CH637426A5

CH637426A5 - Verfahren zum herstellen von formstuecken.

Info

Publication number: CH637426A5
Application number: CH565278A
Authority: CH
Inventors: Eric Smaltz Vogel
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1977-06-02
Filing date: 1978-05-24
Publication date: 1983-07-29
Also published as: FR2393076A1; BR7803371A; DK236978A; DE2822153A1; NO781788L; DK153336C; DK153336B; IL54801A; NL7805975A; SE7805706L; ZA782806B; IT7824028A0; US4081295A; DE2822153C2; GB1564795A; JPS542220A; FR2393076B1; CA1108441A; JPS6132387B2; BE867310A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf hochfeste, niederduktile Nickelbasislegierungen und betrifft insbesondere Verfahren zum Herstellen von Formstücken aus diesen Legierungen.

In der Gasturbinentriebwerksindustrie, in der die Erfindung besondere Anwendung findet, erfordern die Triebwerksbemessungskriterien die Verwendung von Legierungen, die eine gute Warmfestigkeit und einen guten Oxydationswiderstand haben. Aufgrund dieses Bedarfes ist eine Anzahl von Nickelbasislegierungen entwickelt und benutzt worden. Die hohen Festigkeitsanforderungen sind zwar erfüllt worden, leider sind sie jedoch im allgemeinen nur auf Kosten der Legierungshersteilbarkeit erfüllt worden. Bei der Fertigung von Strahltriebwerken, die Tausende von Einzelteilen enthalten, welche eine komplizierte Form haben und mit enger Toleranz hergestellt werden müssen, ist aber die Herstellbarkeit der Legierung ein Hauptfaktor bei der Bestimmung des Ausmasses ihrer Benutzbarkeit.

Die US-PS 3 519 503 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von hochfesten, niederduktilen Legierungen, wie sie üblicherweise in Gasturbinentriebwerken benutzt werden, insbesondere Nickel- und Kobaltbasislegierungen, das einen besonderen Fortschritt darstellt. Gemäss diesem bekannten Verfahren wird eine hochfeste, niederduktile Legierung bei einer hohen Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur stranggepresst oder anderweitig druckbearbeitet, um die Kornstruktur zu verfeinern und um die Legierung in einen vorübergehenden Zustand niedriger Festigkeit und hoher Duktilität, d. h. in einen sogenannten superplastischen Zustand zu bringen. Anschliessend wird die sich vorübergehend in dem superplastischen Zustand befindende Legierung in Warmschmiedegesenken bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur isothermisch geschmiedet, wobei ein nennenswertes Kornwachstum blockiert wird. Die geformte Legierung wird schliesslich durch herkömmliche Wärmebehandlung in ihren ursprünglichen Zustand hoher Festigkeit und niedriger Duktilität zurückversetzt. Andere Patentschriften, die sich auf ein solches Fertigungsverfahren beziehen, sind die US-PS'en 3 698 219 und 3 987 658.

Bei der Herstellung von gewissen Triebwerksteilen, insbesondere von Triebwerksscheiben oder -rotoren aus der Legierung IN 100, durch das patentierte Verfahren hat es sich als wünschenswert herausgestellt, die Legierungszusammensetzung etwas zu modifizieren, damit ein optimales Schmiedeteil hergestellt wird. Die US-PS 3 843 421 beschreibt eine solche modifizierte Zusammensetzung der Legierung IN 100, die für die Verwendung in dem patentierten Herstellungsverfahren besonders massgeschneidert ist.

Gemäss dieser US-PS ist die Zusammensetzung der modifizierten IN 100 Legierung wie folgt:

(Alle Teile in Gew. %)

12,4% Cr 4,3% Ti 0,02% B

18,5% Co 5,0% AI 0,06% Zr

3,2% Mo 0,8% V 0,07% C

Rest: Nickel.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von Formstücken aus hochfesten, niederduktilen Nickelbasislegierungen zu schaffen. Es ist besonders vorteilhaft beim Herstellen der in der oben genannten US-

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Patentschrift beschriebenen modifizierten Legierungen IN 100.

Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich durch die im Anspruch 1 definierten Verfahrensschritte aus. Der im wesentlichen homogene, massive Block dürfte dann eine hohe Festigkeit und eine niedrige Duktilität aufweisen, d. h. er ist nichtsuperplastisch. Durch das Vorschmieden kann der Block in einen Zustand niedriger Festigkeit und hoher Duktilität, d. h. in eine Art superplastischen Zustand gebracht werden. In der ersten Schmiedestufe ist es vorteilhaft, wenn die Verformungsgeschwindigkeit mit Bezug auf die Schmiedetemperatur so gewählt wird, dass die Geschwindigkeit ausreichend niedrig ist, um ein Reissen des gepressten Blockes während der Ausbildung des superplastischen Zustandes zu verhindern. Dagegen kann in der späteren Schmiedestufe die Verformungsgeschwindigkeit im allgemeinen viel höher sein, um sicherzustellen, dass die gewünschten mechanischen Eigenschaften in dem wärmebehandelten Stück erzielt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zum Herstellen der modifizierten Legierung IN 100 wird der niederduktile Block, der sich aus dem isostatischen Warmpressen ergibt, zuerst in den Warmschmiedegesenken mit einer niedrigen Verformungsgeschwindigkeit von 0,1 cm/ cm/min (0,1 in./in./min.) oder darunter geschmiedet, um eine Dickenverringerung von etwa 15% bis etwa 35% zu erzeugen, die Blockkornstruktur zu rekristallisieren und zu verfeinern und ihm vorübergehend superplastische Eigenschaften zu geben, und anschliessend wird der Block weiter in die endgültige gewünschte Form bei einer höheren Verformungsgeschwindigkeit geschmiedet, die typischerweise oberhalb von 0,1 cm/cm/min und vorzugsweise zwischen etwa 0,3 cm/cm/min und etwa 0,7 cm/cm/min liegt, wobei eine Dickenverringerung von 50% oder mehr üblicherweise in dieser Stufe mit der hohen Verformungsgeschwindigkeit hervorgerufen wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform.

Die modifizierte Legierung IN 100 ist bei der Herstellung von Gasturbinentriebwerksteilen, insbesondere von Triebwerksscheiben, infolge ihrer einzigartigen Kombination von mechanischen und physikalischen Eigenschaften und verbesserter Kerbzähigkeit von grösster Bedeutung. Infolgedessen ist sie Gegenstand zahlreicher experimenteller Untersuchungen gewesen, die den Zweck verfolgten, einen optimalen Herstellungsprozess zu schaffen, durch den Formstücke, wie beispielsweise Triebwerksscheiben, am wirtschaftlichsten und mit der höchst möglichen Qualität hinsichtlich der chemischen, strukturellen und mechanischen Eigenschaften, der Homogenität und der Dichte, hergestellt werden können. Die Erfindung schafft ein solches verbessertes Herstellungsverfahren.

Gemäss der Erfindung beginnt der Herstellungsprozess mit dem Herstellen eines relativ einfach geformten Blockes aus vorlegiertem Pulver der modifizierten Legierung IN 100 durch isostatisches Warmpressen des Pulvers in einem geeignet geformten Behälter, wie beispielsweise einem Flussstahlbehälter. Der Legierungsblock, der durch dieses isostatische Warmpressen hergestellt wird, bietet beträchtliche Vorteile bei den späteren Verfahrensschritten, da der Block in chemischer, struktureller und anderer Hinsicht im wesentlichen homogen ist und im wesentlichen frei von Porosität ist. Selbstverständlich ändern sich die Parameter des isostatischen Warmpressens in Abhängigkeit von der besonderen gepressten Nickelbasislegierung, bei der modifizierten Legierung IN 100 liegen die Parameter aber im allgemeinen in folgenden Bereichen: Temperatur von etwa 1Ö38°C bis etwa

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1177°C; Druck von etwa 689,5 bar bis etwa 2068,5 bar; Zeit von etwa 15 min bis etwa 4 h. Es sei angemerkt, dass der durch isostatisches Warmpressen hergestellte IN 100-Block nicht in einem vorübergehenden superplastischen Zustand ist, sondern stattdessen weiterhin die Eigenschaften hoher Festigkeit und niedriger Duktilität der Legierung aufweist.

Der nächste Schritt in dem Verfahren nach der Erfindung beinhaltet das isothermische Formschmieden des gepressten Legierungsblockes in Warmschmiedegesenken bei einer Temperatur unterhalb, aber innerhalb von etwa 195°C der normalen Rekristallisationstemperatur der Legierung. Wie im folgenden dargelegt, kann durch sorgfältiges Einstellen der Schmiedeparameter, wie der Schmiedetemperatur und der Verformungsgeschwindigkeit, das Formschmieden des Blockes in den Warmschmiedegesenken in einem einzigen, ununterbrochenen Schmiededurchgang ausgeführt werden, obwohl der Block anfänglich nicht in einem vorübergehenden Zustand niedriger Festigkeit und hoher Duktilität ist. Es ist herausgefunden worden, dass, um die Legierung auf diese Weise erfolgreich schmieden zu können, der Schmiededurchgang in zwei getrennten Stufen ausgeführt werden muss, bei welchen es sich um eine Anfangsstufe mit niedriger Verformungsgeschwindigkeit und um eine anschliessende Stufe mit hoher Verformungsgeschwindigkeit handelt.

Mit der Anfangsstufe niedriger Verformungsgeschwindigkeit wird bezweckt, den Legierungsblock am Anfang in einem geringfügigen, aber kritischen Ausmass zu verkleinern, um eine Rekristallisation und eine Verfeinerung der Blockkornstruktur in situ hervorzurufen und um den Block in einen vorübergehenden superplastischen Zustand zu bringen, d. h. in einen Zustand niedriger Festigkeit und hoher Duktilität. Unerwarteterweise ist festgestellt worden, dass Dicken Verringerungen von etwa 10% (und vorzugsweise 15 bis 35%) unter geeigneten Temperatur- und Verformungsge-schwindigkeitsbedingungen bewirken, dass der Legierungsblock vorübergehend superplastisch wird. Während dieser Anfangsverkleinerung ist jedoch auch festgestellt worden, dass die Beziehung zwischen der Schmiedetemperatur und der Verformungsgeschwindigkeit sehr wichtig war. Beispielsweise ist festgestellt worden, dass bei einer besonderen Schmiedetemperatur ein kritischer schmaler Verformungsge-schwindigkeitsbereich erscheint, oberhalb welchem der Legierungsblock während der Anfangsverkleinerung reisst, unterhalb welchem aber kein Reissen beobachtet wird. Der Bereich der kritischen Verformungsgeschwindigkeit ändert sich zwar etwas mit der Schmiedetemperatur für die modifizierte Legierung IN 100, Verformungsgeschwindigkeiten von 0,1 cm/cm/min oder darunter haben sich jedoch als sicherste Massnahme gegen das Reissen des Blockes während der Ausbildung des superplastischen Zustandes und während der Anfangsdickenverringerung erwiesen. Geschwindigkeiten oberhalb von 0,1 cm/cm/min während der Anfangsdickenverringerung verursachen eher Reissen und sind deshalb zu vermeiden.

Nachdem der gepresste Block in den vorübergehenden superplastischen Zustand gebracht worden ist, wird mit der Schmiedestufe mit hoher Verformungsgeschwindigkeit begonnen, in welcher eine Hauptdickenverringerung, typischerweise von 50% oder mehr, erfolgt, um die endgültige Form herzustellen. Da der Legierungsblock eine sehr hohe Duktilität hat, können hohe Verformungsgeschwindigkeiten benutzt werden, um die Hauptdickenverringerung zu erzielen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass ein gewisses Minimum an hoher Verformungsgeschwindigkeit in dieser Stufe erforderlich ist, um beständig optimale Eigenschaften, wie Streck- und Zugfestigkeit, des wärmebehandelten Formstückes zu erzielen. Beispielsweise werden bei dem weiteren Schmieden des Blockes aus der modifizierten Legierung IN

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100, nachdem er den superplastischen Zustand angenommen mit einer Verformungsgeschwindigkeit von 0,1 cm/cm/min hat, Verformungs'gesch windigkeiten oberhalb von 0,1 cm/ durchgeführt, um eine Dicken Verringerung von 25% zu cm/min für erforderlich gehalten, damit sich erwünschte erzeugen, die eine Rekristallisierung und eine Verfeinerung

Streck- und Zugfestigkeiten ausbilden. Eine Verformungsge- der Blockkornstruktur in situ ergab und den Block in einen schwindigkeit von etwa 0,3 cm/cm/min bis etwa 0,75 cm/ s vorübergehenden Zustand niedriger Festigkeit und hoher cm/min ist zur Ausbildung von optimalen Eigenschaften des Duktilität brachte. Bei dem Erreichen der Dickenverringe-wärmebehandelten Formstückes vorzuziehen. Es wird ver- rang von 25% wurde die Verformungsgeschwindigkeit auf mutet, dass das Minimum an hoher Verformungsgeschwin- 0,5 cm/cm/min erhöht und die fertige Form durch eine wei-digkeit, das erforderliche ist, einen kritischen Wert an thermi- tere Dickenverringerung von 50% hergestellt. Nach dem scher, mechanischer Arbeit in der Legierung und eine ent- l» Schmieden wurde das IN 100-Formstück in herkömmlicher sprechende optimale Korn- oder Versetzungsstruktur oder Weise wärmebehandelt und bei 704°C Zug- und Kriechtests Substruktur ergibt, die für die Wärmebehandlung geeignet unterworfen. Die Testergebnisse zeigten, dass das durch das ist. Verfahren nach der Erfindung hergestellte IN 100-Formstück

Selbstverständlich kann die Legierung, nachdem das Eigenschaften hatte, die über den Mindesteigenschaften

Formstück fertiggeschmiedet ist, in ihren normalen Zustand is lagen, die für eine Gasturbinentriebwerksscheibe erforderlich hoher Festigkeit und Härte durch eine herkömmliche Wär- ist.

mebehandlung einschliesslich einer Lösungswärmebehand- Die spezifischen Verformungsgeschwindigkeiten und Dik-lung, beispielsweise bei 1121 °C für die modifizierte Legie- kenverringerungen, die oben quantitativ angegeben sind, rang IN 100, und Stabilisierungs- und Ausscheidungswärme- beziehen sich zwar auf die modifizierte Legierung IN 100, es behandlungen zurückversetzt werden. 20 ist jedoch anzunehmen, dass die Gesamtgrenzen auch bei

Das folgende Beispiel veranschaulicht ein Herstellungsver- anderen hochfesten, niederduktilen Nickelbasislegierungen fahren nach der Erfindung. zutreffen, wie sie beispielsweise in der US-PS 3 519 503

beschrieben sind. Beispielsweise ist davon auszugehen, dass Beispiel eine Dickenverringerung von wenigstens 10% bei den meisten

Vorlegiertes, modifiziertes IN 100-Pulver wurde in unter 2s hochfesten, niederduktilen Nickelbasislegierungen in der Druck stehendem Argon bei einer Temperatur von 1121°C Vorschmiedestufe ausreicht, um sie in den vorübergehenden und einem Druck von 1034,3 bar zwei Stunden lang isosta- superplastischen Zustand zu bringen. Ausserdem sind niedtisch warmgepresst, um einen homogenen, festen Block zum rige Vorverformungsgeschwindigkeiten unterhalb von 0,1 Schmieden zu schaffen. Der Block war nach dem Warm- cm/cm/min und anschliessende hohe Verformungsge-

pressen nicht in einem superplastischen Zustand. Der 30 schwindigkeiten oberhalb von 0,1 cm/cm/min aller Wahr-

gepresste Block wurde dann auf 1107°C erhitzt und in Warm- scheinlichkeit nach auch bei anderen Nickelbasislegierungen Schmiedegesenke eingebracht. Die Vorschmiedestufe wurde anwendbar.

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Claims

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1) Eine Vorstufe niedriger Verformungsgeschwindigkeit, in welcher der gepresste Legierungsblock bei einer niedrigen Verformungsgeschwindigkeit vorgeschmiedet wird, um eine Dickenverringerung von wenigstens 10% zu erzeugen und eine Rekristallisation und Verfeinerung der Blockkornstruktur in situ zu bewirken, damit der Block in einen Zustand niedrigerer Festigkeit und höherer Duktilität gebracht wird, wobei die Verformungsgeschwindigkeit mit Bezug auf die Schmiedetemperatur so gewählt wird, dass die Geschwindigkeit ausreichend niedrig ist, um ein Reissen des Legierungsblockes während dieser Vordickenverringerung zu verhindern; und

1. Verfahren zum Herstellen von Formstücken aus hochfesten, niederduktilen Nickelbasislegierungen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Isostatisches Warmpressen der Legierung in Pulverform, um einen im wesentlichen homogenen, festen Block zu schaffen, der eine bestimmte Festigkeit und Duktilität aufweist,

b) isothermisches Schmieden des gepressten Legierungsblockes in Warmschmiedegesenken bei einer Temperatur unterhalb, aber höchstens 195°C unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Legierung in einem einzigen Schmiededurchgang, welcher beinhalte:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrige Vorverformungsgeschwindigkeit bis zu 0,1 cm/cm/min beträgt.

2) eine Stufe hoher Verformungsgeschwindigkeit, die sich an die Vordickenverringerung anschliesst und das stetige Schmieden des Blockes bei einer erhöhten Verformungsgeschwindigkeit beinhaltet, um eine Hauptdickenverringerung auf die endgültige gewünschte Form zu erzeugen, während der Block im Zuständ niedrigerer Festigkeit und höherer Duktilität ist, wobei die benutzte Verformungsgeschwindigkeit höher ist als diejenige, die in der Stufe der Vordickenverringerung benutzt wird, um das Ausbilden von erwünschten mechanischen Eigenschaften in dem wärmebehandelten Formstück sicherzustellen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hohe Verformungsgeschwindigkeit mehr als 0,1 cm/ cm/min beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelbasislegierung, die hergestellt wird, eine modifizierte Legierung IN 100 ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschmieden mit einer niedrigen Verformungsgeschwindigkeit eine Dickenverringerung von 15% bis 35% erzeugt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrige Vorverformungsgeschwindigkeit bis zu 0,1 cm/cm'/min beträgt und dass die hohe Verformungsgeschwindigkeit 0,3 cm/cm/min bis 0,75 cm/cm/min beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Legierung eine Gasturbinentriebwerksscheibe hergestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine modifizierte Legierung IN 100 verwendet wird, dass das isothermische Schmieden des gepressten Legierungsblockes in Warmschmiedegesenken bei einer Temperatur von 982°C bis 1149°C erfolgt, und dass die niedrigere Verfor- ' mungsgeschwindigkeit bis zu 0,1 cm/cm/min, die erhöhte Verformungsgeschwindigkeit jedoch 0,3 cm/cm/min bis 0,75 cm/cm/min beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vordickenverringerung 15% bis 35% beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Legierung eine Gasturbinentriebwerkscheibe hergestellt wird.