WO2004053181A2 - Method for the production of a part having improved weldability and/or mechanical processability from an alloy - Google Patents

Method for the production of a part having improved weldability and/or mechanical processability from an alloy Download PDF

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WO2004053181A2
WO2004053181A2 PCT/EP2003/013882 EP0313882W WO2004053181A2 WO 2004053181 A2 WO2004053181 A2 WO 2004053181A2 EP 0313882 W EP0313882 W EP 0313882W WO 2004053181 A2 WO2004053181 A2 WO 2004053181A2
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welding
alloy
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Nigel-Philip Cox
Rolf WILKENHÖNER
Dirk Goldschmidt
Konstantin A. Yushchenko
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Siemens Aktiengesellschaft
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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 a method for producing a component with improved weldability and / or mechanical machinability from an alloy.
  • US Pat. No. 5,938,863 discloses a nickel-based superalloy which has additions of carbides in order to improve the fatigue behavior.
  • US Pat. No. 6,120,624 discloses heat treatment of a nickel-base superalloy before welding in order to avoid cracking during heat treatments after welding.
  • U.S. Patent 4,579,602 and U.S. Patent 4,574,015 disclose heat treatments for cast superalloys to improve the forging of these materials.
  • the component During the production of a component from an alloy, the component must be processed in various intermediate production steps.
  • the alloy often does not have the desired properties in order to process it optimally.
  • the alloy can be relatively brittle, making mechanical processing (straightening, machining, grinding) difficult.
  • the object is achieved by a method for producing a component with improved weldability and / or mechanical machinability from an alloy according to claim 1.
  • Figure 1 exemplary temporal profiles of the temperature of an alloy during a manufacturing process
  • Figure 3 different microstructures of an alloy.
  • FIG. 2 shows an exemplary time course of the temperature of an alloy during the manufacturing process.
  • the alloy can be hardened, for example, by precipitates, such as an iron, nickel or cobalt-based superalloy.
  • the alloy can be sintered into a component from a powder or cast as a melt or can also be solidified in a directed manner. Other types of production are conceivable.
  • the temperature is greater than the melting temperature Tiiquidus-
  • the melt is poured off (left area in the figure) and then more or less controlled slow or uncontrolled cooled so that the temperature below the solidus T is so u mode. Then the component has solidified.
  • the component is cooled, for example, to room temperature (intersection of the temperature axis T with the time axis t).
  • the casting process is followed, for example, not necessarily by post-compaction, in particular directly after the casting process, i.e. without cooling the component after casting.
  • the post-compression is carried out, for example, by hot isostatic pressing (HIP) (area I, Fig. 2) or possibly also by sintering in order to avoid errors such as e.g. Close pores, cavities, ..
  • the post-compaction can also be carried out after other manufacturing steps, for example after welding.
  • the temperature during the recompression (for example HIP) is below the solidus line T sol i dus of the alloy of the component.
  • the components made of this alloy are mechanically processed (for example, straightened or machined, grinding)
  • a subsequent improvement heat treatment according to the invention which leads, for example, to coarsening of the precipitates, for example by means of an aging heat treatment which leads to an aging of the structure of the alloy, changes the microstructure (structure) of the component in such a way that the processability of the alloy compared to the untreated one Structure is improved.
  • the structural features include the crystal structure, precipitations and secondary phases.
  • the exemplary aging heat treatment can be connected directly to the post-compression process, in particular in the same furnace, or after casting or sintering. There is no (FIG. 2, transition area I, II) or only an insignificant cooling of the component. If the post-compression process is carried out using a HIP process, the pressure during the improvement heat treatment can remain, be slowly reduced or reduced.
  • a holding time at the temperature for the improvement heat treatment can be omitted or reduced here, since this has already been done at least partially or entirely by the holding time for the HIP post-treatment.
  • the aging heat treatment is possibly after a holding time at a temperature by a low cooling rate of greater than or equal to 2 ° C to 5 ° C per minute, in particular from 2 ° C to 3 ° C per minute, in particular 2.33 ° C / min., Directly after After compression process reached (area II, Fig. 2).
  • Figure 1 shows the time course when the component is removed from the hot isostatic press and transported to another furnace.
  • the aging heat treatment is carried out by heating up to a certain temperature, possibly with a holding time at this temperature (heating up is not necessary in the process according to FIG. 2), and for example by a low cooling rate of greater than or equal to 2 ° C. to 5 ° C. per minute, in particular of 2 ° C to 3 ° C per minute, especially 2.33 ° C / min. (Area II, Fig.l) reached.
  • An aging heat treatment for IN738LC which also leads to coarsening of the excretions, has the following parameters, for example:
  • the holding temperature is 1204 ° C +/- 15 ° C.
  • the holding temperatures for the aging heat treatment are also the HIP temperatures, for example. But they can be higher or lower.
  • the aging heat treatment causes the ⁇ * phase to age, which significantly increases the ductility of the base material.
  • This aging heat treatment improves the weldability of the alloy, in particular at room temperature, compared to the untreated alloy.
  • the improved mechanical ductility of the alloy compared to the untreated alloy makes the component more directional (mechanically deformable) and / or better machinable or grinding.
  • the structure achieved in this way can have poorer properties compared to the structure before the heat treatment.
  • high-strength nickel super alloys such as IN939, Rene80 and IN738LC have been used in particular for large and thin-walled components such as Combustion chamber linings not used. These alloys have the ⁇ phase to increase strength and can now be processed and used with the method according to the invention without restrictions (with welds).
  • the material of choice was previously Hastelloy X. This material is easier to weld, but has limited high-temperature strength and directionality compared to the other material classes.
  • the component can, for example, be solution annealed (greater than or equal to 1180 ° C to, for example, 1200 ° C for the above-mentioned materials) with subsequent rapid cooling (for example, 20 ° - 40 ° C per minute to 800 ° C, then air cooling), that is faster than the cooling rate in the improvement heat treatment.
  • the outdated structure is "erased” again, ie the coarse precipitations at least partially disappear and the component regains its good high-temperature properties for the alloy, for example by adjusting a finely dispersed ⁇ ⁇ structure (rapid cooling).
  • the structure may have better properties for the area of application of the component than the structure that the component had after the heat treatment in order to improve the processability.
  • this ⁇ ⁇ phase is dissolved.
  • the ⁇ phase fails and coarsens accordingly.
  • the coarsening not only leads to an increase in the mean diameter of the ⁇ ⁇ phase, but also, for example, to spherodization of the ⁇ ⁇ phase, ie it is less cube-shaped and more platelet-shaped. Such coarsening leads to increased ductility.
  • a corresponding heat treatment is carried out which changes the microstructure in such a way that it improves the processability of the component, in particular at room temperature.
  • the process for improving the processability of the alloy can be used for newly manufactured components as well as for components that were in use (refurbishment).
  • the procedure is as follows, for example.
  • the used component is cleaned (removal of oxidation / corrosion products) and stripped, for example.
  • the component is then assessed, i.e. the detection of cracks and pores.
  • An aging heat treatment is then carried out, which is followed either by welding repair of the cracks and pores at room temperature or by straightening the component. Cold welding (hammering or hammering) of the welds produced in this way then takes place.
  • Solution annealing takes place, for example, at the same temperature as in the aging heat treatment, but with faster cooling, in order to avoid the coarsening of the ⁇ ⁇ structures. It cools down so quickly that the ⁇ 1 phase is not completely eliminated, but remains at least partially dissolved.
  • outsourcing can be carried out to remove the desired ⁇ ⁇ structure (fine blocky particles).
  • a type of filler metal or a filler metal with the same composition as the component is used in particular.
  • the same type means that it has approximately the same composition as the component or has the same high-temperature properties as the base material.
  • the components of the filler metal has the same proportions as the material of the component.
  • welding consumables can be dispensed with.
  • welding consumables that are less resistant to high temperatures should be avoided.
  • the filler metal can be hardened by precipitates, ie its strength can be increased, the weld point hardly or not at all reduces the strength of the component.
  • the filler metal should have at least a volume share of 35% (in the micrograph) for the precipitations (for example the ⁇ ⁇ phase).
  • the aging temperature of 1180 ° C for IN939 is deliberately chosen to be higher than that known from the prior art (1160 ° C, US Pat. No. 6,120,624).
  • the desired finely dispersed ⁇ phase is restored for the use of the component in order to achieve the required mechanical properties.
  • FIG. 3 shows different microstructures of a super alloy.
  • FIG. 3a shows the alloy with a cubic primary ⁇ ⁇ and a fine secondary ⁇ ⁇ phase, so that a high-strength alloy is obtained which has a low ductility.
  • FIG. 3b shows an outdated microstructure which has a platelet-shaped ⁇ phase, but no secondary ⁇ v phase. This microstructure has an increased ductility compared to FIG. 3a.

Abstract

Alloys known in prior art cannot be processed well enough for producing a part. According to the inventive method, the part is subjected to a thermal treatment in an intermediate step, which improves the processability thereof.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit verbesserter Schweißbarkeit und/oder mechanischen Bearbeitbarkeit aus einer Legierung Process for producing a component with improved weldability and / or mechanical machinability from an alloy
'5 ' 5
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit verbesserter Schweißbarkeit und/oder mechanischen Bearbeitbarkeit aus einer Legierung gemäss Anspruch 1.The invention relates to a method for producing a component with improved weldability and / or mechanical machinability from an alloy.
0 Die US-PS 5,938,863 offenbart eine Nickelbasiö-Superlegie- rung, die Zusätze von Carbiden aufweist, um das Ermüdungsverhalten zu verbessern.US Pat. No. 5,938,863 discloses a nickel-based superalloy which has additions of carbides in order to improve the fatigue behavior.
Die US-PS 6,120,624 offenbart eine Wärmebehandlung einer 5 Nickelbasis-Superlegierung vor einem Schweißen, um das Entstehen von Rissen bei Wärmebehandlungen nach dem Schweißen zu vermeiden. Hier werden während der Wärmebehandlung sehr kleine Abkühlraten verwendet (3F/min = 1.66°C/min oder weniger) . 0US Pat. No. 6,120,624 discloses heat treatment of a nickel-base superalloy before welding in order to avoid cracking during heat treatments after welding. Here very low cooling rates are used during the heat treatment (3F / min = 1.66 ° C / min or less). 0
Die US-PS 4,579,602 sowie die US-PS 4,574,015 offenbaren Wärmebehandlungen für gegossene Superlegierungen, um das Schmieden dieser Materialien zu verbessern.U.S. Patent 4,579,602 and U.S. Patent 4,574,015 disclose heat treatments for cast superalloys to improve the forging of these materials.
5 Aus der US-PS 5,-374,319, US-PS 5,106,010 und EP 478374 ist bekannt, bei einem Bauteil die örtlich begrenzte Schweißzone auf Temperaturen über die Alterungstemperatur zu erhitzen. Dies führt zu Spannungen in dem auf unterschiedlichen Temperaturen gehaltenen Bauteil .5 From US Pat. No. 5,374,319, US Pat. No. 5,106,010 and EP 478374 it is known to heat the locally limited welding zone to temperatures above the aging temperature in a component. This leads to stresses in the component kept at different temperatures.
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Während der Herstellung eines Bauteils aus einer Legierung muss das Bauteil in verschiedenen Herstellungs-Zwischen- schritten bearbeitet werden. Oft weist die Legierung nicht die gewünschten Eigenschaften auf, um sie optimal zu bearbei-During the production of a component from an alloy, the component must be processed in various intermediate production steps. The alloy often does not have the desired properties in order to process it optimally.
35 ten zu können. So kann die Legierung relativ spröde sein, wodurch eine mechanische Bearbeitung (Richten, spanende, schleifende Bearbeitung) erschwert wird.35 to be able to. The alloy can be relatively brittle, making mechanical processing (straightening, machining, grinding) difficult.
Ebenso müssen oft Risse oder Löcher verschweißt werden, wobei jedoch oft eine schlechte Schweißbarkeit der Legierung vorliegt .Likewise, cracks or holes often have to be welded, although the alloy is often difficult to weld.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, oben genannte Probleme zu überwinden.It is therefore an object of the invention to overcome the problems mentioned above.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit verbesserter Schweißbarkeit und/oder mechanischen Bearbeitbarkeit aus einer Legierung gemäss An- spruch 1.The object is achieved by a method for producing a component with improved weldability and / or mechanical machinability from an alloy according to claim 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Verfahrens- schritte aufgelistet.Further advantageous method steps are listed in the subclaims.
Die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen können in vorteilhafter Art und Weise miteinander kombiniert werden.The measures listed in the subclaims can be combined with one another in an advantageous manner.
Es zeigenShow it
Figur 1, 2 beispielhafte zeitliche Verläufe der Temperatur einer Legierung während eines Herstellungsprozesses, undFigure 1, 2 exemplary temporal profiles of the temperature of an alloy during a manufacturing process, and
Figur 3 verschiedene MikroStrukturen einer Legierung.Figure 3 different microstructures of an alloy.
Die Figur 2 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf der Temperatur einer Legierung während des Herstellungsprozesses.FIG. 2 shows an exemplary time course of the temperature of an alloy during the manufacturing process.
Die Legierung ist beispielsweise durch Ausscheidungen härtbar, wie beispielsweise eine eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung. Die Legierung kann zu einem Bauteil aus einem Pulver gesintert oder als Schmelze abgegossen bzw. auch gerichtet erstarrt gelassen werden. Weitere Herstellungsarten sind denkbar.The alloy can be hardened, for example, by precipitates, such as an iron, nickel or cobalt-based superalloy. The alloy can be sintered into a component from a powder or cast as a melt or can also be solidified in a directed manner. Other types of production are conceivable.
Wenn die Legierung für einen Gießprozess' aufgeschmolzen ist, so ist die Temperatur größer als die Schmelztemperatur Tiiquidus- Die Schmelze wird abgegossen (linker Bereich in der Figur) und danach mehr oder weniger langsam kontrolliert oder unkontrolliert abgekühlt, so dass die Temperatur unter der Soliduslinie Tsoudus liegt. Dann ist das Bauteil erstarrt. Das Bauteil wird bspw. bis zur Raumtemperatur (Schnittpunkt der Temperaturachse T mit Zeitachse t) abgekühlt.When the alloy is melted for a molding process', the temperature is greater than the melting temperature Tiiquidus- The melt is poured off (left area in the figure) and then more or less controlled slow or uncontrolled cooled so that the temperature below the solidus T is so u mode. Then the component has solidified. The component is cooled, for example, to room temperature (intersection of the temperature axis T with the time axis t).
Nach dem Gießverfahren folgt beispielsweise, also nicht notwendigerweise eine Nachverdichtung, insbesondere direkt nach dem Gießprozess, d.h. ohne Abkühlung des Bauteils nach dem Giessen. Die Nachverdichtung erfolgt beispielsweise durch heißisosta- tisches Pressen (HIP) , (Bereich I, Fig. 2) oder möglicherweise auch durch Sintern, um Fehler wie z.B. Poren, Lunker, .. zu schließen.The casting process is followed, for example, not necessarily by post-compaction, in particular directly after the casting process, i.e. without cooling the component after casting. The post-compression is carried out, for example, by hot isostatic pressing (HIP) (area I, Fig. 2) or possibly also by sintering in order to avoid errors such as e.g. Close pores, cavities, ..
Die Nachverdichtung kann auch nach anderen Herstellungsschritten, bspw. nach dem Schweissen, erfolgen. Die Temperatur während der Nachverdichtung (bspw. HIP) liegt unterhalb der Soliduslinie Tsolidus der Legierung des Bauteils.The post-compaction can also be carried out after other manufacturing steps, for example after welding. The temperature during the recompression (for example HIP) is below the solidus line T sol i dus of the alloy of the component.
In diesem Stadium (mit oder ohne Nachverdichtung) werden die Bauteile, die aus dieser Legierung bestehen, mechanisch bear- beitet (beispielsweise gerichtet oder spanende, schleifendeAt this stage (with or without post-compression), the components made of this alloy are mechanically processed (for example, straightened or machined, grinding)
Bearbeitung) und/oder es erfolgen Schweißreparaturen von Fehlern im Bauteil, insbesondere bei Raumtemperatur.Machining) and / or welding repairs of defects in the component, in particular at room temperature.
Oft sind jedoch die Eigenschaften der Legierung des Bauteils den mechanischen Verarbeitungsbedingungen (Schweißbarkeit und mechanische Verarbeitbarkeit) nicht angepasst. Durch eine erfindungsgemäße nachfolgende Verbesserungswärme- behandlung, die beispielsweise zur Vergröberung der Ausscheidungen führt, beispielsweise durch eine Überalterungswärmebehandlung, die zu einer Überalterung der Struktur der Legierung führt, wird die MikroStruktur (Gefüge) des Bauteils so verändert, dass die Verarbeitbarkeit der Legierung gegenüber dem unbehandelten Gefüge verbessert wird. Zu den Gefügemerkmalen zählen u.a. die Kristallstruktur, Ausscheidungen und Sekundärphasen.However, the properties of the alloy of the component are often not adapted to the mechanical processing conditions (weldability and mechanical processability). A subsequent improvement heat treatment according to the invention, which leads, for example, to coarsening of the precipitates, for example by means of an aging heat treatment which leads to an aging of the structure of the alloy, changes the microstructure (structure) of the component in such a way that the processability of the alloy compared to the untreated one Structure is improved. The structural features include the crystal structure, precipitations and secondary phases.
Insbesondere kann die beispielhafte Überalterungswärmebehandlung direkt an den Νachverdichtungsprozess, insbesondere in demselben Ofen, oder nach dem Giessen bzw. Sintern angeschlossen werden. Es findet keine (Fig. 2, Übergang Bereich I, II) oder nur eine unwesentliche Abkühlung des Bauteils statt. Wird der Νachverdichtungsprozess mit einem HIP-Verfahren durchgeführt, so kann der Druck bei der Verbesserungswärmebehandlung bestehen bleiben, langsam abgesenkt oder zurückge- nommen werden.In particular, the exemplary aging heat treatment can be connected directly to the post-compression process, in particular in the same furnace, or after casting or sintering. There is no (FIG. 2, transition area I, II) or only an insignificant cooling of the component. If the post-compression process is carried out using a HIP process, the pressure during the improvement heat treatment can remain, be slowly reduced or reduced.
Eine Haltezeit bei der Temperatur für die Verbesserungswärmebehandlung kann hier entfallen oder reduziert werden, da dies durch die Haltezeit für die HIP- Νachbehandlung bereits zumindest teilweise oder ganz erfolgt ist.A holding time at the temperature for the improvement heat treatment can be omitted or reduced here, since this has already been done at least partially or entirely by the holding time for the HIP post-treatment.
Die Überalterungswärmebehandlung wird ggf. nach einer Haltezeit bei einer Temperatur durch eine geringe Abkühlrate von größergleich 2°C bis 5°C pro Minute, insbesondere von 2°C bis 3°C pro Minute, insbesondere 2.33°C/min., direkt nach dem Νachverdichtungsprozess erreicht (Bereich II, Fig. 2) . Figur 1 zeigt den zeitlichen Verlauf, wenn das Bauteil aus der heißisostatischen Presse herausgenommen und in einen anderen Ofen transportiert wird.The aging heat treatment is possibly after a holding time at a temperature by a low cooling rate of greater than or equal to 2 ° C to 5 ° C per minute, in particular from 2 ° C to 3 ° C per minute, in particular 2.33 ° C / min., Directly after After compression process reached (area II, Fig. 2). Figure 1 shows the time course when the component is removed from the hot isostatic press and transported to another furnace.
Die Überalterungswärmebehandlung wird durch Hochheizen auf eine bestimmte Temperatur, ggf. mit einer Haltezeit bei dieser Temperatur (bei Ablauf gemäss Figur 2 entfällt das Hochheizen) , und beispielsweise durch eine geringe Abkühlrate von größergleich 2°C bis 5°C pro Minute, insbesondere von 2°C bis 3°C pro Minute, insbesondere 2.33°C/min. (Bereich II, Fig.l) erreicht.The aging heat treatment is carried out by heating up to a certain temperature, possibly with a holding time at this temperature (heating up is not necessary in the process according to FIG. 2), and for example by a low cooling rate of greater than or equal to 2 ° C. to 5 ° C. per minute, in particular of 2 ° C to 3 ° C per minute, especially 2.33 ° C / min. (Area II, Fig.l) reached.
Eine Überalterungswärmebehandlung für IN738LC, die auch zu einer Vergröberung der Ausscheidungen führt, hat beispielsweise folgende Parameter:An aging heat treatment for IN738LC, which also leads to coarsening of the excretions, has the following parameters, for example:
Aufheizen mit 10°C - 25°C/min (falls notwendig) , Haltetemperatur/-zeit 1180°C + 0°C - 10°C /Haltezeit ggf. 3h, Abkühlen mit 2°C - 3°C/min., insbesondere 2.33°C/min. bis 950°C, dann Luftabkühlung.Heating at 10 ° C - 25 ° C / min (if necessary), holding temperature / time 1180 ° C + 0 ° C - 10 ° C / holding time, if necessary, 3 hours, cooling at 2 ° C - 3 ° C / min., in particular 2.33 ° C / min. up to 950 ° C, then air cooling.
Bei IN939 werden die gleichen Parameter verwendet. Für ReneδO liegt die Haltetemperatur bei 1204°C +/- 15°C. Die Haltetemperaturen für die Überalterungswärmebehandlung sind bspw. auch die HIP-Temperaturen. Sie können aber höher oder niedriger sein.The same parameters are used for IN939. For ReneδO, the holding temperature is 1204 ° C +/- 15 ° C. The holding temperatures for the aging heat treatment are also the HIP temperatures, for example. But they can be higher or lower.
Durch die Überalterungswärmebehandlung wird eine Überalterung der γ* -Phase bewirkt, wodurch die Duktilität des Grundwerkstoffs wesentlich erhöht wird.The aging heat treatment causes the γ * phase to age, which significantly increases the ductility of the base material.
Durch diese Überalterungswärmebehandlung wird z.B. die Schweißbarkeit der Legierung insbesondere bei Raumtemperatur gegenüber der unbehandelten Legierung verbessert. Außerdem wird durch die verbesserte mechanische Duktilität der Legierung gegenüber der unbehandelten Legierung das Bauteil besser richtbar (mechanisch verformbar) und/oder besser spanend oder schleifend bearbeitbar. Für den späteren Anwendungsbereich des Bauteils wie z.B. Hochtemperatureinsatz kann das so erzielte Gefüge im Vergleich zu dem Gefüge vor der Wärmebehandlung schlechtere Eigenschaften aufweisen.This aging heat treatment improves the weldability of the alloy, in particular at room temperature, compared to the untreated alloy. In addition, the improved mechanical ductility of the alloy compared to the untreated alloy makes the component more directional (mechanically deformable) and / or better machinable or grinding. For the later area of application of the component, such as high-temperature use, the structure achieved in this way can have poorer properties compared to the structure before the heat treatment.
Aufgrund der schlechten Schweißbarkeit und Richtbarkeit wurden bisher hochfeste Nickelsuperlegierungen wie IN939, Rene80 und IN738LC insbesondere für große und dünnwandige Bauteile, wie z.B. Brennkammerauskleidungen nicht eingesetzt. Diese Legierungen weisen die γ -Phase zur Festigkeitssteigerung auf und können nun mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne Einschränkungen bearbeitet und eingesetzt (mit Schweißstellen) werden. Werkstoff der Wahl war bisher Hastelloy X. Dieser Werkstoff ist besser schweißbar, besitzt jedoch im Vergleich zu den anderen Werkstoffklassen eine beschränkte Hochtemperaturfestigkeit und Richtbarkeit .Due to the poor weldability and directionality, high-strength nickel super alloys such as IN939, Rene80 and IN738LC have been used in particular for large and thin-walled components such as Combustion chamber linings not used. These alloys have the γ phase to increase strength and can now be processed and used with the method according to the invention without restrictions (with welds). The material of choice was previously Hastelloy X. This material is easier to weld, but has limited high-temperature strength and directionality compared to the other material classes.
Nach der Überalterungswärmebehandlung werden gegebenenfalls Fehlstellen (Risse, Löcher,....) beispielsweise mittels Mikroplasmapulverauftragsschweißen oder Plasmapulverauf- tragsschweißen repariert .After the aging heat treatment, imperfections (cracks, holes, etc.) are repaired, if necessary, for example by means of micro plasma deposition welding or plasma powder deposition welding.
Der Einsatz anderer Schweißverfahren wie manuelles Wolfram- Inertgas-Schweißen ist prinzipiell ebenso möglich. Die beim Schweißen entstandenen Schweißstellen können gegebenenfalls gedengelt (gehämmert) werden, was zur Kaltverfestigung führt, da Druckeigenspannungen induziert werden. Ebenso können Poren oder sonstige Fehler dadurch reduziert werden oder verschwinden.The use of other welding processes such as manual tungsten inert gas welding is also possible in principle. The welds created during welding can be narrowed (hammered) if necessary, which leads to work hardening, since residual compressive stresses are induced. Likewise, pores or other defects can be reduced or disappear.
Danach erfolgt beispielsweise ein Kaltrichten des Bauteils in entsprechenden Vorrichtungen zur Korrektur der Geometrie des Bauteils .This is followed, for example, by cold straightening the component in appropriate devices for correcting the geometry of the component.
Danach kann mit dem Bauteil beispielsweise ein Lösungsglühen (grössergleich 1180°C bis bspw. 1200°C für oben genannte Werkstoffe) mit anschließender schneller Abkühlung (bspw. 20° - 40°C pro Minute bis 800°C, dann Luftabkühlung) durchgeführt werden, d.h. schneller als die Abkühlrate bei der Verbesserungswärmebehandlung.Thereafter, the component can, for example, be solution annealed (greater than or equal to 1180 ° C to, for example, 1200 ° C for the above-mentioned materials) with subsequent rapid cooling (for example, 20 ° - 40 ° C per minute to 800 ° C, then air cooling), that is faster than the cooling rate in the improvement heat treatment.
Hierdurch wird die überalterte Struktur wieder "gelöscht", d.h. die groben Ausscheidungen verschwinden zumindest teilweise und das Bauteil erhält seine guten Hochtemperatureigenschaften der Legierung beispielsweise durch Einstellung einer feindispersen γλ -Struktur zurück (schnelle Abkühlung) .As a result, the outdated structure is "erased" again, ie the coarse precipitations at least partially disappear and the component regains its good high-temperature properties for the alloy, for example by adjusting a finely dispersed γ λ structure (rapid cooling).
Das Gefüge weist ggf. für den Anwendungsbereich des Bauteils bessere Eigenschaf en auf als das Gefüge, das das Bauteil nach der Wärmebehandlung zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit aufwies .The structure may have better properties for the area of application of the component than the structure that the component had after the heat treatment in order to improve the processability.
Während der Überalterungswärmebehandlung bei den Werkstoffen mit der γx -Phase wird diese γλ -Phase aufgelöst. Wenn die γ - Phase aufgelöst ist, erfolgt eine langsame Abkühlung wobei die γλ -Phase ausfällt und sich entsprechend vergröbert. Die Vergröberung führt nicht nur zu einem Anstieg in dem mittle- ren Durchmesser der γΛ -Phase, sondern beispielsweise auch zu einer Spherodisation der γλ -Phase, d.h. sie ist weniger würfelhaft, sondern mehr plättchenför ig ausgeprägt. Eine solche Vergröberung führt zu einer erhöhten Duktilität. Bei anderen Werkstoffen, die keine γ -Phase aufweisen, wird eine entsprechende Wärmebehandlung durchgeführt, die die Mik- rostruktur so verändert, dass sie die Verarbeitbarkeit des Bauteils, insbesondere bei Raumtemperatur verbessert. During the aging heat treatment of materials with the γ x phase, this γ λ phase is dissolved. When the γ phase is dissolved, there is slow cooling, the γ λ phase fails and coarsens accordingly. The coarsening not only leads to an increase in the mean diameter of the γ Λ phase, but also, for example, to spherodization of the γ λ phase, ie it is less cube-shaped and more platelet-shaped. Such coarsening leads to increased ductility. In the case of other materials which do not have a γ phase, a corresponding heat treatment is carried out which changes the microstructure in such a way that it improves the processability of the component, in particular at room temperature.
Das Verfahren zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit der Legierung kann für neu gefertigte Bauteile verwendet werden sowie für Bauteile, die im Einsatz waren (Refurbishment) . Dabei ist 'die Vorgehensweise beispielsweise wie folgt.The process for improving the processability of the alloy can be used for newly manufactured components as well as for components that were in use (refurbishment). The procedure is as follows, for example.
Das benutze Bauteil wird gesäubert (Entfernung Oxidations- /Korrosionsprodukte) und beispielsweise entschichtet. Danach erfolgt eine Begutachtung des Bauteils, d.h. die Feststellung von Rissen und Poren. Es erfolgt dann eine Überalterungswärmebehandlung, an die sich entweder eine Schweißreparatur der Risse und Poren bei Raumtemperatur oder ein Richten des Bauteils anschließt. Es erfolgt dann ggf. ein kaltes Verformen (dengeln oder häm- mern) der so erzeugten Schweißstellen.The used component is cleaned (removal of oxidation / corrosion products) and stripped, for example. The component is then assessed, i.e. the detection of cracks and pores. An aging heat treatment is then carried out, which is followed either by welding repair of the cracks and pores at room temperature or by straightening the component. Cold welding (hammering or hammering) of the welds produced in this way then takes place.
Anschließend erfolgt beispielsweise wieder eine Wärmebehandlung (beispielsweise Lösungsglühen) , um die gewünschte feindisperse γΛ -Struktur einzustellen. Gegebenenfalls erfolgt noch eine weitere Nachbehandlung der Schweißstellen, beispielsweise eine lokale Wärmebehandlung.This is followed, for example, by heat treatment (solution annealing, for example) in order to set the desired finely dispersed γ Λ structure. If necessary, a further post-treatment of the welds takes place, for example a local heat treatment.
Das Lösungsglühen erfolgt beispielsweise bei derselben Temperatur wie bei der Überalterungswärmebehandlung, jedoch mit schnellerer Abkühlung, um die Vergröberung der γλ -Strukturen zu vermeiden. Es wird dabei so schnell abgekühlt, dass die γ1 -Phase nicht vollständig ausgeschieden wird, sondern zumindest zum Teil zwangsgelöst bleibt.Solution annealing takes place, for example, at the same temperature as in the aging heat treatment, but with faster cooling, in order to avoid the coarsening of the γ λ structures. It cools down so quickly that the γ 1 phase is not completely eliminated, but remains at least partially dissolved.
Gegebenenfalls kann ein Auslagern zum Ausscheiden der gewünschten γΛ -Struktur (feine blockige Teilchen) erfolgen.If necessary, outsourcing can be carried out to remove the desired γ Λ structure (fine blocky particles).
Beim Schweißen wird insbesondere ein artgleicher Schweißzusatz oder ein Schweißzusatz, der dieselbe Zusammensetzung wie das Bauteil aufweist, verwendet. Artgleich heißt, dass er ungefähr dieselbe Zusammensetzung wie das Bauteil aufweist oder dieselben Hochtemperatureigenschaften wie das Basismate- rial aufweist. Dabei weisen beispielsweise die Bestandteile des Schweißzusatzes dieselben verhältnismäßigen Anteile auf wie das Material des Bauteils.When welding, a type of filler metal or a filler metal with the same composition as the component is used in particular. The same type means that it has approximately the same composition as the component or has the same high-temperature properties as the base material. For example, the components of the filler metal has the same proportions as the material of the component.
Ggf. kann auf Schweißzusätze verzichtet werden. Insbesondere sollen weniger hochtemperaturfeste Schweißzu- sätze vermieden werden.Possibly. welding consumables can be dispensed with. In particular, welding consumables that are less resistant to high temperatures should be avoided.
Wenn der Schweißzusatz durch Ausscheidungen härtbar ist, d.h. seine Festigkeit kann gesteigert werden, verringert die Schweißstelle kaum oder gar nicht die Festigkeit des Bauteils. Der Schweißzusatz sollte mindestens einen Volumenanteil von 35% (im Schliffbild) für die Ausscheidungen (beispielsweise die γΛ -Phase) aufweisen.If the filler metal can be hardened by precipitates, ie its strength can be increased, the weld point hardly or not at all reduces the strength of the component. The filler metal should have at least a volume share of 35% (in the micrograph) for the precipitations (for example the γ Λ phase).
Das Dengeln der Schweißstelle nach dem Schweißen unterdrückt die Rissbildung während einer ersten Wärmebehandlung nach dem Schweißen.Punching the weld after welding suppresses cracking during a first heat treatment after welding.
Erst die Kombination der Überalterungswärmebehandlung und das Dengeln ermöglicht ein zumindest artgleiches Schweißen bei Raumtemperatur, um gute und rissfreie Schweißstellen herzustellen.It is only the combination of the aging heat treatment and the peening that enables at least the same type of welding at room temperature in order to produce good and crack-free welds.
Die Überalterungstemperatur von 1180°C für IN939 ist bewusst höher gewählt als aus dem Stand der Technik (1160°C, US-PS 6,120,624) bekannt.The aging temperature of 1180 ° C for IN939 is deliberately chosen to be higher than that known from the prior art (1160 ° C, US Pat. No. 6,120,624).
Eine beispielhafte Nachwärmebehandlung nach dem Schweißen sieht wie folgt aus :An example of post-heat treatment after welding is as follows:
Aufheizen mit 10 °C - 25°C/min. auf eine Haltetemperatur für eine gewisse Zeit,Heating at 10 ° C - 25 ° C / min. to a holding temperature for a certain time,
Abkühlen mit 20°C - 40°C/min. , so dass die Überalterungsstruktur aufgelöst ist .Cool down at 20 ° C - 40 ° C / min. so that the aging structure is dissolved.
Aufheizen mit 10°C - 25°C/min. auf eine Haltetemperatur für eine gewisse Zeit, (Lösungsglühen) Abkühlen mit 20 °C - 40°C/min. und ggf .Heating at 10 ° C - 25 ° C / min. to a holding temperature for a certain time, (solution annealing) cooling at 20 ° C - 40 ° C / min. and if necessary.
Aufheizen mit 10°C - 25°C/min. auf eine bestimmte Haltetempe- ratur für eine gewisse Zeit,Heating at 10 ° C - 25 ° C / min. to a certain holding temperature for a certain time,
Abkühlung (Auslagerungswärmebehandlung) .Cooling (aging heat treatment).
Die gewünschte feindisperse γ -Phase wird für den Einsatz des Bauteils wiederhergestellt, um die erforderlichen mechanischen Eigenschaften zu erreichen.The desired finely dispersed γ phase is restored for the use of the component in order to achieve the required mechanical properties.
Die Figur 3 zeigt verschiedene MikroStrukturen einer Superle- gierung.FIG. 3 shows different microstructures of a super alloy.
In diesem Beispiel ist die MikroStruktur der Legierung IN738 gezeigt .In this example, the microstructure of the IN738 alloy is shown.
Figur 3a) zeigt die Legierung mit kubischem primären γλ und feiner sekundärer γλ -Phase, so dass sich eine hochfeste Legierung ergibt, die eine geringe Duktilität aufweist.FIG. 3a) shows the alloy with a cubic primary γ λ and a fine secondary γ λ phase, so that a high-strength alloy is obtained which has a low ductility.
Figur 3b zeigt eine überalterte MikroStruktur, die eine plättchenförmige γ -Phase aufweist, jedoch keine sekundären γv -Phase. Diese MikroStruktur weist eine gegenüber Figur 3a erhöhte Duktilität auf. FIG. 3b shows an outdated microstructure which has a platelet-shaped γ phase, but no secondary γ v phase. This microstructure has an increased ductility compared to FIG. 3a.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer durch Ausscheidungen härtbaren Legierung, wobei in einem Zwischenschritt die mechanische Bearbeitbarkeit und/oder Schweißbarkeit durch eine Verbesserungswärmebehandlung mit dem Bauteil vor dem Schweißen und/oder vor dem mechanischem Bearbeiten verbessert wird, die die Ausscheidungen vergröbert, wodurch das Schweißen und/oder die mechanische Bearbeitbarkeit verbessert wird und wobei die Verbesserungswärmebehandlung zumindest- teilweise während einer langsamen Abkühlung mit einer Abkühlrate von 2° bis 3°C /min durchgeführt wird.1. A method for producing a component from an alloy that can be hardened by precipitation, wherein in an intermediate step the mechanical machinability and / or weldability is improved by an improvement heat treatment with the component before welding and / or before mechanical processing, which coarsens the precipitation, whereby the welding and/or the mechanical workability is improved and wherein the improvement heat treatment is at least partially carried out during slow cooling at a cooling rate of 2° to 3°C/min.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass2. The method according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
eine Überalterungswärmebehandlung als Verbesserungswärmebehandlung mit dem Bauteil durchgeführt wird, um die Ausscheidungen zu vergröbern.an overaging heat treatment is carried out as an improvement heat treatment on the component in order to coarsen the precipitates.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass3. The method according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
nach dem Schweißen und/oder der mechanischen Bearbeitung eine weitere Wärmebehandlung durchgeführt wird, so dass das so eingestellte Gefüge für die Anwendungsbereiche des Bauteils bessere Eigenschaften aufweist als ohne diese Wärmebehandlung. After welding and/or mechanical processing, a further heat treatment is carried out, so that the structure set in this way has better properties for the areas of application of the component than without this heat treatment.
. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass. Method according to claim 1, 2 or 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
nach dem Schweißen und/oder der mechanischen Bearbeitung eine Nachwärmebehandlung durchgeführt wird, die die Vergröberung der Ausscheidungen zumindest teilweise wieder rückgängig macht.After welding and/or mechanical processing, a post-heat treatment is carried out, which at least partially reverses the coarsening of the precipitates.
5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass5. The method according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
zur Herstellung des Bauteils das Bauteil aus einer Schmelze der Legierung gegossen wird.To produce the component, the component is cast from a melt of the alloy.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 , 3 , 4 oder 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass6. The method according to claim 1, 2, 3, 4 or 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
das Bauteil nachverdichtet wird.the component is recompacted.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 6 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass7. The method according to claim 1, 2 or 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
das Bauteil vor der Verbesserungswärmebehandlung nachverdichtet wird.the component is re-compacted before the improvement heat treatment.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,8. The method according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Bauteil auf eine bestimmte Temperatur hochgeheizt wird, und dass die Verbesserungswärmebehandlung zumindest teilweise durch ein langsames Abkühlen erfolgt. that the component is heated to a certain temperature, and that the improvement heat treatment is carried out at least partially by slow cooling.
9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass9. The method according to claim 6 or 7, so that
die Verbesserungswärmebehandlung direkt nach der Nachverdichtung erfolgt.the improvement heat treatment takes place directly after the post-compaction.
10. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass10. The method according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
die Verbesserungswärmebehandlung direkt nach dem Giessen erfolgt .the improvement heat treatment takes place directly after casting.
11. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass11. The method according to claim 6, 7 or 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
die Nachverdichtung mittels heißisostatischem Pressen durchgeführt wird.the subsequent compaction is carried out using hot isostatic pressing.
12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass12. The method according to claim 1 or 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
als Legierung eine eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung verwendet wird.An iron, nickel or cobalt-based superalloy is used as the alloy.
13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass13. The method according to claim 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
die Legierung die γΛ -Phase aufweist. the alloy has the γ Λ phase.
1 . Verfahren nach Anspruch 1, 3 oder 4 , d a du r c h g e k e nn z e i c h n e t, dass1 . Method according to claim 1, 3 or 4, characterized in that
für das Schweißen ein artgleicher Schweißzusatz verwendet wird.A welding filler of the same type is used for welding.
15. Verfahren nach Anspruch 1, 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass15. The method according to claim 1, 3 or 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
■ für das Schweißen ein Schweißzusatz verwendet wird, der dieselbe Zusammensetzung wie die Legierung aufweist, ■ a welding filler material is used for welding that has the same composition as the alloy,
16. Verfahren nach Anspruch 1, 3, 4, 14 oder 15, d a d u r c h g e k e nn z e i c h n e t, dass16. The method according to claim 1, 3, 4, 14 or 15, d a d u r c h g e k e nn z e i c h n e t that
für das Schweißen ein Schweißzusatz verwendet wird, der durch eine Ausscheidung härtbar ist .A welding filler metal that can be hardened by precipitation is used for welding.
17. Verfahren nach Anspruch 1, 3, 4, 14, 15 oder 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,17. The method according to claim 1, 3, 4, 14, 15 or 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass beim Schweißen eine Schweißstelle entsteht, und dass die zumindest eine Schweißstelle gedengelt wird.that a weld is created during welding and that at least one weld is dented.
18. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass18. The method according to claim 1 or 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
als Legierung der Werkstoff IN 738LC oder IN 939 verwendet wird. The material IN 738LC or IN 939 is used as an alloy.
19. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,19. The method according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass für die Verbesserungswärmebehandlung das Bauteil auf einer Temperatur gehalten wird, und dass dann eine Abkühlung des Bauteils erfolgt.that the component is kept at a temperature for the improvement heat treatment and that the component is then cooled down.
2 O.Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass2 O. Method according to claim 1, 2 or 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
die Verbesserungswärmebehandlung zumindest bei einer Lösungsglühtemperatur der Legierung erfolgt .the improvement heat treatment takes place at least at a solution annealing temperature of the alloy.
21. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 19 oder 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass21. The method according to claim 1, 2, 19 or 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
die Überalterungswärmebehandlung bei 1180°C liegt.the overaging heat treatment is at 1180°C.
22. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass22. The method according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
die Nachwärmebehandlung, um die groben Ausscheidungen zumindest teilweise wieder rückgängig zu machen, zumindest teilweise bei einer Lösungsglühtemperatur durchgeführt wird.the post-heat treatment, in order to at least partially reverse the coarse precipitates, is carried out at least partially at a solution annealing temperature.
23. Verfahren nach Anspruch 4 oder 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass23. The method according to claim 4 or 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
die Nachwärmebehandlung, um die groben Ausscheidungen zumindest teilweise wieder rückgängig zu machen, zumindest teilweise beim Abkühlen mit einer Abkühlrate von 20°C bis 40°C pro Minute durchgeführt wird.the post-heat treatment to at least partially reverse the coarse precipitates, at least partially when cooling at a cooling rate from 20°C to 40°C per minute.
24. Verfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass24. The method according to claim 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
der Volumenanteil der Ausscheidungen des Schweißzusatzes mindestens 35% beträgt.the volume fraction of the welding filler precipitates is at least 35%.
25. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass25. The method according to claim 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that
die Temperatur für die Nachverdichtung unterhalb der Soliduslinie des Materials des Bauteils liegt. the temperature for the post-compaction is below the solidus line of the material of the component.
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