DE3446176C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmebehandlung, der bestimmte Superlegierungs-Gußstücke unterzogen werden können, um ein Schmelzen zu verhindern und die Ergebnisse eines anschließenden heißisostatischen Pressens (HIP) zu verbessern.

Superlegierungen oder hochwarmfeste Legierungen sind Ma­ terialien, üblicherweise auf Nickel- oder Kobalt-Basis, die bei Temperaturen in der Größenordnung von 538°C und darüber nützliche Eigenschaften zeigen und auf dem Gebiet der Gasturbinentriebwerke verwendet werden. Superlegierun­ gen behalten ihre Festigkeit bis zu Temperaturen in un­ mittelbarer Nähe ihrer Schmelztemperatur bei. Infolge die­ ser extrem erhöhten Temperaturfestigkeit können Superle­ gierungen nur schwierig geschmiedet werden und werden oft in gegossener Form verwendet. Das Gießen erlaubt auch ei­ ne wirtschaftliche Herstellung von komplexen Formen, die nur ein Minimum an anschließender spanabhebender Bearbei­ tung erfordern. Die Eigenschaften der Gußstücke sind je­ doch durch die Porosität begrenzt, zu der es während des Gießens unvermeidlich kommt. Die Porosität wirkt sich schädlich auf die mechanischen Eigenschaften aus und kann insbesondere die Hochtemperatureigenschaften, wie bei­ spielsweise die Zugduktilitätsspannungs-Bruch-Lebensdauer sowie die Ermüdung bei niedrigen Lastspielzahlen vermin­ dern. Die komplexen Superlegierungen neigen gelegentlich auch dazu, unter bestimmten Bedingungen niedrig schmelzen­ de Phasen auszubilden.

Die als heißisostatisches Pressen (HIP) bekannte Technik wurde entwickelt, um die Porosität in Gußgegen­ ständen zu vermindern. Bei dem HIP-Verfahren werden ge­ gossene Gegenstände in einer Kammer angeordnet und auf erhöhte Temperatur erhitzt, während die Kammer gleich­ zeitig mit einem Hochdruck-Inertgas gefüllt wird (vgl. z. B. Sprechsaal, Vol. 116, Nr. 2, 1983, S. 95 - 98).

Für viele Superlegierungen sind typische Bedingungen des HIP-Verfahrens ein Gasdruck von etwa 103,4 MPa und eine Temperatur von etwa 1093-1204°C. Die erhöhte Temperatur macht das Material relativ weich und duktil, und der hohe Gasdruck erzwingt ein Schließen von inneren Hohlräumen. Gleichzeitig kommt es zu einer Homogenisierung, die die Eigenschaften des Gegenstandes weiter verbessert. Da Su­ perlegierungen ihre Festigkeit bis zu extrem hohen Tem­ peraturen beibehalten, wird die HIP-Behandlung von Super­ legierungen häufig bei einer Temperatur im Bereich von 55°C unterhalb ihrer üblichen Anschmelztemperatur durchge­ führt.

In jüngerer Zeit wurden im Zuge der Bemühungen, die Kosten und das Gewicht von Gasturbinentriebwerken zu vermindern, große komplexe Superlegierungs-Gußstücke als Ersatz für komplexe Teile untersucht, die gegenwärtig dadurch herge­ stellt werden, daß man Schmiedestücke spanabhebend behan­ delt. Eine besonders nützliche Legierung für bestimmte Anwendungszwecke ist bekannt als Inconel 718

(Nominalzusammensetzung
Ni-19Cr-18Fe-5,2Nb-3Mo-0,9Ti-0,6Al-0,05C).

Nachdem viele mit dem Gießen verbundene Probleme gelöst wurden und scheinbar nützliche Gußstücke hergestellt wor­ den waren (die jedoch eine Porosität aufweisen), wurden die Gußstücke der üblichen HIP-Behandlung unterzogen, um die Porosität und die Entmischung zu vermindern. Im An­ schluß an die HIP-Behandlung wurden Versuche unternommen, Gußstücke durch Schweißen zu reparieren. Beim Schweißen des HIP-behandelten Materials stieß man jedoch auf Schwie­ rigkeiten, da es zu einem beträchtlichen Schweißspritzen, begleitet von einer anormalen Porosität der Schweißnaht kam. Es wurde ferner beobachtet, daß in bestimmten Be­ reichen des Gußstückes eine gewisse interne Porosität nicht eliminiert wurde. Nach einer sorgfältigen und lang­ wierigen Untersuchung wurde festgestellt, daß die beobach­ teten Schwierigkeiten das Ergebnis des Einschlusses von Hochdruck-HIP-Medium (Argongas) in Poren war, die mit der Oberfläche entweder direkt oder über die Korngrenzen verbunden waren. Zu diesen Gaseinschlüssen kam es offen­ sichtlich, wenn bei der HIP-Temperatur ein lokales Schmel­ zen des Gegenstandes erfolgte. Ein Gas, das auf dem Wege einer mit der Oberfläche verbundenen Porosität oder über die Korngrenzen in den Gegenstand eingedrungen war, wurde durch Wiederverfestigung des geschmolzenen Materials ge­ fangen. Es wurde festgestellt, daß derartige Gaseinschlüs­ se in solchen Bereichen des Gußstücks erhalten wurden, bei denen es während des Gießverfahrens zu einer niedrigen Ab­ kühlgeschwindigkeit kam, und daß die Wurzel des Problems die Gegenwart von niedrigschmelzenden Laves-Phasen in sol­ chen Bereichen des Gußstücks war, die langsam abgekühlt worden waren. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung dieses Problems und der Entwicklung einer Lö­ sung, die nachfolgend beschrieben wird.

Die US-PS 27 98 827; 37 53 790 und 37 83 032 lehren die Anwendung von Wärmebehandlungen bei Temperaturen unterhalb, jedoch in der Nähe der Anschmelztemperatur für Zeiträume, die ausreichen, eine teilweise Homogenisierung niedrig­ schmelzender Bereiche in Superlegierungs-Gegenständen zu erreichen, insbesondere bei Turbinenschaufeln, deren An­ schmelzen eine ordnungsgemäße Wärmebehandlung störte. Kei­ nes dieser Patente betrifft explizit Laves-Phasen, die in der Legierung Inconel 718 anwesend sind, noch betrifft eines dieser Patente das Problem der Gaseinschlüsse wäh­ rend der HIP-Behandlung von Gußstücken auf Nickelbasis.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Ver­ fahren zur HIP-Behandlung von Superlegierungs-Gegen­ ständen so zu verbessern, daß es bei der HIP-Behandlung nicht zu Gaseinschlüssen kommt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dem Unter­ anspruch zu entnehmen.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Behandlung von Superlegierungs-Gußstücken zur weitgehenden Entfer­ nung niedrigschmelzender Phasen, um die Anschmelztempera­ tur der Legierung so anzuheben, daß die Legierung einer HIP-Behandlung unterzogen werden kann, ohne daß es zu ei­ nem nennenswerten Anschmelzen kommt, so daß das behandel­ te Gußstück frei von schädlichen Mengen eingeschlossener Gase ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Wärmebehandlung vor der HIP-Behandlung durchgeführt, und diese HIP-Behandlung umfaßt die Anwen­ dung einer Temperatur in der Nähe, jedoch unterhalb der Anschmelztemperatur für eine solche Zeit, die die An­ schmelztemperatur auf eine Temperatur über derjenigen steigert, die im HIP-Verfahren angewandt werden wird. Es können auch stufenweise Wärmebehandlungen zur Anwen­ dung kommen, so daß mit der Erhöhung der Anschmelztempe­ ratur des Gegenstandes die Wärmebehandlungstemperatur ebenfalls erhöht wird, um die Zeit abzukürzen, die zum Erreichen der gewünschten Ergebnisse erforderlich ist. Die Wärmebehandlung kann vor dem HIP-Verfahren durchge­ führt werden, oder sie kann ein Teil der HIP-Behand­ lungssequenz sein, und sie kann in der HIP-Vorrichtung mit oder ohne Anlegen eines Gasdrucks durchgeführt wer­ den.

Die obigen Ausführungen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vor­ teile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die Figuren erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Schliffbild der Legierung Inconel 718 im frisch gegossenen Zustand;

Fig. 2 ein Schliffbild einer gegossenen Inconel 718-Legierung nach einem Erwärmen auf 1190°C;

Fig. 3 und 4 Photographien von gegossenem Inconel 718- Material nach einer HIP-Behandlung bei 1190°C; und

Fig. 5 ein Schliffbild einer gegossenen Inconel 718-Legierung, die der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung unterzogen und dann bei 1190°C einer HIP-Behandlung unterzogen wurde.

Nachfolgend wird die Erfindung im Hinblick auf die Le­ gierung Inconel 718 beschrieben, die in weitem Umfange für die Herstellung von komplexen Gußstücken zur Verwen­ dung bei mittleren Temperaturen verwendet wird. Es ist dem Fachmann jedoch klar, daß die Erfindung leicht auf andere Legierungen übertragen werden kann, wenn der Fachmann sein Routinewissen heranzieht.

Inconcel 718 weist eine Nominalzusammensetzung von

53Ni-19Cr-18Fe-5,2Nb-3Mo-0,9Ti-0,6Al-0,05C

auf und kann bei etwa 1190°C etwa 4 Stunden bei einem Argondruck von etwa 103,4 MPa HIP-behandelt werden. Die HIP-Temperatur wird so ausgewählt, daß bei ihr der Legierungs-Fließ­ widerstand ausreichend niedrig ist, um ein Ausheilen der Porosität bei einem isostatischen Druck von 103,4 MPa zu ermöglichen. Andere Umstände (andere Legierungen, Gas­ drücke usw.) machen andere HIP-Temperaturen erforderlich. Der Fachmann kann auf einfache Weise die HIP-Bedingungen im erforderlichen Sinne modifizieren.

Bei einem Inconel 718-Material wird die Bildung von Laves-Phasen der allgemeinen Formel (Fe, Cr, Mn, Si)₂ (Mo, Ti, Nb) beobachtet, wenn die Verfestigungsgeschwin­ digkeit geringer ist als etwa 55°C pro Minute. Der Volu­ menanteil der Laves-Phasen ist der Verfestigung umgekehrt proportional, wie in Tabelle I gezeigt ist. Demgemäß werden in einem gegossenen Inconel 718-Material die Laves­ Phasen in solchen Bereichen gefunden, in denen dicke Querschnitte des Gußstücks zu einer langsamen Abkühlge­ schwindigkeit geführt haben. Laves-Phasen (Inconel 718) schmelzen innerhalb eines angenäherten Temperaturbereichs von 1149°C bis 1177°C, und zwar etwa 14°C bis 42°C un­ terhalb der Temperatur, die für eine ordnungsgemäße HIP­ Verarbeitung des Materials erforderlich ist.

VerfestigungsgeschwindigkeitVolumen-Prozent
Laves-Phasen

<55°C/min<1   17°C/min  5    5,5°C/min  7

Die vorliegende Erfindung umfaßt die Wärmebehandlung des Materials, um die niedrigschmelzenden Phasen im wesent­ lichen zu homogenisieren, um sie entweder zu eliminieren oder ihre Schmelztemperatur auf eine Temperatur oberhalb von etwa 1190°C (d. h. die beabsichtigte HIP-Temperatur) zu erhöhen. Es dürfte einzusehen sein, daß obwohl eine vollständige Homogenisierung und/oder eine Erhöhung der Anschmelztemperatur ungefähr auf die HIP-Temperatur be­ vorzugt ist, solche Ergebnisse nicht immer erforderlich sein müssen. Insbesondere kann festzustellen sein, daß eine gewisse Menge (z. B. weniger als 1%) an Anschmelzen toleriert werden kann. In einem solchen Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren so modifiziert werden, daß dieses nützliche (wenn auch weniger perfekte) Ergebnis erhalten wird. Tabelle II gibt eine Reihe von Wärmebe­ handlungen an, die untersucht wurden. Diese Behandlungen wurden auf ein Inconel 718-Gußstück angewandt, das etwa 7 Vol.-% Laves-Phase enthielt. Die Behandlungen A und B führten zu einer völligen Homogenisierung der Struktur, und es kam weder während der Wärmebehandlung noch wäh­ rend des anschließenden HIP (bei 1190°C) zu einem Schmel­ zen. Die Behandlungen C und D führten zu keiner vollstän­ digen Homogenisierung der Struktur, obwohl das Ausmaß des Schmelzens beim anschließenden HIP bei 1190° bis zu dem Punkt vermindert war, daß Gaseinschlüsse verhindert oder bis auf ein nicht mehr nachweisbares Ausmaß vermin­ dert war. Die Behandlungen E und F führten zu einem ge­ wissen Anschmelzen während der Wärmebehandlung und eli­ minierten oder verminderten während des anschließenden HIP das Schmelzen soweit, daß die Bildung von Gasein­ schlüssen verhindert wurde.
Behandlung A1149°C (24 h) Behandlung B1133°C ( 8 h)+1149°C (16 h) Behandlung C1149°C ( 8 h) Behandlung D1149°C (16 h) Behandlung E1149°C ( 2 h)+1163°C (2 h)
+1177°C (2 h) Behandlung F1133°C (2 h)+1149°C (2 h)
+1163°C (2 h)+1175°C (2 h)

Da die Menge der Entmischung mit niedrigem Schmelzpunkt für unterschiedliche Gußstück-Konfigurationen infolge von Unterschieden bei den Verfestigungsgeschwindigkeiten vari­ iert, variiert auch die spezifische Behandlung, die er­ forderlich ist, das Anschmelzen während der anschließenden HIP-Behandlung vollständig oder beträchtlich zu vermindern, wenn die Form des Gußstücks und die exakte Chemie variie­ ren. Die Behandlungen A und B scheinen für Gußstücke wirk­ sam zu sein, die das höchste Ausmaß an Entmischung zei­ gen. Die Behandlungen C und D sind für solche Gußstücke wirksam, die einen geringeren Entmischungsgrad aufweisen. Die Behandlungen E und F veranschaulichen Behandlungen, bei denen die Temperatur während der Behandlung fort­ schreitend erhöht wird. Das ist möglich, weil die Laves­ Phasen abnehmen und/oder die Anschmelztemperaturen infolge von Diffusion zunehmen. Bei solchen Behandlungen, die zu einem Anschmelzen während der Behandlung führen, sollte die Behandlung nicht in der HIP-Vorrichtung (unter Über­ druckbedingungen) durchgeführt werden, da es dabei zu Gaseinschlüssen kommen könnte.

Verschiedene mikrostrukturelle Aspekte des erfindungs­ gemäßen Verfahrens sowie der bekannten Verfahren sind in den Figuren gezeigt. Fig. 1 zeigt die Mikrostruktur von Inconel 718 im frisch gegossenen Zustand. Die diskre­ ten Bereiche in der Darstellung sind die niedrigschmel­ zenden Laves-Phasen. Fig. 2 zeigt ein Schliffbild des Materials gemäß Fig. 1 nach einem Erhitzen auf 1190°C, eine Temperatur, die innerhalb des üblichen Temperaturbe­ reichs für die HIP-Behandlung von Inconel 718 liegt. Es ist zu einem wesentlichen Schmelzen gekommen, und die Ei­ genschaften des Materials haben sich dadurch unannehmbar verschlechtert. Die Fig. 3 und 4 zeigen mikrostrukturelle Merkmale des Inconel 718-Materials nach einer HIP-Behand­ lung bei 1190°C. In Fig. 3 ist eine Porosität zu erken­ nen, die auf ein lokales Schmelzen zurückgeführt wird; diese Porosität zeigt an, daß das Ziel des HIP-Verfahrens nicht erreicht wurde. Fig. 4 zeigt Bereiche, die während der HIP-Behandlung schmolzen, und ein derartiges Material mit solchen Merkmalen ist für eine Anwendung in Gasturbi­ nentriebwerken nicht akzeptabel. Fig. 5 zeigt ein Schliff­ bild eines Materials, das gemäß der vorliegenden Erfindung wärmebehandelt wurde (1133°C/8 h plus 1149°C/16 h) und anschließend einer HIP-Behandlung bei 1133°C unterzogen wurde. Es sind keine Schmelzspuren vorhanden, und es ist keinerlei Porosität zu erkennen.

Claims (2)

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Gegenständen aus Super­ legierungen vor dem heißisostatischen Pressen (HIP), die Phasen enthalten, die unterhalb der Temperatur des heißiso­ statischen Pressens anschmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände knapp unterhalb der Anschmelztemperatur dieser Phasen für einen solchen Zeit­ raum geglüht werden, der ausreicht, die Anschmelztemperatur über die Temperatur anzuheben, bei der das heißisostatische Pressen vorgenommen werden soll.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühtemperatur während der Behandlung fortschreitend erhöht wird.