DE2159815C2

DE2159815C2 - Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen Gußkörpers aus einer Superlegierung

Info

Publication number: DE2159815C2
Application number: DE2159815A
Authority: DE
Inventors: Roy Lee North Palm Beach Fla. Athey; Joseph Burton Jupiter Tequesta Fla. Moore
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1971-01-20
Filing date: 1971-12-02
Publication date: 1981-11-26
Also published as: US3669180A; GB1309340A; DE2159815A1; CA950637A; IL38350A0; CH548453A; SE384332B; IT946521B; IL38350A; FR2122400A1; FR2122400B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen Gußkörpers at. einer Superlrgie- a rung, dessen Material bei einer Zugspannung von 56,2 kg/mm² während 150 Stunden und einer Temperatur von 704⁰C eine Kriechdehnung von max. 0,1% besitzt.

Bei der jüngsten Entwicklung von Strahltriebwerken (Typ J 58) 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 neuemwickelten Strahltriebwerken gestellt werden, nicht genügen. Es waren deshalb Legierungen mit besseren Festigkeitswerten erforderlich.

Derart verbesserte Legierungen führten jedoch beim Versuchslauf der Triebwerke einerseits zu einem v> übermäßigen Anwachsen der Profilabmessungen und andererseits zu Rißbildungen in der Wurzelverzahnung. Kurzzeitstanduntersuchungen im Temperaturbereich von 704 bis 816°C zeigten, daß ein entsprechendes Kriechen im dritten Stadium fehlte, wobei dieses Fehlen « der Dukiilität 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 soll, ttaß 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 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 Oberflächsnimpfung, vorzuziehen, da diese zu einer Struktur führt, bei welcher die gleichachsigen Körner nur an der Oberfläche vorhanden sind.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das sich durch die Erzielung einer gleichachsigen Kornstruktur sowie einer Feinkörnigkeit, d. h. einer vergleichsweise geringen Korngröße, auszeichnet.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Superlegierung in einem Tiegel geschmolzen wird, daß die Temperatur des Tiegels unter gleichzeitigem Rühren der geschmolzenen Superlegierung langsam auf einen Wert reduziert wird, der unter der Keimbildungstemperatur 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 Zone temperalurregulierbar ist, daß die untere Zone auf eine Temperatur unter der Solidustemperatur der Superlegierung vorerhitzt wird, daß das Gemisch in die vorerhitzte Gußform gegossen wird, wobei überschüssiges Gemisch in die obere Zone der Gußform 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 Gußkörper der gewünschten Größe erreicht 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 Zeitstandfestigkeit, wie sie beispielsweise in der US-PS 30 61426 aufgeführt sind. Die Zusammensetzung in Gewichtsprozent lautet: 10% Cr, 15% Co, 4,5% Ti, 5,5% Al, 3% Mo, 0,17% C, ]%V, 0,015% B, 0,06% Zr. Andere Legierungen vom gleichen allgemeinen Tvn sind beispielsweise die Legierung A. bestehend aus 9% Cr, 10% Co, 2% Ti, 5% Al, 7,8% Mo, to 12,5% W, 0,15% C, 1% Cb, 0,015% B, bestehend aus 15% G-. 15% Co, 3,4% Ti, 4,3% Al, 4,4% Mo, 0,07% C und 0,02% B.

Erfindungsgemäß sollen fehlerfreie, homogene ultrafine Gußkörper aus den Superlegierungen hergestellt werden. Dies macht es erforderlich, daß beim Gießen nicht nur viele Stellen für 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 40,64 cm und eine Höhe von 61 cm. Diese Abmessungen entsprechen der gewünschten Gußblockgröße. Der Durchmesser des Heizkopfes jo beträgt 2032 cm, seine Höhe 30,48 cm. Das Kupfergießlager, auf dem die Formanordnung sitzt, hat einen Durchmesser von 61 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 -to 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 gebaii» und umfaßt einen Mantel 14 aus rostfreiem Stahl mit einer geeigneten keramischen Isolierung 16 im Inneren. Der Mantel aus rostfreiem Stahl ist zusätzlich auf der Außenseite von einem Graphitsuszeptor 18 umgeben, um dessen Außenseite eine Spule bzw. Wicklung 20 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 ausreichende Rührwirkung zur Verringerung der Temperaturgradienten in der Schmelze auf ein Minimum und eine homogene Verteilung der feinen Feststoffteilchen oder Keime in der Schmelze gesorgt wird.

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 Soli^istemperatur der Legierung, jedoch vorzugsweise in deren Nahe liegi. Im Falle von Superlegierungen auf Nickelbasis, denen das Hauptinteresse gilt, reicht eine Vorcrhii/.ungsteniperaturvon 1038⁰C.

Beim Verfestigen der Legierung tritt ein Schrumpfen auf, das zur Erzeugung von Innenhohlräuinen 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. D.ibei kompensiert das Zweiphasengemisch in dem obi-ren Teil der unteren Form die Schrumpfung, die darunter eintritt.

Das Erhitzen und Rühren erfolgt in dem Hei/ki-.pf. 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 He'zkopf wird weiterhin deshalb vorgenommen, um /u gewährleisten, daß die Verfestigung über dem Gußblock von dem gut gerührten Zweiphasengemisch ausgeht, wenn die Verfestigung nach oben hin erfolgt.

Erfindungsgemäß erhält man so "ine ulfafeine gleichachsige Kornstruktur, die sich durch das im wesentlichen Maße ergebende Fehlen von Steigerungen und Hohlräumen bzw. Poren auszeichnet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch;

Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen GuUkörpers aus einer Superlegierung, dessen Material bei einer Zugspannung von 56,2 kg/mm² während 150 Stunden und einer Temperatur von 704°C eine Kriechdehnung von max. 0,1% besitzt, dadurch gekennzeichnet, daiB die Superlegierung in einem Tiegel geschmolzen wird, daß die Temperatur des Tiegels unter gleichzeitigem Rühren der geschmolzenen Superlegierung langsam auf einen Wert reduziert wird, der unter der Keimbildungstemperatur 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 Zone temperaturregulierbar ist, daß die untere Zone auf eine Temperatur unter der Solidustemperatur der Superiegiemng vorerhitzt wird, daß das Gemisch in die vorerhitzte Gußform gegossen wird, wobei überschüssiges Gemisch in die obere Zone der Gußform 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 Gußkörper der gewünschten Größe erreicht ist.

30