SE462852B - Saett att framstaella ett kristallmaterial med kontrollerad kristallografisk orientering av polykristallina foeremaal - Google Patents

Description

462 852 2 uppenbart att det förelåg ett behov av ett sätt för reprodu- cering av en enkristall på så sätt att avsevärda mängder iden- tiskt orienterat enkristallmaterial skulle kunna erhållas.

Enligt föreliggande uppfinning framställs identiska enkristallföremål medelst en fasttillståndsmetod som ger upp- hov samtidigt till såväl ett enkristallföremål som ett annat föremål som kan användas såsom en kärna för upprepning av för- loppet. Förloppet börjar med ett kärnföremål med en enkristall- del och en finkorndel. Föremålets finkorndel sammanfogas med ett annat föremål som består helt och hållet av finkornmaterial.

Enkristallens tillväxt uppnås genom att den sammanförs genom en värmegradient, varvid enkristallen växer och därvid förbru- kar finkornmaterialet och den sammanbindande fogen. Enkristall- tillväxt stoppas innan det fogade föremålet av en enkristall har omvandlats helt. Det fogade föremålet avskiljs därpå så att man erhåller en del som är helt och hållet en enkristall och en annan del som är delvis en enkristall och delvis finkornma- terial. Den sistanämnda delen kan användas för att upprepa för- loppet. Förloppet kan användas upprepade gånger för att åstad- komma ett flertal enkristallföremål med identisk orientering.

De ovannämnda kännetecknen och fördelarna enligt uppfin- ningen samt andra kännetecken och fördelar kommer att bli mera uppenbara på grundval av den nu följande beskrivningen och bi- fogade ritningar, på vilka fig lA, lB, lC och lD åskådliggör flera steg eller moment vid framställning av enkristallmaterial enligt föreliggande uppfinning, fig 2 visar tillämpning av upp- finningen på ett skivformigt ämne, fig BA, BB och BC åskådlig- gör på varandra följande moment eller steg vid den ursprungliga framställningen av enkristallmaterial för användning vid före- liggande uppfinning, fig 4 är ett makrofotogram av en till- fredsställande fog för tillämpning av uppfinningen, fig 5 är ett makrofotogram som visar tillväxten av en enkristall genom en fog, och fig 6 är ett makrofotogram som visar kärnbildningen och elimineringen av överskottskorn.

Sättet enligt uppfinningen har generell tillämpning vid en stor mängd nickelbaserade varmhållfasta legeringar, vilka le- geringar är baserade på nickel och är förstärkta av gammaprim- fasen (Ni5,Al Ti). Såsom ett representativt generellt komposi- 462 ssz 3 tionsintervall kan nämnas 2-9 % Al, 0,6 % Ti, O-16 % Mo, o-ie æá a, 0-12 9% w, o-l» 7:3 Nb, o-ao 93 cr, o-zo 9% co; 0-0,; 75 c, O-l % Y, O-0,3 % B, O-0,3 % Zr, O-2% V, O-5 % Re, O-5 % Hf, varjämte återstoden i huvudsak utgörs av nickel.

Utgångsmaterialet för den varmhâllfasta legeringen måste föreligga i bearbetbar form. Ett tillvägagångssätt är att an- vända sig av konsoliderat pulver medan ett annat tillvägagångs- sätt är att börja med en gjutning, företrädesvis en finkornig sådan. Nu följer en beskrivning av en föredragen metod att framställa utgångsmaterial för tillämpning av uppfinningen.

Detta material bearbetas inte vid en temperatur nära gammaprim- fasttillståndslöslighetskurvan utan under denna. Denna ur- sprungliga varmbearbetning föreligger företrädesvis i en mängd av mer än 50 % för att tillfredsställande bearbetbarhet skall kunna säkerställas. Det nämnda varmbearbetade materialet kall- valsas därefter ca 65 7. Kallvalsningsmomentet utförs enligt följande: Materialet kallvalsas först, varpå ett andra kall- valsningsmoment utförs i valsningens tvärriktning, dvs vinkel- rätt mot riktningen för den ursprungliga kallvalsningen. För- hållandet mellan minskningen i det ursprungliga kallvalsnings- momentet och det slutgiltiga kalltvärvalsningsmomentet uppgår till ca 75:25. Mellanliggande glödningar förekommer under både kall- och varmvalsningsmomenten alltefter behov för att hindra ~sprickbíldning.Resultatet blir ett föremål med en kraftig (110) -skivstruktur.

Detta strukturerade material kan sedan rekristalliseras i en bestämd riktning så att man erhåller enkristaller med en kontrollerad orientering. Ifrågavarande (llO) -struktur påverkar kraftigt orienteringen av de rekristalliserade kornen.

Genom att man ändrar riktningsrekristalliseringsparametrarna kan man göra ett val av de till buds stående orienteringskom- binationerna.

Ett av de väsentliga särdragen som erfordras för succes- siv, riktad korntillväxt är att man måste upprätta betingelser som gynnar korntillväxt hos befintliga korn i stället för kärn- bildning av nya korn. Mikroorgan och förfaranden som gynnar dessa betingelser är beskrivna i den amerikanska patentskrif- ten 3 975 219. Tack vare dessa lärdomar blir det möjligt att 462 852 ' 4 upprätta de önskade betingelserna i ett föremål av en varm- hållfastlegering. För att föreliggande uppfinning skall kunna tillämpas med framgång är det emellertid nödvändigt att två sådana föremål sammanfogas och attifogens karaktär är sådan att korntillväxt lätt kan ske genom fogen utan kärnbildning av nya korn vid fogens gränsyta. Fogens natur är således kritisk för uppfinningens framgång. En optimal fog är en som inte kan upptäckas, åtminstone vid visuellt studium med en förstoringsgrad av ca 100 gånger, och en sådan fog ger inga stora förändringar i kompositionen eller mikroutformningen från basmaterialet till fogområdet. En fog av detta slag upp- nås bäst genom diffusionsfogning eller diffusionsbindning. I ett sådant förfarande rengör man de båda föremålen som skall förenas, varjämte ytorna som skall sammanfogas placeras mitt- för varandra och upphettas till en temperatur som ligger nära men under gammaprimlöslighetskurvan samtidigt som tryck på- läggs. Under lämpliga betingelser ifråga om temperatur, tryck och tid sker diffundering från det ena föremålet till det andra över gränsytan, varvid sammanfogning blir följden. För att sådana diffusionsverkningar skall erhållas måste föremå- lens planhet och ytjämnhet vara stora så att maximal ytkon- takt erhålls, varjämte ytan som skall fogas måste vara excep- tionellt ren. Ifråga om kraven som ställs på ytjämnhet gäller att dessa får ha ett talvärde av högst 381/un, varjämte ytans planhet får vara högst 0,0005 cm. De erforderliga egenskaper- na ifråga om ytans jämnhet kan erhållas genom slipning med två skivor eller ytslipning eller läppning eller genom kom-0 binationer av dessa tillvägagångssätt. I praktiken har elek- tropolering använts såsom en sista ytbehandlingsmetod så att man erhåller en ren yta som är fri från kallbearbetning. Det är att föredraga att avlägsna åtminstone ca 0,0003 cm per yta genom elektropolering. Själva diffusionsfogningsförloppet ut- förs bäst i vakuum, ehuru en indifferent atmosfär eventuellt skulle kunna användas. Då vakuum utnyttjas erfordras vakuum- nivåer av storleksordningen mindre än l0'4torr. Temperaturen vid vilken sammanfogningsförloppet utförs för varmhållfasta icgcringar ligger- från cc 1o58°o- till ca 12o4°c och företrä- desvis inom intervallet 66°C - 20400 under gammaprimlöslighets- 462 852 5 . kurvan. Ifråga om trycket gäller att man behöver det tryck som erfordras för att åstadkomma från l % till 8 % total de- formation under sammanfogningsförloppet, varvid man föredrar deformationer av ca 2 %. Dessa tryck kan erhållas genom bear- betning med en varm vakuumpress, bearbetning där man utnyttjar resistansuppvärmning av materialet som håller på att fogas, och s k delta-alfa-bearbetning, varvid nämnda bearbetning, van- ligen av molybden som har en lägre värmeutvidgningskoeffici- ent hos varmhållfasta legeringar, används för att hålla till- baka legeringarna och trycket alstras genom den relativa ut- vidgningen hos den varmhållfasta legeringen som hålls till- baka av bearbetningen. Den tid under vilken diffusionssamman- fogning sker ligger mellan ca en minut och ca tre timmar bero- ende på metoden som används för att alstra sammanfognings-- trycket och sammanfogningstemperaturen. I Uppfinningen torde kunna förstås bättre genom hänvis- ning till de bifogade figurerna, där fig lA, lB, lC och lD åskådliggör fyra moment i förfarandet enligt uppfinningen.

Fig 1A visar två element 10 och 20. Elementet 10 är en kärn- del som är bildad av en enkristall 12 och ett finkornmaterial 14 vilka är åtskilda av en gränsyta 13. Elementet 20 är bildat helt och hållet av ett finkornmaterial som är likartat materia- let som kan återfinnas i materialet 14 i elementet 10 och som 1 regel är identiskt med nämnda material.

Fíg lB åskådliggör ett efterföljande steg eller moment _ i förfarandet enligt uppfinningen. I fig lB har de ursprungli- ga elementen 10 och 20 diffusionsfogats samman under bildande av föremålet 30. Delen 32 är en enkristalldel, 33 är gränsytan, 3Ä och 36 är finkorndelar, och 35 är diffusionsfogen mellan de ursprungliga elementen lO och 20.

Fig lC visar utseendet hos föremålet sedan förfarandet med riktad korntillväxt har använts för att bringa enkristallen att växa, varigenom man flyttar gränsytan mellan enkristallen och finknrndelen nedför föremålet och genom fogen 35 mellan de ursprungliga elementen lO och 20, varvid :nan förbrukar en be- tydande del finkornmaterial och omvandlar detta till ett en- kristallmaterial med samma orientering som materialet som an- 462 852 I 6 vänds i kärnans enkristall 12.

Fig lD visar föremålet sedan det har skurits sönder till två delar. Delen 40 är enkristallprodukten enligt för- farandet medan delen 50 består av en enkristalldel 52 och en finkorndel 54 åtskilda av gränsdelen 55 och är identisk med den ursprungliga begynnelsedelen 10 som är visad i fig lA._ Man ser således tydligt att förfarandet enligt uppfinningen kan upprepas många gånger, varvid begynnelseföremålen utgörs av finkornigt material som är receptivt för korntillväxt me- dan slutmaterialet utgörs av enkristallföremål vars kristallo- grafiska orientering är noggrant kontrollerad. Kontrollen över kristallorienteringen i produkten som erhålls medelst förfaran- det enligt uppfinningen förefaller att vara begränsad endast av den mekaniska noggrannheten i bearbetningen.

Fig 1A, lB, lC och 1D åskådliggör uppfinningen på det sätt som den skulle kunna tillämpas vid ett stångformat före- mål. En del föremål, för vilka det medelst uppfinningen fram-' ställda enkristallmaterialet har särskild användbarhet, kräver emellertid att man skall framställa enkristallmaterial i form av skivor eller plattor med en tjocklek av storleksordningen mellan 0,025 och 0,508 cm. Framställning av dessa material är åskådliggjord i fig 2 som är analog med fig lB och som visar ett sammanfogat föremål i form av ett skivformigt ämne beståen- de av ett element ll0 som är sammanfogat med elementet l20.

Elementet llO innehåller en enkristalldel 112 och en finkorndel ll4 vilka är åtskilda av gränsytan 115. Elementet 120 består helt och hållet av finkornmaterial som är gynnsamt för riktad korntillväxt. Materialet förs sedermera genom en värmegradient på sätt som kommer att beskrivas nedan, varvid enkristalldelen 112 bringas att växa nedför det sammanfogade föremålets längd- sträckning i riktningen för elementet 120. En unik och väsent- lig aspekt av denna utföringsform av uppfinningen är att en- kristallen tillväxer "i sidled" genom överlappningsfogen och sedan passerar nedför elementet 120. Gränsytan vid denna punkt kan exempelvis utgöras av läget ll5'. Vid denna punkt skulle tillståndet hos föremålet vara analogt med tillståndet enligt fig lC på så sätt att enkristalldelen skulle utgöra huvuddelen CU U'1 PO 4é2 7 av det sammanfogade föremålet. Föremålet kan avskiljas på sättet som har visats i fig 1D, varvid man erhåller en en- kristalldel som ursprungligen utgjordes av segmentet 120 resp en ny kärndel som innerhåller en enkristallkärna, jäm- te finkorndelarna som är känsliga för korntillväxt och som är åtskilda av gränsytan ll3'. Det resulterande enkristall- föremålet kan användas för framställning av föremål med stor styrka, och det är särskilt användbart i gasturbinmoto- rer exempelvis av typen som är beskriven i den amerikanska patentskriften 3 827 563. Den andra delen 126 kan användas för att upprepa förloppet. Såsom är visat med streckprickade linjer i fig 2 har föremålen llO och 120 sammanförts eller fasats nära fogen. Detta medför en minskning av kärnbildningen hos nya korn när fogen passerar genom värmegradienten.

Förloppet som är åskådliggjort i fig 1A, lB, lC och lD och som är beskrivet i anslutning till fig 2 utgör ett upprep- bart förlopp i vilket en ursprunglig kärndel kan användas för att ge upphov till enkristallföremål och en ny kärndel som sedan kan användas för att förloppet skall fortsätta. Frågan om hur den ursprungliga kärndelen framställs uppstår rimligen.

Svaret på denna fråga är åskådliggjort i fig BA, BB och BC. I fig 3A är en materialplatta eller ett materialark 2lO visat, vilket består huvudsakligen av finkornmaterial 214 som är mottagligt för korntillväxt. Vid föremålets 210 ena ände finns ett flertal tänder. När föremålet förs genom en värmegradient på så sätt att tänderna inträder i gradienten först visar det sig att enkristaller bildar en kärna vid eller nära spetsarna hos varje tand och tillväxer utefter föremålet efter hand som föremålet fortsätter genom värmegradienten. Enkristallernas kärnbildning och deras orientering sker något slumpvis, och ehuru kontroll kan utövas över orienteringen i betydande om- fattning genom lämplig preparering av materialet 214 visar det sig icke desto mindre vanligen att bli nödvändigt att fram- ställa ett flertal enkristaller och att sedan mäta dessas orientering med hjälp av röntgenmetoder för att sedermera ut- välja den enkristall som ligger närmast den önskade oriente- ringen. När denna kristall har utvalts skär man bort de övriga, 462 852 ' 5 8 icke önskvärda tänderna, varjämte delen placeras tillbaka i ugnen och den utvalda enkristallen bringas att fortskrida längs föremålet på det i fig BB visade sättet. Enligt fig BB består föremålet 210 av en del 214 som inte är en enkristall och som är bildad av finkornmaterial och vidare av en en- kristalldel 212 som är åtskild från finkorndelen 214 medelst en gränsyta 215. Då delen rör sig genom värmegradienten kom- mer gränsytan som åtskiljer enkristallen och finkorndelarna att förflyttas successivt genom delarna som är betecknade 215', 215", etc. Ett analogt förlopp är beskrivet i boken "The Art and Science of Growing Crystals" av J.J. Gilman, John Wiley and Sons Förlag, 1965, sid 45H. Slutprodukten, som är visad i fig 5C, är då lämpad för förloppet som är beskrivet ovan och som är åskådliggjort i anslutning till fig 2.

Fig 4 visar ett mikroforogram som åskådliggör de önsk- värda egenskaperna hos en tillfredsställande diffusionsfog. Den viktigaste egenskapen som framgår av fig Ä är att fogen inte _ kan upplösas optiskt. Denna egenskap att utgöra en optisk icke- upplösbar fog (vid ca 100x) förefaller att vara ett tillräck- ligt villkor för tillförlitlig fortplantning av en enkristall genom en diffusionsfog. Fig 5 är ett mikrofotogram med en för- storing av ca Rx och visar anordningen sedan enkristallen har fortplantats genom en överlappningsfog mellan två avsnitt rems- formigt material. I fig 5 utgjorde den övre delen av materialet kärnföremålet, vilket innehöll en enkristalldel och en finkorn- del åtskilda av en gränsyta. Sedan denna övre del hade samman- fogats med den nedre delen, som bestod helt och hållet av ett finkornmaterial, utnyttjades värmebehandlingsbetingelser på så sätt att gränsytan bringades att fortplantas genom överlapp- ningsfogen och in i den nedre delen. Fig 5 åskådliggör också användningen av en sammanblandad framkant för att minska sanno- likheten för att nya korn skall initieras då framkanten passe- rar genom värmegradienten.

Fig 6 är ett likartat mikrofotogram som visar en över- lappningsfog från vilken en sammanblandad framkant inte använ- des, och man ser att ett sekundärt eller falskt korn fick bilda kärna vid eller nära det tvära steget i framkanten, varvid 46-2 852 9 detta sekundära korn fortplantades en viss sträcka men slut- ligen ströps av kornet med den önskade kärnorienteringen. Man ' föredrar således sammanblandning vid framkanten.

Det torde bli lättare att förstå uppfinningen med hjälp av nedanstående exempel som avses vara åskådliggörande men inte begränsande .

Exempel A. Iordningställande av material lO 2. 3. 6. sammansättning (viktprocent) - l4,4 Mo, 6,25 W, 6-8Al, 0,04C, återstod Ni pulverstorlek - 0,177 mm sätt att utföra konsolidering - isostatisk varmpress- ning vid 123200 och trycket lO5,5 MPa under två tim- mar varmbearbetning - medelst valsning vid l2OÄOC till 60 % reduktion kallvalsning - total reduktion 65 Ä a. rak kallvalsning b. tvärriktad kallvalsning förhållande mellan rak kallvalsning och tvärrikta- de kallvalsningar = 75:25, mellanglödningar vid 120400. resulterande struktur - singulär (llO) , 7x slumpvis B. Iordningställande av kärna - på sätt som har beskrivits ovan i anslutning till fig BA, EB och BC, orientering (100) med avseende på längdaxeln.

C. Fogning l.

E. kontaktytor vid överlappsfog framställda till plan- het inom 0,0005 cm på 15,24 cm, ytojämnheté=l5/um, iordningställande av yta medelst slipning med två slipskivor kontaktytor vid överlappsfog rengjorda genom elektro- polering i en lösning av 7-procentig överklorsyra i ättiksyra vid rumstemperatur vid 25v under 60 s för borttagning av ca 0,000) cm metall från varje yta sammanfogning utförd vid ll2loC (legeringens gamma- 462- 852 D. Riktad ll EI 5. lC primlöslighetskurvtemperatur är l268OC) under an- vändning av delta-alfa (molybden-} bearbetning för 'l att åstadkomma ca 2 É deformation på 30 via tempe- raturen. p rekristallisering värmegradient 200/cm /mätt vid gammaprimlöslighets- kurvatemperaturen) utnyttjades rörelsen hos det fogade aggregatet genom värmegra- dienten förlöpte parallellt med rak kallvalsnings- riktningen med 0,318 cm - 5,08 cm per timme.

Resultatet blev att (100) --enkristall fort- plantades genom fogen. förloppet avslutat med kvarstående enkristall - fog- finkorndel lämplig för återanvändning.

Ehuru uppfinningen har visats och beskrivits med avseen- de på detaljerade utföringsformer av densamma torde det stå klart för fackmannen att skilda ändringar i uppfinningens ut- formning och detaljer kan utföras inom uppfinningens ram.

Claims (3)

1. I -x 11 PATENTKRAV g 1. Sätt att framställa enkristallmaterial med kontrollerad, kristallografisk orientering av en nickelbaserad varmhällfast legering, k ä n n e t e c k n a d därav, att det inkluderar momenten att p a. tillhandahålla ett första föremål av varmhållfast legering som är bildat av en enkristalldel och en polykristallin del, varvid dessa båda delar är åtskilda av en gränsyta som kan röra sig in i den polykristallina delen när den förs långsamt genom en värmegradient, b. tillhandahålla ett andra föremål som är bildat av poly- kristallint material som är receptivt för korntillväxt, c. sammanfoga det första och det andra föremålet så att den polykristallina delen hos det första föremålet sammanfogas med det andra föremålet genom diffusionsfogning vid en temperatur av 103806 till 12OHoC, varigenom bildas en fog som inte hindrar att korntillväxten passerar gränsytan, d. behandla det sammanfogade föremålet i en värmegradient så att gränsytan växer genom fogen och in i det andra föremalet och att enkristalltillväxten i momentet (d) stoppas vid en punkt där polykristallint material återstår och e. föremålet delas, så att en del med en gränsyta mellan enkristall och polykristallint material avskiljs under bildande av ett utgàngsföremäl enligt (a) för upprepning av förloppet.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att det polykristallina materialet i både de första och andra föremålen har en förutbestämd struktur som medför att materialet blir särskilt väl lämpat för tillväxt av enkristaller med väsentligen samma orientering som enkristallen.

3. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att de första och andra föremålen är nickelbaserade varmnållfasta legeringar sammanfogade medelst diffusionsfogning utförd vid en temperatur som ligger 6ö°-20406 under legeringarnas gamma- primlöslighetskurvtemperatur. U. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att de första och andra föremålen har formen av plattor eller ark och är sammanfogade medelst en överlappningsfog. O\ PO CD CH rå 12 5. Sätt enligt krav Ä, k ä n n e tue c k n a t därav, atÉ_ framkanten, dvs kanten som ligger närmast det första föremàlets enkristalldel, är fasad för att avjämna fogen.