DE1133566B

DE1133566B - Verfahren zum Herstellen von Gegenstaenden aus Nií¬Crí¬Coí¬Al-Legierungen

Info

Publication number: DE1133566B
Application number: DEM19230A
Authority: DE
Inventors: Walter Betteridge; Arthur William Franklin; Ronald Alfred Smith
Original assignee: Mond Nickel Co Ltd
Current assignee: Mond Nickel Co Ltd
Priority date: 1952-07-09
Filing date: 1953-07-07
Publication date: 1962-07-19

Description

Verfahren zum Herstellen von Gegenständen aus Ni-Cr-Co-Al-Legierungen Von Legierungen, aus denen Gegenstände gefertigt werden sollen, die bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit aufweisen müssen, wird auch Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und. hohe Kriechfestigkeit verlangt. Gewöhnlich werden für solche Zwecke Legierungen verwendet, die im wesentlichen aus Nickel, Chrom und Kobalt bestehen und ferner Aluminium und Titan enthalten, die mit einem Teil des Nickels eine ausscheidbare Phase bilden.
Damit die genannten Legierungen hohe Kriechfestigkeitswerte annehmen, werden sie einer Wärm behandlung unterzogen. Es. ist bekannt, diese Wärmebehandlung in zwei Stufen durchzuführen, derart, daß die Legierung zunächst einer vorzugsweise mehrere Stunden dauernden Lösungsglühung bei Temperaturen oberhalb 1000° C unterworfen wird, der nach dem Abkühlen an Luft eine ebenfalls langdauernde Glühung im Bereich von etwa 600 bis 850°C zum Zwecke des Au.sscheidungshärtens nachfolgt.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, den Legierungen dadurch eine erhöhte Kriechfestigkeit zu verleihen, daß eine dritte Glühbehandlung zwischen die Lösungserhitzung und die Glühung bei 600 bis 850° C eingeschaltet wird. Bei diesem dreistufigen Wärmebehandlungsverfahren wird die Temperatur der Zwischenglühung so gewählt, daß sich die Ausscheidung der Härtungsphase vollzieht. Die Zwischenglühungstemperatur muß demnach unterhalb der Lösungstemperatur der Härtungsphase liegen. Das mit diesem bekannten dreistufigen Wärmebehandlungsverfahren erzielbare Zeitstandverhalten hochwarmfester Legierungen der genannten Art erfüllt nicht die heutzutage erheblich gestiegenen Anforderungen.
Es ist für die genannten warmfesten Legierungen ferner eine dreistufige Wärmebehandlung bekanntgeworden, die darin besteht, daß der Werkstoff zunächst lösungsgeglüht, dann in heißem Zustand warmverformt, 1 Stunde lang bei etwa 1050° C zwischengeglüht und anschließend einer Glühung zur Ausscheidungshärtung bei 700 bis 800° C unterzogen wird. Durch die Warmverformung vor dem Zwischenglühen wird der Werkstoff feinkörnig. Ein verbessertes Zeitstandverhahen ist nicht angestrebt und wird auch nicht erzielt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine erhebliche Verbesserung der Kriechfestigkeit der Legierungen erzielt werden kann, wenn die Temperatur der Zwischenglühung so hoch gewählt wird, daß eine merkliche Ausscheidung der Härtungsphase mit der ungefähren Zusammensetzung Ni. (Ti, Al) nicht stattfinden kann, sondern lediglich Metallkarbide sich an den Korngrenzen abscheiden. Weiterhin hat der Erfinder erkannt, daß die dreistufige Wärmebehandlung nur dann eine die Kriechfestigkeit wesentlich steigernde Wirkung erzielen läßt, wenn die Warmformgebung ausschließlich vor der Wärmebehandlung durchgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Gegenständen, insbesondere von Gasturbinenschaufeln, aus Ni-Cr-Co-Al-Legierungen mit 15 bis 25% Chrom, 5 bis 40 % Kobalt, 0 bis 0,2% Kohlenstoff, 1,5 bis 2,5'% Aluminium, 2,8 bis 4% Titan, 0 bis 10% Eisen, 0 bis 1% Mangan, 0 bis 1,5% Silizium, 0 bis 5,1/o Molybdän, 0 bis 5% Wolfram, 0 bis 1% Niob und/oder Tontal, 0 bis 0,2°/o Zirkon, 0 bis 0,01.% Bor, Rest Nickel, die nach der Formgebung einem Lösungsglühen, einer Zwischenerhitzung und einer Ausscheidungshärtung unterworfen werden, worauf die Gegenstände erforderlichenfalls durch eine mechanische, die Wirkung der Wärmebehandlung nicht beeinflussende Bearbeitung ihre endgültige Form erhalten, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenerhitzung während zumindest 4 Stunden bei einer Temperatur von 1000 bis 1100° C erfolgt.
Die Lösungsglühung wird in bekannter Weise durchgeführt. Sie kann beispielsweise darin bestehen, daß die Legierung während 1/2 bis 12 Stunden bei 1150°C und dann '/4 bis 4 Stunden bei 1250'C gehalten wird. Dem Zwisehenerbitzen nach der Erfindung, das während mindestens 4 Stunden bei 1000 bis 1100°C durchgeführt wird, schließt sich die Ausscheidungshärtung an, die beispielsweise aus einer 16stündigen Erhitzung bei 700°C bestehen kann. Die Bildung der Härtungsphase Ni. (Ti, Al) geschieht also erst in der dritten Stufe der Wärmebehandlung. Zwischen den einzelnen Glühstufen können die Legierungen abgekühlt werden; die verschiedenen Stufen können aber auch ohne zwischenzeitliche Kühlung der Legierung einander unmittelbar folgen.
Nach dem Beginn der Wärmebehandlung dürfen die Legierungen nicht mehr durch mechanische Belastung verformt oder sonst beansprucht werden. Einfaches Schleifen oder spanabhebendes Formen ist aber zulässig, da dabei keine Spannungen im Werkstück erzeugt werden. Der aus den Legierungen herzustellende Gegenstand muß also im wesentlichen fertig sein, bevor die Lösungserhitzung angewandt wird:. Als »Gegenstand« ist dabei aber nicht nur das endgültige Fertigteil, z. B. eine Turbinenschaufel, zu verstehen, sondern auch ein Barren, Streifen, Schmiede- oder Preßteil, aus dem das Fertigstück spanabhebend hergestellt werden kann.

Die wesentlich höhere Zeitstandfestigkeit und die merklich verringerte Kriechgeschwindigkeit bei höhen Temperaturen von nach der Erfindung wärmebehandelten Proben vergleichsweise zu in bekannter Weise zweistufig wärmebehandelten Proben aus derselben Legierung ergibt sich aus der nachfolgenden Tabelle 1. Die Zusammensetzung der Legierungen lag in einem Bereich um etwa 20% Chrom, 17% Kobalt, 3'% Titan, 201o Aluminium, 0,06% Kohlenstoff und 58% Nickel. Die Proben wurden einer Zeitstandprüfung durch Belastung mit 14 kg/mm2 bei einer Temperatur von 870° C unterzogen. Die zweistufig zu glühenden Proben wurden 8 Stunden lang bei 1080° C gehalten, dann an der Luft abgekühlt und anschließend 16 Stunden lang bei 700° C geglüht (Behandlung 1). Die nach der Erfindung zu erhitzenden Proben (Behandlung 1I) wurden 11/2 Stunden lang bei 1200°C geglüht, in einen anderen Ofen übergeführt und dort 8 Stunden lang bei 1080° C zwischengeglüht und ferner nach einer Luftabkühlung während 16 Stunden bei 700° C ausscheidungsgehärtet.

Tabelle 1

Behandlung I Behandlung II

Analyse Kriech- Zeit Kriech- Zeit

geschwindigkeit bis zum ges chwindigkeit bis zum

Bruch Bruch

Co I Cr Ti I A1 I C (o/o/Stunde) (Stunden) (o/o/Stunde) (Stunden)

16,8 19,8 2,83 1,51 0,05 0,0068 68 0,0017 114

18,2 19,9 2,78 1,51 0,05 0,0056 76 0,0022 167

17,7 19,7 3;04 1,90 0,06 0,0074 89 0,0040 114

17,0 19;5 3,06 2,14 0,05 0,0067 110 0,0066 159

17,2 20,2 2,74 1,71 0,07 0;0054 69 0;0026 135

Die Wichtigkeit einer hohen Temperatur von 1000 bis 1100° C beim Zwischenglühen nach der 45 Erfindung ist in der folgendem. Tabelle 2 gezeigt: Die Ergebnisse sind unter den schon für Tabelle 1 gültigen Prüfbedingungen (14 kg/mm2 bei 870° C) gewonnen.

Tabelle 2

Kriech- Zeit

Zwischenglühstufe geschwindig- bis zum

keit Bruch

(o/o/Stunde) (Stunden)

8 Stunden bei 1080° C . . 0,0020 181

16 Stunden bei 10000 C . . 0,0034 134

16 Stunden bei 950° C ... 0,0105 81

16 Stunden bei 900° C ... 0,0100 44

Bei einer Zwischenglühtemperatur, die nur 50° C unterhalb der erfindungsgemäßen Mindesttemperatur (1000°C) lag, ergab sich eine rund dreimal größere Kriechgeschwindigkeit und eine erheblich verminderte Standzeit bis zum Bruch.

Es ist zweckmäßig, wenn für die Temperatur beim Lösungsglühen zeitweise, beispielsweise für 1/2 Stunde, ein Bereich von etwa 1200 bis 1250° C gewählt wird.
Ist der Kohlenstoffgehalt größer als 0,1%, dann soll die Legierung aus dem Ofen für die Lösungsglühung möglichst unmittelbar in den Ofen für die Zwiechenglühung übergeführt werden; falls aber eine Abkühlung vorgenommen wird, dann sollte der Temperaturbereich um 950° C; beispielsweise der Bereich (950° C± 25° C), sehr schnell durchschritten werden.
Die gemäß der Erfindung wärmebehandelten Legierungen eignen sich nach den vorstehenden Ergebnissen vorzüglich für Fertigteile, deren Arbeitstemperatur einen hohen Wert von z. B. 870° C hat. Derart hohe Betriebstemperaturen treten insbesondere bei Gasturbinenschaufeln vo Flugzeugmotoren auf.

Claims

PATENTANSPRUCH: Verfahren zum Herstellen von Gegenständen, insbesondere von Gasturbinenschaufeln aus Ni-Cr-Co-Al-Legierungen mit 15 bis 25 % Chrom, 5 bis 40% Kobalt, 0 bis 0,2% Kohlenstoff, 1,5 bis 2,5% Aluminium, 2,8 bis 44/o Titan, 0 bis 1011/o Eisen, 0 bis -1-% Mangan, 0 bis 1,511/o Silizium, 0 bis 511/o Molybdän, 0 bis 511/o Wolfram, 0 bis 1% Niob und/oder Tantal, 0 bis 0,211/o Zirkon, 0 bis 0,0111/a Bor, Rest Nickel, die nach der Formgebung, einem Lösungsglühen, einer Zwischenerhitzung und einer Ausscheidungshärtung unterworfen werden, worauf die Gegenstände erforderlichenfalls durch eine mechanische, die Wirkung der Wärmebehandlung nicht beeinflussende Bearbeitung ihre endgültige Form erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenerhitzung während. zumindest 4 Stunden bei einer Temperatur von 1000 bis 1100° C erfolgt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 824 396; belgische Patentschrift Nr. 494 001.