DE2049546B2

DE2049546B2 - Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines dispersionsverfestigten Legierungskörpers

Info

Publication number: DE2049546B2
Application number: DE2049546A
Authority: DE
Inventors: Robert Eugene Cincinnati Ohio Allen (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-01-29
Filing date: 1970-10-09
Publication date: 1974-03-21
Also published as: JPS5014206B1; BE756885A; US3720551A; FR2074904A5; DE2049546A1; DE2049546C3; GB1285098A

Description

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf Legierungsteilchen auf Nickel-Basis mit y-Phase, wobei ein Film von etwa 1 bis 3°₀ des Volumens der Teilchen hergestellt und eine Nachbearbeitung des Formkörpers im Temperaturbereich von etwa 1040 bis 1090° C sowie eine Rekristallisation bei etwa 1200³C vorgenommen wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines Formkörpers aus einer Hochleistungslegierung auf der Basis mindestens eines der Elemente Eisen, Kobalt und Nickel. Soiche Legierungsteile werden in den verschiedensten Bereichen der Technik, insbesondere im Hochtemperaturbereich, verwendet.

Beispielsweise ist der Konstrukteur von Gasturbinen bestrebt, für die einzelnen Teile ein verbessertes Verhalten bei hohen Temperaturen zu erreichen. Es gibt viele hochschmelzende Legierungen, die eine gute Festigkeit bei hohen Temperaturen, beispielsweise oberhalb 1100⁰C, aufweisen. Bei Gasturbinen, die in Luft arbeiten sollen, hat jedoch die schlechte Oberflächenstabilität solcher hochschmelzender Legierungen ihre Anwendung verhindert. Die Konstrukteure Verwenden daher weiterhin Hochleistungslegierungen Huf der Basis von Eisen, Kobalt oder Nickel.

Insbesondere werden im weiten Umfang Hochleistungslegierungen auf Nickelbasis verwendet, da sie mit einer guten Oberflächenstabilität und einer hohen Festigkeit bei Temperaturen bis zu 80% ihrer absoluten Schmelztemperatur hergestellt werden können. Eisen- und Kobaltlegierungen werden weiterhin verwendet wegen ihrer ausgezeichneten Oberflächenstabilität oder ihrer Beständigkeit bei Korrosion in der Hitze, obwohl sie eine etwas geringere Festigkeit als die Hochleistungslegierung auf Nickelbasis aufweisen.

Es ist ein Hauptziel der Erfindung, ein verbessertes pulvermetallurgisches Verfahren zur Verfestigung durch Dispersion zu erhalten, um die mechanischen Festiekeitseigenschaften dieser Hochleistungslegicrungen besonders bei Temperaturen von etwa 760"C und darüber zu steigern. ,

Insbesondere soll das Verfahren auf eine Hochleistuneslegierung auf Nickelbasis mit Verfestigung durch /-Phase angewendet werden.

In dem vergangenen Jahrzehnt wurde über Arbeiten zur pulvermetallurgischen Dispersionsverfestigung verschiedenster Metalle berichtet. Das Schwergewicht lag dabei darauf, die Metallteilchen und die nichtmetallischen Dispersionen sehr fein zu erhalten und auch einen sehr kleinen Ahstand zwischen den Teilchen zu erzeueen, beispielsweise von weniger als etwa 1 μηι.

Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß eine beträchtliche Verfestigung bei hohen Temperaturen bewahrt werden kann, ohne die Verwendung von ultrafeinen Dispersionen von nichtmetallischen Stoffen, beispielsweise \on Oxiden, Karbiden, Nitriden oder ihren Kombinationen. Es können Steigerungen gewisser Festirkeitseigenschaften bei hoher Temperatur um mindestens das Dreifache gegenüber den Werten für normal gegossene oder geschmiedete Werkstoffe erzielt werden bei Legierungen, die aus vorlegierten Pulvern mit einem Teilchengrößenbereich von etwa 20 bis 750 am hergestellt worden sind. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird diese Verbesserung erreicht durch die Kombination der Verwendung relativ großer Teilchengrößen und einer sorgfältigen Steuerung des Rekristallisationsverhaltens während des Verfahrens, um scharfe Texturen und stark verformtes Gefüge entweder mit feinen länglichen Körnern oder groben ineinandergreifenden Körnern zu erhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet zunächst eine Behandlung der Oberfläche der Legierungsteilchen, um einen Film einer Verbindung der Legierungselemente zu erhalten, welche zu der Gruppe Oxide, Nitride, Karbide und ihren Kombinationen gehört. Beispielsweise können die Teilchen oxidiert, nitriert oder mit Kohlenstoff angereichert werden durch an sicli bekannte Verfahren. Die Menge des auf diese Weise erzeugten Films beträgt etwa 0,1 bis 6 Volumprozent des^Teilchenvolumens. Oberhalb von 6 Volumprozent ist die Legierung zu spröde. Unterhalb von 0,1 Volumprozent ist die Einstellung des Mikrogefüges schwieriger, und man erhält eine unzureichende Verfestigung.

Danach werden die Teilchen zu einem Formkörper verdichtet. Dieser kann auf an sich bekannte Weise hergestellt werden. Bei einem Beispiel wurden die vorbehandelten Teilchen in einen Stahibehälter eingefüllt, welcher evakuiert, verschlossen, erhitzt und zu einem Stab stranggepreßt wurde. Der Behälter besaß einen Durchmesser von etwa 12,5 cm und eine Länge von etwa 45 cm und bestand aus weichem Stahl mit einer Wanddicke von etwa 2,5 mm.

Beispiel 1

Eine für das erfindungsgemäße Verfahren verwen, dete Legierung bestand aus 25 Gewichtsprozent Cr, 4 Gewichtsprozent Al, 1 Gewichtsprozent Y und Eisen als Rest, neben üblichen Verunreinigungen. Eine solche Legierung hat eine gute Verformbarkeit und Oxidationsbeständigkeit bis zu Temperaturen von etwa 1400° C. Sie hat jedoch in der bisher bekannten Form bei Temperaturen oberhalb 50 % ihrer absoluten Schmelztemperatur eine geringe Zugfestigkeit und ein

schlechtes Kriechverhalten. Sie wurde daher als Beispiel zur Illustration der durch das erlindungsgemäße Verfahren erreichbaren Verbesserung gewählt.

fm Vakuum geschmolzene Barren dieser Legierung auf Eisenbasis wurden in Argon zeiätäubt und unter Argon zu einem Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 300 μιη ausgesiebt. Das zerstäubte Pulver wurde durch Erhitzung in Luft bei einer Temperatur im Bereich von etwa 590 bis 870⁰C mit einer dünnen Oxidhaut versehen. Das erhaltene Oxid bestand vorwiegend aus AI₂O₃. Es enthielt jedoch auch kleine Mengen an Al₂O₄ und Cr₂O₃. Der Volumenanteil der Oxidhaut auf dem Pulverteilchen betrug etwa 1 Volumprozent.

Die oxidierten Pulverteilchen wurden dann in einen Behälter aus weichem Stahl gegeben, welcher unter Vakuum verschlossen wurde. Es wurde ein Formkörper mit den Abmessungen von etwa 4 ■ 1,3 · 240 cm bei einer Temperatur von etwa 980" C stranggepreßt.

Weitere oxidurte Pulver wurden bei einer ^Temperatur von etwa 1090° C und einem Druck von etwa 7 t/cm"- unter Vakuum 15 Minuten lang heißgepreßt, um Proben zu Vergleichsstudien bezüglich der Oxidation zwischen dem oxidierten Pulver und dem Pulver im angelieferten Zustand zu erhalten. Es wurden Oxidationsprüfungen in unbewegter Luft bei etwa HOO⁰C während 100 Stunden durchgeführt; die Temperatur wurde alle 20 Stunden auf Zimmertemperatur abgesenkt. Die Proben zeigten eine sehr verringerte Änderung in den Oxidationseigenschaften und damit in der Oberflächenstabilität gegenüber dem ursprünglichen Zustand. Wie Tabelle I zeigt, liegen die Unterschiede in Richtung einer größeren Stabilität des oxidierten Pulvers.

Tabelle I

Vergleichende Oxidationsprüfung (Gewichtszunahme mg/cm²)

Legierungspulver

Wie angeliefert
Oxidiert

Oxidationszeit (Stunden)	40	60	80	100
20	0,2	0,6	0,6	0,6
0,2	0,3	0,3	0,4	0,5
0,1

2 Stunden lang in Luft bei etwa 1200°C wärmebehandelt.

Tabelle Il

Legierungszu
stand

A
B
C

Zugfestigkeit bei 1100° C

as
(kp/mm²)

1,4
3,0
3,7

(kp/mm')

0,88
2,80
3,30

Dehnung (%

150
43
31

Dauet Standfestigkeit

Lebensdauer (Stunden)

Last (kp/cm^a)

53 53

175

31

Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert in be-IS deutendem Maße die mechanischen Festigkeitseigenschaften des Legierungskörpers. Aus der Tabelle II ist dies durch Vergleich zwischen der mit Zustand A bezeichneten gewöhnlichen geschmiedeten oder gegossenen Form und den durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen Formen der Legierung ersichtlich.

Beispiel 2

Für das erfindungsgemäße Verfahren wurde eine Hochleistungslegierung auf Nickelbasis mit y'-Phase verwendet, welche die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufwies: 15% Co, 14,6% Cr, 4,3% AI 4,2% Mo, 3,4% Ti, 0,1% C, 0,015% B, Rest Nickel und übliche Verunreinigungen. Aus den oxidierten Pulvern wurden, wie im Beispiel 1 beschrieben,

Proben hergestellt und bei etwa 1040 bis 1100⁰C wärmebehandelt. Die Ergebnisse der Prüfung dieser Legierung mit verschiedenen Oxid- und Karbidgehalten bei 980° C sind in Tabelle HI zusammengefaßt.

Tabelle III

Zugfestigkeit bei 980° C

Legie-	Volumprozent	Karbid	dB	σ_ο,2	Dehnung
rungs-		1,0
40 zu	Oxid	1,0	(kp/mm²)	(kp/mm²)	(%)
stand	0	1,5	38,5	24,5
D	2,0		104,7	96,3	7
45 ^E	0	115,5	99,8	16
⁵ F

Die Oberflächenstabilität der Legierung wurde durch das Oxidieren vor dem Pressen und Strangpressen im wesentlichen nicht beeinträchtigt. Seine mechanischen Eigenschaften wurden jedoch sehr stark verbessert durch die Kombination Oxidation und der anschließenden thermomechanischen Behandlung. Die Werte der Tabelle II vergleichen die Guß- und Schmiedekörper aus der Legierung, welche als Zustand A aufgeführt ist, mit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Legierung, die als Zustand B und Zustand C aufgeführt ist. Der Zustand B bezeichnet die Legierung in der zuvor beschriebenen stranggepreßten Form, ilcr Zustand C bezeichnet die Legierung nach Strangpressen und Walzen bei etwa 980° C. Es wurden dabei mehrere Walzstiche mit zwischengeschaltetem Abkühlen auf etwa 650° C bis zu einem Abwalzgrad von etwa 75 % angewendet. Die Zugfestigkeitsproben wurden vor der Untersuchung Die Legierung in geschmiedetem Zustand ist mit Zustand D bezeichnet. Die Legierung wurde ohne

Überwachung der Rekristallisation bei etwa 1120⁰C geschmiedet, weshalb sie im allgemeinen zwischen den einzelnen Arbeitsgängen rekristallisierte.

Die sich aus dieser Anwendung der Erfindung ergebenden Legierungszustände für die nachträglich

formgebend bearbeiteten Körper sind mit E und F bezeichnet. Diese wurden mit einem Preßverhältnis von 128:1 im Temperaturbereich von etwa 1040 bis 1100° C stranggepreßt. Dabei wurde sorgfältig darauf geachtet, daß sie während der einzelnen Stufen nicht

rekristallisierten. Nach dieser Bearbeitung wurden dann die Formkörper bei etwa 1200° C rekristallisiert. Aus den Werten der Tabelle III ist ersichtlich, daß die Legierung nach Beispiel 2 in höchstem Maße verbessert wurde.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einer Hochleistungslegierung auf der Basis mindestens eines der Elemente Eisen, Kobalt, Nickel, gekennzeichnet durchdie Kombination der folgenden Verfahrensschritte:

a) Aus der Hochleistungslegierung werden Teilchen mit einem mittleren Durchmesser von etwa 20 bis 750 μιπ hergestellt,

b) die Teilchen werden in einer Atmosphäre, beispielsweise Luft, genügend lange bei etwa 590 bis 870⁰C erhitzt, um auf der Oberfläche der Teilchen einen Film von Karbiden, Nitriden, Oxiden oder Kombinationen derselben zu erzeugen, welcher 0,1 bis 6 °/„ des Volumens der Teilchen beträgt, und

c) anschließend werden die Teilchen bei Temperaturen im Bereich zwischen etwa 980 bis 1090"C zu einem Formkörper verpreßt, wobei der Film zerbrochen und die Teilchen des Films durch den Gegenstand hindurch dispergiert werden.