DE69218089T2

DE69218089T2 - Schmiedeverfahren für Superlegierungen und verwandte Zusammensetzung

Info

Publication number: DE69218089T2
Application number: DE69218089T
Authority: DE
Inventors: Roy Athey; Timothy Fuesting; Paul Genereux; William Gostic; John Miller
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1991-04-15
Filing date: 1992-04-15
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2012-04-16
Also published as: JPH05508193A; DE69218089D1; JP3073525B2; EP0533914B1; WO1992018659A1; KR100187794B1; EP0533914A1; KR930700231A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, der eine feine Korngrösse und gute mechanische Eigenschaften hat.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schmieden von Superlegierungen in einem besonderen Zusammensetzungsbereich. Das resultierende Material ist feinkörnig und hat gute mechanische Eigenschaften bei mittleren Temperaturen. Das feinkörnige Material kann auch mittels Isothermschmieden weiter verarbeitet werden.
Superlegierungen auf der Basis von Nickel werden für Gasturbinenmotoren weitverbreitet verwendet und wurden im Verlaufe der letzten 50 Jahren stark weiter entwickelt. Der Begriff Superlegierung, wie er hier verwendet wird, wird eine Superlegierung auf der Basis von Nickel bedeuten, die einen wesentlichen Betrag an der verfestigenden Gamma-Prime Phase (Ni&sub3;Al) enthält, vorzugsweise von ungefähr 30 bis ungefähr 50 Volumenprozent der Gamma-Prime Phase.
Auch die Verarbeitungstechniken für Superlegierungen wurden weiter entwickelt und viele der neueren Verfahren sind ziemlich teuer.
US-A 3 519 503 beschreibt ein Isothermschmiedeverfahren zur Herstellung von komplexen Superlegierungsformen. Dieses Verfahren wird gegenwärtig weitverbreitet verwendet, und so wie es gegenwärtig praktiziert wird erfordert es, dass das Ausgangsmaterial durch Techniken der Pulvermetallurgie hergestellt wird. Die Abhängigkeit von Techniken der Pulvermetallurgie macht dieses Verfahren teuer.
US-A 4 574 015 befasst sich mit einem Verfahren zur Verbesserung der Schmiedbarkeit von Superlegierungen, indem übervergütete Mikrostrukturen in diesen Legierungen hergestellt werden. Die Partikelgrösse der Gamma-Prime Phase wird gegenüber derjenigen, die normalerweise beobachtet würde, stark vergrössert.
US-A 4 579 602 befasst sich mit einer Schmiedeabfolge für Superlegierungen, die eine Übervergütungs-Wärmebehandlung beinhaltet.
US-A 4 769 087 beschreibt eine andere Schmiedeabfolge für Superlegierungen, die einen Übervergütungsschritt umfasst.
US-A 4 612 062 beschreibt eine Schmiedeabfolge zur Herstellung eines feinkörnigen Gegenstandes aus einer Superlegierung auf der Basis von Nickel. Das Verfahren umfasst einen ersten Deformationsschritt bei einer Temperatur oberhalb der Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur und einen zweiten Deformationsschritt bei einer Temperatur unterhalb der Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur, mit spezifizierten Dehnungsraten und Deformationsbeträgen.
Us-A 4 453 985 beschreibt in Isothermschmiedeverfahren, welches ein feinkörniges Produkt erzeugt.
US-A 2 977 222 beschreibt eine beschreibt eine Klasse von Superlegierungen, welche ähnlich zu denjenigen sind, auf welche das Verfahren der Erfindung besonders anwendbar ist.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines Gegenstandes, der eine feine Korngrösse und gute mechanische Eigenschaften hat, ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Bevorzugte Ausführungsformen des beanspruchten Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen Gegenstandes bereit und ist besonders für die Verwendung mit einem spezifizierten Bereich von Legierungszusammensetzungen geeignet. Das resultierende feinkörnige Material kann in seinem feinkörnigen Zustand für Gegenstände verwendet werden, welche eine hohe Festigkeit erfordern, insbesondere eine hohe Formänderungsfestigkeit bei mittleren Temperaturen, oder dieses feinkörnige Material kann als Schmiede- Vorformling für die Umformung durch Isotherm- oder Warmgesenkschmieden zu komplexen Formen verwendet werden. Die Tabelle I listet weite, mittlere und bevorzugte Bereiche der Zusammensetzung auf. Tabelle I Zusammensetzungsbereiche (Gewichtsprozente)
(1) Für Anwendungen, wo die Dauerfestigkeit kritisch ist, wird eine obere Grenze für C von ungefähr 0.013% bevorzugt.
Entsprechende Zusammensetzungen sind in der Technik bekannt, einschliesslich derjenigen Superlegierungen, die als Waspaloy, Udimet 720, Astroloy und Rene 88 bekannt sind, welche unter anderem in den Patenten US-A 2 977 22, 4 083 734 und 4 957 567 beschrieben sind.
Die bevorzugte Zusammensetzung kann als Abkömmling der im Handel erhältlichen Legierung, die als Waspaloy bekannt ist (nominelle Zusammensetzung 19.5% Cr, 13.5% Co, 4.2% Mo, 3.0% Ti, 1.4% Al, .05% C, .007% B, .07% Zr, 0 - 2% Fe, Ausgleich Ni), betrachtet werden. Waspaloy ist die am weitestverbreitet verwendete Superlegierung, und es ist ein wesentlicher ökonomischer Vorteil, das die bevorzugte Zusammensetzung für die vorliegende Erfindung hergestellt werden kann, indem eine grosse Menge von Schrott oder Rücklaufmaterial aus Waspaloy verwendet wird.
Der Hauptunterschied zwischen Waspaloy und der bevorzugten Zusammensetzung besteht darin, dass die bevorzugte Zusammensetzung grössere Mengen der Gamma-Prime Bildner (Al und Ti) enthält und deshalb ungefähr 1.3 mal mehr Gamma-Prime enthält (ungefähr 40 Volumenprozent) als Waspaloy. Die erhöhten Niveaus an Gamma-Prime erzeugen erhöhte Festigkeitseigenschaften. Das Material hat auch eine erhöhte Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur, was erlaubt, dass das Material unterhalb der Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur, aber bei einer genügend hohen Temperatur, geformt werden kann, so dass die Leistungsmöglichkeiten der Schmiedeausrüstung nicht überschritten wird. Das bevorzugte Material besitzt nach unseren Erkenntnissen die beste Widerstandsfähigkeit gegen Risswachstum für dieses Niveau von Gamma-Prime und Festigkeit.
Die Figur 1 ist ein Blockdiagramm, welches das Verfahren der Erfindung grob absteckt. Wie in der Figur 1 gesehen werden kann, beginnt das Verfahren mit dem Giessen der gewünschten Zusammensetzung, welche vorzugsweise eine relativ feine Korngrösse hat. Nach dem Diffusionsglühen kann das Gussmaterial gemäss zwei Hauptschemas oder Kombinationen von ihnen verarbeitet werden. Gemäss dem einen Schema, dem linken Ast des Diagramms aus der Figur 1, wird das Gussmaterial bei erhöhten Temperaturen, aber unterhalb der Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur, deformiert, so dass die Auflösung der Gamma-Prime Phase minimiert oder sogar eliminiert wird. Behandlungen zum Ausglühen oder Anlassen unterhalb der Löslichkeitstemperatur können verwendet werden, um die Knüppeltemperatur beizubehalten und die Rekristallisation zu beeinflussen, während die Auflösung der Gamma-Prime Phase verhindert oder minimiert wird. Zusätzlich können Behandlungen zum Ausglühen oder Anlassen oberhalb der Löslichkeitstemperatur verwendet werden, um eine umfassende oder vollständige Auflösung der Gamma-Prime Phase in Verbindung mit einer umfassenden oder vollständigen Rekristallisation zu erzeugen. Der gesamte erforderliche Betrag an Verformen wird gleichwertig sein wie derjenige, der erforderlich ist, um mindestens 0.5 und vorzugsweise 0.9 kumulative wahre Dehnung zu erzeugen. Diese kumulative wahre Dehnung kann durch kombinierte Warmdeformationsvorgänge einschliesslich Stauchen und Ziehen erhalten werden. Während dem Stauchen wird eine durchschnittliche Dehnungsrate von mindestens 0.1 cm/cm/min (0.1 in/in/min) bevorzugt. Während dem Ziehen wird eine durchschnittliche Dehnungsrate von mindestens 0.5 cm/cm/min (0.5 in/in/min) bevorzugt. Um bei einem Superlegierungs-Gussmaterial bei einer Temperatur unterhalb der Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur diesen Betrag an Verformung auszuführen, wird es unzweifelhaft nötig sein, mehrere Deformationsschritte mit dazwischen liegendem Ausglühen oberhalb der Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur zu verwenden, um die Bildung von Rissen zu verhindern.
Gemäss dem rechten Ast der Figur 1 kann das Material als Alternative bei einer Temperatur oberhalb der Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur warmgeformt werden.
Es ist natürlich auch möglich, diesen anfänglichen Warmformungsvorgang zu vollbringen, indem eine Kombination von Schritten oberhalb und unterhalb der Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur in Verbindung mit geeigneten Kombinationen von dazwischenliegenden Behandlungen oberhalb und unterhalb der Löslichkeitstemperatur verwendet wird.
Nachdem das Material um einen Betrag grösser als 0.5 kumulativer wahrer Dehnung deformiert wurde, wird ihm eine Übervergütungsbehandlung verliehen, um eine wesentlich vergrösserte Gamma-Prime Partikelgrösse gegenüber derjenigen, welche normalerweise vorhanden wäre, zu erzeugen. Die resultierende Mikrostruktur wird als "übervergütet" bezeichnet. Der Übervergütungsvorgang ist ähnlich zu demjenigen, der in US- A 4 574 015 beschrieben ist und besteht aus dem Abkühlen des Materials mit einer Rate von weniger als 55º C (100º F) und vorzugsweise 28º C (50º F) pro Stunde (und am bevorzugtesten von weniger als 11º C (20º F) pro Stunde) durch die Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur hindurch. Die resultierende gröbere Gamma- Prime Partikelgrösse wird grösser als 1 µm (1 Mikron) sein und vorzugsweise grösser als 2 µm (2 Mikron).
Dieses übervergütete Material wird dann weiter in einem Betrag warmgeformt, der grösser ist als derjenige, der erforderlich ist, um eine kumulative wahre Dehnung von 0.9, und vorzugsweise eine kumulative wahre Dehnung von 1.6, zu erzeugen. Diese Dehnung schliesst diejenige, die vor der Übervergütungsbehandlung erfolgt ist, nicht mit ein. Es wird eine Dehnungsrate von mindestens 0.1 cm/cm/min (0.1 in/in/min) verwendet. Diese weitere Deformation wird unterhalb der Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur (aber innerhalb eines Bereichs von 110º C (200º F) von ihr) und ohne dazwischenliegende Schritte des Ausglühens vollbracht. Es können dazwischenliegende Schritte des Anlassens bei Temperaturen unterhalb, aber innerhalb eines Bereichs von 110º C (200º F) der Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur, durchgeführt werden. Das resultierende Material wird eine aussergewöhnlich feine Korngrösse haben, deutlich feiner als die ASTM Korngrössenzahl 10 und üblicherweise in der Grössenordnung der ASTM Korngrössenzahl 14 oder feiner. ASTM Korngrössenzahlen sind in der Tabelle II aufgelistet. Tabelle II
Abhängig von der Grösse und von der Gestalt des Artikels können einige grössere, nicht rekristallisierte Körner im Zentrum des Artikels übrig bleiben, wo der effektive Betrag der Deformation nicht ausreichend war, um eine vollständige Rekristallisation zu fördern. Solche nicht rekristallisierte Bereiche umfassen üblicherweise weniger als 10 Volumenprozente des Materials.
Die Kombination des Verfahrens der Erfindung und der bevorzugten Zuverlässigkeit der Zusammensetzung führt zu einem Material mit einer ASTM Korngrössenzahl 12 - 18, der feinsten Korngrösse, die wir bei der Herstellung von Superlegierungen je beobachtet haben. Die feine Korngrösse trägt zu einer erhöhten Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit bei Temperaturen bis zu mindestens 650º C (1200º F) bei. Die feine Korngrösse liefert auch eine wesentliche Verbesserung für die Sensitivität bei der nicht destruktiven Ultraschallprüfung. Es können kleine Defekte bei grösseren Tiefen im Vergleich zu grobkörnigem Material entdeckt werden.
Dieses aussergewöhnlich feinkörnige Superlegierungsmaterial ist geeignet für eine Verwendung bei Temperaturen bis zu 650º C (1200º F).
Ein anderer Vorteil ist, dass dieses Material mit einer ASTM Korngrössenzahl von 10 und feiner ohne Schwierigkeit elektronenstrahlgeschweisst werden kann. Im Gegensatz dazu ist das (grobkörnige) Waspaloy im besten Falle nur geringfügig elektronenstrahlschweissbar, obwohl es weniger Gamma-Prime enthält und schwächer ist.
Dieses feinkörnige Material ist auch zum Isothermschmieden und Warmgesenkschmieden geeignet, um gemäss den Lehren von US- A 3 519 503 komplexe Artikel herzustellen. Die bisher beschriebenen Verfahrensschritte bei dieser Anwendung liefern ein Material, welches wie in US-A 3 519 503 beschrieben "konditioniert" ist und welches gemäss den Lehren dieses Patentes geschmiedet werden kann.
Das Vorangehende und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen besser ersichtlich werden.
Figur 1 ist ein Blockdiagramm, das die wesentlichen Schritte des Verfahrens der Erfindung zeigt.
Figur 2 ist ein Blockdiagramm, das die Schritte einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Figur 3 ist eine Graphik der Formänderungsfestigkeit gegenüber der Temperatur des Materials der Erfindung und mehrerer Materialien nach dem bekannten Stand der Technik.
Figur 4 ist ein Balkendiagramm der Fliessspannung gegenüber der Temperatur für das Material der Erfindung im feinkörnigen Zustand.
Figur 5 ist ein Balkendiagramm der Längendehnung gegenüber der Temperatur für das Material der Erfindung im feinkörnigen Zustand.
Eine bevorzugte Form der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf die Figur 2 beschrieben werden, welche ein Blockdiagramm eines Verfahrens ist, das besonders geeignet ist, um Scheibenvorformlinge und Wellen für Gasturbinenmaschinen herzustellen.
Gemäss dem in der Figur 2 gezeigten Verfahren wird Material, dessen Zusammensetzung in den Rahmen der Tabelle I fällt, zuerst mittels Vakuuminduktionsschmelzens geschmolzen. Bei einem besonders aktuellen Beispiel wurde Vakuuminduktionsmaterial als Zylinder mit einem Durchmesser von 54 cm (21 Inch) hergestellt. Dieses Material wird dann mittels Vakuumlichtbogenschmelzens erneut geschmolzen, um einen zylindrischen Guss herzustellen, der einen Durchmesser von 61 cm (24 Inch) und eine Korngrösse im Bereich von 1.59 bis 3.18 mm (1/16 bis 1/8 Inch) hat. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, dass die bevorzugten Zusammensetzungen im wesentlichen frei von hochschmelzenden Metallen wie Wolfram und Tantal sind, welche die Herstellung von feinkörnigem, nicht entmischten Material stören können.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wurde dieses mittels Vakuumlichtbogengeschmelzens erneut geschmolzene Material mit einem Durchmesser von 61 cm (24 Inch) dann mit einer Glaskeramikbeschichtung (Ceramguard 11, einem Produkt von A.D. Smith Co. von Florence, Kentucky) beschichtet. Dieser beschichtete Guss wurde bei 1190º C (2175º F) für 72 Stunden durchgewärmt und mit einer weichen, unlegierten Stahlhülle ummantelt, die eine Dicke von 6.4 mm (1/4 Inch) hat. Die Glaskeramikbeschichtung dient als Schmiermittel und verhindert, dass die Stahlhülle mit dem Superlegierungsmaterial zusammenwirkt. Die Stahlhülle vermindert teilweise die Rissbildung während der anfänglichen Warmdeformation, weil sie das Abkühlen der Oberfläche des Werkstückes durch den Stempel vermindert. Die Abfolge der Vorgänge des Beschichtens, Diffusionsglühens und Ummantelns ist nicht kritisch, ausser dass das Beschichten dem Ummanteln vorangehen muss, und, wenn für das Hüllenmaterial weicher, unlegierter Stahl verwendet wird, dass das Diffusionsglühen dem Ummanteln vorangehen muss, weil das Hüllenmaterial die Bedingungen des Diffusionsglühens nicht überleben würde.
Der Guss wurde dann in axialer Richtung zwischen flachen Stempeln bei einer Temperatur von 1190º C (2175º F) gestaucht, um die Länge des Zylinders zu reduzieren und den Durchmesser des Zylinders von 61 cm (24 Inch) auf einen Durchmesser von 81 cm (32 Inch) zu vergrössern, bei einer Dehnungsrate von 0.5 cm/cm/min (0.5 in/in/min). Dies führt zu einer wahren Dehnung von -0.58.
Weil die Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur für das verwendete Material zwischen 1110º C und 1121º C (2030º F und 2050º F) lag, wurden die Vorgänge des Durchwärmens und Stauchens oberhalb der Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur durchgeführt. Das Material mit einem Durchmesser von 81 cm (32 Inch) wurde dann radial zwischen flachen Stempeln bei einer Temperatur von 1093º C (2000º F) (unterhalb der Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur) warmgepresst, um den Durchmesser bei einer Rate von 0.5 cm/cm/min (0.5 in/in/min) von 81 cm (32 Inch) auf 61 cm (24 Inch) zu verkleinern. Man bemerke, dass der Durchmesser an diesem Punkt der gleiche war wie der Durchmesser beim Start, aber das Material wurde einer gesamten kumulativen wahren Dehnung von ungefähr 1.16 unterworfen. Die absoluten Werte der Dehnungen werden dazugezählt, weil eine redundante Dehnung nützlich ist, um die nötige Mikrostruktur zu erreichen. Das Material wurde dann auf 1177º C (2150º F) erwärmt (über der Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur) und für 4 Stunden bei dieser Temperatur durchgewärmt. Das warmgeschmiedete Material wurde dann sofort zu einem anderen Ofen bei einer Temperatur von 1080º C (1975º F) transportiert und für eine Zeitdauer von sechs Stunden in diesem Ofen behalten. Während der Zeit im Ofen mit der tieferen Temperatur ging das Material (welches als Material mit einer einzigen Phase ohne Gamma-Prime begann) allmählich mit einer Rate von 11º C) 20º F) pro Sunde durch die Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur hindurch, und es wurden Gamma-Prime Partikel abgesetzt. Wegen damit zusammenhängenden hohen Temperatur und langen Zeiten wuchsen die abgesetzten Gamma-Prime Partikel bis zu einer Grösse von vorwiegend grösser als 1 µm (1 Mikron) an. Die resultierende Struktur war stark übervergütet, was bedeutet, dass die Gamma-Prime Partikelgrösse und Zwischenräume viel grösser waren als diejenigen, welche optimale mechanische Eigenschaften liefern. Während Öfen mit zwei verschiedenen Temperaturen verwendet wurden, ist zu erkennen, dass auch ein programmierbarer Ofen verwendet werden könnte oder dass die Temperatur des Ofens von Hand reduziert werden könnte, um das gleiche Resultat zu erzeugen.
Das übervergütete Schmiedematerial mit einem Durchmesser von 61 cm (24 Inch) wurde dann bei einer Temperatur von 1080º C (1975º F) unter der Verwendung von flachen Stempeln auf einen Durchmesser von 41 cm (16 Inch) warmgepresst, wobei bei einer Dehnungsrate von 0.5 cm/cm/min (0.5 in/in/min) eine wahre Dehnung von 0.81 erzeugt wurde. Das Material wurde dann bei einer Temperatur von 1080º C (1975º F) angelassen und mit dazwischenliegenden Schritten des Anlassens bei 1080º C (1975º F) auf einen endgültigen Durchmesser von 18 cm (7 Inch) schräggewalzt. Das Schrägwalzen wurde in einer GFM-Maschine durchgeführt, durch eine Maschine zum Schrägwalzen oder Gesenkschmieden, die ein Produkt der GFM Holding von Steyr, Österreich, ist und in US-A 4 430 881, 3 889 514 und 3 871 223 beschrieben ist. Paare von diametral gegenüberliegenden Hämmern schlagen wiederholt auf das Werkstück ein, während das Werkstück gedreht wird. Es hätten andere Deformationstechniken verwendet werden können. Die wahre Dehnung, die aus der Umformung des Massels von einem Durchmesser von 41 cm (16 Inch) auf einen Durchmesser von 18 cm (7 Inch) erfolgt, beträgt ungefähr 1.65, und die Dehnungsrate ist mindestens 3 cm/cm/min (3 in/in/min). Der Knüppel mit einem Durchmesser von 18 cm (7 Inch) hatte eine ASTM Korngrössenzahl von ungefähr 12 - 14, ausser für die mittleren 5.0 bis 7.6 cm (2 - 3 Inch), welche ungefähr 10% grössere nicht rekristallisierte Körner aufwiesen.
Das resultierende Material mit einem Durchmesser von 18 cm (7 Inch) war (nach einer weiteren maschinellen Bearbeitung und Wärmebehandlung) ideal geeignet, um als hohle Welle in einer Anwendung für eine Hochdruckgasturbinenmaschine verwendet zu werden. Solche Wellen werden verwendet, um Leistung aus der Turbinenpartie nach vorne zur Kompressorpartie zu übertragen, und sie erfordern eine hohe Drehmomentübertragungsfähigkeit.
Die Materialeigenschaft, die am meisten mit der Drehmomentübertragungsfähigkeit für diesen Typ von Anwendung zusammenhängt, ist die Fromänderungsfestigkeit. Die Figur 3 zeigt die Fromänderungsfestigkeit in Funktion der Temperatur für mehrere Superlegierungen auf der Basis von Nickel und für Material aus hochfestem Stahl (17 - 22A), welcher üblicherweise für Wellen von Gasturbinenmaschinen verwendet wird.
Es kann gesehen werden, dass das Material des Verfahrens der Erfindung bis zu ungefähr 538º C (1000º F) die grösste Fromänderungsfestigkeit von allen geprüften Materialien hat. Das als IN 100 aufgelistete Material hat eine nominelle Zusammensetzung von 12% Cr, 18% Co, 3.2% Mo, 4.1% Ti, 5.0% Al, 0.8% V, 0.07% C, 0.02% B, 0.06% Zr, Ausgleich Ni, und ist eine der gewöhnlich verwendeten Superlegierungen mit der grössten Festigkeit. IN 100 hat einen Gamma-Prime Anteil von ungefähr 65% und kann durch die vorliegende Erfindung nicht zuverlässig verarbeitet werden, sondern muss statt dessen verarbeitet werden, indem teurere Verarbeitungstechniken der Pulvermetallurgie verwendet werden. Das als Inconel 718 aufgelistete Material hat eine nominelle Zusammensetzung von 19% Cr, 3.1% Mo, 5.3% (Cb + Ta), 0.9% Ti, 0.6% Al, 19% Fe, Ausgleich Ni, und eine ASTM Korngrössenzahl von ungefähr 6, und es ist zu sehen, dass es eine Fromänderungsfestigkeit hat, welche 138 MPa (20 ksi) kleiner ist als diejenige des Materials, das gemäss der Erfindung verarbeitet wurde, wobei der Fehlbetrag mit zunehmender Temperatur grösser wird. Das als grobkörniges Waspaloy bezeichnete Material hat eine nominelle Zusammensetzung von 19.5% Cr, 13.5% Co, 4.2% Mo, 3.0% Ti, 1.4% Al, 0.05% C, 0.006% B, 0.007% Zr, Ausgleich Ni, und eine ASTM Korngrössenzahl von ungefähr 4, und es hat eine Fromänderungsfestigkeit, welche ungefähr 207 MPa (30 ksi) kleiner ist als diejenige des Materials, das gemäss der Erfindung verarbeitet wurde, wobei der Fehlbetrag der Formänderungsfestigkeit mit zunehmender Temperatur kleiner wird. Das als Stahl aufgelistete Material hat eine nominelle Zusammensetzung von 0.45% C, 0.55% Mn, 0.28% Si, 0.95% Cr, 0.55% Mo, 0.3% V, Ausgleich Fe, und wurde im normalisierten und angelassenen (N + T) Zustand sowie im abgeschreckten und angelassenen (Q + T) Zustand geprüft. Es ist zu sehen, dass das normalisierte und angelassene Material eine Formänderungsfestigkeit hat, welche 414 - 483 MPa (60 - 70 ksi) kleiner ist als diejenige des Materials der Erfindung, und dass es eine Formänderungsfestigkeit hat, welche bei Temperaturen über 316º C (600º F) abrupt abfällt. Die Festigkeit des abgeschreckten und angelassenen Materials fällt über 204º C (400º F) abrupt ab. Demzufolge kann gesehen werden, dass von diesen Kandidatenmaterialien das Material der vorliegenden Erfindung über einen weiten Bereich von Temperaturen eine bessere Formänderungsfestigkeit aufweist und bis zu Temperaturen von mindestens 649º C (1200º F) verwendet werden kann.
Das Material der Erfindung weist in seiner feinkörnigen Form auch über einen ziemlich weiten Temperaturbereich nützliche superplastische Eigenschaften auf und kann deshalb mittels Isothermschmieden oder Warmgesenkschmieden bei relativ kleinen Schmiedespannungen geschmiedet werden, um komplexe Formen zu bilden. Die Figur 4 zeigt die Fliesspannung dieses Materials, wenn sie in einem Zugversuch mit einer Dehnungsrate von 0.1 cm/cm/min (0.1 in/in/min) bei mehreren verschiedenen Temperaturen gemessen wird, und es ist zu sehen, dass das Material, das gemäss der Erfindung verarbeitet wurde, für Temperaturen zwischen 1010º C (1850º F) und 1107º C (2025º F) eine Fliessspannung von weniger als 69 MPa (10 ksi) hat. Die Figur 5 zeigt die Resultate der Längendehnung für das gleiche Material in Zugversuchen, die bei 0.1 cm/cm/min (0.1 in/in/min) durchgeführt wurden, und es ist zu sehen, dass bei Temperaturen zwischen 1010º C und 1080º C (1850º F und 1975º F) das Material der Erfindung eine Längendehnung von mehr als ungefähr 150% aufwies. Dies zeigt eine Fähigkeit an, ohne Rissbildung in komplexe Formen geformt werden zu können.
In diesem Zusammenhang bedeutet Warmgesenkschmieden ein Verfahren, in welchem die Schmiedestempel bis innerhalb eines Bereichs von 280º C (500º F) der Schmiedetemperatur erwärmt sind, und Isothermschmieden bedeutet, dass die Stempel bis innerhalb eines Bereichs von 110º C (200º F) der Schmiedetemperatur erwärmt sind.
Die bevorzugte Zusammensetzung wurde ausgewählt, um das für das Warmgesenkschmieden oder Isothermschmieden nötige superplastische Verhalten über einen brauchbaren Temperaturbereich aufzuweisen. Nicht alle Zusammensetzungen im weiten Bereich werden ein solches Verhalten aufweisen, aber der geübte Handwerker wird sofort fähig sein, mit einfachen Zugversuchen festzustellen, ob eine Zusammensetzung das Verhalten hat.
Indem kurz zur Figur 2 zurückgekehrt wird, dem Flussdiagramm für die praktische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ist das Material nach dem Vorgang des GFM-Schmiedens zum Warmgesenkschmieden oder zum Isothermschmieden bei Dehnungsraten im Bereich von 0.05 - 0.2 cm/cm/min (0.05 - 0.2 in/in/min) geeignet, um komplexe Formen wie Scheiben von Gasturbinenmaschinen zu bilden.

Claims

1. Verfahren für die Herstellung eines Gegenstandes, der eine feine Korngrösse und gute mechanische Eigenschaften bei Temperaturen unterhalb von 650º C (1200º F) hat, das mit einem Material beginnt, das aus 12-20% Cr, 10-20% Co, 2-5.5% Mo, 3-7% Ti, 1.2-3.5% Al, 0.005-0.25% C, 0.005-0.05% B, 0.01-0.1% Zr, 0-1% Ta, 0-4.5% W, 0- 1% Nb, 0-2.0% Fe, 0-0.3% Hf, 0-0.02% Y, 0-0.1% V, 0-1.0% Re, Ausgleich Ni, und nebensächlichen Verunreinigungen besteht und eine Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur hat und die Schritte umfasst:

a) das Material in mindestens einem Schritt, ausgewählt aus der Gruppe, die aus (i) formen oberhalb der Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur, (ii) formen unterhalb der Gamma- Prime Löslichkeitstemperatur und ausglühen, und (iii) Mischungen davon besteht, zu formen, wobei dieser mindestens eine Schritt eine kumulative wahre Dehnung von mindestens 0.5 und bei einer Dehnungsrate von mindestens 0.1 cm/cm/min (0.1 in/in/min) erzeugt;

b) das geformte Material bis auf eine Temperatur oberhalb der Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur zu erwärmen und das geformte Material durch die Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur hindurch abzukühlen, bei einer Rate von weniger als 55º C (100º F) pro Stunde, um eine übervergütete Mikrostruktur zu liefern; und

c) das Material unterhalb der Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur aber innerhalb eines Bereichs von 110º C (200º F) von ihr warmzuformen, um eine gesamte Dehnung von mindestens 0.9 und bei einer Dehnungsrate von mindestens 0.1 cm/cm/min (0.1 in/in/min) zu erzeugen,

wodurch das resultierende Material eine Korngrösse von 0.011 mm (eine ASTM Korngrössenzahl von 10) oder feiner hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter den Schritt umfasst, das feinkörnige Material mittels Warmgesenkschmiedens bei einer Dehnungsrate von 0.05 bis 0.2 cm/cm/min (in/in/min) zu schmieden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Material aus 12- 20% Cr, 10-20% Co, 2-5.5% Mo, 3.5-7% Ti, 1.2-3.5% Al, 0.005-0.15% C, 0.005-0.05% B, 0.01-0.1% Zr, 0-1% Ta, 0-2.5% W, 0-2.0% Fe, Ausgleich Ni, und nebensächlichen Verunreinigungen besteht.

4. Verfahren nach irgend einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Material aus 13-18% Cr, 10-15% Co, 3-5% Mo, 3.6-5.6% Ti, 1.7- 2.7% Al, 0.01-0.1% C, 0.005-0.05% B, 0.01-0.1% Zr, 0-0.5% Fe, Ausgleich Ni, und nebensächlichen Verunreinigungen besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Material aus 12- 20% Cr, 10-20% Co, 2-5.5% Mo, 3.5-7% Ti, 1.2-3.5% Al, 0.005-0.15% C, 0.005-0.05% B, 0.01-0.1% Zr, 0-2.5% W, 0-2.0% Fe, Ausgleich Ni, und nebensächlichen Verunreinigungen besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Material durch die Gamma-Prime Löslichkeitstemperatur hindurch bei einer Rate von weniger als 10º C (20º F) pro Stunde abgekühlt wird.