DE2159815A1

DE2159815A1 - Verfahren zur Herstellung feinkörniger Gußblöcke aus Superlegierungen

Info

Publication number: DE2159815A1
Application number: DE19712159815
Authority: DE
Inventors: Roy Lee North Palm Beach; Moore Joseph Burton Jupiter Tequesta; Fla. Athey (V.StA.). B22d 11-04
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1971-01-20
Filing date: 1971-12-02
Publication date: 1972-08-03
Also published as: US3669180A; DE2159815C2; GB1309340A; CA950637A; IL38350A0; CH548453A; SE384332B; IT946521B; IL38350A; FR2122400A1; FR2122400B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Legierungen und insbesondere auf die Herstellung von feinkörnigen Gußkörpern aus hochlegierten Superlegierungen.

Bei der jüngsten Entwicklung von Strahltriebwerken (Typ J58) haben sich bei der Anwendung von sehr weit fortentwickelten Superlegierungen auf Nickelbasis Schwierigkeiten ergeben. Versuche bei laufenden Triebwerken haben gezeigt, daß die bisher verfügbaren Legierungen den Ansprüchen, wie sie in den neuentwickelten Strahltriebwerken gestellt werden, nicht genügen. Es waren deshalb Legierungen mit besseren Festigkeitswerten erforderlich.

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BAD ORIGINAL

Derartig verbesserte Legierungen führten jedoch beim Versuchslauf der Triebwerke einerseits zu einem übermäßigen Anwachsen der Profilabmessungen und andererseits zu Rissbildungen in der Wurzelverzahnung. KurzzeitStanduntersuchungen im Temperaturbereich von 7o4 bis 8l6 C zeigten, daß ein entsprechendes Kriechen im dritten Stadium fehlte, wobei dieses Fehlen der Duktilität bzw. des Vermögens zur bleibenden Verformung für einen vorzeitigen und nicht vorhersehbaren Bruch an der Schaufelwurzel verantwortlich ist. Zusätzlich zu den Festigkeits- und Duktilitätsproblemen wird infolge des nicht regulierten Kornaufbaus eine übermäßig breite Streuung der mechanischen Eigenschaften offenkundig. Diese Streuung ist nicht in Einklang mit den Anforderungen zu bringen, die hinsichtlich vorhersagbarer Betriebseigenschaften der Triebwerke gestellt werden.

Es ist deshalb erforderlich, Gußverfahren zu schaffen, mit denen gleichförmige und reproduzierbare mechanische Eigenschaften bei Gußkörpern neu entwickelter Superlegierungen erzielt werden können, also Verfahren, mit denen sich reproduzierbare Gußkörper mit günstigen mechanischen Eigenschaften herstellen lassen. Insbesondere werden deshalb Verfahren entwickelt, mit denen sich ein regulierter, gleichachsiger Kornaufbau der Gußkörper erreichen läßt.

Das diesbezüglich eingesetzte Verfahren umfaßt deshalb eine derartige Manipulierung der Schmelze, aus der Schaufelgußkörper hergestellt werden sollen, daß man eine statistisch verteilte Keimbildung in dem Schmelztiegel und das daraus resultierende Kornwachsen in der Schaufelform während der Verfestigung erhält. Bei dem Verfahren wird nach einer ausreichenden Verweilzeit, um ein völliges Schmelzen zu erreichen, die Wärmezufuhr zu dem Schmelztiegel auf ein Maß verringert, bei welchem die thermischen Gradienten in der Schmelze auf ein Minimum zurückgeführt sind, während eine maximale Rührwirkung

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aufrechterhalten wird. Wenn der Punkt erreicht wird, wo sich der Beginn der Keimbildung beobachten läßt, wird die Schmelztiegelwärme scharf erhöht, um die Temperatur der Schmelze auf den Fließpunkt zu bringen· Auch bei diesem Temperaturanstieg bleiben die während des Abkühlteils des Zyklus gebildeten Kerne bzw. Keime eine angemessene Zeitlang weiter bestehen. Unter Ausnutzung einer geeigneten Leistungs-Zeit-Beziehung zur Gewährleistung des weiteren Bestehens der Kerne bei Gießtemperatur und bei willkürlicher Verteilung der Keime, die durch die Rührwirkung durch die Zunahme der Wärmezufuhr zu dem Tiegel gegeben ist, wird die Schmelze in die ^ Schaufelform bei einem Kornwachstum gegossen, das von den verteilten Keimen bei der Verfestigung ausgeht und eine gleichachsige MikroStruktur erzeugt.

Dieses Verfahren ist gegenüber anderen Verfahren, beispielsweise der Oberflächenimpfung,vorzuziehen, da diese zu einer Struktur führt, bei welcher die gleichachsigen Körner nur an der Oberfläche vorhanden sind.

Erfindungsgemäß wird deshalb ein Verfahren zur Herstellung von Gußkörpern geschaffen, die sich durch eine gleichachsige Kornstruktur und weiterhin durch die Feinkörnigkeit, d. h. _

geringe Korngröße, auszeichnen. Das erfindungsgemäße Verfahren ^ ist auch bei Superlegierungen anwendbar, so daß ausreichende Festigkeitswerte erreichbar sind, wodurch die Kriechgrenze auf ein Maximum von o,l % in 15o h bei 7o4 C unter einer Spannung

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von 56,2 kp/mm begrenzt ist.

Erfindungsgemäß wird eine gut gerührte Schmelze in einem Zweiphaseiizustand, nämlich fest-flüssig, in eine geheizte Form gegossen und bei Vorhandensein eines Reservoirs gut gerührter Schmelze verfestigt. Das Verfahren umfaßt weiterhin ein

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Stürzgußverfahren, das insbesondere für die Herstellung von größeren Gußblöcken aus fortschrxttlichen hochlegierten Superlegierungen einschließlich der Superlegierungen auf Nickelbasis (Nickel-Sonderlegierungen) verwendbar ist.

In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform einer Gußblockform zur Herstellung von Gußkörpern der beschriebenen Art mit ultrafeinem Korn gezeigt.

Legierungen, auf die das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird, sind insbesondere Superlegierungen mit hoher Zeitstand- ^k festigkeit, wie sie beispielsweise in der US-PS 3 o6l 426 aufgeführt sind. Die Zusammensetzung in Gewichtsprozent lautet: Io % Cr, 15 % Co, 4,5 % Ti, 5,5 % Al, 3 % Mo, o,17 % C, 1 % V, o,ol5 94 B, o,o6 % Zr. Andere Legierungen vom gleichen allgemeinen Typ sind beispielsweise die Legierung A, bestehend aus 9 % Cr, Io % Co, 2 % Ti, 5 % Al₁ 7|8 % Mo, 12,5 % W, o,15 % C, 1 % Cb, o,ol5 % B, o,o5 % Zr bzw. die Legierung B, bestehend aus 15 % Cr, 15 % Co, 3,4 % Ti, 4,3 % Al, 4,4 % Mo, o,o7 % C und o,o2 % B.

Erfindungsgemäß sollen fehlerfreie, homogene ultrafeine Gußkörper aus den Superlegierungen hergestellt werden. Dies macht es erforderlich, daß beim Gießen nicht nur viele Stellen für V das Kornwachstum, also Keime, bereitstehen, die gleichmäßig in der Schmelze in der Gießform verteilt sind, sondern daß auch Faktoren berücksichtigt sind, wie beispielsweise die thermische Schrumpfung, die sonst zur Erzeugung von Hohlräumen bzw. Poren oder Lunkern führen kann.

Die für die Herstellung der gewünschten Gußkörper in den Zeichnungen gezeigte zweckmäßige Vorrichtung hat eine untere Form 2, die mit einem Gießaufsatz bzw. einem Heizkopf 4 ein Stück bildet und auf einem Kupfergießlager 6 angeordnet ist. Die untere Form hat einen Durchmesser von 4o,64 cm und eine

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Höhe von 61 cm. Diese Abmessungen entsprechen der gewünschten Gußblockgröße. Der Durchmesser des Heizkopfes beträgt 2o,32 cm, seine Höhe 3° »48 cm. Das Kupfergießlager, auf dem die Formanordnung sitzt, hat einen Durchmesser von 6l cm und eine Höhe von 45,72 cm, wobei die Basis 15,24 cm stark ist. Dabei ist eine nicht gezeigte Temperaturregulierung des Gießlagers aus Kupfer vorgesehen.

Die untere Form 2 hat einen Mantel 8 aus nicht magnetischem, rostfreiem Stahl, der eine geeignete keramische Form Io der gewünschten Abmessung enthält, die im vorliegenden Fall im wesentlichen zylindrisch ist. Die untere Form ist auf der Außenseite des Mantels aus rostfreiem Stahl von einer Rührspule bzw. -wicklung 12 umgeben, die für die Aufrechterhaltung einer homogenen Verteilung der Keime verwendet wird, von denen ausgehend das Kornwachstum erfolgt.

Die obere Form 4 ist ähnlich gebaut und umfaßt einen Mantel 14 aus rostfreiem Stahl mit einer geeigneten keramischen Isolierung l6 im Inneren. Der Mantel aus rostfreiem Stahl ist zusätzlich auf der Außenseite von einem Graphitsuszeptor 18 umgeben, um dessen Außenseite eine Spule bzw. Wicklung 2o zum Rühren und Erhitzen angeordnet ist.

Bei dem Gießverfahren wird die zu vergießende Legierung in einem Tiegel geschmolzen, wobei zur Gewährleistung des Schmelzens genügend lang eine bestimmte Temperatur aufrechterhalten wird. Die Temperatur des Tiegels wird langsam abgesenkt, um ein Zweiphasengemisch flüssig-fest zu schaffen, wobei für eine auereichende Rührwirkung zur Verringerung der Temperaturgradienten in der Schmelze auf ein Mieimum und eine homogene Verteilung der feinen Feststoffteilchen oder Keime in der Schmelze gesorgt wird.

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Das Zweiphasengemisch bzw. die bereits mit Feststoffen versehene Schmelze wird dann von dem Tiegel in die Form, wie sie beispielsweise in der Zeichnung gezeigt ist, gegossen, die auf eine Temperatur vorerhitzt ist, die unter der Solidustemperatür der Legierung, jedoch vorzugsweise in deren Nähe liegt. Im Falle von Superlegierungen auf Nickelbasis, denen das Hauptinteresse gilt, reicht eine Vorerhitzungstemperatur von lo38°C.

Beim Verfestigen der Legierung tritt ein Schrumpfen auf, das zur Erzeugung von Innenhohlräumen im Gußkörper führen würde. Das Zweiphasengemisch wird deshalb fortlaufend gerührt und in einem Zustand ausreichender Fließfähigkeit gehalten, um das Schrumpfen auszugleichen, wenn die völlige diametrale Verfestigung nach oben in der Form fortschreitet. Dabei kompensiert das Zweiphasengemisch in dem oberen Teil der unteren Form die Schrumpfung, die darunter eintritt.

Das Erhitzen und Rühren erfolgt in dem Heizkopf, wodurch tatsächlich nicht nur ein Abschlußspeicher für die untere Form geschaffen ist, sondern auch die Einstellung bzw. Regulierung der Viskosität des Materials sowohl in dem Heizkopf als auch darunter gewährleistet ist. Die Regulierung der Wärme in dem Heizkopf wird weiterhin deshalb vorgenommen, um zu gewährleisten, daß die Verfestigung über dem Gußblock von dem gut gerührten Zweiphasengemisch ausgeht, wenn die Verfestigung nach oben hin erfolgt.

Erfindungsgemäß erhält man so eine ultrafeine gleichachsige Kornstruktur, die sich durch das im wesentlichen Maße ergebende Fehlen von Seigerungen und Hohlräumen bzw. Poren auszeichnet.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Gußkörper aus Superlegierungen, gekennzeichnet durch Festigkeitswerte bei 7o4 C, die für die Begrenzung einer Kriechgrenze von maximal o,l % in 15o h bei einer Spannung von 56,2 kg/mm genügen.

2. Verfahren zur Herstellung eines Gußkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Superlegierung in einem Tiegel geschmolzen wird, daß die Temperatur des Tiegels langsam auf eine Höhe reduziert wird, die unter der Keimbildungstemperatür der Superlegierung liegt, so daß man ein im wesentlichen homogenes flüssig-festes Zweiphasengemisch erhält, daß eine Gußform mit einer oberen und unteren Zone eingesetzt wird, wobei die obere Zone unabhängig von der unteren Form temperaturregulierbar ist, daß der untere Teil der Form auf eine Temperatur unter der Solidustemperatur der Superlegierung vorerhitzt wird, daß das Gemisch in die vorerhitzte Form gegossen wird, wobei überschüssiges Gemisch in die obere Zone der Form gelangt und ausreicht, den Volumenverlust infolge der Schrumpfung beim Verfestigen zu decken, und daß eine Zone von homogenem Zweiphasengemisch vor der Verfestigungsfront aufrechterhalten wird, bis der Gußblock der gewünschten Größe erreicht ist.

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L e e r s e i t e