DE4440229C2 - Verfahren zum Herstellen von gegen Rißbildung widerstandsfähigen hochfesten Superlegierungsgegenständen - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von gegen Rißbildung widerstandsfähigen hochfesten SuperlegierungsgegenständenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft allgemein die Wärmebehandlung von
Metallgegenständen und insbesondere ein Verfahren zur
Wärmebehandlung von Gegenständen, die aus einer mindestens 12 Gew.-%
Chrom enthaltenden Legierung auf Nickelbasis hergestellt
sind.
Viele Industrieprodukte müssen derart gestaltet sein, daß sie
Widerstand gegen hohe Temperaturen leisten. Eine solcher
Produktklassen sind Strahltriebwerke, die aus Komponenten
konstruiert sein müssen, welche sowohl gegen hohe Temperaturen
wie auch hohe Drücke, die in dem Triebwerk zyklisch wiederholt
auftreten, widerstandsfähig sind. Besondere
Maschinenkomponenten, die diesen zyklisch auftretenden
Temperaturen und Drücken widerstehen müssen, enthalten
Diffusorgehäuse, Brennkammern und Turbinengehäuse. In
Strahltriebwerken kann die in diesen Teilen erzeugte Temperatur
540°C übersteigen. Das Metall von Diffusorgehäusen wie auch
von anderen Bauteilen muß fähig sein, diesen hohen Temperaturen
zu widerstehen, wenn sie diesen lange ausgesetzt sind.
In der Vergangenheit wurden gewisse Gegenstände, die zyklisch
hohen Temperaturen widerstehen müssen, wie Diffusorgehäuse, aus
einer Legierung auf Chrom- und Nickelbasis hergestellt, die
unter dem Warenzeichen INCONEL (IN) 718 bekannt ist. Diese
Legierung hat sich als stabil erwiesen, wenn sie Temperaturen
von bis zu etwa 620°C ausgesetzt wird. Jedoch arbeiten viele
Strahltriebwerke, die nun hergestellt werden oder für eine
spätere Herstellung geplant sind, bei sehr viel höheren
Temperaturen. Als Ergebnis wurden Anstrengungen unternommen,
ihre Teile aus anderen Chrom enthaltenden
Nickelsuperlegierungen herzustellen, die unter dem Warenzeichen
IN 939 bekannt sind. Ein Vorteil der IN 939-Legierung besteht
darin, daß diese bei Temperaturen stabil bleiben, die höher
sind, als diejenigen, denen die IN 718-Legierung ausgesetzt
werden kann.
Aus Volk, "Nickel und Nickellegierungen" Springer Verlag
Berlin, Heidelberg, New York 1970, S. 249 bis 254 ist es
bekannt, Nickelbasislegierungen einer Lösungsglühung zu
unterwerfen und nach Luftabkühlung wieder anzulassen.
Die Benutzung der IN 939-Legierung zur Ausbildung großer
Gegenstände wie Diffusorgehäusen ist jedoch nicht ohne
Nachteile. Trotz strenger Verfahrens- und Prüfkontrollen können
Fehler oder Defekte aus dem Herstellungsprozess, falscher
Instandhaltung oder Wartung resultieren. Diese Defekte müssen
während der periodischen Instandhaltungsprüfungen erkannt
werden, bevor sie auf eine kritische Länge anwachsen und zu
katastrophalen Fehlern führen. Es ist daher kritisch, daß die
Rißwachstumsrate hinreichend klein ist, um die Fehler während
der periodischen Inspektionen aufdecken zu können. Wenngleich
konventionelle Wärmebehandlungsprozesse für das IN 939
verwendet werden können, ist die charakteristische
Rißwachstumsrate für diese Wärmebehandlungen so groß, daß
aufgebrachte Spannungen in den Maschinengehäusen reduziert
werden müssen, um diese Rate in einen handhabbaren Bereich zu
bringen. Dies wird durch Vergrößerung der Querschnittsdicke und
des Gesamtgewichtes des Gehäuses getan, wodurch das
Festigkeits-Gewichtsverhältnis der Komponente verringert wird.
Als Ergebnis ist trotz der Fähigkeit von IN 939, hohen
Temperaturen zu widerstehen, seine Anwendbarkeit beschränkt.
Daher besteht ein Bedarf, die charakteristische
Rißwachstumsrate von IN 939 zu senken, so daß effizientere
hochbeanspruchte Gegenstände aus dieser Legierung gebaut werden
können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Wärmebehandlungsfolge für eine Klasse von Superlegierungen mit
hohem Chromanteil zu schaffen, mit der verbesserte mechanische
Eigenschaften, insbesondere ein verbesserter
Rißwachstumswiderstand erreicht werden.
Gemäß der Erfindung wird ein Gegenstand aus einer
Superlegierung auf Nickelbasis mit einem Chromanteil von
mindestens 12 Gew-.% einer selektiven Wärmebehandlung
unterzogen, um gezahnte Begrenzungen zwischen den
Kristallkörnern, welche die Komponente enthält, auszubilden und
die Bildung diskreter Chromkarbidausscheidungen an den
Korngrenzen zu induzieren. Der Gegenstand wird anfänglich
wärmebehandelt, um die Ausbildung von Chromkarbidkeimen entlang
der Korngrenzen herbeizuführen. Durch diesen anfänglichen
Wärmebehandlungsschritt werden die Kristalle dazu gebracht, ein
gezacktes Korngrenzenmuster zu entwickeln. Der Gegenstand wird
dann erwärmt, um ein Wachsen der Chromkarbidkeime zu diskreten
Ausfällungen entlang der gezackten Korngrenzen herbeizuführen.
Wenn einmal die Chromkarbidausscheidungen gebildet sind, wird
dann der Gegenstand wärmebehandelt, um die Entwicklung von γ'-
Verfestigungsausscheidungen durch die Kornstruktur hindurch
herbeizuführen. Bei dieser Herstellungsstufe ist die
Temperatur, auf welche der Gegenstand erwärmt wird, niedriger
als diejenige, bei welcher die Chromkarbide vollständig in
Lösung gehen würden. Der Gegenstand wird dann wärmebehandelt,
um eine stabile γ'-Gefügekörnung zu schaffen. Die Entwicklung
der gezackten Korngrenzen und der diskreten
Chromkarbidausfällungen verbessern die mechanischen
Eigenschaften des Gegenstandes wesentlich.
Andere Merkmale und Vorteile werden aus der Beschreibung und
den Ansprüchen ersichtlich.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Werkstückes des
Diffusorgehäuses eines Triebwerkes, welches dem
Wärmebehandlungsprozeß gemäß der Erfindung unterzogen wird.
Fig. 2 ist eine Mikrofotographie der Mikrostruktur eines
Werkstückes vor dem erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsvorgang
in 2000-facher Vergrößerung.
Fig. 3 ist ein Diagramm der Temperatur über der Zeit bei dem
Wärmebehandlungsvorgang gemäß der Erfindung, dem das Werkstück
ausgesetzt wird.
Fig. 4 ist eine diagrammatische Darstellung eines Aggregates
von Körnern, die gemäß der Erfindung wärmebehandelt wurden.
Fig. 5 ist eine Mikrofotographie der Mikrostruktur eines
Werkstückes, das dem Wärmebehandlungsvorgang gemäß der
Erfindung unterworfen wurde, in 2000-facher Vergrößerung.
Fig. 6 ist ein Diagramm, von welchem die verbesserten
Rißwiderstandseigenschaften eines Gegenstandes dargestellt
werden, der dem Wärmebehandlungsvorgang gemäß der Erfindung
unterworfen wurde.
Die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfordern das selektive Erwärmen und Kühlen eines Gegenstandes,
der aus einer Superlegierung auf Nickelbasis mit einem
Chromanteil von mindestens 12 Gew.-% hergestellt worden ist.
Insgesamt wird darauf hingewiesen, daß die Bezeichnung
"Superlegierung auf Nickelbasis mit hohem Chromanteil" hier im
Zusammenhang mit einer Nickellegierung verwendet wird, die
Chromkarbidausfällungen wie eine M23C6-Ausfällung ausbilden kann
(das "M" in der vorstehenden Formel kann, wenngleich es
hauptsächlich auf Chromatome sich bezieht, Atome aus anderen
Metallen, wie Molybdän und Wolfram enthalten). Im Allgemeinen
bilden sich solche Ausfällungen in hier eingesetzten
Nickellegierungen, die einen Chromanteil von wenigstens 12 Gew.-%
und einen Kohlenstoffanteil von wenigstens 0,02 Gew.-%
aufweisen. Eine Legierung, in welcher sich
Chromkarbidausfällungen bilden, wird unter dem Warenzeichen IN
939 der International Nickel Company in New York verkauft.
Diese Nickelsuperlegierung weist die nominale Zusammensetzung
der folgenden Elemente in Gew.-% auf: 22,5% Cr, 2% W, 1,4% Ta,
1,9% Al, 19% Co, 1% Nb, 0,15% C, 0,1% Zr und 0,01% B, wobei im
wesentlichen der gesamte Rest Nickel ist (diese Superlegierung
ist deutlich in den US-PS'en 4039330 und 4108647 beschrieben).
Allgemeiner kann die Erfindung unter Verwendung anderer
Superlegierungen durchgeführt werden, die zusätzlich zu den
oben angegebenen Chrom- und Kohlenstoffkonzentrationen im
wesentlichen aus 0-5% W, 0,5-3% Ta, 1-4% Al, 1,7-5% Ti, 15-25%
Co, 0-3% Nb und im wesentlichen Nickel als Rest bestehen.
Der Gegenstand aus der ausgewählten Legierung wird anfänglich
durch Prozesse wie Zentrifugalgießen oder Schmieden
hergestellt. Ein anderes üblicherweise verwendetes Verfahren
zum Formen von Gegenständen aus Superlegierungen wie der IN
939-Legierung ist das Feingießen. Heim Feingießen wird der
Gegenstand aus der ausgewählten Legierung anfänglich durch
Gießen der Superlegierungsschmelze in eine Maske oder eine Form
geformt, von welcher die Gestalt des Gegenstandes geformt wird.
In dem Prozeß wird die Superlegierung anfänglich unter
Hochvakuumbedingungen geschmolzen, und die Form wird unter
Vakuumbedingungen vorgewärmt, so daß die Zusammensetzung und
Qualität der Superlegierung präzis gesteuert werden können.
Typische Superlegierungen haben Schmelztemperaturen zwischen
1316 und 1650°C.
Nach Beendigung des Verfestigungsvorganges wird die Form
entfernt. Der Gegenstand kann dann isostatisch warmgepreßt
werden, wobei der Gegenstand in eine mit Inertgas gefüllte
Kammer eingebracht wird, das auf eine hohe Temperatur erwärmt
ist und für eine ausgedehnte Zeit unter hohem Druck steht, um
latente Poren und Defekte, die aus dem Verfestigungsvorgang
resultieren, auszuquetschen oder zu beseitigen. Für
Gegenstände, die aus der IN 939-Legierung geformt sind, wird
dieser Schritt typisch bei Temperaturen zwischen 1163 und 1205
°C bei 1035 bar (1500 psi) für 3 bis 4 Stunden durchgeführt.
Isostatisches Warmpressen ist nicht für Feingußstücke mit
hinreichend geringer Porosität erforderlich.
Während des Abkühlens bei der Verfestigung und/oder nach dem
isostatischen Warmpressen bilden sich Karbide, die Chromkarbide
enthalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind, und γ'-
Ausfällungen (gamma prime precipitates) über die kristalline
Kornstruktur hin. Die γ'-Ausfällungen, welche Ni3Al enthalten
und andere Elemente in Lösung enthalten können, geben der
Legierung ihre hohe Temperaturfestigkeit.
Nach dem Gießen und dem wahlweise durchgeführten isostatischen
Warmpressen wird der Gegenstand einem Prüf- und
Reparaturvorgang unterworfen. Bei diesem Vorgang wird der
Gegenstand geprüft, um Defekte zu finden, die der Reparatur
bedürfen. Diese Defekte können eine übermäßige Porosität, die
sich aus dem Verfestigungsvorgang ergeben, Keramikfragmente,
die sich von der Form gelöst haben können,
Sauerstoffverunreinigungen, die nach dem Schmelzvorgang
zurückgeblieben sind, oder Risse sein, die von einer
ungleichmäßigen Abkühlung des sich verfestigenden Gußstücks
herrühren. Wenn die Defekte einmal entdeckt sind, werden sie
mechanisch beseitigt und die sich ergebende Lücke wird
verschweißt, um sie zu schließen. Techniken für das Feingießen,
das isostatische Warmpressen, das Prüfen und Reparieren von
Nickellegierungen sind im Stand der Technik bekannt. Ein durch
diesen Prozeß hergestellter Gegenstand ist das in Fig. 1
dargestellte Diffusorgehäuse der Gasturbine. Fig. 2 erläutert
die Mikrostruktur eines durch diesen Prozeß geformten
Gegenstandes unter Verwendung von Standard-
Wärmebehandlungsmethoden. Wie aus dieser Figur ersichtlich,
sind die einzelnen Kristallkörner der Superlegierung, von
welcher der Gegenstand unter Verwendung von Standard-
Wärmebehandlungsmethoden geformt wird, durch einen dünnen,
insgesamt linearen und kontinuierlichen Chromkarbidfilm 14
voneinander getrennt.
Standard-Wärmebehandlungsmethoden variieren von Hersteller zu
Hersteller, jedoch enthalten alle das Erwärmen des Gegenstandes
auf eine erhöhte Temperatur für eine gewisse Zeitperiode und
dann das Kühlen des Gegenstandes auf eine niedrigere Temperatur
mit einer ungesteuerten Rate. Das heißt, die Rate, mit welcher
der Gegenstand gekühlt wird, wird nicht gesteuert. Speziell
wird der Gegenstand einer Umgebungstemperatur ausgesetzt, die
im wesentlichen einer Temperatur des Gegenstandes entspricht,
die erreicht werden soll, wobei zugelassen wird, daß er ein
thermisches Gleichgewicht erreicht. Im Gegensatz dazu umfaßt
die Erfindung, unter anderem, das Abkühlen mit einer
gesteuerten Rate für wenigstens einen Teil der Abkühlzeit. Die
zu erzielende gewünschte Temperatur wird dadurch erreicht, daß
der Gegenstand inkremental einer Reihe von geringeren
Temperaturen ausgesetzt wird, so daß die Abkühlrate gesteuert
wird, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist.
Eine gebräuchliche Standard-Wärmebehandlungsmethode für einen
Gegenstand, der aus einer IN 939-Legierung geformt ist, ist wie
folgt. Nach der Beendigung des Gießens, des Pressens, des
Prüfens und des Reparierens wird der Gegenstand zunächst auf
ungefähr 1163°C für etwa 4 Stunden gewärmt. Der Gegenstand
wird dann mit unkontrollierter Rate auf Raumtemperatur
abgekühlt, wonach er auf etwa 1000°C für etwa 6 Stunden
gewärmt wird. Danach wird der Gegenstand mit unkontrollierter
Rate auf Raumtemperatur abgekühlt. Der Gegenstand wird dann für
etwa 4 Stunden auf 802°C gewärmt und mit unkontrollierter Rate
auf Raumtemperatur abgekühlt; dies ist der Endschritt. Wie
vorher erwähnt, ist die sich ergebende typische Mikrostruktur
für einen Gegenstand, der durch Standard-Wärmebehandlung
hergestellt wird, diejenige, die in Fig. 2 gezeigt ist.
Zum Vergleich ist die sich ergebende typische Mikrostruktur für
einen Gegenstand, der in Übereinstimmung mit der Erfindung
hergestellt wird, diejenige, die in Fig. 5 gezeigt ist. Bei
der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der
Gegenstand nach der Beendigung des Gießens, des Pressens, des
Prüfens und des Reparierens wärmebehandelt bei einer Temperatur
und für eine Zeit, die ausreicht, um die Chromkarbide und jedes
γ', das während des Abkühlens bei der Verfestigung und/oder
nach dem isostatischen Warmpressen ausgefällt wurde, in Lösung
gehen zu lassen. Dies heißt, daß der Gegenstand auf eine hinreichend hohe
Temperatur erwärmt wird, so daß die Chrom-, Kohlenstoff-,
Nickel-, Alluminium- und Titanatome sich voneinander trennen
und sich über die Kornstruktur hin verteilen, während das
Metall im festen Zustand verbleibt (Stelle 22 in Fig. 3). Für
eine IN 939-Legierung ist es erforderlich, das Teil auf eine
Temperatur zwischen 1120 und 1205°C zu erwärmen, damit ein
adäquates Sichlösen stattfindet. Insbesondere wird die IN 939-
Legierung auf eine Temperatur von annähern 1163°C während 4
Stunden gewärmt.
Wenn die Chromkarbide und die γ'-Ausfällungen sich in Lösung
befinden, wird der Gegenstand einem langsamen Kühlvorgang
unterworfen, um die Bildung von Chromkarbiden und γ'-Keimen zu
induzieren, wie es durch die schräg abfallende Linie 24 in
Fig. 3 dargestellt wird. Da die Diffusion an den Korngrenzen
schneller als in den Korngitterstrukturen erfolgt, neigen die
Chromkarbide und die γ'-Keime dazu, sich entlang der
Korngrenzen zu bilden. Die Bildung der Chromkarbide und γ'-
Keime entlang der Korngrenzen führt dazu, daß die Grenzen ein
gezahntes oder welliges Muster bilden. Ein anderes Ergebnis der
Bildung der Chromkarbidkeime entlang der Korngrenzen ist es,
daß die Teile der den Grenzen benachbarten Körner Chromatome
verlieren und chromarm werden können.
Die Entwicklung der Chromkarbide und der γ'-Keime in einem
Gegenstand, der aus IN 939-Superlegierung hergestellt ist, wird
beispielsweise durch langsames Abkühlen des Gegenstandes mit
einer Rate von 56 bis 167°C pro Stunde begünstigt.
Insbesondere wird die IN 939-Superlegierung mit einer Rate von
annähernd 111°C pro Stunde gekühlt.
Der Gegenstand wird langsam gekühlt, bis er eine Temperatur
unter derjenigen erreicht, bis zu welcher er später
wärmebehandelt wird, dargestellt durch Punkt 26 in Fig. 3.
Wenn der Gegenstand bis unter diese Temperatur abgekühlt ist,
wird zugelassen, daß er in Luft schnell bis unter 538°C
abkühlt, wie durch die steiler abfallende Linie 28 dargestellt.
In Abhängigkeit davon, aus welcher Legierung der Gegenstand
hergestellt ist, kann zugelassen werden, daß der Gegenstand bis
auf Raumtemperatur, beispielsweise eine Temperatur von 5-24°C
abkühlt. Ein aus der IN 939-Superlegierung gegossener
Gegenstand wird langsam auf eine Temperatur zwischen 871 und
913°C gekühlt, bevor er schnell abkühlen darf. Diese
Temperatur liegt, wie unten diskutiert, leicht unter der
Temperatur, bei welcher die Chromkarbidkeime in Lösung gehen.
Nachdem der Gegenstand heruntergekühlt ist, wie durch den Punkt
30 in Fig. 3 dargestellt, wird er bei einer Temperatur
wärmebehandelt, die ausreichend hoch ist, eine Chromdiffusion
herbeizuführen, jedoch wesentlich unter derjenigen liegt, bei
welcher Chromkarbidkeime in Lösung gehen, was durch den Punkt
32 dargestellt ist. Ein aus IN 939-Superlegierung hergestellter
Gegenstand wird beispielsweise auf eine Temperatur zwischen
etwa 885 und 941°C erwärmt. Spezieller wird ein solcher
Gegenstand häufig auf eine Temperatur von 885°C erwärmt und
auf dieser Temperatur für annähernd 4 Stunden gehalten. Als
Ergebnis dieser Wiedererwärmungsbehandlung wandern die freien
Chromatome in den Kristallgittern in die Kornbereiche, die an
die Korngrenzen angrenzen, und zu den Korngrenzen selbst, um
ihre Verteilung über die Kristallstruktur hin auszugleichen.
Wenn dieser Schritt beendet ist, kann der Gegenstand in der
Luft auf Raumtemperatur abkühlen, was in Fig. 3 durch den
Punkt 34 dargestellt ist.
Die Migration der Chromatome in dem oben genannten
Wärmebehandlungsschritt führt dazu, daß die Chromkarbidkeime in
ihrer Größe auf das zehnfache oder mehr wachsen, so daß sie
diskrete Chromkarbidausfällungen 15 bilden, wie in Fig. 4
diagrammatisch dargestellt ist, welche eine Aggregation von
Kristallkörnern zeigt. Wie diagrammatisch aus Fig. 4 und in
der Mikrofotographie aus Fig. 5 ersichtlich, bildet sich als
Folge der Bildung der Chromkarbidausfällungen 15 entlang den
Außenflächen der einzelnen Kristallkörner 12 eine nichtlineare
oder gezahnte Korngrenze 16 zwischen den einzelnen Kristallen.
Der Gegenstand wird dann einer anderen Wärmebehandlung
ausgesetzt, um die Bildung von die Legierung verfestigenden γ'-
Ausfällungen ("gamma prime precipitates") zu begünstigen. In
diesem Schritt des Härtungsvorganges für die Ausfällungen des
Gegenstandes wird der Gegenstand auf eine Temperatur gewärmt,
die ausreichend hoch ist, grobes γ' ("gamma prime") in Lösung
gehen zu lassen, jedoch unterhalb derjenigen liegt, bei welcher
die Chromkarbide in Lösung gehen, was durch den Punkt 36 in
Fig. 3 repräsentiert ist. Viele Superlegierungen auf
Nickelbasis mit hohem Chromanteil werden in diesem Schritt auf
eine Temperatur zwischen 954 und 1010°C erwärmt. Ein
Gegenstand, der aus IN 939-Superlegierung hergestellt ist, wird
beispielsweise in diesem Schritt auf eine Temperatur von etwa
982°C für annähernd 6 Stunden gewärmt. Diese Wärmebehandlung,
wenn sie nicht unterhalb der Chromkarbid-Löslichkeitstemperatur
erfolgt, liegt nahe genug daran, daß Chromkarbide entlang der
Korngrenzen nicht wesentlich in Lösung gehen. Wenn die
Löslichkeitserwärmung für das γ' vervollständigt ist, wird
zugelassen, daß der Gegenstand in Luft auf Raumtemperatur
abkühlt, was durch den Punkt 38 repräsentiert ist.
Wenn das Inlösunggehen des γ' beendet ist, wird der Gegenstand
einem abschließenden Wärmebehandlungsschritt unterworfen, um
die Bildung von feinen γ'-Ausfällungen zu stabilisieren. In
diesem Schritt wird der Gegenstand auf eine Temperatur über der
typischen Maximaltemperatur erwärmt, welcher er normalerweise
während des Betriebs ausgesetzt ist, wobei dieses Wärmen
ausreichend lange erfolgt, um zuzulassen, daß die γ'-
Ausfällungen wachsen und sich stabilisieren, was durch den
Punkt 40 in Fig. 3 dargestellt ist. Wenn beispielsweise der
Gegenstand ein Diffusorgehäuse eines Strahltriebwerks ist, das
für Temperaturen von etwa 704°C ausgelegt ist, und der
Gegenstand aus IN 939-Superlegierung hergestellt ist, kann der
Gegenstand auf eine Temperatur von annähernd 802°C für etwa 4
Stunden gewärmt werden. Diese Temperatur liegt unterhalb
derjenigen, an welcher die Chromkarbide in Lösung gehen. Das
sich ergebende feine Präzipitat 18 sieht man in der
Mikrofotographie aus Fig. 5 in Form erhabener Beulen und ist
in Fig. 4 diagrammatisch dargestellt. Wenn einmal die
Ausscheidung feinen γ' abgeschlossen ist, kann der
Gegenstand in Luft auf Raumtemperatur abkühlen.
Das Ende der Wärmebehandlung, die zur feinen γ'-Ausscheidung
führt, stellt das Ende der Wärmebehandlung des Gegenstandes
dar. Der Gegenstand kann dann einer abschließenden Bearbeitung,
Feinbearbeitung oder Beschichtung unterworfen werden und für
den Betrieb in das Triebwerk installiert werden.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung des
Gegenstandes liegt darin, daß sie statt der Bildung eines
kontinuierlichen Chromkarbidfilms entlang den Korngrenzen
zwischen den den Gegenstand formenden Kristallen die
Entwicklung diskreter Chromkarbide herbeiführt. Der
Chromkarbidfilm ist unerwünscht, weil er spröde ist und das
Potential hat, die Bildung einer schnellen interkristallinen
Rißbildung zu begünstigen. Durch die Bildung der diskreten
Chromkarbide und 'γ'-Präzipitate wird die Ausbildung von
gezahnten Korngrenzflächen zwischen den Körnern herbeigeführt.
Durch diese gezahnten Grenzflächen erhält der Gegenstand eine
höhere Festigkeit, weil jede natürliche Tendenz zum Reißen
entlang der Korngrenzflächen reduziert wird. Ein anderes
Merkmal der Erfindung liegt darin, daß die Wärmebehandlung des
Gegenstandes nach der anfänglichen Bildung der
Korngrenzflächenkarbide nicht nur ein weiteres Wachstum der
Karbide induziert, sondern die Verteilung der freien Chromatome
über den Rest der Kornstruktur hin vergleichmäßigt. Durch
diesen Schritt wird das Auftreten von Chrommangelzonen in der
Kornstruktur minimiert, was andernfalls die mechanische
Gesamtfestigkeit der Kornstruktur verringern kann. Daher ist
dieser Wärmebehandlungsvorgang gut zur Verwendung für das
Steigern der Festigkeit von Komponenten geeignet, die darauf
ausgelegt sind, daß sie erheblichen Spannungen unterliegen, wie
von Komponenten, die in Strahltriebwerken eingebaut sind.
Die Rißwiderstandseigenschaften, die durch die Erfindung in
Superlegierungen erzeugt werden, sind in den Kurven aus Fig. 6
ersichtlich, in welcher die Anzahl von nachträglichen
Spannungszyklen dargestellt ist, die zur Bildung von Rissen mit
kritischer Länge führen. Die Kurve 50 stellt die Rißentwicklung
dar, wenn der Gegenstand in konventionellen Herstellprozessen
hergestellt wird. Wenn beispielsweise die anfängliche Rißlänge
zwischen 2,54 und 7,62 mm liegt, wurde gefunden, daß Risse mit
bis zur kritischen Länge entstehen, nachdem der Gegenstand etwa
3000 Zyklen ausgesetzt war. Die Kurve 52 zeigt die Anzahl von
Zyklen, die erforderlich sind, daß ein nach der Erfindung
hergestellter Gegenstand kritische Rißlängen entwickelt.
Insbesondere zeigt sie, daß ein nach der Erfindung
hergestellter Gegenstand etwa 15000 Spannungszyklen nach der
Herstellung unterworfen werden kann, bevor er Risse mit einer
kritischen Länge bekommt.
Die oben angeführte detaillierte Beschreibung wurde auf eine
spezifische Ausführungsform der Erfindung begrenzt. Es ist
jedoch ersichtlich, daß Variationen und Modifikationen
durchgeführt werden können, um einige oder sämtliche Vorteile
der Erfindung zu erreichen. Beispielsweise kann es möglich
sein, einen oder mehr der verschiedenen
Wärmebehandlungsschritte gemäß der Erfindung auszuführen, ohne
zuerst den Gegenstand auf Raumtemperatur abzukühlen, bevor der
Gegenstand dem folgenden Wärmezyklus unterworfen wird. Es kann
auch möglich sein, den einen oder mehrere der
Wärmebehandlungsschritte wegzulassen, um eine Superlegierung
auf Nickelbasis mit hohem Chromanteil im Sinne der Erfindung
herzustellen. Beispielsweise kann es in einigen Versionen der
Erfindung erwünscht sein, die mittlere Wärmebehandlung
wegzulassen, die nach dem Schritt des gesteuerten langsamen
Kühlens folgt, das durchgeführt wird, um die Größe der
diskreten Chromkarbidpräzipitate günstiger zu gestalten.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt darin, daß bei dieser
die Notwendigkeit zur Durchführung der Wärmebehandlungsschritte
entfallen kann, die durchgeführt werden, um die Bildung von γ'-
Präzipitaten und/oder der feinen γ'-Verteilung zu erreichen. Es
wird auch darauf hingewiesen, daß die offenbarten Temperaturen
lediglich als Beispiele dienen und nicht als Beschränkung
wirken sollen. Wenn nämlich die Erfindung bei anderen
Legierungen angewendet wird, können die Temperaturen, an denen
die gewünschten Reaktionen stattfinden, und die Zeit, während
welcher der Gegenstand solchen Temperaturen ausgesetzt ist, in
breitem Maße von den oben gemachten Angaben variieren. Zu einem
ähnlichen Zweck wird auch darauf hingewiesen, daß die Erfindung
auf andere Legierungen angewendet werden kann, die fähig sind,
Chromkarbidausscheidungen anders als die als Beispiel
angegebene Legierung zu bilden.
Claims (5)
1. Verfahren des Steigerns der Festigkeit eines
Gegenstandes aus einer Nickelbasislegierung mit hohem
Chromanteil, wobei die Legierung in Gewichts% 0-5% W, 0,5-3
% Ta, 1-4% Al, 1,7-5% Ti, 15-25% Co, 0-3% Nb, mindestens
12% Chrom und mindestens 0,02% Kohlenstoff enthält, und das
Verfahren die Schritte aufweist:
Erhitzen des Gegenstands auf eine Temperatur oberhalb der Temperatur, bei der Chromkarbide in der Legierung in Lösung gehen, jedoch unterhalb der Solidustemperatur der Legierung; und
kontrolliertes Abkühlen des Gegenstands mit einer Rate, die einem langsameren Abkühlen als dem Abkühlen des Gegenstands an Luft entspricht, derart, daß diskrete Chromkarbide an den Korngrenzflächen in dem Gegenstand gebildet werden, bis der Gegenstand eine Temperatur unterhalb der Temperatur, bei der Chromkarbide in Lösung gehen, erreicht;
Erhitzen des Gegenstands auf eine Temperatur, die ausreicht, daß Chromkarbide wachsen, aber unterhalb der Temperatur liegt, bei der Chromkarbide in der Legierung in Lösung gehen; und
Wiedererhitzen des Gegenstands nach dem das Chromkarbidwachstum herbeiführenden Wärmebehandlungsschritt bis auf eine Temperatur, die hinreichend hoch ist, daß γ'- Präzipitate in Lösung gehen, und unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Chromkarbide in Lösung gehen.
Erhitzen des Gegenstands auf eine Temperatur oberhalb der Temperatur, bei der Chromkarbide in der Legierung in Lösung gehen, jedoch unterhalb der Solidustemperatur der Legierung; und
kontrolliertes Abkühlen des Gegenstands mit einer Rate, die einem langsameren Abkühlen als dem Abkühlen des Gegenstands an Luft entspricht, derart, daß diskrete Chromkarbide an den Korngrenzflächen in dem Gegenstand gebildet werden, bis der Gegenstand eine Temperatur unterhalb der Temperatur, bei der Chromkarbide in Lösung gehen, erreicht;
Erhitzen des Gegenstands auf eine Temperatur, die ausreicht, daß Chromkarbide wachsen, aber unterhalb der Temperatur liegt, bei der Chromkarbide in der Legierung in Lösung gehen; und
Wiedererhitzen des Gegenstands nach dem das Chromkarbidwachstum herbeiführenden Wärmebehandlungsschritt bis auf eine Temperatur, die hinreichend hoch ist, daß γ'- Präzipitate in Lösung gehen, und unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Chromkarbide in Lösung gehen.
2. Verfahren des Steigerns der Festigkeit eines
Gegenstandes nach Anspruch 1, das nach dem Schritt des
kontrollierten Abkühlens den Schritt des Abkühlens des
Gegenstands mit unkontrollierter Rate an Luft aufweist.
3. Verfahren des Steigerns der Festigkeit eines
Gegenstandes gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, das nach dem
das Chromkarbidwachstum herbeiführenden
Wärmebehandlungsschritt und vor dem γ'-Präzipitat-
Wärmebehandlungsschritt einen Schritt des Abkühlens des
Gegenstands aufweist.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
der Gegenstand aus einer Nickelbasislegierung geformt ist,
die in Gew.-% aufweist: wenigstens 16% Cr und 0,07% C.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei
der Schritt des kontrollierten Abkühlens durchgeführt wird,
indem der Gegenstand stufenweise einer Folge von geringeren
Temperaturen ausgesetzt wird.
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1995
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Patent Citations (3)
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