EP0398121B1 - Verfahren zur Erzeugung grober längsgerichteter Stengelkristalle in einer oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung - Google Patents
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- EP0398121B1 EP0398121B1 EP90108578A EP90108578A EP0398121B1 EP 0398121 B1 EP0398121 B1 EP 0398121B1 EP 90108578 A EP90108578 A EP 90108578A EP 90108578 A EP90108578 A EP 90108578A EP 0398121 B1 EP0398121 B1 EP 0398121B1
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- C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
- C22C32/001—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides
- C22C32/0015—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides with only single oxides as main non-metallic constituents
- C22C32/0026—Matrix based on Ni, Co, Cr or alloys thereof
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/10—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon
Definitions
- the invention relates to the improvement of the mechanical properties of oxide dispersion-hardened nickel-based superalloys with overall optimal properties with regard to high-temperature strength, long-term stability and ductility. Fatigue resistance and good thermal shock behavior in the medium and high temperature range of the material in the foreground.
- the invention is concerned with a method for producing coarse longitudinally oriented stem crystals with improved resistance to temperature changes and increased ductility in the transverse direction in a workpiece of any cross-sectional size and cross-sectional shape from an oxide dispersion-hardened nickel-base superalloy present in the initial state in fine-grained, warm-kneaded form by means of a coarse-graining process that triggers secondary recrystallization .
- Highly heat-resistant blade materials for gas turbines such as oxide dispersion-hardened nickel-based superalloys, are used in the state of coarse longitudinally oriented stem crystals. If the longitudinal axis of these directionally arranged crystallites coincides with the longitudinal axis of the workpiece and the latter is also the main direction of stress, optimal results with regard to creep resistance and fatigue strength at high temperatures are achieved in this direction.
- the structural condition required for this is achieved by using a zone annealing process for the heat treatment which is decisive for the secondary recrystallization with a preferred direction. As a rule, zone annealing is carried out on comparatively limited cross-sectional dimensions (a few cm2) in a classic manner.
- EP 0 115 092 A1 Another method for producing a workpiece from an oxide dispersion-hardened nickel-base superalloy which is present in the initial state in fine-grained hot-kneaded form is described in EP 0 115 092 A1.
- the workpiece is first heated in its edge zone to a temperature of approx. 1100 ° C. and in the core to a temperature of approx. 900 ° C. and treated thermally or thermomechanically at these temperatures.
- the workpiece is then cooled to room temperature and isothermally annealed.
- coarse grain annealing the core of the workpiece is kept at a temperature of 1230 to 1280 ° C above the recrystallization temperature of the stem crystals.
- the edge of the workpiece is kept at a temperature of approx. 1140 ° C below the recrystallization temperature.
- the core then has coarse longitudinal stem crystals, whereas the edge has a fine-grained structure.
- the invention achieves the object of specifying a method for producing a workpiece from an oxide dispersion-hardened nickel-base superalloy which is present in the starting state in fine-grained, hot-kneaded form, and which avoids complex process steps and the costly devices necessary for carrying them out, such as zone annealing plants and special ovens, can be easily accomplished in conventional facilities and leads to reproducible results.
- the method according to the invention is not only characterized by economy, but also by the fact that the workpiece produced thereafter is compared to one according to the prior art Technically manufactured workpiece has improved thermal shock resistance and thus increased ductility transverse to the longitudinal axis of the stem crystals.
- Another advantage of the method according to the invention is that it is suitable for the production of workpieces of any cross-sectional size and cross-sectional shape.
- the block diagram corresponds to the method steps according to exemplary embodiment 1. The diagram is self-explanatory and requires no further explanation.
- the grain axis ratio z / x of the longitudinal stem crystals which occurs after the isothermal coarse grain annealing, strongly depends on the temperature of the previous annealing treatment depends and runs through a maximum comparatively close (approx. 15 ° C) below the solution annealing temperature T ⁇ 'for the ⁇ '-phase in the ⁇ -matrix. After this maximum has been exceeded, the curve drops steeply in order to return practically to 1 at the temperature T ⁇ (no more grain extension!).
- the workpiece was then further processed according to FIG. 1. For this purpose, it was slowly brought to a temperature of 1130 ° C. in a furnace at a heating rate of 5 ° C./min and kept at this temperature for a period of 1/4 hour. Then the workpiece was cooled in air to room temperature. It was then heated to the temperature of 1230 ° C. necessary for secondary recrystallization and left at this temperature for 1 1/2 hours in order to produce a coarse grain (isothermal annealing). The workpiece was then cooled to room temperature at a rate of approx. 5 ° C / min.
- Fig. 3 This shows the influence of the grain axis ratio (grain extension ratio) z / x as a function of the annealing temperature held for 1 h of the heat treatment preceding the coarse grain annealing.
- the subsequent isothermal coarse grain annealing was carried out at 1230 ° C for 1 1/2 hours.
- the samples worked out from the workpiece showed longitudinal stem crystals of 7 mm medium length, 1.6 mm medium width and 0.9 mm medium thickness.
- the average grain axis ratio (grain extension ratio) z / x was approx. 7.
- the 100 h breaking limit in the creep rupture test at 1050 ° C. was approx. 105 MPa.
- the results of the creep tests are shown in FIG. 4.
- the corresponding zone-annealed sample reached a corresponding value of 110 MPa.
- Thermal shock tests did not show any cracks after 3000 cycles according to the program in Example 1, while in zone-annealed comparative samples after just over 400 Cycles hairline cracks could be found on the surface.
- Example 2 An oxide dispersion hardened nickel-base superalloy was subjected to heat treatment and coarse grain annealing in a manner similar to that of Example 2 (see FIG. 2).
- the workpiece was cooled to room temperature at a rate of approx. 3 ° C./min.
- the workpiece was subjected to a further heat treatment.
- the workpiece was brought to a temperature above the minimum solution annealing temperature for the ⁇ ′-phase of 1220 ° C. within 2 hours, held for 1 hour and then at a cooling rate of approx. 1 ° C./min to a temperature of Cooled down to 600 ° C. The further cooling took place in air down to room temperature.
- the samples showed longitudinal stem crystals with an average length of 15 mm, 1.5 mm width and 0.9 mm thickness.
- the average grain axis ratio z / x was approx. 14.
- a 100 h breaking limit of approx. 100 MPa was measured at a temperature of 1050 ° C.
- the comparable zone annealed sample was only a few percent above this value. The temperature change resistance was good.
- 2000 cycles without cracks were achieved, while the zone-annealed comparison samples showed hairline cracks at approximately 400 cycles.
- the invention is not restricted to the exemplary embodiments.
- the process for producing coarse longitudinally oriented stem crystals with improved resistance to temperature changes and increased ductility in the transverse direction in a workpiece of any cross-sectional size and cross-sectional shape from a fine-grained one in the initial state The hot-kneaded form of oxide dispersion-hardened nickel-based superalloy is carried out by coarse-grain annealing, which triggers the secondary recrystallization.
- the workpiece is first annealed in the temperature range between 1000 ° C and 1200 ° C for 1/4 to 10 hours, cooled and 1/4 up to 5 h in the temperature range between 1230 ° C and 1280 ° C isothermally annealed on coarse grain and cooled.
- the workpiece is preferably additionally subjected to a ductile heat treatment by heating it to the ⁇ ′-solution annealing temperature, maintaining it at least for 1/2 hour and then cooling it to room temperature.
- the process relates to a dispersion-hardened nickel-based superalloy with the above composition, the workpiece first being annealed at a temperature of 1080 ° C. for 2 hours, cooled in air and then annealed to coarse grains at 1230 ° C. for 1 1/2 hours and is cooled at a rate of at most 5 ° C / min.
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Description
- Oxyddispersionsgehärtete Superlegierungen auf der Basis von Nickel, welche dank ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen beim Bau thermischer Maschinen Verwendung finden. Bevorzugte Verwendung als Schaufelwerkstoff für Gasturbinen.
- Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierungen mit insgesamt optimalen Eigenschaften bezüglich Hochtemperaturfestigkeit, Langzeitstabilität und Duktilität. Dabei stehen Ermüdungsfestigkeit und gutes Thermoschockverhalten im mittleren und hohen Temperaturbereich des Werkstoffs im Vordergrund.
- Im engeren Sinne befasst sich die Erfindung mit einem Verfahren zur Erzeugung grober längsgerichteter Stengelkristalle mit verbesserter Temperaturwechselbeständigkeit und erhöhter Duktilität in Querrichtung in einem Werkstück beliebiger Querschnittsgrösse und Querschnittsform aus einer im Ausgangszustand in feinkörniger warmgekneteten Form vorliegenden oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung durch eine die sekundäre Rekristallisation auslösende Grobkornglühung.
- Hochwarmfeste Schaufelwerkstoffe für Gasturbinen wie oxyddispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierungen werden im Zustand grober längsgerichteter Stengelkristalle verwendet. Fällt die Längsachse dieser gerichtet angeordneten Kristallite mit der Längsachse des Werkstücks zusammen und ist letztere gleichzeitig die Hauptbeanspruchungsrichtung, so werden in dieser Richtung optimale Resultate bezüglich Kriechfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit bei hohen Temperaturen erzielt. Der dafür notwendige Gefügezustand wird dadurch erreicht, dass für die die sekundäre Rekristallisation mit bevorzugter Richtung massgebende Wärmebehandlung ein Zonenglühprozess herangezogen wird. In der Regel wird das Zonenglühen an vergleichsweise beschränkten Querschnittsbemessungen (einige cm²) in klassischer Weise durchgeführt.
- Werden grosse Querschnittsabmessungen (10 cm² und mehr) verlangt, dann ergeben sich Schwierigkeiten. Entweder lässt sich das Zonenglühen überhaupt nicht durchführen, indem die Kernzone nicht in der erwünschten Weise grobkörnig rekristallisiert oder es sind aufwendige und komplizierte Verfahren und Vorrichtungen notwendig, um an das erstrebenswerte Ziel heranzukommen. Zudem lässt die Duktilität in Querrichtung der Stengelkristalle und die Temperaturwechselfestigkeit zu wünschen übrig.
- Zum Stand der Technik wird folgende Literatur angegeben:
- G.H. Gessinger, Powder Metallurgy of Superalloys, Butterworths, London, 1984
- R.F. Singer and E. Arzt, Conf. Proc. "High Temperature Materials for Gas Turbines", Liège, Belgium, Oktober 1986
- J.S. Benjamin, Metall. Trans. 1970, 1, 2943 - 2951
- M.Y. Nazmy and R.F. Singer, Effect of inclusions on tensile ductility of a nickel-base oxide dispersion strengthened superalloy, Scripta Metallurgica, Vol. 19, pp. 829 - 832, 1985, Pergamon Press Ltd.
- T.K. Glasgow, "Longitudinal Shear Behaviour of Several Oxide Dispersion Strengthened Alloys", NASA TM-78973 (1978)
- R.L. Cairns, L.R. Curwick and J.S. Benjamin, Grain Growth in Dispersion Strengthened Superalloys by Moving Zone Heat Treatments, Metallurgical Transactions A, Vol. 6A, Janauary 1975, p. 179 - 188.
- Die bekannten Verfahren zur Erzeugung längsgerichteter Stengelkristalle in oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierungen genügen den heutigen Anforderungen nicht mehr. Die nach diesen Verfahren erzielten Ergebnisse reichen für einen optimalen Einsatz dieser Werkstoffe nicht mehr aus. Es existiert daher ein starkes Bedürfnis nach Weiterentwicklung und Verbesserung der Herstellverfahren.
- Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einer im Ausgangszustand in feinkörniger warmgekneteter Form vorliegenden oxiddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung ist in EP 0 115 092 A1 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird das Werkstück zunächst in seiner Randzone auf eine Temperatur von ca. 1100°C und im Kern auf eine Temperatur von ca. 900°C aufgeheizt und bei diesen Temperaturen thermisch oder thermomechanisch behandelt. Sodann wird das Werkstück auf Raumtemperatur abgekühlt und isotherm grobkorngeglüht. Beim Grobkornglühen wird der Kern des Werkstückes mit einer Temperatur von 1230 bis 1280°C oberhalb der Rekristallisationstemperatur der Stengelkristalle gehalten. Der Rand des Werkstückes wird hingegen mit einer Temperatur von ca. 1140°C unterhalb der Rekristallisationstemperatur gehalten. Der Kern weist dann grobe längsgerichteter Stengelkristalle auf, wohingegen der Rand feinkörniges Gefüge aufweist.
- Die Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einer im Ausgangszustand in feinkörniger warmgekneteter Form vorliegenden oxiddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung anzugeben, das unter Vermeidung aufwendiger Verfahrensschritte und der zu ihrer Durchführung notwendigen kostspieligen Vorrichtungen, wie Zonenglühanlagen und Spezialöfen, auf einfache Weise in konventionellen Einrichtungen bewerkstelligt werden kann und zu reproduzierbaren Ergebnissen führt.
- Das Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich nicht nur durch Wirtschaftlichkeit aus, sondern auch dadurch, dass das danach hergestellte Werkstück gegenüber einem nach dem Stand der Technik hergestellten Werkstück verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit und damit erhöhte Duktilität quer zur Längsachse der Stengelkristalle aufweist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist darin zu sehen, dass es zur Herstellung von Werkstücken von beliebiger Querschnittsgrösse und Querschnittsform geeignet ist.
- Die Erfindung wird anhand der durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben:
- Dabei zeigt:
- Fig. 1
- ein Fliessbild (Blockdiagramm) des Verfahrens für eine oxyddispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung mit 15 % Cr; 4 % W; 2 % Mo; 2,5 % Ti; 4,5 % Al gemäss Beispiel 1,
- Fig. 2
- ein Fliessbild (Blockdiagramm) des Verfahrens für eine oxyddispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung mit 20 % Cr; 3,5 % W; 2 % Mo; 6 % Al gemäss Beispiel 3,
- Fig. 3
- ein Diagramm des Kornachsenverhältnisses der Stengelkristalle in Funktion der Glühtemperatur für die der isothermen Grobkornglühung vorangehenden Wärmebehandlung für eine oxyddispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung mit 15 % Cr; 4 % W; 2 % Mo; 2,5 % Ti; 4,5 % Al,
- Fig. 4
- ein Diagramm der Zeitstandfestigkeit in Funktion der Zeit für eine isotherm rekristallisierte oxyddispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung mit 20 % Cr; 3,5 % W; 2 % Mo; 6 % Al.
- In Fig. 1 ist ein Fliessbild (Blockdiagramm) des Verfahrens für eine oxyddispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung mit der nachfolgenden Zusammensetzung dargestellt:
Cr = 15 Gew.-%
W = 4,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
Al = 4,5 Gew.-%
Ti = 2,5 Gew.-%
Ta = 2,0 Gew.-%
C = 0,05 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
Zr = 0,15 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest
Das Blockdiagramm entspricht den Verfahrensschritten gemäss Ausführungsbeispiel 1. Das Diagramm erklärt sich selbst und bedarf keiner weiteren Erläuterungen. - Fig. 2 bezieht sich auf ein Fliessbild (Blockdiagramm) des Verfahrens für eine oxyddispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung mit der nachfolgenden Zusammensetzung:
Cr = 20,0 Gew.-%
Al = 6,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
W = 3,5 Gew.-%
Zr = 0,19 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
C = 0,01 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest
Das Blockdiagramm entspricht den Verfahrensschritten gemäss Ausführungsbeispiel 3. Es bedarf keiner weiteren Erklärungen. - Fig. 3 zeigt ein Diagramm des Kornachsenverhältnisses der Stengelkristalle in Funktion der Glühtemperatur für die der isothermen Grobkornglühung vorangehenden Wärmebehandlung für eine oxyddispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung mit der nachfolgenden Zusammensetzung:
Cr = 15 Gew.-%
W = 4,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
Al = 4,5 Gew.-%
Ti = 2,5 Gew.-%
Ta = 2,0 Gew.-%
C = 0,05 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
Zr = 0,15 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest
Das isotherme Glühen auf Grobkorn wurde bei einer Temperatur von 1230 °C während 1 1/2 h durchgeführt.Es zeigt sich, dass das Kornachsenverhältnis z/x der längsgerichteten Stengelkristalle, das sich nach der isothermen Grobkornglühung einstellt, stark von der Temperatur der vorangegangenen Glühbehandlung abhängt und vergleichsweise dicht (ca. 15 °C) unterhalb der Lösungsglühungstemperatur Tγ′ für die γ′-Phase in der γ-Matrix ein Maximum durchläuft. Nach Ueberschreiten dieses Maximums fällt die Kurve steil ab, um bei der Temperatur Tγ′ praktisch auf 1 (keine Kornerstreckung mehr!) zurückzugeben. - In Fig. 4 ist die Zeitstandfestigkeit in Funktion der Zeit für eine isotherm rekristallisierte oxyddispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung mit der nachfolgenden Zusammensetzung dargestellt:
Cr = 20,0 Gew.-%
Al = 6,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
W = 3,5 Gew.-%
Zr = 0,19 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
C = 0,01 Gew.-%
Y²O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest
Die nach Fig. 2 hergestellten Proben aus diesem Werkstoff zeigten unter einer Zugbelastung bei einer Temperatur von 1050 °C und einer Zugspannung von 100 MPa eine Beanspruchungsdauer von ca. 100 h. Zum Vergleich: Bei zonengeglühtem Material betrug die ertragene Zugspannung für die gleiche Beanspruchungsdauer ca. 106 MPa. - An einer oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung mit der Handelsbezeichnung MA 6000 von INCO wurden Versuche zur Erzielung längsgerichteter Stengelkristalle vorgenommen. Die zuvor aus einer Pulvermischung durch mechanisches Legieren, Verdichten und Warmkneten pulvermetallurgisch hergestellte Legierung hatte die nachfolgende Zusammensetzung:
Cr = 15 Gew.-%
W = 4,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
Al = 4,5 Gew.-%
Ti = 2,5 Gew.-%
Ta = 2,0 Gew.-%
C = 0,05 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
Zr = 0,15 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest
Nach dem Warmkneten lag ein Werkstück in feinkörnigem Zustand vor. - Die Abmessungen des Werkstücks waren wie folgt:
Länge = 160 mm
Breite = 90 mm
Dicke = 50 mm
Das Werkstück wurde nun gemäss Fig. 1 weiterbehandelt. Zu diesem Zweck wurde es in einem Ofen langsam mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 5 °C/min auf eine Temperatur von 1130 °C gebracht und bei dieser Temperatur während einer Zeit von 1/4 h belassen. Dann wurde das Werkstück in Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Daraufhin wurde es auf die für die sekundäre Rekristallisation notwendige Temperatur von 1230 °C erwärmt und zwecks Erzeugung eines groben Korns auf dieser Temperatur während 1 1/2 h belassen (isothermes Glühen). Dann wurde das Werkstück mit einer Geschwindigkeit von ca. 5 °C/min auf Raumtemperatur abgekühlt. - Aus dem Werkstück wurden Proben herausgeschnitten und einer Prüfung unterzogen. Die metallographische Untersuchung ergab längsgerichtete Stengelkristalle von durchschnittlich 8 mm Länge, 1,5 mm Breite und 0,8 mm Dicke. Das mittlere Kornachsenverhältnis (Kornerstreckungsverhältnis) z/x betrug ca. 8 (siehe Fig. 3!). Die 100 h-Bruchgrenze im Zeitstandversuch bei 1050 °C lag bei ca. 110 MPa, was nahezu 95 % des Wertes einer vergleichsweise kleineren zonengeglühten Vergleichsprobe ausmachte. Es wurden Thermoschockversuche zur Bestimmung der qualitativen Temperaturwechselfestigkeit durchgeführt. Ein Probestab von 100 mm Länge, 50 mm Breite und 25 mm Dicke wurde einem Temperaturzyklus wie folgt unterworfen:
- Erwärmen von 200 °C auf 1000 °C innerhalb von 2 min
- Halten bei 1000 °C während 1 min
- Abkühlen auf 200 °C innerhalb von 1 min
- Halten bei 200 °C während 1 min
- Mit dem Werkstoff MA6000 wurden zusätzliche Versuche durchgeführt, um dem Einfluss der dem isothermen Rekristallisationsglühen vorgeschalteten Wärmebehandlung zu untersuchen. Dabei wurde festgestellt, dass diese Wärmebehandlung einen entscheidenden Einfluss auf die beim nachfolgenden Grobkornglühen (Rekristallisationsglühen) erzielte Gefügeausbildung hat. Sowohl Korngrösse wie Kornform können durch diese Wärmebehandlung entscheidend beeinflusst werden. Eine vergleichsweise niedrige Glühtemperatur und lange Glühdauer (z.B. 950 °C/100 h) führt bei der nachfolgenden Grobkornglühung zu verhältnismässig breiten, groben, jedoch nicht wesentlich gestreckten Körnern (kleines Kornerstreckungsverhältnis). Demgegenüber ergibt eine vergleichsweise hohe Glühtemperatur und kurze Glühdauer (z.B. 1130 °C/15 min) verhältnismässig schmale, grobe längsgestreckte Körner (grosses Kornerstreckungsverhältnis).
- Einige Versuchsergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt. Diese zeigt den Einfluss des Kornachsenverhältnisses (Kornerstreckungsverhältnis) z/x in Funktion der während 1 h gehaltenen Glühtemperatur der der Grobkornglühung vorangehenden Wärmebehandlung. Die nachfolgende isotherme Grobkornglühung (Rekristallisationsglühung) erfolgte bei 1230 °C während 1 1/2 h.
- An einer oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung mit der Handelsbezeichnung MA 760 (MA 17) von INCO wurden versuche zur Erzielung längsgerichteter Stengelkristalle vorgenommen. Die Legierung war aus einer Pulvermischung durch mechanisches Legieren, Verdichten und Strangpressen nach herkömmlichen pulvermetallurgischen Methoden hergestellt worden und hatte die nachfolgende Zusammensetzung:
Cr = 20,0 Gew.-%
Al = 6,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
W = 3,5 Gew.-%
Zr = 0,19 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
C = 0,01 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest
Nach dem Strangpressen lag das Werkstück in feinkörnigem Zustand vor. Seine Abmessungen entsprachen demjenigen von Beispiel 1. Das Werkstück wurde gemäss Fig. 2 weiterbehandelt. Es wurde zunächst in einem Ofen mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 3 °C/min auf eine Temperatur von 1150 °C gebracht und auf dieser Temperatur während einer Zeit von 3/4 h gehalten. Dann wurde das Werkstück in Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Daraufhin wurde es auf die für die sekundäre Rekristallisation notwendige Temperatur von 1250 °C erhitzt und zwecks Erzeugung eines langgestreckten Grobkorn auf dieser Temperatur während 1 h gehalten. Nach diesem isothermen Glühen wurde das Werkstück mit einer Geschwindigkeit von ca. 4 °C/min auf Raumtemperatur abgekühlt. - Die aus dem Werkstück herausgearbeiteten Proben zeigten längsgerichtete Stengelkristalle von 7 mm mittlerer Länge, 1,6 mm mittlere Breite und 0,9 mm mittlerer Dicke. Das durchschnittliche Kornachsenverhältnis (Kornerstreckungsverhältnis) z/x betrug ca. 7. Die 100 h-Bruchgrenze im Zeitstandversuch bei 1050 °C lag bei ca. 105 MPa. Die Ergebnisse der Zeitstandversuche sind in Fig. 4 dargestellt. Zum Vergleich erreichte die entsprechende zonengeglühte Probe einen entsprechenden Wert von 110 MPa. Thermoschockversuche zeigten nach 3000 Zyklen gemäss Programm in Beispiel 1 noch keine Anrisse, während in zonengeglühten Vergleichsproben bereits nach etwas über 400 Zyklen Haarrisse an der Oberfläche festgestellt werden konnten.
- Es wurde eine oxyddispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung einer Wärmebehandlung und einer Grobkornglühung in ähnlicher Weise wie unter Beispiel 2 (vgl. Fig. 2) unterzogen. Die pulvermetallurgisch durch mechanisches Legieren, Verdichten und Strangpressen hergestellte Legierung hatte die nachfolgende Zusammensetzung:
Cr = 17,0 Gew.-%
Al = 6,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
W = 3,5 Gew.-%
Ta = 2,0 Gew.-%
Zr = 0,15 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
C = 0,05 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest
Nach dem Strangpressen lag das Werkstück in feinkörniger Struktur vor. Die Abmessungen entsprachen denjenigen von Beispiel 1. Das Werkstück wurde ähnlich Fig. 2 behandelt. Zunächst wurde es in einen Ofen eingesetzt und mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 5 °C/min auf eine Temperatur von 1130 °C erhitzt und auf dieser Temperatur während einer Zeit von 1 1/2 h gehalten. Dann wurde das Werkstück in Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Zwecks sekundärer Rekristallisation wurde es langsam auf eine Temperatur von 1270 °C erhitzt und zur Erzeugung eines langgestreckten Grobkorns während 1/2 h auf dieser Temperatur gehalten. - Nach diesem isothermen Glühen wurde das Werkstück mit einer Geschwindigkeit von ca. 3 °C/min auf Raumtemperatur abgekühlt.
- Um die Duktilität in der Querrichtung zu erhöhen, wurde das Werkstück einer weiteren Wärmebehandlung unterworfen. Zu diesem Zweck wurde das Werkstück innerhalb von 2 h auf eine oberhalb er minimalen Lösungsglühtemperatur für die γ′-Phase gelegenen Temperatur von 1220 °C gebracht, 1 h gehalten und dann mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von ca. 1 °C/min auf eine Temperatur von 600 °C abgekühlt. Die weitere Abkühlung erfolgte in Luft bis auf Raumtemperatur herunter.
- Die Proben zeigten längsgerichtete Stengelkristalle von durchschnittlich 15 mm Länge, 1,5 mm Breite und 0,9 mm Dicke. Das mittlere Kornachsenverhältnis z/x betrug ca. 14. Im Zeitstandversuch wurde bei einer Temperatur von 1050 °C eine 100 h-Bruchgrenze von ca. 100 MPa gemessen. Die vergleichbare zonengeglühte Probe lage nur wenige Prozente über diesem Wert. Die Temperaturwechselfestigkeit war gut. Nach Programm gemäss Beispiel 1 wurden 2000 Zyklen ohne Anrisse erreicht, während die zonengeglühten Vergleichsproben bei ca. 400 Zyklen Haarrisse zeigten.
- Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
- Das Verfahren zur Erzeugung grober längsgerichteter Stengelkristalle mit verbesserter Temperaturwechselbeständigkeit und erhöhter Duktilität in Querrichtung in einem Werkstück beliebiger Querschnittsgrösse und Querschnittsform aus einer im Ausgangszustand in feinkörniger warmgekneteten Form vorliegenden oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung durch eine die sekundäre Rekristallisation auslösende Grobkornglühung wird durchgeführt, indem das Werkstück nach erfolgter Erwärmung zunächst im Temperaturbereich zwischen 1000 °C und 1200°C während 1/4 h bis 10 h geglüht, abgekühlt und während 1/4 bis 5 h im Temperaturbereich zwischen 1230 °C und 1280 °C isotherm auf Grobkorn geglüht und abgekühlt wird. Vorzugsweise wird das Werkstück zusätzlich einer Duktilisierungs-Wärmebehandlung unterzogen, indem es bis auf die γ′-Lösungsglühtemperatur erhitzt, auf dieser Temperatur wenigstens während 1/2 h gehalten und dann auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
- Das Verfahren bezieht sich insbesondere auf eine dispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung mit der nachfolgenden Zusammensetzung:
Cr = 15 Gew.-%
W = 4,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
Al = 4,5 Gew.-%
Ti = 2,5 Gew.-%
Ta = 2,0 Gew.-%
C = 0,05 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
Zr = 0,15 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest,
wobei das Werkstück zunächst während 1/4 h bei einer Temperatur von 1130 °C geglüht, an Luft abgekühlt und dann während 1 1/2 h bei 1230 °C auf Grobkorn geglüht und mit einer Geschwindigkeit von höchstens 5 °C/min abgekühlt wird. Ausserdem bezieht sich das Verfahren auf eine dispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung mit der obigen Zusammensetzung, wobei das Werkstück zunächst während 2 h bei einer Temperatur von 1080 °C geglüht, an Luft abgekühlt und dann während 1 1/2 h bei 1230 °C auf Grobkorn geglüht und mit einer Geschwindigkeit von höchstens 5 °C/min abgekühlt wird. Das Verfahren gilt ferner für eine dispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung mit der nachfolgenden Zusammensetzung:
Cr = 20,0 Gew.-%
Al = 6,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
W = 3,5 Gew.-%
Zr = 0,19 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
C = 0,01 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest,
wobei das Werkstück zunächst während 3/4 h bei einer Temperatur von 1150 °C geglüht, an Luft abgekühlt und dann während 1 h bei 1250 °C auf Grobkorn geglüht und mit einer Geschwindigkeit von höchstens 5 °C/min abgekühlt wird. Ebenfalls gilt das Verfahren für eine dispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung mit der nachfolgenden Zusammensetzung:
Cr = 17,0 Gew.-%
Al = 6,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
W = 3,5 Gew.-%
Ta = 2,0 Gew.-%
Zr = 0,15 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
C = 0,05 Gew.-%
Y²O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest,
wobei das Werkstück zunächst während 1 1/2 h bei einer Temperatur von 1130 °C geglüht, an Luft abgekühlt und dann während 1/2 h bei 1270 °C auf Grobkorn geglüht und mit einer Geschwindigkeit von höchstens 5 °C/min abgekühlt wird.
Claims (6)
- Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einer im Ausgangszustand in feinkörniger warmgekneteter Form vorliegenden oxiddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung, bei dem das Werkstück zur Erzeugung grober längsgerichteter Stengelkristalle während 1/4 bis 5 h in einem Temperaturbereich zwischen 1230°C und 1280°C auf Grobkorn geglüht und danach auf Raumtemperatur abgekühlt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der bei der Grobkornglühung erzielten Gefügeausbildung das in feinkörniger warmgekneteter Form vorliegende Werkstück vor dem Grobkornglühen zunächst auf eine Temperatur zwischen 1000°C und 1200°C erwärmt, während 1/4 h bis 10 h in diesem Temperaturbereich vorgeglüht und sodann auf Raumtemperatur abgekühlt wird, und dass danach das vorgeglühte Werkstück zur Erzeugung der Stengelkristalle isotherm grobgeglüht wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück zusätzlich einer Duktilisierungs-Wärmebehandlung unterzogen wird, indem es bis auf die γ′-Lösungsglühtemperatur erhitzt, auf dieser Temperatur wenigstens während 1/2 h gehalten und dann auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:
Cr = 15 Gew.-%
W = 4,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
Al = 4,5 Gew.-%
Ti = 2,5 Gew.-%
Ta = 2,0 Gew.-%
C = 0,05 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
Zr = 0,15 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest
und dass das Werkstück zunächst während 1/4 h bei einer Temperatur von 1130 °C geglüht, an Luft abgekühlt und dann während 1 1/2 h bei 1230 °C auf Grobkorn geglüht und mit einer Geschwindigkeit von höchstens 5 °C/min abgekühlt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:
Cr = 15 Gew.-%
W = 4,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
Al = 4,5 Gew.-%
Ti = 2,5 Gew.-%
Ta = 2,0 Gew.-%
C = 0,05 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
Zr = 0,15 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest
und dass das Werkstück zunächst während 2 h bei einer Temperatur von 1080 °C geglüht, an Luft abgekühlt und dann während 1 1/2 h bei 1230 °C auf Grobkorn geglüht und mit einer Geschwindigkeit von höchstens 5 °C/min abgekühlt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:
Cr = 20,0 Gew.-%
Al = 6,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
W = 3,5 Gew.-%
Zr = 0,19 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
C = 0,01 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest
und dass das Werkstück zunächst während 3/4 h bei einer Temperatur von 1150 °C geglüht, an Luft abgekühlt und dann während 1 h bei 1250 °C auf Grobkorn geglüht und mit einer Geschwindigkeit von höchstens 5 °C/min abgekühlt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dispersionsgehärtete Nickelbasis-Superlegierung die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:
Cr = 17,0 Gew.-%
Al = 6,0 Gew.-%
Mo = 2,0 Gew.-%
W = 3,5 Gew.-%
Ta = 2,0 Gew.-%
Zr = 0,15 Gew.-%
B = 0,01 Gew.-%
C = 0,05 Gew.-%
Y₂O₃ = 1,1 Gew.-%
Ni = Rest
und dass Werkstück zunächst während 1 1/2 h bei einer Temperatur von 1130 °C geglüht, an Luft abgekühlt und dann während 1/2 h bei 1270 °C auf Grobkorn geglüht und mit einer Geschwindigkeit von höchstens 5 °C/min abgekühlt wird.
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