DE69916763T2

DE69916763T2 - Verfahren zur Herstellung von wärmebehandelten, sprühgegossesen Superlegierungsgegenstände

Info

Publication number: DE69916763T2
Application number: DE69916763T
Authority: DE
Inventors: Antonio C. Coventry Cabral
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1999-11-17
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2019-11-18
Also published as: JP2000192218A; EP1013790B1; KR20000047783A; KR100603882B1; DE69916763D1; EP1013790A3; JP3905674B2; EP1013790A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein durch Spritzen bzw. Sprühen geformte Bauteile und insbesondere spritzgeformte Bauteile mit Eigenschaften, die denjenigen entsprechender geschmiedeter Bauteile vergleichbar sind.
Schmieden wurde lange zur Herstellung von Bauteilen für anspruchsvolle Anwendungen verwendet, z. B. für Bauteile, die eine Kombination von hoher Festigkeit und anderen erwünschten Eigenschaften wie geringen Risswachstumsgeschwindigkeiten und hoher Spannungsrissfestigkeit erfordern. In der Luft- und Raumfahrtindustrie wird Schmieden zur Herstellung rotierender und statischer Teile, von denen jedes typischerweise eine Kombination von hoher Festigkeit, geringen Risswachstumsgeschwindigkeiten und hoher Spannungsrissfestigkeit erfordert, verwendet. Solche können komplizierte Formen haben wie Laufschaufeln und Leitschaufeln und auch ringförmige Bauteile wie Maschinengehäuse, -Flansche und -Dichtungen umfassen.
Was insbesondere das Schmieden ringförmiger Bauteile betrifft, wird ein Vorblock aus Material mit einer Zusammensetzung, die der gewünschten Zusammensetzung des fertigen Bauteils entspricht, erhalten. Der Vorblock muss typischerweise speziell aus Blöcken des Materials hergestellt werden. Der Vorblock wird zuerst gelocht und wird dann thermomechanisch bearbeitet wie durch mehrfaches Ringwalzen, um das Vorblockmaterial in die ungefähre Bauteilgestalt umzuformen. Das Bauteil kann auch wärmebehandelt werden, um die Kombination gewünschter Eigenschaften, z. B. ein bestimmtes Maß an Beständigkeit gegen Ermüdungsrisswachstum, zu erhalten, und dann nachbearbeitet werden, z. B. poliert oder maschinell bearbeitet werden, um dem Bauteil die genauen Abmessungen oder Merkmale zu verleihen.
Die Herstellung von Bauteilen durch Schmieden ist ein teures, zeitaufwändiges Verfahren und ist daher typischerweise nur für Bauteile vertretbar, die ein besonders hohes Maß an verschiedenen Eigenschaften erfordern, z. B. hohe Fes tigkeit mit geringen Risswachstumsgeschwindigkeiten und hoher Spannungsrissfestigkeit. Was das Erhalten der Vorblöcke zum Schmieden betrifft, erfordern bestimmte Materialien Vorbereitungszeiten, die sich in Monaten bemessen. Während der Bauteil-Fertigung wird vieles von dem ursprünglichen Vorblockmaterial entfernt und stellt keinen Teil des fertigen Bauteils dar, z. B. ist es Abfall. Die Komplexität der Gestalt des hergestellten Bauteils trägt lediglich zur Mühe und den Kosten bei, die zur Fertigung des Bauteils erforderlich sind. Zusätzlich können fertiggestellte Bauteile noch eine umfangreiche maschinelle Bearbeitung oder andere Nachbearbeitung erfordern. Überdies sind, um Gasturbinenmaschinen bei höheren Temperaturen zu betreiben, um den Wirkungsgrad oder die Leistung oder beide zu erhöhen, aus zunehmend fortschrittlicheren Legierungen gefertigte Bauteile erforderlich. Viele dieser fortschrittlicheren Legierungen sind zunehmend schwierig oder unmöglich schmiedbar, was weiter zu den Kosten der Bauteile beiträgt oder die Bauteile so teuer macht, dass es ökonomisch nicht durchführbar ist, bestimmte Fortschritte in der Maschinentechnologie auszunutzen oder bestimmte Legierungen für gewisse Bauteile zu benutzen.
Spritzformen wurde bisher nicht verwendet, um Bauteile, die nicht nur hohe Festigkeit, sondern auch geringe Risswachstumsgeschwindigkeiten und eine hohe Spannungsrissfestigkeit zeigen, direkt aus massivem Material, z. B. Material in Blockform, herzustellen. In dem Fall eines Superlegierungsmaterials auf Nickelbasis mit einer nominellen Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, von etwa 19,5 w/o (Gew.-%) Chrom (Cr), 4,3 w/o Molybdän (Mo), 13,5 Cobalt (Co), 3,0 w/o Titan (Ti), 1,4 w/o Aluminium (Al), 0,05 w/o Zirconium (Zr), 0,006 w/o Bor (B), Rest im wesentlichen Nickel und geringe Mengen an anderen Elementen (manchmal als "Waspaloy" bezeichnet), entspricht hohe Festigkeit, geringe Risswachsstumgsgeschwindigkeiten und hohe Spannungsrissfestigkeit der Erfüllung der Erfordernisse, die dargelegt sind in Aerospace Material Specification AMS 5707 (Rev. H., veröffentlicht im August 1994), veröffentlicht von SAE Int'l aus Warrendale, PA, und durch Bezugnahme hierin aufgenommen werden. Es ist diese Kombination von Eigenschaften, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
Eine typische Spritzformvorrichtung ist in 1 veranschaulicht. Metall wird in Blockform bereitgestellt und in einem Tiegel 12 geschmolzen, bevorzugt in einer Vakuumschmelzkammer 14 bei niedrigem Druck und/oder in einer nicht-reaktiven Umgebung. Das geschmolzene Metall 16 wird in einen Zwischenbehälter 18 überführt und geht dann durch einen Zerstäuber 20 hindurch, der ein inertes Trägergas wie Argon verwendet, um zerstäubte Metalltröpfchen mitzuführen. Das zerstäubte Material 22 trifft auf einen Kühldorn oder ein Substrat 24, das in einer Sprühkammer 26 angeordnet ist, auf und wird darauf abgeschieden. Zur Herstellung eines ringförmigen Bauteils ist der Dorn zylindrisch und kann gedreht werden, und der Strom des zerstäubten Metalls und der Dorn können relativ zueinander bewegt werden (scanned). Das Metall trifft auf das Substrat und auf vorher abgeschiedenes Metall auf und wird schnell fest. Dann bauen sich Schichten aus dem fest gewordenen Metall aufeinander auf, um den gewünschten Gegenstand zu bilden. Siehe z. B. US-Patent Nr. 4 830 084. Der Gegenstand kann dann weiter behandelt werden, z. B. durch heißisostatisches Pressen (HIPen, HIP'ing) und/oder durch thermomechanisches Bearbeiten wie durch Ringwalzen, um das Material zu verdichten und zu festigen. Superlegierungen wurden auf diese Weise geschmolzen und spritzgeformt, um Teile herzustellen, wenn auch diesen Teilen, wie hergestellt, Eigenschaften wie hohe Festigkeit, geringe Risswachstumsgeschwindigkeiten oder Spannungsrissfestigkeit fehlen und sie daher nicht wie hergestellt bei anspruchsvollen Anwendungen wie Gasturbinenmaschinen oder anderen Hochtemperatur- und Hochdruck-Umgebungen verwendet werden können.
Das oben beschriebene Waspaloy-Material wurde in breitem Umfang bei der Herstellung geschmiedeter Teile zur Verwendung in anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt. Wie oben angegeben, umfassen beispielhafte Teile für Gasturbinenmaschinen Gasturbinenmaschinengehäuse, -Flansche und -Dichtungen sowie Laufschaufeln und Leitschaufeln. Sobald sie hergestellt sind, müssen diese Teile typischerweise noch maschinell bearbeitet und wärmebehandelt werden, um gewünschte Eigenschaften zu erhalten. AMS 5707 enthält eine konventionelle Wärmebehandlung für aus diesem Material geschmiedete Teile und wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
Nach AMS 5707 wird ein geschmiedetes Bauteil in drei Schritten wärmebehandelt. Der erste Schritt umfasst eine Lösungswärmebehandlung bei einer Temperatur von zwischen 1825 bis 1900°F (996 bis 1037°C) für etwa 4 h, und dann ein Abkühlen mit einer Luftkühlung entsprechenden oder einer schnelleren Geschwindigkeit. Der zweite Schritt umfasst eine Stabilisierungswärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 1550°F (843°C) für etwa 4 h und dann Luftkühlung. Der dritte Schritt umfasst eine Ausscheidungswärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 1400°F (760°C) für etwa 16 h. Die sich ergebenden Teile haben Dehngrenzen von mindestens etwa 110 ksi (0,76 GPa) bei Raumtemperatur und zeigen eine relativ geringe Kerbempfindlichkeit und eine hohe Spannungsrissfestigkeit. Dementsprechend sind Teile, die durch Schmieden von Waspaloy hergestellt und gemäß AMS 5707 wärmebehandelt wurden, geeignet zur Verwendung als Gasturbinenmaschinengehäuse, -Flansche oder -Dichtungen, Laufschaufeln und Leitschaufeln, sowie für andere anspruchsvolle Anwendungen. Geschmiedete Bauteile zeigen jedoch auch oft signifikante Anteile an groben Carbiden und anderen Einschlüssen, deren Anteile von Bauteil zu Bauteil signifikant variieren. Geschmiedete Bauteile haben die Tendenz, schwierig maschinell zu bearbeiten und zu überprüfen zu sein. Darüber hinaus ist die genaue Reproduzierbarkeit ebenfalls ein Problem – Schmieden führt nicht immer zu Bauteilen mit Abmessungen, die von Teil zu Teil identisch sind. Nach der Überprüfung müssen viele Teile noch nachgearbeitet werden. Als eine allgemeine Regel geht man davon aus, dass geschmiedete Teile zu etwa 20% weggeworfen oder nachgearbeitet werden müssen.
In einem Bemühen, Bauteile wiederholbarer und mit weniger Kosten herzustellen, haben wir Testproben unter Verwendung von Waspaloy spritzgeformt. Wie spritzgeformt und heißisostatisch gepresst haben diese Teile eine beträchtliche Festigkeit, zeigen aber hohe Risswachstumsgeschwindigkeiten und eine mindere Spannungsrissfestigkeit, und man glaubte, dass derartige Teile thermomechanisch bearbeitet, z. B. geschmiedet oder ringgewalzt, werden müssen, um diese Eigenschaften zu erhalten. Der Aufwand eines derartigen zusätzlichen Schritts war nicht attraktiv.
Wie oben angegeben, ist in AMS 5707 eine konventionelle Standard-Wärmebehandlung für Bauteile, die aus geschmiedetem Waspaloy bestehen, dargelegt. Es wurde jedoch gefunden, dass Teile, die aus spritzgeformtem Waspaloy, heißisostatisch gepresst und wärmebehandelt gemäß AMS 5707 oder anderen konventionellen Wärmebehandlungen, bestehen, geschmiedeten Teilen ähnliche Dehngrenzen und Zugfestigkeiten zeigen, aber relativ minderwertige Risswachstumsgeschwindigkeiten, Spannungsrissfestigkeit und andere Eigenschaften zeigen, so dass die Bauteile nicht in anspruchsvollen Anwendungen, wenn diese Erwägungen berücksichtigt werden müssen, verwendet werden können. Artikel von P. D. Pritchard und R. P. Dalal mit dem Titel "Spraycast-X^TM Superalloy for Aerospace Applications", Proceedings 7^th International Symposium Superalloys, 1992, Seiten 205–214, und "Thermomechanical Processing of Spraycast-X^TM Superalloys", Proceedings International Spray Forming 2, 1993, Seiten 141–153, beschreiben bestimmte spritzgeformte Waspaloy-Gegenstände.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zur Herstellung eines Gegenstands aus Superlegierung auf Nickelbasis mit:
einer 0,2%-Dehngrenze bei Raumtemperatur von mindestens 100 ksi (0,68 GPa);
einer 0,2%-Dehngrenze bei 1200°F (649°C) von mindestens 85 ksi (0,58 GPa);
einer Zugfestigkeit bei Raumtemperatur von mindestens 150 ksi (1,02 GPa); und
einer Zugfestigkeit bei 1200°F (649°C) von mindestens 130 ksi (0,89 GPa), bei dem der Gegenstand gebildet wird durch:
aufeinander Aufbauen von Tröpfchen aus Metall, wobei die Metalltröpfchen eine Zusammensetzung in Gewichtsprozent von 18 bis 21 Cr, 3,5 bis 5 Mo, 12 bis 15 Co, 2,75 bis 3,25 Ti, 1,2 bis 1,6 Al, 0,04 bis 0,075 C, 0,01 bis 0,08 Zr, 0,003 bis 0,010 B, gewünschtenfalls bis zu 0,15 Mn, bis zu 0,175 Si, bis zu 0,01 S, bis zu 0,02 P, bis zu 2,25 Eisen, bis zu 0,15 Cu, bis zu 0,00075 Pb, bis zu 0,000035 Bi, bis zu 0,0005 Ag, bis zu 0,01 O und bis zu 0,01 N, Rest Ni und zufällige Verunreinigungen, haben;
Verdichten des Gegenstands; und
Wärmebehandeln des Gegenstands, wobei die Wärmebehandlung eine Lösungswärmebehandlung mit einem Abschrecken in Öl oder Wasser, eine Stabilisierungswärmebehandlung bei einer Temperatur von zwischen 1500 bis 1600°F (816 bis 871°C) für etwa 4 h und dann eine Abkühlung mit einer Luftkühlung entsprechenden oder einer schnelleren Geschwindigkeit, und eine Ausscheidungswärmebehandlung bei einer Temperatur von zwischen 1350 bis 1450°F (732 bis 788°C) für mindestens etwa 16 h aufweist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der Gegenstand bei zwischen 1925 bis 2025°F (1052 bis 1107°C) etwa 2 h lang lösungswärmebehandelt wird.
So wird ein aus Waspaloy bestehender Metallgegenstand durch aufeinander Aufbauen von Metalltröpfchen beispielsweise durch Spritzformen gebildet. Dann wird der Gegenstand wärmebehandelt, um den Gegenstand mit hoher Festigkeit und Beständigkeit gegen Spannungsriss und Risswachstum auszustatten, wobei die Risswachstumsgeschwindigkeiten und die Spannungsrissfestigkeit den Werten für geschmiedete Bauteile, die gemäß AMS 5707 wärmebehandelt wurden, vergleichbar sind. Der Gegenstand ist auch typischerweise durch Material mit einer isotropen Mikrostruktur gekennzeichnet, kann aber insoweit, als die spritzgeformten Gegenstände als Vorformen verwendet werden, d. h. die Gegenstände spritzgeformt und thermomechanisch bearbeitet werden, Fließlinien enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren folgende Schritte auf: Spritzformen eines Gegenstands, wobei der Gegenstand so, wie gebildet, durch eine Porosität von bis zu etwa 3 Vol.-% gekennzeichnet ist; und ausreichendes Wärmebehandeln des Gegenstands, um die Porosität zu verringern und einen Gegenstand bereitzustellen, der Risswachstumsgeschwindigkeiten und eine Spannungsrissfestigkeit hat, die vergleichbar sind mit den Werten für geschmiedete Bauteile, die gemäß AMS 5707 wärmebehandelt wurden.
Eine bevorzugte Ausführungsform wird nun lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 eine schematische, teilweise weggebrochene Ansicht ist, die eine Vorrichtung zum Spritzformen eines Gegenstands veranschaulicht;
2 ein Arbeitsablaufbild zur Wärmebehandlung von Gegenständen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Mikrofotografie eines spritzgeformten Gegenstands, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wärmebehandelt wurde, ist,
4 eine Mikrofotografie einer Mikrostruktur, die geschmiedetes Material nach einer konventionellen Wärmebehandlung zeigt, ist;
5 und 6 Mikrofotografien der Mikrostruktur spritzgeformter Gegenstände, die nach dem Spritzformen und der Wärmebehandlung thermomechanisch bearbeitet wurden, sind;
7 eine grafische Darstellung ist, die für Gegenstände einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung 0,5% Kriechen in Relation zu aufgebrachter Spannung und Temperatur veranschaulicht; und
8 eine grafische Darstellung des Spannungsreißens bei verschiedenen Temperaturen für Gegenstände, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, ist.
Wendet man sich 1 zu, wird ein spritzgeformter, heißisostatisch gepresster und wärmebehandelter Gegenstand zuerst auf eine in der Technik bekannte Weise spritzgeformt. Siehe z. B. US-Patent Nr. 4 515 864 von Singer mit dem Titel "Solid Metal Articles From Built Up Splat Particles", und US-Patent Nr. 3 900 921 von Brooks mit dem Titel "Method and Apparatus for Making Shaped Metal Articles From Sprayed Metal or Metal Alloy". Was das bevorzugte Material betrifft, für das die vorliegende Erfindung eingesetzt wird, hat das Material eine breite Zusammensetzung (in Gew.-%) von etwa 18 bis 21 Cr, 3,5 bis 5 Mo, 12 bis 15 Co, 2,75 bis 3,25 Ti, 1,2 bis 1,6 Al, 0,01 bis 0,08 Zr, 0,003 bis 0,010 B, Rest im wesentlichen Ni; bevorzugter etwa 19,5 Cr, 4,3 Mo, 13,5 Co, 3,0 Ti, 1,4 Al, 0,05 Zr, 0,006 B, Rest im wesentlichen Nickel und geringe Mengen an anderen Elementen (das Material wird manchmal als "Waspaloy" bezeichnet und wird hierin so verwendet). Das Material kann auch etwa 0,04 bis 0,075 C, bis zu etwa 0,15 Mn, bis zu etwa 0,175 Si, bis zu etwa 0,01 S, bis zu etwa 0,02 P, bis zu etwa 2,25 Eisen, bis zu etwa 0,15 Cu, bis zu etwa 0,00075 Pb, bis zu etwa 0,000035 Bi, bis zu etwa 0,0005 Ag, bis zu etwa 0,01 O, bis zu etwa 0,01 N enthalten. Kurz, die Gegenstände werden spritzgeformt und heißisostatisch gepresst und gemäß der vorliegenden Erfindung wärmebehandelt, wie weiter unten beschrieben. Die sich ergebenden Gegenstände sind bezüglich Dehngrenze und Zugfestigkeit bei Raumtemperatur und bei erhöhten Temperaturen (z. B. bis zu mindestens etwa 1300°F (704°C)) und auch bezüglich geringer Risswachstumtsgeschwindigkeiten und hoher Spannungsrissfestigkeit mit geschmiedeten Teilen vergleichbar – alles bei beträchtlich weniger Kosten, Abfall, Mühe und wesentlich verringerten Vorbereitungszeiten im Vergleich zu geschmiedeten Teilen.
Wie oben diskutiert, wird zum Spritzformen zu verwendendes Metall durch Schmelzen eines Elementgemisches, durch erneutes Schmelzen von Abfallmaterial oder in anderer Weise bereitgestellt, z. B. in Blockform. Das Material wird in einem Tiegel 12, der bevorzugt in einer Vakuum-Schmelzkammer 14, die bei niedrigem Druck und/oder in einer nicht-reaktiven Umgebung gehalten wird, angeordnet ist, geschmolzen. Das geschmolzene Metall 16 wird in einen Zwischenbehälter 18 überführt und geht dann durch einen Zerstäuber 20, der ein inertes Trägergas wie Argon verwendet, um das zerstäubte Metall mitzuführen, hindurch. Das zerstäubte Material 22 wird zu einem gekühlten Dorn oder Substrat 24 gerichtet, der (das) in einer Sprühkammer 26, die bevorzugt bei niedrigem Druck und/oder in einer nicht-reaktiven Umgebung gehalten wird, angeordnet ist. Zur Bildung eines ringförmigen Bauteils ist der Dorn zylindrisch und kann gedreht werden, und der Strom von zerstäubtem Metall und der Dorn können relativ zueinander bewegt werden (scanned). Das Metall trifft zuerst auf das Substrat und dann auf vorher abgeschiedenes Metall auf und wird schnell fest, was eine feinere Korngröße als bei geschmiedeten Teilen schafft. Es bauen sich Schichten des fest gewordenen Metalls auf, um den gewünschten Gegenstand zu bilden. Außerdem werden Fachleute auch erkennen, dass es andere Verfahren zur Abscheidung von geschmolzenen oder halb geschmolzenen Tröpfchen von Material auf einem Substrat mit gleicher Wirkung gibt, wie Plasmaspritzen in einer Niederdruck- oder Vakuum-Umgebung, die zur Bildung des Gegenstands eingesetzt werden könnten.
Wir glauben zwar, dass die speziellen Spritzform-Parameter für die vorliegende Erfindung nicht kritisch sind, bevorzugen aber, dass die Tröpfchen eher kleiner als größer sind, und bevorzugter in der Größenordnung von etwa 10 bis 10.000 μm im Durchmesser sind. Wir bevorzugten auch, dass die Tröpfchen bei einer Temperatur aufgebracht werden, die eher niedriger als höher ist. Die Tröpfchen sollten bevorzugt nicht heißer sein als nötig, um bis zum Auftreffen auf das Substrat und vorher abgeschiedenes Material in einem halb geschmolzenen Zustand zu bleiben, aber heiß genug, um vor dem Auftreffen nicht im wesentlichen fest zu werden. Die Geschwindigkeit der Tröpfchen muss schnell genug sein, um die Tröpfchen in einem geschmolzenen Zustand zuzuführen, aber langsam genug, so dass die Tröpfchen in der Lage sind, an dem Substrat und vorher abgeschiedenen Tröpfchen anzuhaften. Der Abstand zwischen der Spritzdüse und dem Substrat kann ebenfalls eingestellt werden, wie auch die Geschwindigkeit, mit der das Material abgeschieden wird.
Spritzgeformte Gegenstände, wie gebildet, sind gekennzeichnet durch das Vorhandensein von Porosität, typischerweise etwa 1 bis 3 Vol.-% (v/o). Im Gegensatz dazu zeigen geschmiedete Gegenstände keine Porosität. Porosität hat die Tendenz, die Festigkeit eines Gegenstands zu verringern. Die spritzgeformten Gegenstände werden behandelt, um das Material zu verdichten. Im Zusammenhang mit 2 werden die Gegenstände, die durch Spritzformen grob geformt wurden, bevorzugt zuerst durch HIPen verdichtet. Die speziellen HIP-Parameter variieren zwar in Abhängigkeit von dem zu HIPenden Material und dem Ausmaß, in dem die Porosität verringert werden soll, aber für spritz geformtes Waspaloy wird das Teil bevorzugt etwa vier Stunden lang bei zwischen etwa 1800 bis 2000°F (982 bis 1093°C) und 15.000 bis 25.000 psi (103 GPa bis 172 GPa), bevorzugter in einer inerten Atmosphäre wie Argon, heißisostatisch gepresst. Der Druck und die Temperatur werden überwacht, z. B. mindestens einmal alle fünf Minuten, um ein gleichmäßiges HIPen sicherzustellen. 2 veranschaulicht zwar, dass jedes nachfolgende Bearbeiten oder maschinell Bearbeiten nach der Wärmebehandlung stattfindet, aber die Gegenstände können zu irgendeiner Zeit nach dem HIPen durch maschinelle Bearbeitung auf die Endabmessungen gebracht werden.
Die Gegenstände, wie spritzgeformt, zeigen eine Spannungsrissfestigkeit und Risswachstumsgeschwindigkeiten, die entsprechenden geschmiedeten Gegenständen beträchtlich unterlegen sind. HIPen der Gegenstände verbessert jene Eigenschaften nicht beträchtlich. Wärmebehandeln dieser Gegenstände unter Verwendung von Industrienormen für geschmiedete Gegenstände, wie AMS 5707 für Waspaloy, bringt diese Eigenschaften nicht wieder auf geschmiedete Niveaus. Dementsprechend können die Gegenstände, wie spritzgeformt und nur heißisostatisch gepresst, nicht in anspruchsvollen Anwendungen wie Gasturbinenmaschinen verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die spritzgeformten und heißisostatisch gepressten Gegenstände wärmebehandelt, um eine Ausgewogenheit von Festigkeit, geringen Risswachstumsgeschwindigkeiten und hoher Spannungsrissfestigkeit zu schaffen und dadurch die Gegenstände zur Verwendung in zumindest diesen anspruchsvollen Anwendungen geeignet zu machen. Wie weiter unten diskutiert wird, enthält die Wärmebehandlung eine Lösungswärmebehandlung 32, eine Stabilisierungswärmebehandlung 34 und eine Ausscheidungswärmebehandlung 36. Die speziellen Temperaturen, Zeiten und Kühlraten, die unten beschrieben sind, variieren entsprechend dem jeweiligen zu behandelnden Material. Die bevorzugte Wärmebehandlung schafft einen spritzgeformten Gegenstand mit einer Mikrostruktur, die beträchtlich feiner und gleichmäßiger ist als diejenige eines konventionell geschmiedeten Materials. Vergleiche die Mikrostruktur der 3 und 4. Die Gegenstände werden auch wie erforderlich nachbearbeitet 38 (2), z. B. maschinell bearbeitet. Die Nachbearbeitung wird bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, nach dem HIPen durchgeführt.
Die Lösungswärmebehandlung 32 umfasst den ersten Teil der Wärmebehandlung und variiert in Abhängigkeit von dem jeweiligen zu behandelnden Material. 3 ist eine Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines Gegenstands veranschaulicht, nachdem der Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung wärmebehandelt wurde. Für das Waspaloy-Material der Zusammensetzung, die allgemein in AMS 5707 beschrieben ist, wird das Teil etwa zwei Stunden lang auf eine Lösungswärmebehandlungs-Temperatur zwischen etwa 1925 bis 2025°F (1052 bis 1107°C), und bevorzugt bei etwa 1975°F (1080°C), erhitzt und in Öl oder Wasser abgeschreckt. Die Kombination von Lösungswärmebehandlungs-Temperatur und -Zeit wird so ausgewählt, dass sie niedriger ist als die Temperatur und Zeit, bei der die Korngröße des Materials signifikant wachsen würde, da größere Korngrößen nicht die gewünschten Eigenschaften liefern. Wir haben gefunden, dass spritzgeformtes Material für Kornwachstum bei erhöhten Wärmebehandlungstemperaturen weniger anfällig zu sein scheint als entsprechendes geschmiedetes Material, und dementsprechend kann die Lösungswärmebehandlung bei höheren Temperaturen durchgeführt werden als eine entsprechende Lösungswärmebehandlung, die in AMS 5707 für geschmiedete Gegenstände vorgesehen ist.
Nach der Lösungswärmebehandlung wird das Teil einer Stabilisierungswärmebehandlung 34 unterzogen, deren Einzelheiten in Abhängigkeit von dem jeweiligen behandelten Material variieren. Für aus Waspaloy gefertigte Gegenstände wird der Gegenstand auf eine Temperatur von zwischen etwa 1500 bis 1600°F (816 bis 871°C), und bevorzugt etwa 1550°F (843°C), erhitzt und etwa vier Stunden lang bei der Stabilisierungswärmebehandlungs-Temperatur gehalten und dann mit einer Luftkühlung entsprechenden oder einer schnelleren Geschwindigkeit abgekühlt.
Nach der Stabilisierungswärmebehandlung und dem Abkühlen wird das Teil einer Ausscheidungswärmebehandlung 36 unterzogen, die in Abhängigkeit von dem jeweiligen Material, das behandelt wird, variiert. Für Waspaloy wird das Teil mindestens etwa sechzehn Stunden lang auf eine Temperatur von zwischen 1350 bis 1450°F (732 bis 788°C), und bevorzugt bei etwa 1400°F (760°C), erhitzt, gefolgt von Abkühlen mit einer Luftkühlung entsprechenden oder einer schnelleren Geschwindigkeit.
Wie oben angegeben, ermöglicht die veranschaulichte Anwendung der bevorzugten Wärmebehandlungen die Herstellung spritzgeformter Gegenstände, die nicht nur eine gute Festigkeit haben, sondern auch andere Eigenschaften haben, die vergleichbar mit oder besser als die geschmiedeter Bauteile sind, z. B. geringe Risswachstumsgeschwindigkeiten und hohe Spannungsrissfestigkeit. Proben aus dem spritzgeformten Waspaloy, heißisostatisch gepresst und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wärmebehandelt, wurden getestet, um Dehngrenze und Zerreißfestigkeit sowie die Verformbarkeit zu bestimmen. Was die Zugfestigkeitseigenschaften betrifft, wurden die Proben sowohl bei Raumtemperatur (etwa 68°F (20°C)) als auch bei erhöhter Temperatur (etwa 1200°F (649°C)), die vor dem Testen eine Zeit lang gehalten wurde, getestet. Die Proben wurden einer Dehnungsgeschwindigkeit von zwischen 0,005 in/in/min (8,3 × 10^–5 m/m/s) bis zur Dehngrenze (etwa 110 ksi (0,75 GPa) bei Raumtemperatur und 93,5 ksi (0,64 GPa) bei 1200°F (649°C)) unterzogen. Die folgenden Eigenschaften wurden erhalten:
Die Minimalwerte für diese Eigenschaften können in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung des Teils höher oder niedriger sein. Die obigen Werte entsprechen beispielsweise den oben erwähnten Teilen wie Gasturbinenmaschinen-Gehäusen, Flanschen und Dichtungen. Die obigen Eigenschaften sind für spezielle Teile wie Maschinen-Gehäuse und -Ringe konzipiert.
Die oben angegebenen Eigenschaften sind vergleichbar mit denjenigen für geschmiedetes Material, wärmebehandelt gemäß AMS 5707, die die folgenden Eigenschaften fordert:
Wie in AMS 5707 angegeben, sollten die Eigenschaften für geschmiedetes Material vergleichbar sein, unabhängig davon, ob die Proben in Längsrichtung oder in Querrichtung getestet werden.
Zusätzlich wurde eine Normkombination glatter und eingekerbter Spannungsriss-Testproben (Material aufweisend, das gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt worden war) getestet, z. B. gemäß ASTM E292. Die Proben wurden bei 1350°F (732°C) gehalten und kontinuierlich belastet, nachdem eine Anfangs-Axialspannung von zwischen etwa 75 ksi (0,51 GPa) erzeugt worden war. Die Proben rissen erst nach mindestens 23 Stunden. Die obigen Werte für Waspaloy, das gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bearbeitet worden war, sind vergleichbar mit geschmiedetem Material, das gemäß AMS 5707 wärmebehandelt worden war.
Ein Beispiel für die oben erwähnte nachfolgende Bearbeitung ist Ringwalzen. In Kürze, Ringwalzen wird typischerweise für ringförmige Gegenstände wie Maschinengehäuse und Maschinendichtungen eingesetzt und umfasst ein Erhitzen des Gegenstands und ein wiederholtes Hindurchführen des Gegenstands zwischen einer Reihe von Walzen, um den Gegenstand auf die gewünschte Größe zu formen und zu vergrößern. Die 5 und 6 (jede bei etwa 100facher Vergrößerung; die Körner in 6 sind grob ASTM 8) veranschaulichen die sich ergebende Mikrostruktur spritzgeformter Gegenstände, die ringgewalzt sind, um eine mäßige Abnahme bzw. eine hohe Abnahme zu erzeugen.
Wir haben festgestellt, dass spritzgeformte (und ringgewalzte) Gegenstände aus Waspaloy, die gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, allgemein durch eine Mikrostruktur gekennzeichnet sind, die derjenigen geschmiedeter Gegenstände aus Waspaloy ähnlich ist, aber weniger Kantenriss zeigen und zu signifikant weniger Abschleifverlusten während der Nachbearbeitung führen als geschmiedetes Waspaloy. Darüber hinaus zeigt spritzgeformtes, ringgewalztes Waspaloy bei Raumtemperatur und bei erhöhten Temperaturen eine überlegene Festigkeit. Bei Raumtemperatur haben spritzgeformte und ringgewalzte Gegenstände aus Waspaloy, die gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, eine 0,2%-Dehngrenze von mindestens etwa 140 ksi (0,95 GPa) und bevorzugter über etwa 155 ksi (1,06 GPa), und eine Zerreißfestigkeit von mindestens etwa 180 ksi (1,26 GPa) und bevorzugter mindestens etwa 200 ksi (1,36 GPa). Bei erhöhten Temperaturen (etwa 1200°F (649°C)) haben derartige Gegenstände eine 0,2%-Dehngrenze von mindestens etwa 90 ksi (0,61 GPa) und bevorzugter über etwa 93 ksi (0,63 GPa), und eine Zerreißfestigkeit von mindestens etwa 135 ksi (0,92 GPa) und bevorzugter mindestens etwa 140 ksi (0,95 GPa).
Wendet man sich nun den 7 und 8 zu, wurde gemäß AMS 5707 hergestelltes, geschmiedetes Waspaloy-Material für verschiedene Temperaturen und Spannungen bis 0,5% Kriechdehnung (die gestrichelten Linien in 7) und hinsichtlich Spannungsreißen bei verschiedenen Temperaturen und Spannungen (die gestrichelten Linien in 8) getestet. Wir haben entsprechende Waspaloy-Proben, die gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung behandelt worden waren, getestet und haben festgestellt, dass derartige Proben unter denselben Bedingungen, z. B. Temperatur und Spannung, getestetes geschmiedetes Waspaloy erreichen und typischerweise signifikant übertreffen.
Außerdem sind Proben aus spritzgeformtem Waspaloy, heißisostatisch gepresst und wärmebehandelt gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, durch relativ kleine Körner gekennzeichnet. Nach der Vorschrift ASTM E112 gemessen, betragen die Korngrößen etwa ASTM 3 (drei) und bevorzugter etwa ASTM 5 oder feiner, was mit den Körnern in entsprechendem geschmiedeten Material, das gemäß AMS 5707 wärmebehandelt wurde, vergleichbar ist. Die Mikrostruktur des fertigen Materials ist in den Eigenschaften wesentlich homogener und isotroper als geschmiedetes Material. Die Mikrostruktur ist auch durch das Fehlen von Element-Entmischung (im Gegensatz zu Schmiedestücken) gekennzeichnet, außer das Material wird danach plastisch verformt, und dementsprechend sind Abschnitte des Materials typischerweise durch ein Fehlen von Fließlinien, d. h. die die Richtung des plastischen Fließens anzeigen, gekennzeichnet. Darüber hinaus zeigt das fertige Material geringe Risswachstumsgeschwindigkeiten und eine gute Spannungsrissfestigkeit zusätzlich zu einem Fehlen von Porosität.
Die vorliegende Wärmebehandlung ist nicht allgemein durch Standardwärmebehandlungen wie AMS 5707 austauschbar. Wie oben diskutiert, ergeben Standardwärmebehandlungen für Waspaloy, wie AMS 5707, keine zufrieden stellenden Ergebnisse, wenn sie auf spritzgeformte Gegenstände angewendet werden. Beispielsweise ist die Lösungswärmebehandlung in AMS 5707 beträchtlich kühler als diejenige der vorliegenden Erfindung, und das Kühlen erfolgt durch Luft anstatt durch Abschrecken. Gemäß AMS 5707 wärmebehandelte, spritzgeformte Gegenstände zeigen, verglichen mit entsprechenden geschmiedeten Gegenständen, die gemäß AMS 5707 behandelt wurden, eine verringerte Kriechfestigkeit.
Zusammengefasst schafft die vorliegende Erfindung andere signifikante Vorteile gegenüber Schmiedestücken. Allgemein ermöglicht es die vorliegende Erfindung, dass Spritzformen bei der direkten Herstellung von Bauteilen, die dem Schmieden vergleichbare Eigenschaften haben, verwendet wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Teile sind gleichmäßiger mit homogeneren Mikrostrukturen. Die einzelnen Teile zeigen eine isotrope Mikrostruktur, außer die Gegenstände werden danach thermomechanisch bearbeitet wie durch Ringwalzen. Die Teile sind auch durch eine Mikrostruktur, in der Entmischung fehlt, insbesondere in Beziehung zu Schmiedestücken, gekennzeichnet. Diese Eigenschaften ergeben auch gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gefertigte Bauteile, die leichter maschinell zu bearbeiten und zu überprüfen sind.
Darüber hinaus beseitigt die vorliegende Erfindung das Erfordernis, speziell vorbereitete Vorblöcke von Material zu erhalten, und lange Vorbereitungszeiten, die mit dem Erhalten von Vorblöcken verbunden sind, werden daher minimiert oder beseitigt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, dass massives Material direkt in Bauteile umgewandelt wird, die zur maschinellen Bearbeitung oder zur Verwendung bereit sind. Daher wird ein wesentlicher Anteil der Mühe, der Kosten und des Abfalls, der mit dem Schmieden verbunden ist, wesentlich verringert oder beseitigt.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung behandelte spritzgeformte Gegenstände zeigen nicht nur Festigkeiten ähnlich denen der konventionellen geschmiedeten Gegenstände, sondern haben auch eine Spannungsrissfestigkeit und widerstehen einem Risswachstum mindestens so gut wie geschmiedete Gegenstände. Darüber hinaus werden Gegenstände, die gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, mit beträchtlich verringerter Zeit und verringerten Kosten gefertigt. Unter dem Gesichtspunkt der Mikrostruktur zeigen spritzgeformte Gegenstände gleichförmigere, im allgemeinen feinere Körner als Schmiedestücke, und wichtigerweise zeigen sie auch im Zustand wie hergestellt eine beträchtlich geringere Veränderlichkeit in den Eigenschaften, d. h. die Eigenschaften der Teile liegen innerhalb eines engeren Bereichs als es die entsprechender geschmiedeter Gegenstände tun.
Daher kann man zumindest bei den veranschaulichten Ausführungsformen sehen, dass die vorliegende Erfindung spritzgeformte Gegenstände bereitstellen kann, die den Eigenschaften entsprechender geschmiedeter Gegenstände vergleichbare Eigenschaften haben; die eine Ausgewogenheit von Festigkeit, Risswachstumsgeschwindigkeiten und Spannungsrissfestigkeit haben, die derjenigen entsprechender geschmiedeter Gegenstände vergleichbar ist; bei denen die Risswachstumsgeschwindigkeiten der Gegenstände gering sind und die Spannungsrissfestigkeit der Gegenstände hoch ist; und dass sie darüber hinaus eine derartige Wärmebehandlung bereitstellt, um aus spritzgeformtem Waspaloy bestehende Gegenstände mit Eigenschaften auszustatten, die denjenigen entsprechender, aus Waspaloy geschmiedeter Gegenstände vergleichbar sind.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands aus Superlegierung auf Nickelbasis mit: – einer 0,2%-Dehngrenze bei Raumtemperatur von mindestens 100 ksi (0,68 GPa); – einer 0,2%-Dehngrenze bei 1200°F (649°C) von mindestens 85 ksi (0,58 GPa); – einer Zugfestigkeit bei Raumtemperatur von mindestens 150 ksi (1,02 GPa); und – einer Zugfestigkeit bei 1200°F (649°C) von mindestens 130 ksi (0,89 GPa), bei dem der Gegenstand gebildet wird durch: aufeinander Aufbauen von Tröpfchen aus Metall, wobei die Metalltröpfchen eine Zusammensetzung in Gew.-% von 18 bis 21 Cr, 3,5 bis 5 Mo, 12 bis 15 Co, 2,75 bis 3,25 Ti, 1,2 bis 1,6 Al, 0,04 bis 0,075 C, 0,01 bis 0,08 Zr, 0,003 bis 0,010 B, gewünschtenfalls bis zu 0,15 Mn, bis zu 0,175 Si, bis zu 0,01 S, bis zu 0,02 P, bis zu 2,25 Eisen, bis zu 0,15 Cu, bis zu 0,00075 Pb, bis zu 0,000035 Bi, bis zu 0,0005 Ag, bis zu 0,01 O und bis zu 0,01 N, Rest Ni und zufällige Verunreinigungen, haben; Verdichten des Gegenstands; und Wärmebehandeln des Gegenstands, wobei die Wärmebehandlung eine Lösungswärmebehandlung mit einem Abschrecken in Öl oder Wasser, eine Stabilisierungswärmebehandlung bei einer Temperatur von zwischen 1500 bis 1600°F (816 bis 871°C) für etwa 4 h und dann eine Abkühlung mit einer Luftkühlung entsprechenden oder einer schnelleren Geschwindigkeit, und eine Ausscheidungswärmebehandlung bei einer Temperatur von zwischen 1350 bis 1450°F (732 bis 788°C) für mindestens etwa 16 h aufweist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der Gegenstand bei zwischen 1925 bis 2025°F (1052 bis 1107°C) etwa 2 h lang lösungswärmebehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Metalltröpfchen von 10 bis 10.000 μm im Durchmesser haben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt der Wärmebehandlung auch einen Gegenstand mit einer Mikrostruktur liefert, die im wesentlichen durch Körner von einer Größe von ASTM 3 oder feiner, gemessen gemäß ASTM E129, gekennzeichnet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt der Wärmebehandlung auch einen Gegenstand mit einer Mikrostruktur liefert, die im wesentlichen durch Körner von einer Größe kleiner als ASTM 5, gemessen gemäß ASTM E129, gekennzeichnet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Gegenstand verdichtet wird, indem er etwa 4 h lang bei 1800 bis 2000°F (982 bis 1093°C) und 15.000 bis 25.000 psi (103 bis 172 GPa) heißisostatisch gepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Gegenstand in einer Argon-Atmosphäre heißisostatisch gepresst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Metalltröpfchen zur Erzeugung eines Gegenstands mit einer ringförmigen Gestalt aufgebaut werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Wärmebehandelns auch einen Gegenstand mit einer isotropen Mikrostruktur liefert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, außerdem aufweisend den Schritt des nachfolgend thermomechanisch Bearbeitens des Gegenstands, um eine gewünschte Gestalt zu erzeugen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Gegenstand ein Gasturbinenmaschinen-Bauteil ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Gegenstand ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus einem Maschinengehäuse, einem Maschinenflansch und einer Maschinendichtung.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Gegenstand ringgewalzt wird.