DE69109834T2

DE69109834T2 - Gussteileherstellung aus Superlegierungen mit hoher Schmelztemperatur.

Info

Publication number: DE69109834T2
Application number: DE69109834T
Authority: DE
Inventors: Robert Dzugan; Stephen J Ferrigno; Marc J Froning; William R Young
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-12-18
Filing date: 1991-11-26
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2011-11-27
Also published as: DE69109834D1; US5071054A; JPH0724933B2; EP0491189A1; EP0491189B1; JPH04309452A; CA2056527C; CA2056527A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Superlegierungs-Gegenständen und insbesondere auf die Herstellung von gegossenen Superlegierungs-Gegenständen aus bei hoher Temperatur schmelzenden Superlegierungs- Zusammensetzungen.
Einige der herausfordernsten Anwendungen für Materialien werden in Flugzeug-Gasturbinentriebwerken gefunden. Die Materialien, die in derartigen Triebwerken verwendet werden, müssen hohen Temperaturen und Beanspruchungen in widrigen Umgebungen über langen Zeiträumen und durch viele Zyklen von Anfahren und Abschalten widerstehen. Die Leistungsaufgaben der Strukturen müssen mit Materialien erfüllt werden, die so leicht wie möglich sind, weil jedes Extra-Kilogramm an Gewicht die Größe der Nutzlast verkleinert, die das Flugzeug tragen kann. Schließlich müssen die Strukturen mit möglichst geringen Kosten hergestellt werden, um die Gesamtkosten für das Triebwerk niedrig zu behalten.
In der Gasturbine oder dem Strahltriebwerk wird Luft in das Vorderende des Triebwerks eingesaugt und durch eine Reihe von Verdichterschaufeln komprimiert. Die verdichtete Luft wird mit Brennstoff gemischt, und das Gemisch wird gezündet. Die expandierenden Verbrennungsprodukte drehen eine Turbine, die den Verdichter antreibt, und expandieren dann am stromabwärtigen Ende des Triebwerkes, um eine Vorwärtsbewegung des Triebwerkes zu bewirken. Die Prinzipien der Thermodynamik bestimmen, daß die Temperatur des Verbrennungsgases so hoch wie möglich sein sollte, um die höchstmögliche Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad zu erzielen, aber die verfügbaren Materialien und Konstruktionstechniken begrenzen die Temperaturen, an denen das Triebwerk arbeiten kann. Somit wird die Entwicklung von effizienten, leistungsstarken Flugzeugtriebwerken in einem kontinuierlichen Bemühen reflektiert, verbesserte Materialien und Konstruktionsmethoden für die Triebwerke anzugeben, die immer höhere Betriebstemperaturen gestatten.
Das moderne Axialströmungs-Strahltriebwerk ist im allgemeinen röhrförmig, wobei die Luft in das Vorderende des Rohres gezogen wird und die Verbrennungsgase am rückwärtigen Ende des Rohres expandieren. Der Verdichter und die Turbine sind auf einer umlaufenden Welle angebracht, die entlang der Mitte des Triebwerks verläuft, und die ringförmige Brennkammer ist um die Welle herum angeordnet. Das Triebwerk muß die strukturelle Festigkeit und Stabilität haben, um die Betriebskomponenten zusammenzuhalten und die umlaufende Welle in einer präzisen Ausrichtung zu halten, so daß der Verdichter und die Turbine richtig arbeiten können. Die Struktur muß auch den widrigen Wirkungen der hohen Temperaturen widerstehen, die in der Gasströmungsbahn in den stromabwärtigen Abschnitten des Triebwerkes auftreten.
Die konventionelle Lösung zum Fertigen des Abschnittes der Triebwerksstruktur, der hoher Temperatur ausgesetzt ist, besteht darin, die einzelnen Stücke des lasttragenden Rahmens aus einer gießbaren Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Superlegierung herzustellen. Eine Auskleidung, die im allgemeinen aus einer geschmiedeten Superlegierung hergestellt ist, wird zwischen der gegossenen Rahmenstruktur und dem heißen Verbrennungsgas angeordnet, um der Hitze zu widerstehen. Die Auskleidung trägt keinen wesentlichen Teil der strukturellen Belastungen, ist aber vorhanden, um die lasttragende Strukturen vor Temperaturen zu schützen, die sie schmelzen oder schnell verschlechtern könnte.
Dieser Typ von Rahmenkonstruktion resultiert aus der Unfähigkeit von leicht gießbaren Superlegierungen, den hohen Temperaturen des Verbrennungsgases zu widerstehen. Einige Superlegierungen sind leicht herzustellen durch Schmelzen und Gießen, während andere durch diese Lösung nur mit großer Schwierigkeit, wenn überhaupt, hergestellt werden können aufgrund der Defekte, die in aus derartigen Legierungen hergestellten Komponenten ausgebildet werden. Diese zweite Klasse von schwierig zu gießenden Superlegierungen hat im allgemeinen höhere Betriebstemperaturfähigkeiten als die leicht gießbaren Legierungen, und es würde wünschenswert sein, die Rahmenkomponenten aus den eine hohe Schmelztemperatur aufweisenden, schwierig zu gießenden Superlegierungen zu fertigen, die nachfolgend als nicht-gießbare Legierung oder nicht-gießbare Superlegierungen bezeichnet werden. Weil diese nicht-gießbaren Legierungen häufig auch schwierig zu schweißen sind, sind selbst geschweißte Strukturteile, die aus diesen Materialien hergestellt sind, in der Vergangenheit nicht praktikabel gewesen. Die konventionelle Lösung hat deshalb die Trennung der lasttragenden und der wärmebeständigen Funktionen und die Vorsehung von einem getrennten Teil erfordert, um jede Funktion zu erreichen. Die getrennten Teile vergrößern das Gewicht und die Komplexität des Triebwerkes.
Es besteht ein Bedürfnis für eine Lösung zum Verbessern der Fertigung der Flugzeug-Strahltriebwerken, um deren Gewicht zu verkleinern, während ihre Hochtemperatur- Leistungsfähigkeit beibehalten wird. Die vorliegende Erfindung erfüllt dieses Bedürfnis und schafft ferner damit im Zusammenhang stehende Vorteile.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft eine Lösung zum Herstellen von Flugzeug-Strahltriebwerken, die das Gewicht des Triebwerkes senken, indem die strukturellen lasttragenden Komponenten höheren Temperaturen widerstehen können als es bisher möglich war. Es werden bei hoher Temperatur schmelzende, schwierig zu gießende Superlegierungen verwendet, um Strukturen durch Gießen zu fertigen, wobei das Erfordernis für eine Auskleidung oder eine andere Form von Schutz gegen die heißen Gastemperaturen vermieden wird.
Gemäß der Erfindung enthält ein Verfahren zum Herstellen eines gegossenen Superlegierungs-Gegenstandes aus einer bei hoher Temperatur schmelzenden, schwierig zu gießenden Superlegierung die Schritte, daß ein Gegenstand aus einer bei hoher Temperatur schmelzenden, schwierig zu gießenden Superlegierung gegossen wird; primäre Defekte in dem gegossenen Gegenstand identifiziert und charakterisiert werden; die primären Defekte und ein Teil des Metalls um jeden Defekt herum ausgeschnitten werden, um ein ausgeschnittenes Volumen an der Oberfläche des Gegenstandes hervorzurufen; das ausgeschnittene Volumen mit einem Füllmetall gefüllt wird; die Füllmetalldefekte geglättet und Oxid an der Oberfläche des Füllmetalls beseitigt wird; eine Mischung von einem Binder und einem Auskleidungs- bzw. Überzugspulver auf die Oberfläche des Füllmetalls aufgebracht wird; der Gegenstand wärmebehandelt wird, um den Binder zu beseitigen und das Überzugspulver zu schmelzen und zu verfestigen; und der Gegenstand einem heißen isostatischen Preßen unterzogen wird.
Es ist in der Technik üblich, eine Unterscheidung zwischen "gießbaren" und "schwierig zu gießenden" Superlegierungen zu machen, und dieser Unterscheidung wird hier gefolgt. Der Fachmann erkennt, daß die "gießbaren" Legierungen in große, komplexe, strukturelle Formen mit einem zulässig kleinen Auftreten von Gießdefekten, wie beispielsweise heiße Rißbildung oder Schrumpfen, gegossen werden kann. Bei "schwierig zu gießenden" Legierungen ist das Auftreten derartiger mit der Oberfläche verbundener und unterhalb der Oberfläche liegender Gießdefekte so häufig und so ernsthaft, daß die Legierungen im allgemeinen von einer Überlegung für strukturelle Gußstücke ausgeschlossen werden, obwohl derartige Legierungen einfach in kleine Gegenstände gegossen werden können, wie beispielsweise Gasturbinen-Triebwerksschaufeln. Aufgrund der Schwere der Defekte in großen, komplexen, strukturellen Formen von derartigen Legierungs-Gußstücken werden diese schwierig zu gießenden Legierungen, obwohl sie als kleine Gegenstände gegossen werden können, häufig als "nicht-gießbare" Legierungen bezeichnet. Somit wird der Begriff "nicht- gießbare" Legierungen hier dahingehend benutzt, daß er sich auf schwierig zu gießende Legierungen bezieht.
Bisher ist keine Definition bezüglich der Zusammensetzung von gießbaren und nicht-gießbaren Superlegierungen möglich. Stattdessen werden die zwei Klassen durch ihre funktionale Leistungsfähigkeit, wie beschrieben, unterschieden. Eine weitere Unterscheidung kann aus der Einfachheit gezogen werden, mit der Gußstücke, die derartige Defekte aufweisen, repariert oder poliert werden können, um sie für einen beabsichtigten Einsatz akzeptabel zu machen, wie beispielsweise durch Schweißreparatur oder heißes isostatisches Pressen (HIP) Nicht-gießbare Legierungen sind, als eine Regel, schwierig oder unmöglich zu reparieren oder zu schleifen durch einen konventionellen Fusionsschweißprozeß.
Einige Charakteristiken einer Nickelbasis- Superlegierung, die die Tendenz haben würden, anzuzeigen, daß sie nicht-gießbar ist, sind ein schwerer Legierungsgehalt mit einem erweiterten Temperaturbereich, in dem die Legierung teilweise flüssig und teilweise fest ist; Gamma-Strich-Ausscheidungshärtung durch die Gegenwart von einem relativ großen Volumenbruchteil der Gamma-Strich- Phase bei Wärmebehandlung; gute Schweißbarkeit; und gute Beibehaltung von Festigkeit bei Temperaturen oberhalb etwa 815ºC (1500ºF). Derartige Legierungen sind typisch anfällig für heiße Rißbildung während des Gießens und zum Reißen während der Schweißtemperatur und sie werden als nicht- gießbar klassifiziert, weil sie nicht zur Fertigung großer struktureller Komponenten durch konventionelle Techniken verwendet werden können. Einige Beispiele von nicht- gießbaren Legierungen enthalten RENE'108, RENE'77, MAR-M- 509, RENE'125, B-1900, B-1900+Hf, MAR-M-246, Inconel 100, GTD-111, Waspaloy, Inconel 713, Inconel 738, Inconel 792, Inconel 939 und U-500. Turbinenschaufel-Legierungen, wie beispielsweise RENE'80 oder MAR-M-247, werden aus strukturellen Zwecken als nicht-gießbar klassifiziert, obwohl sie routinemäßig zu kleinen Turbinenschaufeln gegossen werden. Inconel 718, die eine weite Anwendung findet zur Erzeugung von großen strukturellen Gußstücken für Gasturbinentriebwerke, ist ein Beispiel für eine Legierung, die als gießbar klassifiziert würde.
In dem Verfahren gemäß der Erfindung wird ein Gegenstand, wie beispielsweise eine strukturelle, lasttragende Komponente von einem Flugzeug-Strahltriebwerk, aus einer nicht-gießbaren Superlegierungs-Zusammensetzung gegossen. Die Superlegierung wird geschmolzen und in eine Gießform gegossen, die die gewünschte Form erzeugt. Ohne weitere Behandlung würde ein derartiger Gegenstand nicht verwendbar sein als eine strukturelle Komponente in einem Triebwerk aufgrund einer großen Anzahl von mit der Oberfläche verbundenen und unter der Oberfläche liegenden Defekten, die hier als "primäre Defekte" bezeichnet werden, die in dem Gegenstand gefunden werden.
Eine bestimmte Form von einem primären Defekt, der besonders nachteilig ist in derartigen strukturellen Komponenten, ist eine rißähnliche Komponente, die heißer Riß genannt wird. Heiße Risse treten typischerweise auf, wenn eine breiig-erstarrende Legierung unter Bedingungen gegossen wird, wo eine wesentliche Behinderung gegen ein gleichförmiges Schrumpfen besteht, die durch die Form oder die Konfiguration des Gegenstandes selbst herbeigeführt wird. Die Temperatursenkung während der Verfestigung bewirkt ein ausreichendes thermisches Schrumpfen und thermische Beanspruchungen, so daß das teilweise flüssige Gußstück nicht in der Lage ist, die thermischen Beanspruchungen aufzunehmen, wodurch das Gußstück reißt. Je größer die behinderte Strecke ist, über der die thermischen Beanspruchungen entwickelt sind, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit für heißes Reißen.
In der vorliegenden Lösung wird der gegossene Gegenstand dadurch repariert oder neu geschliffen bzw. poliert, daß der primäre Defekt und ein Bereich um den Defekt herum beseitigt oder ausgeschnitten wird, beispielsweise indem der weggeschliffen wird. Dann wird das Volumen, wo das Metall beseitigt worden ist, mit einer Füllegierung gefüllt, vorzugsweise mit der im wesentlichen gleichen Zusammensetzung wie derjenigen, die in dem Rest des Gegenstandes verwendet ist, beispielsweise durch ein Verfahren wie Schweißen. Weil die Füllegierung im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung hat wie das Basismetall des Gegenstandes, ist sie auch der Bildung von Defekten ausgesetzt, die hier "Füllerdefekte" genannt werden. Diese Füllerdefekte haben jedoch die Tendenz, kleiner und weniger ernsthaft zu sein als die primären Defekte, die in dem Gegenstand in seinem gegossenen Zustand gefunden werden, und sie können einfacher repariert werden.
Die Füllerdefekte werden geglättet, beispielsweise durch Oberflächenschleifen. Ein Auskleidungs- bzw. Auflageüberzug wird auf die Oberfläche des Füllerbereiches aufgebracht und überlappt typisch die benachbarten Bereiche. Ein Bindermaterial, das aus einer fließfähigen organischen Zusammensetzung hergestellt ist, wird auf den zu behandelnden Bereich durch Streichen, Sprühen oder eine ähnliche Behandlung aufgebracht. Der Binder enthält vorzugsweise ein Acrylharz und ein verdampfbares Lösungsmittel für das Harz, wie beispielsweise ein Keton oder einen Äther. Der Binder ist so gewählt, daß er während einer nachfolgenden Wärmebehandlung vollständig beseitigt werden kann. Das Lösungsmittel verdampft nach dem Aufbringen, so daß der Binder bei Berührung klebrig bleibt für einen Zeitraum vor dem vollständigen Trocknen. Es können eine breite Vielfalt von kompatiblen Harzbindern und Lösungsmitteln verwendet werden.
Ein Überzugs- bzw. Auflagepulver wird auf die Oberfläche des klebrigen Binders aufgestäubt, woraufhin es anhaftet, um eine Überzugs- bzw. Auflageschicht zu bilden. Es können auch andere Verfahren, wie beispielsweise Wirbelbettverfahren, verwendet werden, um das Überzugspulver auf die Oberfläche aufzubringen. Das Verfahren des Aufbringens eines Binders und des Aufstäubens des Überzugspulvers wird mehrere Male wiederholt, um einen Auflageüberzug mit der gewünschten Dicke aufzubauen. Eine typische Dicke des Auflageüberzuges liegt in der Größenordnung von 0,1 mm (0,004 Zoll). Das Auflagepulver wird vorzugsweise so gewählt, daß es eine Mischung von bei hoher Temperatur schmelzenden Teilchen und bei niedriger Temperatur schmelzenden Teilchen enthält, wobei die bei hoher Temperatur schmelzende Komponente aus einer nicht- gießbaren Superlegierung mit im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung wie der Gegenstand gewählt ist, während die niedrig schmelzende Komponente ein zweites Superlegierungsmaterial ist.
Nachdem die gewünschte Dicke des Auflagepulvers auf der Oberfläche des Gegenstandes aufbaut worden ist, wird es wärmebehandelt, vorzugsweise in einem Vakuum, bei einer ausreichend hohen Temperatur, um den Binder zu verdampfen oder zu zersetzen und die Niedertemperaturkomponente des Auflagepulvers zu schmelzen. Nach dem Schmelzen wirkt die Niedertemperaturkomponente als ein den Schmelzpunkt senkendes Mittel für sowohl die bei hoher Temperatur schmelzende Komponente des Auflagepulvers als auch den Gegenstand aus der nicht-gießbaren Legierung, wenn es fließt und in beide diffundiert. Die geschmolzene Niedertemperatur-Legierung löst Elemente aus den anderen Teilchen und aus dem Gegenstandsubstrat, wenn Interdiffusion auftritt und wenn die geschmolzene Legierung durch Kapillarkräfte in irgendwelche verbleibenden Defekte in der Oberfläche des Gegenstandes fließt. Vorzugsweise löst die Niedertemperatur-Legierung eine ausreichende Menge dieser Elemente, so daß eine isothermische Verfestigung bei der Wärmebehandlungstemperatur auftritt. Alternativ wird die Temperatur leicht gesenkt, so daß das Metall im wesentlichen isothermisch erstarrt.
Obwohl das hinzugefügte Material eine Auskleidung, Auflage bzw. ein Überzug genannt wurde, gibt es in dem fertig behandelten Gegenstand wenig oder gar keine Anzeichen von dem Vorhandensein von einer getrennten Materialzusammensetzung. Die Interdiffusion der Superlegierungen und der Fluß von Metall in verbleibende Defekte inkorporiert im wesentlichen die kleine Menge an Niedertemperatur-Superlegierung in dem nicht-gießbaren Superlegierungsfüller und dem Gegenstand. Der Endgegenstand hat polierte oder reparierte Abschnitte, die deshalb im wesentlichen aus der Zusammensetzung der nicht-gießbaren Superlegierung bestehen, abgesehen von einer kleinen Menge der niedrig schmelzenden Komponente, aber er hat nicht die primären Defekte, die in dem Gegenstand in seinem gegossenen Zustand vorhanden waren, oder die Füllerdefekte, die erzeugt waren und dann während des Reparaturverfahrens beseitigt wurden. Dafür, daß der fertige Gegenstand im wesentlichen die Zusammensetzung der nicht-gießbaren Legierung hat, ist wichtig, daß eine Schlüsselaufgabe der Technologie der Erfindung darin besteht, einen Gegenstand aus einer nicht-gießbaren Superlegierung zu erzeugen, die verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu gießbaren Superlegierungen hat.
Schließlich wird der Gegenstand vorzugsweise einem isostatischen Heißpressen unterzogen, um irgendwelche verbleibenden unter der Oberfläche liegenden Defekte zu beseitigen und die Oberflächenreparatur oder -aufpolierung zu konsolidieren. Der Schritt des heißen isostatischen Pressens ist in der Technik bekannt als ein finales Verdichtigungsverfahren und dient auch dazu, Defekte zu heilen, die tief in dem Gegenstand gefunden werden.
Allgemeiner gesprochen enthält ein Verfahren zum Herstellen eines gegossenen Superlegierungs-Gegenstandes aus einer nicht-gießbaren Legierung die Schritte, einen Superlegierungs-Gegenstand aus einer nicht-gießbaren, bei hoher Temperatur schmelzenden Superlegierung zu gießen, wobei der Gegenstand einen primären Oberflächendefekt oder Defekte darin aufweist; und der Gegenstand repariert wird, indem jeder primäre Defekt und ein Bereich um diesen herum ausgeschnitten wird, das ausgeschnittene Volumen mit einer bei hoher Temperatur schmelzenden Superlegierung mit im wesentlichen gleicher Zusammensetzung wie der Gegenstand gefüllt wird, wobei anerkannt wird, daß es Füllmetalldefekte an der Oberfläche des gefüllten Volumens geben kann, irgendwelche Füllmetalldefekte geglättet werden und die Oberfläche des Füllmetalls mit einem Überzug bzw. einer Auflage versiegelt wird, die während einer Wärmebehandlung in die Oberfläche des Füllmetalls diffundiert oder in die Oberflächenfüllmetalldefekte fließt durch Kapillarwirkung nach dem Schmelzen während der Wärmebehandlung. Vorzugsweise wird der gesamte Gegenstand dann einem isostatischen Heißpressen unterzogen.
Somit schafft die vorliegende Erfindung einen wichtigen Fortschritt in der Technik von strukturellen Superlegierungs-Gußstücken. Die lasttragenden Komponenten sind aus Legierungen hergestellt, die eine überlegene Leistungsfähigkeit für einen Betrieb bei erhöhten Temperaturen haben, wodurch das Erfordernis für getrennte Schutzteile, wie beispielsweise Auskleidungen, in einigen Fällen vermieden wird. Das Gewicht des Triebwerkes wird als eine Folge davon verkleinert. Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, detaillierteren Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung deutlich, die als Beispiel die Prinzipien der Erfindung darstellen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht von einem Gegenstand des Typs, der durch die Lösung gemäß der Erfindung gefertigt werden kann;
Figur 2 ist ein vergrößertes Schnittbild von der Oberfläche von einem Gegenstand, wie beispielsweise demjenigen von Figur nach dem Gießen;
Figur 3 ist ein vergrößertes Schnittbild von dem gleichen Bereich wie in Figur 2 nach dem Ausschneiden des primären Defektes, der in gestrichelten Linien gezeigt ist;
Figur 4 ist ein vergrößertes Schnittbild von dem gleichen Bereich, wie in Figur 3, nachdem ein Füllmetall aufgebracht worden ist;
Figur 5 ist ein vergrößertes Schnittbild von dem gleichen Bereich, wie in Figur 4, nach dem Glätten der Füllmetalldefekte;
Figur 6 ist ein vergrößertes Schnittbild von dem gleichen Bereich, wie in Figur 5, nachdem eine Schicht aus Binder und Überzugs- bzw. Auflagepulver aufgebracht worden ist; und
Figur 7 ist ein vergrößertes Schnittbild von dem gleichen Bereich, wie in Figur 6, nach der Wärmebehandlung des Gegenstandes.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Gemäß der Erfindung enthält ein Verfahren zum Herstellen eines Gießgegenstandes aus einer nicht-gießbaren Superlegierung, der unzulässig große Gießdefekte nach der Verfestigung aufweist, die Schritte, daß ein Gegenstand aus einer nicht-gießbaren Superlegierung gegossen wird; ein primärer Defekt an der Oberfläche des gegossenen Gegenstandes identifiziert wird; der primäre Defekt und ein Teil des Metalls um den Defekt herum ausgeschnitten werden, um ein ausgeschnittenes Volumen an der Oberfläche des Gegenstandes hervorzurufen; das ausgeschnittene Volumen mit einem Füllmetall gefüllt wird, das im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie die nicht-gießbare Superlegierung hat; aus der der Gegenstand gegossen ist; Füllmetalldefekte geglättet und Oxid an der Oberfläche des Füllmetalls beseitigt wird; eine Mischung von einem Binder und einem Auflagepulver auf die Oberfläche des Füllmetalls aufgebracht wird, wobei das Auflagepulver typisch eine Mischung aus Pulverteilchen im wesentlichen der Zusammensetzung des nicht-gießbaren Hochtemperatur- Superlegierungsgegenstandes und einer bei niedrigerer Temperatur schmelzenden Superlegierung ist, die die nicht- gießbare Superlegierung benetzt, der Gegenstand wärmebehandelt wird, um den Binder zu beseitigen und das Pulver zu schmelzen und die resultierende Legierung durch isothermische Verfestigung zu verfestigen; und der Gegenstand isostatisch heißgepreßt wird.
Als eine Gruppe haben die nicht-gießbaren Legierungen die Fähigkeit, ihre Festigkeiten und andere wünschenswerte Eigenschaften bei höheren Temperaturen als die gießbaren Superlegierungen beizubehalten (obwohl einige spezifische Ausnahmen bestehen können). Die zu erzielenden Vorteile aus der Verwendung der nicht-gießbaren Superlegierungen in strukturellen, lasttragenden Komponenten sind nicht realisiert worden aufgrund der Defekte, die in den gegossenen Strukturen vorhanden waren.
Ein typischer Gegenstand 20, der unter Verwendung der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann, ist ein Triebwerksrahmen, wie er in Figur 1 gezeigt ist. Die Grundstruktur des Gegenstandes 20 wird durch Präzisionsgießen als ein einziges Stück aus einer nicht- gießbaren Nickelbasis-Superlegierung hergestellt.
Wenn der Gegenstand 20 in konventioneller Weise aus einer nicht-gießbaren Legierung gegossen wird, enthält er zahlreiche Defekte der Typen, die in Figur 2 gezeigt sind, die ein vergrößertes Schnittbild des Gegenstandes 20 nahe seiner Oberfläche 30 ist. Ein innerer Defekt 32 befindet sich vollständig innerhalb des Körpers des Gegenstandes 20 und hat keine Verbindung mit der Oberfläche 30. Dieser Typ eines inneren Defektes 32 kann beseitigt werden, indem der Gegenstand 32 auf eine erhöhte Temperatur erhitzt und gleichzeitig mit einem uniaxialen oder vorzugsweise gleichen Druck gepreßt wird in einem Verfahren, das isostatisches Heißpressen genannt wird. Das Pressen bewirkt, daß der Gegenstand 20 in seiner Abmessung leicht schrumpft, wobei die Seiten des inneren Defektes 32 zusammengedrückt werden, bis sie sich unter Druck verbinden. Der innere Defekt 32 wird somit beseitigt mit einem nur sehr leichten Anzeichen, daß er existiert hat. Isostatisches Heißpressen ist der letzte Schritt der vorliegenden Lösung, und alle inneren Defekte 32 werden während dieses Schrittes geschlossen und zusammengeschweißt. Isostatisches Heißpressen ist bekannt zum Heilen dieses Typs eines inneren Defektes; siehe beispielsweise US-Patent 3 758 347, dessen Offenbarung durch diese Bezugnahme hier inkorporiert wird.
Der Gegenstand 20 enthält auch Defekte, die mit der Oberfläche des Gegenstandes verbunden sind, hier dargestellt als der primäre Defekt 34. Der primäre Defekt 34 hat eine oxidierte Oberfläche, wie es durch eine Oxidschicht 36 angedeutet ist, und kann andere Verunreinigungen 38, wie beispielsweise Schmutz, in dem Inneren des Volumens des primären Defektes enthalten. Wenn der Gegenstand 20 isostatisch heißgepreßt wird, um die inneren Defekte 32 zu beseitigen, werden die primären (mit der Oberfläche verbundenen) Defekte 34 nicht beseitigt. Das Druckgas tritt einfach in derartige mit der Oberfläche verbundene Defekte ein und gleicht den Druck aus, wodurch ein Schließen verhindert wird. Die Oxidationsschicht 36 und die Verunreinigungen 38 bleiben in dem primären Defekt 34.
Das vorliegende Verfahren gestattet jedoch eine Beseitigung von mit der Oberfläche verbundenen Defekten, wie beispielsweise dem primären Defekt 34, der zusammen mit einem Teil des Metalls 40 ausgeschnitten wird, das typisch Oxide und Verunreinigungen enthält und den primären Defekt 34 umgibt, wie es in Figur 3 dargestellt ist. In dieser Figur ist die Lage des zuvor existierenden primären Defekts in gestrichelten Linien angegeben, womit dargestellt wird, daß der ausgeschnittene Teil 40 eine größere Ausdehnung hat als der primäre Defekt 34. Infolgedessen werden die gesamte Oxidationsschicht 36 und die Verunreinigungen 38, die mit dem primären Defekt 34 im Zusammenhang stehen, ebenfalls beseitigt. Das Herausschneiden kann durch irgendein zweckmäßiges Verfahren ausgeführt werden, wie beispielsweise Schleifen für größere primäre Defekte 34 oder chemisches Fräsen für kleinere primäre Defekte 34.
Das Volumen, das zuvor durch den beseitigten Teil des Metalls 40 eingenommen wurde, wird mit einem Füllmetall 42 gefüllt, siehe Figur 4. Das Füllmetall ist vorzugsweise im wesentlichen die gleiche Legierung, die zum Gießen des Gegenstandes 20 verwendet ist, das heißt das Füllmetall hat im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie die nicht- gießbare Superlegierung. Die Auswahl des Füllmetalls 42 mit im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung wie der Rest des Gegenstandes 20 stellt sicher, daß der fertige Gegenstand überall im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung hat, sorgt für Kompatibilität mit dem Gegenstand 20 und vermeidet Probleme, wie beispielsweise durch die Zusammensetzung hervorgerufene Korrosionszellen und -narben, die anderenfalls während des Betriebes entstehen könnten. Die bevorzugte Lösung zum Aufbringen des Füllmetalls 42 ist Schweißen in Vakuum oder einer inerten Atmosphäre. So wie er hier verwendet wird, bedeutet der Begriff "Schweißen" Aufbringen eines Volumens von Metall im geschmolzenen Zustand, während die Grenzen des Bereiches, in dem das Metall angeordnet wird, teilweise geschmolzen werden. Das heißt, Wärme kann aufgebracht werden, um den Gegenstand 20 in dem Bereich der Grenzfläche zwischen dem Füllmetall 42 und einem nicht-beseitigten Abschnitt 44 des Gegenstandes 20 teilweise zu schmelzen. Dieses Schmelzen stellt eine gute Bindung zwischen dem Füllmetall 42 und dem nicht-beseitigten Abschnitt 44 sicher. In diesem Sinn wird das Füllmetall 42 mit dem nicht-beseitigten Abschnitt 44 des Gegenstandes 20 verbunden. Die Füllerabscheidung ist in Figur 5 zu Darstellungszwecken angegeben, es ist aber tatsächlich schwierig zu unterscheiden, wo das Füllmaterial endet und der nicht-ausgeschnittene Teil des Gegenstandes beginnt.
Um die Oberfläche des Gegenstandes weiter zu versiegeln gegen Oberflächenbeschädigung und Defekte, schließt sich ein Überzugs- bzw. Auflageverfahren an. Bevor das Verfahren eingeleitet wird, wird die zu behandelnde Oberfläche einschließlich der Oberfläche, die über dem Füllmetall 42 liegt, sorgfältig gereinigt durch Wischen, Dampfreinigung, Dampfentfettung oder andere Techniken, um sicherzustellen, daß sich kein Öl, Fett, Schmutz oder andere Verunreinigung auf der Oberfläche 30 befindet.
Wie in Figur 6 dargestellt ist, wird ein flüssiger Binder auf die Oberfläche 30 aufgebracht, beispielsweise durch Streichen, Sprühen oder eine andere Technik, um eine Binderschicht 48 zu bilden. Der Binder ist vorzugsweise ein Acrylharz auf der Basis von Methyl-Methacrylat-Copolymer, gelöst in einem verdampfbaren Lösungsmittel, wie beispielsweise Diäthylen-Glycol-Monobutyl-Äther. Eine Mischung von 1 Volumenteil des Harzes zu drei Volumenteilen des Lösungsmittels ist als wirksam befunden worden. Obwohl ein Acrylharzbinder und ein Diäthylen-Glycol-Monobutyl- Äther als Lösungsmittel bevorzugt sind, ist ein breiter Bereich von kompatiblen Harzbindern und Lösungsmitteln kommerziell verfügbar und verwendbar. Jeder Harzbinder, der an der Oberfläche 30 anhaftet, und jedes kompatible Lösungsmittel, das langsam verdampft, ist akzeptabel. Nach wenigen Minuten wird die Schicht 48 bei Berührung klebrig.
Ein Überzugs- bzw. Auflagepulver wird auf die Binderschicht 48 aufgestäubt, während die Binderschicht 48 bei Berührung noch klebrig ist. Ein Teil des Auflagepulvers klebt an der Binderschicht 48 fest, um eine Auflagepulverschicht 50 zu bilden, siehe Figur 6. Das Verfahren des Aufbringens einer Binderschicht 48 kann über der Schicht 50 wiederholt werden, und das Aufbringen des Auflagepulvers kann mehrere Male wiederholt werden, bis eine vielschichtige Masse aus Auflagepulver und Binder bis zu einer gewünschten Dicke aufgebaut ist. In einer typischen Situation ist die Schicht, die entwickelt wird, etwa 0,1 mm (0,004 Zoll) dick.
Das Auflagepulver ist vorzugsweise so gewählt, daß es wenigstens zwei unterschiedliche Komponenten oder Typen von Teilchen darin aufweist. Ein Typ sind Teilchen, die im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung haben wie der gegossene Gegenstand 20. Ein zweiter Typ sind Teilchen mit einer Superlegierungs-Zusammensetzung, die bei einer tieferen Temperatur als der erste Typ schmilzt, die Teilchen des ersten Typs benetzt und das nicht-gießbare Material des Gegenstandes 20 benetzt. Eine große Differenz zwischen der Schmelztemperatur der zwei Teilchentypen trägt zu der Integrität des Endgegenstandes bei, und eine derartig große Differenz in der Schmelztemperatur ist bevorzugt. Es ist weiterhin bevorzugt, daß die Pulvergröße von jedem Teilchentyp in dem Bereich -120/+325 ist. Zufriedenstellende Ergebnisse sind erhalten worden, wo das Auflagepulver zwischen etwa 40 und etwa 70, am bevorzugsten 50, Gewichtsprozent des ersten Typs von Teilchen enthält.
Einige bestimmte Kombinationen der zwei Typen von Teilchen in dem Auflagepulver zusammen mit der nicht- gießbaren Legierung des Gegenstandes sind in der folgenden Tabelle dargestellt. Das Verhaltnis der hochschmelzenden Komponente zu der niedrigschmelzenden Komponente beträgt in jedem bevorzugten Fall 50:50 Gewichtsprozent. Tabelle I "nicht-gießbare Legierung des Gegenstandes hochschmelzende Komponente "A" niedrigschinelzende Komponente "B" Verhältnis RENE'
Die Zusammensetzungen der in Tabelle I erörterten Legierungen sind in Tabelle II zu Referenzzwecken in angenäherten Gewichtsprozent angegeben. Tabelle II Rest
Nachdem die Schichten 48 und 50 aufgebracht sind, wird der Gegenstand 30 wärmebehandelt, vorzugsweise in Vakuum, bei einer ausreichend hohen Temperatur, um die bei einer niedrigeren Temperatur schmelzenden Teilchen zu schmelzen, aber nicht notwendigerweise die ersten oder eine höhere Schmelztemperatur aufweisenden Teilchen zu schmelzen. Die flüssige Phase hat zunächst im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie der zweite Typ von Teilchen, ändert sich aber rasch, wenn Mengen des ersten Teilchentyps und des Basismetalls des Gegenstandes in der flüssigen Phase gelöst werden. Es wird eine interdiffudierte Schicht 52 gebildet, siehe Figur 7, wobei die flüssige Phase die Tendenz hat, in die Oberflächenschichten 30 zu diffundieren oder durch Kapillarwirkung in Oberflächendefekte des Gegenstandes 20 zu fließen. In den meisten Fällen erstarrt die interdiffundierte Schicht 52 isothermisch, wenn eine größer werdende Menge des Gelösten in die flüssige Phase eintritt und somit eine Erhöhung der Solidus/Liquidus-Temperatur bewirkt. Alternativ kann die Wärmebehandlungstemperatur wahrend des Vorganges oder des Schrittes leicht gesenkt werden, um eine Verfestigung zu bewirken.
Die interdiffudierte Schicht 52 hilft, die Oberfläche 30 gegen die Effekte von sehr kleinen Defekten zu versiegeln, die von der Beseitigung der Füllmetalldefekte 46 übriggeblieben sein könnten. Tatsächlich ist die interdiffundierte Schicht 52 sehr dünn, in der Größenordnung von 0,1 mm (0,004 Zoll), und hat eine Zusammensetzung sehr ähnlich derjenigen des Basismetalls der nicht-gießbaren Legierung, die die Masse des Gegenstandes 20 bildet, als eine Folge der Interdiffusionsbehandlung. Zusätzlich kann ein Teil der Überzugs- bzw. Auflagelegierung nach dem Schmelzen durch Kapillarwirkung in wenigstens einen Teil der Füllmetalldefekte fließen. Bis zu einer ersten Näherung ist die Zusammensetzung des Gegenstandes 20 überall die gleiche wie die nicht-gießbare Legierung.
Die interdiffundierte Schicht 52 erstreckt sich typisch über den Bereich des größeren primären Defektes 34 hinaus zu benachbarten kleinen primären Defekten 34', die sich an der Oberfläche befinden können, aber nicht groß genug sind, um getrennte Schweißreparaturprozeduren zu rechtfertigen. Die Schicht 52 überbrückt diese Defekte 34' in der Weise, wie es in dem US-Patent 3 758 347 beschrieben ist. Diese zufällige Wirkung der Schicht 52 ist jedoch zu unterscheiden von der Reparaturprozedur für die größeren primären Defekte 34, wie sie vorstehend beschrieben wurde. Der isostatische Heißpreßvorgang schließt diese kleinen Defekte. Die interdiffundierte Schicht 52 spielt die wichtige Rolle, das Gußstück einzukapseln, so daß der isostatische Heißpreßvorgang Defekte schließen kann, die anderenfalls mit der Oberfläche verbunden sind. Ohne den Überzug bzw. Auftrag verhindert der Eintritt des Gases in die mit der Oberfläche verbundenen Defekte das Schließen oder Heilen der Defekte.
Der Gegenstand 20 wird einer isostatischen Heißpreßbehandlung bei einer ausreichend hohen Temperatur ausgesetzt, damit die inneren Defekte 32 beseitigt werden. Die HIP Temperatur ist wenigstens etwa 14ºC (25ºF) unter der Auflagetemperatur. Beispielsweise wird in dem Fall von einer typischen nicht-gießbaren Superlegierung das isostatische Heißpreßen bei einer Temperatur von etwa 1200ºC (2200ºF) und bei einem Druck von etwa 10&sup8;N/m² (15,000 Pfund pro Quadratzoll) ausgeführt.
Die Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung schafft einen wichtigen Fortschritt in der Technik der Fertigung von Gegenständen für eine Hochtemperaturanwendung. Die vorliegende Erfindung wurde zwar in Verbindung mit spezifischen Beispielen und Ausführungsbeispielen beschrieben, für den Fachmann ist aber klar, daß die vorliegende Erfindung modifiziert werden kann, ohne von ihrem Geist und dem Schutzumfang abzuweichen, wie er durch die beigefügten Ansprüche dargestellt ist.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines bei hoher Temperatur schmelzenden Superlegierungs-Gegenstandes (20) aus einer schwierig zu gießenden, bei einer hohen Temperatur schmelzenden Superlegierung, gekennzeichnet durch die Schritte:

Gießen des Gegenstandes (20) aus der schwierig zu gießenden Superlegierung,

Identifizieren eines primären Defektes (34) in dem Superlegierungs-Gegenstand (20),

Ausschneiden des primären Defektes (34) und eines Teils des Metalls (40) um den Defekt (34) herum, um ein ausgeschnittenes Volumen an der Oberfläche des Gegenstandes (20) hervorzurufen,

Füllen des ausgeschnittenen Volumens mit einem Füllmetall (42),

Glätten von Füllmetalldefekten (46) und Beseitigen von Oxyd an der Oberfläche des Füllmetalls (46),

Aufbringen einer Mischung von einem Binder (48) und einem Auskleidungpulver (50) auf die Oberfläche des Füllmetalls (42)

Wärmebehandeln des Gegenstandes (20), um den Binder (48) zu beseitigen und das Auskleidungspulver (50) zu schmelzen und zu verfestigen, und

heißes isostatisches Pressen des Gegenstandes (20).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schwierig zu gießende Superlegierung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus RENE'80, RENE'77, MAR-M-509, RENE' 108, RENE'125, B-1900, B01900+Hf, MAR-M-246, IN-100, GTD- 111, WASPALOY, INCONEL 713, INCONEL 738, INCONEL 792, INCONEL 939 und U-500 besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllschritt durch Schweißen ausgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmetall (42) im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung hat wie der schwierig zu gießende Superlegierungs-Gegenstand (20).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Glättens von Füllmetall-Defekten und des Beseitigens von Oxyd durch Schleifen ausgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Aufbringens einer Mischung aus einem Binder (48) und einem Auskleidungspulver (50) ausgeführt wird, indem die Oberfläche des Füllmetalls (42) mit dem Binder (48) überzogen wird und dann das Auskleidungspulver (50) auf den Binder (48) gestäubt wird, bevor der Binder (48) getrocknet ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder (48) ein Acrylharz enthält.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder (48) eine Mischung von Acrylharz und einem verdampfbaren Lösungsmittel dafür enthält.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder (48) eine Mischung von einem Acrylharz und Diäthylen-Glykol-Monobutyl-Äther ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskleidungspulver (50) ferner eine Mischung von wenigstens zwei unterschiedlichen Teilchenzusammensetzungen enthält, wobei die erste Teilchenzusammensetzung im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie der bei einer hohen Temperatur schmelzenden Superlegierungs-Gegenstand (20) hat und die zweite Zusammensetzung einen tieferen Schmelzpunkt als die erste Zusammensetzung und der Superlegierungs-Gegenstand (20) hat.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Aufbringens der Mischung des Binders (48) und des Auskleidungspulvers (50) wenigestens zweimal ausgeführt wird, um eine Schicht des Auskleidungspulvers (50) auf der Oberfläche des Füllmetalls (42) aufzubauen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmebehandlungsschritt bei einer ausreichend hohen Temperatur ausgeführt wird, die wenigstens einen Teil des Auskleidungspulvers (50) isothermisch verfestigt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand (20) eine Komponente von einer Flugzeuggasturbine ist.