsriktningen, b) föra plåten genom en temperaturgradient, vars varma ände överstiger legeringens rekristallisationstemperatur, i 462 10 15 20 25 803 10 tvärvalsningsriktningen för att åstadkomma riktad rekristallisation, varigenom den resulterande plåten kommer att innehålla lång- sträckta korn, vars längdaxel är en -riktning och paral- lell med tvärvalsningsriktningen med en -riktning lig- gande i plåten och parallell med rätvalsningsriktningen och en <112>-riktning vinkelrät till plåten, varvid nämnda - riktning, nämnda <1lO>-riktning och nämnda -riktning är vinkelräta mot varandra.

4. Sätt att framställa nickelbassuperlegeringsplåt enligt patentkravet l, där de långsträckta kornens längaxel väsent- ligen motsvarar <100>-riktningen, ' k ä n n e t e c k n a t av att det innefattar stegen att a) tillhandahålla en texturerad nickelsuperlegeringsplåt med en (110) <1l2>-skivtextur med <1l2>-axeln väsent- ligen motsvarande rätvalsningsriktningen, b) föra plåten genom en temperaturgradient, vars varma ände överstiger legeringens rekristallisationstemperatur, i en riktning som bildar en vinkel av 45° med rätvals- nings- och tvärvalsningsriktningarna för att åstadkomma riktad rekristallisation, varigenom den resulterande plåten kommer att innehålla lång- sträckta korn, vars längdaxel är parallell med riktningen för passagen genom temperaturgradienten och är en <100>_fiktning med en andra <100>-riktning liggande i plåten och en tredje -riktning vinkelrät mot plåten, varvid samtliga av nämnda -riktningar är vinkelräta mot varandra. fi