DE1483356A1 - Verfahren zum Herstellen einer Wolfram-Rhenium-Legierung - Google Patents

Description

DK. I. M. MAAS H83356

DR. W. G. PFEIFFER PAl E N!ANWÄLTE M O ti CHEN 23

A 84 746

Cyelape Corporation* Brldgevllle» PennsylTanla ,V »St. A < >

Verfahren sum Herstellen einer Wolfram Hhenlum-Legierung

Die Erfindung betrifft Verfahren sum Herstellen τ on Legierungen auf Wolframbaaia und insbesondere ein Verfahren sum Herstellen einer geschmeidigen und siehbaren Wolfram-Bhenlum-Leglerung,

Wolfram und Legierungen auf Wolframbaaia haben bei hohen Temperaturen besonders günstige physikalische und meohanisohe Eigenschaften. Bis im Handel erhältlichen

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Wolframlegierungen * mit einer Ausnahme (W-Re) « sind die bekannten Legierungen auf Wolframbasis bei Räumt em« peratüren spröde,, so dafi Gußstücke aus Wolframlegierungen und Legierungen auf Volframbasis bei diesen Temperaturen nicht entsprechend bearbeitet oder in die gewünsch«· ten Formen geformt werden kennen«

Teilweise wurden diese Schwierigkeiten* die durch die Sprödigkeit von Wolfram und Legierungen auf Wolframbasis bei Raumtemperatur bedingt sind, durch Wolfram ■Rhenium-Legierungen vermieden- Sa wurde dabei gefunden? daß Hhenium-Zusätze au Wolfram und Legierungen auf Wolframbasis die Geschmeidigkeit des Materials verbessern* Wolfram-Legierungen mit 26 Gew«-f£ Rhenium haben unter ganz spezifischen Verfahrensbedingungen eine verbesserte Geschmeidigkeit bei Raumtemperatur gezeigt * Bas Maß dieser Geschmeidigkeit bei Bauatemperatur und die Verformbarkeit dieser Legierung 1st jedoch fast nicht reproduzierbar, da die Zusammensetzung im Grenzfall oder extrem kritisch im Hinblick auf die Geschmeidigkeitseigenschaften sind und keinerlei Sicherheitsspielraum vorhanden ist« Ss tritt eine Sigmaphase in großer Kugelform in der Legierungsmatrix auf» wenn der Bheniumgehalt nur etwas höher als der maximale Anteil von 26 $> ist ■, Biese Phase verursacht einen 7erlust an Geschmeidigkeitο Ba die Über-

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gangstemperatur vom geschmeidigen Zustand sura spröden der Legierung sinkt, wenn der Rheniumgehalt steigt, kann die Konzentration von 26 $> nioht verringert wer den, ohne daß gleichseitig die Geschmeidigkeit bei Raumtemperatur ebenfalls herabgesetzt wircL

Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von' Wolfram und Legierungen auf Wolframbasis insbesondere deren FestigkeitseigensohaX-ten bei hohen Temperaturen machen dieses Material fcetjoiulers für Raumfahrt zwecke geeignet. Die Materialien _s die jedoch für in der Baumfahrt verwendete Teile, wie z.B? Raumkapseln, verwendet werden, müssen nioh-t nur den mechanischen Anforderungen bei sehr hohen Temperaturen» denen sie i«B* beim Wiedereintritt in die Atmosphäre ausgesetzt sind, genügen« sondern sie müssen auoh entsprechende Eigenschaften bei tiefen Temperaturen haben> Diese Materialien müssen gegen Temperaturechocks besondere widerstandsfähig sein, da es nioht ungewöhnlich ist₀ daß eine Fläohe des Materials, sehr hohen Temperaturen (bis zu 193O⁰C (350O⁰F)) während die entgegengesetzte Oberfläche gleichzeitig sehr tiefen Temperaturen ausgesetzt ist; z^Bo der Temperatur des flüssigen Sauerstoffs» Der Zusatz von Rhenium zu Wolfram verbessert zwar dessen Geschmeidigkeit und dessen Bearbeitbarkeit In heißtrn Zustand, bei Raumtempe-

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ratur bleibt die Legierung dennoch spröde und neigt zu Rißbildung wenn sie thermischen Spannungen ausgesetzt ist, di· insbesondere bei den oben beschriebenen Verven«= düngen der Legierung auftretenο

Ee wurde nun ein Verfahren zum Herstellen von Wolfram*· Rhenium-Legierungen gefunden, die sowohl die in hohem Hafie erwünschten mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen als auch eine ausgezeichnete Geschmeidigkeit bei niederen Temperaturen aufweisen* Bei Verwendung diesee Verfahrens können Produkte; die aus Wolfram-Rhenium-Legierungen bestehen, bei Raumtemperatur geformt werden, ohne daS sie ihre Konsistenz verlieren, Rhenium kann wirksam über einen weiten Bereich angewandt werden. Wolfram-Rhenium-Produkte, die durch dieses Verfahren hergestellt werden? weisen sowohl eine große Festigkeit bei hohen Temperaturen als auch eine Geschmeidigkeit bei niederen Temperaturen auf. Biese Eigenschaften machen die Legierungen gegen Wärmespannungen besonders widerstandsfähige P_rcUikte die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt werden« sind für die Verwendung in der Baumfahr und unter öhnliohen Bedingungen ideal geeignet >

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Ib allgemeinen besteht das erfindungsgemäße Verfahren aus folgenden Sohritten:

1. Herstellen eines Gußstücks aus einer Wolfram-Hhenium-Leglerung;

2« mechanisches Verformen dieses Gußstücks, um wenigstens 50 f> bei einer Temperatur von 1370⁰C (2500°?) oder darüber;

3· weiteres Verformen das Gußstückes bei einer Temperatur unterhalb der Rekristalliaationstemperatur der Legierung.

Wahlweise kann eine abschließende Wärmebehandlung in Abhängigkeit von den bereits getroffenen. Verfahrensmafinahaien uad dem beabsichtigten Verwendungszweck wünschenswert sein.

Durch Anwendung des oben definierten Verfahrensmyklus ist es möglich, ein 25 $> Rhenium enthaltendes Wolframblech hersusteilen, das eine Übergangstemperatur vom geschmeidigen in den spröden Zustand unterhalb -184⁰C (-30O⁰F) hat. Biese Temperatur liegt um etwa 11O⁰C (200°f) unter der Obergangstemperatur von allen bekannten Legierungen auf Wolf^ambuaifl einschließlich der oben beschriebenen Wolfram~Rhenium Legierung*

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Das erfindungegemäße Verfahren kann angewandt werden* um Al· Übergangstemperatur» bei der eine Rhenium enthaltende Wolfram-Legierung vom geschmeidigen in den spruden Zustand übergeht« zu senken. Besonders wirksam ist das erfindungsgemäß« Verfahren zur Senkung der Übergangstemperatur von dem geschmeidigen in den spröden Zustand τ on Wolfram oder Legierungen auf Wolframbasis, die von 10 bis 55 Gew, -# Thenium enthalten* Die wesentliche Senkung der Übergängetemperatur, bei der die Legierungen von dem geschmeidigen in den spröden Zustand übergehen, ei-mögl* eht die Verwendung von Wolfraa-Rhenium-Legierungen, di» in der Matrix die normalerweise spröd machende Sigmaphase enthalten (w und 26 - 25 t Re)*

Unter "Legierung auf Wolframbasia" wird eine Legierung verstanden» die wenigstens 50 Gew.-Jf Wolfram enthält.

Dar erste Verfahrenssohritt nach dieser Erfindung »abließt jedes Verfahren ein« mit dem eins gegossene Wolfram-Rhenium-Struktur im Gegensatz zu dem üblichen Verfahren erhalten wird, bei dem die Legierungen durch Sintern eines Metallpulvere verfestigt werden_β Das Schneisen des Materials bewirkt eine notwendige Reinigung und Homogenisierung> Besondere erfolgreich ist

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Aas Liohtbogen~Sohmel*verfahr#n Im Vakuum, bei dem aus gesintertem Pulver der Legierung hergestellte Elektroden in wassergekühlten Kupfer*oraen geschmolzen werden. Andere geeignete Verfahrensmaßnahmen sind Sohmeleen im !Elektronenstrahl und "skull-easting"°

Mit dem Ausdruok ¹¹GuBStUOk*¹ aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung** sollen alle Strukturen umfaßt werden« die bei der Verfestigung von geeohmoleenem Metall entstehen, glsiohgttltig O^ das Metall nun wirklich in formen gegossen wurde oder niohto

Sie meohanl8ohe Deformierung in den Verfahrenssehritten 2 und 3 des erflndungsgemäßen Verfahrens schließt jede Art von Bearbeitung oder Verformung ein, wie z.B» Extrudieren, Schmieden, Waisen oder Gesenkschmieden Unter der proeentualen Verformung wird die Verringerung der Stärke des Durohmessers der Dioke oder eine äquivalente Abmessungsänderung dee Gußstücke verstanden«

Strangpressen ermöglioht besonders große AbmessungsVerringerungen von 60 bis 65 £« während das Material bei einer Temperatur von etwa 2040⁰C (5700⁰F) gemäß Stufe 2 des erfindungsgemäßen Verfahrens gehalten wird«

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Die anfänglich« Verformung "on wenigstens 50 # nach Stufe 2 des erfindungegemäßen Verfahrene wird bei 137O⁰C (250O⁰P) oder bei irgendeiner Temperatur über 137O⁰C (250O⁰F; Ms z«i' S^hirelztoraperatur der Legierung durchgeführt*

Das bevorzugte Haß dor Verformung während der dritten Verfahrenestuf« nach dieser Erfindung ist von dem Endzweck des Gegenstandes abUiüigig- Eis Bearbeitung muß bei Temperaturen unterhalb der Bskristallisationstemperatur der fntspreolwnden Wolfram-Rhenium-Legierung durchgeführt werden- Eies«? TEmperatur -ändert eioh bei den verschiedenen Zusammensetzungen der Legierung und iet von der Vorgeschichte dar Herstellung der Legierung abhängig Die Rekristall!eationetemperatur kann jedoch leicht duroh mikr^lccpisohe Prüfung von wärmebehandelten Proben oder durch andere bekannte Maßnahmen bestimmt w*rüen> Din Bearbeitung kann bei Temperaturen unterhalb Raumtemperatur bie herunter zu solchen Temperaturen erfolgen, bei ^enea eine ausreichende Geschmeidigkeit für f:lnR solche Bearbeitung fehlte Voreugsweise werden T«mpera-trtcn swierhan Raumt.amp*»ratur und Rekri-

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Jede Bearbeitung in Stufe 3 des erfindungagemäßen Verfahrens bat eine Senkung der Übergangstemperatur des Materials vom geaohmsldlgen In den spröden Zustand sur ?olge, so daß der Prosentsatz der Bearbeitung von den Sndsweok, de* das Material dienen soll, abhängt. Z,Bo wenn eine Oesohaeidlgkeit bei besonders niederen! Temperaturen für die Verwendung des Materials in Raumschiffen» wie oben beschrieben wurde, erforderlich ist, ist es notwendig, mindestens Reduzierungen von 60 $ bei Temperaturen bis au (jedoch nioht einschließlich) der Rekrietalliaatlonetemperatur eu bewirken*

Venn eine geringere Senkung der Obergangstemperatur, bei tier das Material von dem geschmeidigen in den brüchigen Zustand Übergeht^ erforderlich ist« muß nur eine geringere Verformung in Stufe 3 des erflndungsgemäfien Verfahrens erfolgen, Eint Reduzierung von wenigstens etwa 5 f> ist erforderlich» um eine ins Gewicht fallende Verbesserung der Geschmeidigkeit adu erhalten«

Wenn die Verformung in Stufe 3 des erfindungsgemäßen Verfahrens sur Ereeugung eines fertigen Gegenstandes (soweit se dis mechanische Bearbeitung betrifft) führt* dann hat dieser Gegenstand eine verbesserte redusierte Obergangetemperatür, bei dem er von dem geschmeidigen

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in den spröden Zustand übergeht« Ebenfalls ist den Gegenständen; did nach dem erfindungsgemäßen Verfahren •raeugt werden, eine sehr verbesserte Widerstandsfähig« keit gegenüber thermischen Spannungen oder Thermosohocke eigen

Die wahlweise abschließende Wärmebehandlung kann wünschenswert sein? tun die Wärmespannungen jbu nehmen und die Geschmeidigkeit des Gegenstandes weiter au vergröseern YIn einigen Fällen, wie a B^ bei der Herstellung von dünnem Blθoh (unter 0*51 mm (0,02 inch) Stärke) kann in Abhängigkeit von der Vorgeschichte der Bearbeitung die abschließende Wärmebehandlung unterbleiben? Sin Anlassen., mit dem eine Rekristallisation verbunden ist, kann ebenfalle in einigen Anwendungsfällen wünschenswert sein ο

Bei einem Beispiel nach dieser Erfindung wurden vorlegierte, gepreßte und gesinterte Elektroden aus Wolfram und 25 $ Rhenium mit einem Durchmesser von 44 «5 mm (1-3/4 inch) im Lichtbogen unter Vakuum geschmolzen« Sie dadurch erhaltenen Barren wurden zu Stangen mit einer Größe» die sich für die Strangpressung eignet (77,8 am (3-1/16 inch) Durchmesser) verarbeitet* Eine chemieehe Analyse dieser Stangen ergab, daS sie Wolfram,

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25 Oew.~# Rhenium und winzige Mengen (weniger ale Ot05 i>) Verunreinigungen enthielten* Diese Stangen wurden auf einen Durchmesser von 38_f1 mm (1?5 inch) bei Temperaturen von etwa 204O⁰D (370O⁰T) extrudiert, Das vordere und dae hintere Ende jedes Strangpreßlinge wurde abgeschliffen und die Oberflächen wurden durch Schmirgeln, Sandstrahlen u.dgl* g«reinigt.

Ein extrudierter und vorbereiteter Rundling wurde zu einen Stab bei 1316⁰C (2400°?) geeenkgesohviedet und hierauf auf eine Stärke von 3?2 atm (0,125 inch) bei 1260⁰G (2JOO⁰I) ausgewalzt und zur Hekrietalliaierung wärsebehandelt> Bin Te¹Il dieses Materials wurde dann bei 982⁰C (1800⁰F) auf eine Stärke von 1,02 mm (0,040 inoh) heiß kalt gewalzt und ein Teil für Versuche zurüokgehalten, Sin Tell dee 1,02 an (C,040 inoh) starken Materials wurde dann weiter bei 982⁰C (1800⁰P) auf eine Stärke von 0,76 cam (0,030 inch) heiß -kalt gewalzt und wiederum ein Teil davon für Versuche zurückbehaltene XIn weiterer Teil dea 0,76 mm (0,030 inch) starken Materials wurde dann kalt auf eine Stärke von 0,38 mm (0,015 Inoh) gewalzt. Ein zweiter Teil dee 0,76 mm (0,030 Inoh) starken Materials wurde auf eine Stärke von 0,51 mm (0,020 inch) gewalzt und ein dritter Teil des 0,76 am (0,030 inch) starken Materials wurde für PrüfBweoke zurückbehalten r

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Sin swelter extrudierter und vorbehandelter Bundling wurde auf einen Durchmesser von 9c5 mm (3/8 inch) bei leaperaturen im Bereich von 1093⁰C bie eu 1316⁰C (2000 biß 2400⁰F) geeenkgeschmiedet*

Teile des 0,51 mm (0,020 inah) starken, kalt gewalzten Bleches» des auf eine Stärke von 1 on (0,040 inch) bei 982⁰C (1800⁰F) gewalzten Materials und des auf 9,5 mm (3/8 inch) gesenkgesohmiedeten Materials wurden mechanischen Versuchen bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen unterworfen, Die Ergebnisse der Versuche sind in der Tabelle I unten aufgeführt*

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Tabelle I

AYC Wolfraa/25~^"Rhenii3tm-Dehnuagseigenschaften

O CO OD O OD *v O σι αο co

Stärke in XBK (inch)

0.51 (Of020)

0,51 (0,020)

0,51 _v (0,020)

0,51 _% (0,020)

0,51 _% (0,020)

0,51 ■ (0,020)

um

(0.040)

9,5

(3/β)

Searbeitvngs- Prüfteepef or» ratur ⁰C

(⁰P)

kaltgewaXst

kaltgewalzt kaltgewalzt kaltgewalzt kaltgewalzt

1st

geeenkg·- •otaadedet

Raumteaiperatur

482 (900)

1093 (2000)

1316 (2400)

1649 (3000)

1930 (3500)

482

(900)

Raumtemperatur

BTS τ 10-

235.1 165,3

U1₉6

100,9

31,3

20,2

143,7

241,8

0,2YS χ 10^p Queracbttitteverringenm*

229,8 163,4 132,9 92,6 20,1 18_V9 140,4 225,1

W

+- Elongation

7,4

2,0

3,1

17,4

34,4

95,9

10,5

16,0

Cl ς»»

i₄ - H83356

Die 0,38 ob (0,015 inch) und 0,51 mm (0,020 inch) starken kalt gewalzten und daa 0,76 mm (0,030 inch) starke heiß-kalt gewalste 982⁰C (1800°?) - Blech wurden Versnoben unterworfen, um die Übergangatemperaturen dee dehnfähigen oder geschmeidigen in den spröden Zustand su untersuchen*

Sie Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle II wiedergegeben.

Tabelle II

Übergänge temperatur von dem geschmeidigen in den spröden Zustand in ⁰C Ton Wolfra» und 25 $> Rhenium enthaltenden Blech (alle Proben in Querrichtungen)

Biegegesohwindigkeit 2»54 cm pro Hinute

Stärke m> !!»»Radius DBTT* ⁰C Beerbeitungsfore (inoh) ___ (°g)

0,76 4 -143 heiß-kalt gewalst (0,030) (-225)

0,51 4 <~184** heiß-kalt gewalst (0,020) (< -300**)

0,51 4 <~184 kalt gewalst β (0,020) (<;-300)

0,51 1 -143 kalt gewalst (0,020) (-225)

0,38 4 <-184 kalt gewalzt (0,015) «»300)

0,38 1 -143 kalt gewalzt (0,015) (-225)

*) ÜbergangBtemperatur von dem geschmeidigen in den spröden Zustand

**)<selgt an, daß die Proben nicht gebrochen sind und der spröde Bereich nicht bestimmt wurde«

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.. ₁₅ _ U83356

Atta den aue den Tabellen I und II «u entnehmenden Werten kann leicht ersehen werden» daß daa erfindungsgemäße Verfahren besondere wirksam let« um die Übergangstemperatur der WolframEhenium-Iiegierangen von dem geeohmeiv dlgen in d«n spröden Zuetand wirksam ru senken» Di« Wolfram^EheniuD-Legierung wurde im Mohtbogen bei Yakuum geechmoleen» um der förderung nach einer gegossenen 8trulrtur in Stufe 1 dee erfindungsgemäfien Verfahrene su genügen. Die Gußstücke wurden dann bei einer Temperatur von 204⁰C (3700°?) von einem Durchmesser von 77«θ mm (5-1/16 inch} auf 38,1 mm (1,5 inoh) durch Strangpressen redusiert« was der Forderung in Stufe 2 des erfindungsgemtüen Verfahrene naoh einer Burohmeeserverringerang von 50 JC genügt» Alle flaoh gewalsten Proben wurden so bearbeitet« daß eine Reduktion der Abmessungen grOSer als 60 % bei Temperaturen unterhalb der Bekrietallisationetemperatur erfolgte» wenn die Barren bei 1516°0 (240O⁰F) geschmiedet und bei 1260⁰C (230O⁰F) auf 3,2 mm (0,125 inoh) ausgewalst wurden (Stufe 3)- Die geeenkgesohmiedeten Proben wurden ebenfalle mechanisch bei Ti peraturen unterhalb der Bekrietallisationstemperatur O <2400°F) Über 60 % hinaus verformt.

Aus Tabelle I kann ersehen werden« daß das 0,51 mm (0,020 inoh) starke kalt gewalzte Katerial, das 1,02

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(0,040 inch) heiß-kalt gewalzte Material und das 9*5 mm (3/8 Inch) gesenlcgesebmiedete Material die gewiiaschten echanisehen Eigenschaften bei hoher Temperatur und Raumtemperatur haben. Sie Geschmeidigkeit, die durch Dehnung und Verringerung des Querschnitts gemessen »ur~ de, ist besondere eindrucksvoll,,

Aue Tabelle II kann ersehen werden, daß die 0,76 mm (0,030 inch), 0,31 mm (0,020 inch) und 0,38 mm (0,015 inch) starken heiß-kalt gewalzten und kalt gewalzten Materlallen eine Geschmeidigkeit bei auseerordentlich geringen Temperaturen haben» indem sie mit Erfolg über einen 4T-Radius bei einer Temperatur von nur -184⁰C (~300°F) gebogen werdenö

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1!. Verfahren sum Hera Lallen elnea Produktes aus Wolfram und Hhenium mit einer niederen Übergangstemperatur vom geschmeidigen In den spröden Zustand, daduroh gekenn-Belohnett daß ein Gußstück aus einer Wolfram Rhenium» Legierung hergestellt} dieses Gußstück bei einer Temperatur von wenigstens 137O⁰C einer mecbani Sähen Verformung von wenigstens 50 $> und dann einer weiteren meohanisohen Verformung bei einer Temperatur unterhalb der Bekristallisationstemperatur dieser Legierung unterworfen wird·

   2ο Verfahren nach Anspruch 1« daduroh gekenneβlohnet, daß das Gußstück aus einer Legierung auf Wolframbasis, die /•niget,ens 10 bis 35 % Rhenium enthält_v besteht_β

   3« Verfahren naoh Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet ι daß die weitere mechanische Verformung bei der Temperatur unterhalb der Rekristalllsationstemperatur dieser Legierung wenigstens um 60 # erfolgte

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