DE2362650A1

DE2362650A1 - Verfahren zum pulvermetallurgischen herstellen von teilen aus einer knetlegierung

Info

Publication number: DE2362650A1
Application number: DE2362650A
Authority: DE
Inventors: John Stanwood Benjamin; Jun Jay Michael Larson; Timothy Earl Volun; Cairns Warwick
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1972-12-18
Filing date: 1973-12-17
Publication date: 1974-06-27
Also published as: JPS4990665A; US3865575A; FR2210668B1; DE2362650B2; IT1000340B; SE400494B; AU6330373A; CA1016369A; FR2210668A1; GB1457448A; DE2362650C3

Description

International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London. S. ¥. 1, Großbritannien

"Verfahren zum pulvermetallurgisehen Herstellen von Teilen

aus einer Knetlegierung"

Die bekannten Superlegierungen müssen bei der Verwendung als Werkstoff für warmfeste Teile, beispielsweise Gasturbinenteile, eine hohe Kriechfestigkeit und Zeitständfestigkeit besitzen. Dies bedingt wiederum eine hohe Härte mit entsprechend schlechter Warmverformbarkeit, so daß Superlegierungen häufig nicht warmverformt und nur als Gußwerkstoff eingesetzt werden können«,

Um den vorerwähnten Schwierigkeiten zu begegnen, ist es bekannt, beim Herstellen von Superlegierungen von einem nach dem Sprühverfahren hergestellten Pulver auszugehen. Dies führt zu einer gewissen Verbesserung der Warmverformbarkeit, geht jedoch auf Kosten dessehr feinen und homogenen Mikrogefüges. Das Pulver läßt sich durch Warmformen, beispielsweise durch ein isostatisches Heißpressen gegebenenfalls mit anschließender Warmverformung zu Knetprodukten verarbeiten,, Eine weitere Verbesserung ergab sich durch ein kombiniertes mechanisches und thermisches Behandeln des Presskörpers; dies

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setzt jedoch die Einhaltung sehr enger Verfahrensb'edingungen voraus.

Die mangelnde Verformbarkeit der Superlegierungen ist insbesondere beim Herstellen großer Teile wie beispielsweise Turbinenscheiben mit einem Durchmesser bis zu 1,5 nun von großem Nachteil. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Superlegierung mit ausreichender Warmverformbarkeit zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf der Feststellung, daß sich die Verformbarkeit vorlegierter Zerstäubungspulver durch ein Verformen der Pulverteilchen verbessern läßt, bei dem den Pulverteilchen innere Spannungen erteilt werden.

Besitzen die Pulverteilchen vor dem Pressen innere Spannungen, so erhöht sich ihre Warmverformbarkeit bzw. wird der Verfonaungswiderstand bei der Temperatur des Warmverformens verringert. Die bessere Warmverformbarkeit erlaubt es, das Pulver bei niedrigeren Temperaturen'und/oder Drücken heißzupressen, bei gegebener Kapazität größere Teile herzustellen und eine hohe Maßhaltigkeitzu erreichen, wobei die gute Verformbarkeit auch bei nachfolgenden Verfahren erhalten bleibt.

Die Härte einer Legierung nimmt bekanntermaßen mit steigender Temperatur ab. Bei vorlegierten Pulvern ist es üblich, die Härte des Presskörpers nach einem Pressen auf mindestens 99# der theoretischen Dichte zu messen«

Aus dem Diagramm der Zeichnung ergibt sich die Änderung der Härte in Abhängigkeit von der Temperatur. Dabei bezieht sich

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die Kurve A auf ein Zerstäubungspulver, dessen Teilchen erfindungsgemäß innere Spannungen aufweisen, und die . Kurve B auf ein Zerstäubungspulver ohne innere Spannungen der Pulverteilchen.' Der Kurvenverlauf zeigt, daß trotz höherer Härte des Pulvers aus den Teilchen mit innerer Spannung bei Raumtemperatur bzw. während des Verformens der Pulverteilchen die Härte mit zunehmender Temperatur rascher abnimmt als im Falle des Pulvers B, dessen Härte vom Schnittpunkt H an wesentlich langsamer abnimmt. Ein Maß für die Verbesserung der Warmverformbarkeit aufgrund der inneren Spannungen der Pulverteilchen ergibt sich aus der Gleichung

T/TM)_i/2

¹O'

wobei ^ T dem sich aus dem Diagramm der Zeichnung ergebenden Temperaturunterschied zwischen den beiden Kurven bei 1/2 H_ und TM der absoluten Schmelztemperatur entspricht.

Führen die erwähnten inneren Spannungen nicht zu einer Erhöhung der Härte, weil gleichzeitig auch eine härtende Phase zerstört wird, dann muß der Wert H_Q durch die Härte der beiden Vergleichspulver bei Raumtemperatur zu ersetzen.

Die innere Spannung der Pulverteilchen sollte so eingestellt werden, daß sich eine Warmverformbarkeit von mindestens 1%, vorzugsweise von mindestens 2% oder besser noch von mindestens 5% ergibt. Im Einzelfall hängt die Höhe der erforderlichen inneren Spannung von der Natur des Pulvers ab.

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Die inneren Spannungen können den Teilchen eines Zerstäubungspulvers durch ein trockenes Hochenergie-Mahlen nach dem in der deutschen Offenlegungsschrift 1 909 781 beschriebenen Verfahren erteilt werden. Dieses Verfahren besteht darin, eine Legierung durch Mahlen von Pulvern der Legierungsbestandteile herzustellen, bei dem die Pulverteilchen wiederholt miteinander verschweißt und wieder zerkleinert werden, bis das Pulver seine Sättigungshärte erreicht. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens dient das trockene Hochenergie-Mahlen jedoch lediglich dazu, den Teilchen eines vorlegierten Zerstäubungspulvers die erforderlichen inneren Spannungen zu erteilen, ohne daß die Sättigungshärte erreicht werden muß oder sollte. Beim Hochenergie-Mahlen sollten die Mahlwerkzeuge, beispielsweise Mahlkugeln aus Stahl, Nickel oder Wolframkarbid, kinetisch im Zustand einer starken Relativbewegung gehalten werden, bei der sich zu einer gegebenen Zeit mindestens 50 bis 7556 der Kugel im berührungsfreien Zustand befinden. Auf diese Weise gewährleisten die Beschleunigungskräfte einen wiederholten Zusammenstoß der Kugeln. Zum Hochenergie-Mahlen eignen sich Spex- und Rührarm-Mühlen wie Szegvari—Mühlen sowie Vibrations- und Planeten-Kugelmühlen. Übliche Kugelmühlen erfordern dagegen selbst wenn sie die erforderliche Energie aufzubringen vermögen, im allgemeinen eine zu lange Mahldauer.

Von entscheidender Bedeutung ist nicht die Art der Mühle, sondern die den Pulverteilchen erteilte innere Spannung. Eine Szegvari-Kugelmühle mit durchgehärteten 8 mm-Kugeln aus dem Stahl AISI E 52 100 wird vorzugsweise mit einer

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10% Methan enthaltenden Argonatmosphäre unter Berücksichtigung der sich aus der nachfolgenden Tabelle I ergebenden Bedingungen betrieben, selbstverständlich eignen sich auch andere Mahlatmosphären, wie Stickstoff- und Stickstoff/Sauerstoff-Atmosphären.

Tabelle I

Fassungs- Durchmes- Impellerge- Kugel/Pulver- Mahldauer vermögen ser schwindig- Volumenver-

keit hältnis

(1) (m) (Upm) (h)

3.	8	2.74	300 - 400	5 - 50:1	1	- 10
15.	2	3.96	200 - 300	It	1	- 10
37.	9	4.88	125 - 200	tf	1	- 10
379		10.97	50 - 150	It	1	- 10

Die Teilchengröße des Pulvers kann sehr unterschiedlich sein und bis mindestens 1000 i#n betragen, wenngleich die Teilchengröße bei den vorerwähnten Verfahrensbedingungen anfangs vorzugsweise 20 bis 350 Zi^m beträgt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert:

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Beispiel 1

Ein Zerstäubungspulver aus der Legierung IN-1OO mit 15% Kobalt, 10% Chrom, 5,5% Aluminium, 4,75% Titan, 3% Molybdän, 0,02% Kohlenstoff, 0,15% Bor und 0,06% Zirkonium,-Rest Nickel und einer Teilchengröße unter 43/^/m wurde zehn Stunden in einer 3,8 1-Rührarm-Kugelmühle in strömendem Stickstoff bei einer Impellergeschwindigkeit von 350 Upm gemahlen. Die Mühle enthielt 16,8 kg durchgehärteter Kugeln aus dem Stahl AISI E 52 100 mit einem Durchmesser von 8 mm; das Volumenverhältnis Kugeln/Pulver betrug 17:1.

Teilmengen des Pulvers wurden sowohl vor als auch nach dem Mahlen in Büchsen aus weichem Stahl gefüllt. Nach dem Evakuieren wurden die Büchsen mit dem Pulver im Vakuum auf 316⁰C erwärmt und druckdicht verschlossen. Die Büchsen wurden dann jeweils auf 1038°C erwärmt, in einer Strangpresse gegen einen Amboss gestaucht und unter Vermiculit abgekühlt. Nach dem Entfernen der Büchsen wurde die Härte der Presskörper bei unterschiedlichen Temperaturen bestimmt, wobei sich die aus der nachfolgenden Tabelle II ersichtlichen Werte ergaben,,

Tabelle II

Prüf temperatur Pres^körperhärte (R-_A)

(⁰C) ungemahlen gemahlen

RT 74,5 78.5

538 73.2 76.2

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236265Q

Fortsetzung der Tabelle II

649 760 871 982

72.4	74.1
71.0	69o8
63 ο 2	14.4
37.2	zu gering

Die Daten der Tabelle II lassen deutlich den bemerkenswerten Härteabfall des gemahlenen Pulvers bei Temperaturen ab 760⁰C als Folge der inneren Spannungen der Pulverteilchen erkennen. Bei 871⁰C liegt die Härte bereits unter dem sehr niedrigen Wert von 14,4 R^ und bei 982°C bereits niedriger als die Rockwell-A-Skala reicht. Im Gegensatz dazu besitzt das nicht gemahlene Pulver auch bei 982⁰C noch eine Härte von 37,2 R_A.

Die Warmverformbarkeit ergab sich in der oben beschriebenen Weise zu 6%.

Beispiel 2

Eine weitere Charge des Zerstäubungspulvers gemäß Beispiel 1

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wurde gemahlen, wobei vor und nach dem Mahlen Teilmengen entnommen und in der erwähnten Weise bei 1066 C heißgepresst wurden. Proben der Presskörper wurden bei 982°C und einer Dehnung von 0,0025 bis 0,625 je Minute untersucht« Dabei ergab sich für die Proben aus dem gemahlenen Pulver ein Fließ-Wiederstand von 33,6 bis 77 N/mm , eine Bruchdehnung von 144% und eine Einschnürung von 99%. Die Proben aus dem ungemahlenen Pulver besaßen dagegen einen Fließwiderstand von 59,8 bis 110 N/mm , eine Dehnung von 10% und eine Einschnürung von 4,5%. Weitere Proben wurden vier Stunden bei 1149°C geglüht, in Öl abgeschreckt, vierundzwanzig Stunden bei 649°C geglüht, in Luft abgekühlt, acht Stunden bei 760°C ausgehärtet und erneut in Luft abgekühlt sowie bei 732 C unter einer Belastung von 690 N/mm untersucht. Dabei ergab sich für die Probe aus dem gemahlenen Pulver eine Standzeit von 22,5 Stunden und für die Probe aus dem ungemahlenen Pulver eine Standzeit von nur zwei Stunden.

Beispiel 3

Zwei weitere Chargen des erwähnten Zerstäubungspulvers mit einer Teilchengröße von 43 bis 246μ/πι wurden fünf bzw. fünfzig Stunden in einer luftdichten 14 cm-Kugelmühle mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 80 Upm in Anwesenheit von durchgehärteten 9,5 mm-Kugeln aus dem Stahl AISI E ^2. 100 bei einem Volumenverhältnis Kugeln/ Pulver von 10:1 gemahlen. Des weiteren wurden zwei Pulverchargen mit einer Teilchengröße unter 43/^-m eine bzw. drei Stunden in einer Kugelmühle gemäß Beispiel 1 gemahlen,

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_ 9 —

Jede der vier Chargen wurde in der im Zusammenhang mit; Beispiel 2 beschriebenen Weise heißgepresst und untersucht, wobei sich die aud der nachfolgenden Tabelle III ersichtlichen Daten ergaben. Die Daten der Tabelle III enthalten auch die Versuchsergebnisse des ungemahlenen Pulvers und des zehn Stunden gemahlenen Pulvers gemäß Tabelle I sowie aus der Literatur stammende Härtewerte einer üblichen IN-100-Gußlegierung.

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Tabelle III

O CD OO

	ver	Rockwell Härte	50 h	1 h	^RA	10	h	Gusszust.
	74.5	Kugelmühle	75.8	76.4	Rührarmmühle	78.	5
	73.2	5 h	73.8	74.4	3 h	76.	2	69.5
	72.4	74.8	73.2	74.1	77.2	74.	1	68.2
Tempera- Ausgangspul-	71.0	73.9	71.5	70.0	76.0	69.	8	68.2
tur (⁰C)	63.2	73.8	55.7	47.2	74.0	14.	4	67.8
R.T.	37.2	71.3		•X-	69 „ 4	#·		65.0
593	Warmverformbarke.it (%)	61.7	3.5	4.3	33.0	6		58.5
649		27.4			■*
760		1.2	5.7
871
982

* Für die Messung zu gering

ο ι

ro

CO CT) N)

CJH

' - 236265Q

Die Daten der Tabelle III zeigen, daß ein nur einstündiges Mahlen des Pulvers in einer Rührarm-Kugelmühle zu einer wesentlich besseren Verformbarkeit bei Temperaturen über 760⁰C führt als ein fünfstündiges trockenes Kugel-Mahlen«, Dabei ist die Verformbarkeit noch etwas besser als diejenige eines fünfzig Stunden kugelgemahlenen Pulvers. Diese Verbesserung der Verformbarkeit ist eine Folge der inneren Spannungen der Pulverteilchen. Dagegen bleibt die Härte der Gußlegierung über den gesamten Temperaturbereich praktisch unverändert.

Die Unterschiede im Fließwiderstand und der Duktilität zwischen dem gemahlenen und dem ungemahlenen Pulver gemäß Beispiel 2 sind mindestens zum Teil auf die wesentlich feineren Teilchen oder das Versetzungsgefüge der Teilchen mit inneren Spannungen zurückzuführen. Das Verformen der Pulverteilchen beim Mahlen führt außerdem zu einer feinerdispersen Verteilung der spröden Phasen. Beim Pressen eines unbehandelten Zerstäubungspulvers ergeben sich dagegen Schwierigkeiten wegen der Oberflächenphasen der Pulverteilchen«,

Presskörper aus erfindungsgemäß gemahlenen Zerstäubungspulvern besitzen außerdem ein völlig anderes Gefüge als unbehandelte Pulver, insbesondere dann, wenn es sich um Pulver aus stets Kohlenstoff enthaltenden Superlegierungen handelt. Im unbehandelten Zustand finden sich zumeist verhältnismäßig große Karbide mit einer Größe über 1^m, als inkohärenter Gefügebestandteil, deren atomares Gefüge keine Beziehung zu dem sie umgebenden Grundgefüge besitzen. Bei Presskörpern aus nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Pulvern liegen dagegen die Karbide zumeist als feindispers verteilte

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halbkoherente Teilchen vor» Dieser Unterschied im Karbidgefüge ist auf die starke Verformung der Pulverteilchen beim Mahlen zurückzuführen, die zu einer Zerkleinerung und Umverteilung der Karbide führt. Beim nachfolgenden Erwärmen auf die Heißpresstemperatur gehen die feinen Karbide in Lösung und scheiden sich bei Temperaturen wieder ab, bei denen die Atombeweglichkeit verhältnismäßig gering und das chemische Potential hoch ist. Dies führt zur Bildung eines sehr feinen, kohäranten Karbid- Ausscheidungsgefüge. Die Teilchen eines nicht behandelten Zerstäubungspulvers enthalten dagegen unzerkleinerte Karbide, die verhältnismäßig stabil sind und ihre kompakte Größe beibehalten.

Bei den höheren Temperaturen des Heißpressens findet zwar ein -gewisses Lösen der kompakten Karbide statt. Die höheren Temperaturen erhöhen jedoch gleichzeitig auch die atomare Beweglichkeit, so daß sich die gelösten Karbide beim Abkühlen an den Korngrenzen oder anderen Oberflächen erneut abscheiden.

Die Erhöhung der Warmverformbarkeit eines Zerstäubungspulvers nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ,erlaubt die Anwendung der verschiedensten Verfahren zum Formen bzw. Pressen. Hierzu gehört das Pressschmieden, Vakuum-Heißpressen, Schmieden, Walzen, das isostatische Heißpressen bei niedrigeren Temperaturen als sonst üblich sowie das Warmstrangpressen. Auf diese Weise können kleine Turbinenscheiben im geschlossenen Gesenk mit Werkzeugstempeln pressgeschmiedet werden, wobei völlig porenfreie Scheiben anfallen, die sogleich .wärmebehandelt und bearbeitet werden können. Beim Her-

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stellen großer Turbinenscheiben wird ein Vorkörper kreuzgewalzt oder im geschlossenen Gesenk fast bis zur Endform und -größe pressgeschmiedet. Von besonderem Vorteil ist dabei der geringe Materialverlust der teuren Superlegierungen bei minimaler Bearbeitung. Selbstverständlich muß das Formen und Verformen bei Temperaturen oberhalb der Temperatur von H erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit den verschiedensten vorlegierten Pulvern, insbesondere aus Superlegierungen und anderen schwer verformbaren Legierungen durchführen,, Dazu gehören Nickel-Superlegierungen mit bis 60%, beispielsweise 1 bis 25$ Chrom, bis 30Ji, beispielsweise 5 bis 25% Kobalt, bis 10%, bei- spielsweise 1 bis 9% Aluminium, bis 8%, beispielsweise 1 bis 7% Titan, einzeln oder nebeneinander, und insbesondere mit mindestens 4 oder 5% Aluminium und Titan, bis 30%, beispielsweise 1 bis 8% Molybdän, bis 25%, beispielsweise 2 bis 20% Wolfram, bis 10% Niob, bis 10% Tantal, bis 7% Zirkonium, bis 0,5% Bor, bis 5% Hafnium, bis 2% Vanadin, bis 6% Kupfer, bis 5% Mangan, bis 70% Eisen und bis 4% Silizium. Geeignet sind auch Kobalt-Superlegierungen und die Legierungen IN-738, IN-792, Rene und 95, die Legierung 718, Waspaloy, Astroloy, die Mar-M-Legierungen 200 und 246', die Legierungen 713, 500, 700 und A-286. Schließlich kommen auch Titan-Legierungen sowie die Feuerfest-Legierungen SU-16, TZM und Zircaloy sowie dispersionsverfestigte Legierungen mit bis 10 Volumenprozent und mehr eines Dispersoids wie Yttriumoxyd, Thoriumoxyd oder Lanthanoxyd.

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Claims

Patentansprüche ;

1. Verfahren zum Herstellen von Teilen aus Knetlegierungen, durch Heißpressen von Zerstäubungspulvern, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverteilchen zunächst verformt und mit inneren Spannungen versehen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverteilchen beim Verformen auf eine Warmverformbarkeit von mindestens 2% gebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen beim Verformen auf eine Warmverformbarkeit von mindestens 5% gebracht werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverteilchen in einer Rührarm-Mühle verformt werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Teilchen eines Zerstäubungspulvers aus einer Superlegierung verformt werden.

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6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus den verformten Teilchen Turbinenscheiben hergestellt wenden.

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